WO2008023634A1 - Pile à combustible - Google Patents

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WO2008023634A1
WO2008023634A1 PCT/JP2007/065998 JP2007065998W WO2008023634A1 WO 2008023634 A1 WO2008023634 A1 WO 2008023634A1 JP 2007065998 W JP2007065998 W JP 2007065998W WO 2008023634 A1 WO2008023634 A1 WO 2008023634A1
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catalyst layer
anode
liquid
conductive layer
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Yuichi Yoshida
Nobuyasu Negishi
Hideyuki Oozu
Akira Yajima
Yukinori Akamoto
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Kabushiki Kaisha Toshiba
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell having a planar arrangement that is effective for the operation of a portable device.
  • Fuel cells have the advantage that they can generate electricity simply by supplying fuel and oxidant, and can generate electricity continuously by replenishing and replacing only the fuel. For this reason, if the size can be reduced, it can be said that the system is extremely advantageous for the operation of portable electronic devices.
  • Direct methanol fuel cells DMFCs
  • DMFCs direct methanol fuel cells
  • methanol with high energy density as the fuel and can extract current directly from methanol on the electrocatalyst. Since it is easy to handle compared to hydrogen gas fuel, it is promising as a power supply for small devices. Expected.
  • DMFC fuel supply methods include a gas supply method in which vaporized liquid fuel is fed into a fuel cell by a blower or the like, and a liquid supply method in which liquid fuel is directly fed into a fuel cell by a pump or the like.
  • the latter liquid supply method includes an internal vaporization method in which the taken-in liquid fuel is vaporized inside to generate a power generation reaction in an anode catalyst layer of a membrane electrode assembly (MEA).
  • MEA membrane electrode assembly
  • An internal vaporization type DMFC is disclosed in, for example, International Publication No. WO2005 / 112172.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a small and lightweight fuel cell capable of obtaining a high initial output with a quick start-up at startup.
  • a fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly having a force sword catalyst layer, an anode catalyst layer, and a proton conducting membrane disposed between the force sword catalyst layer and the anode catalyst layer.
  • a force sword conductive layer electrically connected to the force sword catalyst layer; an anode conductive layer electrically connected to the anode catalyst layer; a liquid fuel storage chamber for storing liquid fuel; and a liquid fuel vaporized.
  • a gas-liquid separation membrane that selectively permeates components from the liquid fuel storage chamber to the anode catalyst layer; and a vaporized fuel storage chamber formed between the gas-liquid separation membrane force and the anode conductive layer.
  • a distance L1 from the gas-liquid separation membrane to the anode conductive layer is set to Omm or more and 2 mm or less.
  • FIG. 1 is an internal perspective sectional view showing a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 is a plan view showing a measurement position of a distance between vaporized membrane and catalyst layers.
  • FIG. 3 is an internal perspective sectional view showing a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an internal perspective sectional view showing a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
  • Fig. 5 is a characteristic diagram showing the initial output characteristics, fuel concentration characteristics in the vaporization chamber, and temperature characteristics.
  • the distance L1 is set to zero and the gas diffusion layer 5 is omitted and the distance L2 is set to zero, or similarly, the distance L1 is set to zero and the anode conductive layer 9 is embedded in the anode catalyst layer 3. Even if the gas diffusion layer 5 is substantially eliminated and the distance L2 is made zero by substituting the function of the gas diffusion layer 5 with the gas-liquid separation membrane 13 or the catalyst layer 3, an initial output higher than the conventional one can be obtained. (Table 1). On the other hand, if the distance L1 exceeds 2 mm, if the battery size is too large and it is disadvantageous for the purpose of using it as a built-in power source for portable equipment, the amount of heat transferred from the power generator to the liquid fuel storage chamber 15 will be insufficient.
  • the distance L1 from the gas-liquid separation film 13 to the anode conductive layer 9 is defined in the range of Omm to 2 mm.
  • the fuel cell 1 has a plurality of single cells whose outer sides are covered with an outer case 21 and are arranged in a plane and connected in series.
  • the fuel cell 1 is configured as a single unit in which a plurality of unit cells are connected in series and integrated by, for example, caulking the end portion 23 of the outer case 21 to the outer surface of the fuel storage chamber structure 14.
  • the outer case 21 and the fuel storage chamber structure 14 may be integrally formed by tightening them with bolts and nuts.
  • the fuel cell 1 includes a membrane electrode assembly 10 as a power generation unit, a force sword conductive layer 7 and an anode conductive layer 9 as a current collector, a gas-liquid separation membrane 13, and a fuel storage chamber structure as a liquid fuel space 14, a heat insulating material 18, and a moisturizing plate 19.
  • the membrane electrode assembly 10 has a force sword catalyst layer 2 and an anode catalyst layer 3 integrally formed on both sides of the proton conductive membrane 6 sandwiched between them by a hot press method, and a force sword gas diffusion layer on the outer side. 4 and an anode gas diffusion layer 5.
  • a force sword conductive layer 7 is electrically connected to the force sword gas diffusion layer 4 of the membrane electrode assembly 10, and an anode conductive layer 9 is electrically connected to the anode gas diffusion layer 5.
  • the power generated by the power generation unit is output to a load (not shown) through the pair of conductive layers 7 and 9.
  • Adopt a flat placement structure. A battery pack is formed by connecting a plurality of cells arranged flat in this way in series.
  • the fuel cell 1 is sealed in a liquid-tight manner by a plurality of O-rings as the sealing member 8 and a rigid frame 11, and various space gaps are formed by the sealing member 8, the rigid frame 11, and the like. Is formed. Among these spaces and gaps, for example, the space on the force sword side is used as an air introduction part having a moisture retaining plate 19, and the space on the anode side is vaporized to communicate with the liquid fuel storage chamber 15 via the gas-liquid separation membrane 13. Used as chamber 16.
  • a plurality of air holes 22 are opened at predetermined pitch intervals on the main surface of the outer case 21 and communicated with the internal moisture retaining plate 19. These air holes 22 form openings through which the outside air passes, but do not hinder the passage of the outside air, and prevent the entry or contact of minute or needle-like foreign substances to the force sword gas diffusion layer 4 from the outside. It is preferable that the shape of the shape is designed.
  • the moisturizing plate 19 does not hinder the passage of air introduced through the vent hole 22 of the outer cover 21, and the water generated in the force sword catalyst layer 2 reacts with the anode catalyst layer 3. In order to effectively use the water, the water generated in the force sword catalyst layer 2 is efficiently sent to the anode catalyst layer 3 through the proton conducting membrane 6.
  • a porous film having a porosity of, for example, 20 to 60% can be preferably used.
  • a metal material having excellent corrosion resistance such as stainless steel or nickel metal
  • the material is not limited to a metal material, and a resin material can be used.
  • a hard resin that does not easily swell with a liquid fuel such as ether ketone (PEEK: trademark of Victorex PLC), polyphenylene sulfide (PPS), and polytetrafluoroethylene (PTFE) may be used.
  • a heat insulating material 18 is attached to a part of the outer surface of the outer case 21, and the anode side of the power generation unit 10 and the vaporizing chamber 16 are kept warm.
