JP5093640B2 - Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid polymer fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane and a method for producing the same.
液体燃料を使用した固体高分子型燃料電池は、小型、軽量化が容易であるために、今日では携帯機器をはじめとした種々の電子機器用電源としての研究開発が活発に進められている。 Since a polymer electrolyte fuel cell using a liquid fuel can be easily reduced in size and weight, research and development as a power source for various electronic devices such as portable devices are being actively promoted today.
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持した構造の電極−電解質膜接合体(MEA;Membrane and Electrode Assembly)を備えている。液体燃料を直接アノードに供給するタイプの燃料電池は、直接型燃料電池と呼ばれ、供給された液体燃料をアノードに担持された触媒上で分解して陽イオン、電子及び中間生成物を生成させる。さらにこのタイプの燃料電池では、生成した陽イオンは固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、生成した電子は外部負荷を経てカソード側に移動し、これらがカソードで空気中の酸素と反応して発電する。例えば、液体燃料としてメタノール水溶液をそのまま使用するダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCという。)では、下式1で表される反応がアノードで起こり、下式2で表される反応がカソードで起こる。
(反応式1);CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e−
(反応式2);6H+ + 6e− + 3/2 O2 → 3H2O
The polymer electrolyte fuel cell includes an electrode-electrolyte membrane assembly (MEA) having a structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode. A fuel cell of a type that supplies liquid fuel directly to the anode is called a direct fuel cell, and decomposes the supplied liquid fuel on a catalyst supported on the anode to generate cations, electrons, and intermediate products. . Further, in this type of fuel cell, the generated cations permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side, and the generated electrons move to the cathode side through an external load, and these are oxygen in the air at the cathode. To generate electricity. For example, in a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC) using a methanol aqueous solution as a liquid fuel as it is, the reaction represented by the following
(Scheme 1); CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e −
(Scheme 2); 6H + + 6e − + 3/2 O 2 → 3H 2 O
(メタノール水溶液の理論濃度)
これらの式1及び2から明らかなように、DMFCでは、理論上、アノードで1モルのメタノールと1モルの水とが反応して1モルの反応生成物(二酸化炭素)が生成される。このとき、水素イオン及び電子も生成されるため、燃料であるメタノール水溶液中のメタノールの理論濃度は体積%で約70vol%となる。
(Theoretical concentration of aqueous methanol solution)
As apparent from these
(クロスオーバーについて)
しかし、従来、アノードに供給されるメタノール濃度が高くなると、メタノールが上記式1で表される反応に寄与することなく固体高分子電解質膜を透過してしまう「クロスオーバー」が起こり、発電容量や発電電力が低下することが知られている。クロスオーバーが大きくなると、(a)出力(電圧)が下がってしまう、(b)燃料の利用効率が悪くなってしまう、(c)発熱量が大きくなってMEAの温度が上がるため、燃料温度が必要以上に上昇してクロスオーバーがさらに加速され、更なる温度上昇を引き起こしてしまう、等の問題が生じ易くなる。
(About crossover)
However, conventionally, when the concentration of methanol supplied to the anode increases, a “crossover” occurs in which methanol permeates the solid polymer electrolyte membrane without contributing to the reaction represented by the
上記と関連して、特許文献1は、DMFCの出力密度を向上させるための技術を開示している。特許文献4は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、その正極とその負極との間に配置された固体電解質とを備えた液体燃料電池用発電素子であって、その正極及びその負極が、それぞれ厚さ20μm以上の触媒層を含み、その夫々の触媒層の少なくとも一方は、細孔径0.3μm〜2.0μmの細孔を有し、その細孔の細孔容積が、全細孔に対して4%以上であることを特徴とする液体燃料電池用発電素子、を開示している。
In relation to the above,
MEAの出力を高くするためには電解質膜のプロトン伝導を高くする必要があるが、これはメタノールの透過速度が高くなることにもつながる。このため、必要な出力を確保しようとすると、20vol%程度のメタノール水溶液を用いてもクロスオーバーの影響を受けるのが現状である。逆に、さらに低濃度メタノール水溶液を用いることによってクロスオーバーを低減することは容易になるが、このような低濃度メタノール水溶液を液体燃料として用いると、液体燃料の単位質量当たりの発電量が少なくなるため、固体高分子型燃料電池のエネルギー密度を高めることができなくなるという問題が生じる。したがって、エネルギー密度の高い固体高分子型燃料電池を得るためには、理論上最適なメタノール濃度(70vol%)にできるだけ近い液体燃料を用いて必要な燃料だけを消費してかつクロスオーバーを抑制する機構が必要となる。 In order to increase the output of the MEA, it is necessary to increase the proton conduction of the electrolyte membrane, which leads to an increase in the permeation rate of methanol. For this reason, in order to secure the necessary output, even if a methanol aqueous solution of about 20 vol% is used, it is currently affected by crossover. Conversely, it is easy to reduce crossover by using a low-concentration aqueous methanol solution, but when such a low-concentration aqueous methanol solution is used as a liquid fuel, the amount of power generation per unit mass of the liquid fuel is reduced. Therefore, there arises a problem that the energy density of the solid polymer fuel cell cannot be increased. Therefore, in order to obtain a polymer electrolyte fuel cell having a high energy density, only a necessary fuel is consumed and a crossover is suppressed by using a liquid fuel as close as possible to the theoretically optimal methanol concentration (70 vol%). A mechanism is required.
