JPWO2006109645A1 - Solid oxide fuel cell and method of operating the same - Google Patents

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Abstract

固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面上に配されたカソードと、他方の面上に配されたアノードと、前記カソード及び前記アノード上に夫々配されたカソード集電体及びアノード集電体と、前記アノード集電体の上側に配置され、前記アノードへの液体燃料の供給を制御する燃料供給抑制膜と、前記燃料供給抑制膜の上側に配置され、前記燃料供給抑制膜へ液体燃料を供給する為の複数の孔を有する有孔板と、前記燃料供給抑制膜と前記有孔板との間に設けられた通気孔と、を具備するA solid polymer electrolyte membrane; a cathode disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane; an anode disposed on the other surface; and a cathode current collector disposed on each of the cathode and the anode And an anode current collector, a fuel supply suppression film disposed above the anode current collector and controlling supply of liquid fuel to the anode, and disposed above the fuel supply suppression film, the fuel supply A perforated plate having a plurality of holes for supplying liquid fuel to the suppression membrane, and a vent hole provided between the fuel supply suppression membrane and the perforated plate.

Description

本発明は、電解質膜として固体高分子電解質膜を用い、液体燃料を使用する固体電解質型燃料電池及びその運転方法に関する。   The present invention relates to a solid electrolyte type fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane and using liquid fuel, and an operation method thereof.

液体燃料を使用した固体電解質型燃料電池は、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 solid oxide fuel cells using liquid fuel are easily reduced in size and weight, research and development as power sources for various electronic devices such as portable devices are being actively promoted today.

固体電解質型燃料電池は、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る。直接型燃料電池では、供給された液体燃料がアノードに担持された触媒上で分解されて陽イオン、電子及び中間生成物を生成する。さらにこのタイプの燃料電池は、生成した陽イオンが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。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。

Figure 2006109645
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しかし、従来、アノードへのメタノールの供給量が水の供給量に比べて相対的に多くなると、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、(i)出力(電位)が下がってしまう、(ii)燃料の消費効率が悪くなってしまう、(iii)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。A solid 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 type of fuel cell that supplies liquid fuel directly to the anode is called a direct fuel cell. In the direct fuel cell, the supplied liquid fuel is decomposed on a catalyst supported on an anode to generate cations, electrons, and intermediate products. Furthermore, 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 formula 1 occurs at the anode, and the reaction represented by the following formula 2 occurs at the cathode. . As apparent from these formulas 1 and 2, in DMFC, 1 mol of methanol and 1 mol of water react theoretically at the anode to produce 1 mol of reaction product (carbon dioxide). At this time, since hydrogen ions and electrons are also generated, the theoretical concentration of methanol in the methanol aqueous solution as the fuel is about 70 vol% in volume%.
Figure 2006109645
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However, conventionally, when the supply amount of methanol to the anode is relatively larger than the supply amount of water, methanol permeates the solid polymer electrolyte membrane without contributing to the reaction represented by the above formula 1. It is known that “crossover” occurs and power generation capacity and power generation are reduced. When the crossover increases, (i) the output (potential) decreases, (ii) the fuel consumption efficiency deteriorates, (iii) the heat generation amount increases and the temperature of the MEA increases, so the fuel temperature increases. The temperature rises more than necessary, and the crossover is further accelerated, thereby causing a problem such as causing a further temperature rise.

上記のクロスオーバーは、水に対するメタノールのモル比が1を超えるメタノール水溶液(約70vol%以上の高濃度メタノール水溶液)を用いたときに主に生じるが、同様の問題は高濃度メタノールを用いたときのみならず、メタノール濃度が例えば10vol%未満の低濃度メタノール水溶液を用いたときにも生じる。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、固体電解質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電解質型燃料電池を得るためには、高濃度メタノール水溶液のように原燃料の濃度が高い液体燃料をクロスオーバーを抑制して用いることが望まれる。   The above crossover mainly occurs when using a methanol aqueous solution (methanol aqueous solution having a high concentration of about 70 vol% or more) in which the molar ratio of methanol to water exceeds 1, but the same problem occurs when using high concentration methanol. Not only that, but also when a low-concentration methanol aqueous solution having a methanol concentration of, for example, less than 10 vol% is used. Although it is easy to reduce crossover by using a low-concentration methanol aqueous solution, when such a low-concentration methanol aqueous solution is used as a liquid fuel, the amount of power generation per unit mass of the liquid fuel is reduced. The problem arises that the energy density of the fuel cell cannot be increased. Therefore, in order to obtain a solid oxide fuel cell having a high energy density, it is desired to use a liquid fuel having a high concentration of raw fuel, such as a high-concentration methanol aqueous solution, while suppressing crossover.

クロスオーバーを抑制するためのDMFC技術として、例えば特開2000−106201号公報(文献1)には、アノードに積層され、気化された燃料を供給する燃料気化層と、その燃料気化層に積層され、供給された液体燃料を前記燃料気化層に供給する燃料浸透層とを備えた燃料電池が開示されている。この特許文献1の記載によれば、「このように燃料を気化して供給することで、燃料気化層内の気体燃料はほぼ飽和状態に保たれるので、電池反応による燃料気化層中の気体燃料の消費分だけ燃料浸透層から液体燃料が気化し、さらに気化分だけ液体燃料が毛管力によってセル内に導入される。このように、燃料供給量は燃料消費量に連動しているため、未反応で電池の外に排出される燃料は殆ど無く、従来の液体燃料電池のように、燃料出口側の処理系を必要としない。」との効果がうたわれている。   As a DMFC technique for suppressing crossover, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-106201 (Reference 1) includes a fuel vaporization layer that is laminated on an anode and supplies vaporized fuel, and a fuel vaporization layer that is laminated on the fuel vaporization layer. And a fuel permeation layer for supplying the supplied liquid fuel to the fuel vaporization layer. According to the description in Patent Document 1, “gas fuel in the fuel vaporization layer is maintained in a substantially saturated state by vaporizing and supplying the fuel in this way, so that the gas in the fuel vaporization layer by the cell reaction is maintained. Liquid fuel is vaporized from the fuel permeation layer for the amount of fuel consumed, and liquid fuel is further introduced into the cell by capillary force for the amount of vaporization, thus, the fuel supply amount is linked to the fuel consumption amount, There is almost no unreacted fuel discharged outside the cell, and unlike the conventional liquid fuel cell, there is no need for a processing system on the fuel outlet side. ”

つまり、図1で示したように、液体燃料を毛管力で電池内に導入するための燃料浸透層106と、アノード102と燃料浸透層106との間に配置され、電池内に導入された液体燃料を気化させて燃料を気体の形でアノードに供給するための燃料気化層107とが積層される。燃料浸透層106、燃料気化層107及び起電部104をセパレ一タ105を介して複数積層することにより、電池本体となるスタック109が構成される。液体燃料導入路110内に導入された液体燃料は、スタック109の側面から毛管力で燃料浸透層106に供給され、さらに燃料気化層107で気化されてアノード102に供給される。セパレータ105、燃料浸透層106及び燃料気化層107は、発生した電子を伝導する集電板の機能も果たすため、例えば燃料浸透層106はカーボン導電性材料により形成される。   That is, as shown in FIG. 1, the liquid permeation layer 106 for introducing liquid fuel into the cell by capillary force, the anode 102 and the fuel permeation layer 106, and the liquid introduced into the cell A fuel vaporization layer 107 for vaporizing the fuel and supplying the fuel to the anode in the form of a gas is laminated. By stacking a plurality of the fuel permeation layer 106, the fuel vaporization layer 107, and the electromotive unit 104 via the separator 105, a stack 109 serving as a battery body is formed. The liquid fuel introduced into the liquid fuel introduction path 110 is supplied from the side surface of the stack 109 to the fuel permeation layer 106 by capillary force, further vaporized by the fuel vaporization layer 107, and supplied to the anode 102. Since the separator 105, the fuel permeation layer 106, and the fuel vaporization layer 107 also function as a current collecting plate that conducts the generated electrons, for example, the fuel permeation layer 106 is formed of a carbon conductive material.

