JP5153104B2 - Fuel cell in which liquid fuel is supplied directly to the anode - Google Patents

Fuel cell in which liquid fuel is supplied directly to the anode Download PDF

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Description

本発明は、液体燃料がアノードに直接供給される燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell in which liquid fuel is supplied directly to an anode.

燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、21世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。   A fuel cell is a device that generates electrical energy from hydrogen and oxygen, and can achieve high power generation efficiency. The main features of the fuel cell are direct power generation that does not go through the process of thermal energy and kinetic energy as in the conventional power generation method, so that high power generation efficiency can be expected even on a small scale, and there is little emission of nitrogen compounds, Noise and vibration are also small, so the environmental performance is good. In this way, the fuel cell can effectively use the chemical energy of fuel and has environmentally friendly characteristics, so it is expected as an energy supply system for the 21st century, from space use to automobiles and portable devices. It is attracting attention as a promising new power generation system that can be used for various applications from large-scale power generation to small-scale power generation.

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)が注目を集めている。DMFCは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される(特許文献1参照)。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器(携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、PDA、MP3プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書(書籍))などの電源への利用が期待されている。
特開2005−209584号公報
Among them, solid polymer fuel cells are characterized by low operating temperature and high power density compared to other types of fuel cells. In particular, as a form of solid polymer fuel cells, direct methanol A fuel cell (Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) is attracting attention. In DMFC, an aqueous methanol solution as a fuel is directly supplied to the anode without modification, and electric power is obtained by an electrochemical reaction between the aqueous methanol solution and oxygen, and carbon dioxide is emitted from the anode to the cathode by this electrochemical reaction. The produced water is discharged as a reaction product (see Patent Document 1). Aqueous methanol solution has higher energy per unit volume than hydrogen, and is suitable for storage and has a low risk of explosion, so it can be used in automobiles and mobile devices (cell phones, notebook personal computers, PDAs, MP3 players, Use for power sources such as digital cameras or electronic dictionaries (books) is expected.
JP 2005-209584 A

従来より、DMFCにおいて、プロトンとともにメタノールが電解質膜を通り抜けてしまうメタノールクロスオーバーという現象が知られている。メタノールクロスオーバーが生じると、液体燃料であるメタノール水溶液が浪費され、発電効率が低下してしまう。メタノールクロスオーバーは、電解質膜が膨潤するほど生じやすくなるため、電解質膜の膨潤を抑制することがメタノールクロスオーバーを起こさせないための技術的課題である。   Conventionally, in DMFC, a phenomenon called methanol crossover is known in which methanol passes through an electrolyte membrane together with protons. When methanol crossover occurs, the methanol aqueous solution which is a liquid fuel is wasted, and the power generation efficiency is lowered. Methanol crossover is more likely to occur as the electrolyte membrane swells. Therefore, suppressing the swelling of the electrolyte membrane is a technical issue for preventing methanol crossover.

一方、上述したように、DMFCは携帯機器の電源への利用が求められており、DMFCをより一層小型化、薄型化することが実用化に向けて必要不可欠となっている。   On the other hand, as described above, the DMFC is required to be used as a power source for portable devices, and it is indispensable for practical use to make the DMFC smaller and thinner.

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体燃料が供給される燃料電池の薄型化を図りつつ、メタノールクロスオーバーを抑制する技術の提供にある。   The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide a technique for suppressing methanol crossover while reducing the thickness of a fuel cell to which liquid fuel is supplied.

本発明のある態様は、液体燃料がアノードに直接供給される燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に接合された第1の電極と、電解質膜の他方の面に接合された第2の電極と、電解質膜と第1の電極との間に設けられ、少なくとも一部が電解質膜に埋め込まれた状態で、第1の電極と接触する第1の集電体と、第2の電極と接触する第2の集電体とを備え、前記第1の集電体と前記電解質膜とが化学結合していることを特徴とする。
One aspect of the present invention is a fuel cell in which liquid fuel is supplied directly to the anode . The fuel cell includes an electrolyte membrane, a first electrode joined to one surface of the electrolyte membrane, a second electrode joined to the other surface of the electrolyte membrane, and an electrolyte membrane and the first electrode. A first current collector in contact with the first electrode and a second current collector in contact with the second electrode with at least a portion embedded in the electrolyte membrane , The first current collector and the electrolyte membrane are chemically bonded .