このようなMEAへの燃料供給を最適化させる先行技術としては、例えば特許文献2に記載のものが挙げられる。特許文献1には、酸化剤極と、この酸化剤極上に形成された電解質板と、この電解質板上に形成された燃料極と、この燃料極上に設けられた液体とガスを分離する分離膜と、この分離膜に接続される液体燃料保持部とを具備することを特徴とする燃料電池、が開示されている。
As a prior art for optimizing the fuel supply to such an MEA, for example, the one described in Patent Document 2 can be cited.
また、関連する技術として、特許文献3は、電解質層の両側に正極及び負極が対設され、負極側に、液体燃料を含浸して保持する液体燃料含浸層をさらに備える燃料電池であって、導電性多孔性材料からなり、負極へ液体燃料及び気体燃料を分配する燃料分配層を、負極と液体燃料含浸層との間に備えてなる燃料電池、を開示している。
Further, as a related technique,
また、液体吸収保持部材の材質に関して、特許文献4は、空孔の周囲に金属粉末が焼結した骨格を有する多孔質焼結体からなることを特徴とする多孔質液体吸収保持部材、を開示している。 As for the material of the liquid absorption holding member, Patent Document 4 discloses a porous liquid absorption holding member characterized by comprising a porous sintered body having a skeleton obtained by sintering metal powder around the pores. is doing.
また、燃料電池システムの小型化と高出力化を行う為の技術として、特許文献5は、電気導電性を有する炭素質多孔体を基材とし、該基材の表面に電極/電解質/電極の各層を形成した単位セル又は該単位セルを2以上連結した連結体を供え、上記基材に液体燃料を浸透させるとともに、基材の外表面に形成される電極面を空気に曝す構造を具備してなることを特徴とする燃料電池、を開示している。
しかしながら、液体燃料から気液分離膜を介して気体成分のみを選択的に透過させる構造の燃料電池において、本発明者らが更なる検討を行ったところ、以下のような問題が存在し、そのままでは安定した発電を行えないことを見出した。 However, in the fuel cell having a structure in which only the gas component is selectively permeated from the liquid fuel through the gas-liquid separation membrane, the present inventors have conducted further studies. Then, we found that stable power generation cannot be performed.
アノード電極へ気化供給するための気液分離膜としてはフッ素樹脂からなる多孔質体を用いた場合、このフッ素樹脂からなる多孔質膜も含めて絶縁性の多孔質膜は液体燃料が触れていない乾燥状態においては表面に大きな静電気を生じてしまう。燃料電池では運転中に内部の部材の劣化や外部からのゴミなど多かれ少なかれ微細な不純物が混入することが想定される。このような不純物は乾燥状態において大きな静電気を帯びた気液分離膜に付着しやすくなり、気液分離膜への液体燃料の供給を阻害することになる。すなわち気液分離膜が乾燥した状態から起動させた場合には、気液分離膜への燃料供給が阻害されるので、アノード電極への安定した燃料気化供給も十分行えなくなる。また、物理的な燃料阻害以外にも気液分離膜の表面状態を変質させて分離膜の透過特性を変えてしまうことも挙げられる。また、アノード電極側でも部材の剥離等が起った場合にも、気化供給する多孔質膜が乾燥すれば同様に相対する気液分離膜に不純物が付着する確率が極めて高くなることが予測され、やはり燃料供給の阻害と膜表面の変質につながる。 When a porous body made of fluororesin is used as the gas-liquid separation membrane for vaporizing and supplying the anode electrode, the insulating porous membrane including the porous membrane made of fluororesin is not touched by liquid fuel In the dry state, large static electricity is generated on the surface. In a fuel cell, it is assumed that more or less fine impurities such as deterioration of internal members and external dust are mixed during operation. Such impurities are liable to adhere to a gas-liquid separation membrane having a large static electricity in a dry state, and hinder the supply of liquid fuel to the gas-liquid separation membrane. That is, when the gas-liquid separation membrane is started from a dry state, fuel supply to the gas-liquid separation membrane is hindered, so that stable fuel vaporization and supply to the anode electrode cannot be performed sufficiently. In addition to physical fuel inhibition, the permeation characteristics of the separation membrane may be changed by altering the surface state of the gas-liquid separation membrane. In addition, even when a member is peeled off on the anode electrode side, if the porous membrane to be vaporized is dried, the probability of impurities adhering to the opposite gas-liquid separation membrane is also expected to be extremely high. This also leads to fuel supply hindrance and membrane surface alteration.