この例では、燃料としてはメタノールと水の1:1(モル比)混合液を用い、燃料貯蔵タンクから液体燃料導入路110への液体燃料の供給は、タンクを発電部の上方に設けることによる自然落下や、タンク内の内圧等で液体燃料を押し出すような構成としてもよいし、また液体燃料導入路110の毛細管力で燃料を引き出すような構成とすることもできるとしている。   In this example, a 1: 1 mixture (molar ratio) of methanol and water is used as the fuel, and the liquid fuel is supplied from the fuel storage tank to the liquid fuel introduction path 110 by providing the tank above the power generation unit. The liquid fuel may be pushed out by a natural drop, an internal pressure in the tank, or the like, or the fuel may be drawn out by the capillary force of the liquid fuel introduction path 110.

文献1に開示されている構成について更なる検討を行ったところ、本発明者らは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。   Upon further study of the configuration disclosed in Document 1, the present inventors have found that the following problems exist and stable power generation cannot be performed as it is.

つまり、文献1における構成では、メタノールと水の1:1(モル比)混合液を用い、タンク内の内圧等で液体燃料を燃料気化層107に供給することができるとしているが、本発明者らは特許文献1の構成では、発電動作中に発生した生成物によって安定した燃料供給ができなくなることを見出した。つまり、アノードでは上記式1の反応が起こって二酸化炭素が発生するが、発生した二酸化炭素によってアノード側の内圧が高まり、燃料気化層からの燃料の供給が妨げられてしまうのである。   That is, in the configuration in Document 1, a 1: 1 mixture (molar ratio) of methanol and water is used, and liquid fuel can be supplied to the fuel vaporization layer 107 by an internal pressure or the like in the tank. Et al. Found that in the configuration of Patent Document 1, a stable fuel supply cannot be achieved by a product generated during a power generation operation. In other words, the reaction of the above formula 1 occurs in the anode and carbon dioxide is generated. However, the generated carbon dioxide increases the internal pressure on the anode side and prevents the supply of fuel from the fuel vaporization layer.

さらに、文献1における構成では、燃料としてメタノールと水の1:1(モル比)混合液以上に高濃度メタノール溶液を燃料として用いることが不可能であることもわかった。すなわち、メタノールの気化供給量が必要量である水と比較して多いために、上記式1のアノード反応が円滑に行われないのである。   Furthermore, in the structure in literature 1, it turned out that it is impossible to use a high concentration methanol solution as a fuel more than 1: 1 (molar ratio) liquid mixture of methanol and water as a fuel. That is, since the amount of methanol vaporized and supplied is larger than the required amount of water, the anode reaction of Formula 1 is not performed smoothly.

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、クロスオーバーの抑制に有利である気化供給よりなるDMFCにおいて、より高濃度の燃料を用いた発電を可能とした固体電解質型燃料電池を提供することにある。また、本発明の他の目的は、そうした固体電解質型燃料電池の効率の良い運転方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object thereof is to enable power generation using a higher concentration fuel in a DMFC comprising vaporization supply, which is advantageous for suppressing crossover. The object is to provide a solid oxide fuel cell. Another object of the present invention is to provide an efficient operation method of such a solid oxide fuel cell.

本発明に係る固体電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面上に配されたカソードと、他方の面上に配されたアノードと、前記カソード及び前記アノード上に夫々配されたカソード集電体及びアノード集電体と、前記アノード集電体の上側に配置され、前記アノードへの液体燃料の供給を制御する燃料供給抑制膜と、前記燃料供給抑制膜の上側に配置され、前記燃料供給抑制膜へ液体燃料を供給する為の複数の孔を有する有孔板と、前記燃料供給抑制膜と前記有孔板との間に設けられた通気孔と、を具備する。   A solid oxide fuel cell according to the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane, a cathode disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, an anode disposed on the other surface, the cathode, A cathode current collector and an anode current collector respectively disposed on the anode; a fuel supply suppression film disposed on the anode current collector for controlling supply of liquid fuel to the anode; and the fuel supply A perforated plate disposed above the suppression membrane and having a plurality of holes for supplying liquid fuel to the fuel supply suppression membrane, and a vent hole provided between the fuel supply suppression membrane and the perforated plate And.

この発明によれば、アノード集電体上にそのアノード集電体と有孔板との間に配された燃料供給抑制膜を有するので、この燃料供給制御膜はアノードへの燃料透過量を抑制するように作用し、アノードに最適な量の燃料を供給することができる。さらに、この発明によれば、固体高分子電解質膜とアノード集電体との間に外部との通気孔が設けられているので、その通気孔から発電中に発生した二酸化炭素を外部に排出することができる。二酸化炭素の排出が有効に行われることにより、内圧の上昇が生じないので、燃料供給抑制膜からアノードへの燃料供給が妨げられるのを防ぐことができる。加えて、この通気孔は、アノードに酸素を取り込むことができるので、取り込まれた酸素がアノードに担持した触媒と反応してアノード内に事前に水を蓄えることができる。この水の存在により、液体燃料として100%メタノール溶液を用いても発電が可能になるという顕著な効果を奏する。   According to the present invention, since the fuel supply control film is disposed on the anode current collector between the anode current collector and the perforated plate, the fuel supply control film suppresses the fuel permeation amount to the anode. The optimal amount of fuel can be supplied to the anode. Furthermore, according to the present invention, since the vent hole is provided between the solid polymer electrolyte membrane and the anode current collector, carbon dioxide generated during power generation is discharged from the vent hole to the outside. be able to. By effectively discharging carbon dioxide, the internal pressure does not increase, so that the fuel supply from the fuel supply suppression membrane to the anode can be prevented from being hindered. In addition, since the oxygen can be taken into the anode, the vent can react with the catalyst carried on the anode and store water in the anode in advance. Due to the presence of this water, there is a remarkable effect that power generation is possible even when a 100% methanol solution is used as the liquid fuel.

上記の固体電解質型燃料電池において、更に、シール機能を有し、前記固体高分子電解質膜と前記アノード集電体との間に設けられたスペーサー、を具備し、前記通気孔は、前記スペーサーに設けられていることが望ましい。   The solid electrolyte fuel cell may further include a spacer having a sealing function and provided between the solid polymer electrolyte membrane and the anode current collector, and the air hole is formed in the spacer. It is desirable to be provided.

通気孔を固体高分子電解質膜とアノード集電体との間に設けられたスペーサーに設けるのが構造上便利である。   In terms of structure, it is convenient to provide the vent hole in a spacer provided between the solid polymer electrolyte membrane and the anode current collector.

上記の固体電解質型燃料電池は、更に、前記カソード集電体上に設けられた蒸発抑制層を具備することが好ましい。   The solid oxide fuel cell preferably further includes an evaporation suppression layer provided on the cathode current collector.

この発明によれば、カソード集電体上に蒸発抑制層が設けられているので、カソードで発生した水の蒸発を防ぐことができる。なお、蒸発が抑制された水はアノード側に逆拡散して、100%メタノール溶液と発電反応を生じさせることができる。   According to this invention, since the evaporation suppression layer is provided on the cathode current collector, it is possible to prevent evaporation of water generated at the cathode. The water whose evaporation is suppressed can be back-diffused to the anode side to generate a power generation reaction with the 100% methanol solution.

上記の固体電解質型燃料電池では、前記燃料供給抑制膜と前記アノードとの間に空隙を有していることが好ましい。また、前記通気孔は、前記空隙と外部とを連通させるように設けられていることが好ましい。   In the above solid oxide fuel cell, it is preferable that a gap is provided between the fuel supply suppressing membrane and the anode. Moreover, it is preferable that the said vent hole is provided so that the said space | gap and the exterior may be connected.

