WO2012128238A1 - Fuel cell - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a fuel cell.
- Fuel cells can be used for a long time, allowing users to use the electronic equipment longer than before by refilling the fuel once, and even if the user runs out of the battery on the go, the fuel cell does not have to wait for charging. From the point of convenience that an electronic device can be used immediately by purchasing and replenishing it, there is an increasing expectation for practical use as a new power source for portable electronic devices that support the information society.
- Fuel cells are classified into phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, solid polymer type, direct alcohol type, etc., according to the classification of the electrolyte material and fuel used.
- solid polymer fuel cells and direct alcohol fuel cells that use an ion exchange membrane, which is a solid polymer, as the electrolyte material can achieve high power generation efficiency at room temperature. Practical application as a small fuel cell is under study.
- the direct alcohol fuel cell that uses alcohol or an aqueous alcohol solution as the fuel has a simplified structure of the fuel cell because the fuel storage chamber can be designed relatively easily compared to the case where the fuel is a gas. Space-saving is possible, and the expectation as a small fuel cell for the purpose of application to portable electronic devices is particularly high.
- a fuel cell using a liquid fuel (hereinafter also referred to as “liquid fuel”), such as a direct alcohol fuel cell, has a liquid supply system that supplies liquid fuel to the anode electrode in a liquid state, There is a gas supply system for supplying a vaporized component to the anode electrode.
- a vaporized component (hereinafter, also referred to as “vaporized fuel”) of liquid fuel stored in the liquid fuel storage chamber between the liquid fuel storage chamber and the anode electrode.
- a gas supply type DMFC Direct Methanol Fuel Cell
- DMFC Direct Methanol Fuel Cell
- fuel cells can be broadly classified into passive type and active type from the classification based on the fuel and air supply system.
- a passive fuel cell is a fuel cell that supplies fuel and air to the anode and cathode, respectively, without using auxiliary equipment that uses external power such as a pump or a fan. Therefore, there is a high expectation for use in portable electronic devices.
- the temperature inside the cell rises due to heat generated by power generation, which promotes the vaporization of the liquid fuel contained in the fuel storage chamber and causes a crossover phenomenon (excess in the anode electrode).
- the fuel supplied to the battery reaches the cathode electrode through the electrolyte membrane, causing a catalytic reaction at the cathode electrode), and the internal temperature of the battery is likely to run away due to a vicious cycle in which the battery temperature further rises. It was. Further, when the internal pressure rises due to the temperature rise inside the battery as described above, the fuel cell may be deformed, and there is a problem in terms of reliability.
- Patent Document 1 discloses a distance L from a gas-liquid separation membrane disposed on a liquid fuel storage chamber to an anode conductive layer of a membrane electrode assembly in a passive DMFC using a gas supply method. It has been proposed to be more than 2 mm and not more than 5 mm.
- the distance L is set to more than 2 mm in order to thermally separate the power generation unit (membrane electrode assembly) and the fuel supply unit (liquid fuel storage chamber). In this case, it is difficult to reduce the thickness of the fuel cell.
- the anode electrode In a fuel cell in which a gas-liquid separation membrane capable of gas permeation is disposed between a liquid fuel storage chamber and an anode electrode in order to adopt a gas supply method as described in Patent Document 1, the anode electrode The by-product gas generated in the step passes through the gas-liquid separation membrane and enters the liquid fuel storage chamber. The intrusion of the by-product gas into the liquid fuel storage chamber reduces the amount of liquid fuel that contacts the gas-liquid separation membrane, resulting in a decrease in the amount of vaporized fuel supplied to the anode electrode and a stable supply of vaporized fuel. And the output stability of the fuel cell is lowered.
- the present invention includes a unit cell having an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order, a fuel supply unit that is disposed on the anode electrode side of the unit cell and supplies fuel to the anode electrode, a unit cell, and a fuel supply
- the exhaust heat layer is provided between the through-hole that penetrates in the thickness direction and the peripheral portion of the exhaust heat layer, and communicates the through-hole and the outside of the exhaust heat layer.
- a fuel cell [A] having a communication path is provided.
- the exhaust heat layer can have two or more through holes and one or more communication paths that connect any one of the through holes to the outside of the exhaust heat layer.
- the opening ratios of the through holes are preferably 50% or more in total.
- the thickness of the through hole (exhaust heat layer) is preferably 100 to 1000 ⁇ m.
- the ratio between the total cross-sectional area S 1 of the communication path and the total area S 0 of the side surface of the exhaust heat layer is preferably greater than 0 and less than 0.3.
- the exhaust heat layer can be made of, for example, a metal plate in which a through hole and a communication path are formed by etching.
- the fuel cell [A] of the present invention preferably further includes a first intervening layer that is a hydrophobic porous layer disposed between the exhaust heat layer and the fuel supply unit.
- the fuel supply unit is composed of a space in which the anode electrode side is open, and may include a fuel supply chamber for circulating or containing liquid fuel (liquid fuel).
- the fuel supply unit includes a fuel supply chamber for circulating the liquid fuel, and a fuel storage chamber connected to the fuel supply chamber and containing the liquid fuel.
- the fuel cell [A] can further include a pumping means for pumping the liquid fuel stored in the fuel storage chamber to the fuel supply chamber.
- the fuel supply unit is arranged on the side of the fuel supply chamber in addition to the fuel supply chamber, and includes a fuel storage chamber for containing liquid fuel, a liquid A member made of a material exhibiting a capillary action with respect to the fuel, one end of which is disposed at a position capable of contacting the liquid fuel accommodated in the fuel storage chamber, and the other end disposed in the fuel supply chamber; And a fuel transport member extending to face the anode electrode.
- the communication path is preferably provided at the peripheral edge of the exhaust heat layer farthest from the fuel storage chamber.
- the fuel cell [A] of the present invention includes a first intervening layer, which is a hydrophobic porous layer, disposed between the exhaust heat layer and the fuel supply chamber, and a first cover layer covering the opening of the fuel supply chamber. And a second intervening layer that is disposed between the intervening layer and the fuel supply chamber and has a bubble point of 30 kPa or more when the measurement medium is methanol.
- the unit cell preferably further includes an anode current collecting layer laminated on the anode electrode and a cathode current collecting layer laminated on the cathode electrode.
- the present invention also relates to a fuel cell comprising a unit cell having an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order, and a fuel supply unit that is disposed on the anode electrode side of the unit cell and supplies fuel to the anode electrode.
- the fuel supply unit is a space that is open on the anode electrode side, and supplies the fuel so as to cover the fuel supply chamber for circulating or containing the liquid fuel (liquid fuel) and the opening of the fuel supply chamber.
- an intervening layer disposed between the chamber and the unit cell, the intervening layer being provided on the fuel supply chamber side in the thickness direction, and a bubble point when the measurement medium is methanol is 30 kPa or more.
- a second region that is provided on the unit cell side in the thickness direction and is capable of transmitting vaporized fuel (vaporized fuel).
- the intervening layer is preferably disposed on the fuel supply chamber so as to cover the opening of the fuel supply chamber, and the bubble layer has a bubble point of 30 kPa or more when the measurement medium is methanol,
- the first layer is laminated on the unit cell side surface and has a two-layer structure including a second layer capable of transmitting vaporized fuel.
- the fuel cell [B] of the present invention may further include a third layer having a through-hole penetrating in the thickness direction between the first layer and the second layer.
- a preferable example of the third layer is a thermoplastic resin sheet having a plurality of through holes penetrating in the thickness direction.
- Other preferable examples of the third layer include a porous layer formed from an adhesive resin or resin composition, and a metal plate having a plurality of through holes penetrating in the thickness direction. it can.
- the unit cell preferably further includes an anode current collecting layer laminated on the anode electrode and a cathode current collecting layer laminated on the cathode electrode.
- anode current collecting layer laminated on the anode electrode and a cathode current collecting layer laminated on the cathode electrode.
- pure methanol or an aqueous methanol solution can be preferably used.
- the present invention further provides an electronic device including the fuel cell [A] or [B].
- the present invention it is possible to provide a thin fuel cell that can prevent runaway of the internal temperature of the fuel cell and an increase in internal pressure and can maintain stable power generation.
- the present invention it is possible to prevent the by-product gas generated at the anode electrode from entering the fuel supply chamber. As a result, a sufficient amount of vaporized fuel can be stably supplied to the anode electrode, so that good output stability can be maintained.
- the fuel cell of the present invention is suitable as a small fuel cell for application to a portable electronic device, particularly as a small fuel cell mounted on a portable electronic device.
- FIG. 2 is a schematic top view of the fuel cell shown in FIG. 1.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along line III-III shown in FIG.
- FIG. 4 is a schematic sectional view taken along line IV-IV shown in FIG. 1.
- FIG. 5 is a schematic sectional view taken along line VV shown in FIG. 1.
- It is the schematic top view and schematic sectional drawing which show the exhaust heat layer used with the fuel cell shown by FIG.
- It is the schematic top view and schematic sectional drawing which show the other example of a heat exhaust layer.
- FIG. 11 is a schematic top view of the fuel cell shown in FIG. 10. It is a schematic sectional drawing in the III-III line
- FIG. 18 is a schematic sectional drawing which shows another example of the fuel cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. It is a schematic sectional drawing which shows an example of the fuel cell which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. It is a schematic top view which shows the 3rd layer with which the fuel cell shown by FIG. 18 is provided.
- 2 is a top view showing an exhaust heat layer produced in Example 1.
- FIG. 3 is a top view showing a box housing (flow path plate) produced in Example 1.
- FIG. 4 is a diagram showing IV measurement results of the fuel cell manufactured in Example 1.
- FIG. 4 is a diagram showing IV measurement results of a fuel cell manufactured in Example 2. It is a figure which shows the output stability of the fuel cell produced in Example 1 and Comparative Example 1.
- FIG. 6 is a schematic top view showing a first layer of an intervening layer used in Example 3.
- FIG. 6 is a schematic top view showing a second layer of the intervening layer used in Example 3.
- FIG. 6 is a schematic top view showing a box housing used in Example 3.
- FIG. 6 is a schematic top view showing a third layer of the intervening layer used in Example 5.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell according to the present embodiment, and shows an example of the fuel cell [A].
- FIG. 2 is a schematic top view of the fuel cell.
- sectional views taken along lines III-III, IV-IV and VV shown in FIG. 1 are shown in FIGS. 3 to 5, respectively.
- a fuel cell 100 shown in these drawings includes a membrane electrode assembly 20 including an anode electrode 11, an electrolyte membrane 10, and a cathode electrode 12 in this order, and is laminated on the anode electrode 11 and electrically connected thereto.
- a unit cell 30 comprising an anode current collecting layer 21 and a cathode current collecting layer 22 laminated on and electrically connected to the cathode electrode 12; exhaust heat laminated in contact with the surface of the anode current collecting layer 21 Layer 1; a first intervening layer 2 which is a hydrophobic porous layer laminated in contact with the surface of the exhaust heat layer 1; below the anode 11 (more specifically, below the first intervening layer 2)
- a fuel supply chamber 60 comprising a space disposed and opened on the anode electrode 11 side; a fuel storage chamber 70 for accommodating (holding) fuel (not shown) supplied to the anode electrode 11; and one end (FIG. 1) Is the fuel storage chamber.
- the fuel supply chamber 60 basically comprises a fuel transport member 61 extending so as to face the anode electrode 11.
- the fuel transport member 61 is made of a material that exhibits a capillary action on the liquid fuel (liquid fuel) accommodated in the fuel storage chamber 70, and the liquid fuel is brought into the fuel supply chamber 60 by the capillary action of the fuel transport member 61.
- the fuel supply chamber 60, the fuel storage chamber 70, and the fuel transport member 61 constitute a fuel supply unit of the fuel cell 100.
- the space immediately below the anode electrode 11 constituting the fuel supply chamber 60 is formed by the box housing 40 and the first intervening layer 2 which are arranged below the unit cell 30 so as to be in contact with the first intervening layer 2.