以上の理由で、気液分離膜が乾燥した状態において不純物付着による物理的な燃料阻害と膜表面の変質によって安定した燃料供給が難しくなり、発電特性の低下しやすくなる。 For the above reasons, in a state where the gas-liquid separation membrane is dry, it becomes difficult to stably supply fuel due to physical fuel inhibition due to adhesion of impurities and alteration of the membrane surface, and power generation characteristics are likely to deteriorate.
また、気液分離膜の帯電を防止するために、金属製の材料を気液分離膜に密着させたとしても、燃料電池内に発生する副生成物(蟻酸など)により腐食し、表面が酸化膜で覆われて安定するので導電性も多かれ少なかれ低下してしまう。また、一般的に金属製の材質は硬くて凹凸も大きいので、気化供給に用いる気液分離膜の膜厚が薄い場合には膜を損傷してしまうこともある。 In addition, even if a metal material is brought into close contact with the gas-liquid separation membrane to prevent the gas-liquid separation membrane from being charged, it is corroded by by-products (such as formic acid) generated in the fuel cell, and the surface is oxidized. Since it is covered and stabilized by the film, the conductivity is more or less lowered. In general, a metal material is hard and has large irregularities. If the gas-liquid separation membrane used for vaporization supply is thin, the membrane may be damaged.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は気液分離膜を用いて気化供給する燃料電池において、気液分離膜への不純物付着を低減させることのできる固体高分子型燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its object is to provide a solid state capable of reducing the adhesion of impurities to a gas-liquid separation membrane in a fuel cell that vaporizes and supplies using the gas-liquid separation membrane. The object is to provide a polymer fuel cell.
以下に、[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号・符号を用いて、[課題を解決するための手段]を説明する。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。 [Means for Solving the Problems] will be described below using the numbers and symbols used in [Best Mode for Carrying Out the Invention]. These numbers and symbols are added in parentheses in order to clarify the correspondence between the description of [Claims] and [Best Mode for Carrying Out the Invention]. However, these numbers and symbols should not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].
本発明に係る固体高分子型燃料電池(10)は、固体高分子電解質膜(5)と、固体高分子電解質膜(5)の一方の面上に接触して配置されたカソード(7)と、固体高分子電解質膜(5)の他方の面上に接触して配置されたアノード(6)と、アノード(6)へ供給される燃料を、液体の状態で一時的に保持する液体燃料保持部(16)と、液体燃料保持部(16)とアノード(6)との間に配置され、燃料の気体成分のみを選択的に透過させてアノード(6)へ供給する気液分離膜(20)と、を具備する。気液分離膜(20)と液体燃料保持部(16)とは接触している。液体燃料保持部(16)は、導電性を有している。
燃料保持部(16)が導電性を有していることで、乾燥状態でも気液分離膜(20)表面の静電気が除去される。静電気が除去されるので、気液分離膜(20)表面への不純物の付着を著しく抑えることができる。不純物の影響を受けないので、液体燃料が枯渇して気液分離膜(20)が乾燥したような状況から発電させる場合においても、気液分離膜(20)に必要な液体燃料が供給され、かつ気液分離膜からアノード(6)への気化供給も安定して行うことができる。また、長期的な観点にたてば、不純物付着による気液分離膜(20)表面の変質も防止される。すなわち、上述の構成により、燃料が枯渇した場合など気液分離膜(20)が乾燥した状態から発電させる状況において、極めて安定した発電特性を実現することが可能となる。
A polymer electrolyte fuel cell (10) according to the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane (5), and a cathode (7) disposed in contact with one surface of the solid polymer electrolyte membrane (5). The anode (6) disposed in contact with the other surface of the solid polymer electrolyte membrane (5) and the liquid fuel holding for temporarily holding the fuel supplied to the anode (6) in a liquid state Gas-liquid separation membrane (20) disposed between the section (16), the liquid fuel holding section (16), and the anode (6), and selectively passing only the gaseous component of the fuel and supplying the fuel to the anode (6) And). The gas-liquid separation membrane (20) and the liquid fuel holding part (16) are in contact with each other. The liquid fuel holding part (16) has conductivity.
Since the fuel holding portion (16) has conductivity, static electricity on the surface of the gas-liquid separation membrane (20) is removed even in a dry state. Since static electricity is removed, the adhesion of impurities to the surface of the gas-liquid separation membrane (20) can be remarkably suppressed. Since it is not affected by impurities, even when power is generated from a situation where the liquid fuel is depleted and the gas-liquid separation membrane (20) is dried, the liquid fuel necessary for the gas-liquid separation membrane (20) is supplied, In addition, vaporization and supply from the gas-liquid separation membrane to the anode (6) can be performed stably. Further, from the long-term viewpoint, alteration of the surface of the gas-liquid separation membrane (20) due to adhesion of impurities can be prevented. That is, with the above-described configuration, it is possible to realize extremely stable power generation characteristics in a situation where power generation is performed from a state where the gas-liquid separation membrane (20) is dry, such as when the fuel is depleted.
