JPWO2008032449A1 - Electrolyte membrane and fuel cell - Google Patents
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Abstract
電解質膜10は、細孔21を有する多孔質体からなる支持基板20と、この支持基板20の一方の面上に、厚さ方向に貫通孔41を有する複数の多孔薄膜40が所定の間隙を設けて分割して形成された多孔薄膜層45とを備えている。また、支持基板20の細孔21内には、プロトン伝導性を有する第1の電解質22が充填されており、多孔薄膜40の貫通孔41内には、プロトン伝導性を有する第2の電解質42が充填されている。The electrolyte membrane 10 includes a support substrate 20 made of a porous body having pores 21, and a plurality of porous thin films 40 having through holes 41 in the thickness direction on one surface of the support substrate 20 with a predetermined gap. And a porous thin film layer 45 formed by being divided. The pores 21 of the support substrate 20 are filled with a first electrolyte 22 having proton conductivity, and the through holes 41 of the porous thin film 40 are filled with a second electrolyte 42 having proton conductivity. Is filled.
Description
本発明は、電解質膜およびそれを備えた小型の燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrolyte membrane and a small fuel cell including the same.
近年、電子技術の進歩により、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、携帯用電子機器においては、使用される電池の高エネルギ密度化の要求が強まっている。このため、軽量で小型でありながら高容量の二次電池が要求されている。 2. Description of the Related Art In recent years, electronic devices have been reduced in size, performance, and portability due to advances in electronic technology. In portable electronic devices, there is an increasing demand for higher energy density of batteries used. For this reason, there is a demand for a secondary battery having a high capacity while being lightweight and small.
このような二次電池への要求に対して、例えば、リチウムイオン二次電池が開発されてきた。また、携帯電子機器のオペレーション時間は、さらに増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池では、材料の観点からも構造の観点からもエネルギ密度の向上はほぼ限界にきており、更なる要求に対応できなくなりつつある。 In response to the demand for such secondary batteries, for example, lithium ion secondary batteries have been developed. In addition, the operation time of portable electronic devices tends to increase further, and in lithium ion secondary batteries, the improvement in energy density is almost limited from the viewpoints of materials and structure, which is further demanded. It is becoming impossible to respond.
このような状況のもと、リチウムイオン二次電池に代わって、小型の燃料電池が注目を集めている。特に、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池(DMFC)は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さや、有機燃料を改質して水素を作り出す装置等が必要なく、小型化に優れていると考えられる。 Under such circumstances, small fuel cells are attracting attention instead of lithium ion secondary batteries. In particular, direct methanol fuel cells (DMFC) using methanol as fuel require more difficult handling of hydrogen gas and devices that produce hydrogen by reforming organic fuel, compared to fuel cells using hydrogen gas. It is thought that it is excellent in miniaturization.
DMFCでは、燃料極においてメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。一方、空気極では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成される。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる。しかしながら、このような構成の燃料電池では、電解質膜を通って燃料極から空気極へメタノールが透過してしまい、その結果、発電電位が低下することが問題となっている。 In DMFC, methanol is oxidatively decomposed at the fuel electrode to generate carbon dioxide, protons and electrons. On the other hand, in the air electrode, water is generated by oxygen obtained from air, protons supplied from the fuel electrode through the electrolyte membrane, and electrons supplied from the fuel electrode through an external circuit. In addition, power is supplied by electrons passing through the external circuit. However, in the fuel cell having such a configuration, methanol permeates from the fuel electrode to the air electrode through the electrolyte membrane, and as a result, the power generation potential is lowered.
このようなメタノールの透過は、電解質膜が水やメタノールで膨潤するとさらに助長されるため、電解質を多孔体膜に充填して電解質の膨潤を抑制し、メタノールのクロスオーバを防止する技術が開示されている。 Such permeation of methanol is further promoted when the electrolyte membrane swells with water or methanol. Therefore, a technique for preventing electrolyte crossover by filling the porous membrane with electrolyte and preventing methanol crossover is disclosed. ing.
しかしながら、上記した従来の電解質を充填した多孔体膜では、孔部分に電解質が偏在するため、膜全体としてはインピーダンスが増加する。このインピーダンスの増加を抑えるために、膜を薄く形成する必要があるが、膜を薄く形成すると、多孔体膜の強度が下がり、電解質自体の膨潤を抑えきれないという問題が生じる。この場合、膜が破損すると、燃料電池としての作動が不可能となる。 However, in the porous membrane filled with the above-described conventional electrolyte, the electrolyte is unevenly distributed in the pores, so that the impedance of the entire membrane increases. In order to suppress this increase in impedance, it is necessary to form a thin film. However, if the film is formed thin, the strength of the porous film is lowered, and there is a problem that the swelling of the electrolyte itself cannot be suppressed. In this case, if the membrane is broken, operation as a fuel cell becomes impossible.
また、膜を薄く形成するために、スパッタ法、蒸着法などで膜を作製し、その膜を多孔膜に加工して電解質を充填し、インピーダンスの小さい電解質充填膜としたとしても、プロトン導電性を有する支持基板が必要となる。この支持基板として、例えば、多孔質ポリイミドなどの剛性の大きい有機多孔体に電解質を浸透させたものが考えられるが、この有機多孔体は、表面の凹凸が大きい。そのため、スパッタ法、蒸着法などで無機薄膜を表面に均一に形成しようとすると、膜内に応力集中を生じて変形が起こりやすいという問題があった。
そこで、本発明の目的は、インピーダンスが低く、十分な機械的強度を有し、メタノールのクロスオーバを抑制することができる電解質膜、および小型で、安定した出力特性を維持することができる燃料電池を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrolyte membrane having low impedance, sufficient mechanical strength, and capable of suppressing methanol crossover, and a fuel cell that is small and can maintain stable output characteristics. Is to provide.