この態様によれば、液体燃料が供給された場合に、第1の電極側の電解質膜の膨潤が集電体により抑えられるため、第1の電極側から電解質膜へのメタノール侵入を阻むことにより、メタノールクロスオーバーを抑制することができる。さらに、第1の集電体の固定性が高められるため、第1の集電体の締め付け具等が不要となり、燃料電池の薄型化を図ることができる。さらに、第1の集電体と電解質膜とが化学結合している。これによれば、第1の集電体と電解質膜との密着性を向上させ、第1の集電体が電解質膜から剥離することを抑制することができる。なお、化学結合として、共有結合、配位結合、イオン結合などが挙げられる。
According to this aspect, when the liquid fuel is supplied, swelling of the electrolyte membrane on the first electrode side is suppressed by the current collector, thereby preventing methanol from entering the electrolyte membrane from the first electrode side. , Methanol crossover can be suppressed. Furthermore, since the fixing property of the first current collector is improved, a fastening tool for the first current collector is not necessary, and the fuel cell can be thinned. Further, the first current collector and the electrolyte membrane are chemically bonded. According to this, it is possible to improve the adhesion between the first current collector and the electrolyte membrane, and to prevent the first current collector from peeling from the electrolyte membrane. Note that examples of the chemical bond include a covalent bond, a coordination bond, and an ionic bond.

上記態様において、第1の集電体の表面に耐腐食性の金属が被覆されていてもよい。これによれば、第1の集電体の腐食を抑制し、燃料電池を長寿命化させることができる。   In the above aspect, the surface of the first current collector may be coated with a corrosion-resistant metal. According to this, corrosion of the first current collector can be suppressed and the life of the fuel cell can be extended.

また、上記態様において、第2の集電体が電解質膜と第2の電極との間に設けられ、第2の電極と接触した状態で、少なくとも一部が第1の集電体と離間して電解質膜に埋め込まれていてもよい。これによれば、電解質膜の膨潤が第2の集電体側からも抑制されるため、メタノールクロスオーバーをさらに低減することができるとともに、燃料電池のさらなる薄型化を図ることができる。   In the above aspect, the second current collector is provided between the electrolyte membrane and the second electrode, and at least a part of the second current collector is separated from the first current collector in a state of being in contact with the second electrode. It may be embedded in the electrolyte membrane. According to this, since the swelling of the electrolyte membrane is also suppressed from the second current collector side, methanol crossover can be further reduced and the fuel cell can be further reduced in thickness.

また、上記態様において、第2の集電体の表面に耐腐食性の金属が被覆されていてもよい。これによれば、第2の集電体の腐食を抑制し、燃料電池を長寿命化させることができる。   In the above aspect, the surface of the second current collector may be coated with a corrosion-resistant metal. According to this, corrosion of the second current collector can be suppressed, and the life of the fuel cell can be extended.

また、他の態様において、第2の集電体と電解質膜とが化学結合していてもよい。これによれば、第2の集電体と電解質膜との密着性を向上させ、第2の集電体が電解質膜から剥離することを抑制することができる。なお、化学結合として、共有結合、配位結合、イオン結合などが挙げられる。
更に、上記態様において、第2の集電体の表面に耐腐食性の金属が被覆されていてもよい。これによれば、第2の集電体の腐食を抑制し、燃料電池を長寿命化させることができる。
In another embodiment, the second current collector and the electrolyte membrane may be chemically bonded. According to this, it is possible to improve the adhesion between the second current collector and the electrolyte membrane, and to prevent the second current collector from being peeled off from the electrolyte membrane. Note that examples of the chemical bond include a covalent bond, a coordination bond, and an ionic bond.
Furthermore, in the above aspect, the surface of the second current collector may be coated with a corrosion-resistant metal. According to this, corrosion of the second current collector can be suppressed, and the life of the fuel cell can be extended.

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。   A combination of the above-described elements as appropriate can also be included in the scope of the invention for which patent protection is sought by this patent application.

本発明によれば、液体燃料が供給される燃料電池の薄型化を図りつつ、メタノールクロスオーバーを抑制することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, methanol crossover can be suppressed, aiming at thickness reduction of the fuel cell supplied with liquid fuel.