上記の固体高分子型燃料電池(10)において、液体燃料保持部(16)の表面抵抗値は、0(Ω)より大きく、1012(Ω)以下であることが好ましい。
液体燃料保持部(16)の表面抵抗値が1012(Ω)より大きくなると、不純物を付着する効果が十分に得られない傾向にある。
In the polymer electrolyte fuel cell (10), the surface resistance value of the liquid fuel holder (16) is preferably larger than 0 (Ω) and not larger than 10 12 (Ω).
If the surface resistance value of the liquid fuel holding part (16) is larger than 10 12 (Ω), the effect of adhering impurities tends to be insufficient.
上記の固体高分子型燃料電池(10)において、液体燃料保持部(16)は、高分子発泡体であることが好ましい。
高分子材料は耐酸性を有する化学的に安定なものが多種多様であり、発電反応の副生成物に対しても安定しているものを選定することができる。
In the polymer electrolyte fuel cell (10), the liquid fuel holding part (16) is preferably a polymer foam.
There are a wide variety of chemically stable polymeric materials having acid resistance, and it is possible to select those that are stable against by-products of the power generation reaction.
上記の固体高分子型燃料電池(10)において、液体燃料保持部(16)は、気孔率が50%以上95%以下であることが好ましい。
気孔率が50%より小さいと、液体燃料が十分に染み込まなくなり、燃料を気液分離膜側へ供給することが困難となる。一方、95%より大きいと、燃料保持の機能が著しく損なわれる。
In the polymer electrolyte fuel cell (10), the liquid fuel holding part (16) preferably has a porosity of 50% or more and 95% or less.
When the porosity is less than 50%, the liquid fuel is not sufficiently infiltrated, and it becomes difficult to supply the fuel to the gas-liquid separation membrane side. On the other hand, if it is greater than 95%, the fuel holding function is significantly impaired.
上記の固体高分子型燃料電池(10)において、液体燃料保持部(16)は、連続した3次元的な細孔構造を有していることが好ましい。 In the polymer electrolyte fuel cell (10), the liquid fuel holding part (16) preferably has a continuous three-dimensional pore structure.
上記の固体高分子型燃料電池(10)において、液体燃料保持部(16)は、表面の全面で気液分離膜(20)と密着していることが好ましい。 In the polymer electrolyte fuel cell (10), the liquid fuel holding part (16) is preferably in close contact with the gas-liquid separation membrane (20) over the entire surface.
上記の固体高分子型燃料電池(10)において、液体燃料保持部(16)は、接地されていることが好ましい。
液体燃料保持部(16)が接地されていることで、液体燃料保持部(16)が除去した静電気を外部へ除くことができる。
In the polymer electrolyte fuel cell (10), the liquid fuel holding part (16) is preferably grounded.
Since the liquid fuel holding part (16) is grounded, static electricity removed by the liquid fuel holding part (16) can be removed to the outside.
上記の固体高分子型燃料電池(10)において、液体燃料保持部(16)は、弾性体であることが好ましい。
弾性体であることにより、気液分離膜(20)と接触させたとしても気液分離膜(20)に対して損傷を与えない。
In the polymer electrolyte fuel cell (10), the liquid fuel holding part (16) is preferably an elastic body.
By being an elastic body, even if it makes contact with the gas-liquid separation membrane (20), the gas-liquid separation membrane (20) is not damaged.
本発明に依れば、気液分離膜を用いて気化供給する燃料電池において、気液分離膜への不純物付着を低減させることのできる固体高分子型燃料電池が提供される。 According to the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell that can reduce adhesion of impurities to the gas-liquid separation membrane in a fuel cell that is vaporized and supplied using the gas-liquid separation membrane.
以下、本発明の固体高分子型燃料電池について図面を参照しつつ説明する。図1は、本発明の固体高分子型燃料電池のセル構造を示す模式断面図である。なお、本発明は、これらの図面及び以下で説明する実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell of the present invention. The present invention is not limited to these drawings and the embodiments described below.