- the box housing 40 has a recess that constitutes the fuel supply chamber 60, and is aligned so that the recess is disposed immediately below the anode 11, and the opening side of the recess is the first intervening layer 2.
- the fuel supply chamber 60 is formed by disposing the box housing 40 so as to oppose to each other. Further, the box housing 40 has a portion constituting the fuel supply chamber 60 of the fuel cell 100 and a portion constituting the bottom wall and side wall of the fuel storage chamber 70 as an integral unit.
- the fuel cell 100 is provided with a box housing 40 and a lid housing 50 that is stacked on the cathode current collecting layer 22 and has a plurality of openings 51, and the unit cell 30 is sandwiched between the box housing 40 and the lid housing 50. ing.
- the lid housing 50 integrally has a portion constituting the upper wall (ceiling wall) of the fuel storage chamber 70 together with a portion laminated on the cathode current collecting layer 22, and the box housing 40, the lid housing 50, and the unit.
- a fuel storage chamber 70 is formed by the battery 30.
- a cured product of the epoxy-based curable resin composition so that the fuel stored in the fuel storage chamber 70 does not enter the end surfaces of the unit cell 30, the exhaust heat layer 1, and the first intervening layer 2 on the fuel storage chamber 70 side.
- a sealing layer 80 made of a layer or the like is formed.
- the fuel storage chamber 70 is disposed on the side of the unit cell 30 and the fuel supply chamber 60 disposed below the unit cell 30.
- the box housing 40 includes a first opening 63 connected to the communication path 1b of the heat exhaust layer 1. Further, the fuel storage chamber 70 includes a second opening 71 that communicates the internal space with the outside of the fuel cell 100.
- the second opening 71 is a through hole provided in the lid housing 50.
- the fuel cell 100 generates power by the following operation. That is, when the liquid fuel is supplied to the fuel storage chamber 70, the liquid fuel moves from the end of the fuel transport member 61 on the fuel storage chamber 70 side to the pores of the fuel transport member 61 by capillary action. The moved liquid fuel permeates the fuel transport member 61 through the capillary tube composed of the pores of the fuel transport member 61 and reaches the other end of the fuel transport member 61 (the end opposite to the fuel storage chamber 70 side). Go around.
- the liquid fuel that has permeated the fuel transport member 61 and transported into the fuel supply chamber 60 fills the space of the fuel supply chamber 60 in a gas state.
- the fuel (vaporized fuel) in the gas state passes through the first intervening layer 2 so that the amount or concentration thereof is adjusted to an appropriate range, and the amount or concentration is made uniform.
- the vaporized fuel that has passed through the first intervening layer 2 passes through the through-hole 1a of the exhaust heat layer 1, appropriate adjustment and equalization of the amount or concentration thereof is promoted.
- the vaporized fuel that has passed through the exhaust heat layer 1 is supplied to the anode 11 through the opening of the anode current collecting layer 21.
- the gaseous methanol aqueous solution supplied to the anode 11 is CH 3 OH + H 2 O ⁇ CO 2 ⁇ + 6H + + 6e ⁇
- oxygen in the air that has reached through the opening 51 of the lid housing 50 and the opening of the cathode current collecting layer 22, and the oxygen from the anode electrode 11 to the cathode electrode 12 are transmitted through the electrolyte membrane 10.
- the vaporized fuel in the fuel supply chamber 60 is consumed in accordance with the amount of current consumed by the fuel cell 100. To compensate for this, the liquid fuel continues to evaporate from the fuel transport member 61. The concentration of the vaporized fuel in the supply chamber 60 is kept substantially constant, and sufficiently high power can be stably supplied. Further, since the first intervening layer 2 and the exhaust heat layer 1 are provided between the unit cell 30 and the fuel supply section (more specifically, the fuel supply chamber 60 including the fuel transport member 61), the anode electrode 11 can be supplied uniformly and controlled in an appropriate amount. Thereby, fuel crossover can be effectively suppressed, temperature unevenness hardly occurs in the power generation unit, and a stable power generation state can be maintained.
- the exhaust heat layer 1 which is one of the features of the present invention will be described in detail later.
- the transport of the liquid fuel from the fuel storage chamber 70 to the fuel supply chamber 60 (permeation movement of the liquid fuel in the fuel transport member 61) is exclusively performed through the pores of the fuel transport member 61. It utilizes the capillary phenomenon derived from the above. Therefore, the transportation of the liquid fuel from the fuel storage chamber 70 to the fuel supply chamber 60 can be performed without using external power and substantially not affected by gravity.
- FIG. 6 (a) is a schematic top view showing the exhaust heat layer 1 used in the fuel cell 100 shown in FIG. 1, and FIG. 6 (b) is a BB ′ line shown in FIG. 6 (a).
- FIG. 6 the fuel cell 100 shown in FIG. 1 is between the unit cell 30 and the fuel supply unit (more specifically, between the unit cell 30 and the first intervening layer 2).
- a heat exhaust layer 1 having a through hole 1a penetrating in the thickness direction and a communication path 1b communicating the through hole 1a and the outside of the heat exhaust layer 1 is provided.
- the through-hole 1a also functions as a supply path for the vaporized fuel that has passed through the first intervening layer 2 to the anode electrode 11.
- the communication path 1b is formed in a groove (concave portion) provided at the peripheral edge of the exhaust heat layer 1 and extending from the through hole 1a to the end surface of the peripheral edge. This peripheral edge is the peripheral edge farthest from the fuel storage chamber 70 among the four peripheral edges (see FIG. 1).
- the position of the communication path 1b is not limited to this position, and may be formed at another peripheral edge.
- Providing the exhaust heat layer 1 between the unit cell 30 and the fuel supply unit (fuel supply chamber 60) is advantageous in the following points.
- Heat insulation between the power generation unit (membrane electrode assembly 20) of the unit cell 30 and the fuel supply unit can be achieved by the air layer present in the through hole 1a. Thereby, the crossover by the temperature of a fuel supply part rising excessively can be suppressed. This contributes to suppression of runaway battery internal temperature and increase in internal pressure.
- By-product gas such as CO 2 gas generated at the anode electrode 11 reaches the through-hole 1a with heat generated by power generation, and then continues to the communication path 1b (in the embodiment shown in FIG. 1). The fuel is discharged outside the fuel cell through the first opening 63).
- the amount of heat accumulated in the fuel cell can be greatly reduced, and therefore, an increase in temperature of the entire fuel cell including the fuel supply unit can be suppressed. This also contributes to suppression of battery internal temperature runaway and internal pressure rise.
- the exhaust heat layer 1 with the communication path 1b (by-product gas outlet), it is difficult for heat to be transmitted to the fuel supply section. It has a structure that is less prone to crossover and temperature runaway. (Iii) Since the by-product gas can be discharged well from the communication path 1b, the fuel supply hindrance due to the defective discharge of the by-product gas can be suppressed, and the fuel supply to the anode 11 is good. Thereby, stable power generation characteristics can be obtained.
- the power generation unit and the fuel supply unit are insulated from each other by the air layer of the exhaust heat layer 1, but not only this, but also by the communication path 1 b that connects the through hole 1 a and the outside,
- the heat generated by power generation can be discharged.
- the distance between the power generation unit and the fuel supply unit that is, the thickness of the exhaust heat layer 1 sufficiently large. Therefore, according to the present invention, the distance between the power generation unit and the fuel supply unit (that is, the thickness of the exhaust heat layer 1) can be reduced, thereby achieving a reduction in the thickness of the fuel cell.
- the thickness of the heat exhaust layer 1 (and hence the through-hole 1a) can be set to about 100 to 1000 ⁇ m, for example, and can be reduced to about 100 to 300 ⁇ m.
- the through-hole 1a is functioning also as a supply path
- the through-hole 1a of the exhaust heat layer 1 can increase the aperture ratio with respect to the area of the exhaust heat layer 1 as much as possible as shown in FIG. Therefore, it is preferable that the exhaust heat layer 1 has a frame shape (b-shaped) having a through hole 1a as large as possible.
- the opening ratio of the through-hole 1a that is, the opening area of the through-hole 1a with respect to the area of the exhaust heat layer 1 (as will be described later, the exhaust heat layer 1 may have two or more through-holes 1a.
- the ratio of the total area of the openings is preferably 50% or more, more preferably 60% or more.
- Increasing the aperture ratio of the through-hole 1a is also advantageous for enhancing the function of the exhaust heat layer 1 to make the concentration of the fuel supplied to the anode 11 uniform, and sufficient fuel supply to the anode 11 is achieved. It is advantageous also in securing. In addition, the opening rate of the through-hole 1a is 90% or less normally.
- the communication path 1b is not limited to a groove (concave portion) provided in the peripheral edge portion of the exhaust heat layer 1, and may be a through hole penetrating in the thickness direction, but from the viewpoint of the strength of the exhaust heat layer 1
- the exhaust heat layer 1 includes a groove (concave portion) provided at the peripheral edge.
- the depth of the communication path 1b is preferably 50 ⁇ m or more. Even when the adjacent member (for example, the anode current collecting layer 21) and the exhaust heat layer 1 are joined by hot pressing (thermocompression) using a thermocompression sheet by setting the depth to 50 ⁇ m or more.
- the depth of the communication path 1 b is preferably up to about 75% of the thickness of the exhaust heat layer 1.
- FIG. 7A is a schematic top view showing another example of the exhaust heat layer
- FIG. 7B is a schematic cross-sectional view taken along line C-C ′ shown in FIG. 7A.
- the exhaust heat layer 1 may have two or more through-holes 1a.
- the exhaust heat layer 1 has a total of four through holes 1 a arranged in two rows. It can also be said that beams are provided in the vertical direction and the horizontal direction of a large through hole and divided into four. Since the exhaust heat layer 1 having a plurality of through-holes 1a (provided with beams) has improved rigidity in the in-plane direction of the exhaust heat layer 1, a fuel cell excellent in strength against impact or the like can be obtained. Is advantageous.
- the through-hole 1 a is less likely to be blocked due to expansion or the like due to heat or the like of members disposed above and below the exhaust heat layer 1. Is also advantageous.
- the communication path 1b provided in the peripheral portion of the exhaust heat layer 1 and connecting the through-hole 1a and the outside of the exhaust heat layer 1 is provided for each through-hole 1a.
- the same number as the number of through-holes 1a may be provided, or the number of communication paths 1b that is smaller or larger than the number of through-holes 1a may be provided.
- the two communication paths 1 b are provided only for the peripheral part farthest from the fuel storage chamber 70 with respect to the four through holes 1 a.
- it is not necessary to provide the communication path 1b for every through-hole 1a in that case, as shown in FIG.
- connection path 1c can be a groove (concave part) provided in the beam between the through-holes 1a (see FIG. 7B).
- connection path 1d that spatially connects the through holes provided with the communication path 1b and / or the through holes not provided with the communication path 1b.
- the shape (width and length, etc.) of the plurality of through-holes 1a, the number of arrangements (in other words, the number of beams provided vertically and horizontally, the arrangement interval, etc.) are the positions of the recesses forming the fuel supply chamber 60 in the box housing 40. It is preferable to determine the number, the number, and the arrangement interval in the case of having a plurality of recesses.
- the production of the fuel cell preferably includes a step of joining the exhaust heat layer 1 (or the laminate of the exhaust heat layer 1 and the first intervening layer 2) and the box housing 40 by hot pressing (thermocompression bonding).
- the communication path 1b may be provided in any one of the four peripheral portions, but the anode is used when the fuel storage chamber 70 is disposed on the side of the unit cell 30 as in the example shown in FIG.
- the anode is used when the fuel storage chamber 70 is disposed on the side of the unit cell 30 as in the example shown in FIG.
- the fuel cell has a stack structure including a plurality of unit cells arranged in a row on the same plane, adjacent units are prevented so that air supply to the adjacent unit cells is not hindered by by-product gas discharge.
- the communication path 1b in the peripheral part which does not face a battery.