図1は、実施の形態に係る燃料電池の構成を示す概略図である。燃料電池10は、電解質膜20、電解質膜20の一方の面に接合しているアノード30、および電解質膜20の他方の面に接合しているカソード40からなる膜電極接合体(以下、MEAという)を備え、液体燃料としてのメタノール水溶液と空気との電気化学反応により発電を行う。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell according to an embodiment. The fuel cell 10 includes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) including an electrolyte membrane 20, an anode 30 joined to one surface of the electrolyte membrane 20, and a cathode 40 joined to the other surface of the electrolyte membrane 20. ), And power is generated by an electrochemical reaction between an aqueous methanol solution as a liquid fuel and air.

電解質膜20は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード30を構成するアノード触媒層32と、カソード触媒層42との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜20は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)112などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどがあげられる。   The electrolyte membrane 20 preferably exhibits good ion conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the anode catalyst layer 32 constituting the anode 30 and the cathode catalyst layer 42. The electrolyte membrane 20 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer. For example, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a phosphonic acid group, or a carboxylic acid group. Etc. can be used. Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark) 112. Examples of non-fluorine polymers include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone.

電解質膜20の一方の面に、アノード触媒層32が接合されている。アノード触媒層32は、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と電解質膜20とを接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウムなどの1種または2種を合金化したものなどがある。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどがある。   An anode catalyst layer 32 is bonded to one surface of the electrolyte membrane 20. The anode catalyst layer 32 is composed of an ion exchange resin and carbon particles carrying a catalyst, that is, catalyst-carrying carbon particles. The ion exchange resin connects the carbon particles carrying the catalyst and the electrolyte membrane 20, and has a role of transmitting protons between the two. The ion exchange resin may be formed of the same polymer material as the electrolyte membrane 20. Examples of the supported catalyst include those obtained by alloying one or two of platinum, ruthenium, rhodium and the like. Examples of the carbon particles supporting the catalyst include acetylene black, ketjen black, and carbon nanotube.

電解質膜20の一方の面に、アノード触媒層32を介して、さらにアノード30を構成するアノード拡散層34が設けられている。アノード拡散層34としては、たとえば、カーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができ、必要に応じて、四フッ化エチレン樹脂(PTFE)などの撥水性のフッ素系樹脂を含むガス拡散ペーストが塗布されていてもよい。   An anode diffusion layer 34 constituting the anode 30 is further provided on one surface of the electrolyte membrane 20 via the anode catalyst layer 32. As the anode diffusion layer 34, for example, carbon paper, carbon woven fabric, or non-woven fabric can be used, and if necessary, gas diffusion including a water-repellent fluororesin such as tetrafluoroethylene resin (PTFE). A paste may be applied.

アノード拡散層34は、筐体50によって形成された燃料格納部52に面しており、燃料格納部52に貯蔵されたメタノール水溶液が染み込むようになっている。   The anode diffusion layer 34 faces the fuel storage portion 52 formed by the casing 50 so that the aqueous methanol solution stored in the fuel storage portion 52 is infiltrated.

筐体50には、気液分離フィルタ54が設けられており、燃料格納部52に溜まった生成ガスを外部に放出可能になっている。   The casing 50 is provided with a gas-liquid separation filter 54 so that the generated gas accumulated in the fuel storage section 52 can be discharged to the outside.

本実施の形態では、アノード集電体36が電解質膜20とアノード触媒層32との間に設けられている。アノード集電体36は、電解質膜20に埋設された状態で、アノード触媒層32と接触し、アノード触媒層32と電気的に接続している。本実施の形態のアノード集電体36は、その全体が電解質膜20に埋没し、アノード集電体36とアノード触媒層32との接触面と、電解質膜20とアノード触媒層32との接合面が同一平面上にあるが、アノード集電体36は、その一部が電解質膜20に埋設され、残りの部分がアノード触媒層32に埋設されていてもよい。   In the present embodiment, the anode current collector 36 is provided between the electrolyte membrane 20 and the anode catalyst layer 32. The anode current collector 36 is in contact with the anode catalyst layer 32 and is electrically connected to the anode catalyst layer 32 while being embedded in the electrolyte membrane 20. The anode current collector 36 of the present embodiment is entirely buried in the electrolyte membrane 20, the contact surface between the anode current collector 36 and the anode catalyst layer 32, and the joint surface between the electrolyte membrane 20 and the anode catalyst layer 32. However, the anode current collector 36 may be partially embedded in the electrolyte membrane 20 and the remaining portion embedded in the anode catalyst layer 32.

