WO2006101033A1 - 燃料電池 - Google Patents

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WO2006101033A1
WO2006101033A1 PCT/JP2006/305364 JP2006305364W WO2006101033A1 WO 2006101033 A1 WO2006101033 A1 WO 2006101033A1 JP 2006305364 W JP2006305364 W JP 2006305364W WO 2006101033 A1 WO2006101033 A1 WO 2006101033A1
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liquid fuel
fuel cell
anode
fuel tank
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French (fr)
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Nobuyasu Negishi
Hiroyuki Hasebe
Original Assignee
Kabushiki Kaisha Toshiba
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell in which vaporized fuel obtained by vaporizing liquid fuel is supplied to an anode catalyst layer, and more particularly to a fuel cell that can exhibit good cell characteristics with little deformation of a power generation unit.
  • Fuel cells have the advantage of being able to generate electricity simply by supplying fuel and air as an oxidant, and that they can generate electricity continuously for a long period of time if only fuel is supplied. J. If the model is realized, it can be said to be an extremely advantageous system as an operating power source for portable electronic devices.
  • direct methanol fuel cells use methanol with high energy density as fuel and can directly extract current from methanol on the electrocatalyst, so there is no need for a reformer. Therefore, it is promising as a power supply for small equipment because it is easier to handle fuel and is easier than a battery that uses hydrogen gas as fuel.
  • the fuel supply method in the DMFC includes a gas supply type DMFC in which liquid fuel is vaporized and then fed into the fuel cell with a blower or the like, and a liquid supply type in which liquid fuel is directly fed into the fuel cell with a pump or the like DMFCs and internal vaporization type DMFCs as shown in Patent Document 1 are also known.
  • An internal vaporization type DMFC shown in Patent Document 1 includes a fuel permeation layer for holding liquid fuel, and a fuel vaporization layer for diffusing a vaporized component of the liquid fuel held in the fuel permeation layer. Therefore, the vaporized liquid fuel is supplied to the fuel vaporization layer fuel electrode.
  • an aqueous methanol solution in which methanol and water are mixed at a molar ratio of 1: 1 is used as the liquid fuel, and both methanol and water are supplied to the fuel electrode in the form of vaporized gas. is doing.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3413111
  • the membrane electrode assembly constituting the power generation unit and the conductive layer bonded to the power generation unit are both formed of a thin material or metal foil having soft elasticity or flexibility, while the power generation unit includes Since a space for storing vaporized fuel is formed in the upper part of the opposed liquid fuel tank, even if the tightening pressure between the outer case and the fuel tank is increased, the upper space of the liquid fuel tank facing the power generation unit The power generation part is easily squeezed on the side, the adhesion between the members in the membrane electrode assembly constituting the power generation part decreases, and the current collection characteristics with the current collector that draws current from the power generation part change, There was a problem that the battery output was likely to decrease.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and can effectively prevent deformation of the power generation section of the fuel cell that employs a method of supplying a vaporized component of liquid fuel to the anode catalyst layer. It aims at providing the fuel cell which can demonstrate.
  • a fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly in which a proton conductive membrane is disposed between a force sword catalyst layer and an anode catalyst layer, and the force sword catalyst layer.
  • An outer case having an air inlet for supplying air, a force sword conductive layer arranged on the force sword catalyst layer side of the membrane electrode assembly, and an anode conductive layer arranged on the anode catalyst layer side of the membrane electrode assembly
  • a liquid fuel tank for storing fuel for supplying a vaporized component of the liquid fuel to the anode catalyst layer, and supporting the anode conductive layer and the membrane electrode assembly on the outer case side.
  • the supporting protrusion to be pressed protrudes from the bottom of the liquid fuel tank.
  • the membrane electrode assembly constituting the power generation unit and the conductive layer bonded to the power generation unit are pressed against the exterior case side by the support protrusions, so that the liquid fuel tank of the power generation unit facing the power generation unit It is possible to effectively prevent the power generation unit from being trapped in the upper space side, and configure the power generation unit.
  • the degree of adhesion between the members is increased. Therefore, the battery output characteristics can be improved with little change in current collection characteristics.
  • the area ratio of the cross-sectional area of the support protrusion to the cross-sectional area of the liquid fuel tank is in the range of 3 to 50%. If the area ratio of the support protrusions is too small (less than 3%), the action of pressing the anode conductive layer and membrane electrode assembly to the exterior case side by the support protrusions is insufficient, and the stagnation of the power generation section is eliminated. Therefore, the adhesion between the constituent members becomes insufficient, and the impedance between the anode and the electrode of the force sword increases, and the battery characteristics deteriorate.
  • the area ratio of the support protrusions exceeds 50%, the volume of the support protrusions in the liquid fuel tank relatively increases, so the fuel gas circulation volume (fuel path) decreases. Battery output also decreases because the amount of fuel supply decreases. Therefore, the area ratio of the support protrusion is in the range of 3-50%, but the range of 4-40% is more preferable, and the range of 5-30% is more preferable.
  • the number of the support protrusions is not limited to one, and a plurality of support protrusions may be dispersed and set up.
  • the tip of the support protrusion comes into contact with each central portion in the width direction, and a plurality of such support protrusions are spaced apart in the longitudinal direction of the anode conductive layer. It is preferable to arrange them so that stress generated in the power generation unit can be dispersed.
  • the cross-sectional area of the support protrusion means the total value of the cross-sectional areas of the support protrusions.
  • the center axial force of the air introduction port formed in the outer case is shifted from the center axis of the support protrusion.
  • the center axis of the air inlet port is configured to coincide with the central axis of the support protrusion, the support pressing force by the support protrusion does not act on the exterior case, and the thin power generator It becomes easy to escape from the air inlet, and the pressing force for bringing the components of the power generation unit into close contact with each other becomes insufficient, and the current collecting performance is deteriorated and the power generation characteristics are deteriorated.
  • the support protrusion has a reduced diameter in a direction from the liquid fuel tank to the anode conductive layer.
  • the inclination angle of the side surface of the support protrusion is about 1 to 3 degrees with respect to the central axis.
  • the support protrusion is a columnar shape, a truncated cone shape, or a quadrangular prism shape, the flow resistance of the fuel in the fuel tank can be lowered.
  • the support protrusion is configured so that its diameter decreases in the direction from the liquid fuel tank to the anode conductive layer, so that when the fuel tank and the support protrusion are integrally formed by injection molding or the like, the angle of the support protrusion is reduced. Therefore, the molded product can be easily taken out from the mold.
  • the shape of the support protrusion is not particularly limited as long as it is a structure that can support the membrane electrode assembly such as a columnar shape, a truncated cone shape, or a quadrangular prism shape.
  • a plurality of beam-like projection plates 17 and 17 erected from the bottom of the liquid fuel tank 9 may be combined in a cross-beam shape.
  • the projection plate 17 has a plurality of liquid fuel flow holes 18 facing the bottom surface of the liquid fuel tank 9, and a fixed projection 19 formed on the bottom.
  • a groove 20 is formed in the upper edge portion for fitting another projecting plate 17 (vertical projecting plate in FIG. 5) that intersects directly.
  • the projection plate 17 is integrally fixed to the liquid fuel tank 9 by fitting the fixing projection 19 formed at the lower portion of the projection plate 17 into the fitting hole 21 formed at the bottom of the liquid fuel tank 9. .
  • the liquid fuel in the liquid fuel tank 9 can move through the flow hole 18, so that a sufficient flow path for liquid fuel can be secured.