本発明の一態様に係る電解質膜は、多孔質体からなる支持基板と、前記支持基板に充填されたプロトン伝導性を有する第1の電解質と、前記支持基板の一方の面上に、厚さ方向に貫通孔を有する複数の多孔薄膜が所定の間隙を設けて分割して形成された多孔薄膜層と、前記多孔薄膜の貫通孔内に充填されたプロトン伝導性を有する第2の電解質とを具備することを特徴とする。 An electrolyte membrane according to an aspect of the present invention has a thickness on a support substrate made of a porous body, a first electrolyte having proton conductivity filled in the support substrate, and one surface of the support substrate. A porous thin film layer formed by dividing a plurality of porous thin films having through holes in a direction with a predetermined gap, and a second electrolyte having proton conductivity filled in the through holes of the porous thin film It is characterized by comprising.
また、本発明の一態様に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを具備する燃料電池であって、前記電解質膜が、上記した本発明の一態様に係る電解質膜であること特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to one aspect of the present invention is a fuel cell including a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, wherein the electrolyte membrane is A fuel cell comprising the electrolyte membrane according to one embodiment of the present invention.
10…電解質膜、20…支持基板、21…細孔、22…第1の電解質、40…多孔薄膜、41…貫通孔、42…第2の電解質、45…多孔薄膜層。
DESCRIPTION OF
以下、本発明の一実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る一実施形態の電解質膜10を模式的に示す斜視図である。図1に示すように、電解質膜10は、細孔21を有する多孔質体からなる支持基板20と、この支持基板20の一方の面上に、厚さ方向に貫通孔41を有する複数の多孔薄膜40が所定の間隙を設けて分割して形成された多孔薄膜層45とを備えている。また、支持基板20の細孔21内には、プロトン伝導性を有する第1の電解質22が充填されており、多孔薄膜40の貫通孔41内および各多孔薄膜40との間隙には、プロトン伝導性を有する第2の電解質42が充填されている。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing an
多孔薄膜層45を支持する支持基板20は、有機物からなる多孔質体で構成される。この有機多孔質体としては、剛性(機械的強度)が高く、充填される第1の電解質22の膨潤によって細孔21が拡張されることが少ない合成樹脂などを用いることが好ましい。有機多孔質体として、具体的には、例えばポリイミド、ポリアミド、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、ポリスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリエーテルスルフォン、ポリシラザンなどからなる多孔質体が挙げられる。
The
また、支持基板20の厚さは、10〜50μmであり、より好ましくは20〜30μmである。ここで、支持基板20の厚さを10〜50μmの範囲としたのは、10μmより薄い場合には、強度不足であり、50μmより厚い場合には、電気的なインピーダンス増加であるからである。また、支持基板20の気孔率は、30〜80%であり、より好ましくは40〜60%である。ここで、支持基板20の気孔率を30〜80%の範囲としたのは、30%より小さい場合には、プロトン伝導性が低下するからであり、80%より大きい場合には、形状変形が大きくなるからである。
Moreover, the thickness of the
また、支持基板20に充填される第1の電解質22としては、例えばスルホン酸基を有する、パーフルオロスルホン酸重合体等のフッ素系樹脂(Dupont社製のNafion、旭硝子社製のフレミオンなど)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂(ポリスチレンスルホン酸、ポリ(α−メチルスチレン)スルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリエーテルケトンスルホン酸など)などの有機高分子電解質が挙げられる。また、無機ガラスである燐酸ガラスなどを第1の電解質22として用いてもよい。なお、第1の電解質22は、上記した材料に限定されるものではなく、プロトン伝導性を有する電解質であれば使用することができる。
Further, as the
多孔薄膜層45は、複数の多孔薄膜40を所定の間隙を設けて支持基板20上に分割して形成することで構成されている。また、多孔薄膜層45を構成する多孔薄膜40は、無機物からなり、厚さ方向に貫通する多数の貫通孔41を有している。この多孔薄膜40を構成する無機材料としては、アルミナ、シリカ(SiO2)、ジルコニアなどの酸化物セラミック、窒化珪素などの窒化物セラミック、炭化ケイ素などの炭化物セラミックなどが挙げられる。また、無機材料として、サイアロンなどのセラミックスや、石英ガラスなどを使用してもよい。The porous
また、支持基板20上に電解質を塗布し、多孔薄膜層45を、この電解質を介して形成してもよい。この場合、多孔薄膜層45と支持基板20との間に介される電解質は、支持基板20の表面の凹凸を埋め、かつ多孔薄膜40が形成される側の面が平面になるように形成される。この電解質の厚さは、支持基板20の表面の凹凸を埋められる程度の厚さで構成されることが好ましい。このように、支持基板20の表面の凹凸を埋めることで、欠損のない多孔薄膜40を形成することができ、メタノールの透過を抑制することができる。また、この電解質は、プロトン伝導性を有する電解質である、例えば、Dupont社製のNafionソリューションを支持基板20の表面に塗布することによって形成される。なお、支持基板20の表面に塗布される電解質材料はこれに限定されるものではなく、第1の電解質22と同様に、プロトン伝導性を有する電解質材料であればよい。さらに、支持基板20上に電解質を積層する場合には、電解質は、支持基板20の表面の凹凸を埋め、かつ多孔薄膜40が形成される側の面が平面になるように形成されれば、塗布以外の方法で形成されてもよい。
Alternatively, an electrolyte may be applied on the
また、多孔薄膜40は、均等に分割されて支持基板20上に形成されてもよい。すなわち、同じサイズの多孔薄膜40を複数、支持基板20上に形成してもよい。また、多孔薄膜40は、不均一に分割されて支持基板20上に形成されてもよい。すなわち、縦横比の異なる複数種の多孔薄膜40を支持基板20上に形成してもよい。なお、多孔薄膜40の支持基板20に対向する断面形状は、矩形に限定されるものでなく、例えば、円形、三角形、多角形、楕円などでもよい。また、多孔薄膜層45は、断面形状の異なる多孔薄膜40を組み合わせて構成されてもよい。また、各多孔薄膜40との間隙は、10〜100μmであることが好ましく、さらに好ましくは10〜50μmである。ここで、各多孔薄膜40との間隙を10〜100μmの範囲としたのは、10μmより小さい場合には、膜が変形した際に変動幅に余裕がないためであり、100μmより大きい場合には、メタノールのクロスオーバーが増加するからである。