アノード集電体36は、導電性を有する材料であれば特に限定されないが、たとえば、金属、導電性セラミクス、Siなどの半導体、カーボン、および絶縁性部材に導電性材料をコーティングしたものなどが挙げられる。   The anode current collector 36 is not particularly limited as long as it is a conductive material. Examples thereof include a metal, a conductive ceramic, a semiconductor such as Si, carbon, and an insulating member coated with a conductive material. It is done.

アノード集電体36の形状は、アノード触媒層32から電解質膜20へプロトンが通り抜け可能な貫通孔が設けられていれば特に制限されないが、たとえば、アノード集電体36の形状として図2に示す正六角形の複数の貫通孔を有するハニカム構造が挙げられる。アノード集電体36をハニカム構造とすることにより、当該集電体の強度を向上させることができる。図3は、アノード集電体36の他の形状を示す図である。この例では、導電性のシートに円形状の複数の貫通孔が設けられている。なお、貫通孔による開口率は、アノード触媒層32との接触面全体の面積に対して、10〜90%とすることができる。貫通孔による開口率をこの範囲とすることにより、プロトン伝導性と集電性とを両立させることができる。   The shape of the anode current collector 36 is not particularly limited as long as a through-hole through which protons can pass from the anode catalyst layer 32 to the electrolyte membrane 20 is provided. For example, the shape of the anode current collector 36 is shown in FIG. A honeycomb structure having a plurality of regular hexagonal through holes is exemplified. By making the anode current collector 36 into a honeycomb structure, the strength of the current collector can be improved. FIG. 3 is a view showing another shape of the anode current collector 36. In this example, a plurality of circular through holes are provided in the conductive sheet. In addition, the aperture ratio by a through-hole can be 10 to 90% with respect to the area of the whole contact surface with the anode catalyst layer 32. FIG. By setting the aperture ratio by the through hole within this range, both proton conductivity and current collection can be achieved.

アノード集電体36は、表面に耐腐食性の金属からなる保護層が被覆されていることが望ましい。耐腐食性の金属としては、Au、Ptなどが挙げられる。当該保護層の膜厚としては、数nm〜数十nmが好適である。当該集電体への耐腐食性の金属の被覆は、たとえば、蒸着、めっきなどにより行うことができる。これによれば、アノード集電体36を腐食しにくくし、燃料電池10を長寿命化させることができる。   The anode current collector 36 is preferably coated with a protective layer made of a corrosion-resistant metal on the surface. Examples of the corrosion-resistant metal include Au and Pt. The thickness of the protective layer is preferably several nm to several tens of nm. The current collector can be coated with a corrosion-resistant metal by, for example, vapor deposition or plating. According to this, the anode current collector 36 is hardly corroded, and the life of the fuel cell 10 can be extended.

以上説明した構造のアノード集電体36の製法としては、ウェットエッチング、ドライエッチング、アルミ陽極酸化などが挙げられる。   Examples of the method for manufacturing the anode current collector 36 having the structure described above include wet etching, dry etching, and aluminum anodization.

アノード集電体36の最表面は、電解質膜20と反応性が高いOH基、COOH基などの官能基によって修飾されていることが望ましく、当該官能基と電解質膜20とが供給結合していることがより好ましい。アノード集電体36の最表面への上記官能基の導入は、たとえば、プラズマ、紫外光、電子線などを照射することにより実現可能である。   The outermost surface of the anode current collector 36 is desirably modified with a functional group such as an OH group or a COOH group that is highly reactive with the electrolyte membrane 20, and the functional group and the electrolyte membrane 20 are supplied and bonded. It is more preferable. The introduction of the functional group to the outermost surface of the anode current collector 36 can be realized by, for example, irradiating with plasma, ultraviolet light, electron beam or the like.

これによれば、アノード集電体36と電解質膜20との密着性を向上させ、アノード集電体36を電解質膜20から剥離しにくくさせることができる。   According to this, the adhesion between the anode current collector 36 and the electrolyte membrane 20 can be improved, and the anode current collector 36 can be made difficult to peel from the electrolyte membrane 20.

また、アノード集電体36の最表面と電解質膜20とが化学結合していていることが好ましい。化学結合の種類は特に限定されないが、たとえば、共有結合、配位結合、イオン結合などが挙げられる。これによれば、アノード集電体36と電解質膜20との密着性を向上させ、アノード集電体36が電解質膜20から剥離することを抑制することができる。   In addition, the outermost surface of the anode current collector 36 and the electrolyte membrane 20 are preferably chemically bonded. Although the kind of chemical bond is not specifically limited, For example, a covalent bond, a coordination bond, an ionic bond etc. are mentioned. According to this, the adhesion between the anode current collector 36 and the electrolyte membrane 20 can be improved, and the anode current collector 36 can be prevented from peeling off from the electrolyte membrane 20.