  • FIGS. 7 to 9 may be employed as a structure for attaching the support protrusion 16 that supports the membrane electrode assembly to the liquid fuel tank 9. That is, as shown in FIG. 7, the fixing protrusion 19 formed on the lower end surface of the supporting protrusion 16a is fitted into the fitting hole 21 formed on the bottom of the liquid fuel tank 9, so that the supporting protrusion 16a is It is fixed integrally with.
  • a plurality of support protrusions 16b that are erected, a substrate 22 that defines an arrangement interval of the support protrusions 16b, and a fixing protrusion 19 that is formed on the back surface of the substrate 22 are combined.
  • a molded body formed into a body is prepared, and the support protrusions 16b are integrally fixed to the liquid fuel tank 9 by fitting the fixing protrusions 19 into the fitting holes 21 formed at the bottom of the liquid fuel tank 9. Is done.
  • a molded body is prepared by integrally molding a plurality of support protrusions 16c that are erected and a substrate 22a that defines the spacing between the support protrusions 16c.
  • a structure in which the substrate 22a and the support protrusions 16c are integrally fixed to the liquid fuel tank 9 through the welded portion 23 by resin-welding the base plate 22a to the bottom of the liquid fuel tank 9 may be employed.
  • the liquid fuel tank and the support protrusion As a material constituting the liquid fuel tank and the support protrusion, when the liquid fuel tank is formed of resin or metal, a force S that combines metal or resin support protrusions S is preferable. .
  • the liquid fuel tank is made of metal, it is manufactured by die pressing, etching force, cutting, or the like.
  • the liquid fuel tank is formed of resin, it is manufactured by cutting, injection molding, or the like.
  • the support protrusions are made by cutting or mold processing in either case of resin or metal.
  • the metal material is preferably a material having high chemical resistance such as stainless steel or ceramic material. Moreover, the material which applied the chemical-resistant coating layer to the usual metal material may be used. On the other hand, as the resin material, a thermoplastic material having chemical resistance such as PPS (polyphenylene sulfide) and PEEK (polyether ether ketone) can be suitably used.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PEEK polyether ether ketone
  • a moisturizing plate that suppresses transpiration of water generated in the power sword catalyst layer is disposed between the outer case and the power sword catalyst layer.
  • the liquid fuel is preferably a methanol aqueous solution having a concentration exceeding 50 mol% or liquid methanol.
  • the proton conductive membrane preferably contains a perfluorocarbon-based resin and has a thickness of 100 ⁇ m or less.
  • the membrane electrode assembly constituting the power generation unit and the conductive layer bonded thereto are pressed against the exterior case by the support protrusion, so that the liquid fuel facing the power generation unit It is possible to effectively prevent the power generation unit from standing in the upper space side of the tank, and the degree of adhesion between the members constituting the power generation unit is increased. Therefore, the current collection characteristics rarely change. The battery output characteristics can be improved.
  • the present inventors have supported the anode conductive layer and the membrane electrode assembly and pressed the support protrusion that presses the outer case side toward the liquid fuel.
  • the degree of adhesion between the components constituting the power generation unit is improved.
  • the current collection characteristics can be kept constant without changing, and the output characteristics of the battery can be improved.
  • the power generation unit may be sandwiched between a fuel tank and an exterior case that do not require a highly rigid presser plate to be separately provided on the anode conductive layer side. It was also found that the battery configuration can be simplified.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing an assembled state of the fuel cell according to the present embodiment.
  • the membrane electrode assembly (MEA) 1 includes a force sword electrode composed of a force sword catalyst layer 2 and a force sword gas diffusion layer 4, an anode catalyst layer 3 and an anode gas diffusion layer. 5, an anode electrode, and a proton conductive electrolyte membrane 6 disposed between the force sword catalyst layer 2 and the anode catalyst layer 3.
  • Examples of the catalyst contained in the force sword catalyst layer 2 and the anode catalyst layer 3 include platinum group element simple metals (Pt, Ru, Rh, Ir, Os, Pd, etc.) and platinum group elements.
  • Pt_Ru platinum group element simple metals
  • platinum group elements platinum group elements.
  • the ability to cite alloys and the like It is desirable to use Pt_Ru, which is highly resistant to methanol and carbon monoxide, as the anode catalyst, and platinum as the power sword catalyst, but it is not limited to this.
  • a supported catalyst using a conductive support such as a carbon material may be used, or an unsupported catalyst may be used.
  • Examples of the proton conductive material constituting the proton conductive electrolyte membrane 6 include fluorinated resins having a sulfonic acid group (for example, perfluorosulfonic acid polymer), sulfonic acid, and the like. Forces such as hydride-containing carbon-based resin having a group, inorganic substances such as tungstic acid and phosphotungstic acid are not limited to these.
  • the force sword catalyst layer 2 is laminated on the lower surface side of the force sword gas diffusion layer 4, while the anode catalyst layer 3 is laminated on the upper surface side of the anode gas diffusion layer 5.
  • the cathode gas diffusion layer 4 also serves as a current collector for the power sword catalyst layer 2, which plays a role of uniformly supplying the oxidizing agent to the power sword catalyst layer 2.
  • the anode gas diffusion layer 5 serves to uniformly supply fuel to the anode catalyst layer 3 and also serves as a current collector for the anode catalyst layer 3.
  • the force sword conductive layer 7a and the anode conductive layer 7b are in contact with the force sword gas diffusion layer 4 and the anode gas diffusion layer 5, respectively.
  • porous layers for example, meshes
  • the rectangular frame-shaped force sword seal material 8a is located between the force sword conductive layer 7a and the proton conductive electrolyte membrane 6 and hermetically surrounds the force sword catalyst layer 2 and the force sword gas diffusion layer 4.
  • the rectangular frame-shaped anode sealing material 8b is positioned between the anode conductive layer 7b and the proton conductive electrolyte membrane 6 and hermetically surrounds the anode catalyst layer 3 and the anode gas diffusion layer 5.
  • the force sword seal material 8a and the anode seal material 8b are O-rings for preventing fuel leakage and oxidant leakage from the membrane electrode assembly 1.
  • a liquid fuel tank 9 is disposed below the membrane electrode assembly 1.
  • a plurality of support protrusions 16 are provided so as to support the anode conductive layer 7b and the membrane electrode assembly 1 and press them toward the outer case 15 side.
  • Each support protrusion 16 is formed in a shape that decreases in diameter in the direction from the liquid fuel tank 9 to the anode conductive layer 7b.
  • the total area value of the cross-sectional areas of the base portions of the plurality of support protrusions 16 occupies 7% of the cross-sectional area of the space portion of the liquid fuel tank 9.
  • an outer case 15 is mounted on the upper surface side of the membrane electrode assembly 1 via a moisturizing plate 13 to be described later, and air is introduced into the outer case 15 for introducing air into the battery. Mouth 14 is drilled.
  • the positions of both of the air introduction port 14 formed in the outer case 15 are defined so that the center axis C1 of the air introduction port 14 is shifted from the center axis C2 of the support protrusion 16.
  • the center axis C2 of the support protrusion 16 is positioned at the middle position between the plurality of adjacent air inlets 14 and 14, so that the center axis C1 of the air inlet 14 and the center of the support protrusion 16 are centered.
  • the position of both is defined so that the axis C2 does not match.
  • the liquid fuel tank 9 contains liquid fuel L such as liquid methanol or aqueous methanol solution.
  • liquid fuel L such as liquid methanol or aqueous methanol solution.
  • a fuel vaporization layer 17 that allows only the vaporized component of the liquid fuel to permeate through the open end of the liquid fuel tank 9 and does not allow liquid fuel to permeate is disposed.
