JP6062154B2 - Fuel cell and method of using the same - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池及びその使用方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a method for using the same.
燃料電池は、電子機器の新規電源として実用化の期待が高まっており、中でも電解質材料に固体高分子であるイオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池及びダイレクトアルコール型燃料電池は、常温で高い発電効率が得られることから、携帯用電子機器への応用を目的とした小型燃料電池としての実用化が検討されている。 Fuel cells are expected to be put to practical use as new power sources for electronic devices. Among them, polymer electrolyte fuel cells and direct alcohol fuel cells that use an ion exchange membrane that is a solid polymer as an electrolyte material are high at room temperature. Since power generation efficiency can be obtained, practical application as a small fuel cell for the purpose of application to portable electronic devices is being studied.
燃料として液体であるアルコール又はアルコール水溶液を使用するダイレクトアルコール型燃料電池は、燃料がガスである場合と比較して、燃料タンクを比較的簡易に設計できる等の理由から、燃料電池の構造の簡略化及び省スペース化が可能であり、小型燃料電池としての期待が特に高い。 Direct alcohol fuel cells that use liquid alcohol or aqueous alcohol as a fuel have a simplified fuel cell structure because the fuel tank can be designed relatively easily compared to when the fuel is gas. And space saving, and the expectation as a small fuel cell is particularly high.
ダイレクトアルコール型燃料電池は、アノード極にメタノール等の燃料を供給し、カソード極に酸素等の酸化剤を供給すると、次の酸化還元反応:
アノード極:CH3OH+H2O → CO2↑+6H++6e- (1)
カソード極:3/2O2+6H++6e- → 3H2O (2)
を通じて発電を行う。
When a direct alcohol fuel cell supplies a fuel such as methanol to the anode electrode and an oxidant such as oxygen to the cathode electrode, the following oxidation-reduction reaction:
Anode electrode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 ↑ + 6H + + 6e − (1)
Cathode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (2)
To generate electricity.
ダイレクトアルコール型燃料電池のような、液体燃料を使用する燃料電池には、液体燃料を液体状態のままアノード極に供給する液体供給方式と、燃料タンクから燃料電池内に誘導された液体燃料を燃料電池内で気化させ、その気化成分(以下、「気化燃料」という。)をアノード極に供給する気化供給方式とがある。例えば特開2008−226627号公報(特許文献1)には、管部(燃料流路)を有するバックカバーとアノード極との間に、液体燃料を遮断し、気化燃料を透過させる撥水性シート(気液分離膜)を配置した気化供給方式のダイレクトメタノール型燃料電池が開示されている。気液分離膜を介在させることにより、アノード極へは気化燃料のみが供給される。 For fuel cells that use liquid fuel, such as direct alcohol fuel cells, a liquid supply system that supplies liquid fuel to the anode electrode in a liquid state, and liquid fuel that is induced from the fuel tank into the fuel cell There is a vaporization supply system that vaporizes in the battery and supplies the vaporized component (hereinafter referred to as “vaporized fuel”) to the anode electrode. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-226627 (Patent Document 1) discloses a water-repellent sheet that blocks liquid fuel and allows vaporized fuel to pass between a back cover having a pipe portion (fuel flow path) and an anode electrode. A vaporization and supply type direct methanol fuel cell in which a gas-liquid separation membrane) is disposed is disclosed. By interposing the gas-liquid separation membrane, only the vaporized fuel is supplied to the anode electrode.
気液分離膜は、他の目的で用いられることもある。例えば特開2006−024401号公報(特許文献2)には、ダイレクトメタノール型燃料電池において、液体燃料を収容する燃料電池内の燃料室の中に気液分離膜を配置することにより、アノード極で発生し、燃料室に到達した二酸化炭素を、気液分離膜を介して燃料室に設けられた排ガス口から排出させる技術が開示されている。 The gas-liquid separation membrane may be used for other purposes. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-024401 (Patent Document 2), in a direct methanol fuel cell, a gas-liquid separation membrane is arranged in a fuel chamber in a fuel cell that stores liquid fuel, so that the anode electrode A technique is disclosed in which carbon dioxide generated and reaching the fuel chamber is discharged from an exhaust gas port provided in the fuel chamber via a gas-liquid separation membrane.
液体燃料を使用する燃料電池には通常、液体燃料を収容するための室(空間)又は液体燃料を流通させるための流路としての役割を果たす部位が燃料電池内に設けられる。本発明では、この部位を「液体燃料室」と称する。上記特許文献1では「管部」が、上記特許文献2では「燃料室」がこれに相当する。
In a fuel cell using liquid fuel, a portion serving as a chamber (space) for storing liquid fuel or a flow path for circulating liquid fuel is usually provided in the fuel cell. In the present invention, this portion is referred to as a “liquid fuel chamber”. In the above-mentioned patent document 1, “pipe part” corresponds to “fuel chamber” in the above-mentioned
液体燃料が充填された液体燃料室内には、種々の要因でガスが混入又は発生し、気泡が生じ得る。当該要因の例を挙げれば、1)温度上昇による液体燃料中の溶存ガスの気化、2)温度上昇による液体燃料自体の気化、3)燃料電池停止中に次第に侵入する空気、4)発電によりアノード極で生じた二酸化炭素等の生成ガスの混入等がある。 In the liquid fuel chamber filled with the liquid fuel, gas may be mixed or generated due to various factors, and bubbles may be generated. Examples of such factors are: 1) vaporization of dissolved gas in liquid fuel due to temperature rise, 2) vaporization of liquid fuel itself due to temperature rise, 3) air that gradually enters when the fuel cell is stopped, 4) anode due to power generation There is a mixture of product gas such as carbon dioxide generated at the pole.
液体燃料室とアノード極との間に気液分離膜を配した気化供給方式の燃料電池において、上述のような液体燃料室内のガス(気泡)は、アノード極への気化燃料の安定供給、ひいては安定発電を阻害する要因となるため、液体燃料室から排出することが極めて望ましい。例えば、液体燃料室内のガスの排出は、送液ポンプ等の圧送手段を用いて液体燃料を液体燃料室に導入するようにし、その圧力によって気液分離膜を透過させ、透過したガスを燃料電池の適宜の箇所に設けられたガス排出口から排出させる方法により実現可能である。 In a fuel cell of a vaporization supply system in which a gas-liquid separation membrane is arranged between the liquid fuel chamber and the anode electrode, the gas (bubbles) in the liquid fuel chamber as described above is stably supplied to the anode electrode, and consequently Since it is a factor that hinders stable power generation, it is highly desirable to discharge from the liquid fuel chamber. For example, the gas in the liquid fuel chamber is discharged by introducing the liquid fuel into the liquid fuel chamber using a pumping means such as a liquid feed pump, and permeating the gas-liquid separation membrane by the pressure, and passing the permeated gas to the fuel cell. It is realizable by the method of discharging from the gas discharge port provided in the appropriate place.
気液分離膜を配した気化供給方式の燃料電池において、液体燃料室内のガスを、気液分離膜を透過させて排出するためには、圧送手段の吐出圧を大きくして液体燃料室内の圧力を所定以上にする必要があり、ガスを効果的に排出するためには、液体燃料室内の圧力は大きいほどよい。 In a vaporization supply type fuel cell having a gas-liquid separation membrane, in order to discharge gas in the liquid fuel chamber through the gas-liquid separation membrane, the pressure in the liquid fuel chamber is increased by increasing the discharge pressure of the pumping means. In order to discharge gas effectively, the higher the pressure in the liquid fuel chamber, the better.