この発明によれば、燃料供給抑制膜とアノードとの間に空隙を有するので、通気孔からの酸素がアノード全体に供給されて効率よく水を生成することができる。また、MEA(電極−電解質膜接合体)で発生した熱が燃料タンク側に伝わりにくくなるので、燃料の温度上昇を防ぐ効果も得られる。   According to the present invention, since there is a gap between the fuel supply suppression membrane and the anode, oxygen from the vent is supplied to the entire anode, and water can be efficiently generated. In addition, since heat generated in the MEA (electrode-electrolyte membrane assembly) is hardly transmitted to the fuel tank side, an effect of preventing an increase in fuel temperature can be obtained.

上記の固体電解質型燃料電池において、前記燃料供給抑制膜は、前記有孔板と前記アノード集電体とによって挟まれて固定されていることが望ましい。   In the above-described solid oxide fuel cell, it is desirable that the fuel supply suppression membrane is sandwiched and fixed between the perforated plate and the anode current collector.

上記の固体電解質型燃料電池において、前記液体燃料は、メタノールと水を含み、メタノールのモル数(Mm)と水のモル数(Mw)の比率がMm/Mw>1であることが好ましい。   In the above solid oxide fuel cell, the liquid fuel preferably contains methanol and water, and the ratio of the number of moles of methanol (Mm) to the number of moles of water (Mw) is preferably Mm / Mw> 1.

メタノールのモル数(Mm)と水のモル数(Mw)の比率がMm/Mw>1の液体燃料を継続的に使用できるのは以下の理由による。すなわち、100%メタノールを用いて発電を継続していくと初期の生成水が消費されるが、依然として安定した発電を行うことが確認された。これは、カソードの発電反応によって生成した水がアノード側に逆拡散してくることにより、燃料として水が供給されなくてもアノード反応に必要となる水が十分供給されるためと考えられる。   The reason why the liquid fuel in which the ratio of the number of moles of methanol (Mm) to the number of moles of water (Mw) is Mm / Mw> 1 can be continuously used is as follows. That is, when power generation was continued using 100% methanol, the initial generated water was consumed, but it was confirmed that stable power generation was still possible. This is presumably because water generated by the power generation reaction of the cathode is diffused back to the anode side, so that water necessary for the anode reaction is sufficiently supplied even if water is not supplied as fuel.

本発明に係る固体電解質型燃料電池は、上記の固体電解質型燃料電池の運転方法である。初期状態若しくは休止状態にある燃料電池に酸化剤を供給するステップと、燃料供給を開始するステップと、セル電位が所定電位に達した後に外部負荷へ通電を開始するステップと、を具備する。   A solid oxide fuel cell according to the present invention is a method for operating the above solid oxide fuel cell. A step of supplying an oxidant to the fuel cell in an initial state or a resting state, a step of starting fuel supply, and a step of starting energization to an external load after the cell potential reaches a predetermined potential.

この発明によれば、初期状態若しくは休止状態から動作させる際に、まず通電せずに酸化剤と燃料とを供給することでアノードで十分に水を生成させる。その後に通電し発電を開始するステップを経ることにより、例えば100%メタノールのような理論値を超える高濃度の液体燃料を供給しても、安定した発電を継続させることができる。   According to the present invention, when operating from the initial state or the resting state, water is sufficiently generated at the anode by supplying the oxidant and the fuel without first energizing. After passing the step of energizing and starting power generation thereafter, stable power generation can be continued even when a high-concentration liquid fuel exceeding the theoretical value, such as 100% methanol, is supplied.

本発明の固体電解質型燃料電池によれば、燃料供給制御膜がアノードへの燃料透過量を抑制するように作用するので、アノードに最適な量の燃料を供給することができ、安定した発電を継続することができる。さらに、通気孔が、発電中に発生した二酸化炭素を外部に排出するように作用するので、二酸化炭素の排出が有効に行われる。これにより、内圧の上昇を防いで燃料供給抑制膜からアノードへの燃料供給を安定させることができる。また、この通気孔は、アノードに酸素を取り込むことができるので、取り込まれた酸素がアノードに担持した触媒と反応してアノード内に事前に水を蓄えることができる。本発明の固体電解質型燃料電池は、この水の存在により、液体燃料として100%メタノール溶液を用いても発電が可能になるという顕著な効果を奏する。   According to the solid oxide fuel cell of the present invention, the fuel supply control membrane acts so as to suppress the fuel permeation amount to the anode, so that an optimal amount of fuel can be supplied to the anode and stable power generation can be achieved. Can continue. Further, since the vent hole acts to discharge the carbon dioxide generated during power generation to the outside, the carbon dioxide is effectively discharged. Accordingly, it is possible to stabilize the fuel supply from the fuel supply suppression film to the anode while preventing an increase in internal pressure. Moreover, since this ventilation hole can take in oxygen to an anode, the taken-in oxygen reacts with the catalyst carry | supported by the anode, and can store water in an anode beforehand. The presence of this water in the solid oxide fuel cell of the present invention has a remarkable effect that power generation is possible even when a 100% methanol solution is used as the liquid fuel.

従来の気化供給型DMFCの一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the conventional vaporization supply type DMFC. 本発明の固体電解質型燃料電池のセル構造の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the cell structure of the solid oxide fuel cell of this invention. MEAから有孔板までの構成配列を示す模式斜視図である。It is a model perspective view which shows the structure arrangement | sequence from MEA to a perforated board. 固体高分子電解質膜とアノード集電体との間に設けられた通気孔の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of the air vent provided between the solid polymer electrolyte membrane and the anode electrical power collector. 固体高分子電解質膜とアノード集電体との間に設けられた通気孔の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of the air vent provided between the solid polymer electrolyte membrane and the anode electrical power collector. 固体高分子電解質膜とアノード集電体との間に設けられた通気孔の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of the air vent provided between the solid polymer electrolyte membrane and the anode electrical power collector. 実施例で用いた燃料供給抑制膜のメタノール透過速度に対する膜厚依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the film thickness dependence with respect to the methanol transmission rate of the fuel supply suppression film | membrane used in the Example. 本発明のDMFC構造によって10時間発電したときの電位−時間変化を示したグラフである。It is the graph which showed the electric potential-time change when it generate | occur | produces electricity for 10 hours by DMFC structure of this invention. 実施例1の固体電解質型燃料電池を構成するスペーサーを示す平面図である。1 is a plan view showing a spacer that constitutes a solid oxide fuel cell of Example 1. FIG. 実施例1の固体電解質型燃料電池を構成する有孔板を示す平面図である。2 is a plan view showing a perforated plate constituting the solid oxide fuel cell of Example 1. FIG.

以下、本発明の固体電解質型燃料電池及びその運転方法について図面を参照しつつ説明する。図2は、本発明の固体電解質型燃料電池のセル構造の一例を示す模式断面図であり、図3は、MEAから有孔板までの構成配列の概略を示す模式斜視図である。また、図4A〜Cは、固体高分子電解質膜とアノード集電体との間に設けられた通気孔の形態を示す模式図である。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, a solid oxide fuel cell and an operation method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the cell structure of the solid oxide fuel cell of the present invention, and FIG. 3 is a schematic perspective view showing an outline of the arrangement from the MEA to the perforated plate. 4A to 4C are schematic views showing the form of a vent hole provided between the solid polymer electrolyte membrane and the anode current collector. The present invention is not limited to these drawings and the embodiments described below.

(固体電解質型燃料電池)
本発明の固体電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜11と、固体高分子電解質膜11の一方の面上にその面に接して配されたカソード12と、他方の面上にその面に接して配されたアノード13と、カソード12及びアノード13上にそれぞれに接して配されたカソード集電体14及びアノード集電体15とを少なくとも有し、液体燃料が供給されるセル構造10(以下、単に「セル」又は「セル構造」という。)を有する固体電解質型燃料電池である。
(Solid electrolyte fuel cell)
The solid oxide fuel cell of the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane 11, a cathode 12 disposed on and in contact with one surface of the solid polymer electrolyte membrane 11, and a surface on the other surface. A cell structure 10 (at least a cathode structure and a cathode current collector 14 and an anode current collector 15 disposed on and in contact with the anode 12 and the anode 13, respectively, and supplied with liquid fuel. Hereinafter, it is a solid oxide fuel cell having simply “cell” or “cell structure”.