  • the vaporization component of liquid fuel means vaporized methanol when liquid methanol is used as the liquid fuel, and vaporization component of methanol and water when methanol aqueous solution is used as the liquid fuel. It means a mixed gas composed of components.
  • a moisturizing plate 13 that suppresses the transpiration of water generated in the force sword catalyst layer may be laminated on the force sword conductive layer 7 a laminated on the membrane electrode assembly 1.
  • An outer case 15 in which a plurality of air inlets 14 for taking in air as an oxidant is formed is laminated on the moisture retaining plate 13.
  • the outer case 15 also serves to pressurize the stack including the membrane electrode assembly 1 and increase its adhesion, so that a metal force such as SUS304 is formed.
  • the moisturizing plate 13 serves to suppress the transpiration of the water generated in the force sword catalyst layer 2 and uniformly introduces an oxidant into the force sword gas diffusion layer 4 to uniformly distribute the oxidant to the force sword catalyst layer 2. It also serves as an auxiliary diffusion layer that promotes diffusion.
  • the liquid fuel for example, aqueous methanol solution
  • the vaporized methanol and water are gas-liquid.
  • the separation membrane 10 is diffused and once stored in the vaporized fuel storage chamber 12, from which it is gradually diffused through the anode gas diffusion layer 5 and supplied to the anode catalyst layer 3.
  • the protons (H + ) generated by these internal reforming reactions diffuse through the proton conductive electrolyte membrane 6 and reach the force sword catalyst layer 3.
  • the air taken in from the air inlet 14 of the outer case 15 diffuses through the moisture retention plate 13 and the force sword gas diffusion layer 4 and is supplied to the force sword catalyst layer 2.
  • water is generated by the reaction shown in the following formula (2), that is, a power generation reaction occurs.
  • the water generated in the force sword catalyst layer 2 by the reaction of the above-described formula (2) etc. diffuses in the force sword gas diffusion layer 4 and reaches the moisture retention plate 13 to reach the moisture retention plate 13. 13 prevents transpiration and increases the amount of water stored in the power sword catalyst layer 2. Therefore, it is possible to create a state in which the water retention amount of the force sword catalyst layer 2 is larger than the moisture retention amount of the anode catalyst layer 3 as the power generation reaction proceeds.
  • the reaction of water generated in the cathode catalyst layer 2 through the proton conductive electrolyte membrane 6 and moving to the anode catalyst layer 3 is promoted by the osmotic pressure phenomenon, so that water supply to the anode catalyst layer 3 is achieved.
  • the speed can be increased, and the internal reforming reaction of methanol shown in the above formula (1) can be promoted. For this reason, the output density can be increased and the high output density can be maintained for a long period of time.
  • the water diffused from the force sword catalyst layer 2 to the anode catalyst layer 3 is used in the internal reforming reaction. Since it is used exclusively and water supply to the anode catalyst layer 3 is performed stably, the reaction resistance of the internal reforming reaction of methanol can be further reduced, and the long-term output characteristics and load current can be reduced. The characteristics can be further improved. It is also possible to reduce the size of the liquid fuel tank.
  • the purity of pure methanol is desirably 95% by weight or more and 100% by weight or less.
  • the maximum output of the battery can be increased by setting the thickness of the denatured film 6 to a range of 100 ⁇ m or less.
  • the reason why a high output can be obtained by reducing the thickness of the proton conductive electrolyte membrane 6 to 100 / m or less in this way can further promote the diffusion of water from the force sword catalyst layer 2 to the anode catalyst layer 3. Because it became.
  • the thickness of the proton conductive electrolyte membrane 6 is less than 10 ⁇ m, the strength of the electrolyte membrane 4 may decrease.
  • the thickness of the proton conductive electrolyte membrane 6 is 10 to 100 ⁇ m. It is more preferable to set the range. More preferably, it is in the range of 10 to 80 ⁇ .
  • the membrane electrode assembly 1 constituting the power generation unit and the conductive layers 7a, 7b joined thereto are pressed against the outer case 15 side by the support protrusions 16. It is possible to effectively prevent the power generation unit from being caught in the upper space side of the liquid fuel tank 9 facing the power generation unit, and the degree of adhesion between the members constituting the power generation unit is increased. Therefore, the battery output characteristics can be improved with little change in current collection characteristics.
  • the area ratio of the cross-sectional area of the support protrusion 16 to the cross-sectional area of the liquid fuel tank 9 is appropriately set to 10%, the anode conductive layer 7b and the membrane electrode assembly 1 by the support protrusion 16 are The effect of pressing toward the outer case 15 is fully exerted, the deflection of the power generation section is eliminated, the adhesion between the components is sufficient, and the impedance between the anode and force sword electrodes is reduced, improving the battery characteristics To do.
  • the plurality of support protrusions 16 are erected and spaced apart from each other, it is possible to disperse the stress generated in the power generation unit. Further, since the central axis C1 of the air inlet 14 formed in the outer case 15 is arranged so as to deviate from the central axis C2 of the support protrusion 16, the support pressing force by the support protrusion 16 is thin. Acts effectively on the outer case 15 where the air inlet 14 force cannot escape through the power generation section. Accordingly, the pressing force for bringing the constituent members of the power generation unit into close contact with each other becomes sufficient, and the current collecting property is hardly lowered.
  • the support protrusion 16 is configured to reduce the diameter in the direction from the liquid fuel tank 9 to the anode conductive layer 7b, the liquid fuel tank 9 and the support protrusion 16 are combined into one by injection molding or the like. When molded, the support protrusion 16 has a draft angle so that the molded product can be easily removed from the mold.
  • the liquid fuel stored in the liquid fuel tank 9 is not necessarily limited to methanol fuel.
  • ethanol fuel such as ethanol aqueous solution and pure ethanol
  • propanol fuel such as aqueous propanol solution and pure propanol
  • aqueous glycol solution aqueous glycol solution.
  • Nalcoic fuel such as pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuels.
  • liquid fuel corresponding to the fuel cell is stored in the liquid fuel tank 9.
  • the obtained paste was applied to a porous carbon paper as an anode gas diffusion layer to obtain an anode catalyst layer having a thickness of 450 ⁇ m.
  • a perfluorocarbon sulfonic acid solution, water, and methoxypropanol were added to a force sword catalyst (Pt) -supported carbon black, and the catalyst-supported carbon black was dispersed to prepare a paste.
  • the obtained paste was applied to a porous carbon paper as a force sword gas diffusion layer to obtain a force sword catalyst layer having a thickness of 400 ⁇ m.
  • a perfluorocarbon sulfonic acid membrane having a thickness of 30 ⁇ m and a water content of 10 to 20% by mass as a proton conductive electrolyte membrane.
  • Membrane / electrode assembly ME A was obtained by placing a hot press on them. Further, a gold foil having a predetermined shape was attached to the force sword gas diffusion layer 4 and the anode gas diffusion layer 5 as the force sword conductive layer 7a and the anode conductive layer 7b.
  • Silicone rubber with a thickness of 100 xm and a hardness of 50 ° (JIS ⁇ 6253) is used as the fuel vaporization layer. Thought /
  • the thickness is 500 ⁇
  • the air permeability is 2 sec / 100 cm 3 ilS P— 811 7
  • the moisture permeability is 000 g / m 2 '24h iIS L— 1099 A— 1 method) polyethylene porous film was prepared.
  • liquid fuel tanks each provided with a plurality of support protrusions each having a side surface formed at an inclination angle (drawing angle) of 3 degrees in the axial direction were prepared.
  • Each liquid fuel tank was prepared so that the total value of the cross-sectional areas of the support protrusions in each liquid fuel tank varied within the range of 365% of the cross-sectional area of the liquid fuel tank.