一方、電解質膜20の他方の面に、カソード触媒層42が接合され、さらにカソード触媒層42に接する状態でカソード拡散層44が設けられている。カソード触媒層42およびカソード触媒層42に用いることができる材料は、それぞれ、上述したアノード触媒層32およびアノード触媒層32と同様であるため、説明を省略する。筐体50のカソード側には、空気取入口56が設けられており、電気化学反応に必要な空気が外部から供給される構造になっている。   On the other hand, a cathode catalyst layer 42 is bonded to the other surface of the electrolyte membrane 20, and a cathode diffusion layer 44 is provided in contact with the cathode catalyst layer 42. The materials that can be used for the cathode catalyst layer 42 and the cathode catalyst layer 42 are the same as those of the anode catalyst layer 32 and the anode catalyst layer 32 described above, respectively, and thus the description thereof is omitted. An air intake 56 is provided on the cathode side of the housing 50, and air necessary for an electrochemical reaction is supplied from the outside.

本実施の形態では、カソード集電体46は、カソード集電体46が電解質膜20とカソード触媒層42との間に設けられている。カソード集電体46は、電解質膜20に埋設された状態で、カソード触媒層42と接触し、カソード触媒層42と電気的に接続している。
本実施の形態のカソード集電体46は、その全体が電解質膜20に埋没し、カソード集電体46とカソード触媒層42との接触面と、電解質膜20とカソード触媒層42との接合面が同一平面上にあるが、カソード集電体46は、その一部が電解質膜20に埋設され、残りの部分がカソード触媒層42に埋設されていてもよい。カソード集電体46の形状、材質等は、上述したアノード集電体36と同様であるため、説明を省略する。
In the present embodiment, the cathode current collector 46 is provided between the electrolyte membrane 20 and the cathode catalyst layer 42 . The cathode current collector 46 is in a state of being embedded in the electrolyte membrane 20, in contact with the cathode catalyst layer 42, are connected cathode catalyst layer 42 and electrically.
The cathode current collector 46 of the present embodiment is entirely buried in the electrolyte membrane 20, the contact surface between the cathode current collector 46 and the cathode catalyst layer 42 , and the joint surface between the electrolyte membrane 20 and the cathode catalyst layer 42. However, a part of the cathode current collector 46 may be embedded in the electrolyte membrane 20 and the remaining part may be embedded in the cathode catalyst layer 42 . Since the shape, material, and the like of the cathode current collector 46 are the same as those of the anode current collector 36 described above, description thereof is omitted.

以上説明した燃料電池10では、少なくとも一部が電解質膜20に埋め込まれたアノード集電体36およびカソード集電体46によって電解質膜20が押さえ付けられるため、電解質膜20が膨潤しにくくなり、この結果としてメタノールクロスオーバーが抑制される。さらに、アノード集電体36およびカソード集電体46の少なくとも一部が電解質膜20に埋め込まれていることと、電解質膜20と触媒層との間に狭持されていることにより、アノード集電体36およびカソード集電体46の固定性が高まるため、アノード集電体36およびカソード集電体46を固定するための締め付け具等が不要となるため、燃料電池の薄型化をも実現することができる。   In the fuel cell 10 described above, the electrolyte membrane 20 is pressed down by the anode current collector 36 and the cathode current collector 46 at least partially embedded in the electrolyte membrane 20, so that the electrolyte membrane 20 is less likely to swell. As a result, methanol crossover is suppressed. Further, since at least a part of the anode current collector 36 and the cathode current collector 46 is embedded in the electrolyte membrane 20 and sandwiched between the electrolyte membrane 20 and the catalyst layer, the anode current collector is obtained. Since the fixing property of the body 36 and the cathode current collector 46 is improved, a fastening tool for fixing the anode current collector 36 and the cathode current collector 46 is not required, and thus the fuel cell can be thinned. Can do.