  • Thermal insulation 18 includes carbon fiber, glass fiber, resin and These porous materials can be used.
  • the heat insulating material 18 may be attached to the inner surface of the outer case 21 by the force provided on the outer surface of the outer case 21.
  • a vaporization chamber 16 in a predetermined space is formed.
  • the vaporization chamber 16 may have various shapes such as a rectangular shape, a cylindrical shape, and a polygonal cylindrical shape, but is preferably a rectangular shape. This is because the shape facilitates the internal layout of the mobile device.
  • the vaporization chamber 16 is provided adjacent to the liquid fuel storage chamber 15, and the chambers 15 and 16 are partitioned by a gas-liquid separation film 13.
  • the gas-liquid separation membrane 13 is supported in a state where the peripheral portion is sandwiched between the rigid frame 11 and the flange of the fuel storage chamber structure 14.
  • the gas-liquid separation film 13 is made of a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet, blocks liquid fuel (such as methanol liquid or its aqueous solution), and allows vaporized fuel (such as methanol gas) to permeate.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the vaporizing chamber 16 is defined by the outer case 21, the anode conductive layer 9, and the gas-liquid separation membrane 13.
  • the gas-liquid separation membrane 13 is arranged close to the power generation unit so that the distance L1 from the gas-liquid separation membrane 13 to the anode conductive layer 9 of the power generation unit is 2 mm or less. As the distance L1 from the gas-liquid separation membrane 13 to the anode conductive layer 9 becomes shorter, the reaction heat from the power generation section becomes easier to be transmitted to the liquid fuel in the liquid fuel storage chamber 15, and the vaporization rate of the liquid fuel increases. High initial output can be obtained.
  • the thickness of the electrolyte membrane 6 is 10 to 100 m
  • the anode catalyst layer 3 is 50 to 100 ⁇ m
  • the anode gas diffusion layer 5 is 250 to 400 ⁇ m
  • the anode conductive layer 9 is
  • the distance L1 from the gas-liquid separation membrane 13 to the anode conductive layer 9 is preferably 2 mm or less.
  • a plurality of vaporized fuel supply ports are opened in the anode conductive layer 9. These vaporized fuel supply ports communicate with the anode gas diffusion layer 3 side.
  • the vaporized fuel passes through the gas-liquid separation membrane 13 and enters the vaporization chamber 16, and further passes through the vaporized fuel supply port of the anode conductive layer 9 from the vaporization chamber 16. It is introduced into the anode catalyst layer 3 and contributes to the power generation reaction.
  • the anode conductive layer 9 is, for example, a porous layer (for example, mesh) made of a metal material such as gold or nickel, or A foil or a composite material obtained by coating a conductive metal material such as stainless steel with a good conductive metal such as gold can be used.
  • a fuel supply passage (not shown) communicating with a liquid receiving port (not shown) is opened at a proper position.
  • a bayonet type coupler is attached to the liquid inlet, and a nozzle of a fuel cartridge (not shown) is inserted into the coupler so that liquid fuel is supplied to the liquid fuel storage chamber 15.
  • the liquid fuel used is not necessarily limited to methanol fuel such as methanol aqueous solution or pure methanol.
  • ethanol fuel such as ethanol aqueous solution or pure ethanol
  • propanol such as propanol aqueous solution or pure propanol
  • Fuel glycol fuel such as pure glycol, ethylene glycol, dimethyl ether, formic acid, formic acid aqueous solution, sodium formate aqueous solution, sodium borohydride aqueous solution, potassium borohydride aqueous solution, lithium hydride aqueous solution, or other liquids It may be fuel.
  • an aqueous methanol solution is preferable because carbon dioxide is generated during the reaction with carbon power, and a power generation reaction at a low temperature is possible, so that it is relatively easy to produce from industrial waste.
  • fuels with various concentrations in the range from 100% to several percent can be used.
  • the liquid fuel storage chamber 15 is composed of a space of a predetermined capacity whose periphery is defined by an outer case 21 as a protective cover and a liquid fuel storage chamber structure 14, and a liquid receiving port (not shown) is provided at an appropriate position in this space. It is open. For example, a bayonet type power blur is attached to the liquid inlet, and the fuel supply port is closed by the coupler except when refueling.
  • the coupler on the fuel cell main body side is formed in a shape that allows a separate fuel cartridge side coupler to be liquid-tightly engaged.
  • the built-in valve opens.
  • the flow path on the cartridge side communicates with the flow path on the fuel cell body side, and liquid fuel (methanol liquid, etc.) flows into the liquid fuel storage chamber 15 through the transport tube through the transport tube due to the internal pressure of the fuel cartridge.
  • a liquid fuel impregnation layer (not shown) is accommodated in the liquid fuel storage chamber 15.
  • a hard fiber such as porous polyester fiber or porous olefin resin, or an open-cell porous resin.
  • the liquid fuel impregnated layer is uniformly supplied to the gas-liquid separation membrane even when the liquid fuel in the fuel tank is reduced or even when the fuel cell main body is inclined and placed in an uneven fuel supply. It becomes possible to supply the liquid fuel vaporized uniformly to the anode catalyst layer 3.
  • polyester fiber In addition to polyester fiber, it may be composed of various water-absorbing polymers such as acrylic resins, and it is composed of a material that can hold the liquid using the permeability of the liquid, such as sponges or fiber aggregates. To do.
  • This liquid fuel impregnation section is effective in supplying an appropriate amount of fuel regardless of the posture of the main body.
  • the proton conducting membrane 6 is for transporting protons generated in the anode catalyst layer 3 to the force sword catalyst layer 2, and is made of a material that has no electron conductivity and can transport protons.
  • a material that has no electron conductivity and can transport protons has been.
  • it is composed of a polyperfluorosulfonic acid resin membrane, specifically, a naphthoion membrane manufactured by DuPont, a Flemion membrane manufactured by Asahi Glass, or an aciplex membrane manufactured by Asahi Kasei Kogyo.
  • copolymer films of trifluorostyrene derivatives, polybenzimidazole films impregnated with phosphoric acid, aromatic polyether ketone sulfonic acid films, or A proton conductive membrane 6 that can transport protons, such as an aliphatic hydrocarbon resin membrane, may be formed.
  • the anode catalyst layer 3 oxidizes vaporized fuel supplied via the gas diffusion layer 5 to extract electrons and protons from the fuel.
  • the anode catalyst layer 3 is made of, for example, carbon powder containing a catalyst.
  • the catalyst include platinum (Pt) fine particles, iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), molybdenum (Mo), and other transition metals or oxides thereof or their oxides. Fine particles such as alloys are used.
  • the catalyst is made of an alloy of ruthenium and platinum, since inactivation of the catalyst due to adsorption of carbon monoxide (CO) can be prevented.
  • the anode catalyst layer 3 contains a resin used for the proton conductive membrane 6. This is to facilitate the movement of the generated protons.
  • the anode gas diffusion layer 5 is composed of a thin film made of, for example, a porous carbon material. Or made of carbon fiber!