  • the obtained membrane electrode assembly 1, the force sword conductive layer 7a, the anode conductive layer 7b, the moisture retention plate 13, the liquid fuel tank 9, and the fuel vaporization layer 17 are laminated and fixed to have the structure shown in FIG.
  • An internal vaporization type direct methanol fuel cell according to the example was assembled. At this time, the fuel tank contained 2 mL of pure methanol having a purity of 99.9% by weight.
  • Comparative Example having the same structure as the Example except that the supporting protrusion 16 formed in the example is not formed and a highly rigid porous metal plate is interposed between the anode conductive layer 7b and the liquid fuel tank 9. Assemble the internal vaporization type direct methanol fuel cell according to No. 2
  • the membrane electrode assembly 1 constituting the power generation unit and the conductive layer 7a 7b joined thereto are pressed against the outer case 15 side by the support protrusions 16.
  • the battery output characteristics could be improved.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the area ratio of the support protrusions and the average value of the battery output when the fuel cell according to each example is rated
  • FIG. 4 is the graph showing the area ratio of the support protrusions and the electrodes. It is a graph which shows the relationship with the average value of impedance between.
  • the area ratio of the total cross-sectional area of the support protrusions to the cross-sectional area of the space portion of the liquid fuel tank is set to a range of 50% or less. Compared to the case where no battery is provided, the average battery output can be reduced within 10%.
  • the area ratio of the total cross-sectional area of the support protrusions to the cross-sectional area of the space portion of the liquid fuel tank is set to 3% or more, so that It has been found that the impedance can be greatly reduced.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, but can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the spirit of the invention in the implementation stage.
  • Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments. 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.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structural example of a direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing an assembled state of the fuel cell according to the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the area ratio of the support protrusion and the average value of the battery output when the fuel cell according to each example is rated-operated. 4] A graph showing the relationship between the area ratio of the support protrusions and the average value of the impedance between the electrodes in the fuel cell according to each example.
  • FIG. 5 is a plan view showing another configuration example of the support protrusion.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI in FIG.
  • FIG. 7 A sectional view showing a configuration example in which the support protrusion is attached to the liquid fuel tank.

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Abstract

　カソード触媒層２とアノード触媒層３との間にプロトン伝導性膜６を配置した膜電極接合体１と、上記カソード触媒層２に空気を供給する空気導入口１４を有する外装ケース１５と、上記膜電極接合体１のカソード触媒層２側に配置したカソード導電層７ａと、上記膜電極接合体１のアノード触媒層３側に配置したアノード導電層７ｂと、液体燃料の気化成分を上記アノード触媒層３に供給する燃料を貯留する液体燃料タンク９とを具備する燃料電池であって、上記アノード導電層７ｂおよび膜電極接合体１を支持し外装ケース１５側に押圧する支持突起１６が液体燃料タンク９の底部から突設されていることを特徴とする燃料電池である。上記構成によれば、液体燃料の気化成分をアノード触媒層に供給する方式の燃料電池であり、特に発電部の変形が少なく良好な電池特性を発揮できる燃料電池を提供できる。

Description

明 細 書
燃料電池
技術分野
[0001] 本発明は、液体燃料を気化させた気化燃料をアノード触媒層に供給する方式の燃 料電池に係り、特に発電部の変形が少なく良好な電池特性を発揮できる燃料電池に 関する。
背景技術
[0002] 近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器は、半導体技術の発 達と共に小型化され、燃料電池をこれらの小型機器用の電源に用いることが試みら れている。燃料電池は、燃料と酸化剤としての空気とを供給するだけで発電すること が可能であり、実質的に燃料のみを補給すれば長時間連続して発電できるという利 点を有しているため J、型化が実現すれば携帯電子機器の作動電源として極めて有 利なシステムといえる。特に、直接メタノール型燃料電池（DMFC ; direct methan ol fuel cell)は、エネルギー密度が高いメタノールを燃料として用い、メタノールか ら電極触媒上で直接電流を取り出せるため、改質器も不要なことから小型化が可能 であり、燃料の取り扱レ、も水素ガスを燃料として使用する電池と比較して容易なことか ら小型機器用電源として有望である。