なお、アノード集電体36およびカソード集電体46の電解質膜20への埋め込み深さはそれぞれ電解質膜20の半分に近く、さらにアノード集電体36およびカソード集電体46に設けられた貫通孔の径ができるだけ小さく、たとえば、0.01μm〜1000μm程度、好ましくは0.1μm〜10μm程度であることが望ましい。貫通孔の径が0.01μmより小さいと、電解質膜20を構成する分子が貫通孔に入り込むことが困難になり、貫通孔の径が1000μmより大きいと電解質膜20の膨張を抑制することが困難になるほか、集電抵抗が大きくなってしまう。さらに、貫通孔の径を0.1μm〜10μm程度とすることにより、電解質膜20の膨張をより確実に抑制することができる。   Note that the depths of the anode current collector 36 and the cathode current collector 46 embedded in the electrolyte membrane 20 are close to half of the electrolyte membrane 20, respectively, and through holes provided in the anode current collector 36 and the cathode current collector 46 are also provided. Is as small as possible, for example, about 0.01 μm to 1000 μm, preferably about 0.1 μm to 10 μm. When the diameter of the through-hole is smaller than 0.01 μm, it becomes difficult for molecules constituting the electrolyte membrane 20 to enter the through-hole, and when the diameter of the through-hole is larger than 1000 μm, it is difficult to suppress the expansion of the electrolyte membrane 20. In addition, the current collection resistance increases. Furthermore, the expansion of the electrolyte membrane 20 can be more reliably suppressed by setting the diameter of the through hole to about 0.1 μm to 10 μm.

(電解質膜への集電体の埋め込み方法)
ここで、電解質膜に集電体を埋め込む方法について説明する。まず、図4(A)に示すように、Siシート(膜厚1μm程度)100に、所定パターンのフォトレジスト110をマスクとしてドライエッチングを行うことにより複数の貫通孔120を形成することによりアノード集電体36を作製する。この後、スパッタによりアノード集電体36の表面にAuを被覆し、さらにAuの上にプラズマを照射することにより、OH基、COOH基などの官能基を導入する。
(Method of embedding current collector in electrolyte membrane)
Here, a method for embedding the current collector in the electrolyte membrane will be described. First, as shown in FIG. 4A, anode collection is performed by forming a plurality of through holes 120 by performing dry etching on a Si sheet (film thickness of about 1 μm) 100 using a photoresist 110 having a predetermined pattern as a mask. The electric body 36 is produced. Thereafter, Au is coated on the surface of the anode current collector 36 by sputtering, and further, a functional group such as an OH group or a COOH group is introduced by irradiating plasma on the Au.

次に、図4(B)に示すように、フォトレジスト110を除去した後、平面を有する基材130の上にアノード集電体36を載置した状態で、電解質溶液132を塗布し、電解質膜20を形成する。電解質溶液を塗布する代わりに、電解質のモノマーを塗布した後に重合させてもよい。これによれば、電解質膜20と上記官能基との共有結合の生成を促進させることができ、アノード集電体36と電解質膜20との密着性をより向上させることができる。電解質膜20と上記官能基との共有結合の存在は、たとえば、XPS、IRなどの分析方法により確認することができる。図4(C)に示すように、基材130からアノード集電体36を剥がすことにより、アノード集電体36の一部が露出した状態でアノード集電体36が電解質膜20に埋め込まれた部材を作製することができる。   Next, as shown in FIG. 4B, after the photoresist 110 is removed, an electrolyte solution 132 is applied in a state where the anode current collector 36 is placed on a substrate 130 having a flat surface. A film 20 is formed. Instead of applying the electrolyte solution, the electrolyte monomer may be applied and then polymerized. According to this, the production | generation of the covalent bond of the electrolyte membrane 20 and the said functional group can be promoted, and the adhesiveness of the anode electrical power collector 36 and the electrolyte membrane 20 can be improved more. The presence of a covalent bond between the electrolyte membrane 20 and the functional group can be confirmed by an analytical method such as XPS or IR. As shown in FIG. 4C, the anode current collector 36 is embedded in the electrolyte membrane 20 in a state where a part of the anode current collector 36 is exposed by peeling the anode current collector 36 from the base material 130. A member can be produced.