- the fuel storage chamber 70 is disposed along one of two peripheral portions of the stack structure that do not face adjacent unit cells. All the communication paths 1b can be provided in the other peripheral edge (that is, the peripheral edge farthest from the fuel storage chamber 70). Thereby, obstruction of the air supply to the unit battery can be prevented, and the amount of fuel discharged from the communication path 1b can be reduced as much as possible.
- the ratio S 1 / S 0 between the cross-sectional area of the communication path 1b (the sum of these cross-sectional areas when two or more communication paths 1b are provided) S 1 and the total area S 0 of the side surface of the exhaust heat layer 1 is In order to discharge the by-product gas and the heat accompanying it, it is necessary to make it larger than 0, preferably 0.002 or more. Further, it is preferably less than 0.3, more preferably less than 0.1, and still more preferably less than 0.05. When the ratio is 0.3 or more, fuel leakage or air mixing is likely to occur, and power generation stability may be reduced.
- the communication paths 1b are provided at the peripheral edge farthest from the fuel storage chamber 70, one or two or more communication paths 1b are provided only at one of the four peripheral edges of the exhaust heat layer 1.
- the cross-sectional area S 2 of the side surface at the peripheral portion communicating path 1b is provided
- the ratio S 1 / S 2 is preferably 0.008 or more for the same reason as described above.
- the material of the exhaust heat layer 1 can be plastic, metal, non-porous carbon material or the like.
- the plastic include polyphenylene sulfide (PPS), polyimide (PI), polymethyl methacrylate (PMMA), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polyvinyl chloride, polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), and polyether.
- PPS polyphenylene sulfide
- PI polyimide
- PMMA polymethyl methacrylate
- ABS acrylonitrile butadiene styrene
- PVC polyvinyl chloride
- PE polyethylene
- PET polyethylene terephthalate
- PVDF polyvinylidene fluoride
- the metal for example, alloys such as stainless steel and magnesium alloy can be used in addition to titanium and aluminum.
- the heat insulation by the exhaust heat layer 1 is the heat of the material.
- the contribution of the air layer formed in the through-hole 1a is greater than the conductivity. Therefore, in terms of heat insulation, it is more important to consider the volume of the air layer (opening ratio and thickness of the through hole 1a) than the material of the exhaust heat layer 1.
- the exhaust heat layer 1 is preferably made of a material having high rigidity such as metal, polyphenylene sulfide (PPS), or polyimide (PI).
- PPS polyphenylene sulfide
- PI polyimide
- the first intervening layer 2 is a porous layer that is disposed between the exhaust heat layer 1 and the fuel supply unit and has a hydrophobic property of vaporized fuel permeability and liquid fuel impermeability, and is a fuel to the anode 11. It is a layer (gas-liquid separation layer) that enables vaporization and supply.
- the first intervening layer 2 preferably has a function of controlling (limiting) the amount or concentration of vaporized fuel supplied to the anode 11 to an appropriate amount and making it uniform. By providing the first intervening layer 2, fuel crossover can be effectively suppressed, temperature unevenness hardly occurs in the power generation unit, and a stable power generation state can be maintained.
- the first intervening layer 2 has hydrophobicity, water to the fuel supply unit side (for example, water generated at the cathode electrode 12 and moved to the anode electrode 11 side through the electrolyte membrane 10). Can be prevented from entering. As a result, the water concentration in the anode 11 is kept good, so that a decrease in output can be prevented. This effect is particularly advantageous when a high concentration fuel (pure methanol or the like) is used.
- the first intervening layer 2 is not particularly limited as long as it has gas-liquid separation ability with respect to the fuel to be used.
- fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride
- water repellent examples thereof include a porous film or a porous sheet made of a treated silicone resin, and specifically, a TEMISH (TEMISH (registered trademark)) manufactured by Nitto Denko Corporation, which is a porous film made of polytetrafluoroethylene.
- TEMISH registered trademark
- the thickness of the first intervening layer 2 is not particularly limited, but is preferably 20 ⁇ m or more and more preferably 50 ⁇ m or more in order to sufficiently express the above function. From the viewpoint of reducing the thickness of the fuel cell, the thickness of the first intervening layer 2 is preferably 500 ⁇ m or less, and more preferably 300 ⁇ m or less. In the present embodiment, the first intervening layer 2 may be omitted, but the first intervening layer 2 is disposed between the exhaust heat layer 1 and the fuel supply unit from the viewpoint of suppressing crossover. It is preferable.
- the fuel transport member 61 is a member that is disposed at least in part in the fuel supply chamber 60 and transports liquid fuel from the fuel storage chamber 70 to the fuel supply chamber 60 by utilizing capillary action. It consists of the material which shows a capillary action with respect to. Examples of such a material having a capillary action include acrylic resins, ABS resins, polyvinyl chloride, polyethylene, polyethylene terephthalate, polyether ether ketone, polytetrafluoroethylene and other fluorine-based resins, and cellulose polymer materials. And a porous body having irregular pores made of a metal material such as stainless steel, titanium, tungsten, nickel, aluminum, and steel.
- the nonwoven fabric which consists of the said metal material, a foam, a sintered compact, the nonwoven fabric which consists of the said polymeric material, etc. can be mentioned.
- a plate-like body made of the above polymer material or metal material and having a regular or irregular slit pattern (groove pattern) on the surface as a capillary tube can be used as the fuel transport member 61.
- the pore diameter of the pores of the fuel transport member 61 is such that a sufficient capillary action with respect to gravity occurs, and a good suction height (the liquid fuel due to the capillary action when one end of the fuel transport member is immersed in the liquid fuel) In order to obtain a reachable position in the member) and a suction speed (meaning the volume of liquid fuel sucked up per unit time when one end of the fuel transport member is immersed in liquid fuel)
- the thickness is preferably 500 ⁇ m, more preferably 1 to 300 ⁇ m.
- the pore diameter of the pores of the fuel transport member 61 is a diameter measured by a mercury intrusion method. If the suction height is too small, liquid fuel cannot be supplied over the entire anode electrode, and the output of the fuel cell can be reduced.
- the suction speed is not sufficient for the consumption speed of the liquid fuel consumed by the power generation by the fuel cell, the liquid fuel is depleted in any part of the fuel transport member 61, and the fuel transport member 61. As a result of not supplying the liquid fuel to the other end of the fuel cell, the output of the fuel cell can similarly decrease.
- the porous body (metal porous body) made of the metal material will be described in detail.
- a metal porous body made of a metal material such as stainless steel, titanium, tungsten, nickel, aluminum, or steel is preferable. More preferably, a metal fiber nonwoven fabric obtained by processing the metal material into a fiber and forming a nonwoven fabric, or a metal fiber nonwoven fabric sintered body obtained by sintering and rolling the metal material as necessary, More preferably, it is used.
- the metal fiber nonwoven fabric sintered body sufficient strength of the fuel transport member 61 can be maintained even when the porosity is increased, so that the assembly accuracy at the time of manufacturing the fuel cell can be increased.
- the porosity can be increased while maintaining sufficient strength, the amount of liquid fuel that can be held by the fuel transport member 61 can be improved. This means that when the suction height is the same, the suction speed becomes larger. Therefore, the liquid fuel is effectively supplied also to the portion of the anode electrode 11 away from the fuel storage chamber 70. It becomes possible to do.
- a material showing the capillary action constituting the fuel transport member 61 it is preferable to use a material having a pumping distance after 30 minutes of 10 cm or more, and a material having a capacity of 15 cm or more from the viewpoint of the suction height and the suction speed. It is more preferable.
- a material having a pumping distance after 30 minutes of 10 cm or more and a material having a capacity of 15 cm or more from the viewpoint of the suction height and the suction speed. It is more preferable.
- the pumping distance means the arrival height of the water after leaving the felt test piece 2 cm under water at a temperature of 25 ° C. and leaving it for a certain time (30 minutes).
- the fuel transport member 61 has a strip shape, more specifically, a rectangular parallelepiped shape (see FIGS. 1 and 4).
- the shape of the fuel transport member 61 is not limited to such a shape.
- the shape of the fuel transport member 61 may be an appropriate shape according to the shape of the entire fuel cell, the shape of the membrane electrode assembly 20, the shape of the fuel supply chamber 60, or the like. can do.
- a rectangular parallelepiped shape for example, a cubic shape, a strip shape such as a shape whose width decreases or increases continuously or stepwise from one end to the other end (a shape whose surface is a trapezoid or a triangle, etc.) Can be mentioned.
- the length of the fuel transport member 61 (distance from one end on the fuel storage chamber 70 side to the other end facing this) is not particularly limited, and the shape of the entire fuel cell, the shape of the membrane electrode assembly 20, or the fuel supply chamber 60 is not limited. However, when one end of the fuel transport member 61 is disposed at a position where it can contact the liquid fuel held in the fuel storage chamber 70, the other end is the anode 11. It is preferable that it has a length such that it is arranged at a position almost immediately below the end (the end opposite to the fuel storage chamber 70 side) or longer. Thereby, fuel can be supplied more effectively over the entire anode electrode 11 including the end of the anode electrode 11 opposite to the fuel storage chamber 70 side.
- the “position where the liquid fuel can be contacted” refers to the case where one end of the fuel transport member 61 is located inside the fuel storage chamber 70 as well as the one end of the fuel transport member 61 is supplied with fuel. This includes a case where the chamber 60 and the fuel storage chamber 70 are located inside a wall (which is a part of the box housing 40). By adjusting the length of the fuel transport member 61 so that one end of the fuel transport member 61 is positioned inside the fuel storage chamber 70, liquid fuel can be used regardless of the orientation of the fuel cell 100 in use. And the fuel transport member 61 can be contacted.
- the thickness of the fuel transport member 61 is not particularly limited, and is appropriately determined according to the thickness of the fuel cell 100, the height of the fuel supply chamber 60, and the like.
- the thickness can be about 0.05 to 5 mm. From the viewpoints of reducing the thickness and improving the siphoning height and the siphoning speed, the thickness is preferably 0.1 to 1 mm.
- the fuel transport member 61 having a strip shape in the fuel cell 100 shown in FIG. 1 is disposed so as to face the anode electrode 11 at a position immediately below the unit cell 30 having a strip shape (more specifically, a rectangular parallelepiped shape).
- the fuel transport member 61 is disposed at a position immediately below the anode electrode 11 through the anode current collecting layer 21, the exhaust heat layer 1, the hydrophobic porous layer 2, and the upper space of the fuel supply chamber 60.
- the anode 11 and the fuel transport member 61 are arranged in the vertical direction (stacking direction of each member of the fuel cell) (see FIG. 1) and the direction perpendicular thereto (width direction of the fuel cell). (See FIG. 5), both are parallel.
- Such an arrangement relationship between the anode 11 and the fuel transport member 61 is extremely preferable for efficiently supplying fuel from the fuel transport member 61 to the anode 11, but is not limited to such an arrangement. Absent.
- the fuel transport member 61 can be disposed so as to be inclined with respect to the vertical direction so as to gradually approach or separate from the anode electrode 11 as the fuel transport member 61 is separated from the fuel storage chamber 70. Further, the fuel transport member 61 may be disposed so as to intersect the anode 11 when the fuel cell 100 is viewed from above.
- the fuel transport member 61 is not disposed at a position immediately below the anode electrode 11 (so that the position of the fuel transport member 61 and the position of the anode electrode 11 coincide with each other when the fuel cell 100 is viewed from above). It may be arranged in a shifted state.
- the fuel transport member 61 is disposed in the vicinity of the center in the vertical direction in the fuel supply chamber 60, but is not limited to this, for example, the center in the vertical direction It may be arranged at a place other than the vicinity of the part, may be arranged so as to be in contact with the first intervening layer 2 (or the exhaust heat layer 1), or may be in contact with the bottom surface (box housing 40) of the fuel supply chamber 60. You may arrange as follows.