[0003] 上記 DMFCにおける燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロア等 で燃料電池内に送り込む気体供給型 DMFCと、液体燃料をそのままポンプ等で燃 料電池内に送り込む液体供給型 DMFCと、更に、特許文献 1に示すような内部気化 型 DMFC等が知られてレヽる。
[0004] 特許文献 1に示す内部気化型 DMFCは、液体燃料を保持する燃料浸透層と、燃 料浸透層中に保持された液体燃料のうち気化成分を拡散させるための燃料気化層 とを備えるもので、気化した液体燃料が燃料気化層力 燃料極に供給される。特許 文献 1に記載された燃料電池では、液体燃料としてメタノールと水が 1： 1のモル比で 混合されたメタノール水溶液が使用され、メタノールと水の双方を気化ガスの形で燃 料極に供給している。 [0005] 特許文献 1：特許第 3413111号公報
[0006] このような特許文献 1に示す従来の内部気化型 DMFCによると、軟質な発電部が 変形し易く集電特性が変化し易いために十分に高い出力特性を得られなかった。す なわち、発電部を構成する膜電極接合体やそれに接合される導電層がいずれも軟 弾性または可撓性を有する薄体材料や金属箔で形成されてレ、る一方、上記発電部 に対向する液体燃料タンクの上部には気化燃料を貯留する空間が形成されているた めに、外装ケースと燃料タンクとの締め付け圧を高くしても、発電部が対向する液体 燃料タンクの上部空間側に発電部が橈み易くなり、発電部を構成する膜電極接合体 内の部材相互間の密着度が低下し、また発電部から電流を取り出す集電体との集電 特性が変化し、電池出力が低下し易い問題点があった。
[0007] また、上記発電部の変形を防止するために、剛性が高い押え板をアノード導電層 側に配置した構成も実用化されているが、この押え板によって燃料電池の小型化が 困難になる問題点もあった。
[0008] 発明の開示
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、液体燃料の気化成分 をアノード触媒層に供給する方式を採用した燃料電池の発電部の変形を効果的に 防止でき良好な電池特性を発揮できる燃料電池を提供することを目的とする。
[0009] 上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池は、力ソード触媒層とアノード触 媒層との間にプロトン伝導性膜を配置した膜電極接合体と、上記力ソード触媒層に 空気を供給する空気導入口を有する外部ケースと、上記膜電極接合体の力ソード触 媒層側に配置した力ソード導電層と、上記膜電極接合体のアノード触媒層側に配置 したアノード導電層と、液体燃料の気化成分を上記アノード触媒層に供給する燃料 を貯留する液体燃料タンクとを具備する燃料電池であって、上記アノード導電層およ び膜電極接合体を支持し外装ケース側に押圧する支持突起が液体燃料タンクの底 部から突設されてレ、ることを特徴とする。
[0010] 上記燃料電池によれば、発電部を構成する膜電極接合体やそれに接合される導 電層が支持突起によって外装ケース側に押圧されるために、発電部が対向する液体 燃料タンクの上部空間側に発電部が橈むことが効果的に防止でき、発電部を構成す る部材相互間の密着度が高まる。そのため集電特性が変化することが少なぐ電池 出力特性を向上させることができる。
[0011] また上記燃料電池において、前記支持突起の断面積が液体燃料タンクの断面積 に占める面積比率が 3〜50%の範囲であることが好ましい。この支持突起の面積比 率が 3%未満と過小な場合には、支持突起によるアノード導電層および膜電極接合 体を外装ケース側に押圧する作用が不十分であり、発電部の橈みが解消せず、構成 部材相互の密着性が不十分になると共に、アノードと力ソードの電極間のインピーダ ンスが高くなり電池特性が低下してしまう。一方、上記支持突起の面積比率が 50% を超えるように過大になると、液体燃料タンク内に占める支持突起の体積が相対的に 増加するために、燃料ガスの流通容積 (燃料パス）が減少し燃料供給量も減少してし まうために、電池出力が低下する。したがって、上記支持突起の面積比率は 3〜50 %の範囲とされるが、 4〜40%の範囲がより好ましぐ 5〜30%の範囲がさらに好まし レ、。
[0012] なお、上記支持突起の数は 1本に限らず複数本を分散して立設すると良い。特に 複数のアノード導電層が形成される場合に、その幅方向の各中央部に支持突起の 先端部が当接し、かつそのような支持突起がアノード導電層の長手方向に間隔をお いて複数本配置されるように構成することにより、発電部に生じる応力を分散させるこ とが可能になるので好ましい。この場合、支持突起の断面積は、各支持突起の断面 積の合計値を意味することは言うまでもない。
[0013] さらに上記燃料電池において、前記外装ケースに形成された空気導入口の中心軸 力 前記支持突起の中心軸から偏移していることが好ましい。この空気導入口の中 心軸が、前記支持突起の中心軸と一致するように構成した場合には、支持突起によ る支持押圧力が外装ケースに作用せずに、薄い発電部を介して空気導入口から逃 げ易くなり、発電部の構成部材相互を密着させる押圧力が不十分となり、集電性が 悪化し発電特性が低下してしまう。
[0014] また上記燃料電池において、前記支持突起が液体燃料タンクからアノード導電層 への方向に縮径していることが好ましい。この支持突起の側面の傾斜角度は中心軸 線に対して 1〜3度程度で十分である。 [0015] 上記支持突起は円柱状、円錐台状または四角柱状であれば、燃料タンク内におけ る燃料の流路抵抗を低くすることが可能である。特に上記支持突起が液体燃料タン クからアノード導電層への方向に縮径するように構成することにより、燃料タンクと支 持突起とを射出成形等により一体に成形した場合に支持突起に抜き角が形成される ため、成形品を成形型から容易に取り出すことが可能になる。
[0016] 上記支持突起の形状としては、円柱状、円錐台状または四角柱状など膜電極接合 体を支持できる構造であれば、その形状は特に限定されるものではない。
[0017] 具体的には、例えば図 5に示すように液体燃料タンク 9の底部から立設される複数 の梁状の突起板 17、 17を井桁状に組み合わせても良レ、。この突起板 17は、例えば 図 6に示すように、液体燃料タンク 9の底面に対向して液体燃料の流通穴 18が複数 形成されており、また底部には固定突起 19が形成されており、さらに上縁部には直 交する他の突起板 17 (図 5における縦方向の突起板）を嵌め込むための溝 20が形 成されている。上記突起板 17の下部に形成された固定突起 19を、液体燃料タンク 9 の底部に形成した嵌合穴 21に嵌合させることにより、突起板 17が液体燃料タンク 9 に一体的に固定される。
[0018] 上記突起板 17による取り付け構造によれば、液体燃料タンク 9内における液体燃 料が流通穴 18を通り移動自在であるために、液体燃料の移動流路が十分に確保で きる。
[0019] また、膜電極接合体を支持する前記支持突起 16の液体燃料タンク 9への取り付け 構造としては、図 7〜図 9に示す方式を採用することもできる。すなわち、図 7に示す ように支持突起 16aの下端面に形成した固定突起 19を、液体燃料タンク 9の底部に 形成した嵌合穴 21に嵌合させることにより、支持突起 16aが液体燃料タンク 9に一体 的に固定される。
[0020] さらに図 8に示すように、立設する複数の支持突起 16bと、それらの支持突起 16b の配置間隔を規定する基板 22と、この基板 22の背面に形成する固定突起 19とを一 体に成形した成形体を調製し、上記固定突起 19を、液体燃料タンク 9の底部に形成 した嵌合穴 21に嵌合させることにより、各支持突起 16bが液体燃料タンク 9に一体的 に固定される。 [0021] また図 9に示すように、立設する複数の支持突起 16cと、それらの支持突起 16cの 配置間隔を規定する基板 22aとを一体に成形した成形体を調製し、この成形体の基 板 22aを、液体燃料タンク 9の底部に樹脂溶着させることにより、溶着部 23を介して 基板 22aおよび各支持突起 16cが液体燃料タンク 9に一体的に固定される構造でも 良い。
[0022] 上記液体燃料タンクと支持突起とを構成する材料としては、液体燃料タンクが樹脂 または金属で形成される場合には、金属製または樹脂製の支持突起を組み合わせ ること力 S好適である。液体燃料タンクを金属で形成する場合には、金型プレス加工、 エッチング力卩ェ、切削加工等によって作製される。また、液体燃料タンクを樹脂で形 成する場合には、切削加工、射出成形カ卩ェ等によって作製される。一方、支持突起 は、樹脂または金属いずれの場合でも、切削加工や金型加工等によって作製される
[0023] 上記金属材料としては、ステンレス鋼やセラミックス材料等の耐薬品性が高い材料 を採用することが好ましい。また、通常の金属材に耐薬品性コーティング層を施工し た材料でも良い。一方、樹脂材料としては、 PPS (ポリフエ二レンスルフイド）、 PEEK ( ポリエーテルエーテルケトン)等の耐薬品性を有する熱可塑性プラスチック材料が好 適に使用できる。