  • the force sword catalyst layer 2 reduces oxygen and reacts electrons with the proton generated in the anode catalyst layer 3 to generate water.
  • the above-described anode catalyst layer 3 and The configuration is the same as that of the node gas diffusion layer 5. That is, the force sword has a laminated structure in which a force sword catalyst layer 3 made of carbon powder containing a catalyst and a force sword gas diffusion layer 5 made of a porous carbon material are stacked in order from the solid electrolyte membrane 11 1 side. ing.
  • the catalyst used for the force sword catalyst layer 2 is the same as that of the anode catalyst layer 3, and the anode catalyst layer 3 may contain the resin used for the proton conductive film 6 as well as the anode catalyst layer 3.
  • the force sword conductive layer 7 is in contact with the main surface of the force sword gas diffusion layer 4 and functions as a positive electrode lead for weaving the power generation electrode.
  • the force sword conductive layer 7 has a plurality of air introduction holes (not shown). Air from the vent hole 22 of the outer case 21 is supplied to the force sword gas diffusion layer 4 through these air introduction holes.
  • the anode conductive layer 9 is, for example, a porous layer (for example, mesh) or foil made of a metal material such as gold or nickel, or a composite material in which a conductive metal material such as stainless steel is coated with a good conductive metal such as gold. Etc. can be used respectively.
  • the outer case 21 and the fuel storage chamber structure 14 can be made of a metal material having excellent corrosion resistance, such as stainless steel or nickel metal. In this case, it is desirable to apply a resin coating to prevent elution of metal ions.
  • Polyetheretherketone PEEK: trademark of Victorex PLC
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the amount of reaction heat transferred from the power generation unit 10 to the liquid fuel storage chamber 15 is increased, and the liquid fuel is quickly vaporized in the early stage of power generation. Obtainable.
  • the anode conductive layer 9 A is laminated on the anode catalyst layer 3. That is, the anode catalyst layer 3 and the anode conductive layer 9A are each formed into a strip-like elongated stripe. Laminated. Thus, the integrated catalyst layer / conductive layer assembly is formed. Similarly, on the force sword side, the force sword conductive layer 7A is laminated on the force sword catalyst layer 2.
  • the distance L1 from the gas-liquid separation membrane 13 to the anode conductive layer 9A becomes zero.
  • the distance L2 from the gas-liquid separation membrane 13 to the anode catalyst layer 3 is also zero.
  • the anode conductive layer 9B is disposed on the same plane as the anode catalyst layer 3. That is, the anode conductive layer 9B is formed into a strip-like long and narrow stripe, and these are stacked on the anode catalyst layer 3 almost in parallel at a predetermined interval, and these are integrated to form a catalyst layer / conductive layer. An assembly is formed. Similarly, on the force sword side, the force sword conductive layer 7B is integrated into the force sword catalyst layer 2.
  • the distance L1 from the gas-liquid separation membrane 13 to the anode conductive layer 9B becomes zero. In this case, the distance L2 from the gas-liquid separation membrane 13 to the anode catalyst layer 3 is also zero.
  • Example 1 power is generated at a constant voltage at room temperature, and the battery output changes with time at that time. And simultaneously monitoring temperature and internal pressure.
  • the temperature is a position immediately below the anode conductive layer 9
  • the pressure is the central position of the vaporized fuel storage chamber 5 when L1 exceeds zero, or the adjacent unit cell when L1 is zero.
  • Each measurement was made at the center position of the gap.
  • the concentration was analytically calculated at the boundary position between the vaporized fuel storage chamber 16 and the anode conductive layer 9.
  • Electrolyte membrane thickness 45 m
  • Anode catalyst layer thickness 100 m
  • Thickness of force sword catalyst layer 100 m
  • Anode gas diffusion layer thickness 350 m
  • Thickness of force sword gas diffusion layer 350 m
  • Anode conductive layer thickness 80 m
  • each layer is shown as an average value with 10 measurement points.
  • the distance L1 is expressed as an average value of nine measurement points (1) to (9) shown in FIG.
  • the measurement point of the distance L1 is the four corners (1), (3), (7), (9) of the anode conductive layer 9 and the midpoints (2), (4) of the four sides. , (6), (8), and the average of the values obtained at the position corresponding to one central part (5).
  • the distances LI and L2 are determined by the force S obtained by measuring a cross section cut by a cutting method, for example.
  • Example 2 fuel cells satisfying the following conditions were continuously operated for power generation, and the temperature and internal pressure of the membrane electrode assembly were measured, and the long-term output was measured. The results are shown in Table 1 as relative values.
  • Electrolyte membrane thickness 45 m
  • Anode catalyst layer thickness 100 m
  • Thickness of force sword catalyst layer 100 m
  • Anode gas diffusion layer thickness 350 m
  • Thickness of force sword gas diffusion layer 350 / m
  • Anode conductive layer thickness 80 m
  • Example 3 fuel cells satisfying the following conditions were continuously operated for power generation, and the temperature and internal pressure of the membrane electrode assembly were measured, and the long-term output was measured. The results are shown in Table 1 as relative values.
  • Electrolyte membrane thickness 45 m
  • Anode catalyst layer thickness 100 m
  • Thickness of force sword catalyst layer 100 m
  • Anode gas diffusion layer thickness 350 m
  • Thickness of force sword gas diffusion layer 350 m
  • Anode conductive layer thickness 80 ⁇
  • Example 4 As Example 4, fuel cells satisfying the following conditions were continuously operated for power generation, and the temperature and internal pressure of the membrane electrode assembly were measured, and the long-term output was measured. The results are shown in Table 1 as relative values.
  • Electrolyte membrane thickness 45 m
  • Anode catalyst layer thickness 100 / m
  • Thickness of force sword catalyst layer 100 m
  • Anode gas diffusion layer thickness 350 m
  • Thickness of force sword gas diffusion layer 350 m
  • Anode conductive layer thickness 80 m
  • Example 5 fuel cells satisfying the following conditions were continuously operated for power generation, and the temperature and internal pressure of the membrane electrode assembly were measured, and the long-term output was measured. The results are shown in Table 1 as relative values.
  • Electrolyte membrane thickness 4 5 m
  • Anode catalyst layer thickness 100 m
  • Thickness of force sword catalyst layer 100 m
  • Anode gas diffusion layer thickness 350 m
  • Thickness of force sword gas diffusion layer 350 m
  • Anode conductive layer thickness 80 ⁇ m
  • Force sword conductive layer thickness 80 ⁇ m
  • Example 6 fuel cells satisfying the following conditions were continuously operated for power generation, and the temperature and internal pressure of the membrane electrode assembly were measured, and the long-term output was measured. The results are shown in Table 1 as relative values.