- the electrolyte membrane 10 constituting the membrane electrode assembly 20 has a function of transmitting protons from the anode electrode 11 to the cathode electrode 12, and a function of maintaining electrical insulation between the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 and preventing a short circuit.
- the material of the electrolyte membrane 10 is not particularly limited as long as it is a material having proton conductivity and electrical insulation, and a polymer membrane, an inorganic membrane, or a composite membrane can be used.
- polymer membrane for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), which is a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane, etc.
- Nafion registered trademark, manufactured by DuPont
- Aciplex registered trademark, manufactured by Asahi Kasei
- Flemion registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.
- Hydrocarbon electrolyte membranes such as can also be used.
- Examples of the inorganic film include films made of glass phosphate, cesium hydrogen sulfate, polytungstophosphoric acid, ammonium polyphosphate, and the like.
- Examples of the composite film include a composite film of an inorganic material such as tungstic acid, cesium hydrogen sulfate, and polytungstophosphoric acid and an organic material such as polyimide, polyetheretherketone, and perfluorosulfonic acid.
- the thickness of the electrolyte membrane 10 is, for example, 1 to 200 ⁇ m.
- the EW value (dry weight per mole of proton functional groups) of the electrolyte membrane 10 is preferably about 800 to 1100. The smaller the EW value, the lower the resistance of the electrolyte membrane 10 accompanying proton transfer, and a higher output can be obtained.
- the anode electrode 11 laminated on one surface of the electrolyte membrane 10 and the cathode electrode 12 laminated on the other surface are provided with a catalyst layer composed of a porous layer having at least a catalyst and an electrolyte.
- the catalyst for the anode 11 catalyzes a reaction for generating protons and electrons from a liquid fuel such as an aqueous methanol solution, and the electrolyte has a function of conducting the generated protons to the electrolyte membrane 10.
- the catalyst for the cathode electrode 12 catalyzes a reaction for generating water from protons conducted through the electrolyte and oxygen in the air.
- the catalyst for the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 may be supported on the surface of a conductor such as carbon or titanium, and in particular, carbon or titanium having a hydrophilic functional group such as a hydroxyl group or a carboxyl group. It is preferably carried on the surface of the conductor. Thereby, the water retention of the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 can be improved.
- the electrolyte of the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 is preferably made of a material having an EW value smaller than that of the electrolyte membrane 10. Specifically, the electrolyte material has the same EW value as the electrolyte membrane 10. An electrolyte material having a 400 to 800 is preferable.
- the water retention of the anode 11 and the cathode 12 can be improved.
- the resistance of the electrolyte membrane 10 accompanying the proton transfer and the potential distribution in the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 can be improved.
- the electrolyte with a low EW value has a high liquid fuel permeability, vaporized fuel can be uniformly supplied to the catalyst layer of the anode 11 by using an electrolyte with a low EW value.
- the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 may each include an anode conductive porous layer and a cathode conductive porous layer laminated on the catalyst layer. These conductive porous layers have a function of diffusing gas (vaporized fuel or air) supplied to the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 in the plane, and a function of exchanging electrons with the catalyst layer.
- diffusing gas vaporized fuel or air
- carbon materials As the anode conductive porous layer and the cathode conductive porous layer, since the specific resistance is small and the decrease in voltage is suppressed, carbon materials; conductive polymers; noble metals such as Au, Pt, Pd; Ti, Porous materials comprising transition metals such as Ta, W, Nb, Ni, Al, Cu, Ag, Zn; nitrides or carbides of these metals; and alloys containing these metals typified by stainless steel Is preferably used.
- noble metals having resistance to corrosion such as Au, Pt, Pd, conductive polymers, conductive nitrides, conductive Surface treatment (film formation) may be performed with carbide, conductive oxide, or the like.
- anode conductive porous layer and the cathode conductive porous layer for example, foam metal, metal fabric and metal sintered body made of the above-mentioned noble metal, transition metal or alloy; and carbon paper, carbon cloth, An epoxy resin film containing carbon particles can be suitably used.
- the anode current collecting layer 21 and the cathode current collecting layer 22 are laminated on the anode electrode 11 and the cathode electrode 12, respectively, and constitute a unit cell 30 together with the membrane electrode assembly 20.
- the anode current collecting layer 21 and the cathode current collecting layer 22 each have a function of collecting electrons in the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 and a function of performing electrical wiring.
- the material of the current collecting layer is preferably a metal because it has a small specific resistance and suppresses a decrease in voltage even when a current is taken in the plane direction. In particular, it has electron conductivity and has an acidic atmosphere. More preferably, the metal has corrosion resistance.
- Such metals include noble metals such as Au, Pt, Pd; transition metals such as Ti, Ta, W, Nb, Ni, Al, Cu, Ag, Zn; and nitrides or carbides of these metals; and And alloys containing these metals typified by stainless steel.
- noble metals such as Au, Pt, Pd
- transition metals such as Ti, Ta, W, Nb, Ni, Al, Cu, Ag, Zn
- nitrides or carbides of these metals and And alloys containing these metals typified by stainless steel.
- noble metals having resistance to corrosion such as Au, Pt, Pd, conductive polymers, conductive nitrides, conductive Surface treatment (film formation) may be performed with carbide, conductive oxide, or the like.
- the anode current collecting layer 21 has a mesh shape or a punching metal shape including a plurality of through holes (openings) penetrating in the thickness direction for guiding the vaporized fuel to the anode electrode 11 and made of the above metal material or the like. It can be a flat plate.
- This through-hole also functions as a discharge hole for guiding by-product gas (CO 2 gas or the like) generated in the catalyst layer of the anode electrode 11 to the through-hole 1a of the exhaust heat layer 1.
- the cathode current collecting layer 22 has a mesh shape made of the above metal material or the like having a plurality of through holes (openings) penetrating in the thickness direction for supplying air outside the fuel cell to the catalyst layer of the cathode electrode 12. It can be a flat plate having a punching metal shape.
- the fuel supply chamber 60 is a part constituting a fuel supply portion that plays a role of fuel storage and fuel supply, and is preferably disposed immediately below the anode electrode 11,
- the fuel transport member 61 described above is provided in the internal space.
- the internal space of the fuel supply chamber 60 is the same as the length from the end of the anode 11 on the fuel storage chamber 70 side to the opposite end thereof. Or it has the length beyond it, and has the width
- the height (depth) of the internal space of the fuel supply chamber 60 is not particularly limited as long as it has a height that can accommodate the fuel transport member 61.
- the fuel supply chamber 60 is a box housing having a recess that constitutes the internal space of the fuel supply chamber 60 and is disposed below the unit cell 30 so as to be in contact with the first intervening layer 2. 40 and the first intervening layer 2.
- the box housing 40 shown in FIG. 1 integrally has a portion constituting the fuel supply chamber 60 and a portion constituting the bottom wall and side wall of the fuel storage chamber 70, but is not limited thereto. Instead, the member constituting the fuel supply chamber 60 and the member constituting the fuel storage chamber 70 may be different members.
- the box housing 40 can be manufactured by using a plastic material or a metal material and molding it into an appropriate shape so as to have at least a recess that constitutes the internal space of the fuel supply chamber 60.
- plastic materials include polyphenylene sulfide (PPS), polymethyl methacrylate (PMMA), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polyvinyl chloride, polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), and polyether ether ketone (PEEK). ), Polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and the like.
- the metal material for example, alloy materials such as stainless steel and magnesium alloy can be used in addition to titanium and aluminum.
- polyphenylene sulfide (PPS) and polyethylene (PE) are preferably used because they have high strength and can be processed inexpensively due to an increase in molecular weight due to three-dimensional crosslinking, and are lightweight.
- the box housing 40 is a first for discharging by-product gas (CO 2 or the like) accompanied by heat discharged from the communication path 1 b of the exhaust heat layer 1 to the outside of the fuel cell 100.
- An opening 63 is provided.
- the first opening 63 is a through hole provided in the side wall of the box housing 40.
- a porous layer containing a catalyst for burning the fuel may be formed in the first opening 63. Due to the communication path 1b and the first opening 63 provided in the exhaust heat layer 1, the pressure in the fuel supply chamber 60 is maintained at atmospheric pressure without causing an increase in pressure even during operation of the fuel cell. Accordingly, it is possible to prevent the suction height and the suction speed of the fuel transport member 61 from being lowered.
- the fuel storage chamber 70 is a chamber for accommodating (holding) liquid fuel, which is preferably disposed on the side of the unit cell 30 and the fuel supply chamber 60.
- the size and shape of the fuel storage chamber 70 are not particularly limited, but the one end of the fuel transport member 61 arranged in the fuel supply chamber 60 and the liquid fuel accommodated in the fuel storage chamber 70 can be brought into contact with each other. It is necessary to have an opening on the side wall surface.
- the opening may be formed from a hole penetrating a wall constituting a part of the box housing 40 that partitions the fuel supply chamber 60 and the fuel storage chamber 70. In this case, the fuel transport member 61 It can be inserted into the hole so that one end is located inside the hole or inside the fuel storage chamber 70 (FIG. 1).
- the fuel storage chamber 70 is laminated on the cathode current collecting layer 22 and has a lid housing 50, a box housing 40, a unit cell 30, an exhaust heat layer 1, and a first layer.
- the intervening layer 2 is formed.
- the end surfaces of the unit cell 30, the exhaust heat layer 1 and the first intervening layer 2 on the fuel storage chamber 70 side are cured products of an epoxy curable resin composition so that the fuel stored in the fuel storage chamber 70 does not enter. It is sealed by a sealing layer 80 made of
- the fuel storage chamber 70 does not necessarily need to be configured using the lid housing 50 and the box housing 40.
- the fuel storage chamber 70 has a portion that forms an upper wall (ceiling wall), a side wall, and a bottom wall. It can also be comprised from one member included as one.
- the lid housing 50 functions as a protective plate that forms the upper wall (ceiling wall) of the fuel storage chamber 70 and prevents the unit cell 30 from being directly exposed.
- a plurality of openings 51 (however, the number of openings may be one or more) for allowing air to flow are formed in a portion immediately above the cathode electrode 12 of the lid housing 50.
- the lid housing 50 can be manufactured by using a plastic material or a metal material and molding it into an appropriate shape.
- the plastic material include polyphenylene sulfide (PPS), polymethyl methacrylate (PMMA), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polyvinyl chloride, polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polyether ether ketone (PEEK). ), Polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and the like.
- the metal material for example, alloy materials such as stainless steel and magnesium alloy can be used in addition to titanium and aluminum.
- polyphenylene sulfide (PPS) and polyethylene (PE) are preferably used because they have high strength and can be processed inexpensively due to an increase in molecular weight due to three-dimensional crosslinking, and are lightweight.
- the fuel storage chamber 70 preferably includes a second opening 71 that communicates the internal space with the outside of the fuel cell. Thereby, even when the liquid fuel is transported to the fuel supply chamber 60 by the fuel transport member 61, the fuel storage chamber 70 is maintained at atmospheric pressure, so that the transport of the liquid fuel is not hindered, and the fuel transport member 61. High wicking height and wicking speed can be maintained.
- the second opening 71 is a through hole that penetrates the lid housing 50 in the thickness direction, but is not limited thereto.
- the opening diameter of the second opening 71 is preferably sufficiently small (for example, a diameter of about 100 to 500 ⁇ m, preferably 100 to 300 ⁇ m), or And providing a gas-liquid separation membrane (for example, a porous membrane made of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, or the like) in the second opening 71 for preventing leakage of liquid fuel to the outside of the fuel cell. Is preferred.
- the fuel cell 100 of the present embodiment may further include a second interposed layer disposed between the first interposed layer 2 and the fuel supply chamber 60.
- the second intervening layer covers the opening of the fuel supply chamber 60 (the open surface toward the anode electrode 11) (that is, covers the recess forming the fuel supply chamber 60).
- the first intervening layer 2 is laminated on the second intervening layer.
- the second intervening layer is a layer having a bubble point of 30 kPa or more when the measurement medium is methanol.