[0024] さらに上記燃料電池において、前記力ソード触媒層において生成した水の蒸散を 抑止する保湿板を、前記外装ケースと前記力ソード触媒層との間に配置して構成す ることが好ましい。
[0025] また上記燃料電池において、前記液体燃料は、濃度が 50モル％を超えるメタノー ル水溶液もしくは液体のメタノールであることが好ましレ、。
[0026] さらに上記燃料電池において、前記プロトン伝導性膜は、パーフルォロカーボン系 樹脂を含有し、その厚さが 100 μ m以下であることが好ましい。
[0027] 本発明に係る燃料電池によれば、発電部を構成する膜電極接合体やそれに接合 される導電層が支持突起によって外装ケース側に押圧されるために、発電部が対向 する液体燃料タンクの上部空間側に発電部が橈むことが効果的に防止でき、発電部 を構成する部材相互間の密着度が高まる。そのため集電特性が変化することが少な ぐ電池出力特性を向上させることができる。
発明を実施するための最良の形態
[0028] 本発明者らは発電部の橈みを防止できる電池構造について鋭意研究を重ねた結 果、特にアノード導電層および膜電極接合体を支持し外装ケース側に押圧する支持 突起を液体燃料タンクの底部から突設したときに、発電部が対向する液体燃料タンク の上部空間側に発電部が橈むことが効果的に防止でき、また発電部を構成する部 材相互間の密着度が高まり、集電特性が変化せず一定に保持することができ、電池 の出力特性を向上させることができるという知見を得た。
[0029] また、従来のように上記発電部の変形を防止するために、剛性が高い押え板を別 途アノード導電層側に配置する必要もなぐ燃料タンクと外装ケースにより発電部を 挟み込むことができ電池構成を簡略化できるという知見も得られた。
[0030] 以下、本発明に係る燃料電池の一実施形態である直接メタノール型燃料電池につ レ、て添付図面を参照して説明する。
[0031] まず、第一の実施形態について説明する。図 1は、本発明の一実施形態に係る直 接メタノール型燃料電池の構成を示す模式的な断面図である。図 2は本実施形態に 係る燃料電池の組立て状態を示す斜視分解図である。
[0032] 図 1および図 2に示すように、膜電極接合体（MEA) 1は、力ソード触媒層 2及び力 ソードガス拡散層 4からなる力ソード極と、アノード触媒層 3及びアノードガス拡散層 5 力、らなるアノード極と、力ソード触媒層 2とアノード触媒層 3の間に配置されるプロトン 伝導性の電解質膜 6とを備えるものである。
[0033] 力ソード触媒層 2及びアノード触媒層 3に含有される触媒としては、例えば、白金族 元素の単体金属（Pt、 Ru、 Rh、 Ir、〇s、 Pd等）、白金族元素を含有する合金などを 挙げること力 Sできる。アノード触媒には、メタノールや一酸化炭素に対する耐性の強 い Pt_Ru、力ソード触媒には、白金を用いることが望ましいが、これに限定されるも のでは無い。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を使用して も、あるいは無担持触媒を使用しても良い。
[0034] プロトン伝導性電解質膜 6を構成するプロトン伝導性材料としては、例えば、スルホ ン酸基を有するフッ素系樹脂（例えば、パーフルォロスルホン酸重合体）、スルホン酸 基を有するハイド口カーボン系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機 物等が挙げられる力 これらに限定される物ではなレ、。
[0035] 図 1に示すように、上記力ソード触媒層 2は力ソードガス拡散層 4の下面側に積層さ れる一方、アノード触媒層 3はアノードガス拡散層 5の上面側に積層されている。カソ ードガス拡散層 4は力ソード触媒層 2に酸化剤を均一に供給する役割を担うものであ る力 力ソード触媒層 2の集電体も兼ねている。一方、アノードガス拡散層 5はァノー ド触媒層 3に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層 3の集電 体も兼ねている。力ソード導電層 7a及びアノード導電層 7bは、それぞれ、力ソードガ ス拡散層 4及びアノードガス拡散層 5と接している。力ソード導電層 7a及びアノード導 電層 7bには、例えば、金などの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）をそれ ぞれ使用することが出来る。
[0036] 矩形枠状の力ソードシール材 8aは、力ソード導電層 7aとプロトン伝導性電解質膜 6 との間に位置すると共に、力ソード触媒層 2及び力ソードガス拡散層 4の周囲を気密 に囲んでいる。一方、矩形枠状のアノードシール材 8bは、アノード導電層 7bとプロト ン伝導性電解質膜 6との間に位置すると共に、アノード触媒層 3及びアノードガス拡 散層 5の周囲を気密に囲んでいる。力ソードシール材 8a及びアノードシール材 8bは 、膜電極接合体 1からの燃料漏れ及び酸化剤漏れを防止するためのオーリングであ る。
[0037] 膜電極接合体 1の下方には、液体燃料タンク 9が配置されている。液体燃料タンク 9 内の底部には、上記アノード導電層 7bおよび膜電極接合体 1を支持し外装ケース 1 5側に押圧する複数本の支持突起 16が突設されている。各支持突起 16は液体燃料 タンク 9からアノード導電層 7bへの方向に縮径する形状に形成されている。この複数 本の支持突起 16の基底部における断面積の合計値が液体燃料タンク 9の空間部の 断面積に占める面積比率は 7%とされている。
[0038] 一方、膜電極接合体 1の上面側には、後述する保湿板 13を介して外装ケース 15が 装着されており、この外装ケース 15には電池内に空気を導入するための空気導入口 14が穿設されている。なお、上記外装ケース 15に形成された空気導入口 14の中心 軸 C1が、前記支持突起 16の中心軸 C2から偏移するように両者の位置が規定されて いる。具体的には、隣接する複数の空気導入口 14、 14の中間位置に、支持突起 16 の中心軸 C2が位置するようにして、空気導入口 14の中心軸 C 1と支持突起 16の中 心軸 C2とが一致しなレ、ように両者の位置が規定されてレ、る。
[0039] 前記液体燃料タンク 9内には、液体のメタノールあるいはメタノール水溶液などの液 体燃料 Lが収容されている。液体燃料タンク 9の開口端に液体燃料の気化成分のみ を透過させて、液体燃料は透過できない燃料気化層 17が配置されている。ここで、 液体燃料の気化成分とは、液体燃料として液体のメタノールを使用した場合、気化し たメタノールを意味し、液体燃料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ガスを意味する。
[0040] 一方、膜電極接合体 1の上部に積層された力ソード導電層 7a上には、力ソード触媒 層において生成した水の蒸散を抑止する保湿板 13を積層しても良い。酸化剤である 空気を取り入れるための空気導入口 14が複数個形成された外装ケース 15は、保湿 板 13の上に積層されている。外装ケース 15は、膜電極接合体 1を含むスタックを加 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 力 形成される。保湿板 13は、力ソード触媒層 2において生成した水の蒸散を抑止 する役割をなすと共に、力ソードガス拡散層 4に酸化剤を均一に導入することにより力 ソード触媒層 2への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての役割も果たしてい る。
[0041] 上述したような構成を有する実施形態に係る直接メタノール型燃料電池によれば、 液体燃料タンク 9内の液体燃料 (例えばメタノール水溶液）が気化し、気化したメタノ ールと水が気液分離膜 10を拡散し、気化燃料収容室 12に一旦収容され、そこから 徐々にアノードガス拡散層 5を拡散してアノード触媒層 3に供給され、以下の反応式（ 1)に示すメタノールの内部改質反応を生じる。
[0042] [化 1]
CH OH + H O → CO +6H+ + 6e— (1)
3 2 2
[0043] また、液体燃料として純メタノールを使用した場合には、燃料気化層からの水の供 給がないため、力ソード触媒層 2に混入したメタノールの酸化反応により生成した水 やプロトン伝導性電解質膜 6中の水分等がメタノールと反応して前述した（1)式の内 部改質反応が生じる力 \あるいは前述した（1)式によらない水不使用の反応機構で 内部改質反応が生じる。
[0044] これら内部改質反応で生成したプロトン (H+)はプロトン伝導性電解質膜 6を拡散し て力ソード触媒層 3に到達する。一方、外装ケース 15の空気導入口 14から取り入れ られた空気は、保湿板 13と力ソードガス拡散層 4を拡散して力ソード触媒層 2に供給 される。力ソード触媒層 2では、下記（2)式に示す反応によって水が生成する、つまり 発電反応が生じる。
[0045] [化 2]
(3Z2)〇 + 6H+ + 6e— → 3H O (2)
2 2