固体高分子電解質膜11、カソード12及びアノード13は、MEA(電極−電解質膜接合体;Membrane and Electrode Assembly)を構成している。そのMEAの上下面には、カソード集電体14とアノード集電体15がスペーサー21,22をそれぞれ挟んで圧着されている。固体高分子電解質膜11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。この固体高分子電解質膜11を両面から挟むカソード12とアノード13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12とアノード13を、触媒ペースト層側が固体高分子電解質膜11側になるように配置して圧着することにより、MEAが作製される。なお、図2には、MEAを構成するものとして固体高分子電解質膜11、カソード12及びアノード13を符号を付して示しているが、カソード12とアノード13については、固体高分子電解質膜11側にある層が上記触媒ペースト層(符号なし)を表しており、固体高分子電解質膜11から離れる側にある層が上記多孔質基材(符号なし)を表している。   The solid polymer electrolyte membrane 11, the cathode 12 and the anode 13 constitute an MEA (electrode-electrolyte membrane assembly; Membrane and Electrode Assembly). A cathode current collector 14 and an anode current collector 15 are pressure-bonded to the upper and lower surfaces of the MEA with spacers 21 and 22 interposed therebetween, respectively. The solid polymer electrolyte membrane 11 is not particularly limited, but commercially available ones used in the examples described later can also be used. Both the cathode 12 and the anode 13 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 11 from both sides are produced by applying a catalyst paste containing carbon particles carrying a catalyst onto, for example, a carbon paper that is a porous substrate. The The produced cathode 12 and anode 13 are disposed and pressure-bonded so that the catalyst paste layer side is on the solid polymer electrolyte membrane 11 side, thereby producing an MEA. In FIG. 2, the solid polymer electrolyte membrane 11, the cathode 12, and the anode 13 are denoted by reference numerals as constituting the MEA, but the solid polymer electrolyte membrane 11 is shown for the cathode 12 and the anode 13. The layer on the side represents the catalyst paste layer (no symbol), and the layer on the side away from the solid polymer electrolyte membrane 11 represents the porous substrate (no symbol).

本発明の最大の特徴は、アノード集電体15上に、アノード集電体15と有孔板16との間に配された燃料供給抑制膜17を有することと、固体高分子電解質膜11とアノード集電体15との間に通気孔31(図4A〜Cを参照)が設けられていることにある。   The greatest feature of the present invention is that the anode current collector 15 has a fuel supply suppressing film 17 disposed between the anode current collector 15 and the perforated plate 16, and the solid polymer electrolyte membrane 11. A vent hole 31 (see FIGS. 4A to 4C) is provided between the anode current collector 15 and the anode current collector 15.

本発明の固体電解質型燃料電池には、アノード集電体15と有孔板16との間に燃料供給抑制膜17が設けられている。この燃料供給抑制膜17は、燃料を気化しその供給を制御する制御膜であり、アノード13への燃料透過量を抑制するように作用する。その結果、アノード13に最適な量の燃料を供給することができ、安定した発電を継続することができる。なお、この燃料供給抑制膜17には、燃料タンク18から有孔板16を経て燃料が供給される。   In the solid oxide fuel cell of the present invention, a fuel supply suppressing film 17 is provided between the anode current collector 15 and the perforated plate 16. The fuel supply suppression film 17 is a control film that vaporizes the fuel and controls the supply thereof, and acts to suppress the fuel permeation amount to the anode 13. As a result, an optimal amount of fuel can be supplied to the anode 13, and stable power generation can be continued. The fuel is supplied from the fuel tank 18 through the perforated plate 16 to the fuel supply suppressing film 17.

燃料供給抑制膜17は、燃料を妨げることなくアノード14に供給するための開口部を有したアノード集電体15と、パンチングシート等の有孔板16とにより挟まれて固定されている。そのため、従来のようにウィッキング材等と呼ばれる燃料保持層によって加圧固定する必要がなく、また、燃料濃度によってその厚さを設定することにより、その燃料供給抑制膜17を透過するメタノール透過速度を調整し、容易に最適なメタノール量を供給することができる。   The fuel supply suppression film 17 is sandwiched and fixed by an anode current collector 15 having an opening for supplying fuel to the anode 14 without interfering with fuel and a perforated plate 16 such as a punching sheet. Therefore, it is not necessary to press and fix by a fuel holding layer called a wicking material or the like as in the prior art, and the methanol permeation rate that permeates the fuel supply suppression membrane 17 by setting the thickness according to the fuel concentration. The optimum amount of methanol can be easily supplied.

燃料供給抑制膜17としては、電解質膜(スチレンジビニルベンゼン系膜)が用いられる。さらに使用する燃料濃度に応じてその膜厚が設定されて用いられる。なお、このスチレンジビニルベンゼン系膜とは、スチレンジビニルベンゼン共重合体をスルホン化処理したものである。燃料供給抑制膜17への燃料供給量は、MEA(電極−電解質膜接合体)におけるメタノールの消費量と同程度以上である必要があり、燃料供給抑制膜17におけるメタノール透過速度と開口面積によって決定される。開口面積は、燃料供給抑制膜17を例えば2枚の有孔板16で挟持することで容易に制御することもできる。   As the fuel supply suppression film 17, an electrolyte film (styrene divinylbenzene film) is used. Further, the film thickness is set according to the fuel concentration to be used. The styrene divinyl benzene film is a styrene divinyl benzene copolymer that has been sulfonated. The amount of fuel supplied to the fuel supply suppression membrane 17 needs to be equal to or greater than the amount of methanol consumed in the MEA (electrode-electrolyte membrane assembly), and is determined by the methanol permeation rate and the opening area of the fuel supply suppression membrane 17. Is done. The opening area can be easily controlled by sandwiching the fuel supply suppression membrane 17 between, for example, two perforated plates 16.

有孔板16は、燃料供給抑制膜17よりも燃料タンク18側に設けられている。有孔板16は、燃料供給抑制膜17に燃料溶液を供給するための複数の孔を有するものである。この有孔板16は、上記のように、必要に応じて燃料供給抑制膜17を挟むように設けてもよい。この有孔板16は、アノード集電体15と共に、燃料供給抑制膜17の膨潤やアノードにおけるガスの発生による内圧の上昇等によって膜が大きく変形するのを防いだり、無理な応力がかかるのを防いだりするように作用する。有孔板16の材質としては、メタノール耐性を有し、ある程度の硬さを持つものであればよく、例えばSUS等が用いられる。有孔板を用いることで燃料供給抑制膜17とアノード13との間に空隙27を有するような構造にすることができる。これにより、MEA(電極−電解質膜接合体)の発熱が燃料タンク18側に伝わり難くなり、燃料温度の上昇を抑えることができ、安定した発電が可能になる。   The perforated plate 16 is provided closer to the fuel tank 18 than the fuel supply suppressing film 17. The perforated plate 16 has a plurality of holes for supplying the fuel solution to the fuel supply suppressing film 17. As described above, the perforated plate 16 may be provided so as to sandwich the fuel supply suppressing film 17 as necessary. The perforated plate 16, together with the anode current collector 15, prevents the membrane from being greatly deformed due to swelling of the fuel supply restraining membrane 17 or an increase in internal pressure due to generation of gas at the anode, and prevents excessive stress from being applied. It works to prevent. The material of the perforated plate 16 may be any material as long as it has methanol resistance and a certain degree of hardness. For example, SUS or the like is used. By using a perforated plate, a structure in which a gap 27 is provided between the fuel supply suppressing film 17 and the anode 13 can be obtained. As a result, the heat generated by the MEA (electrode-electrolyte membrane assembly) is not easily transmitted to the fuel tank 18 side, an increase in fuel temperature can be suppressed, and stable power generation is possible.