上述した工程と同様にして、電解質膜20にカソード集電体46を埋め込んだ部材を作製し、図4(D)に示すように、アノード集電体36とカソード集電体46とを対向させた状態で、電解質溶液または電解質膜(膜厚1μm程度)21を介して両部材を貼り合わせる。これにより、図4(E)に示すように、アノード集電体36およびカソード集電体46がそれぞれ、電解質膜20の一方の面および他方の面に一部が露出した状態で、一定距離だけ離間して電解質膜20に埋め込まれた部材を作製することができる。この部材に触媒層および拡散層からなる電極を接合することにより、集電体が組み込まれたMEAを作製することができる。上述したように、当該MEAでは、電解質膜20を介してアノード集電体36とカソード集電体46とを貼り合わせることにより、短絡が防止される。また、アノード集電体36とカソード集電体46とを対向させることにより、電解質膜20の膜厚方向のプロトン伝導が妨げられないので、プロトン伝導性を良好に保つことができる。   In the same manner as described above, a member in which the cathode current collector 46 is embedded in the electrolyte membrane 20 is manufactured, and the anode current collector 36 and the cathode current collector 46 are opposed to each other as shown in FIG. In this state, both members are bonded together via an electrolyte solution or an electrolyte membrane (film thickness of about 1 μm) 21. As a result, as shown in FIG. 4 (E), the anode current collector 36 and the cathode current collector 46 are respectively a fixed distance in a state where a part is exposed on one surface and the other surface of the electrolyte membrane 20. A member that is spaced apart and embedded in the electrolyte membrane 20 can be produced. By joining an electrode composed of a catalyst layer and a diffusion layer to this member, an MEA incorporating a current collector can be produced. As described above, in the MEA, a short circuit is prevented by bonding the anode current collector 36 and the cathode current collector 46 through the electrolyte membrane 20. Further, by making the anode current collector 36 and the cathode current collector 46 face each other, proton conduction in the film thickness direction of the electrolyte membrane 20 is not hindered, so that proton conductivity can be kept good.

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The form can also be included in the scope of the present invention.

たとえば、上述した実施の形態では、断面が矩形の集電体が例示されているが、集電体の断面形状はこれに限られない。たとえば、集電体36の断面形状を、図5に示すような、テーパを有する形状としてもよい。これによれば、たとえば、ホットプレスにより集電体を電解質膜に埋め込む場合に、埋め込みをより確実かつ容易にすることができる。   For example, in the above-described embodiment, a current collector having a rectangular cross section is illustrated, but the cross sectional shape of the current collector is not limited thereto. For example, the current collector 36 may have a taper shape as shown in FIG. According to this, for example, when the current collector is embedded in the electrolyte membrane by hot pressing, the embedding can be more reliably and easily performed.

また、上述した実施の形態では、アノード集電体およびカソード集電体の少なくとも一部が、電解質膜に埋め込まれているが、アノード集電体およびカソード集電体のいずれかを、拡散層の外側に設け、締め付け具などにより固定してもよい。ただし、電解質膜の膨潤は、燃料が供給されるアノード側で顕著となるため、アノード集電体の一部を電解質膜に埋め込むことがより好ましい。   In the above-described embodiment, at least a part of the anode current collector and the cathode current collector is embedded in the electrolyte membrane. However, any one of the anode current collector and the cathode current collector is replaced with a diffusion layer. It may be provided outside and fixed with a fastening tool or the like. However, since the swelling of the electrolyte membrane becomes significant on the anode side to which the fuel is supplied, it is more preferable to embed a part of the anode current collector in the electrolyte membrane.

また、上述した実施の形態では、集電体自体が導電性を有しているが、集電体の基材として、多孔性ポリテトラフルオロエチレン膜(PTFE)、耐熱性架橋型ポリエチレン基材(CLPE)、多孔性ポリイミドなどの多孔性の絶縁材料を用い、金属を被覆した形態としてもよい。   In the above-described embodiment, the current collector itself has conductivity. However, as a base material for the current collector, a porous polytetrafluoroethylene film (PTFE), a heat-resistant crosslinked polyethylene base material ( A porous insulating material such as CLPE) or porous polyimide may be used, and a metal may be coated.

また、上述した実施の形態では、アノード集電体とカソード集電体とが対向した構造が例示されているが、アノード集電体およびカソード集電体の位置が互いにずれていてもよい。これによれば、電解質膜の強度を高めることができる。   In the above-described embodiment, the structure in which the anode current collector and the cathode current collector face each other is illustrated, but the positions of the anode current collector and the cathode current collector may be shifted from each other. According to this, the strength of the electrolyte membrane can be increased.

なお、燃料電池は、燃料をポンプなどの補機を用いて燃料電池に供給、循環させるアクティブ型であってもよく、補機を用いずに、対流や濃度勾配等を用いて燃料および空気を燃料電池に供給するパッシブ型であってもよい。   The fuel cell may be an active type that supplies and circulates the fuel to and from the fuel cell using an auxiliary device such as a pump, and without using the auxiliary device, the fuel and air are supplied using convection or a concentration gradient. A passive type supplying the fuel cell may be used.