しかしながら、従来の気化供給方式の燃料電池には、液体燃料室の内圧を大きくすると、ガス(気泡)とともに液体燃料が液体状態のまま気液分離膜を透過してしまう(以下、この現象を「液漏れ」ともいう。)という問題があった。一方、液漏れを回避するために、液体燃料室の内圧を低めに設定すると、液体燃料室内のガスの排出が不十分となる。 However, when the internal pressure of the liquid fuel chamber is increased in a conventional fuel cell of the vaporization supply system, the liquid fuel passes through the gas-liquid separation membrane in a liquid state together with gas (bubbles) (hereinafter, this phenomenon is referred to as “ There was also a problem of “liquid leakage”. On the other hand, if the internal pressure of the liquid fuel chamber is set low in order to avoid liquid leakage, the gas in the liquid fuel chamber is not sufficiently discharged.
そこで本発明の目的は、不可避的に液体燃料室内に混入又は発生するガス(気泡)を気液分離膜を介して効果的に排出させることができ、もって発電を安定的に行うことができる気化供給方式の燃料電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to vaporize gas (bubbles) inevitably mixed or generated in the liquid fuel chamber through the gas-liquid separation membrane, thereby enabling stable power generation. It is to provide a supply type fuel cell.
上記従来の問題を解決するための手段として本発明者らはまず、気液分離膜の厚みを大きくすることを試みた。その結果、気液分離膜の厚みを大きくすることにより、気液分離膜の液体燃料遮断性を幾分向上させることが可能であった。ここでいう「液体燃料遮断性」とは、気液分離膜の一方の表面に接触した液体燃料が気液分離膜を透過して、前記一方の表面に対向する他方の表面から液体状態のまま漏出することを防止する能力を意味する。 As means for solving the above conventional problems, the present inventors first tried to increase the thickness of the gas-liquid separation membrane. As a result, by increasing the thickness of the gas-liquid separation membrane, it was possible to improve the liquid fuel barrier property of the gas-liquid separation membrane somewhat. The term “liquid fuel barrier property” as used herein means that liquid fuel that has contacted one surface of the gas-liquid separation membrane permeates the gas-liquid separation membrane and remains in a liquid state from the other surface facing the one surface. It means the ability to prevent leakage.
しかしながら、気液分離膜の厚みを大きくする手段によっては、燃料電池の薄型化を犠牲にしてまで厚みを極端に大きくしても十分に改善された液体燃料遮断性が得られないことが判明した。この点を踏まえ、本発明者らはさらに検討を重ね、本発明を完成するに至った。 However, depending on the means for increasing the thickness of the gas-liquid separation membrane, it has been found that a sufficiently improved liquid fuel barrier property cannot be obtained even if the thickness is extremely increased even at the expense of thinning the fuel cell. . Based on this point, the present inventors have further studied and have completed the present invention.
本発明は以下のものを含む。
[1] アノード極、電解質膜及びカソード極をこの順で有する単位電池と、
前記アノード極側が開放された空間からなり、液状の燃料を流通させるか又は収容するための液体燃料室と、
前記液体燃料室と前記アノード極との間に配置され、気化した前記燃料を透過可能な気液分離層と、
前記気液分離層と前記アノード極との間に配置され、厚み方向に貫通する第1貫通口を有する第1介在層と、を含み、
前記第1貫通口は、前記第1介在層における前記液体燃料室の直上の領域とは異なる領域に配置されている燃料電池。
The present invention includes the following.
[1] A unit cell having an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order;
A liquid fuel chamber that comprises a space in which the anode electrode side is open, and circulates or houses liquid fuel;
A gas-liquid separation layer disposed between the liquid fuel chamber and the anode electrode and capable of transmitting the vaporized fuel;
A first intervening layer disposed between the gas-liquid separation layer and the anode electrode and having a first through-hole penetrating in the thickness direction;
The first through hole is a fuel cell disposed in a region different from a region immediately above the liquid fuel chamber in the first intervening layer.
[2] 前記気液分離層は、厚み方向における前記液状の燃料の浸透性が面内方向よりも高いものである[1]に記載の燃料電池。 [2] The fuel cell according to [1], wherein the gas-liquid separation layer has higher permeability of the liquid fuel in the thickness direction than in the in-plane direction.
[3] 前記第1介在層は、前記気液分離層の表面に直接積層されている[1]又は[2]に記載の燃料電池。 [3] The fuel cell according to [1] or [2], wherein the first intervening layer is directly laminated on a surface of the gas-liquid separation layer.
[4] 前記第1介在層と前記アノード極との間に配置される層であって、厚み方向に貫通する第2貫通口と、該層の周縁部に設けられ、前記第2貫通口と該層外部とを連通する連通経路と、を有する第2介在層をさらに含む[1]〜[3]のいずれかに記載の燃料電池。 [4] A layer disposed between the first intervening layer and the anode electrode, the second through hole penetrating in the thickness direction, provided at a peripheral portion of the layer, and the second through hole The fuel cell according to any one of [1] to [3], further including a second intervening layer having a communication path communicating with the outside of the layer.
[5] 前記燃料は、メタノール又はメタノール水溶液である[1]〜[4]のいずれかに記載の燃料電池。 [5] The fuel cell according to any one of [1] to [4], wherein the fuel is methanol or a methanol aqueous solution.
[6] 前記液体燃料室へ送液ポンプを用いて前記燃料を供給して発電を行う[1]〜[5]のいずれかに記載の燃料電池の使用方法であって、
前記送液ポンプの吐出圧が20kPa以上である使用方法。
[6] The method of using the fuel cell according to any one of [1] to [5], wherein the fuel is supplied to the liquid fuel chamber using a liquid feed pump to generate power.
Use method wherein the discharge pressure of the liquid feed pump is 20 kPa or more.
[7] 前記液体燃料室へ送液ポンプを用いて前記燃料を供給して発電を行う[1]〜[5]のいずれかに記載の燃料電池の使用方法であって、
発電の間、前記液体燃料室への前記燃料の供給を連続的に行う使用方法。
[7] The method of using the fuel cell according to any one of [1] to [5], wherein the fuel is supplied to the liquid fuel chamber using a liquid feed pump to generate power.
A method of use in which the fuel is continuously supplied to the liquid fuel chamber during power generation.
本発明によれば、液体燃料室内に混入又は発生するガス(気泡)を気液分離層及び第1介在層を介して効果的に排出させることができ、もってアノード極への気化燃料の安定供給、ひいては発電を安定的に行える気化供給方式の燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, gas (bubbles) mixed or generated in the liquid fuel chamber can be effectively discharged through the gas-liquid separation layer and the first intervening layer, and thus stable supply of vaporized fuel to the anode electrode is possible. As a result, it is possible to provide a fuel cell of a vaporization supply system that can stably generate power.
また、液体燃料遮断性の低い従来の燃料電池においては、ポンプ(送液ポンプ)を用いて液体燃料室の内圧を高め、ガス排出を行う際、液漏れを防止するためにポンプを間欠運転する必要があったが、本発明によれば、このようなポンプのシーケンス制御が不要であり、システムの簡略化を図ることができる。 Further, in a conventional fuel cell having a low liquid fuel blocking property, a pump (liquid feed pump) is used to increase the internal pressure of the liquid fuel chamber, and when the gas is discharged, the pump is intermittently operated to prevent liquid leakage. Although it was necessary, according to the present invention, such a sequence control of the pump is unnecessary, and the system can be simplified.
本発明の燃料電池は、携帯電子機器への応用を目的とした小型燃料電池、とりわけ携帯電子機器搭載型の小型燃料電池として好適である。 The fuel cell of the present invention is suitable as a small fuel cell intended for application to a portable electronic device, particularly as a small fuel cell mounted on a portable electronic device.
以下、本発明の燃料電池を実施の形態を示して詳細に説明する。
図1は本発明の燃料電池の一例を示す概略断面図であり、図2は第1介在層2を示す概略上面図、図3は流路板40を示す概略上面図、図4は第2介在層3を示す概略図である。また、図1に示されるV−V線における概略断面図を図5に示している。
Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described in detail with reference to embodiments.