Further, the porous
また、多孔薄膜40の厚さは、0.2〜2000μmであり、より好ましくは0.5〜50μmである。ここで、多孔薄膜40の厚さを0.2〜2000μmの範囲としたのは、0.2μmより薄い場合には、充填される電解質の膨潤を抑えるのか難しくなってくるからであり、2000μmより厚い場合には、電気的な内部インピーダンスの上昇が大きくなるからである。また、多孔薄膜40の貫通孔41の直径は、0.1〜1000μmであり、より好ましくは1〜100μmであり、さらに好ましくは5〜30μmである。ここで、貫通孔41の直径を0.1〜1000μmの範囲としたのは、0.1μmより小さい場合には、電解質の充填が困難となるからであり、1000μmより大きい場合には、電解質の膨潤を押さえ込めないからである。
Moreover, the thickness of the porous
また、多孔薄膜40の貫通孔41は、厚さ方向に、すなわち主面に対して垂直な方向に形成されたものであればよく、断面形状は特に限定されるものではない。例えば、貫通孔41の断面形状を、円形、三角形、矩形、多角形などの形状にしてもよい。また、貫通孔41は、異なる断面積の貫通孔や、異なる形状の貫通孔を組み合わせて構成されてもよい。また、アスペクト比(貫通孔41の垂直方向の深さ/貫通孔41の直径)は、1以上であることが好ましい。ここで、アスペクト比が1以上の場合には、充填された第2の電解質42の膨潤を抑え、メタノールの透過を抑制する効果が大きい。一方、アスペクト比が1より小さい場合には、充填された第2の電解質42が含水時に大きく膨潤するため、メタノールの透過を抑制する効果が小さくなる。
Moreover, the through-
また、多孔薄膜40の分割および多孔薄膜40の貫通孔41の形成は、無機材料から成る薄膜の所定の位置にフォトリソグラフィにより精密に行われる。まず、有機多孔質体からなる支持基板20の表面に、例えば、真空スパッタ法や反応スパッタ法などのスパッタ法、あるいはCVD法やPVD法などの蒸着法により、上記した複数の多孔薄膜40を形成するためのシリカ(SiO2)などの無機材料の薄膜を形成する。続いて、この無機薄膜の上にフォトレジストを塗布し、所定のパターンのマスクを用いて露光し、ベークした後、無機薄膜をエッチングし、最後にフォトレジストを剥離する。このようにして、支持基板20の表面上に、それぞれが所定の間隙を設けて分割され、所定のパターンで精密に配列された多数の貫通孔41を有する複数の多孔薄膜40が形成される。この多孔薄膜40の貫通孔41内および各多孔薄膜40との間隙に充填される第2の電解質42は、第1の電解質22と同様の電解質材料で構成される。The division of the porous
ここで、上記した、支持基板20の一方の面上に多孔薄膜層45を積層して構成された電解質膜10の厚さは、特に限定されるものではないが、20〜200μmが好ましく、より好ましくは30〜80μmである。20〜200μmの厚さが好ましいのは、20μmより薄い場合には、電解質膜としての機械的強度が得られず、200μmより厚い場合には、プロトン伝導性が低下し、内部インピーダンスが上昇するからである。なお、電解質膜10の厚さは、上記した範囲において、仕様用途や構成材料などに応じて適宜に設定することができる。
Here, the thickness of the
上記した一実施形態の電解質膜10によれば、支持基板20の表面上に、複数の多孔薄膜40を所定の間隙を設けて分割して形成することで、多孔薄膜層45内における応力集中を緩和することができ、多孔薄膜層45の変形を防止することができる。これによって、メタノールの透過を抑制することができる。また、支持基板20を機械的強度の高い有機多孔質体で構成することで、十分な機械的強度が得られ、さらに、薄膜化が図れ、低インピーダンスが得られる。
According to the
次に、上記した電解質膜10を備える膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)50について説明する。
Next, a membrane electrode assembly (MEA) 50 including the above-described
図2は、上記した電解質膜10を備える膜電極接合体50の断面を模式的に示した図である。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section of a
図2に示すように、膜電極接合体50は、燃料極触媒層111および燃料極ガス拡散層112からなる燃料極と、空気極触媒層113および空気極ガス拡散層114からなる空気極と、燃料極触媒層111と空気極触媒層113との間に挟持された電解質膜10とから構成されている。
As shown in FIG. 2, the
燃料極触媒層111および空気極触媒層113に含有される触媒としては、例えば、白金族元素である、Pt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の単体金属、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。具体的には、燃料極触媒層111として、メタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Moなど、空気極触媒層13として、白金やPt−Niなどを用いることが好ましいが、これらに限られるわけではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒を使用してもよい。
Examples of the catalyst contained in the fuel
燃料極触媒層111に積層された燃料極ガス拡散層112は、燃料極触媒層111に燃料を均一に供給する役割を果たすとともに、燃料極触媒層111の集電体としての機能も兼ね備えている。一方、空気極触媒層113に積層された空気極ガス拡散層114は、空気極触媒層113に酸化剤を均一に供給する役割を果たすとともに、空気極触媒層113の集電体としての機能も兼ね備えている。燃料極ガス拡散層112および空気極ガス拡散層114は、ガスを通過させるため、多孔質体からなる公知の導電性材料で構成される。燃料極ガス拡散層112および空気極ガス拡散層114は、例えば、カーボンペーパ、カーボン織布などで構成されるが、これらに限定されるものではない。
The fuel electrode
また、燃料極触媒層111と空気極触媒層113とに挟持される電解質膜10は、多孔薄膜層45側を燃料極側に向けて配設されている。
The
このように構成される膜電極接合体50は、燃料電池に設置され、燃料供給と空気供給により電力を発現する。燃料電池は、その形態から、アクティブ型燃料電池とパッシブ型燃料電池とに大別される。アクティブ型燃料電池では、メタノール水溶液からなる燃料の量が一定になるようにポンプで調整しながら膜電極接合体50の燃料極へ供給するとともに、空気極に対しても、空気をポンプで供給する方式が採用されている。一方、パッシブ型燃料電池では、膜電極接合体50の燃料極に気化したメタノールを自然供給で送るとともに、空気極に対しても、外部の空気を自然供給することで、ポンプなどの余計な機器を装備しない方式が採用されている。本発明の一実施形態の電解質膜10は、そのいずれの方式を用いた燃料電池にも用いることができ、その使用を制限するものではない。
The
次に、上記した膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)50を備える直接メタノール型の燃料電池100について説明する。
Next, a direct
図3は、膜電極接合体50を備える直接メタノール型の燃料電池100の断面を模式的に示した図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross section of a direct
図3に示すように、燃料電池100は、上記した膜電極接合体50を起電部として構成している。燃料極ガス拡散層112には、燃料極導電層117が積層され、空気極ガス拡散層114には、空気極導電層118が積層されている。燃料極導電層117および空気極導電層118としては、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層(例えば、メッシュ)または箔体、あるいはステンレス鋼(SUS)などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などをそれぞれ使用することができる。