本発明の固体高分子型燃料電池10は、図1に示すように、固体高分子電解質膜5と、固体高分子電解質膜5の一方の面上にその面に接触させて配置されたカソード7と、他方の面上にその面に接触して配置されたアノード6と、カソード7及びアノード6上にそれぞれに接触して配置されたカソード集電体2及びアノード集電体1と、カソード集電体2上に配置された保湿材料9と、アノード6に供給される前に液体燃料を気化供給するための気液分離膜20と、液体燃料を気液分離膜20に送るために燃料を一時的に保持する液体燃料保持部16と、を備える。
As shown in FIG. 1, a solid
固体高分子電解質膜5は、カソード7及びアノード6によって挟持されている。固体高分子電解質膜5、カソード7、及びアノード6によって、MEA3(電極−電解質膜接合体;Membrane and Electrode Assembly)が構成されている。
The solid
MEA3の上下面にはカソード集電体2とアノード集電体1が設けられている。アノード集電体1及びカソード集電体2は、MEA3が発電した起電力を取り出す為に設けられている。尚、図1の断面図では、アノード集電体1及びカソード集電体2は、アノード6及びカソード7の全面を覆うように描かれているが、アノード6及びカソード7上の少なくとも一部は集電体に接触していない。集電体と接触していない部分において、アノード6には燃料が、カソード7に対しては酸化剤ガスが、それぞれ供給されるようになっている。また、アノード6やカソード7の側部には、隙間を埋め、外部と絶縁するための絶縁兼シール材11が配置されている。
A cathode current collector 2 and an anode
カソード集電体2の上には、保湿材料21が配置されている。保湿材料21によって、カソード7が加湿される。カソード7が乾燥した場合、イオン導電性が失われて発電効率が低下することがあるが、保湿材料21によってイオン導電性が失われないようになっている。
A moisturizing
液体燃料保持部16は、フレームや筐体の凹部として形成された燃料タンク15に挿入されている。気液分離膜20は、燃料タンク15の開口部を覆うように配置されている。そして、上述のMEA3が、気液分離膜20を介して燃料タンク15の開口部の上側に配置されている。MEA3は、アノード6を燃料タンク15側(気液分離膜20側)として配置されている。
The liquid
固体高分子電解質膜5の材質としては、特に限定されないが、後述の実施例でも使用する市販のものを用いることができる。
The material of the solid
カソード7及びアノード6としては、いずれも、触媒を担持させた炭素粒子を含む触媒ペーストを、例えば多孔質基材であるカーボンペーパー上に塗布して作製される。作製されたカソード7及びアノード6を、触媒ペースト層側が固体高分子電解質膜5側になるように配置して圧着することにより、MEA3が作製される。
Each of the
気液分離膜20は、液体燃料をアノード6に気化供給するために設けられている。気液分離膜20は、絶縁性である。気液分離膜20は、高分子多孔質体である。具体的には、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂などが挙げられる。気液分離膜20としては、絶縁性であり必要な燃料供給量ができるものであれば他のものも使用することができる。例えば、高分子多孔質体にイオン伝導体を注入した細孔フィリング膜など部分的に絶縁性も有する膜も用いることができる。
The gas-
気液分離膜20の厚みは、例えば、1mm以下のものを用いることができる。このような範囲では、気液分離を確実に行い、且つ、後述する液体燃料保持部16の帯電除去効果を、気液分離膜20のアノード6側の構成部材にまで及ぼすことができる。アノード6側の構成部材の帯電が除去されるので、アノード6に対するゴミや不純物の付着が抑制される。
The thickness of the gas-
液体燃料保持部16は、気液分離膜20に接触している。燃料保持部16は、液体燃料(メタノール)を一時的に保持し、気液分離膜20に供給する。ここで、気液分離膜20への燃料供給は保持材の毛管現象を利用してもよいし、ポンプなどの外部補器によって液体燃料を連続的に燃料タンク15内部に循環させてもよい。
The liquid
液体燃料保持部16は、導電性を有している。気液分離膜20は、絶縁性をもつので、乾燥状態においては強く帯電しているために燃料電池内部に発生したゴミや不純物などが膜表面に付着しやすくなる。気液分離膜20へのゴミや不純物の付着は、物理的な燃料供給阻害は勿論、長期的にみれば膜表面の変質にもつながることがある。気液分離膜20と接触する液体燃料保持部16が、導電性を有していることで、乾燥状態における気液分離膜20の帯電を除去して膜表面への不純物の付着を著しく低下させることができる。また、気液分離膜20が薄ければ、アノード電極側の帯電防止を行うことも可能とである。液体燃料保持部16の表面抵抗値は、1012(Ω)以下であることが好ましい。表面抵抗値が1012(Ω)を超えると、気液分離膜20の帯電除去が十分とならず、ゴミや不純物の付着が起こる場合がある。
The liquid
液体燃料保持部16は、発泡体である。液体燃料保持部16は、必ずしも全体が均一な気孔率となっている必要はない。使用する液体燃料の濃度や用途等に応じ、表面と内部との間での気孔率に差を持たせて、液体燃料の供給を制御する場合もある。但し、燃料保持の観点から、液体燃料保持部16全体としての気孔率は、50%以上95%以下が望ましい。気孔率が50%より小さくなると、燃料が染み込みにくくなり、アノード側への液体燃料の供給が困難になる場合がある。一方、95%より大きいと、燃料保持の機能が著しく損なわれる。