  • Electrolyte membrane thickness 45 m
  • Anode catalyst layer thickness 100 m
  • Thickness of force sword catalyst layer 100 m
  • Anode gas diffusion layer thickness 350 m
  • Thickness of force sword gas diffusion layer 350 u
  • Anode conductive layer thickness 80 m
  • Electrolyte membrane thickness 45 m
  • Anode catalyst layer thickness 100 m
  • Thickness of force sword catalyst layer 100 m
  • Anode gas diffusion layer thickness 350 m
  • Thickness of force sword gas diffusion layer 350 m
  • Anode conductive layer thickness 80 m
  • Example 1 When the result of the vaporized fuel concentration in Comparative Example 1 is set to 1 as the reference value, the vaporized fuel concentration in Example 1 is 1.20, which is higher than that in Comparative Example 1, and the vaporization chamber temperature is 1. It exceeded that of 25 and Comparative Example 1. From this, it was recognized that in Example 1, the fuel vaporization rate was large at the early stage of power generation and the reaction heat was quickly transmitted to the vaporization chamber.
  • the horizontal axis indicates the distance LI (mm) from the gas-liquid separation membrane to the current collector, and the vertical axis indicates the initial output.
  • the characteristic line P (solid line) in the figure is the initial output characteristic
  • the characteristic line C (two-dot chain line) is the fuel in the vaporization chamber.
  • Concentration characteristics, characteristic line ⁇ (broken line) shows the temperature characteristics in the vaporization chamber.
  • the initial output is the relative value when the output of the fuel cell with the distance L1 set to 2 mm is taken as the reference value (100).
  • the fuel concentration and temperature in the vaporization chamber are relative values when the distance L1 is Omm and the reference value (100).
  • the initial output P has a maximum value when the distance L1 is around 2 mm.
  • the fuel concentration and temperature in the vaporization chamber tend to decrease as the distance L1 increases.
  • the distance L1 exceeds 2 mm the fuel concentration and temperature decrease rapidly. Focusing only on the initial output, the force seems to be usable even if the distance L1 exceeds 2 mm.
  • the fuel concentration and temperature in the vaporization chamber rapidly increase as shown in the characteristic curves C and T. As a result, the fuel supply condition becomes unstable and output stability may be reduced. Therefore, considering the balance between the initial output and output stability, the appropriate distance L1 range is 2 mm or less.
  • the reaction heat is transmitted to the liquid fuel storage chamber, and the liquid fuel is quickly vaporized, so that a high output from the initial stage of power generation You will be able to get For this reason, it is possible to obtain output characteristics that rise quickly at start-up as a power source for cordless portable devices such as notebook computers, cellular phones, portable audio devices, and portable game machines.
  • 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 embodiment. For example, some components may be omitted from all the components shown in the embodiment.
  • constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
  • the structure of the fuel cell has been described with the structure having the fuel storage section below the membrane electrode assembly (MEA).
  • the fuel supply from the fuel storage section to the MEA has a flow path. It may be a thing to intervene.
  • an example of a passive fuel cell has been described.
  • the present invention can be applied to an active or semi-passive fuel cell.
  • a semi-passive type fuel cell refers to a fuel cell that supplies liquid fuel using capillary force and mechanical drive! Semi-passive In the fuel cell, fuel is supplied from the fuel storage unit to the MEA, consumed by the power generation reaction in the MEA, and never returned to the fuel storage unit.