1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell of the present invention, FIG. 2 is a schematic top view showing a
これらの図面に示される燃料電池100は、アノード極11、電解質膜10及びカソード極12をこの順で含む膜電極複合体20と、アノード極11上に積層され、これに電気的に接続されたアノード集電層21と、カソード極12上に積層され、これに電気的に接続されたカソード集電層22とを備える単位電池30;アノード集電層21の表面に接して積層された第2介在層3;第2介在層3の表面に接して積層された第1介在層2;第1介在層2の表面に接して積層された気液分離層1;及び、気液分離層1の下に配置される流路板40とを基本的に備える。流路板40、気液分離層1、第1介在層2及び図示しない燃料タンクが、燃料電池100の燃料供給部(アノード極11に燃料を供給するための部位)を構成している。
The
流路板40はアノード極11の下方に配置された部材であり、その一方の面に形成された凹部(溝)からなる、液状の燃料(液体燃料)を流通させるための液体燃料室41を有している。液体燃料室41は、アノード極11が開放された空間からなっており、その開口を覆うように、気化燃料を透過可能な気液分離層1が配置されている。液体燃料室41の端部42には、液体燃料を収容(保持)するための燃料タンク(図示せず)が接続される。
The
燃料電池100は、カソード集電層22上に積層され、複数の開口51を有する保護カバー50を備える。単位電池30、第2介在層3、第1介在層2及び気液分離層1の図1における左側端面、並びに、単位電池30、第1介在層2及び気液分離層1の図1における右側端面には、外気の混入、気化燃料や液体燃料の漏洩等を防止するために、エポキシ系硬化性樹脂組成物の硬化物層等からなる封止層60が設けられている。第2介在層3は連通経路3bを有しており、この連通経路3bはガス排出口65と接続されている。
The
燃料電池100は次のような動作により発電を行う。すなわち、液体燃料室41内に流通してきた液体燃料は液体燃料室41内全体に行き渡り、気液分離層1によって気液分離され、気化燃料のみが第1介在層2側へ透過する。気化燃料は、第1介在層2の第1貫通口2a(図2参照)、第2介在層3の第2貫通口3a(図4参照)、アノード集電層21の開口を順に通ってアノード極11に供給される。液体燃料がメタノール又はメタノール水溶液である場合を例に挙げると、アノード極11に供給された気化燃料は、上記式(1)で表される酸化反応を起こし消費される。気化燃料は、燃料電池100の発電電流量に応じて消費されていくこととなるが、これを補うように、気液分離層1から液体燃料が随時蒸発を続けるため、アノード極11近傍における気化燃料の蒸気圧は略一定に保たれる。
The
一方、酸化剤が空気である場合を例に挙げると、カソード極12においては、保護カバー50の開口51及びカソード集電層22の開口を通って到達した空気中の酸素と、電解質膜10を介してアノード極11からカソード極12に伝達されたプロトンとが、上記式(2)で表される還元反応を起こす。以上の酸化還元反応に基づく電子移動により、外部の電子機器に対して電力が供給される。
On the other hand, in the case where the oxidizing agent is air, for example, in the
発電に伴いアノード極11で発生した二酸化炭素ガスは、アノード集電層21の開口、第2介在層3の第2貫通口3a、連通経路3b及びガス排出口65を順に通って燃料電池100の外部に排出される。
The carbon dioxide gas generated at the
次に、燃料電池100を構成する各部材等について詳細に説明する。
〔気液分離層及び第1介在層〕
気液分離層1は、液体燃料室41とアノード極11との間に配置される、気化燃料透過性であり、かつ、少なくとも常圧で液体燃料を透過しない層、すなわち、少なくとも常圧において上で定義した「液体燃料遮断性」を有する層である。気液分離層1を備えることにより、アノード極11への燃料の気化供給が可能となる。また、気液分離層1は、アノード極11へ供給される気化燃料の量又は濃度を適切量に制御(制限)するとともに、均一化する機能を有し得る。従って、気液分離層1を設けることにより、燃料のクロスオーバー及び発電部における温度ムラの抑制が可能であり、このことは安定した発電状態の達成に寄与する。燃料電池100において気液分離層1は、液体燃料室41を覆うように流路板40のアノード極11側表面上に積層されている。
Next, each member constituting the
[Gas-liquid separation layer and first intervening layer]
The gas-liquid separation layer 1 is a layer that is disposed between the
第1介在層2は、気液分離層1とアノード極11との間に配置される層であり、図2に示されるように、厚み方向に貫通する第1貫通口2aを有している。燃料電池100において第1介在層2は、気液分離層1のアノード極11側表面に直接積層されているが接着成分を含有する層を介して接合積層されてもよい。第1貫通口2aは、第1介在層2における液体燃料室41の直上の領域とは異なる領域に配置される(図2、図3及び図5参照)。
The
このように燃料電池100は、液体燃料室41上に配置される気液分離層1と、気液分離層1上に配置され、上記所定の位置に第1貫通口2aを有する第1介在層2とを備えることを1つの特徴としており、この構成によって、液体燃料室41の内圧を大きくして、液体燃料室41内のガス(気泡)を排出する際に、液体燃料が液体状態のまま、気液分離層1と第1介在層2とを含む積層構造部分を透過してしまう「液漏れ」を効果的に抑制することができる。すなわち、上で定義した「液体燃料遮断性」を効果的に向上させることができる。ただし、ここでいう「液体燃料遮断性」は、気液分離層1と第1介在層2と含む積層構造としての液体燃料遮断性である。
Thus, the
液体燃料遮断性の向上により、液体燃料室41の内圧を大きくすることができるため、液体燃料室41内のガス(気泡)をより効果的に排出させることができる。また、高い液体燃料遮断性により、燃料電池からの液漏れを防止するという観点で非常に高い信頼性が得られる。また、これに加えて高い液体燃料遮断性を利用し、液体燃料室内へ液体燃料を送液する送液ポンプの吐出圧を最大吐出圧の一定にして連続的に燃料を液体燃料室41に供給して、燃料電池を連続運転(連続発電)することが可能となる。本発明の燃料電池によれば、液漏れを生じることなく、送液ポンプの吐出圧を20kPa以上として発電を行うことが可能である。従来は、液体燃料遮断性が低いことからポンプを間欠運転にせざるを得ず、連続して高い圧力が掛かることを回避する必要があった。環境温度が異なると、供給すべき燃料の量が異なることから、送液ポンプの間欠運転には、環境温度と連動した複雑なシーケンス制御が必要となる。本発明の燃料電池においては、連続して高い圧力が掛かっても液漏れが生じないため、複雑なシーケンス制御を行うことなく利用することができ、もってシステムが簡略化される。
By improving the liquid fuel blocking property, the internal pressure of the
図6を参照して、燃料電池100の液体燃料遮断性についてより具体的に説明する。図6(a)に示される流路板40/気液分離層1/第1介在層2の積層構造は、燃料電池100が有する積層構造と同等であり、第1貫通口2aは液体燃料室41の直上の領域とは異なる領域に設けられている。これに対して図6(b)に示される積層構造では、第1貫通口2aが液体燃料室41の直上の領域に設けられている。図6(a)及び(b)における点線の矢印は、液体燃料室41内の液体燃料の気化成分が気液分離層1を透過し、第1介在層2の第1貫通口2aから気化燃料として供給される際の経路を示したものである。
With reference to FIG. 6, the liquid fuel barrier property of the
図6(b)の積層構造では、液体燃料室41内のガス排出のために液体燃料室41の内圧を大きくし、ある一定の圧力を超えると、点線の矢印と同様の経路を通って第1貫通口2aから液漏れが生じる。上記一定の圧力は、気液分離層1の厚みαを大きくすることによりある程度大きくすることが可能であるが、これには限界があった。
In the stacked structure of FIG. 6B, when the internal pressure of the