[0046] 発電反応が進行すると、前述した（2)式の反応などによって力ソード触媒層 2中に 生成した水が、力ソードガス拡散層 4内を拡散して保湿板 13に到達し、保湿板 13に よって蒸散を阻害され、力ソード触媒層 2中の水分貯蔵量が増加する。このため、発 電反応の進行に伴って力ソード触媒層 2の水分保持量がアノード触媒層 3の水分保 持量よりも多い状態を作り出すことができる。その結果、浸透圧現象によって、カソー ド触媒層 2に生成した水がプロトン伝導性電解質膜 6を通過してアノード触媒層 3に 移動する反応が促進されるため、アノード触媒層 3への水供給速度を高めることがで き、前述した（1)式に示すメタノールの内部改質反応を促すことができる。このため、 出力密度を高くすることができると共に、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。
[0047] また、液体燃料として濃度が 50モル％を超えるメタノール水溶液力、純メタノーノレを 使用することによって、内部改質反応に、力ソード触媒層 2からアノード触媒層 3に拡 散してきた水がもっぱら使用されるようになり、アノード触媒層 3への水供給が安定し て行なわれるようになるため、メタノールの内部改質反応の反応抵抗をさらに低くする ことができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上することができる。さらに、液体 燃料タンクの小型化を図ることも可能である。なお、純メタノールの純度は、 95重量 %以上 100重量％以下にすることが望ましい。
[0048] パーフルォロカーボン系のプロトン伝導性電解質膜を使用した燃料電池における 最大出力とプロトン伝導性電解質膜の厚さとの関係を調査すると、プロトン伝導性電 解質膜 6の厚さを 100 μ m以下の範囲とすることにより、電池の最大出力を高くするこ とができることが確認されている。このようにプロトン伝導性電解質膜 6の厚さを 100 / m以下にすることにより高出力が得られる理由は、力ソード触媒層 2からアノード触媒 層 3への水の拡散をさらに促すことが可能になったためである。但し、プロトン伝導性 電解質膜 6の厚さを 10 μ m未満にすると、電解質膜 4の強度が低下する恐れがある こと力 、プロトン伝導性電解質膜 6の厚さは 10〜： 100 μ mの範囲にすることがより好 ましレヽ。より好ましくは、 10〜80 μ πιの範囲である。
[0049] 本実施形態に係る燃料電池によれば、発電部を構成する膜電極接合体 1やそれに 接合される導電層 7a、 7bが支持突起 16によって外装ケース 15側に押圧されるため に、発電部が対向する液体燃料タンク 9の上部空間側に発電部が橈むことが効果的 に防止でき、発電部を構成する部材相互間の密着度が高まる。そのため集電特性が 変化することが少なぐ電池出力特性を向上させることができる。
[0050] また、支持突起 16の断面積が液体燃料タンク 9の断面積に占める面積比率を 10% と適正に設定しているため、支持突起 16によるアノード導電層 7bおよび膜電極接合 体 1を外装ケース 15側に押圧する作用が十分に発揮され、発電部の撓みが解消し 構成部材相互の密着性が十分になると共に、アノードと力ソードの電極間のインピー ダンスが低くなり電池特性が向上する。
[0051] また間隔をおいて複数の支持突起 16を分散して立設しているため、発電部に生じ る応力を分散させることが可能になった。さらに、前記外装ケース 15に形成された空 気導入口 14の中心軸 C1が、支持突起 16の中心軸 C2から偏移するように配置され ているために、支持突起 16による支持押圧力が薄い発電部を介して空気導入口 14 力 逃げることがなぐ外装ケース 15に効果的に作用する。したがって、発電部の構 成部材相互を密着させる押圧力が十分となり、集電性が低下することが少ない。
[0052] さらに、支持突起 16が液体燃料タンク 9からアノード導電層 7bへの方向に縮径する ように構成されているため、液体燃料タンク 9と支持突起 16とを射出成形等により一 体に成形した場合に支持突起 16に抜き角が形成されるため、成形品を成形型から 容易に取り出すことが可能になる。
[0053] 本発明においては、上記各実施形態に限らず、力ソード触媒層 2において生成した 水をプロトン伝導性膜 6を通して前記アノード触媒層 3に供給する構成を採用すること で、アノード触媒層 3への水供給が促進され、かつ水供給が安定して行われるもので あれば、何ら限定されるものではない。
[0054] なお、液体燃料タンク 9に収容する液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるも のではなぐ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、グリコール水溶液ゃ純グリコー ル等のダリコール燃料、ジメチルエーテル、蟻酸、もしくはその他の液体燃料であつ てもよレ、。いずれにしても、液体燃料タンク 9には、燃料電池に応じた液体燃料が収 容される。
[0055] [実施例]
以下、本発明の実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。
[0056] (実施例 1)
<アノード極の作製 >
アノード用触媒（Pt : Ru= l： 1)担持カーボンブラックにパーフルォロカーボンスル ホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールとを添加し、前記触媒担持カーボンブラック を分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層としての多 孔質カーボンぺーパに塗布することにより厚さが 450 μ mのアノード触媒層を得た。
[0057] <力ソード極の作製 >
力ソード用触媒（Pt)担持カーボンブラックにパーフルォロカーボンスルホン酸溶液 と水及びメトキシプロパノールとを加え、前記触媒担持カーボンブラックを分散させて ペーストを調製した。得られたペーストを力ソードガス拡散層としての多孔質カーボン ぺーパに塗布することにより厚さが 400 μ mである力ソード触媒層を得た。
[0058] アノード触媒層と力ソード触媒層との間に、プロトン伝導性電解質膜として厚さが 30 μ mで、含水率が 10〜20質量％のパーフルォロカーボンスルホン酸膜（nafion膜、 デュポン社製）を配置し、これらにホットプレスを施すことにより、膜電極接合体 (ME A)を得た。また、力ソード導電層 7aおよびアノード導電層 7bとして、所定形状の金箔 を力ソードガス拡散層 4およびアノードガス拡散層 5に貼り付けた。
[0059] 燃料気化層として厚さが 100 x m、硬度 50° (JIS Κ 6253)のシリコーンゴムを 用思し/
[0060] 一方、保湿板として厚さが 500 μ ΐηであり、透気度が 2秒/ 100cm3 ilS P— 811 7)であり、透湿度力 000g/m2' 24h iIS L— 1099 A— 1法）のポリエチレン製 多孔質フィルムを用意した。
[0061] 一方、軸方向に 3度の傾斜角度 (抜き角）で側面を形成した支持突起を複数本突 設した液体燃料タンクを多数用意した。なお、各液体燃料タンクにおける各支持突起 の断面積の合計値が、液体燃料タンクの断面積に占める面積比率が 3 65%の範 囲で変化するように各液体燃料タンクを調製した。
[0062] 得られた膜電極接合体 1、力ソード導電層 7a、アノード導電層 7b、保湿板 13、液体 燃料タンク 9、燃料気化層 17を積層固定して前述した図 1に示す構造を有する実施 例に係る内部気化型の直接メタノール型燃料電池を組み立てた。この際、燃料タンク には、純度が 99. 9重量％の純メタノールを 2mL収容した。
[0063] (比較例 1)
実施例において形成した支持突起 16を形成しない点以外は、前述した実施例と同 様に処理して実施例と同一寸法を有する比較例 1に係る内部気化型の直接メタノー ル型燃料電池を組み立てた。
[0064] (比較例 2)
実施例において形成した支持突起 16を形成しない点およびアノード導電層 7bと液 体燃料タンク 9との間に剛性が高い多孔金属板を介装した点以外は、実施例と同一 構造を有する比較例 2に係る内部気化型の直接メタノール型燃料電池を組み立てた
[0065] 上記各実施例に係る燃料電池によれば、発電部を構成する膜電極接合体 1やそれ に接合される導電層 7a 7bが支持突起 16によって外装ケース 15側に押圧されるた めに、発電部が対向する液体燃料タンク 9の上部空間側に発電部が橈むことが効果 的に防止でき、発電部を構成する部材相互間の密着度が高まる結果、集電特性が 変化することが少なぐ電池出力特性を向上させることができた。
[0066] 一方、比較例 1に係る燃料電池では、外装ケース 15と燃料タンク 9との締め付け圧 を高くしても、発電部が対向する液体燃料タンク 9の上部空間側に発電部の橈みが 経時的に進行して発電部を構成する部材相互間の密着度が低下して集電特性が変 化し電池出力が低下し易い電池が 11 %程度発生し、電池特性の維持信頼性が低 下する割合が多かった。