  • the semi-passive type fuel cell is different from the active type because the fuel is not circulated in the system. Moreover, the semi-passive type fuel cell does not impair the downsizing of the device.
  • the semi-passive type fuel cell uses a pump for supplying fuel, and is different from a pure passive type (a method in which fuel is supplied only by capillary force).
  • a shutoff valve can be used instead of a pump as long as fuel is supplied from the fuel container to the MEA. The shut-off valve controls the flow of liquid fuel by capillary force.
  • the fuel vapor supplied to the MEA may be all supplied with fuel vapor, but the present invention can be applied even when a part of the fuel vapor is supplied in a liquid state. .

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Description

明 細 書
燃料電池
技術分野
[0001] 本発明は、携帯機器の動作に有効な平面配置の燃料電池に関する。
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、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができ、燃料の みを補充 ·交換すれば連続して発電できるという利点を有している。このため、小型 化が出来れば携帯電子機器の作動に極めて有利なシステムといえる。特に直接メタ ノーノレ燃料電池（DMFC ; Direct Methanol Fuel Cell)は、エネルギ密度の高いメタノ ールを燃料に用い、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、小型 化が可能であり、また燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから小型機 器用電源として有望であることから、ノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、携 帯ゲーム機などのコードレス携帯機器に最適な電源としてその実用化が期待されて いる。
[0003] DMFCの燃料供給方法には、気化した液体燃料をブロワ等で燃料電池内に送り込 む気体供給方式と、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 給方式とがある。さらに、後者の液体供給方式には、取り込んだ液体燃料を内部で 気化して膜電極接合体（MEA; Membrane Electrode Assembly)のアノード触媒層に おいて発電反応させる内部気化方式がある。内部気化型の DMFCは、例えば国際公 開番号 WO2005/112172 Αΐ ίこ開示されて!/、る。
[0004] しかし、従来の内部気化型の DMFCにおいて、気化燃料収容室の高さを高くしすぎ ると、すなわち気液分離膜力 触媒層を含む膜電極接合体までの距離を過大にする と、膜電極接合体からの反応熱が燃料タンクに伝わり難くなり、これにより液体燃料の 気化速度が小さくなり、気化燃料生成量の不足や濃度の低下を生じて、発電初期の 出力が不足するおそれがある。 [0005] また、気化燃料収容室の容量に対して燃料タンクの容量が相対的に大きくなり、燃 料の量的、質的（濃度）ばらつきが増大するば力、りでなぐモパイル機器などの小型 電子機器に電源として内蔵させる際に不利となる。
発明の開示
[0006] 本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、起動時の立ち上がりが速 ぐ高い初期出力を得ることができる小型軽量の燃料電池を提供することを目的とす
[0007] 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、前記力ソード触媒 層と前記アノード触媒層との間に配置されるプロトン伝導膜とを有する膜電極接合体 と、前記力ソード触媒層に電気的に導通する力ソード導電層と、前記アノード触媒層 に電気的に導通するアノード導電層と、液体燃料を収容する液体燃料収容室と、液 体燃料の気化した成分を前記液体燃料収容室から前記アノード触媒層に選択的に 透過させる気液分離膜と、前記気液分離膜力 前記アノード導電層までの間に形成 された気化燃料収容室と、を具備する燃料電池であって、前記気液分離膜から前記 アノード導電層までの距離 L1を Omm以上 2mm以下とすることを特徴とする。
図面の簡単な説明
[0008] [図 1]図 1は本発明の第 1の実施形態に係る燃料電池を示す内部透視断面図。
[図 2]図 2は気化膜 触媒層間の距離の測定位置を示す平面図。
[図 3]図 3は本発明の第 2の実施形態に係る燃料電池を示す内部透視断面図。
[図 4]図 4は本発明の第 3の実施形態に係る燃料電池を示す内部透視断面図。
[図 5]図 5は初期出力特性、気化室内の燃料濃度特性および温度特性をそれぞれ示 す特性線図。
発明を実施するための最良の形態
[0009] 以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の形態を説明する。
[0010] 図 1に示すように気液分離膜 13からアノード導電層 9までの距離 L1を Omm以上 2 mm以下（Omm≤L≤ 2mm)とするので、発電部から液体燃料収容室 15へ伝わる反 応熱の熱量が増え、液体燃料が速やかに気化されて発電初期から高い出力が得ら れる。距離 L1を小さくすればするほど立ち上がりの速い出力特性となる。特に、気液 分離膜 13からアノード導電層 9までの距離 LIを 2mmにすると、最大限に高い初期 出力が得られる（表 1)。さらに、距離 L1をゼロとし、かつガス拡散層 5を無くして距離 L2をゼロにした場合、または同様に距離 L1をゼロとし、かつアノード導電層 9をァノ ード触媒層 3のなかに埋め込み、ガス拡散層 5の機能を気液分離膜 13または触媒層 3に代用させることにより実質的にガス拡散層 5を無くして距離 L2をゼロにした場合で も、従来よりも高い初期出力が得られる（表 1)。一方、距離 L1が 2mmを超えると、電 池サイズが大きくなつて携帯機器の内蔵電源に用いるという目的に不利になるば力、り でなぐ発電部から液体燃料収容室 15へ伝わる熱量が不足して液体燃料の気化速 度が小さくなるため、初期出力が低下する。このような理由から、本発明では、気液分 離膜 13からアノード導電層 9までの距離 L1を Omm以上 2mm以下の範囲に規定し た。
[0011] (第 1の実施の形態）
図 1を参照して本発明の第 1の実施の形態について説明する。
[0012] 燃料電池 1は、外側を外装ケース 21で覆われ、内部に平面配置 ·直列接続された 複数の単電池を有するものである。燃料電池 1は、例えば外装ケース 21の端部 23を 燃料収容室構造体 14の外面にかしめ加工することにより、複数の単電池を直列接続 し一体化した 1つのユニットとして構成されている。なお、外装ケース 21と燃料収容室 構造体 14とをボルトとナット等で締め付けることにより、これらを一体化形成するように してもよい。
[0013] 燃料電池 1は、発電部としての膜電極接合体 10、集電体としての力ソード導電層 7 及びアノード導電層 9、気液分離膜 13、液体燃料スペースとしての燃料収容室構造 体 14、保温材 18、および保湿板 19を備えている。膜電極接合体 10は、プロトン伝導 性のプロトン伝導膜 6を間に挟んでその両側に力ソード触媒層 2とアノード触媒層 3が 熱プレス法で一体成形され、さらにその外側に力ソードガス拡散層 4とアノードガス拡 散層 5を有している。さらに、膜電極接合体 10の力ソードガス拡散層 4には力ソード導 電層 7が導通し、アノードガス拡散層 5にはアノード導電層 9が導通している。これら 一対の導電層 7, 9を介して発電部で発電された電力が図示しない負荷に出力され るようになっている。 [0014] なお、燃料電池 1において、複数の単電池が一体的に形成され、これらの単電池 のうちの少なくとも 2つが同一平面上に配置されていることが望ましい。携帯機器では 厚みサイズが厳しく制限されるため、それに内蔵される燃料電池にも同様の要求があ り、複数の単電池を積み重ねるスタック構造を採用することが困難であるため、同一 平面上に並べて配置する平置き配置構造を採用する。このように平置き配置する複 数の単電池を直列に接続することにより、組電池を形成する。