- the bubble point is the minimum pressure at which bubbles are observed on the surface of the layer (film) when air pressure is applied from the back side of the layer (film) wetted with the liquid medium.
- the bubble point is measured according to JIS K3832, using methanol as the measurement medium.
- the bubble point of the second intervening layer is preferably 50 kPa or more, and more preferably 100 kPa or more.
- the bubble point of the second intervening layer can be controlled by adjusting the pore diameter and the contact angle of the material used as the second intervening layer.
- the maximum pore diameter of the pores of the second intervening layer is preferably 1 ⁇ m or less, and more preferably 0.7 ⁇ m or less.
- the maximum pore diameter can be obtained by measuring the bubble point, but can be measured by mercury porosimetry as another method. However, since the mercury intrusion method can measure only a pore distribution of 0.005 ⁇ m to 500 ⁇ m, it is an effective measuring means when pores outside this range do not exist or can be ignored.
- Examples of the second intervening layer include a porous layer made of a polymer material, a metal material, or an inorganic material, and a polymer film. Specific examples are as follows.
- a porous layer made of the following materials. Fluorine resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE); acrylic resins; ABS resins; polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene; polyester resins such as polyethylene terephthalate; cellulose acetate and nitrocellulose Cellulose resins such as ion exchange cellulose; Nylon; Polycarbonate resins; Chlorine resins such as polyvinyl chloride; Polyetheretherketone; Polyethersulfone; Glass; Ceramics; Stainless steel, titanium, tungsten, nickel, aluminum, steel, etc. Metal material.
- the porous layer can be a foam, a sintered body, a nonwoven fabric or a fiber (such as glass fiber) made of these materials.
- hydrophilization is performed by a method such as introduction of a hydrophilic functional group, and water on the pore surface (thus, fuel such as methanol or methanol aqueous solution). ), The bubble point of the second intervening layer can be increased.
- the liquid fuel can be circulated in the fuel supply chamber 60 with a lower pressure loss.
- the thickness of the second intervening layer is not particularly limited, but is preferably 20 to 500 ⁇ m, more preferably 50 to 200 ⁇ m from the viewpoint of reducing the thickness of the fuel cell.
- the fuel cell according to the present embodiment including the second intervening layer has the following advantages.
- This means that the discharge route of the by-product gas to the outside of the fuel cell is restricted to the discharge route from the communication path 1b of the exhaust heat layer 1, and therefore the by-product gas from the communication path 1b
- the fuel supply unit includes a fuel storage chamber 70 that stores liquid fuel and a fuel supply chamber 60 that circulates the fuel, and the fuel transport member 61 is omitted.
- the second intervening layer may provide a capillary force for transporting the liquid fuel in the fuel storage chamber 70 into the fuel supply chamber 60. Therefore, when the second intervening layer is provided, the liquid fuel can be passively supplied (fuel supply without using an auxiliary device such as a pump) even when the above-described fuel transport member 61 is not used.
- the second intervening layer and the fuel transport member 61 can be provided side by side.
- the 1st intervening layer 2 has vaporization fuel permeability, it has a bubble point smaller than a 2nd intervening layer.
- the bubble point according to the measurement method of the first intervening layer 2 is preferably 10 kPa or less, and the larger the contact angle of methanol with respect to the first intervening layer 2, the better, preferably 45 degrees or more, more preferably 90 degrees. More than about.
- the maximum pore diameter of the pores of the first intervening layer 2 is preferably 0.1 to 10 ⁇ m, preferably 0.5 to 5 ⁇ m. It is more preferable that The maximum pore diameter of the pores of the first intervening layer 2 can be determined by measuring bubble points using methanol or the like, as in the second intervening layer.
- the fuel cell according to the present embodiment can include a pumping unit such as a pump for pumping the liquid fuel accommodated in the fuel storage chamber 70 to the fuel supply chamber 60.
- a pumping unit such as a pump for pumping the liquid fuel accommodated in the fuel storage chamber 70 to the fuel supply chamber 60.
- the fuel cell according to the present embodiment including the pressure feeding means has the following advantages.
- (A ′) The pressure in the fuel supply chamber 60 can be increased by transporting the fuel to the fuel supply chamber 60 by the pressure feeding means, and the by-product gas generated in the anode 11 enters the fuel supply chamber 60. Can be prevented. Therefore, it is possible to obtain the same effects as the advantages (a) and (b) when the second intervening layer is provided. It is also possible to provide a pressure feeding means and a second intervening layer.
- the fuel transport member 61 can be omitted.
- the fuel cell according to the present embodiment is not limited to the above-described modifications, and includes, for example, the following modifications.
- FIG. 8 is a schematic cross-sectional view similar to FIG. 5, showing an example of a fuel cell in which unit cells 30 are arranged on both surfaces of the fuel supply chamber 60.
- the fuel supply chamber 60 needs to be open on both the upper and lower surfaces in order to supply fuel to the upper and lower two anode electrodes 11, the upper and lower surfaces are opened as the box housing 40.
- a member having a space is used.
- one fuel supply unit is sufficient for two unit cells, so that the fuel cell can be thinned. The output per unit volume of the fuel cell can be improved.
- the fuel cell of the present embodiment may include two or more unit cells 30 arranged on the same plane.
- the fuel supply chamber 60 may be provided for each unit cell 30 or may be provided in a number smaller than that of the unit cells 30. The same applies to the fuel transport member 61.
- the fuel supply unit is not limited to the one composed of the fuel supply chamber 60, the fuel storage chamber 70, and the fuel transport member 61.
- the fuel supply chamber 60 may serve as the fuel storage chamber 70, and the fuel storage chamber 70 and the fuel transport member 61 may be omitted.
- the fuel supply unit may be composed of a fuel storage chamber 70 that stores liquid fuel and a fuel supply chamber 60 that circulates the fuel, and the fuel transport member 61 may be omitted. In this case, the fuel storage chamber 70 and the fuel supply chamber 60 are connected by a flow path, and the liquid fuel is supplied to the fuel supply chamber 60 in a liquid state.
- the fuel supply chamber 60 is not limited to the above-described shape, and can also be composed of one or a plurality of channel-shaped recesses (for example, a plurality of line-shaped channels, branched channels, serpentine-shaped channels, etc.). .
- the outer shape of the fuel cell of the present embodiment is not limited to the shape shown in FIGS.
- the shape (planar shape) when viewed from the thickness direction of the fuel cell may be a rectangle or the like.
- the intervening layer) and the fuel supply unit (box housing 40) can be joined by hot pressing (thermocompression bonding) or an adhesive, but in order to obtain higher joining strength, screws, bolts and nuts, etc.
- Each laminated member may be fastened using the fastening member.
- FIG. 9 is a schematic cross-sectional view similar to FIG.
- the spacer 91 is a member that fills a gap between the anode current collecting layer 21 and the cathode current collecting layer 22 and can be made of, for example, a double-sided tape.
- the fuel cell of the present embodiment can be a solid polymer fuel cell or a direct alcohol fuel cell, and is particularly suitable as a direct alcohol fuel cell (in particular, a direct methanol fuel cell).
- the liquid fuel that can be used in the fuel cell of the present embodiment include alcohols such as methanol and ethanol; acetals such as dimethoxymethane; carboxylic acids such as formic acid; esters such as methyl formate; An aqueous solution can be mentioned.
- the liquid fuel is not limited to one type, and may be a mixture of two or more types. In view of low cost, high energy density per volume, high power generation efficiency, etc., an aqueous methanol solution or pure methanol is preferably used. According to the present embodiment, a stable output can be obtained even when a high-concentration fuel (such as a methanol aqueous solution or pure methanol having a concentration exceeding 50 mol%) is used.
- a high-concentration fuel such as a methanol aque
- FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an example of the fuel cell according to the present embodiment, and shows an example of the fuel cell [B].
- FIG. 11 is a schematic top view of the fuel cell.
- sectional views taken along lines III-III, IV-IV, and VV shown in FIG. 10 are shown in FIGS. 12 to 14, respectively.
- the fuel cell 200 shown in these drawings is laminated on the anode electrode 11 and electrically connected to the membrane electrode assembly 20 including the anode electrode 11, the electrolyte membrane 10 and the cathode electrode 12 in this order.
- a unit cell 30 comprising an anode current collecting layer 21 and a cathode current collecting layer 22 stacked on and electrically connected to the cathode electrode 12; disposed below the anode electrode 11, and the anode electrode 11 side being opened.
- a fuel supply chamber 60 composed of an open space; a first layer 3 disposed on the fuel supply chamber 60 so as to cover an opening of the fuel supply chamber 60 (an open surface toward the anode 11), and a unit of the first layer 3 It basically comprises an intervening layer comprising a second layer 4 laminated on the surface on the battery 30 side; and a fuel storage chamber 70 for containing fuel (not shown).
- a fuel supply section of the fuel cell 200 is formed by a fuel storage chamber 70 that stores liquid fuel, a fuel supply chamber 60 that circulates the fuel, and an intervening layer that is disposed so as to cover the opening of the fuel supply chamber 60. Yes.
- the fuel storage chamber 70 and the fuel supply chamber 60 are connected by a flow path.
- the box housing 40 has a recess (groove) that forms the fuel supply chamber 60, and the fuel supply chamber 60 (internal space) is formed by laminating the first layer 3 so as to cover the recess. . Further, the box housing 40 has a portion constituting the fuel supply chamber 60 of the fuel cell 200 and a portion constituting the bottom wall and side wall of the fuel storage chamber 70 as an integral unit.
- the fuel cell 200 has a by-product gas discharge unit 6 for discharging the by-product gas generated at the anode 11 to the outside of the fuel cell.
- the by-product gas discharge unit 6 includes a first through hole 7 that penetrates the side wall of the box housing 40 in the thickness direction, and a second through that penetrates the first layer 3 in the thickness direction. It consists of a through hole 8 (see FIGS. 13 and 14). The second through hole 8 is disposed immediately above the first through hole 7, and these through holes communicate with each other.
- the fuel cell 200 includes a box housing 40 and a lid housing 50 stacked on the cathode current collecting layer 22 and having a plurality of openings 51.
- the unit cell 30 is sandwiched between the box housing 40 and the lid housing 50.
- the lid housing 50 integrally has a portion constituting the upper wall (ceiling wall) of the fuel storage chamber 70 together with a portion laminated on the cathode current collecting layer 22, and the box housing 40, the lid housing 50, and A fuel storage chamber 70 is formed by side surfaces of the unit cell 30 and the like.
- a sealing layer 80 made of a cured product layer of an epoxy curable resin composition or the like is provided on the end surfaces of the unit cell 30 and the intervening layer on the fuel storage chamber 70 side so that the fuel stored in the fuel storage chamber 70 does not enter. Is formed.
- the fuel storage chamber 70 is disposed on the side of the unit cell 30 and the fuel supply chamber 60 disposed below the unit cell 30.
- the fuel storage chamber 70 includes an opening 73 that communicates the internal space with the outside of the fuel cell 200.
- the opening 73 is a through hole provided in the lid housing 50.
- the fuel cell 200 generates power by the following operation.
- the liquid fuel that has flowed from the fuel storage chamber 70 into the fuel supply chamber 60 through the flow channel reaches the entire fuel supply chamber 60 and wets the first layer 3 of the intervening layer.
- the liquid fuel exuded from the first layer 3 is gas-liquid separated by the second layer 4, and only the vaporized fuel permeates to the unit cell 30 side.
- the vaporized fuel that has passed through the second layer 4 is supplied to the anode 11 through the opening of the anode current collecting layer 21.
- the gaseous methanol aqueous solution supplied to the anode 11 is CH 3 OH + H 2 O ⁇ CO 2 ⁇ + 6H + + 6e ⁇
- the vaporized fuel will be consumed according to the amount of electric current generated by the fuel cell 200. To compensate for this, the liquid fuel continues to evaporate from the second layer 4 at any time. The vapor pressure of is kept substantially constant.