これに対して図6(a)の積層構造では、液体燃料室41の直上の領域とは異なる領域に(直上の領域から距離を置いて)第1貫通口2aを設けているので、液体燃料室41の内圧を大きくしたとき、液体燃料は、点線の矢印と同様に、気液分離層1の厚み方向だけではなく、面内方向にも浸透することとなる。このように、第1貫通口2aから液漏れが生じるためには面内方向にも浸透していく必要が生じることから、その分、液体燃料遮断性が向上する。
On the other hand, in the laminated structure of FIG. 6A, the first through
気液分離層1内における液体燃料の面内方向の浸透性と厚み方向の浸透性が同等である場合には、図6(a)に示されるように液体燃料室41の端部と第1貫通口2aとの直線距離がαであるとき、気液分離層1の厚みがより薄いにもかかわらず、図6(b)の積層構造において気液分離層1の厚みがαである場合と同等の液体燃料遮断性を得ることができる。図6(a)の積層構造において気液分離層1の厚みをαとすれば、気液分離層1の面内方向に浸透させるための圧力を要する分、図6(b)の積層構造より高い液体燃料遮断性を得ることができる。
When the permeability in the in-plane direction and the permeability in the thickness direction of the liquid fuel in the gas-liquid separation layer 1 are equal, as shown in FIG. When the linear distance to the through-
液体燃料室41の直上の領域から第1貫通口2aまでの距離を調整することにより液体燃料遮断性を制御することが可能であり、この距離を大きくするほど液体燃料遮断性を高くすることができる。液体燃料室41の直上の領域から第1貫通口2aまでの距離は、典型的には、0.5mm〜50mmである。
It is possible to control the liquid fuel blocking performance by adjusting the distance from the region directly above the
気液分離層1は、使用する燃料に関して気液分離能を有し、少なくとも常圧において液体燃料遮断性を有するものであれば特に制限なく使用できるが、それ自体の液体燃料遮断性がより高いものを用いることが好ましく、厚み方向における液体燃料の浸透性が面内方向よりも高いものを用いることがより好ましい。上記のように、液体燃料室41の直上の領域とは異なる領域に第1貫通口2aを設けることによる液体燃料遮断性の向上は、液体燃料を面内方向に浸透させるための圧力を要することに起因している。面内方向における液体燃料の浸透性がより低い気液分離層1を用いることにより、より高い液体燃料遮断性の向上効果を得ることができる。また、液体燃料の面内方向の浸透性と厚み方向の浸透性が同等である気液分離層1と比較した場合、液体燃料室41の直上の領域と第1貫通口2aとの間の距離がより短くても、同等の液体燃料遮断性の向上効果を得ることができる。このことは、より多くの第1貫通口2aを第1介在層2に形成できることを意味しており、これによりアノード極11へのより均一な気化燃料の供給を達成し得る。
The gas-liquid separation layer 1 can be used without particular limitation as long as it has a gas-liquid separation ability with respect to the fuel to be used and has a liquid fuel barrier property at least at normal pressure, but its own liquid fuel barrier property is higher. It is preferable to use one having a higher permeability of the liquid fuel in the thickness direction than in the in-plane direction. As described above, the improvement of the liquid fuel blocking performance by providing the first through
厚み方向における液体燃料の浸透性が面内方向よりも高い気液分離層1としては、例えば、日東電工(株)製「テミッシュ(登録商標)」、住友電工ファインポリマー(株)製「ポアフロン(登録商標)」、日本ゴア(株)製「オールePTFEメンブレン」等の延伸されたポリテトラフルオロエチレン又はその他のフッ素系樹脂からなる多孔質膜や、プラスチック粉末を焼結成形することにより得られる多孔質体を圧縮処理したフィルム、発泡法により得られるポリマー多孔質体を圧縮処理したフィルムなどを好適に用いることができる。 Examples of the gas-liquid separation layer 1 in which the permeability of the liquid fuel in the thickness direction is higher than that in the in-plane direction include, for example, “Temish (registered trademark)” manufactured by Nitto Denko Corporation, “Poaflon” manufactured by Sumitomo Electric Fine Polymer Co., Ltd. Registered trademark) ”,“ all ePTFE membrane ”manufactured by Nippon Gore Co., Ltd., and other porous films made of stretched polytetrafluoroethylene or other fluororesin, or porous powder obtained by sintering molding plastic powder A film obtained by compressing a material, a film obtained by compressing a polymer porous material obtained by a foaming method, and the like can be suitably used.
また、気液分離層1として、上記以外のフッ素系樹脂多孔質膜(例えば、ミリポア社製「フロリナートメンブレン」等)、多孔質プラスチック膜(例えば、大成プラス(株)製「MICROVENT」等)、発泡法により得られるポリマー多孔質体などを用いることもできる。 Further, as the gas-liquid separation layer 1, a fluororesin porous membrane other than the above (for example, “Fluorinert membrane” manufactured by Millipore), a porous plastic membrane (for example, “MICROVENT” manufactured by Taisei Plus Co., Ltd.), A polymer porous body obtained by a foaming method can also be used.
気液分離層1の厚みは特に制限されないが、十分な気液分離能及び液体燃料遮断性を得るために、20μm以上であることが好ましく、50μm以上であることがより好ましい。また、燃料電池の薄型化の観点からは、気液分離層1の厚みは、500μm以下であることが好ましく、300μm以下であることがより好ましい。 The thickness of the gas-liquid separation layer 1 is not particularly limited, but is preferably 20 μm or more, and more preferably 50 μm or more in order to obtain sufficient gas-liquid separation ability and liquid fuel blocking performance. From the viewpoint of reducing the thickness of the fuel cell, the thickness of the gas-liquid separation layer 1 is preferably 500 μm or less, and more preferably 300 μm or less.