[0015] 燃料電池 1の内部にはシール部材 8としての複数の Oリングや剛体フレーム 11によ つて液密にシールされ、これらシール部材 8や剛体フレーム 11等により種々のスぺー スゃ間隙が形成されている。それらのスペースや間隙のうち、例えば力ソード側のス ペースは保湿板 19を有する空気導入部として用いられ、アノード側のスペースは気 液分離膜 13を介して液体燃料収容室 15に連通する気化室 16として用いられる。
[0016] 外装ケース 21の主面には複数の通気孔 22が所定ピッチ間隔ごとに開口し、内部 の保湿板 19にそれぞれ連通している。これらの通気孔 22は、外気が通過する開口 を形成するが、外気の通過を阻害せずに、外部から力ソードガス拡散層 4への微小あ るいは針状の異物の浸入 ·接触を防止しうるような形状の工夫がされていることが好 ましい。
[0017] なお、保湿板 19は、外装カバー 21の通気孔 22を通って導入される空気の通過を 阻害せず、かつ、力ソード触媒層 2で発生した水をアノード触媒層 3での反応に有効 に利用するために、力ソード触媒層 2で発生した水をアノード触媒層 3へプロトン伝導 膜 6を介して効率的に送るためのものである。この保湿板 19には好ましくは気孔率が 例えば 20〜60%の多孔性フィルムを用いることができる。
[0018] 外装ケース 21の材料には、ステンレス鋼やニッケル金属などの耐食性に優れた金 属材料を用いることが望ましいが、金属材料に限られることなく樹脂材料を用いること もでき、例えばポリエーテルエーテルケトン（PEEK :ヴィクトレックスピーエルシー社 の商標）、ポリフエ二レンサルファイド（PPS)、ポリテトラフルォロエチレン（PTFE)な どの液体燃料で膨潤等を生じにくい硬質の樹脂を用いてもよい。
[0019] 外装ケース 21の外面の一部に断熱材 18が貼り付けられ、発電部 10のアノード側 および気化室 16が保温されている。断熱材 18には炭素繊維、ガラス繊維、樹脂およ びこれらの多孔体材料を用いることができる。なお、本実施の形態では断熱材 18を 外装ケース 21の外面に設けた力 外装ケース 21の内面に断熱材 18貼り付けるよう にしてもよい。
[0020] 発電部から負極リードとしてのアノード導電層 9に電子を取り出して、発電エネルギ の効率良い利用を可能とするために、所定空間の気化室 16を形成している。気化室 16の形状は、矩形状、円筒状、多角形筒状など種々のものとすることができるが、矩 形状とすることが好ましい。携帯機器の内部レイアウトを容易にする形状であるからで ある。気化室 16は液体燃料収容室 15に隣接して設けられ、両室 15, 16間は気液分 離膜 13により仕切られている。気液分離膜 13は、その周縁部が剛体フレーム 11と燃 料収容室構造体 14のフランジとの間に挟みこまれた状態で支持されている。気液分 離膜 13は、ポリテトラフルォロエチレン (PTFE)シートからなり、液体燃料 (メタノール 液又はその水溶液など）を遮断し、気化燃料 (メタノールガスなど）を透過させるもの である。
[0021] 気化室 16は、外装ケース 21、アノード導電層 9および気液分離膜 13によって周囲 を規定されている。気液分離膜 13から発電部のアノード導電層 9までの距離 L1が 2 mm以下となるように、気液分離膜 13は発電部に近接して配置されている。気液分 離膜 13からアノード導電層 9までの距離 L1が短くなるに従って、発電部からの反応 熱が液体燃料収容室 15内の液体燃料に伝わりやすくなり、液体燃料の気化速度が 上昇し、高い初期出力が得られる。ちなみに、電解質膜 6の厚さを 10〜； 100 m、ァ ノード触媒層 3の厚さを 50〜100 μ m、アノードガス拡散層 5の厚さを 250〜400 μ m、アノード導電層 9の厚さを 10〜30 mとした場合に、気液分離膜 13からアノード 導電層 9までの距離 L1を 2mm以下とすることが好ましい。
[0022] アノード導電層 9には複数の気化燃料供給口（図示せず）が開口している。これらの 気化燃料供給口は、アノードガス拡散層 3の側にそれぞれ連通している。液体燃料 収容室 15内の液体燃料の一部が気化すると、気化燃料は気液分離膜 13を通って 気化室 16内に入り、さらに気化室 16からアノード導電層 9の気化燃料供給口を通つ てアノード触媒層 3の側に導入され、発電反応に寄与する。なお、アノード導電層 9 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、あるいはステンレス鋼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。
[0023] 液体燃料収容室 15には図示しない液受入口に連通する燃料供給流路（図示せず )が適所に開口して!/、る。液受入口には例えばバイオネット式のカプラーが取り付け られ、このカプラーに図示しない燃料カートリッジのノズルが差し込まれ、液体燃料が 液体燃料収容室 15に補給されるようになっている。
[0024] なお、使用される液体燃料は、必ずしもメタノール水溶液や純メタノール等のメタノ 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グリコール燃料、エチレングリコール、ジメチルエーテ ル、ギ酸、ギ酸水溶液、ギ酸ナトリウム水溶液、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素 化ホウ素カリウム水溶液、水素化リチウム水溶液、もしくはその他の液体燃料であって もよい。中でもメタノール水溶液は、炭素数力 で反応の際に発生するのが炭酸ガス であると共に、低温での発電反応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造 すること力 Sできるので好ましい。また、燃料は濃度 100%から数％までの範囲で種々 の濃度のものを用いることができる。
[0025] 液体燃料収容室 15は、保護カバーとしての外装ケース 21および液体燃料収容室 構造体 14によって周囲を規定される所定容量のスペースからなり、このスペースの適 所に図示しない液受入口が開口している。液受入口には例えばバイオネット式の力 ブラーが取り付けられ、燃料を補給するときを除いて、カプラーにより燃料供給口が 閉鎖されてレ、る。この燃料電池本体側のカプラーは別体の燃料カートリッジ側のカブ ラーが液密に係合され得るような形状に形成されてレ、る。例えば燃料カートリッジ側 カプラーの溝（図示せず）を燃料電池本体側のカプラーの突起に係合させて案内し ながら、燃料カートリッジ側カプラーを燃料本体側カプラーのなかに押し込むと、内蔵 バルブが開いてカートリッジ側の流路が燃料電池本体側の流路に連通し、燃料カー トリッジの内圧によって液体燃料 (メタノール液など）が輸送チューブを通って液受入 口力、ら液体燃料収容室 15内に流入するようになって!/、る。
[0026] また、液体燃料収容室 15内には液体燃料含浸層（図示せず）が収容されている。 液体燃料含浸層には例えば多孔質ポリエステル繊維、多孔質ォレフイン系樹脂等多 硬質繊維や、連続気泡多孔質体樹脂を用いることが好ましい。液体燃料含浸層は、 燃料タンク内の液体燃料が減少した場合や燃料電池本体が傾斜して載置され燃料 供給が偏った場合においても、気液分離膜に均質に燃料供給され、その結果、ァノ ード触媒層 3に均質に気化された液体燃料を供給することが可能となる。ポリエステ ノレ繊維以外にも、アクリル酸系の樹脂などの各種吸水性ポリマーにより構成してもよく 、スポンジまたは繊維の集合体など液体の浸透性を利用して液体を保持することが できる材料により構成する。本液体燃料含浸部は，本体の姿勢に関わらず適量の燃 料を供給するのに有効である。
[0027] プロトン伝導膜 6は、アノード触媒層 3において発生したプロトンを力ソード触媒層 2 に輸送するためのものであり、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な 材料により構成されている。例えば、ポリパーフルォロスルホン酸系の樹脂膜、具体 的には、デュポン社製のナフイオン膜、旭硝子社製のフレミオン膜、あるいは旭化成 工業社製のァシプレックス膜などにより構成されている。なお、ポリパーフルォロスル ホン酸系の樹脂膜以外にも、トリフルォロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸 させたポリべンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは 脂肪族炭化水素系樹脂膜などプロトンを輸送可能なプロトン伝導膜 6を構成するよう にしてもよい。