[0067] 一方、比較例 2に係る燃料電池では、剛性が高レ、多孔金属板（押え板）をアノード 導電層 7b側に配置しているために、発電部の変形はある程度は防止できるが、この 多孔金属板によって燃料気化ガスの流通が阻害されて電池特性が平均して実施例 と比較して 17%程度低下することが判明した。また、剛性が高く厚さが大きい金属板 を必要とするために、燃料電池の小型化 ·薄型化が困難になることも再確認できた。
[0068] 図 3は各実施例に係る燃料電池を定格運転した場合における支持突起の面積比 率と電池出力の平均値との関係を示すグラフであり、図 4は支持突起の面積比率と 電極間のインピーダンスの平均値との関係を示すグラフである。
[0069] 図 3に示す結果から明らかなように、支持突起の断面積の合計値が液体燃料タンク の空間部の断面積に占める面積比率を 50%以下の範囲とすることにより、支持突起 を設けない場合と比較して電池出力平均値の低下を 10%以内とすることができた。
[0070] 図 4に示す結果から明らかなように、支持突起の断面積の合計値が液体燃料タンク の空間部の断面積に占める面積比率を 3%以上の範囲とすることにより、電極間のィ ンピーダンスを大幅に低下させることが可能であることが判明した。
[0071] 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ぐ実施段階ではそ 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。
図面の簡単な説明
[0072] [図 1]本発明の一実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の構造例を示す模式的 な断面図。
[図 2]図 1に示す実施形態に係る燃料電池の組立て状態を示す分解斜視図。
[図 3]各実施例に係る燃料電池を定格運転した場合における支持突起の面積比率と 電池出力の平均値との関係を示すグラフ。 園 4]各実施例に係る燃料電池における支持突起の面積比率と電極間のインピーダ ンスの平均値との関係を示すグラフ。
[図 5]支持突起の他の構成例を示す平面図。
[図 6]図 5における VI—VI矢視断面図。
園 7]支持突起を液体燃料タンクへ取り付ける構成例を示す断面図。
園 8]支持突起を液体燃料タンクへ取り付ける他の構成例を示す断面図。
園 9]支持突起を液体燃料タンクへ取り付けるその他の構成例を示す断面図。

Claims

請求の範囲
[1] 力ソード触媒層とアノード触媒層との間にプロトン伝導性膜を配置した膜電極接合体 と、上記力ソード触媒層に空気を供給する空気導入口を有する外装ケースと、上記 膜電極接合体の力ソード触媒層側に配置した力ソード導電層と、上記膜電極接合体 のアノード触媒層側に配置したアノード導電層と、液体燃料の気化成分を上記ァノー ド触媒層に供給する燃料を貯留する液体燃料タンクとを具備する燃料電池であって 、上記アノード導電層および膜電極接合体を支持し外装ケース側に押圧する支持突 起が液体燃料タンクの底部から突設されていることを特徴とする燃料電池。
[2] 前記支持突起の断面積が液体燃料タンクの断面積に占める面積比率が 3〜50%で あることを特徴とする請求項 1記載の燃料電池。
[3] 前記外装ケースに形成された空気導入口の中心軸が、前記支持突起の中心軸から 偏移していることを特徴とする請求項 1記載の燃料電池。
[4] 前記支持突起が液体燃料タンクからアノード導電層への方向に縮径していることを 特徴とする請求項 1記載の燃料電池。
[5] 前記力ソード触媒層において生成した水の蒸散を抑止する保湿板を、前記外装ケー スと前記力ソード触媒層との間に配置したことを特徴とする請求項 1記載の燃料電池
[6] 前記液体燃料は、濃度が 50モル％を超えるメタノール水溶液もしくは液体のメタノー ルであることを特徴とする請求項 2記載の燃料電池。
[7] 前記プロトン伝導性膜は、パーフルォロカーボン系樹脂を含有し、その厚さが 100 μ m以下であることを特徴とする請求項 1〜6のいずれ力、 1項記載の燃料電池。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007095558A (ja) * 2005-09-29 2007-04-12 Toshiba Corp 燃料電池
JP2008243578A (ja) * 2007-03-27 2008-10-09 Fujitsu Ltd 燃料電池
WO2009041530A1 (ja) * 2007-09-28 2009-04-02 Sony Corporation 燃料電池システムおよび電子機器
WO2009141985A1 (ja) * 2008-05-19 2009-11-26 株式会社 東芝 燃料電池

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109860656B (zh) * 2019-01-21 2020-08-11 西安交通大学 一种燃料均匀供给直接甲醇燃料电池及其工作方法
CN109860674B (zh) * 2019-01-21 2020-08-25 西安交通大学 一种弹性势能驱动直接甲醇燃料电池及其工作方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000106201A (ja) * 1998-09-30 2000-04-11 Toshiba Corp 燃料電池
JP2001283888A (ja) * 2000-03-29 2001-10-12 Toshiba Corp 燃料電池
JP2001332287A (ja) * 2000-05-24 2001-11-30 Sony Corp 電気エネルギー発生装置の装着方法および電気エネルギー発生装置を内蔵したコンピュータ
JP2003086207A (ja) * 2001-07-06 2003-03-20 Sony Corp 燃料電池、燃料電池を用いた電力供給方法、機能カード、燃料電池の気体供給機構、発電体及び発電体の製造方法
JP2004079506A (ja) * 2002-02-14 2004-03-11 Hitachi Maxell Ltd 液体燃料電池
JP2004127833A (ja) * 2002-10-07 2004-04-22 Fujitsu Ltd 燃料電池

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5547551A (en) * 1995-03-15 1996-08-20 W. L. Gore & Associates, Inc. Ultra-thin integral composite membrane
JP4296625B2 (ja) * 1999-03-15 2009-07-15 ソニー株式会社 発電デバイス
KR100450820B1 (ko) * 2002-04-23 2004-10-01 삼성에스디아이 주식회사 공기 호흡형 직접 메탄올 연료전지 셀팩
JP2006019144A (ja) * 2004-07-01 2006-01-19 Hitachi Ltd 膜電極接合体の押圧機構を有する燃料電池及びこれを搭載した電子機器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000106201A (ja) * 1998-09-30 2000-04-11 Toshiba Corp 燃料電池
JP2001283888A (ja) * 2000-03-29 2001-10-12 Toshiba Corp 燃料電池
JP2001332287A (ja) * 2000-05-24 2001-11-30 Sony Corp 電気エネルギー発生装置の装着方法および電気エネルギー発生装置を内蔵したコンピュータ
JP2003086207A (ja) * 2001-07-06 2003-03-20 Sony Corp 燃料電池、燃料電池を用いた電力供給方法、機能カード、燃料電池の気体供給機構、発電体及び発電体の製造方法
JP2004079506A (ja) * 2002-02-14 2004-03-11 Hitachi Maxell Ltd 液体燃料電池
JP2004127833A (ja) * 2002-10-07 2004-04-22 Fujitsu Ltd 燃料電池

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP1873855A4 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007095558A (ja) * 2005-09-29 2007-04-12 Toshiba Corp 燃料電池
JP2008243578A (ja) * 2007-03-27 2008-10-09 Fujitsu Ltd 燃料電池
WO2009041530A1 (ja) * 2007-09-28 2009-04-02 Sony Corporation 燃料電池システムおよび電子機器
JP2009087713A (ja) * 2007-09-28 2009-04-23 Sony Corp 燃料電池システムおよび電子機器
WO2009141985A1 (ja) * 2008-05-19 2009-11-26 株式会社 東芝 燃料電池

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