第1介在層2は、液体燃料不透過性であり、かつ気化燃料不透過性である材料から構成される。より具体的には、第1介在層2として、第1貫通口2aとしての厚み方向に貫通する貫通口を有する非多孔性樹脂シートや非多孔性金属板等を用いることができる。非多孔性樹脂シートの材料として、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を選択した場合は、第1介在層2は、熱融着等により気液分離層1と接合することができる。また、信頼性の観点から熱収縮や熱膨張といった熱変形をしない材料を用いることが好ましい。後述する第1貫通口2aの形状が変化するなどして、気化燃料の透過量が増減するのを抑えるためである。
The
第1貫通口2aの数は特に制限されず、1つのみであってもよいが、通常は2以上である。2以上の第1貫通口2aを有する場合において、これらの貫通口は、アノード極11に対して均一に気化燃料を供給できるよう、第1介在層2の面内にできるだけ均一に配置することが好ましい。第1貫通口2aの形状は特に制限されず、図2に示される方形以外の形状、例えば、図7に示される円形であってもよい。第1貫通口2aの開口径(方形の場合は最長辺の長さ、円形の等の場合は最大径)は、0.1〜5mm程度とすることができる。
The number of the first through
第1介在層2の厚みは特に制限されないが、取り扱いの容易さや、燃料電池の発電によって生じた熱が液体燃料室41に伝わることを防ぐ断熱性の観点から、50μm以上であることが好ましく、100μm以上であることがより好ましい。また、燃料電池の薄型化の観点からは、第1介在層2の厚みは、500μm以下であることが好ましく、300μm以下であることがより好ましい。
The thickness of the
なお、第1介在層2は、アノード極11へ供給される気化燃料の量又は濃度を適切量に制御(制限)するとともに、均一化する機能も有し得る。
Note that the
〔流路板〕
流路板40は、液体燃料を流通させるか又は収容するための液体燃料室41を有する部材であり、好ましくはアノード極11の下方に配置される。液体燃料室41の端部42に、液体燃料を貯蔵する図示しない燃料タンクが接続され、液体燃料は通常、送液ポンプ等の送液手段を用いて液体燃料室41内に移送される。
[Channel plate]
The
燃料電池100において燃料板40は、図3に示されるように、枝分かれした櫛歯状の溝からなる液体燃料室41を備えている。このような形状により、液体燃料が面内に均一に拡散されるので、アノード極11への気化燃料の均一な供給が可能となる。燃料電池100において第1貫通口2aは、燃料電池100を上からみたとき、液体燃料室41を構成する隣り合う2本の櫛歯部分の溝(流路)の間(中間の位置)に形成されている。
In the
液体燃料室41は、図3に示されるような枝分かれ状の流路に限定されず、任意の各種形状の流路(例えば、サーペンタイン状)であることができる。また、液体燃料室41は、液体燃料を収容する1つ(又は複数の)比較的大きな槽(凹部)であることもできる。
The
流路板40は、プラスチック材料又は金属材料からなることができる。プラスチック材料としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等を挙げることができる。金属材料としては、例えば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金材料を用いることができる。
The
〔第2介在層〕
第2介在層3は、第1介在層2とアノード極11との間に配置される層であり、燃料電池100において第2介在層3は、第1介在層2とアノード集電層21との間に配置されている。図4(a)は燃料電池100で用いられている第2介在層3を示す概略上面図であり、図4(b)は図4(a)に示されるB−B線における概略断面図である。第2介在層3は、厚み方向に貫通する第2貫通口3a、及び、第2貫通口3aと第2介在層3外部とを連通する連通経路3bを有する。連通経路3bは、第2介在層3の周縁部に設けられ、第2貫通口3aから該周縁部の端面まで延びる溝(凹部)からなる。
[Second intervening layer]
The
第2介在層3は、第2貫通口3a内に存在する空間部(空気若しくは他のガスにより満たされる)により、発電部と液体燃料室41との間の断熱を図る断熱層としての役割を果たし、液体燃料室41の温度が過度に上昇することによるクロスオーバーの抑制に有効である。第2貫通口3aを有する第2介在層3を設けると、アノード極11で生成した二酸化炭素ガス等のガスを、発電により生じた熱とともに燃料電池外に排出することができるので、燃料電池全体の過度の温度上昇やガス排出不良による燃料供給阻害も抑制できる。このことは、安定した発電状態の維持に寄与する。また、連通経路3bよりアノード極11で生成したガスを良好に排出することができるため、該ガスの液体燃料室41内への侵入を抑制することができる。さらに、第2介在層3は、液体燃料室41の内圧を高めることによって液体燃料室41から排出されたガス(気泡)の、燃料電池外への排出経路を提供する。
The
また、第2介在層3は、気化燃料を均一に発電部に供給するためのバッファーとしての利用が可能である。第1介在層2の第1貫通口2aを通過した気化燃料は、該貫通口から放射状に広がり発電部に到達する。第2介在層3が、空間となる空気層を備えることにより、そこで気化燃料が面内において拡散するため、発電部面内で均一な発電が可能となる。この機能は、後述するアノード導電性多孔質層も有しており、少なくともどちらか一方、もしくは両方を備えることが好ましい。
Moreover, the
第2貫通口3aは、発電部と液体燃料室41との間の断熱性の観点から、図4に示されるように、第2介在層3の面積に対する開口率をできるだけ大きくすることが好ましい。第2貫通口3aの開口率、すなわち、第2介在層3の面積に対する第2貫通口3aの開口面積(2以上の第2貫通口3aを有する場合にはそれらの開口面積の合計)の割合は、好ましくは50%以上、より好ましくは60%以上である。第2貫通口3aの開口率は、通常90%以下である。
From the viewpoint of heat insulation between the power generation unit and the
連通経路3bは、厚み方向に貫通する貫通穴であってもよいが、第2介在層3の強度の観点から、第2介在層3の周縁部に設けられる溝(凹部)からなることが好ましい。
The
図8(a)は第2介在層3の他の一例を示す概略上面図であり、図8(b)は図8(a)に示されるC−C線における概略断面図である。図8に示されるように第2介在層3は、2以上の第2貫通口3aを有していてもよい。図8に示されるような複数の第2貫通口3aを有する(梁を設けた)第2介在層3は、面内方向の剛性が高まるため、衝撃等に対する強度に優れる燃料電池が得られる点などにおいて有利である。
FIG. 8A is a schematic top view showing another example of the
第2介在層3が2以上の第2貫通口3aを有する場合、連通経路3bは、1つの第2貫通口3aごとに、第2貫通口3aと同じ数だけ設けてもよいし、第2貫通口3aの数より少ない又は多い数の連通経路3bを設けることもできる。図8の例においては、4つの第2貫通口3aに対して2つの連通経路3bが設けられている。連通経路3bが設けられていない第2貫通口3a(図8(a)における下2つの第2貫通口3a)は、接続経路3cによって、連通経路3bが設けられた第2貫通口3a(図8(a)における上2つの第2貫通口3a)に空間的に接続される。接続経路3cは、連通経路3bと同様、第2貫通口3a間の梁に設けられた溝(凹部)であることができる(図8(b)参照)。接続経路3cを設けることにより、連通経路3bが設けられていない第2貫通口3a内に入ったガスを、連通経路3bを通して外部に排出することができる。連通経路3bが設けられた第2貫通口3a同士及び/又は連通経路3bが設けられていない第2貫通口3a同士を空間的に接続する接続経路3dを設けることも好ましい(図8(a)参照)。
When the
連通経路3bの断面積(2以上の連通経路3bを有する場合にはこれらの断面積の合計)S1と、第2介在層3の側面の合計面積S0との比S1/S0は、0より大きくすることが必要であり、好ましくは0.002以上である。また、好ましくは0.3未満、より好ましくは0.1未満、さらに好ましくは0.05未満である。当該比が0.3以上になると、気化燃料の漏洩や空気の混入が起こりやすくなり、発電の安定性が低下するおそれがある。
The ratio S 1 / S 0 between the cross-sectional area of the
第2介在層3の材質は、流路板40について例示したようなプラスチック材料若しくは金属材料、又は非多孔質性のカーボン材料等であることができる。第2介在層3の厚みは、例えば、100〜1000μm程度とすることができる。なお本発明において、第2介在層3は省略することが可能である。ただしこの場合、第2介在層3に代わる、液体燃料室41の内圧を高めることによって液体燃料室41から排出されたガス(気泡)を燃料電池外へ排出するための別の排出経路を形成する。
The material of the
〔電解質膜〕
膜電極複合体20を構成する電解質膜10は、アノード極11からカソード極12へプロトンを伝達する機能と、これら電極間の電気的絶縁性を保ち、短絡を防止する機能を有する。電解質膜10の材質は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されず、高分子膜、無機膜又はコンポジット膜を用いることができる。高分子膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系電解質膜である、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子社製)等が挙げられる。また、スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼン等の炭化水素系電解質膜を用いることもできる。
[Electrolyte membrane]
The
無機膜としては、例えば、リン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウム等からなる膜が挙げられる。コンポジット膜としては、タングステン酸、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸等の無機物とポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、パーフルオロスルホン酸等の有機物とのコンポジット膜が挙げられる。 Examples of the inorganic film include films made of phosphate glass, cesium hydrogen sulfate, polytungstophosphoric acid, ammonium polyphosphate, and the like. Examples of the composite film include a composite film of an inorganic material such as tungstic acid, cesium hydrogen sulfate, and polytungstophosphoric acid and an organic material such as polyimide, polyetheretherketone, and perfluorosulfonic acid.