[0028] アノード触媒層 3は、ガス拡散層 5を介して供給される気化燃料を酸化して燃料から 電子とプロトンとを取り出すものである。アノード触媒層 3は、例えば、触媒を含む炭 素粉末により構成されている。触媒には、例えば、白金 (Pt)の微粒子、鉄 (Fe)、ニッ ケル（Ni)、コバルト（Co)、ルテニウム（Ru)あるいはモリブデン（Mo)などの遷移金 属あるいはその酸化物あるいはそれらの合金などの微粒子が用いられる。但し、触媒 をルテニウムと白金との合金により構成するようにすれば、一酸化炭素（CO)の吸着 による触媒の不活性化を防止することができるので好ましい。
[0029] また、アノード触媒層 3は、プロトン伝導膜 6に用いられる樹脂を含むほうがより望ま しい。発生させたプロトンの移動を容易とするためである。アノードガス拡散層 5は、 例えば多孔質の炭素材料よりなる薄膜で構成され、具体的にはカーボンペーパーま たは炭素繊維などで構成されて!/、る。
[0030] 力ソード触媒層 2は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層 3において発生したプ 口トンとを反応させて水を生成するものであり、例えば上述のアノード触媒層 3及びァ ノードガス拡散層 5と同様に構成されている。すなわち、力ソードは、固体電解質膜 1 1の側から順に触媒を含む炭素粉末よりなる力ソード触媒層 3と多孔質の炭素材料よ りなる力ソードガス拡散層 5とが積み重ねられた積層構造をなしている。力ソード触媒 層 2に用いられる触媒はアノード触媒層 3のそれと同様であり、アノード触媒層 3がプ 口トン伝導膜 6に用いられる樹脂を含む場合があることもアノード触媒層 3と同様であ
[0031] 力ソード導電層 7は、力ソードガス拡散層 4の主面に接触導通し、発電電極を織り出 すための正極リードとして機能する。力ソード導電層 7には複数の空気導入孔（図示 せず）が開口している。これらの空気導入孔を通って外装ケース 21の通気孔 22から の空気が力ソードガス拡散層 4に供給されるようになっている。アノード導電層 9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、 あるいはステンレス鋼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 合材料などをそれぞれ使用することができる。
[0032] 外装ケース 21および燃料収容室構造体 14は、ステンレス鋼やニッケル金属などの 耐食性に優れた金属材料でつくることができる。この場合、金属イオンの溶出を防ぐ ために樹脂コーティングを施すことが望ましい。これらをポリエーテルエーテルケトン（ PEEK :ヴィクトレックスピーエルシー社の商標）、ポリフエ二レンサルファイド（PPS) 、ポリテトラフルォロエチレン (PTFE)、などの液体燃料で膨潤等を生じいくい硬質の
[0033] 本実施の形態によれば、発電部 10から液体燃料収容室 15へ伝わる反応熱の熱量 が増え、発電初期において液体燃料が速やかに気化されるので、従来よりも高い初 期出力を得ることができる。
[0034] (第 2の実施の形態）
次に、図 3を参照して本発明の第 2の実施形態について説明する。なお、本実施の 形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。 [0035] 本実施形態に係る燃料電池 1Aでは、アノード導電層 9Aをアノード触媒層 3に積層 配置している。すなわち、アノード触媒層 3およびアノード導電層 9Aをそれぞれ短冊 状の細長いストライプとし、アノード触媒層 3の上にほぼ同幅のアノード導電層 9Aを 重ねて置き、アノード導電層 9Aをアノード触媒層 3を積層配置させている。このように して一体化した触媒層/導電層アッセンプリを形成している。同様に力ソード側にお いても、力ソード導電層 7Aを力ソード触媒層 2に積層配置している。
[0036] このような触媒層/導電層アッセンプリに気液分離膜 13を直接接触させると、気液 分離膜 13からアノード導電層 9Aまでの距離 L1がゼロになる。この場合に、気液分 離膜 13からアノード触媒層 3までの距離 L2もゼロになる。
[0037] 燃料電池において距離 L2を小さくすればするほど立ち上がりの速い出力特性とな る力 本実施の形態のように距離 L2をゼロとしても高い初期出力が得られる。
[0038] (第 3の実施の形態）
次に、図 4を参照して本発明の第 3の実施形態について説明する。なお、本実施の 形態が上記の実施の形態と重複する部分の説明は省略する。
[0039] 本実施形態に係る燃料電池 1Bでは、アノード導電層 9Bをアノード触媒層 3と同一 平面上に配置している。すなわち、アノード導電層 9Bを短冊状の細長いストライプと し、これらを所定の間隔をあけてほぼ平行にアノード触媒層 3の上に重ねて置き、こ れらを一体化させ、触媒層/導電層アッセンプリを形成している。力ソード側におい ても同様にして力ソード導電層 7Bを力ソード触媒層 2のなかに一体化させている。こ のような触媒層/導電層アッセンプリに気液分離膜 13を直接接触させると、気液分 離膜 13からアノード導電層 9Bまでの距離 L1がゼロになる。この場合に、気液分離膜 13からアノード触媒層 3までの距離 L2もゼロになる。
[0040] 燃料電池において距離 L2を小さくすればするほど立ち上がりの速い出力特性とな る力 本実施の形態のように距離 L2をゼロとしても高い初期出力が得られる。
[0041] 次に、表 1および図 2、図 4、図 5を参照して実施例;!〜 6を比較例 1と比べて説明す
[0042] (実施例 1)
実施例 1として、室温にて一定電圧で発電を行い、その際の電池出力の経時変化 を測定するとともに、温度および内圧を同時にモニタリングした。ここで、温度はァノ ード導電層 9の直下の位置で、圧力は L1がゼロを超える場合には気化燃料収容室 5 の中央部の位置あるいは L1がゼロの場合には隣り合う単電池の間隙の中央部の位 置でそれぞれ測定した。一方、濃度は気化燃料収容室 16とアノード導電層 9との境 界位置で解析的に算出した。
[0043] <条件〉
単電池の有効面積： 70 X 10mm
単電池の数： 6直列
電解質膜の厚さ： 45 m
アノード触媒層の厚み： 100 m
力ソード触媒層の厚み： 100 m
アノードガス拡散層の厚み： 350 m
力ソードガス拡散層の厚み： 350 m
アノード導電層の厚み： 80 m
力ソード導電層の厚み： 80 m
距離 Ll : 2. 0mm
距離 L2 : 2. 43mm
但し、各層の厚みは、測定点を 10点とする平均値でそれぞれ表示した。
[0044] また、距離 L1は、図 2に示す 9つの測定点（1)〜（9)の平均値で表示した。すなわ ち、距離 L1の測定点は、アノード導電層 9の 4つの隅角部（1) , (3) , (7) , (9)、 4辺 の中点部（2) , (4) , (6) , (8)、および 1つの中央部（5)に対応する位置で得られた 値の平均値である。距離 LI , L2は、例えば切断方法で切断した断面を測定すること で得ること力 Sでさる。
[0045] (実施例 2)
実施例 2として下記の条件を満たす燃料電池をそれぞれ連続的に発電動作させて 、膜電極接合体の温度と内圧を測定するとともに、長期出力を測定した。その結果を 表 1に相対値で示した。
[0046] <条件〉 単電池の有効面積： 70 X 10mm
単電池の数： 6直列
電解質膜の厚さ： 45 m
アノード触媒層の厚み： 100 m
力ソード触媒層の厚み： 100 m
アノードガス拡散層の厚み： 350 m
力ソードガス拡散層の厚み： 350 / m
アノード導電層の厚み： 80 m
力ソード導電層の厚み：80 μπι
距離 L1:0. 5mm
距離 L2:0. 93mm
(実施例 3)
実施例 3として下記の条件を満たす燃料電池をそれぞれ連続的に発電動作させて 、膜電極接合体の温度と内圧を測定するとともに、長期出力を測定した。その結果を 表 1に相対値で示した。
ぐ条件 >
単電池の有効面積： 70 X 10mm
単電池の数： 6直列
電解質膜の厚さ： 45 m
アノード触媒層の厚み： 100 m
力ソード触媒層の厚み： 100 m
アノードガス拡散層の厚み： 350 m
力ソードガス拡散層の厚み： 350 m
アノード導電層の厚み： 80 μ
力ソード導電層の厚み： 80 m
距離 Ll:l. Omm
距離 L2:l.43mm
(実施例 4) 実施例 4として下記の条件を満たす燃料電池をそれぞれ連続的に発電動作させて 、膜電極接合体の温度と内圧を測定するとともに、長期出力を測定した。その結果を 表 1に相対値で示した。