As shown in FIG. 3, the
また、燃料極導電層117と電解質膜10との間には、矩形枠状を有する燃料極シール材119が配置されるとともに、燃料極触媒層111および燃料極ガス拡散層112の周囲を囲んでいる。一方、空気極導電層118と電解質膜10との間には、矩形枠状を有する空気極シール材120が配置されるとともに、空気極触媒層113および空気極ガス拡散層114の周囲を囲んでいる。燃料極シール材119および空気極シール材120は、例えば、ゴム製のOリングなどで構成され、膜電極接合体50からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止している。なお、燃料極シール材119および空気極シール材120の形状は、矩形枠状に限られず、燃料電池100の外縁形に対応するように適宜に構成される。
A fuel
また、図3に示すように、液体燃料Fを収容する液体燃料タンク121の開口部を覆うように、気液分離膜122が配設されている。この気液分離膜122上には、燃料電池100の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム123(ここでは矩形のフレーム)が配置されている。そして、このフレーム123上には、上記した燃料極導電層117および空気極導電層118を備えた膜電極接合体50が積層配置されている。
Further, as shown in FIG. 3, a gas-
ここで、フレーム123は、電気絶縁材料で構成され、具体的には、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。なお、気液分離膜122は、周縁から燃料などが漏れないように構成されている。また、液体燃料タンク121に貯留される液体燃料Fは、濃度が50モル%を超えるメタノール水溶液、または純メタノールである。また、純メタノールの純度は、95重量%以上100重量%以下にすることが好ましい。また、液体燃料Fの気化成分とは、液体燃料Fとして液体のメタノールを使用した場合には、気化したメタノールを意味し、液体燃料Fとしてメタノール水溶液を使用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気を意味する。
Here, the
また、気液分離膜122、燃料極導電層117およびフレーム123で囲まれた空間である気化燃料収容室124は、気液分離膜122を透過してきた液体燃料Fの気化成分を一時的に収容し、さらに気化成分における燃料の濃度分布を均一にする空間として機能する。
The vaporized fuel storage chamber 124, which is a space surrounded by the gas-
上記した気液分離膜122は、液体燃料Fの気化成分と液体燃料Fとを分離し、その気化成分を燃料極触媒層11側に透過させるものである。この気液分離膜122は、液体燃料Fに対して不活性で溶解しない材料でシート状に構成され、具体的には、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン(LDPE)薄膜、ポリ塩化ビニル(PVC)薄膜、ポリエチレンテレフタレート(PET)薄膜、フッ素樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)など)微多孔膜などの材料で構成される。
The gas-
一方、空気極導電層118上には、燃料電池100の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム125(ここでは矩形のフレーム)を介して、保湿層126が積層されている。また、保湿層126上には、酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口128が複数個形成された表面カバー層127が積層されている。この表面カバー層127は、膜電極接合体50を含む積層体を加圧して、その密着性を高める役割も果たしているため、例えば、SUS304のような金属で形成される。また、フレーム125は、上記したフレーム123と同様に、電気絶縁材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。
On the other hand, a
また、保湿層126は、空気極触媒層113において生成した水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制する役割をなすとともに、空気極ガス拡散層114に酸化剤を均一に導入することにより、空気極触媒層113への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての機能も有している。この保湿層126は、例えば、ポリエチレン多孔質膜などの材料で構成される。なお、浸透圧現象による空気極触媒層113側から燃料極触媒層111側への水の移動は、保湿層126上に設置された表面カバー層127における空気導入口128の個数やサイズを変えて、開口部の面積などを調整することで制御することができる。
In addition, the
次に、上記した燃料電池100における作用について説明する。
Next, the operation of the
液体燃料タンク121内の液体燃料F(例えば、メタノール水溶液)が気化し、気化したメタノールと水蒸気の混合気は、気液分離膜122を透過し、気化燃料収容室124に一旦収容され、濃度分布が均一にされる。気化燃料収容室124に一旦収容された混合気は、水蒸気とともに燃料極導電層117を通過し、さらに燃料極ガス拡散層112で拡散され、燃料極触媒層111に供給される。燃料極触媒層111に供給された混合気は、次の式(1)に示すメタノールの内部改質反応を生じる。
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e− …式(1)The liquid fuel F (for example, methanol aqueous solution) in the
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − Formula (1)
なお、液体燃料Fとして、純メタノールを使用した場合には、液体燃料タンク121からの水蒸気の供給がないため、空気極触媒層113で生成した水や電解質膜10中の水等がメタノールと上記した式(1)の内部改質反応を生じるか、または上記した式(1)の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じる。
In addition, when pure methanol is used as the liquid fuel F, since water vapor is not supplied from the
内部改質反応で生成されたプロトン(H+)は、電解質膜10を伝導し、空気極触媒層113に到達する。表面カバー層127の空気導入口128から取り入れられた空気は、保湿層126、空気極導電層118、空気極ガス拡散層114を拡散して、空気極触媒層113に供給される。空気極触媒層113に供給された空気は、次の式(2)に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。
(3/2)O2+6H++6e− → 3H2O …式(2)Protons (H + ) generated by the internal reforming reaction are conducted through the
(3/2) O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O Formula (2)
この反応によって空気極触媒層113中に生成した水は、空気極ガス拡散層114を拡散して保湿層126に到達し、一部の水は、保湿層126上に設けられた表面カバー層127の空気導入口128から蒸散されるが、残りの水は表面カバー層127に付着する。特に、式(2)の反応が進行すると、表面カバー層127によって蒸散が阻害される水量が増し、空気極触媒層113中の水分貯蔵量が増加する。この場合には、式(2)の反応の進行に伴って、空気極触媒層113の水分貯蔵量が、燃料極触媒層111の水分貯蔵量よりも多い状態となる。その結果、浸透圧現象によって、空気極触媒層113に生成した水が、電解質膜10を通過して燃料極触媒層111に移動する反応が促進される。そのため、燃料極触媒層111への水分の供給を液体燃料タンク121から気化した水蒸気のみに頼る場合に比べて、水分の供給が促され、前述した式(1)におけるメタノールの内部改質反応を促進させることができる。これによって、出力密度を高くすることができるとともに、その高い出力密度を長期間に亘り維持することが可能となる。