電解質膜10の厚みは、例えば1〜200μmである。また、電解質膜10のEW値(プロトン官能基1モルあたりの乾燥重量)は、800〜1100程度であることが好ましい。EW値が小さいほど、プロトン移動に伴う電解質膜10の抵抗が小さくなり高い出力を得ることができる。
The thickness of the
〔アノード極及びカソード極〕
電解質膜10の一方の表面に積層されるアノード極11及び他方の表面に積層されるカソード極12は、触媒と電解質とを含有する多孔質層からなる触媒層を含む。アノード極11用の触媒は燃料からプロトンと電子とを生成する反応を触媒し、電解質は生成したプロトンを電解質膜10へ伝導する機能を有する。カソード極12用の触媒は、電解質を伝導してきたプロトンと酸化剤から水を生成する反応を触媒する。
[Anode and cathode]
The
アノード極11及びカソード極12用の触媒は、カーボンやチタン等の導電体の表面に担持されたものでもよく、中でも、水酸基やカルボキシル基等の親水性の官能基を有するカーボンやチタン等の導電体の表面に担持されていることが好ましい。これにより、アノード極11及びカソード極12の保水性を向上させることができる。また、アノード極11及びカソード極12の電解質は、電解質膜10のEW値よりも小さなEW値を有する材料からなることが好ましく、具体的には、電解質膜10と同質材料であるが、EW値が400〜800である電解質材料が好ましい。このような電解質材料を用いることによっても、アノード極11及びカソード極12の保水性を向上させることができる。アノード極11及びカソード極12の保水性の向上により、プロトン移動に伴う電解質膜10の抵抗やアノード極11及びカソード極12における電位分布を改善することができる。また、EW値の低い電解質は同時に液体燃料の透過性も高いことから、EW値の低い電解質を用いることにより、アノード極11の触媒層に対して、より均一に気化燃料を供給することができる。
The catalyst for the
アノード極11及びカソード極12はそれぞれ、触媒層上に積層されるアノード導電性多孔質層、カソード導電性多孔質層を備えていてもよい。これらの導電性多孔質層は、アノード極11、カソード極12に供給されるガス(気化燃料又は酸化剤)を面内において拡散させる機能を有するとともに、触媒層と電子の授受を行う機能を有する。アノード導電性多孔質層及びカソード導電性多孔質層としては、比抵抗が小さく、電圧の低下が抑制されることから、カーボン材料;導電性高分子;Au、Pt、Pd等の貴金属;Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cu、Ag、Zn等の遷移金属;これらの金属の窒化物又は炭化物等;並びに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金等からなる多孔質材料を用いることが好ましい。Cu、Ag、Zn等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Au、Pt、Pd等の耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物又は導電性酸化物等により表面処理(皮膜形成)を行ってもよい。
The
より具体的には、アノード導電性多孔質層及びカソード導電性多孔質層として、例えば、上記貴金属、遷移金属又は合金からなる発泡金属、金属織物及び金属焼結体;並びにカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜等を好適に用いることができる。 More specifically, as the anode conductive porous layer and the cathode conductive porous layer, for example, the above-mentioned noble metal, foam metal made of transition metal or alloy, metal fabric and metal sintered body; and carbon paper, carbon cloth, An epoxy resin film containing carbon particles can be suitably used.
〔アノード集電層及びカソード集電層〕
アノード集電層21、カソード集電層22はそれぞれ、アノード極11上、カソード極12上に積層され、膜電極複合体20とともに単位電池30を構成する。アノード集電層21及びカソード集電層22はそれぞれ、アノード極11、カソード極12における電子を集電する機能と、電気的配線を行う機能とを有する。
[Anode current collecting layer and cathode current collecting layer]
The anode
集電層の材質は、比抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても電圧の低下が抑制されることから、金属であることが好ましく、中でも、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する金属であることがより好ましい。このような金属としては、Au、Pt、Pd等の貴金属;Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cu、Ag、Zn等の遷移金属;及びこれらの金属の窒化物又は炭化物等;並びに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金等が挙げられる。Cu、Ag、Zn等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Au、Pt、Pd等の耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物又は導電性酸化物等により表面処理(皮膜形成)を行ってもよい。なお、アノード導電性多孔質層及びカソード導電性多孔質層が、例えば金属等からなり、導電性が比較的高い場合には、アノード集電層及びカソード集電層は省略されてもよい。 The material of the current collecting layer is preferably a metal because it has a small specific resistance and suppresses a decrease in voltage even when a current is taken in the plane direction. It is more preferable that the metal has corrosion resistance. Such metals include noble metals such as Au, Pt, Pd; transition metals such as Ti, Ta, W, Nb, Ni, Al, Cu, Ag, Zn; and nitrides or carbides of these metals; and And alloys containing these metals typified by stainless steel. When using metals with poor corrosion resistance in an acidic atmosphere, such as Cu, Ag, Zn, etc., noble metals with high corrosion resistance such as Au, Pt, Pd, conductive polymers, conductive nitrides, conductive Surface treatment (film formation) may be performed with carbide or conductive oxide. When the anode conductive porous layer and the cathode conductive porous layer are made of, for example, metal and the conductivity is relatively high, the anode current collecting layer and the cathode current collecting layer may be omitted.
より具体的には、アノード集電層21は、気化燃料をアノード極11へ誘導するための厚み方向に貫通する開口を複数備える、上記金属材料等からなるメッシュ形状又はパンチングメタル形状を有する平板であることができる。この開口は、アノード極11の触媒層で生成するガス(CO2ガス等)を第2介在層3の第2貫通口3aへ誘導するための排出口としても機能する。同様に、カソード集電層22は、酸化剤(例えば、燃料電池外部の空気)をカソード極12の触媒層に供給するための厚み方向に貫通する開口を複数備える、上記金属材料等からなるメッシュ形状又はパンチングメタル形状を有する平板であることができる。
More specifically, the anode
〔保護カバー〕
図1に示される燃料電池100において保護カバー50は、単位電池30が直接露出することを防止している。保護カバー50におけるカソード極12直上部分には、燃料電池外部の空気を取り込み可能とする複数の開口51が形成されている。開口51の数は特に制限されず、1つ以上あればよい。保護カバー50は、流路板40について例示したようなプラスチック材料又は金属材料を用い、適宜の形状に成形することによって作製することができる。
[Protective cover]
In the
本発明の燃料電池は、固体高分子型燃料電池又はダイレクトアルコール型燃料電池等であることができ、特にダイレクトアルコール型燃料電池(とりわけ、ダイレクトメタノール型燃料電池)として好適である。本発明の燃料電池において使用することのできる液体燃料としては、例えば、メタノール、エタノール等のアルコール類;ジメトキシメタン等のアセタール類;ギ酸等のカルボン酸類;ギ酸メチル等のエステル類;及び、これらの水溶液を挙げることができる。液体燃料は1種に限定されず、2種以上の混合物であってもよい。コストの低さや体積あたりのエネルギー密度の高さ、発電効率の高さ等の点から、メタノール又はメタノール水溶液が好ましく用いられる。 The fuel cell of the present invention can be a polymer electrolyte fuel cell, a direct alcohol fuel cell, or the like, and is particularly suitable as a direct alcohol fuel cell (in particular, a direct methanol fuel cell). Examples of the liquid fuel that can be used in the fuel cell of the present invention include alcohols such as methanol and ethanol; acetals such as dimethoxymethane; carboxylic acids such as formic acid; esters such as methyl formate; An aqueous solution can be mentioned. The liquid fuel is not limited to one type, and may be a mixture of two or more types. Methanol or an aqueous methanol solution is preferably used from the viewpoints of low cost, high energy density per volume, high power generation efficiency, and the like.