[0048] <条件〉
単電池の有効面積： 70 X 10mm
単電池の数： 6直列
電解質膜の厚さ： 45 m
アノード触媒層の厚み： 100 / m
力ソード触媒層の厚み： 100 m
アノードガス拡散層の厚み： 350 m
力ソードガス拡散層の厚み： 350 m
アノード導電層の厚み： 80 m
力ソード導電層の厚み： 80 μ m
距離 Ll : l . 5mm
距離 L2 : l . 90mm
(実施例 5)
実施例 5として下記の条件を満たす燃料電池をそれぞれ連続的に発電動作させて 、膜電極接合体の温度と内圧を測定するとともに、長期出力を測定した。その結果を 表 1に相対値で示した。
[0049] <条件〉
単電池の有効面積： 70 X I Omm
単電池の数： 6直列
電解質膜の厚さ： 45 m
アノード触媒層の厚み： 100 m
力ソード触媒層の厚み： 100 m
アノードガス拡散層の厚み： 350〃 m
力ソードガス拡散層の厚み： 350 m
アノード導電層の厚み： 80 μ m 力ソード導電層の厚み： 80 β m
距離 Ll : l . 9mm
距離 L2 : 2. 33mm
(実施例 6)
実施例 6として下記の条件を満たす燃料電池をそれぞれ連続的に発電動作させて 、膜電極接合体の温度と内圧を測定するとともに、長期出力を測定した。その結果を 表 1に相対値で示した。
[0050] <条件〉
単電池の有効面積： 70 X 10mm
単電池の数： 6直列
電解質膜の厚さ： 45 m
アノード触媒層の厚み： 100 m
力ソード触媒層の厚み： 100 m
アノードガス拡散層の厚み： 350 m
力ソードガス拡散層の厚み： 350 u
アノード導電層の厚み： 80 m
力ソード導電層の厚み： 80 m
距離 L1 :ゼロ
距離 L2 : 0. 43mm
(比較例 1 )
比較例 1として下記の条件を満たす燃料電池をそれぞれ連続的に発電動作させて 、膜電極接合体の温度と内圧を測定するとともに、長期出力を測定した。その結果を 表 1に相対値で示した。
[0051] <条件〉
単電池の有効面積： 70 X 10mm
単電池の数： 6直列
電解質膜の厚さ： 45 m
アノード触媒層の厚み： 100 m 力ソード触媒層の厚み： 100 m
アノードガス拡散層の厚み： 350 m
力ソードガス拡散層の厚み： 350 m
アノード導電層の厚み： 80 m
力ソード導電層の厚み： 80 m
距離 Ll : 5. Omm
距離 L2 : 5. 43mm
[表 1] 表 1
Figure imgf000016_0001
[0052] 表 1に示すように、距離 L1が 2mmで初期出力が最大になり、距離 L1が減少するに 従って初期出力が漸次減少することが認められた（実施例 1〜6)。また、距離 L1が 5 mmと大きくなると初期出力が低くなることを確認できた（比較例 1)。
[0053] なお、比較例 1の気化燃料濃度の結果を基準値の 1とした場合に、実施例 1の気化 燃料濃度は 1. 20と比較例 1のそれを上回り、また気化室の温度は 1. 25と比較例 1 のそれを上回った。これから、実施例 1では発電初期において燃料の気化速度が大 きぐかつ反応熱が気化室に速やかに伝わることが認められた。
[0054] 図 5は横軸に気液分離膜から集電体までの距離 LI (mm)をとり、縦軸に初期出力
(相対値）、気化室内の燃料濃度 (相対値）、気化室内の温度 (相対値)をとつて、距 離 L1が各特性に及ぼす影響について調べた結果をそれぞれ示す特性線図である。 図中の特性線 P (実線）は初期出力特性を、特性線 C (二点鎖線）は気化室内の燃料 濃度特性を、特性線 τ (破線）は気化室内の温度特性をそれぞれ示す。初期出力は 、距離 L1を 2mmに設定した燃料電池の出力を基準値（100)としたときの相対値で ある。また、気化室内の燃料濃度と温度は、それぞれ距離 L1が Ommのところを基準 値（100)としたときの相対値である。
[0055] 図から明らかなように、初期出力 Pは距離 L1が 2mm近辺のところに最大値を有す る。また、気化室内の燃料濃度および温度は、距離 L1が増加するに従ってそれぞれ 低下する傾向にあり、距離 L1が 2mmを超えると急激に低下している。初期出力だけ に注目してみると距離 L1が 2mmを超えるものであっても使用可能なようにも思われ る力 両特性線 C, Tに示したように気化室内の燃料濃度と温度が急激に低下するた め、燃料供給の状態が不安定となり、出力安定性が低下するおそれがある。したがつ て、初期出力と出力安定性とのバランスを考慮して、その適切な距離 L1の範囲は 2 mm以下となる。
[0056] 本発明によれば、アノード触媒層が気液分離膜に近接して!/、るため反応熱が液体 燃料収容室に伝わりやすぐ液体燃料が速やかに気化され、発電初期から高い出力 を得ることができるようになる。このため、ノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、 携帯ゲーム機などのコードレス携帯機器などの電源として起動時の立ち上がりの速 い出力特性を得ることができる。
[0057] 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の組合せにより、種々の発明を形成するこ とができる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を省略 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。
[0058] 例えば、上記の説明では、燃料電池の構成として膜電極接合体 (MEA)の下部に 燃料貯蔵部を有する構造で説明したが、燃料収容部から MEAへの燃料の供給は流 路を介するものであってもよい。また、上記実施形態ではパッシブ型の燃料電池の例 について説明したが、アクティブ型またはセミパッシブ型の燃料電池にも本発明を適 用すること力 Sできる。ここでセミパッシブ型の燃料電池とは、毛管力および機械的駆 動力を利用して液体燃料を供給する方式の燃料電池のことを!/、う。セミパッシブ型の 燃料電池においては、燃料は、燃料収容部から MEAに供給され、 MEAで発電反応 に消費されてしまい、再び燃料収容部へ戻されることはない。このようにセミパッシブ 型の燃料電池では、燃料をシステム内で循環させないことから、アクティブ型とは異 なる。また、セミパッシブ型の燃料電池は、装置の小型化を損なうものではない。また 、セミパッシブ型の燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、純パッシブ型（ 毛管力のみで燃料を供給する方式)の燃料電池とも異なる。なお、このセミパッシブ 型の燃料電池では、燃料収容部から MEAへの燃料供給が行われる構成であればよ ぐポンプの代わりに遮断バルブを用いることも可能である。遮断バルブは、毛管力 による液体燃料の通流を ON/OFF制御するものである。また、 MEAへ供給される 燃料の蒸気は、全て燃料の蒸気を供給するようにしてもよいが、その一部が液体状 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。

Claims

請求の範囲
[1] 力ソード触媒層と、アノード触媒層と、前記力ソード触媒層と前記アノード触媒層との 間に配置されるプロトン伝導膜とを有する膜電極接合体と、前記力ソード触媒層に電 気的に導通する力ソード導電層と、前記アノード触媒層に電気的に導通するアノード 導電層と、液体燃料を収容する液体燃料収容室と、液体燃料の気化した成分を前記 液体燃料収容室から前記アノード触媒層に選択的に透過させる気液分離膜と、前記 気液分離膜から前記アノード導電層までの間に形成された気化燃料収容室と、を具 備する燃料電池であって、
前記気液分離膜から前記アノード導電層までの距離 L1を Omm以上 2mm以下と することを特徴とする燃料電池。
[2] 前記気化燃料収容室の形状が矩形状であることを特徴とする請求項 1記載の燃料電 池。
[3] 複数の単電池が一体的に形成され、前記単電池のうちの少なくとも 2つが同一平面 上に配置されていることを特徴とする請求項 1記載の燃料電池。
[4] 前記気化燃料収容室の前記気液分離膜側および前記アノード導電層側と接する境 界の側壁にシール部材がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項 1記載の 燃料電池。
[5] 前記気化燃料収容室の側壁の外面が保温用の断熱材で覆われて!/、ることを特徴と 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、またはメタノールの液 体であることを特徴とする請求項 1記載の燃料電池。
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