The water produced in the air
また、液体燃料として、メタノールの濃度が50モル%を超えるメタノール水溶液、または純メタノールを使用する場合でも、空気極触媒層113から燃料極触媒層111に移動してきた水を内部改質反応に使用することができるので、燃料極触媒層111への水の供給を安定して行うことが可能となる。これによって、メタノールの内部改質反応の反応抵抗をさらに低下することができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上させることができる。
Even when a methanol aqueous solution having a methanol concentration exceeding 50 mol% or pure methanol is used as the liquid fuel, the water that has moved from the air
上記したように、本発明に係る一実施形態の燃料電池100によれば、小型で性能が高く、安定した高い出力を供給することができる。
As described above, according to the
なお、上記した一実施形態では、液体燃料Fに、メタノール水溶液、または純メタノールを使用した直接メタノール型の燃料電池について説明したが、液体燃料Fは、これらに限られるものではない。例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、液体燃料タンク121内には、燃料電池100に応じた液体燃料Fが収容される。
In the above-described embodiment, a direct methanol fuel cell using a methanol aqueous solution or pure methanol as the liquid fuel F has been described. However, the liquid fuel F is not limited thereto. For example, ethanol fuel such as ethanol aqueous solution and pure ethanol, propanol fuel such as propanol aqueous solution and pure propanol, glycol fuel such as glycol aqueous solution and pure glycol, dimethyl ether, formic acid, and other liquid fuels may be used. In any case, the liquid fuel F corresponding to the
また、所定の電池出力を得るために、図3に示した燃料電池100を複数個並設し、各燃料電池100を電気的に直列に接続して、燃料電池を構成することができる。このとき、例えば1つの液体燃料タンク121を共用するように構成することができる。
Further, in order to obtain a predetermined battery output, a plurality of
次に、上記した電解質膜10を備える他の構成を有する燃料電池200の構成について図4および図5を参照して説明する。
Next, the configuration of the
図4は、上記した電解質膜10を備える燃料電池200の断面を模式的に示した図である。図5は、燃料分配機構230の構成を模式的に示す斜視図である。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a cross section of a
図4に示すように、膜電極接合体210は、アノード触媒層220とアノードガス拡散層221とを有するアノード(燃料極)222と、カソード触媒層223とカソードガス拡散層224とを有するカソード(空気極)225と、アノード触媒層220とカソード触媒層223とで挟持された、上記した電解質膜10とから構成される。
As shown in FIG. 4, the
電解質膜10と後述する燃料分配機構230および表面カバー層226との間には、それぞれゴム製のOリング227が介在されており、これらによって膜電極接合体210からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。なお、表面カバー層226には、酸化剤である空気を取入れるための開口(図示しない)を有している。表面カバー層226とカソード(空気極)225との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層は、カソード触媒層223で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層223への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は、空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。
Rubber O-rings 227 are interposed between the
なお、上記した膜電極接合体210を構成する、アノード触媒層220、アノードガス拡散層221、カソード触媒層223、カソードガス拡散層224、表面カバー層226などを構成する材料は、前述した膜電極接合体50における対応する層を構成する材料と同じである。
The materials constituting the anode catalyst layer 220, the anode
膜電極接合体210のアノード(燃料極)側には、燃料分配機構230が配置されている。燃料分配機構230には、配管のような燃料の流路231を介して燃料収容部232が接続されている。
A
燃料収容部232には、膜電極接合体210に対応した液体燃料Fが収容されている。液体燃料Fとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料Fは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Fは、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部232には燃料電池200に応じた燃料が収容される。
The
燃料分配機構230には、燃料収容部232から流路231を介して液体燃料Fが導入される。流路231は、燃料分配機構230や燃料収容部232と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構230と燃料収容部232とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構230は、流路231を介して燃料収容部232と接続されていればよい。
Liquid fuel F is introduced into the
ここで、図5に示すように、燃料分配機構230は、液体燃料Fが流路231を介して流入する少なくとも1個の燃料注入口233と、液体燃料Fやその気化成分を排出する複数個の燃料排出口234とを有する燃料分配板235を備えている。また、図4に示すように、燃料分配板235の内部には、燃料注入口233から導かれた液体燃料Fの通路となる空隙部236が設けられている。複数の燃料排出口234は、燃料通路として機能する空隙部236にそれぞれ直接接続されている。
Here, as shown in FIG. 5, the