本発明の固体電解質型燃料電池には、セル構造10の各部にシール機能を有するスペーサーが複数設けられている。例えば、図2及び図3に示すように、(i)固体高分子電解質膜11とカソード集電体14との間には、カソード12の厚さとほぼ同じ厚さからなるスペーサー21がセル構造10の周縁に設けられており、(ii)固体高分子電解質膜11とアノード集電体15との間には、アノード13の厚さとほぼ同じ厚さからなるスペーサー22がセル構造10の周縁に設けられており、(iii)アノード集電体15と燃料供給抑制膜17との間には、シール機能を有するスペーサー23がセル構造10の周縁に設けられており、(iv)燃料供給抑制膜17と有孔板16との間には、シール機能を有するスペーサー24がセル構造10の周縁に設けられており、(v)有孔板16と例えばPP等のプラスチック素材からなる燃料タンク18との間には、シール機能を有するスペーサー25がセル構造10の周縁に設けられている。なお、これらの各スペーサーは、通常はシール機能を有するシリコンゴムやプラスチック等で形成されている。   In the solid oxide fuel cell of the present invention, a plurality of spacers having a sealing function are provided in each part of the cell structure 10. For example, as shown in FIGS. 2 and 3, (i) a spacer 21 having a thickness substantially the same as the thickness of the cathode 12 is provided between the solid polymer electrolyte membrane 11 and the cathode current collector 14. (Ii) Between the solid polymer electrolyte membrane 11 and the anode current collector 15, a spacer 22 having substantially the same thickness as the anode 13 is provided on the periphery of the cell structure 10. (Iii) A spacer 23 having a sealing function is provided on the periphery of the cell structure 10 between the anode current collector 15 and the fuel supply suppressing film 17, and (iv) the fuel supply suppressing film 17. A spacer 24 having a sealing function is provided on the periphery of the cell structure 10 between the perforated plate 16 and the perforated plate 16, and (v) the perforated plate 16 and the fuel tank 18 made of a plastic material such as PP, for example. In between, it has a seal function. A pacer 25 is provided on the periphery of the cell structure 10. Each of these spacers is usually formed of silicon rubber or plastic having a sealing function.

本発明においては、固体高分子電解質膜11とアノード集電体15との間に通気孔が設けられていることに特徴を有するものである。通気孔は、外部に連通している。通気孔は、固体高分子電解質膜11とアノード集電体15との間であればどのような形態で設けられていても本発明の効果を奏することができるが、具体的には、固体高分子電解質膜11とアノード集電体15との間に設けられたスペーサー22に、本発明の特徴的な構成である通気孔31を設けることが好ましい。通気孔31がスペーサー22に設けられていることにより、アノード13の触媒ペースト層内で発電中に発生した二酸化炭素は、直接に又は一度空隙27に出た後に、その触媒ペースト層を保持する多孔質基材内を通過し、アノード13の周縁に配置されたスペーサー22が有する通気孔31から排出される。本発明においては、この通気孔31により、二酸化炭素の排出が有効に行われることになるので、セル内の内圧の上昇を防ぐことができ、燃料供給抑制膜17からアノード13への燃料供給が妨げられるのを防ぐことができる。加えて、この通気孔31は、外部からアノード13に酸素を取り込むこともできる。取り込まれた酸素と供給された燃料とがアノード13に担持した触媒上で下記式3のように反応してアノード内に事前に水を蓄えることができる。本発明者らの実験によれば、液体燃料として100%メタノール溶液を用いても発電ができることが確認された。

Figure 2006109645
The present invention is characterized in that a vent hole is provided between the solid polymer electrolyte membrane 11 and the anode current collector 15. The vent hole communicates with the outside. Although the air hole can be provided in any form as long as it is provided between the solid polymer electrolyte membrane 11 and the anode current collector 15, the effect of the present invention can be obtained. The spacer 22 provided between the molecular electrolyte membrane 11 and the anode current collector 15 is preferably provided with a vent hole 31 which is a characteristic configuration of the present invention. By providing the air holes 31 in the spacer 22, carbon dioxide generated during power generation in the catalyst paste layer of the anode 13 is porous to hold the catalyst paste layer directly or once after exiting the gap 27. It passes through the porous substrate and is discharged from the vent hole 31 of the spacer 22 arranged on the periphery of the anode 13. In the present invention, the vent hole 31 effectively discharges carbon dioxide, so that an increase in internal pressure in the cell can be prevented, and fuel supply from the fuel supply suppression film 17 to the anode 13 can be prevented. It can be prevented from being disturbed. In addition, the vent hole 31 can also take oxygen into the anode 13 from the outside. The taken-in oxygen and the supplied fuel react on the catalyst carried on the anode 13 as shown in the following formula 3, and water can be stored in the anode in advance. According to the experiments by the present inventors, it was confirmed that power generation was possible even when a 100% methanol solution was used as the liquid fuel.
Figure 2006109645

100%メタノール溶液を用いて発電を継続していくと、初期の生成水は消費されるが、依然として安定した発電を行うことが本発明者らの実験によって確認された。これは、カソードの発電反応によって生成した水がアノード側に逆拡散し、燃料として水が供給されなくてもアノード反応に必要となる水が十分供給されるためと考えられる。逆拡散する水は固体高分子電解質膜をも湿潤させるため、プロトン伝導性の低下を防ぎ、安定運転に寄与することができる。   When power generation is continued using a 100% methanol solution, the initial generated water is consumed, but it has been confirmed by experiments by the present inventors that stable power generation is still possible. This is presumably because the water generated by the power generation reaction of the cathode is diffused back to the anode side, and sufficient water necessary for the anode reaction is supplied even if water is not supplied as fuel. Since the reverse diffusing water also wets the solid polymer electrolyte membrane, it can prevent a decrease in proton conductivity and contribute to stable operation.

本発明者らがこのような新たな発電メカニズムを見出したことによって、液体燃料としてメタノールを含み、メタノールのモル数(Mm)と水のモル数(Mw)の比率がMm/Mw>1であるものを好適に用いることが可能となる。特に、上記のように、水を含まない100%メタノール溶液を用いても発電を起こし、またその発電を継続させることができる。通気孔31は、アノードで初期に必要となる水を生成させる酸素が供給され、かつ発生した副生成物(二酸化炭素)が効率的に除去できる位置に設けることが好ましい。例えば図4A〜Cに示すように、アノード集電体15と固体高分子電解質膜11との間に設けられたスペーサー22を断片化する等して設けてもよいし(A)、スペーサー22が凹凸となるように矩形状の切り込みを入れて設けてもよいし(B)、スペーサー22内を横断する貫通孔を設けた形態(C)であってもよく、同様な作用を奏する構造でれば特に限定されない。通気孔31を形成するスペーサー22の材質としては、シリコンゴムやプラスチック等を挙げることができる。なお、図4A〜Cにおいては、対向する2辺のみに通気孔31を形成した例を示しているが、4辺全てに通気孔31を設けたものであっても構わない。
なお、運転を行う前の初期状態又は運転を止めた休止状態における保管時に、アノード内での酸素と水の反応が起らないようにするために、通気孔31を開閉できる構造とすることが好ましい。また、同様の保管時に、燃料供給抑制膜17にメタノールが透過しないように、シャッター機構を設けたり、少なくとも燃料流路内を空にしたりする等の処置を行なうことが好ましい。
As a result of the discovery of such a new power generation mechanism by the present inventors, the liquid fuel contains methanol, and the ratio of the number of moles of methanol (Mm) to the number of moles of water (Mw) is Mm / Mw> 1. A thing can be used suitably. In particular, as described above, even when a 100% methanol solution containing no water is used, power generation can be caused and the power generation can be continued. The vent hole 31 is preferably provided at a position where oxygen for generating water that is initially required at the anode is supplied and the generated by-product (carbon dioxide) can be efficiently removed. For example, as shown in FIGS. 4A to 4C, the spacer 22 provided between the anode current collector 15 and the solid polymer electrolyte membrane 11 may be provided by fragmentation or the like (A). A rectangular cut may be provided so as to be uneven (B), or a form (C) in which a through-hole traversing the inside of the spacer 22 is provided, and a structure that exhibits the same function can be used. If it does not specifically limit. Examples of the material of the spacer 22 that forms the vent hole 31 include silicon rubber and plastic. 4A to 4C show an example in which the vent holes 31 are formed only on the two opposite sides, the vent holes 31 may be provided on all four sides.
In order to prevent a reaction between oxygen and water in the anode during storage in an initial state before operation or in a rest state where operation is stopped, a structure in which the vent hole 31 can be opened and closed is adopted. preferable. Further, during storage, it is preferable to take measures such as providing a shutter mechanism or at least emptying the fuel flow path so that methanol does not permeate the fuel supply suppression film 17.