(変形例)
本発明の燃料電池は、上記した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、例えば次のような変形例をも含む。本発明の燃料電池は、液体燃料室41の両面に単位電池30が配置された構成であってもよい。この場合、液体燃料室41は、上下2つのアノード極11に対して燃料を供給するために、上下面ともに開放されている必要があることから、流路板40として、上下面が開いた空間を有する部材が用いられる。液体燃料室41の両面に単位電池30が配置された燃料電池によれば、2つの単位電池に対して1つの流路板40で足りることから、燃料電池の薄型化を図ることができるとともに、燃料電池の単位体積当たりの出力を向上させることができる。
(Modification)
The fuel cell of the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and includes, for example, the following modifications. The fuel cell of the present invention may have a configuration in which the
また、本発明の燃料電池は、同一平面上に配列された単位電池30を2以上含むものであってもよい。この場合において液体燃料室41は、単位電池30ごとに設けられてもよいし、単位電池30より少ない数だけ設けられてもよい。
Further, the fuel cell of the present invention may include two or
本発明の燃料電池は、電子機器、特には、携帯電話、電子手帳、ノート型パソコンに代表される携帯機器等の小型電子機器用の電源として好適に用いることができる。 The fuel cell of the present invention can be suitably used as a power source for electronic devices, in particular, small electronic devices such as mobile devices such as mobile phones, electronic notebooks, and notebook computers.
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.
<実施例1>
以下の手順で、図1と類似の構成の燃料電池(ただし、保護カバー50を有しない)を作製した。
<Example 1>
A fuel cell having a configuration similar to that shown in FIG. 1 (however, the
(1)膜電極複合体の作製
Pt担持量32.5重量%、Ru担持量16.9重量%の触媒担持カーボン粒子(TEC66E50、田中貴金属社製)と、電解質である20重量%のナフィオン(登録商標)のアルコール溶液(アルドリッチ社製)と、n−プロパノールと、イソプロパノールと、ジルコニアボールとを、所定の割合でフッ素系樹脂製の容器に入れ、攪拌機を用いて500rpmで50分間の混合を行うことにより、アノード極用の触媒ペーストを調製した。また、Pt担持量46.8重量%の触媒担持カーボン粒子(TEC10E50E、田中貴金属社製)を用いること以外はアノード極用の触媒ペーストと同様にして、カソード極用の触媒ペーストを調製した。
(1) Production of Membrane Electrode Composite Catalyst-supported carbon particles (TEC66E50, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) having a Pt loading amount of 32.5% by weight and a Ru loading amount of 16.9% by weight, and 20% by weight of Nafion as an electrolyte ( (Registered trademark) Alcohol solution (Aldrich), n-propanol, isopropanol, and zirconia balls are put into a fluororesin container at a predetermined ratio and mixed for 50 minutes at 500 rpm using a stirrer. By performing this, a catalyst paste for the anode electrode was prepared. Also, a catalyst paste for the cathode electrode was prepared in the same manner as the catalyst paste for the anode electrode except that catalyst-supporting carbon particles (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) having a Pt loading amount of 46.8% by weight were used.
次いで、片面に撥水性を有する多孔質層が形成されたカーボンペーパー(GDL25BC、SGL社製)を縦35mm、横40mmに切断した後、その多孔質層上に、上記のアノード極用の触媒ペーストを触媒担持量が約3mg/cm2となるように、縦30mm、横35mmのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、アノード導電性多孔質層であるカーボンペーパー上の中央にアノード触媒層が形成された、厚み約400μmのアノード極11を作製した。また、同じサイズのカーボンペーパーの多孔質層上に、上記のカソード極用の触媒ペーストを触媒担持量が約1mg/cm2となるように、縦30mm、横35mmのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、カソード導電性多孔質層であるカーボンペーパー上の中央にカソード触媒層が形成された、厚み約270μmのカソード極12を作製した。
Next, after cutting carbon paper (GDL25BC, manufactured by SGL) having a water-repellent porous layer on one side into a length of 35 mm and a width of 40 mm, the above-mentioned catalyst paste for anode electrode is formed on the porous layer. Is applied using a screen printing plate having a window with a length of 30 mm and a width of 35 mm so that the amount of the catalyst supported is about 3 mg / cm 2, and then dried, so that the anode conductive porous layer is coated on the carbon paper. Thus, an
次に、厚み約175μmのパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜(ナフィオン(登録商標)117、デュポン社製)を縦35mm、横40mmに切断して電解質膜10とし、アノード極11と電解質膜10とカソード極12をこの順で、それぞれの触媒層が電解質膜10に対向するように重ね合わせた後、130℃、2分間の熱圧着を行い、アノード極11及びカソード極12を電解質膜10に接合した。上記重ね合わせは、アノード極11とカソード極12の電解質膜10の面内における位置が一致するように、かつアノード極11と電解質膜10とカソード極12の中心が一致するように行った。ついで、得られた積層体の外周部を切断することにより、縦22mm、横26mmの膜電極複合体20を作製した。
Next, a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane having a thickness of about 175 μm (Nafion (registered trademark) 117, manufactured by DuPont) was cut into a length of 35 mm and a width of 40 mm to form the
(2)単位電池の作製
縦26.5mm、横27mm、厚み100μmのステンレス板(NSS445M2、日新製鋼社製)を用意し、この中央領域に、開孔径φ0.6mmである複数の開孔(開孔パターン:千鳥60°ピッチ0.8mm)を、フォトレジストマスクを用いたウェットエッチングにて両面から加工することにより、厚み方向に貫通する貫通孔を複数備えるステンレス板を2枚作製し、これらをアノード集電層21及びカソード集電層22とした。
(2) Manufacture of unit cell A stainless steel plate (NSS445M2, manufactured by Nisshin Steel Co., Ltd.) having a length of 26.5 mm, a width of 27 mm, and a thickness of 100 μm is prepared. 2 stainless steel plates having a plurality of through-holes penetrating in the thickness direction are produced by processing a hole pattern: zigzag 60 ° pitch 0.8 mm) from both sides by wet etching using a photoresist mask. The anode
次に、上記アノード集電層21をアノード極11上に、カーボン粒子とエポキシ樹脂とからなる導電性接着剤層を介して積層するとともに、カソード集電層22をカソード極12上に、カーボン粒子とエポキシ樹脂とからなる導電性接着剤層を介して積層し、これらを熱圧着により接合して、縦22mm、横26mm(膜電極複合体20のサイズを指している)の単位電池30を作製した。なお、アノード集電層21及びカソード集電層22は、それらの開孔が形成された領域がそれぞれアノード極11、カソード極12の直上に配置されるように積層した。
Next, the anode
(3)気液分離層、第1介在層及び第2介在層との接合
気液分離層1として、縦25mm、横27mm、厚み0.2mmのポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルム(日東電工(株)製の「テミッシュ〔TEMISH(登録商標)〕S−NTF2122A−S06」)を用意した。また、第1介在層2として、縦25mm、横27mm、厚み0.07mmの熱可塑性樹脂フィルム(日東シンコー(株)製の「FB−ML4」)を用意した。第1介在層2は、図2に示される形状を有しており、4つの第1貫通口2aの幅、長さはそれぞれ1mm、20mmである。気液分離層1上に第1介在層2を積層し、すべての側面の層境界部を接着剤で接合した。
(3) Joining of Gas-Liquid Separation Layer, First Intervening Layer, and Second Intervening Layer As the gas-liquid separation layer 1, a porous film made of polytetrafluoroethylene having a length of 25 mm, a width of 27 mm, and a thickness of 0.2 mm (Nitto Denko) "Temish [TEMISH (registered trademark)] S-NTF2122A-S06") manufactured by KK was prepared. Further, as the