燃料注入口233から燃料分配機構230に導入された液体燃料Fは、空隙部236に入り、この燃料通路として機能する空隙部236を介して複数の燃料排出口234にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口234には、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体(図示しない)を配置してもよい。これによって、膜電極接合体210のアノード(燃料極)222には、燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は、燃料分配機構230とアノード(燃料極)222との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料Fの気化成分は、複数の燃料排出口234からアノード(燃料極)222の複数個所に向けて排出される。
The liquid fuel F introduced into the
燃料排出口234は、膜電極接合体210の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板235のアノード(燃料極)222と接する面に複数設けられている。燃料排出口234の個数は2個以上であればよいが、膜電極接合体210の面内における燃料供給量を均一化する上で、0.1〜10個/cm2の燃料排出口234が存在するように形成することが好ましい。A plurality of
燃料分配機構230と燃料収容部232の間を接続する流路231には、ポンプ237が挿入されている。このポンプ237は、液体燃料Fを循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部232から燃料分配機構230に液体燃料Fを移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ237で必要時に液体燃料Fを送液することによって、燃料供給量の制御性を高めるものである。この場合、ポンプ237としては、少量の液体燃料Fを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、液体燃料Fをしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
A
このような構成において、燃料収容部232に収容された液体燃料Fは、ポンプ237により流路231を移送され、燃料分配機構230に供給される。そして、燃料分配機構230から放出された燃料は、膜電極接合体210のアノード(燃料極)222に供給される。以後の作用は前述した燃料電池100における作用と同じである。
In such a configuration, the liquid fuel F stored in the
なお、燃料分配機構230から膜電極接合体210への燃料供給が行われる構成であればポンプ237に代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料Fの供給を制御するために設けられるものである。
In addition, as long as the fuel is supplied from the
次に、本発明の電解質膜10を備える燃料電池において、優れた出力特性が得られることを以下の実施例で説明する。
Next, in the fuel cell provided with the
(実施例1)
本発明における電解質膜を次のように作製した。
支持基板として機能する厚さが25μm、気孔率が45%の多孔質ポリイミド基板(宇部興産製、ユーピレックスPT)の一方の表面に、RF(高周波)スパッタ(ULVAC製、CS−200 RF400W Ar30sccm 40℃)にて、多孔薄膜40として機能する厚さが0.5μmのSiO2からなる膜を成膜した。続いて、この多孔質ポリイミド基板をSi基板にカプトンテープで貼り付け、ヘキサメチルジシラザン(東京応化製、OAP)にて親水処理を行った。その後、乳酸エチルおよび酢酸ノルマルブチルで構成されたポジ型感光剤(東京応化製OFPR−800C LB)をスピンコートした後、ホットプレートにて100℃で1分間加熱した。スパッタによって形成された膜上に、孔が10μm、開孔率が63%で均等に開口され、全体が9分割するように露光されるCrマスクを使用して露光機(Canon製PLA501FA)にて露光(Mercury Lamp5A Supply3 0gap 露光時間15秒)した。その後、濃度が2.38w%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイト水溶液(東京応化製、NMD−3)で60秒現像し、水でリンスを行い、ホットプレートにて100℃で1分間ポストベークを行った。その後、バファード弗酸(ダイキン製、BHF63U)にて1μmのエッチング処理を行い、剥離液(東京応化製、ハクリ10)にてレジストを除去した。このようにして得られた膜にNafion溶液を真空含浸させて、第1の電解質および第2の電解質として機能する電解質を充填した。この作業を数回繰り返し、Nafionを膜全体に充填して、電解質膜を作製した。Example 1
The electrolyte membrane in the present invention was produced as follows.
On one surface of a porous polyimide substrate (Ube Industries, Upilex PT) having a thickness of 25 μm and a porosity of 45% that functions as a support substrate, RF (radio frequency) sputtering (ULVAC, CS-
また、白金担持グラファイト粒子をDE2020(Dupont社製)とホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを空気極ガス拡散層であるカーボンペーパに塗布した。そして、これを常温で乾燥し、空気極を作製した。 Further, platinum-supported graphite particles were mixed with DE2020 (manufactured by Dupont) with a homogenizer to prepare a slurry, which was applied to carbon paper which is an air electrode gas diffusion layer. And this was dried at normal temperature and the air electrode was produced.
また、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子をDE2020(Dupont社製)とホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを燃料極ガス拡散層であるカーボンペーパに塗布した。そして、これを常温乾燥し、燃料極を作製した。 Further, carbon particles carrying platinum ruthenium alloy fine particles were mixed with DE2020 (manufactured by Dupont) with a homogenizer to prepare a slurry, which was applied to carbon paper as a fuel electrode gas diffusion layer. And this was dried at normal temperature and the fuel electrode was produced.
作製した空気極および燃料極で、上記作製した電解質膜10を挟持し、温度が120℃、圧力が10kgf/cm2の条件でプレスして膜電極接合体(MEA)を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに12cm2とした。The produced
続いて、この膜電極接合体を、空気および気化したメタノールを取り入れるための複数の開孔を有する金箔で挟み、燃料極導電層および空気極導電層を形成した。 Subsequently, the membrane electrode assembly was sandwiched between gold foils having a plurality of holes for taking in air and vaporized methanol to form a fuel electrode conductive layer and an air electrode conductive layer.