また、従来、DMFCでは、カソード側において生成した水による漏水が問題となることが知られているが、本発明においては、カソード側で発生した水はアノード側に逆拡散することが望ましいため、カソード12における水の蒸発を防ぐ必要がある。そのため、カソード集電体14上に蒸発抑制層19を設けることが好ましい。
蒸発抑制層19による保湿方法としては、例えば、(i)親水性材料からなる蒸発抑制層をカソードに直接貼り付けて保湿する方法、(ii)撥水性材料からなる蒸発抑制層でカソードを閉空間にして保湿する方法、(iii)上記(i)と(ii)とを組み合わせで保湿する方法、等を挙げることができる。上記(i)の方法に適した蒸発抑制層19の材質としては、繊維マット、親水性セルロース繊維、ガラス繊維等を挙げることができ、また、上記(ii)の方法に適した蒸発抑制層19の材質としては、メタ耐性プラスチック材(PTFE、ETFE、ポリポロピレン、ポロエチレン等)や、金属マット等を挙げることができる。こうした蒸発抑制層19の材質は、対メタノール耐性を有することが好ましい。
Conventionally, in DMFC, it is known that water leakage due to water generated on the cathode side becomes a problem, but in the present invention, it is desirable that the water generated on the cathode side is reversely diffused to the anode side. It is necessary to prevent water evaporation at the cathode 12. Therefore, it is preferable to provide the evaporation suppression layer 19 on the cathode current collector 14.
As a moisturizing method using the evaporation suppression layer 19, for example, (i) a method in which an evaporation suppression layer made of a hydrophilic material is directly attached to the cathode to moisturize, and (ii) the cathode is closed with an evaporation suppression layer made of a water repellent material. And (iii) a method of moisturizing the above (i) and (ii) in combination. Examples of the material for the evaporation suppression layer 19 suitable for the method (i) include fiber mats, hydrophilic cellulose fibers, glass fibers, and the like, and the evaporation suppression layer 19 suitable for the method (ii). Examples of the material include a meta-resistant plastic material (PTFE, ETFE, polypropylene, polyethylene, etc.), a metal mat, and the like. The material of the evaporation suppression layer 19 preferably has resistance to methanol.

こうした蒸発抑制層19は、水の蒸発を防いで保湿させる効果がある。なお、この蒸発抑制層19上に、さらにカバー部材20を設けてもよい(図2を参照)。カバー部材20は、その側面から空気を取り入れるような構造としたり、又はカバー部材20自体に穴を空けた構造としたりすることで、発電に必要な空気を取り込むことができる。その結果、空気の取り込み口である上記通気孔31を必要最小限に絞りつつ、カソードからの過度な生成水の蒸発を抑制することができる。   Such an evaporation suppression layer 19 has an effect of keeping the moisture by preventing evaporation of water. In addition, you may provide the cover member 20 on this evaporation suppression layer 19 (refer FIG. 2). The cover member 20 can take in air necessary for power generation by adopting a structure in which air is taken in from the side surface or a structure in which a hole is formed in the cover member 20 itself. As a result, it is possible to suppress excessive evaporation of the generated water from the cathode while restricting the air vent 31 serving as an air intake port to the minimum necessary.

本発明においては、図2に示すように、燃料供給抑制膜17とアノード13との間に空隙27が設けられていてもよい。空隙27が存在することによって、通気孔31からの酸素がアノード全体に供給されて効率よく水を生成することができる。また、MEAで発生した熱を燃料タンク側に伝え難くすることができ、燃料の温度上昇を防ぐ効果も得られる。
以上、本発明の固体電解質型燃料電池によれば、液体燃料として100%メタノール溶液を用いた場合であっても発電が可能になるという顕著な効果を奏する。
In the present invention, as shown in FIG. 2, a gap 27 may be provided between the fuel supply suppression film 17 and the anode 13. Due to the presence of the gap 27, oxygen from the vent hole 31 is supplied to the entire anode, and water can be efficiently generated. Further, it is possible to make it difficult to transfer the heat generated by the MEA to the fuel tank side, and the effect of preventing the temperature rise of the fuel can be obtained.
As described above, according to the solid oxide fuel cell of the present invention, there is a remarkable effect that power generation is possible even when a 100% methanol solution is used as the liquid fuel.

(固体電解質型燃料電池の運転方法)
本発明の固体電解質型燃料電池の運転方法は、上記本発明に係る固体電解質型燃料電池の運転方法であって、初期状態若しくは休止状態にある燃料電池に酸化剤を供給するステップと、燃料供給を開始するステップと、セル電位が所定電位に達した後に外部負荷へ通電を開始するステップと、を少なくともその順で含んでいる。
先ず、初期状態若しくは休止状態にある燃料電池に酸化剤が供給される。酸化剤は、酸素(空気中の酸素を含む。以下、空気という。)であり、こうした空気は、空隙27が予め形成されている場合にはその空隙に存在する空気が酸化剤として供給される。一方、空隙が形成されていない場合には、通気孔31から侵入した空気が酸化剤として供給される。
次に、燃料カートリッジ装置又は燃料タンク18から燃料が供給される。燃料タンク18から供給された燃料は、有孔板16を通過して燃料供給抑制膜17で気化してアノードに供給される。本発明においては、燃料が供給される以前に、既にアノードに酸化剤が供給されているので、アノードに燃料が供給されると、アノードに担持された触媒上で酸化剤と燃料とが上記式3のように反応して水が生成される。
(Operation method of solid oxide fuel cell)
An operation method of a solid oxide fuel cell according to the present invention is an operation method of a solid oxide fuel cell according to the present invention, wherein an oxidant is supplied to a fuel cell in an initial state or a dormant state, and a fuel supply And a step of starting energization to the external load after the cell potential reaches a predetermined potential.
First, an oxidant is supplied to the fuel cell in the initial state or the resting state. The oxidant is oxygen (including oxygen in the air; hereinafter referred to as air). When the air gap 27 is formed in advance, the air present in the air gap is supplied as the oxidant. . On the other hand, when no gap is formed, the air that has entered through the air holes 31 is supplied as an oxidant.
Next, fuel is supplied from the fuel cartridge device or the fuel tank 18. The fuel supplied from the fuel tank 18 passes through the perforated plate 16 and is vaporized by the fuel supply suppressing film 17 and supplied to the anode. In the present invention, since the oxidant is already supplied to the anode before the fuel is supplied, when the fuel is supplied to the anode, the oxidant and the fuel are expressed by the above formula on the catalyst supported on the anode. As a result of the reaction, water is generated.