実施の形態に係る燃料電池の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell which concerns on embodiment. アノード集電体の形状の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the shape of an anode electrical power collector. アノード集電体の形状の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the shape of an anode electrical power collector. 電解質膜に集電体を埋め込む方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the method of embedding a collector in an electrolyte membrane. 集電体の断面形状を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional shape of a collector.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池、20 電解質膜、30 アノード、32 アノード触媒層、34 アノード拡散層、36 アノード集電体、40 カソード、42 カソード触媒層、44 カソード拡散層、46 カソード集電体、50 筐体、52 燃料格納部、54 気液分離フィルタ、56 空気取入口。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell, 20 Electrolyte membrane, 30 Anode, 32 Anode catalyst layer, 34 Anode diffusion layer, 36 Anode collector, 40 Cathode, 42 Cathode catalyst layer, 44 Cathode diffusion layer, 46 Cathode collector, 50 Case, 52 Fuel storage part, 54 Gas-liquid separation filter, 56 Air intake.

Claims (6)

電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合された第1の電極と、
前記電解質膜の他方の面に接合された第2の電極と、
前記電解質膜と前記第1の電極との間に設けられ、少なくとも一部が前記電解質膜に埋め込まれた状態で、前記第1の電極と接触する第1の集電体と、
前記第2の電極と接触する第2の集電体と、
を備え、前記第1の集電体と前記電解質膜とが化学結合していることを特徴とする液体燃料がアノードに直接供給される燃料電池。
An electrolyte membrane;
A first electrode joined to one surface of the electrolyte membrane;
A second electrode joined to the other surface of the electrolyte membrane;
A first current collector provided between the electrolyte membrane and the first electrode and in contact with the first electrode with at least a portion embedded in the electrolyte membrane;
A second current collector in contact with the second electrode;
A fuel cell in which a liquid fuel is directly supplied to an anode , wherein the first current collector and the electrolyte membrane are chemically bonded .
前記第1の集電体の表面に耐腐食性の金属が被覆されていることを特徴とする請求項1に記載の液体燃料がアノードに直接供給される燃料電池。 Fuel cell liquid fuel is directly supplied to the anode of claim 1, wherein the first current collector corrosion resistant metal on the surface of the is covered. 前記第の集電体が前記電解質膜と前記第2の電極との間に設けられ、前記第2の電極と接触した状態で、少なくとも一部が前記第1の集電体と離間して前記電解質膜に埋め込まれていることを特徴とする請求項1または2に記載の液体燃料がアノードに直接供給される燃料電池。 The second current collector is provided between the electrolyte membrane and the second electrode, and at least a part of the second current collector is separated from the first current collector in contact with the second electrode. 3. A fuel cell in which the liquid fuel according to claim 1 or 2 is directly supplied to an anode , embedded in the electrolyte membrane . 前記第2の集電体の表面に耐腐食性の金属が被覆されていることを特徴とする請求項3に記載の液体燃料がアノードに直接供給される燃料電池。 Fuel cell liquid fuel is directly supplied to the anode of claim 3, wherein the second current collector corrosion resistant metal on the surface of the is covered. 電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合された第1の電極と、
前記電解質膜の他方の面に接合された第2の電極と、
前記電解質膜と前記第1の電極との間に設けられ、少なくとも一部が前記電解質膜に埋め込まれた状態で、前記第1の電極と接触する第1の集電体と、
前記第2の電極と接触する第2の集電体と、
を備え、前記第2の集電体と前記電解質膜とが化学結合していることを特徴とする液体燃料がアノードに直接供給される燃料電池。
An electrolyte membrane;
A first electrode joined to one surface of the electrolyte membrane;
A second electrode joined to the other surface of the electrolyte membrane;
A first current collector provided between the electrolyte membrane and the first electrode and in contact with the first electrode with at least a portion embedded in the electrolyte membrane;
A second current collector in contact with the second electrode;
A fuel cell in which liquid fuel is directly supplied to the anode, wherein the second current collector and the electrolyte membrane are chemically bonded .
前記第2の集電体の表面に耐腐食性の金属が被覆されていることを特徴とする請求項5に記載の液体燃料がアノードに直接供給される燃料電池。
Fuel cell liquid fuel is directly supplied to the anode of claim 5, wherein the second current collector corrosion resistant metal on the surface of the is covered.
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