上記した膜電極接合体(MEA)、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。なお、膜電極接合体の空気極側と一方のフレームとの間、膜電極接合体の燃料極側と他方のフレームとの間には、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。 The laminate in which the membrane electrode assembly (MEA), the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer described above were stacked was sandwiched between two resin-made frames. In addition, a rubber O-ring was sandwiched between the air electrode side of the membrane electrode assembly and one frame, and between the fuel electrode side of the membrane electrode assembly and the other frame, respectively. .
また、燃料極側のフレームは、気液分離膜を介して、液体燃料タンクにネジ止めによって固定した。気液分離膜には、厚さが0.1mmのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上には多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上には、空気取り入れのための空気導入口(口径3mm、口数56個)が形成された厚さが2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。 Also, the fuel electrode side frame was fixed to the liquid fuel tank by screwing through a gas-liquid separation membrane. A silicone sheet having a thickness of 0.1 mm was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate was disposed on the air electrode side frame to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a stainless steel plate (SUS304) with a thickness of 2 mm in which air inlets for intake of air (diameter 3 mm, number of ports 56) are formed is arranged to form a surface cover layer and screwed Fixed by.
上記したように形成された燃料電池の液体燃料タンクに、純メタノールを5ml注入し、温度25℃、相対湿度50%の環境で、開回路状態での電圧、電流値と電圧値とから出力の最大値を測定した。また、表面カバー層の表面に取り付けた熱電対によって、燃料電池の表面温度の最大値を測定した。
5 ml of pure methanol is injected into the liquid fuel tank of the fuel cell formed as described above, and the output of the voltage, current value and voltage value in the open circuit state in an environment of temperature 25 ° C. and
測定の結果、開回路状態の電圧は、0.58V、出力の最大値は、22.3mW/cm2であり、燃料電池の表面温度の最大値は、42.5℃であった。As a result of the measurement, the voltage in the open circuit state was 0.58 V, the maximum value of the output was 22.3 mW / cm 2 , and the maximum value of the surface temperature of the fuel cell was 42.5 ° C.
(比較例1)
比較例1で使用された電解質膜の作製方法は、厚さが25μm、気孔率が45%の多孔質ポリイミド基板(宇部興産製、ユーピレックスPT)の表面に、RFスパッタでSiO2からなる膜を成膜し、分割されずに一体で露光させるCrマスクを用いてパターンを形成してエッチングした以外は、実施例1の電解質膜の作製方法と同じである。なお、開回路状態での電圧、電流値と電圧値とから出力の最大値および燃料電池の表面温度の最大値の測定方法および測定条件は、実施例1における測定方法および測定条件と同じである。(Comparative Example 1)
The electrolyte membrane used in Comparative Example 1 was prepared by applying a film made of SiO 2 by RF sputtering on the surface of a porous polyimide substrate (Ube Industries, Upilex PT) having a thickness of 25 μm and a porosity of 45%. The method is the same as that for the electrolyte membrane of Example 1, except that the pattern is formed using a Cr mask that is exposed without being divided, and is integrally exposed. Note that the measurement method and measurement conditions for the maximum value of output and the maximum value of the surface temperature of the fuel cell from the voltage, current value and voltage value in the open circuit state are the same as the measurement method and measurement conditions in Example 1. .
測定の結果、開回路状態の電圧は、0.51V、出力の最大値は、12.6mW/cm2であり、燃料電池の表面温度の最大値は、45.2℃であった。As a result of the measurement, the voltage in the open circuit state was 0.51 V, the maximum value of the output was 12.6 mW / cm 2 , and the maximum value of the surface temperature of the fuel cell was 45.2 ° C.
(比較例2)
比較例2では、電解質膜として、厚さが50μmのDupont社製のNafion112膜を使用した。それ以外の構成は、実施例1の燃料電池の構成と同じである。なお、開回路状態での電圧、電流値と電圧値とから出力の最大値および燃料電池の表面温度の最大値の測定方法および測定条件は、実施例1における測定方法および測定条件と同じである。(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a
測定の結果、開回路状態の電圧は、0.48V、出力の最大値は、11.8mW/cm2であり、燃料電池の表面温度の最大値は、47.5℃であった。As a result of the measurement, the voltage in the open circuit state was 0.48 V, the maximum value of the output was 11.8 mW / cm 2 , and the maximum value of the surface temperature of the fuel cell was 47.5 ° C.
(実施例および比較例の測定結果の検討)
表1には、上記した実施例1および比較例1〜2の測定結果を示す。(Examination of measurement results of Examples and Comparative Examples)
Table 1 shows the measurement results of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 described above.
表1に示された測定結果から、出力の最大値は、実施例1の方が比較例1〜2よりも高い値を示した。また、燃料電池の表面温度の最大値は、実施例1の方が比較例1〜2よりも低い値を示した。 From the measurement results shown in Table 1, the maximum value of the output of Example 1 was higher than that of Comparative Examples 1 and 2. Moreover, the maximum value of the surface temperature of the fuel cell was lower in Example 1 than in Comparative Examples 1 and 2.
ここで、メタノールのクロスオーバが生じると、空気極触媒層に移動したメタノールは、空気極触媒層近傍に存在する酸素と直接反応して、水と二酸化炭素を生成する。この反応は、発熱反応であるため温度が上昇する。さらに、酸素がその発熱反応に使用されるため、空気極触媒層の酸素濃度が低下して、電位が下がり出力が低下する。 Here, when the methanol crossover occurs, the methanol that has moved to the air electrode catalyst layer directly reacts with oxygen present in the vicinity of the air electrode catalyst layer to generate water and carbon dioxide. Since this reaction is an exothermic reaction, the temperature rises. Furthermore, since oxygen is used for the exothermic reaction, the oxygen concentration in the air electrode catalyst layer is lowered, the potential is lowered, and the output is lowered.