次に、エッチング加工により、図4に示される形状を有する縦26.5mm、横27.0mm、厚み0.2mmのSUS製の第2介在層3を作製した。第2貫通口3aの開口率は、77%であり、連通経路3bの断面積と第2介在層側面の合計面積との比は、0.005である。第2介在層3の溝形成面とは反対側の面に第1の介在層2を積層し、熱圧着によりこれらを接合して、第2介在層3/第1介在層2/気液分離層1の積層体を得た。
Next, a
(4)燃料電池の作製
図3に示される形状を有する縦26.5mm、横27mm、厚み0.6mmの燃料板40を用意した。液体燃料室41を構成する5本の枝分かれ流路の幅は1mmで、流路内に混入、もしくは生成したガスの挙動を目視確認するため、深さ方向に貫通したものを用いた。また、図示はしないが縦26.5mm、横27mm、厚み0.1mmの片面に熱可塑性の樹脂がコーティングされたラミネートフィルムを用意した。ラミネートフィルムは接着後に透明となるため、流路内の様子が観察できるようになっている。はじめに、流路板40とラミネートフィルムを熱圧着により接合した。さらに、流路板40のラミネートフィルムと対向する面とは反対の面(溝形成面上)に、気液分離層1を熱圧着により接合して、第2介在層3/第1介在層2/気液分離層1/流路板40/ラミネートフィルムの積層体を得た。第2介在層3における、液体燃料室41を構成する枝分かれ流路の直上の領域から第1貫通口2aまでの距離は、1.75mmである。
(4) Fabrication of Fuel Cell
次に、第2介在層3上に単位電池30を熱圧着により接合した後、単位電池30等の端面に、図1に示されるように、エポキシ樹脂の硬化物からなる封止層60を形成して、燃料電池を得た。
Next, after the
<比較例1>
液体燃料室41を構成する枝分かれ流路の直上の領域に第1貫通口2aを有する第1介在層2を用いたこと以外は、実施例1と同様にして燃料電池を作製した。本比較例で用いた第1介在層2は、外形形状及び第1貫通口2aの形状において実施例1で用いたものと同じであるが、第1貫通口2aが枝分かれ流路の直上の領域に設けられていることにより、5つの第1貫通口2aを有している。
<Comparative Example 1>
A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the
(液体燃料遮断性の評価)
送液ポンプを用いて、液体燃料室41の端部42へメタノール濃度12Mのメタノール水溶液又は純メタノール(濃度24.7Mに相当)を供給し、液体燃料室41の内圧を上昇させ、そのときの液漏れの有無を測定した。その結果、実施例1の燃料電池において、メタノール濃度12Mのメタノール水溶液を供給した際は電池温度がおよそ30℃となり、液体燃料室41の内圧(すなわち、送液ポンプの吐出圧)を35kPa(装置測定限界)以上に保持しても液漏れは生じなかった。純メタノールを供給した際は電池温度がおよそ50℃となり、液体燃料室41の内圧を30kPaに保持しても液漏れは生じなかったが、35kPaで保持したとき、液漏れが認められた。
(Evaluation of liquid fuel barrier properties)
Using a liquid feed pump, an aqueous methanol solution having a methanol concentration of 12M or pure methanol (corresponding to a concentration of 24.7M) is supplied to the
また、メタノール濃度12Mのメタノール水溶液、純メタノールのどちらを供給した場合においても、液体燃料室41の内圧を20kPaで保持して連続発電させた際に流路内にはガスが留まることなく排出されていることを目視で確認した。電池出力も非常に安定していた。
In addition, regardless of whether a methanol aqueous solution having a methanol concentration of 12M or pure methanol is supplied, gas is discharged without remaining in the flow path when the internal pressure of the
一方、比較例1の燃料電池において、メタノール濃度12Mのメタノール水溶液を供給した際は電池温度がおよそ30℃となり、液体燃料室41の内圧を30kPaに保持しても液漏れは生じなかったが、35kPaで保持したとき、液漏れが認められた。純メタノールを供給した際は電池温度がおよそ50℃となり、液体燃料室41の内圧を15kPaに保持しても液漏れは生じなかったが、20kPaで保持したとき、液漏れが認められた。
On the other hand, in the fuel cell of Comparative Example 1, when a methanol aqueous solution having a methanol concentration of 12M was supplied, the cell temperature was approximately 30 ° C., and no liquid leakage occurred even when the internal pressure of the
また、メタノール濃度12Mのメタノール水溶液を供給し、液体燃料室41の内圧を20kPaで保持して連続発電させた場合に、流路内にガスが留まることなく排出されていることを目視で確認したが、純メタノールを供給し、液漏れが生じない最大内圧である15kPaで保持した場合に、流路内にはガス溜まりが散見され、排出されることなく残っていることを目視で確認した。ガス抜きが不十分な場合においては、ガス溜まりは徐々に成長し、やがて液体燃料の供給を妨げる要因となった。これにより、燃料供給が安定せず、電池出力が少しずつ低下していくことを確認した。
In addition, when a methanol aqueous solution having a methanol concentration of 12M was supplied and the internal pressure of the
1 気液分離層、2 第1介在層、2a 第1貫通口、3 第2介在層、3a 第2貫通口、3b 連通経路、3c,3d 接続経路、10 電解質膜、11 アノード極、12 カソード極、20 膜電極複合体、21 アノード集電層、22 カソード集電層、30 単位電池、40 流路板、41 液体燃料室、42 液体燃料室の端部、50 保護カバー、51 開口、60 封止層、65 ガス排出口、100 燃料電池。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas-liquid separation layer, 2 1st intervening layer, 2a 1st through-hole, 3nd 2nd intervening layer, 3a 2nd through-hole, 3b communication path, 3c, 3d connection path, 10 electrolyte membrane, 11 anode pole, 12 cathode Electrode, 20 Membrane electrode composite, 21 Anode current collecting layer, 22 Cathode current collecting layer, 30 Unit cell, 40 Channel plate, 41 Liquid fuel chamber, 42 End of liquid fuel chamber, 50 Protective cover, 51 Opening, 60 Sealing layer, 65 gas outlet, 100 fuel cell.
Claims (6)
前記アノード極側が開放された空間からなる液体燃料室であって、液状の燃料を流通させるか又は収容するための液体燃料室と、
前記液体燃料室と前記アノード極との間に配置され、気化した前記燃料を透過可能な気液分離層と、
前記気液分離層と前記アノード極との間に配置され、厚み方向に貫通する第1貫通口を有する第1介在層と、を含み、
前記気液分離層は、前記アノード極側が開放された空間の開口を覆うように配置されており、
前記気液分離層は、多孔質体からなり、
前記第1介在層は、前記気液分離層の表面に直接積層されており、
前記第1貫通口は、前記第1介在層における前記液体燃料室の直上の領域とは異なる領域に配置されている燃料電池。 A unit cell having an anode electrode, an electrolyte membrane and a cathode electrode in this order;
A liquid fuel chamber ing from the anode electrode side is open space, and the liquid fuel chamber for or accommodated circulating a liquid fuel,
A gas-liquid separation layer disposed between the liquid fuel chamber and the anode electrode and capable of transmitting the vaporized fuel;
A first intervening layer disposed between the gas-liquid separation layer and the anode electrode and having a first through-hole penetrating in the thickness direction;
The gas-liquid separation layer is disposed so as to cover the opening of the space where the anode electrode side is open,
The gas-liquid separation layer is made of a porous material,
The first intervening layer is directly laminated on the surface of the gas-liquid separation layer,
The first through hole is a fuel cell disposed in a region different from a region immediately above the liquid fuel chamber in the first intervening layer.
前記送液ポンプの吐出圧が20kPa以上である使用方法。 The method of using a fuel cell according to any one of claims 1 to 4 , wherein power generation is performed by supplying the fuel to the liquid fuel chamber using a liquid feed pump.
Use method wherein the discharge pressure of the liquid feed pump is 20 kPa or more.
発電の間、前記液体燃料室への前記燃料の供給を連続的に行う使用方法。 The method of using a fuel cell according to any one of claims 1 to 4 , wherein power generation is performed by supplying the fuel to the liquid fuel chamber using a liquid feed pump.
A method of use in which the fuel is continuously supplied to the liquid fuel chamber during power generation.
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