- By-product gas (CO 2 in the above formula) generated by the power generation does not enter the fuel supply chamber 60 due to the presence of the intervening layer, the opening of the anode current collecting layer 21, the second layer 4 and It is discharged to the outside of the fuel cell through the byproduct gas discharge unit 6.
- the intervening layer composed of the first layer 3 and the second layer 4 disposed between the fuel supply chamber 60 and the unit cell 30 is in a state where the fuel supply to the anode 11 is uniformly controlled to an appropriate amount. Makes it possible to do with Thereby, fuel crossover can be effectively suppressed, temperature unevenness hardly occurs in the power generation unit, and a stable power generation state can be maintained.
- the fuel supply chamber 60 and the unit cell 30 so as to cover the opening of the fuel supply chamber 60 (the open surface toward the anode 11) (that is, so as to cover the recess forming the fuel supply chamber 60).
- the intervening layer disposed between the first layer 3 and the first layer 3 stacked on the fuel supply chamber 60 so as to cover the opening of the fuel supply chamber 60.
- the two-layer structure of the second layer 4 laminated on the surface of the unit battery 30 can be.
- the first layer 3 is a layer having a bubble point of 30 kPa or more when the measurement medium is methanol, and corresponds to the “second intervening layer” described in the first embodiment.
- the definition of bubble point is as described above.
- the installation of the first layer 3 is also advantageous in the following points.
- auxiliary machines such as a pump for sending liquid fuel
- the dependency on the direction of fuel supply can be eliminated (that is, power generation can be performed regardless of the direction when the fuel cell is used).
- a pumping means such as a pump.
- the bubble point of the first layer 3 is preferably 50 kPa or more, and more preferably 100 kPa or more.
- the bubble point of the first layer 3 can be controlled by adjusting the pore diameter and contact angle of the material used as the first layer 3.
- the maximum pore diameter of the pores of the first layer 3 is preferably 1 ⁇ m or less, and more preferably 0.7 ⁇ m or less.
- Examples of the first layer 3 include a porous layer made of a polymer material, a metal material, an inorganic material, or the like, and a polymer film. Specific examples of the first layer 3 include the above-described “second intervening layer”. The same as the specific example.
- a polymer material When a polymer material is used as the material constituting the first layer 3, it is subjected to a hydrophilization treatment by a method such as introduction of a hydrophilic functional group, and water on the pore surface (thus, fuel such as methanol or methanol aqueous solution).
- a hydrophilization treatment by a method such as introduction of a hydrophilic functional group, and water on the pore surface (thus, fuel such as methanol or methanol aqueous solution).
- the bubble point of the 1st layer 3 can also be raised by improving the wettability with respect to.
- the liquid fuel can be circulated in the fuel supply chamber 60 with a lower pressure loss.
- the thickness of the first layer 3 is not particularly limited, but is preferably 20 to 500 ⁇ m, more preferably 50 to 200 ⁇ m, from the viewpoint of reducing the thickness of the fuel cell.
- the first layer 3 is provided with a second through hole 8 that forms a part of the by-product gas discharge part 6.
- the second through hole 8 is formed at a position where it communicates with the first through hole 7 when the first layer 3 is laminated on the box housing 40 (that is, directly above the first through hole 7).
- the second layer 4 laminated on the surface of the first layer 3 on the unit cell 30 side is a porous layer having a hydrophobic property of vaporized fuel permeability and liquid fuel impermeability, and the anode 11 This is a layer (gas-liquid separation layer) that enables vaporization and supply of fuel to the tank.
- the second layer 4 corresponds to the “first intervening layer” described in the first embodiment.
- the second layer 4 has a function of controlling (limiting) the amount or concentration of vaporized fuel supplied to the anode electrode 11 to an appropriate amount and making it uniform. By providing the second layer 4, fuel crossover can be effectively suppressed, temperature unevenness hardly occurs in the power generation unit, and a stable power generation state can be maintained.
- the second layer 4 is not particularly limited as long as it has gas-liquid separation ability with respect to the fuel to be used, and a specific example thereof is the same as the specific example of the “first intervening layer” described above.
- the second layer 4 Since the second layer 4 has vaporized fuel permeability, it has a smaller bubble point than the first layer 3.
- the bubble point according to the measurement method of the second layer 4 is preferably 10 kPa or less, and the larger the contact angle of methanol with respect to the second layer 4, the better, preferably 45 degrees or more, more preferably about 90 degrees or more. .
- the maximum pore diameter of the pores of the second layer 4 is preferably 0.1 to 10 ⁇ m, and preferably 0.5 to 5 ⁇ m. It is more preferable.
- the maximum pore diameter of the pores of the second layer 4 can be determined by measuring the bubble point using methanol or the like as in the first layer 3.
- the thickness of the second layer 4 is not particularly limited, but is preferably 20 ⁇ m or more and more preferably 50 ⁇ m or more in order to sufficiently express the above function. Further, from the viewpoint of reducing the thickness of the fuel cell, the thickness of the second layer 4 is preferably 500 ⁇ m or less, and more preferably 300 ⁇ m or less.
- the fuel supply chamber 60 is a part that constitutes a fuel supply section that plays a role of fuel storage and fuel supply, and is preferably disposed directly below the anode electrode 11.
- the fuel supply chamber 60 has a length equal to or longer than the length from the end of the anode 11 on the fuel storage chamber 70 side to the opposite end thereof. It is composed of a space having a width equal to or greater than the width of the anode 11.
- the height (depth) of the fuel supply chamber 60 is not particularly limited.
- the fuel supply chamber 60 includes a box housing 40 having a concave portion that constitutes an internal space of the fuel supply chamber 60, disposed in contact with the intervening layer below the unit cell 30, and an intervening layer And is formed by.
- the box housing 40 shown in FIG. 10 integrally includes the parts constituting the fuel supply chamber 60 and the parts constituting the bottom wall and the side wall of the fuel storage chamber 70, but is not limited thereto. Instead, the member constituting the fuel supply chamber 60 and the member constituting the fuel storage chamber 70 may be different members.
- the box housing 40 can be manufactured by using a plastic material or a metal material and molding it into an appropriate shape so as to have at least a recess that constitutes the internal space of the fuel supply chamber 60.
- the specific example of the material which comprises the box housing 40 is the same as that of the said 1st Embodiment.
- the fuel cell 200 of the present embodiment includes a by-product gas discharge unit 6 for discharging the by-product gas generated at the anode 11 to the outside of the fuel cell.
- the by-product gas discharge unit 6 includes a first through hole 7 that penetrates the side wall of the box housing 40 in the thickness direction, and a second through that penetrates the first layer 3 in the thickness direction. It consists of a through hole 8 (see FIGS. 13 and 14).
- the second through hole 8 is disposed immediately above the first through hole 7, and these through holes communicate with each other.
- the by-product gas discharge unit 6 can provide a route through which unused vaporized fuel (vaporized fuel before reaching the anode 11) is discharged to the outside of the fuel cell.
- the reduction in the diameter of the hole is extremely advantageous for reducing the amount of unused vaporized fuel discharged, thereby improving the fuel utilization efficiency. Since the conventional fuel cell does not have means for preventing the by-product gas from entering the fuel supply chamber 60, when providing a path for discharging the by-product gas, the internal pressure in the anode 11 is prevented from increasing. Therefore, the diameter has to be increased, and the fuel utilization efficiency has been reduced.
- the means for discharging the by-product gas to the outside of the fuel cell includes the first through hole 7 and the second through hole 8 as shown in FIGS. 13 and 14 which the fuel cell 200 of the present embodiment has.
- the route is not limited to the by-product gas discharge unit 6 and may be any route extending from the vicinity of the anode 11 to the outside of the fuel cell.
- an intervening layer is not disposed on the first through hole 7 of the box housing 40 (the size of the intervening layer is reduced), and the first through hole 7 is extended to the anode current collecting layer 21 accordingly. There may be.
- the by-product gas discharge part is composed of only the first through hole 7 and does not have the second through hole 8.
- a through hole penetrating the electrolyte membrane 10 in the thickness direction may be provided, and the by-product gas may be discharged to the cathode electrode 12 side.
- By-product gas discharged from the through hole is oxidized at the cathode electrode 12 so that the cathode electrode 12 is positioned immediately above the through hole so that the output characteristics of the fuel cell are not deteriorated and air is not excessively consumed.
- a structure in which a region that is not formed may be provided.
- the by-product gas discharge portion is composed of a continuous space in a region where the through hole of the electrolyte membrane 10 and the cathode electrode 12 are not formed, and the by-product gas is discharged to the cathode electrode 12 side.
- the fuel storage chamber 70 is a chamber for storing liquid fuel, which is preferably disposed on the side of the unit cell 30 and the fuel supply chamber 60.
- the fuel storage chamber 70 is formed by a lid housing 50, a box housing 40, a unit cell 30 and an intervening layer that are stacked on the cathode current collecting layer 22 and have a plurality of openings 51.
- the end surfaces of the unit cell 30 and the intervening layer on the side of the fuel storage chamber 70 are sealed with a sealing layer 80 made of a cured product of an epoxy curable resin composition or the like so that the fuel stored in the fuel storage chamber 70 does not enter. Has been.
- the fuel storage chamber 70 does not necessarily need to be configured using the lid housing 50 and the box housing 40.
- the fuel storage chamber 70 has a portion that forms an upper wall (ceiling wall), a side wall, and a bottom wall. It can also be comprised from one member included as one.
- the lid housing 50 functions as a protective plate that forms the upper wall (ceiling wall) of the fuel storage chamber 70 and prevents the unit cell 30 from being directly exposed.
- a plurality of openings 51 (however, the number of openings may be one or more) for allowing air to flow are formed in a portion immediately above the cathode electrode 12 of the lid housing 50.
- the lid housing 50 can be manufactured by using a plastic material or a metal material and molding it into an appropriate shape.
- the specific example of the material which comprises the lid housing 50 is the same as that of the said 1st Embodiment.
- the fuel storage chamber 70 is preferably provided with an opening 73 that communicates the internal space with the outside of the fuel cell. Thereby, even when the liquid fuel is transported to the fuel supply chamber 60, since the inside of the fuel storage chamber 70 is maintained at the atmospheric pressure, the liquid fuel can be transported smoothly.
- the opening 73 is a through-hole penetrating the lid housing 50 in the thickness direction, but is not limited thereto.
- the opening diameter of the opening 73 is preferably sufficiently small (for example, a diameter of about 100 to 500 ⁇ m, preferably 100 to 300 ⁇ m), or to the outside of the fuel cell.
- a gas-liquid separation membrane for example, a porous membrane made of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, or the like
- a gas-liquid separation membrane for example, a porous membrane made of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, or the like
- the intermediate layer has a two-layer structure of the first layer 3 disposed so as to cover the opening of the fuel supply chamber 60 and the second layer 4 stacked on the first layer 3.
- a single layer structure having a region having the same functional characteristics as the first layer 3 and a region having the same functional characteristics as the second layer 4 can be used as the intervening layer.
- the “single-layer structure” referred to here is composed of one member and means that it is not a combination of two members.
- Such an intervening layer having a single layer structure is advantageous in that poor adhesion (formation of a gap) between the first layer 3 and the second layer 4 that may occur in a two-layer structure cannot occur.
- the intervening layer having a single-layer structure has the same functional characteristics as those of the first layer 3, which is a region on the fuel supply chamber 60 side in the thickness direction (bubbles when the measurement medium is methanol).
- a first region having a point of 30 kPa or more
- a second region having the same functional characteristics as the second layer 4 (permeating vaporized fuel), which is a region on the unit cell 30 side in the thickness direction What is provided can be used.
- region which the intervening layer of 1 layer structure has is synonymous with the bubble point of the intervening layer of 1 layer structure.
- the bubble point of the second region is smaller than that of the first region, and the bubble point of the entire intervening layer matches that of the region where the bubble point is larger. It is.