The liquid
また、液体燃料保持部16は、細孔が3次元的に連続した発泡体構造である。連続した3次元的な細孔構造は、燃料保持力が強く、液体燃料を一時的に保持する上で好ましい。
Further, the liquid
また、液体燃料保持部16の発泡体構造の孔径は、30μm以上〜100μm以下のものが望ましい。孔径が30μmより小さいと、液体燃料が液体燃料保持部16に染み込みにくくなり、アノード側への液体燃料の供給が困難となる。一方100μmよりも大きいと、液体燃料の燃料保持力が十分に得られないことがある。
Further, the pore diameter of the foam structure of the liquid
液体燃料保持部16は、高分子体であることが好ましい。また、液体燃料保持部16は、弾性力を有する材料であることが好ましい。更に、燃料電池の発電反応の際に、副生成物として発生する蟻酸に対する耐性を有する点で、耐酸性を有するものが好ましい。
The liquid
上述のような機能を有する液体燃料保持部16の材料として、具体的には、耐メタノール特性のあるポリウレタンや架橋したポリビニルアルコール重合体から成る高分子材料にカーボン、グラファイト、金属などの微粒子からなる導電性フィラーをねりあわせて発泡させたもの、及びポリオレフィンなどの導電性高分子そのものを発泡体にしたもの、が挙げられる。
As a material for the liquid
液体燃料保持部16の表面粗さは、小さいものほど好ましい。表面粗さが小さいことで、気液分離膜20の表面と接触する面積が増大するので、気液分離膜20の帯電除去をより効果的に行うことができる。
The surface roughness of the liquid
液体燃料保持部16は、接地されている。具体的には、液体燃料保持部16は、接地用配材22を介してアース23に接続されている。液体燃料保持部16の接地は、筐体や部品に用いられている金属と接続したり、燃料電池を組み込む電子機器の短絡部分に接続することで行うことができる。
The liquid
上述した構成を有する固体高分子型燃料電池の発電時の動作について説明する。アノード6側への液体燃料(メタノール)の供給は、次のようにして行われる。まず、液体燃料が、燃料タンク部15内に供給される。燃料タンク部15内に供給された液体燃料は、液体燃料保持部16によって保持される。液体燃料保持部16によって保持された液体燃料は、気液分離膜20に供給される。気液分離膜20において、液体燃料が気化し、気化した成分のみが透過する。気液分離膜20を透過した気体成分が、アノード6に供給される。燃料の供給を受けて、アノード6では下記反応式3で示される反応が起こる。
(反応式3);CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e−
An operation during power generation of the polymer electrolyte fuel cell having the above-described configuration will be described. The liquid fuel (methanol) is supplied to the anode 6 side as follows. First, liquid fuel is supplied into the
(Scheme 3); CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e −
一方、カソード7側へは、保湿材料21を介して酸化剤ガス(空気)が供給される。酸化剤ガスの供給を受けて、カソード7では下記反応式4で示される反応が起こる。
(反応式4);6H+ + 6e− + 3/2 O2 → 3H2O
On the other hand, oxidant gas (air) is supplied to the
(Scheme 4); 6H + + 6e − + 3/2 O 2 → 3H 2 O
反応式3、4に示される発電反応で発生した電力は、アノード集電体1及びカソード2集電体によって外部へ取り出される。
The electric power generated by the power generation reaction shown in the
以上説明したように、本発明に係る固体高分子型燃料電池によれば、液体燃料保持部16として、導電性を有した高分子発泡体を用いることで、乾燥した状態における気液分離膜20の帯電を除去することができる。気液分離膜20の帯電が除去されるので、不純物やゴミが気液分離膜20に付着しない。よって、気液分離膜20を介した燃料の供給が不純物やゴミによって阻害されることもない。即ち、気液分離膜20が乾燥した状態から、燃料を供給して発電反応を起こす際にも、スムーズに発電反応を起こすことができる。また、不純物やゴミが気液分離膜20と反応することによる気液分離膜20の変質も防止される。
As described above, according to the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the gas-
(実施例1)
以下、本発明者らによって行われた実験結果を示すことにより、本発明の固体高分子型燃料電池を具体的に説明する。
Example 1
Hereinafter, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be specifically described by showing the results of experiments conducted by the present inventors.