次に、セル電位を確認し、セル電位が所定電位に達した後に外部負荷へ通電を開始する。セル電位の確認は、十分な水が生成していることを確認するものである。そのセル電位を確認して発電の起電力が所定の値に到達しているのを確認し、その後、外部負荷へ通電を開始する。本発明においては、例えば100%メタノールを燃料として供給した場合のように、燃料としての水を供給しなくても発電が進行することから、発電の進行によりカソードで生成した水がアノード側に逆拡散していると考えられた。その結果、水が供給されなくても発電が進行する。   Next, the cell potential is confirmed, and energization to the external load is started after the cell potential reaches a predetermined potential. The confirmation of the cell potential is to confirm that sufficient water is generated. The cell potential is confirmed to confirm that the generated electromotive force has reached a predetermined value, and then energization to the external load is started. In the present invention, for example, when 100% methanol is supplied as fuel, power generation proceeds without supplying water as fuel, so that water generated at the cathode due to the progress of power generation is reversed to the anode side. It was thought to be spreading. As a result, power generation proceeds even if water is not supplied.

こうした運転方法によれば、例えば100%メタノールのような理論値を超える高濃度の液体燃料を供給しても、安定した発電を継続させることができる。   According to such an operation method, stable power generation can be continued even when a high-concentration liquid fuel such as 100% methanol exceeding a theoretical value is supplied.

以下、実験例を示すことにより、本発明の固体電解質型燃料電池を具体的に説明する。
図5は、本実施例で用いた燃料供給抑制膜のメタノール透過速度に対する膜厚依存性を示すグラフである。燃料供給抑制膜として、膜厚を変化させたスチレンジビニルベンゼン系膜を用い、その燃料供給抑制膜の一方をメタノール側とし、他方を大気開放側にして、燃料供給抑制膜の重量変化から透過速度を求めた。燃料消費量(メタノール透過速度)は、電流密度に比例することが知られているが、例えば本実施例でMEAのメタノールの透過速度が0.01g/h/cmであった場合、燃料供給抑制膜のメタノール透過速度はMEAのメタノール透過速度の2倍〜3倍程度である0.02〜0.03g/h/cmであることが望まれる。メタノール透過速度が高すぎると、クロスオーバーを起こし、安定した発電ができなくなるばかりかエネルギー密度も低下してしまう。一方、メタノール透過速度が低すぎると、燃料供給量が不足するために発電自身ができなくなってしまう。本実施例で用いたスチレンジビニルベンゼン系膜の場合、図5のメタノール透過速度を勘案すると、100〜135μmの範囲内が適当である。
Hereinafter, the solid oxide fuel cell of the present invention will be specifically described by showing experimental examples.
FIG. 5 is a graph showing the film thickness dependence on the methanol permeation rate of the fuel supply suppression film used in this example. As the fuel supply suppression membrane, a styrene divinylbenzene membrane with a changed film thickness is used. One of the fuel supply suppression membranes is on the methanol side and the other is open to the atmosphere. Asked. The fuel consumption (methanol permeation rate) is known to be proportional to the current density. For example, in this example, when the permeation rate of methanol of MEA is 0.01 g / h / cm 2 , the fuel supply The methanol permeation rate of the suppression membrane is desirably 0.02 to 0.03 g / h / cm 2 which is about 2 to 3 times the methanol permeation rate of MEA. If the methanol permeation rate is too high, crossover will occur and stable power generation will not be possible, and the energy density will also decrease. On the other hand, if the methanol permeation rate is too low, the fuel supply amount is insufficient, and power generation itself cannot be performed. In the case of the styrenedivinylbenzene film used in this example, the range of 100 to 135 μm is appropriate considering the methanol permeation rate in FIG.

なお、この実施例で用いたセル構造について以下に説明する。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50%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8mg/cmの塗工量で塗布し、乾燥させて、4cm×4cmのカソードシートを作製した。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50at%)を用いた以外は上記カソード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の作製条件と同じ条件で、アノードを作製した。The cell structure used in this example will be described below. First, catalyst-supported carbon fine particles were prepared by supporting 50% 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). 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 cathode formation. This catalyst paste was applied at a coating amount of 8 mg / cm 2 on carbon paper (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc.) as a base material and dried to prepare a 4 cm × 4 cm cathode sheet. On the other hand, the catalyst paste for forming the cathode described above was used except that platinum (Pt) -ruthenium (Ru) alloy fine particles (Ru ratio was 50 at%) having a particle diameter in the range of 3 to 5 nm were used instead of the platinum fine particles. A catalyst paste for forming an anode was obtained under the same conditions as obtained. An anode was produced under the same conditions as the cathode, except that this catalyst paste was used.

次に、デュポン社製のナフィオン117(数平均分子量は250000)からなる8cm×8cm×厚さ180μmの膜を固体高分子電解質膜11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12及びアノード13が固体高分子電解質膜11に接合して、MEA(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 (number average molecular weight 250,000) manufactured by DuPont is used as the solid polymer electrolyte membrane 11, and the cathode is formed on one surface in the thickness direction of the membrane. Was placed with the carbon paper facing outward, and the anode was placed on the other surface with the carbon paper facing outward, and hot pressed from the outside of each carbon paper. As a result, the cathode 12 and the anode 13 were joined to the solid polymer electrolyte membrane 11, and an MEA (electrode-electrolyte membrane assembly) was obtained.

次に、カソード12とアノード13の上に、ステンレス鋼(SUS316)製で外寸法6cm、厚さ1mm、幅11mmの矩形枠状の枠板からなる集電体14,15を配置した。また、固体高分子電解質膜11とアノード集電体15との間に、シリコンゴム製の外寸法6cm、厚さ0.3mm、幅10mmの矩形枠状の枠板からなる通気孔31を形成したスペーサー22を配置した。このスペーサー22においては、二酸化炭素を排出する通気孔31として、幅0.5mmの切り込みを枠の各辺に2箇所ずつ計8個設けたものを使用した(図7Aを参照)。また、固体高分子電解質11とカソード集電体14との間のシール機能を有するスペーサー21を配置した。このスペーサー21及びその他のスペーサー23,24,25(図2を参照)として、シリコンゴム製の外寸法6cm、厚さ0.3mm、幅10mmの矩形枠状の枠板からなるシール機能を有するスペーサーを使用した。Next, current collectors 14 and 15 made of a stainless steel (SUS316) made of stainless steel (SUS316) and having a rectangular frame shape with an outer dimension of 6 cm 2 , a thickness of 1 mm, and a width of 11 mm were disposed. Further, between the solid polymer electrolyte membrane 11 and the anode current collector 15, a vent hole 31 made of a rectangular frame-shaped frame plate made of silicon rubber and having an outer dimension of 6 cm 2 , a thickness of 0.3 mm, and a width of 10 mm is formed. The spacer 22 was placed. In this spacer 22, a vent hole 31 for discharging carbon dioxide was used in which a total of eight cuts with a width of 0.5 mm were provided on each side of the frame (see FIG. 7A). A spacer 21 having a sealing function between the solid polymer electrolyte 11 and the cathode current collector 14 was disposed. This spacer 21 and other spacers 23, 24, 25 (see FIG. 2) have a sealing function made of a rectangular frame-shaped frame plate made of silicon rubber and having an outer dimension of 6 cm 2 , a thickness of 0.3 mm, and a width of 10 mm. A spacer was used.