- the intervening layer having a single-layer structure is produced by, for example, a method of hydrophilizing only one region in the thickness direction of the porous layer that can be used as the second layer 4 and increasing the bubble point of the region. Can do.
- Such an intervening layer having a one-layer structure is advantageous in that a poor adhesion (formation of a gap) between the first layer 3 and the second layer 4 that may occur in a two-layer structure cannot occur. If a gap is formed in a part of the interface, there is a possibility that the amount of vaporized fuel permeated in the second layer surface varies, and the fuel cannot be supplied uniformly to the fuel electrode, resulting in a decrease in output. Such a problem cannot occur if the intervening layer has a single layer structure.
- the first layer 3 is formed by tightening the fuel cell from above and below using a fastening member such as a bolt, nut, or screw in order to cope with the above problem. It is preferable to ensure adhesion between the first layer 4 and the second layer 4.
- the space shape of the fuel supply chamber 60 is not limited to that shown in FIG.
- the fuel supply chamber 60 may be formed of a plurality of branched flow paths as shown in FIG. 15, for example. Alternatively, it can be formed from a plurality of line-shaped channels, serpentine-shaped channels, and the like.
- FIG. 15 is a schematic cross-sectional view similar to FIG. 13 showing another example of the fuel supply unit (fuel supply chamber).
- FIG. 16 is a schematic sectional view similar to FIG. 13 showing another example of the fuel supply unit.
- the fuel supply unit may include a fuel transport member 61 in addition to the intervening layer, the fuel supply chamber 60 and the fuel storage chamber 70.
- the fuel transport member 61 is a member that is disposed at least partially in the fuel supply chamber 60 and transports liquid fuel from the fuel storage chamber 70 to the fuel supply chamber 60 by utilizing capillary action. It plays the role of assisting liquid fuel transportation using the capillary force of No. 3.
- the contents described in the first embodiment are cited.
- the fuel supply unit is not limited to the one including the fuel supply chamber 60 and the fuel storage chamber 70.
- the fuel supply chamber 60 may serve as the fuel storage chamber 70 that stores liquid fuel, and the fuel storage chamber 70 (and the fuel transport member 61) may be omitted.
- FIG. 17 is a schematic cross-sectional view similar to FIG. 14, showing an example of a fuel cell in which unit cells 30 are arranged on both surfaces of the fuel supply chamber 60.
- the upper and lower surfaces are opened as the box housing 40. A member having a space is used.
- the first through hole 7 is connected to the first through hole 7 and has a discharge path extending in the lateral direction on the side wall of the box housing 40. The raw gas can be discharged from the side surface of the box housing 40 through this discharge path.
- the fuel cell of this embodiment may include two or more unit cells 30 arranged on the same plane.
- the fuel supply chamber 60 may be provided for each unit cell 30 or may be provided in a number smaller than that of the unit cells 30.
- the outer shape of the fuel cell of the present embodiment is not limited to the shape shown in FIGS.
- the shape (planar shape) when viewed from the thickness direction of the fuel cell may be a rectangle or the like.
- the fuel cell can include a pumping means such as a pump for pumping the liquid fuel accommodated in the fuel storage chamber 70 to the fuel supply chamber 60. Since the fuel supply chamber 60 can be filled in a short time, the startability of the fuel cell can be improved.
- FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell according to this embodiment.
- the fuel cell 300 of this embodiment is the same as that of the second embodiment except that the intervening layer disposed between the fuel supply chamber 60 and the unit cell 30 further includes the third layer 5.
- FIG. 19 is a schematic top view showing the third layer 5 used in the fuel cell 300.
- the third layer which is a feature of the present embodiment, will be described in detail. Note that the various modifications described in the second embodiment can be similarly applied to this embodiment.
- the third layer 5 is a layer which is disposed between the first layer 3 and the second layer 4 and has a through hole penetrating in the thickness direction through which liquid fuel can permeate. At least the first layer 3 and the second layer 4 has a function of adjusting (limiting) the amount of liquid fuel permeation to the second layer 4 side.
- the third layer 5 for example, a non-porous sheet (film) having through holes penetrating in the thickness direction as shown in FIGS. 18 and 19 can be used, and a thermoplastic resin is preferable as the material thereof. It can be illustrated.
- the laminated body composed of the first layer / the third layer / the second layer is subjected to thermocompression bonding so that the respective layers can be surface-bonded with good adhesion.
- a fuel cell having an intervening layer as the third layer 5 having a through-hole penetrating in the thickness direction and capable of surface bonding is advantageous in the following points.
- the temperature rise of the liquid fuel becomes slow and the liquid fuel can be stably maintained at a relatively low temperature, so that the supply amount of the vaporized fuel supplied to the anode 11 can be stabilized. This contributes to improving the reliability of the fuel cell.
- the amount of liquid fuel permeated to the second layer 4 side, and thus the amount of vaporized fuel supplied to the anode 11, is adjusted to an appropriate amount according to the number of through holes formed in the third layer 5 and the opening diameter (restriction). )can do. As a result, it is possible to prevent or suppress the crossover of the fuel and stabilize the fuel supply.
- the number of through holes is not particularly limited, but it is preferable that there are a plurality of through holes. From the viewpoint of uniformizing the amount of vaporized fuel permeated in the surface of the second layer 4, these are provided in the fuel supply chamber 60 (box housing in the third layer 5). It is preferable to uniformly distribute the region directly above the concave portion of the body 40.
- the opening diameter (diameter) of the through hole can be set to about 0.1 to 5 mm, for example.
- the third layer 5 enables good surface joining between the first layer 3 and the second layer 4, so that it is not necessary to tighten the fuel cell using a fastening member such as a bolt, nut or screw. Thus, the fuel cell can be made thinner.
- the third layer 5 may be formed of, for example, the following.
- a porous layer formed from an adhesive resin or resin composition for example, a porous layer formed from an adhesive such as a hot-melt adhesive or a curable adhesive.
- the third layer 5 is an adhesive layer, that is, a porous layer made of the adhesive or a cured product thereof. Even when such a third layer 5 is used, the same effects as in the above (a) to (c) can be obtained.
- the liquid fuel permeation amount to the second layer 4 side is adjusted (limited) by the pores of the porous layer.
- a through-hole penetrating in the thickness direction preferably including a non-porous metal plate.
- an adhesive layer is formed on both surfaces of the metal plate in order to ensure good adhesion to the first layer 3 and the second layer 4, and therefore the third layer 5 is formed of an adhesive layer / It has a three-layer structure of metal plate / adhesive layer.
- the adhesive layer is a porous layer made of an adhesive or a cured product thereof.
- the adhesive may be a hot melt adhesive or a curable adhesive. Even when such a third layer 5 is used, the same effects as in the above (a) to (c) can be obtained.
- the liquid fuel permeation amount to the second layer 4 side can be adjusted (controlled) by the number of through holes formed in the metal plate and the opening diameter, as in the case of the thermoplastic resin sheet.
- the adhesive layer is preferably formed so as not to block the through hole.
- the number of through-holes is not particularly limited, but it is preferable that a plurality of through-holes exist. From the viewpoint of uniformizing the amount of vaporized fuel permeated in the surface of the second layer 4, these are provided as fuel supply chambers (recesses in the box housing) ) Is preferably distributed uniformly in the region immediately above.
- the opening diameter (diameter) of the through hole can be set to about 0.1 to 5 mm, for example.
- the third layer 5 When the non-porous sheet (film) having a through-hole penetrating in the thickness direction is used as the third layer 5, or the non-porous sheet including the through-hole penetrating in the thickness direction is used as the third layer 5.
- a through hole is also formed at a position immediately above the second through hole 8 in the first layer 3, and the through hole, the first through hole 7 in the box housing 40, and the second through hole in the first layer 3.
- the by-product gas discharge part is constructed by the holes 8.
- the third layer 5 is a porous layer formed of an adhesive resin or resin composition, the processing of the through holes is not particularly necessary.
- the fuel cells of the second and third embodiments can be solid polymer fuel cells or direct alcohol fuel cells, and are particularly suitable as direct alcohol fuel cells (particularly direct methanol fuel cells). It is.
- the liquid fuel that can be used in the fuel cell of the present invention include alcohols such as methanol and ethanol; acetals such as dimethoxymethane; carboxylic acids such as formic acid; esters such as methyl formate; and aqueous solutions thereof. Can be mentioned.
- the liquid fuel is not limited to one type, and may be a mixture of two or more types. In view of low cost, high energy density per volume, high power generation efficiency, etc., an aqueous methanol solution or pure methanol is preferably used.
- the fuel cell of the present invention described above can be suitably used as a power source for electronic devices, particularly small electronic devices such as mobile devices typified by mobile phones, electronic notebooks, and notebook computers.
- Example 1 A fuel cell having a configuration similar to that shown in FIG. 1 (however, having no lid housing 50) was produced by the following procedure.
- the first intervening layer 2 a porous film made of polytetrafluoroethylene having a length of 26.5 mm, a width of 27.0 mm, and a thickness of 0.2 mm (“TEMISH (registered trademark)” manufactured by Nitto Denko Corporation) was used. NTF2026A-S06 ”and bubble point (measuring solvent: methanol) based on JIS K3832: 18 kPa) were prepared. The 1st intervening layer 2 was laminated
- TEMISH registered trademark
- a catalyst paste for the cathode electrode 12 was prepared in the same manner as the catalyst paste for the anode electrode 11 except that catalyst-supporting carbon particles (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) having a Pt loading amount of 46.8% by weight were used. .
- catalyst-supporting carbon particles TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.
- a carbon paper 25BC, manufactured by SGL
- a water-repellent porous layer formed on one side is cut into a length of 35 mm and a width of 40 mm, and then the catalyst for the anode 11 is formed on the porous layer.
- Carbon paper which is an anode conductive porous layer, is applied by using a screen printing plate having a window of 30 mm in length and 35 mm in width so that the amount of catalyst supported is about 3 mg / cm 2 and dried.
- An anode electrode 11 having an anode catalyst layer formed in the upper center and having a thickness of about 200 ⁇ m was produced.
- the above-mentioned catalyst paste for the cathode electrode 12 is screen-printed with a window of 30 mm length and 35 mm width so that the amount of catalyst supported is about 1 mg / cm 2.
- a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane (Nafion (registered trademark) 117, manufactured by DuPont) having a thickness of about 175 ⁇ m is cut into a length of 35 mm and a width of 40 mm to form an electrolyte membrane 10, and the anode electrode 11 and the electrolyte membrane 10 are cut.
- the cathode electrode 12 are stacked in this order so that the respective catalyst layers face the electrolyte membrane 10, and then subjected to thermocompression bonding at 130 ° C. for 2 minutes to connect the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 to the electrolyte membrane. 10 was joined.
- the membrane electrode assembly 20 having a length of 22 mm and a width of 26 mm was produced by cutting the outer peripheral portion of the obtained laminate.
- a stainless steel plate (NSS445M2, manufactured by Nisshin Steel Co., Ltd.) having a length of 26.5 mm, a width of 27 mm, and a thickness of 100 ⁇ m is prepared, and a plurality of apertures having an aperture diameter of ⁇ 0.6 mm are provided in this central region.
- Open hole pattern staggered 60 ° pitch 0.8 mm
- two stainless steel plates having a plurality of through holes penetrating in the thickness direction, These were designated as anode current collecting layer 21 and cathode current collecting layer 22.
- the anode current collecting layer 21 is laminated on the anode electrode 11 via a conductive adhesive layer made of carbon particles and an epoxy resin, and the cathode current collecting layer 22 is formed on the cathode electrode 12 with carbon particles.
- a conductive adhesive layer made of epoxy resin are stacked via a conductive adhesive layer made of epoxy resin and bonded together by thermocompression bonding to produce a unit battery 30 having a length of 22 mm and a width of 26 mm (referring to the size of the membrane electrode assembly 20). did.
- the anode current collecting layer 21 and the cathode current collecting layer 22 were laminated so that the regions where the holes were formed were arranged immediately above the anode electrode 11 and the cathode electrode 12, respectively.