上記現象を考慮すると、比較例1〜2の場合には、メタノールのクロスオーバ(MCO)が発生したことが推測される。また、比較例1において、多孔質ポリイミド基板の一方の表面に成膜されたSiO2からなる膜には、変形やこの膜に形成された貫通孔を破壊源とするクラックが発生していた。これにより、メタノールのクロスオーバが抑制できなかったものと考えられる。また、比較例2において、電解質膜にNafion112膜を使用した場合には、電解質膜が膨潤し、メタノールのクロスオーバが抑制できなかったものと考えられる。
Considering the above phenomenon, it is presumed that methanol crossover (MCO) occurred in Comparative Examples 1 and 2. Further, in Comparative Example 1, deformation or a crack with a through hole formed in the film as a fracture source occurred in the film made of SiO 2 formed on one surface of the porous polyimide substrate. Thereby, it is considered that methanol crossover could not be suppressed. In Comparative Example 2, when a
以上の結果から、実施例1においては、支持基板の表面上に、複数の多孔薄膜を所定の間隙を設けて分割して形成することで、多孔薄膜層内における応力集中を緩和し、多孔薄膜層の変形を防止することができたので、メタノールの透過を抑制することができたものと考えられる。また、本発明の電解質膜10を備える燃料電池において、優れた出力特性が得られることがわかった。
From the above results, in Example 1, a plurality of porous thin films are divided and formed on the surface of the support substrate with a predetermined gap, thereby reducing the stress concentration in the porous thin film layer. It is considered that the permeation of methanol could be suppressed because the deformation of the layer could be prevented. It was also found that excellent output characteristics can be obtained in the fuel cell including the
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
また、膜電極接合体(MEA)へ供給される液体燃料の蒸気においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。 In addition, even in the liquid fuel vapor supplied to the membrane electrode assembly (MEA), all the liquid fuel vapor may be supplied, but the present invention can be applied even when a part of the liquid fuel vapor is supplied in a liquid state. Can be applied.
本発明の態様に係る電解質膜によれば、支持基板の表面上に、複数の多孔薄膜を所定の間隙を設けて分割して形成することで、多孔薄膜層内における応力集中を緩和することができ、多孔薄膜層の変形を防止することができる。これによって、メタノールの透過を抑制することができる。また、支持基板を機械的強度の高い有機多孔質体で構成することで、十分な機械的強度が得られ、さらに、薄膜化が図れ、低インピーダンスが得られる。本発明の態様に係る電解質膜は、例えば、液体燃料直接供給型の燃料電池における電解質膜として有効に利用される。また、本発明の態様に係る電解質膜を備えた燃料電池によれば、小型で性能が高く、安定した高い出力を供給することができ、例えば、液体燃料直接供給型の燃料電池に有効に利用される。 According to the electrolyte membrane according to the aspect of the present invention, stress concentration in the porous thin film layer can be alleviated by forming a plurality of porous thin films on the surface of the support substrate by providing predetermined gaps. And deformation of the porous thin film layer can be prevented. Thereby, permeation of methanol can be suppressed. In addition, by configuring the support substrate with an organic porous body having high mechanical strength, sufficient mechanical strength can be obtained, and further, the thickness can be reduced and low impedance can be obtained. The electrolyte membrane according to the embodiment of the present invention is effectively used as an electrolyte membrane in a liquid fuel direct supply type fuel cell, for example. In addition, according to the fuel cell including the electrolyte membrane according to the aspect of the present invention, it is possible to supply a small, high-performance, stable and high output, for example, effective in a liquid fuel direct supply type fuel cell. Is done.
Claims (8)
前記支持基板に充填されたプロトン伝導性を有する第1の電解質と、
前記支持基板の一方の面上に、厚さ方向に貫通孔を有する複数の多孔薄膜が所定の間隙を設けて分割して形成された多孔薄膜層と、
前記多孔薄膜の貫通孔内に充填されたプロトン伝導性を有する第2の電解質と
を具備することを特徴とする電解質膜。A support substrate made of a porous material;
A first electrolyte having proton conductivity filled in the support substrate;
A porous thin film layer formed by dividing a plurality of porous thin films having through holes in a thickness direction on one surface of the support substrate by providing a predetermined gap;
An electrolyte membrane comprising: a proton-conducting second electrolyte filled in a through-hole of the porous thin film.
前記第2の電解質が、前記多孔薄膜の各多孔薄膜との間隙にさらに充填されていることを特徴とする電解質膜。The electrolyte membrane according to claim 1,
The electrolyte membrane, wherein the second electrolyte is further filled in a gap between each porous thin film and the porous thin film.
前記支持基板を構成する多孔質体が、有機物からなることを特徴とする電解質膜。The electrolyte membrane according to claim 1,
An electrolyte membrane, wherein the porous body constituting the support substrate is made of an organic substance.
前記多孔薄膜が、無機物からなることを特徴とする電解質膜。The electrolyte membrane according to claim 1,
The electrolyte membrane, wherein the porous thin film is made of an inorganic material.
前記複数の多孔薄膜における前記支持基板の一方の面に対向する断面形状が、それぞれ同一であることを特徴とする電解質膜。The electrolyte membrane according to claim 1,
The electrolyte membrane, wherein the plurality of porous thin films have the same cross-sectional shape facing one surface of the support substrate.
前記複数の多孔薄膜における前記支持基板の一方の面に対向する断面形状が、2種以上の異なる形状を有することを特徴とする電解質膜。The electrolyte membrane according to claim 1,
The electrolyte membrane, wherein the plurality of porous thin films have two or more different cross-sectional shapes opposed to one surface of the support substrate.
料電池であって、
前記電解質膜が、請求項1乃至6のいずれか1項記載の電解質膜であること特徴とする
燃料電池。A fuel cell comprising a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode,
The fuel cell, wherein the electrolyte membrane is the electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6.
前記電解質膜が、前記多孔薄膜層を前記燃料極側に向けて配設されていることを特徴と
する燃料電池。The fuel cell according to claim 7, wherein
The fuel cell, wherein the electrolyte membrane is disposed with the porous thin film layer facing the fuel electrode.
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