上述のスチレンジビニルベンゼン系膜(イオン交換容量1.9mmol/g、含水率13%)からなる8cm×8cm×厚さ125μmの燃料供給抑制膜17を用意し、スペーサー23を介してアノード集電体15側に配置した。さらに、SUS316ステンレス鋼で外寸法6cm、厚さ1mm、穴径4mm、開口率60%の有孔板16(図7Bを参照)を用意し、スペーサー24を介して燃料供給抑制膜17側に配置した。さらに有孔板16に隣接するように燃料タンク18を設けた。燃料タンク18は、PP製で外寸法6cm、高さ8mm、内寸法44mm、深さ3mmの容器であり、その側面には、燃料供給のための燃料供給口18aが設けられ、その内部には、燃料保持材として、ウレタン素材からなるウィッキング材が入っている。An 8 cm × 8 cm × 125 μm thick fuel supply suppression membrane 17 made of the above-mentioned styrene divinylbenzene-based membrane (ion exchange capacity 1.9 mmol / g, water content 13%) is prepared, and an anode current collector through a spacer 23 Arranged on the 15th side. Furthermore, a perforated plate 16 (see FIG. 7B) of SUS316 stainless steel having an outer dimension of 6 cm 2 , a thickness of 1 mm, a hole diameter of 4 mm, and an opening ratio of 60% is prepared, and is provided on the fuel supply suppression membrane 17 side via the spacer 24 Arranged. Further, a fuel tank 18 was provided adjacent to the perforated plate 16. The fuel tank 18 is a container made of PP and having an outer dimension of 6 cm 2 , a height of 8 mm, an inner dimension of 44 mm 2 , and a depth of 3 mm. A fuel supply port 18a for fuel supply is provided on the side surface of the container. Contains a wicking material made of urethane as a fuel retention material.

一方、カソードの上方には、繊維マットからなる蒸発抑制層19を設けた。この蒸発抑制層19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(綿繊維ワイパー材ベンコット、旭化成株式会社製)を置き、その上にカバー部材20として、厚さ0.5mm、穴径0.75mmで開口率60%のPTFE製パンチングシートを載せて、蒸発抑制層19を固定した。On the other hand, an evaporation suppression layer 19 made of a fiber mat was provided above the cathode. The evaporation inhibiting layer 19, which functions as a moisture retaining layer, processed cellulose fiber sheet (cotton fibers wiper member BEMCOT, manufactured by Asahi Kasei Corporation) in 2 corners 35mm Place, as the cover member 20 thereon, the thickness A PTFE punching sheet having a hole diameter of 0.5% and an aperture ratio of 60% was placed thereon, and the evaporation suppression layer 19 was fixed.

これらの各部材のうち、カバー部材20以外の部材は、セル枠体29にネジ止めされて一体化される。なお、このときに使用されるネジは、リーク防止のために樹脂製のネジが用いられる。こうして、MEA、カソード集電体、アノード集電体、燃料供給抑制膜、シール部材、及び蒸発抑制層等を所定数のネジにより一体化し、図2に示す断面構造を持つ固体電解質型燃料電池を得た。   Of these members, members other than the cover member 20 are screwed to the cell frame 29 and integrated. In addition, the screw used at this time is a resin screw to prevent leakage. In this way, the MEA, the cathode current collector, the anode current collector, the fuel supply suppression film, the seal member, the evaporation suppression layer, and the like are integrated by a predetermined number of screws, and the solid oxide fuel cell having the cross-sectional structure shown in FIG. Obtained.

図6は、上述のようにして得られた固体電解質型燃料電池において、燃料として純メタノール(100%メタノール)を用い、室温(25℃)、0.3A(約19mA/cm)で10時間発電したときの電位の時間変化を示したグラフである。図6より、10時間安定して発電できていることが分かる。このときの燃料消費量は、0.185g/h(約0.012g/h/cm)で、重量当たりのエネルギー密度は0.52Wh/gであった。燃料消費量が燃料供給抑制膜単体の値(100μm相当)よりも小さくなっているのは、MEAにより燃料の透過が抑えられる分も含まれるためである。FIG. 6 shows a solid oxide fuel cell obtained as described above, using pure methanol (100% methanol) as a fuel, at room temperature (25 ° C.), 0.3 A (about 19 mA / cm 2 ) for 10 hours. It is the graph which showed the time change of the potential when generating electricity. It can be seen from FIG. 6 that power generation is stable for 10 hours. The fuel consumption at this time was 0.185 g / h (about 0.012 g / h / cm 2 ), and the energy density per weight was 0.52 Wh / g. The reason why the fuel consumption is smaller than the value of the fuel supply suppression membrane alone (corresponding to 100 μm) is that the amount of fuel permeation suppressed by MEA is also included.

Claims (8)

固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方の面上に配されたカソードと、
他方の面上に配されたアノードと、
前記カソード及び前記アノード上に夫々配されたカソード集電体及びアノード集電体と、
前記アノード集電体の上側に配置され、前記アノードへの液体燃料の供給を制御する燃料供給抑制膜と、
前記燃料供給抑制膜の上側に配置され、前記燃料供給抑制膜へ液体燃料を供給する為の複数の孔を有する有孔板と、
前記固体高分子電解質膜と前記有孔板との間に設けられた通気孔と、
を具備する
固体電解質型燃料電池。
A solid polymer electrolyte membrane;
A cathode disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane;
An anode disposed on the other surface;
A cathode current collector and an anode current collector respectively disposed on the cathode and the anode;
A fuel supply suppression membrane disposed on the anode current collector and controlling supply of liquid fuel to the anode;
A perforated plate disposed above the fuel supply suppression membrane and having a plurality of holes for supplying liquid fuel to the fuel supply suppression membrane;
A vent hole provided between the solid polymer electrolyte membrane and the perforated plate;
A solid oxide fuel cell comprising:
請求の範囲1に記載された固体電解質型燃料電池であって、
更に、
シール機能を有し、前記固体高分子電解質膜と前記アノード集電体との間に設けられたスペーサー、
を具備し、
前記通気孔は、前記スペーサーに設けられている
固体電解質型燃料電池。
A solid oxide fuel cell according to claim 1, comprising:
Furthermore,
A spacer having a sealing function, provided between the solid polymer electrolyte membrane and the anode current collector,
Comprising
The vent is a solid oxide fuel cell provided in the spacer.
請求の範囲1又は2に記載された固体電解質型燃料電池であって、
更に、
前記カソード集電体上に設けられた蒸発抑制層
を具備する
A solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, comprising:
Furthermore,
An evaporation suppression layer is provided on the cathode current collector.
請求の範囲1乃至3のいずれかに記載された固体電解質型燃料電池であって、
前記燃料供給抑制膜と前記アノードとの間に空隙を有している
固体電解質型燃料電池。
A solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
A solid oxide fuel cell having a gap between the fuel supply suppression membrane and the anode.
請求の範囲4に記載された固体電解質型燃料電池であって、
前記通気孔は、前記空隙と外部とを連通させるように設けられている
固体電解質型燃料電池。
A solid oxide fuel cell according to claim 4, comprising:
The vent is a solid oxide fuel cell provided to communicate the gap with the outside.
請求の範囲1乃至5のいずれかに記載された固体電解質型燃料電池であって、
前記燃料供給抑制膜は、前記有孔板と前記アノード集電体とによって挟まれて固定されている
固体電解質型燃料電池。
A solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The fuel supply suppression membrane is a solid oxide fuel cell in which the perforated plate and the anode current collector are sandwiched and fixed.
請求の範囲1乃至6のいずれかに記載された固体電解質型燃料電池であって、
前記液体燃料は、メタノールと水を含み、
メタノールのモル数(Mm)と水のモル数(Mw)の比率がMm/Mw>1である
固体電解質型燃料電池。
A solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
The liquid fuel includes methanol and water,
A solid oxide fuel cell in which the ratio of the number of moles of methanol (Mm) to the number of moles of water (Mw) is Mm / Mw> 1.
請求の範囲1乃至7のいずれかに記載された固体電解質型燃料電池の運転方法であって、
初期状態若しくは休止状態にある燃料電池に酸化剤を供給するステップと、
燃料供給を開始するステップと、
セル電位が所定電位に達した後に外部負荷へ通電を開始するステップと、
を具備する
固体電解質型燃料電池の運転方法。
A method for operating a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
Supplying an oxidant to the fuel cell in an initial state or a dormant state;
Starting the fuel supply;
Starting energization to an external load after the cell potential reaches a predetermined potential;
A method for operating a solid oxide fuel cell comprising:
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