図1に示した構造を有する単セル燃料電池を以下の手順で作製した。先ず、炭素粒子(ライオン社製のケッチェンブラックEC600JD)に粒子径が3〜5nmの範囲内にある白金微粒子を重量比で55%担持させた触媒担持炭素微粒子を用意し、この触媒担持炭素微粒子1gにデュポン社製の5重量%ナフィオン溶液(商品名;DE521、「ナフィオン」はデュポン社の登録商標)を適量加え、攪拌して、カソード7形成用の触媒ペーストを得た。この触媒ペーストを基材としてのカーボンペーパー(東レ社製のTGP−H−120)上に1〜8mg/cm2の量で塗布した後、乾燥させて、4cm×4cmのカソード7を作製した。一方、白金微粒子に代えて粒子径が3〜5nmの範囲内にある白金(Pt)−ルテニウム(Ru)合金微粒子(Ruの割合は60at%)を用いた以外は上記カソード7形成用の触媒ペーストを得る条件と同じにしてアノード6形成用の触媒ペーストを得た。この触媒ペーストを用いた以外は上記カソード7の作製条件と同じ条件で、アノード電極6を作製した。
A single cell fuel cell having the structure shown in FIG. 1 was produced by the following procedure. First, catalyst-supported carbon fine particles prepared by supporting 55% by weight of platinum fine particles having a particle diameter in the range of 3 to 5 nm on carbon particles (Ketjen Black EC600JD manufactured by Lion Corporation) were prepared. An appropriate amount of a 5 wt% Nafion solution (trade name; DE521, “Nafion” is a registered trademark of DuPont) manufactured by DuPont was added to 1 g and stirred to obtain a catalyst paste for forming the
次に、デュポン社製のナフィオン117からなる8cm×8cm×厚さ180μmの膜を固体高分子電解質膜5として用い、この膜の厚さ方向の一方の面に上記カソード5をカーボンペーパーが外側となる向きで配置し、他の面に上記アノード6をカーボンペーパーが外側となる向きで配置して、各カーボンペーパーの外側からホットプレスした。これによりカソード7及びアノード6が固体高分子電解質膜5に接合して、MEA3(電極−電解質膜接合体)が得られた。
Next, an 8 cm × 8 cm × 180 μm thick membrane made of Nafion 117 manufactured by DuPont was used as the solid
次に、カソード7とアノード6の上に、ステンレス鋼(SUS316)製で外寸法6cm2、厚さ1mm、幅11mmの矩形枠状の枠板からなる集電電極(アノード集電体1、カソード集電体2)を配置した。また、固体高分子電解質膜5と集電電極(アノード集電体1、カソード集電体2)との間には絶縁兼シール材11としてシリコンゴム製(外寸法6cm2、厚さ0.2mm、幅10mmの矩形枠状)を配した。ここでアノード集電体1側のシリコンゴムには二酸化炭素を排出する通気口(CO2ガス排出口14)として、幅2mmの切り込みを枠の各辺に2箇所ずつ、計8個設けた。
Next, on the
次いで、気液分離膜20となるフッ素系多孔質膜として厚さ25μm、細孔径1um、気孔率85%のPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)多孔質膜とPP(ポリプロピレン)製で外寸法6cm2、高さ8mm、内寸法44mm2、深さ3mmのフレームに設けられた燃料タンク15も用意した。
Next, as a fluorine-based porous membrane to be the gas-
次に液体燃料保持部16に用いる導電性の高分子発泡体として、ポリウレタンとカーボンフィラーから成る導電性ポリウレタン連続発泡体(表面抵抗106Ω、気孔率85%、孔径50um)を4cm2,厚さ3mmに成型して用意した。これを燃料タンク15内部に組み込んだ。最終的にはアノード集電体1側にPTFE膜、導電性ウレタン連続発泡体、及び燃料タンク15の順番で配置した。
Next, as a conductive polymer foam used for the liquid
この燃料タンク15に燃料の出入り口(図示せず)を設けて、300mlの15vol%メタノール水溶液を入れた外部燃料容器(図示せず)とダイアグラムポンプ(図示せず)とをシリコンチューブ(図示せず)で接続した。
The
また、液体燃料保持部16を外部と短絡させるために、燃料タンク15の側面にΦ5mmの穴を設けて、ここにステンレス製のネジ(図示せず)を燃料保持部15に接するように配置した。また、ネジ穴には液体燃料が漏れないようにOリングでシールしてある。ネジは、接地されるように配置した。
Further, in order to short-circuit the liquid
一方、カソード7の上方には、繊維マットからなる保湿材料11を設けた。この保湿材料21は、保湿層として機能するものであり、35mm角に加工したセルロース繊維シートをカソード7上に置き、さらに保温材として、外寸法6cm2、厚さ0.5mm,穴径3mmで開口率20%の穴あき板を載せて、カソード集電体2に固定した。
On the other hand, a
これらの各部材のうち、保湿材料21を除いて全体をネジ止めして一体化した。なお、このときに使用されるネジ(図示せず)は、電気的な漏洩防止のために樹脂製のネジを用いた。こうして、MEA3、カソード集電体2、アノード集電体1、シール材11、気液分離膜20、液体燃料保持部16が一体化され、図1に示す断面構造を持つ固体高分子型燃料電池10を得た。
Among these members, the whole except the
上記の固体高分子型燃料電池10は60mA/cm2の負荷をかけて100時間発電した後に、液体燃料を取り除いて40℃のオーブンで24時間乾燥した。次いで、気液分離膜20が乾燥したドライアップ状態から液体燃料を供給し、10分間循環させた後、60mA/cm2の負荷をかけて再び燃料電池セルの発電特性を確認した。図2にはその際の発電の時間変化を示したグラフであり、符号32を付して示されている。
The polymer
図2に示される様に、燃料供給が行われMEA3が湿潤して出力が上昇して、その後は高い電圧が安定して得られているのがわかる。また、燃料の単位時間当たりの減少量から消費量を見積もったところは0.5g/hとなり液体燃料燃料が理想的にアノード6に気化供給されていた。このように、導電性ポリウレタン発泡体を燃料保持部に用いた場合には、安定した燃料供給及び発電特性が得られた。さらに、発電後、燃料電池セルを分解したところ気液分離膜20には不純物などの付着はわずかで、膜表面はほぼ100%利用できる状態であった。
As shown in FIG. 2, it can be seen that the fuel is supplied, the
(比較例1)
次に、比較例1として、実施例1の燃料保持部に抵抗が1015(Ω)と、導電性を持たせていない通常のポリウレタン連続発泡体を用いて、実施例1と同じ手順で発電させた場合の特性を確認した。結果は、実施例1と重ねて、符号31を付して図2に示している。図2からわかるように、比較例1では初期から電圧が低く、また時間とともに電圧が低下してしまった。分解後、気液分離膜表面には実施例1と比べると析出物が多く確認され、膜表面の70%しか利用できない状態であった。ここで、析出物は主にアノード電極側に相対する膜表面で多くみられ、蛍光X線分析からカーボンが主成分であることから、カーボン電極あるいは触媒中のカーボンから剥離して付着したものと考えられる。
(Comparative Example 1)
Next, as Comparative Example 1, the fuel holding portion of Example 1 has a resistance of 10 15 (Ω) and a normal polyurethane continuous foam having no conductivity is used to generate power in the same procedure as in Example 1. The characteristics were confirmed. The result is shown in FIG. 2 with
このように比較例1の結果をあわせると、本実施例では液体燃料保持部16に導電性を有する高分子発泡体を用いることで不純物の付着が防止でき、結果として安定した発電が実現できたことが確認された。
Thus, when the results of Comparative Example 1 are combined, in this example, the use of a polymer foam having conductivity for the liquid
1 アノード集電体
2 カソード集電体
3 MEA
5 固体高分子電解質膜
6 アノード
7 カソード
10 固体高分子型燃料電池
11 絶縁兼シール材
14 CO2ガス排出口
15 燃料タンク
16 液体燃料保持部
20 気液分離膜
21 保湿材料
22 接地用配材
23 アース
31 比較例1
32 実施例1
1 Anode current collector 2 Cathode
5 the solid polymer electrolyte membrane 6
32 Example 1
Claims (7)
前記固体高分子電解質膜の一方の面上に接触して配置されたカソードと、
前記固体高分子電解質膜の他方の面上に接触して配置されたアノードと、
アノードへ供給される燃料を、液体の状態で一時的に保持する液体燃料保持部と、
前記液体燃料保持部と前記アノードとの間に配置され、燃料の気体成分のみを選択的に透過させて前記アノードへ供給する気液分離膜と、
を具備し、
前記気液分離膜と前記液体燃料保持部とは接触しており、
前記液体燃料保持部は、導電性を有しており、接地されている
固体高分子型燃料電池。 A solid polymer electrolyte membrane;
A cathode disposed in contact with one surface of the solid polymer electrolyte membrane;
An anode disposed in contact with the other surface of the solid polymer electrolyte membrane;
A liquid fuel holding unit that temporarily holds the fuel supplied to the anode in a liquid state;
A gas-liquid separation membrane that is disposed between the liquid fuel holding unit and the anode, and selectively supplies only the gaseous component of the fuel to the anode;
Comprising
The gas-liquid separation membrane and the liquid fuel holding unit are in contact with each other,
The liquid fuel holding unit has conductivity and is grounded .
前記液体燃料保持部の表面抵抗値は、0(Ω)より大きく、1012(Ω)以下である
固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1,
A solid polymer fuel cell in which the liquid fuel holding portion has a surface resistance value greater than 0 (Ω) and 10 12 (Ω) or less.
前記液体燃料保持部は、高分子発泡体である
固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2,
The liquid fuel holding part is a polymer electrolyte fuel cell which is a polymer foam.
前記液体燃料保持部は、気孔率が50%以上95%以下である
固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 3,
The liquid fuel holding part is a polymer electrolyte fuel cell having a porosity of 50% or more and 95% or less.
前記液体燃料保持部は、連続した3次元的な細孔構造を有している
固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 3 or 4, wherein
The liquid fuel holding part is a polymer electrolyte fuel cell having a continuous three-dimensional pore structure.
前記液体燃料保持部は、表面の全面で前記気液分離膜と密着している
固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The liquid fuel holding unit is a solid polymer fuel cell in which the entire surface is in close contact with the gas-liquid separation membrane.
前記液体燃料保持部は、弾性体である
固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 6 ,
The liquid fuel holding part is a polymer electrolyte fuel cell that is an elastic body.
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