- a box housing (flow channel plate) 40 / first intervening layer 2 / exhaust heat layer 1 / unit cell 30 in which the fuel transport member 61 is fitted are stacked in this order, and the box is formed by thermocompression bonding. Between the housing
- Example 2 The exhaust heat layer 1 is the same as that of Example 1 except that the size of the 15 through holes 1a is reduced and the exhaust heat layer in which the opening ratio of the 15 through holes is 46% in total is 46%. A fuel cell was fabricated.
- Example 1 A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that an exhaust heat layer having no communication path 1b was used.
- Output characteristics (IV characteristics) of the fuel cells of Examples 1 and 2 Fuel is supplied by passive supply using a methanol aqueous solution with a methanol concentration of 17M as a fuel, the fuel cell is operated, and IV measurement is performed using a charge / discharge device ("SPEC20526" manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.) The output characteristics of the fuel cell were evaluated. 22 and 23 are graphs showing the output characteristics of the fuel cells produced in Example 1 and Example 2, respectively. As shown in FIG. 22, the fuel cell of Example 1 showed good output characteristics, and a maximum output density of about 33 mW / cm 2 was obtained. On the other hand, as shown in FIG. 23, in the fuel cell of Example 2, the degree of voltage drop when the current density was gradually increased was slightly larger than that of Example 1, and the maximum output density was also slightly decreased. .
- the temperatures of the power generation unit (unit cell 30) and the fuel supply unit (fuel transport member 61) after 5 minutes from the start of operation were confirmed to be 45 ° C and 43 ° C, respectively. After that, these temperatures remained almost constant. It is presumed that this is a result of good discharge of CO 2 and the accompanying heat and fuel supply to the anode 11.
- Example 3 A fuel cell having a configuration similar to that shown in FIG.
- a catalyst paste for the cathode electrode 12 was prepared in the same manner as the catalyst paste for the anode electrode 11 except that catalyst-supporting carbon particles (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) having a Pt loading amount of 46.8% by weight were used. .
- catalyst-supporting carbon particles TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.
- the above-mentioned catalyst paste for anode electrode 11 is applied using a screen printing plate having a window of 22 mm in length and 27 mm in width so that the amount of supported catalyst is about 3 mg / cm 2. Then, by drying, an anode electrode 11 having a thickness of about 100 ⁇ m in which an anode catalyst layer was formed in the center of the anode conductive porous layer was produced. Further, on the cathode conductive porous layer, a screen printing plate having a window of 22 mm in length and 27 mm in width so that the amount of catalyst supported on the cathode electrode 12 is about 1 mg / cm 2 is used. By coating and drying, a cathode electrode 12 having a thickness of about 50 ⁇ m in which a cathode catalyst layer was formed in the center of the cathode conductive porous layer was produced.
- a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane (Nafion (registered trademark) 117, manufactured by DuPont) having a thickness of about 175 ⁇ m is cut into a length of 23 mm and a width of 28 mm to form an electrolyte membrane 10, and the anode electrode 11 and the electrolyte membrane 10 and the cathode electrode 12 are stacked in this order so that the respective catalyst layers face the electrolyte membrane 10, and then subjected to thermocompression bonding at 130 ° C. for 2 minutes to connect the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 to the electrolyte. Bonded to membrane 10.
- the superposition was performed so that the positions of the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 in the plane of the electrolyte membrane 10 coincided, and the centers of the anode electrode 11, the electrolyte membrane 10 and the cathode electrode 12 coincided.
- the end of the obtained laminate was cut to prepare a membrane electrode assembly 20 having a length of 22 mm and a width of 27 mm.
- a stainless steel plate (NSS445M2, manufactured by Nisshin Steel Co., Ltd.) having a thickness of 100 ⁇ m, a length of 22 mm, and a width of 27 mm is prepared, and a plurality of through-holes having an opening diameter of ⁇ 0.6 mm are formed in this central region.
- Two stainless steel plates having a plurality of through-holes penetrating in the thickness direction were produced by processing a hole pattern: zigzag 60 ° pitch 0.8 mm) from both sides by wet etching using a photoresist mask.
- anode current collecting layer 21 and a cathode current collecting layer 22 were plated with gold to form an anode current collecting layer 21 and a cathode current collecting layer 22, respectively.
- the anode current collecting layer 21 and the cathode current collecting layer 22 are provided with electrical contacts for sweeping current during evaluation.
- the anode current collecting layer 21 is laminated on the anode electrode 11 via a conductive adhesive layer made of carbon particles and an epoxy resin, and the cathode current collecting layer 22 is formed on the cathode electrode 12 with carbon particles.
- a unit battery 30 having a length of 22 mm and a width of 27 mm was produced by laminating the layers via a conductive adhesive layer made of epoxy resin and bonding them by thermocompression bonding.
- the anode current collecting layer 21 and the cathode current collecting layer 22 were laminated so that the regions where the through holes were formed were disposed immediately above the anode electrode 11 and the cathode electrode 12, respectively.
- a porous film made of polyvinylidene fluoride having a length of 25 mm, a width of 27 mm, and a thickness of 0.1 mm as shown in FIG. 25 (Durapore membrane filter made by MILLIPORE) ) was used.
- the maximum pore diameter of the pores of this porous film was 0.1 ⁇ m, and the bubble point based on JIS K3832 was 115 kPa when methanol was used as the measurement medium.
- the first layer 3 has through holes (inner diameter 1.0 mm) penetrating in the thickness direction as “hole group A” (five included in a region surrounded by a dotted frame). And a through hole (inner diameter 1.0 mm) penetrating in the thickness direction, denoted as “hole group B” (12 included in a region surrounded by another dotted frame).
- the hole group A is a hole for extracting air existing in the fuel supply chamber 60 when the liquid fuel enters the fuel supply chamber 60 disposed below the first layer 3 (the liquid is removed by extracting air). Fuel).
- the hole group A is provided, the air in the fuel supply chamber 60 can be extracted even after the first layer 3 is completely wetted with fuel.
- the inside of the supply chamber 60 is always filled with liquid fuel. Since the unit cell 30 is not disposed on the hole group A, the by-product gas does not enter the fuel supply chamber 60 through the hole group A.
- the hole group B is the above-mentioned “second through hole 8” for discharging the by-product gas to the outside of the fuel cell, and constitutes a part of the by-product gas discharge unit.
- a porous film made of polytetrafluoroethylene having a length of 25 mm, a width of 27 mm, and a thickness of 0.2 mm as shown in FIG. 26 (“TEMISH” manufactured by Nitto Denko Corporation) (Registered trademark)] NTF2122A-S06 ”).
- the bubble point according to JIS K 3832 of this porous film was 18 kPa when the measurement medium was methanol.
- the second layer 4 is laminated on the first layer 3 (lamination so that the AA ′ planes in FIGS. 25 and 26 coincide with each other), and the layer boundary portions on all side surfaces are joined with an adhesive to form an intervening layer.
- the bubble point of the intervening layer coincides with the value of the layer having the largest bubble point among the constituent layers. Therefore, the bubble point of the intervening layer of this example is 115 kPa.
- FIG. 27 (4) Fabrication of fuel supply section As shown in FIG. 27, five concave portions (spaces to become the fuel supply chamber 60) having a length of 23.5 mm, a width of 1.0 mm, and a depth of 0.4 mm are formed on one surface. Further, a box housing 40 having a length of 30 mm, a width of 27 mm, and a thickness of 0.6 mm, in which a total of 12 first through holes 7 having an inner diameter of 1.0 mm were formed at the illustrated positions, was prepared. The box housing 40 has the same shape as that shown in FIG. 10, and includes a recess that constitutes the fuel storage chamber 70 on the side of the recess that becomes the fuel supply chamber 60.
- the intervening layer and the box housing 40 were joined by performing thermocompression bonding.
- the second through hole 8 (hole group B) of the first layer 3 is disposed immediately above the first through hole 7 of the box housing 40.
- the intervening layer was laminated on the intervening layer.
- the end surfaces of both the unit cell 30 and the fuel supply unit were coated with a sealing layer made of an epoxy resin by applying and curing a coating solution containing an epoxy resin using a mask. As a result, it is possible to prevent air from entering the fuel electrode from the outside of the fuel cell and fuel from leaking to the outside of the fuel cell.
- the sealing layer 80 (fuel intrusion prevention layer) was formed by applying and curing an epoxy resin on the end surfaces of the unit cell 30 and the intervening layer on the fuel storage chamber 70 side. Finally, a fuel cell was obtained by disposing a lid housing 50 having an opening 51 for supplying air to the cathode electrode 12 and an opening 73 (pressure adjusting hole) on the unit cell 30.
- Example 4 As the first layer 3 of the intervening layer, the same shape as the porous film used in Example 3 (the shape shown in FIG. 25, which has the hole group A and the hole group B), the thickness, and the material However, a porous film (Durapore membrane filter, filter code: DVPP manufactured by MILLIPORE) having different maximum pore diameters was used. The maximum pore diameter of the pores of this porous film was 0.65 ⁇ m, and the bubble point based on JIS K3832 was 42 kPa when the measurement medium was methanol.
- a porous film Denspore membrane filter, filter code: DVPP manufactured by MILLIPORE
- the second layer 4 is the same as that of Example 3, and the second layer 4 is laminated on the first layer 3 (laminated so that the AA ′ planes in FIGS. 25 and 26 coincide), and all the side surfaces are laminated.
- An intervening layer was produced by joining the boundary portions of the layers with an adhesive.
- a fuel cell was obtained in the same manner as in Example 3 except that this intervening layer was applied to the fuel supply unit.
- the bubble point of the intervening layer of this example is 42 kPa.
- Example 5 A fuel cell having a configuration similar to that shown in FIG.
- the third layer 5 of the intervening layer a thermoplastic film (“FB-ML4” manufactured by Nitto Shinko Co., Ltd.) having a length of 25 mm, a width of 27 mm and a thickness of 0.07 mm as shown in FIG. 28 was used.
- the third layer 5 has through holes (inner diameter: 1.0 mm) penetrating in the thickness direction as “hole group C” (25 included in a region surrounded by a dotted frame), and the first layer 3
- the same number of through-holes (inner diameter: 1.0 mm) are also provided at positions immediately above the hole groups A and B provided in (see FIG. 28).
- the film itself constituting the third layer 5 is impermeable to fuel, the fuel can pass through the hole group C from the first layer 3 side to the second layer 4 side.
- the first layer 3 and the second layer 4 are the same as those in Example 3, and the first layer 3, the third layer 5, and the second layer 4 are laminated in this order (the AA ′ plane in FIGS. 25, 26, and 28). And laminated at 130 ° C. for 10 minutes to produce an intervening layer.
- a fuel cell was obtained in the same manner as in Example 3 except that this intervening layer was applied to the fuel supply unit.
- the bubble point of the intervening layer in this example is 115 kPa.
- the first layer 3 of the intervening layer is a porous film made of ultra high molecular weight polyethylene having a length of 25 mm, a width of 27 mm, and a thickness of 0.1 mm (“Sunmap LC series” manufactured by Nitto Denko Corporation).
- An intervening layer was produced in the same manner as in Example 3, and a fuel cell was produced in the same manner as in Example 3 except that this intervening layer was used.
- the bubble point based on JIS K3832 of the 1st layer used by this comparative example was 8 kPa when the measurement medium was methanol.
- the bubble point of the intervening layer of this comparative example is 18 kPa (corresponding to the bubble point of the second layer 4).
- the concentration of the aqueous methanol solution supplied was 12 mol / dm 3 for the fuel cells of Examples 3 and 4 and Comparative Example 2.
- the concentration of the aqueous methanol solution supplied was 12 mol / dm 3 for the fuel cells of Examples 3 and 4 and Comparative Example 2.
- the fuel cell of Example 5 methanol crossover was suppressed by the third layer 5 of the intervening layer, and when the same concentration of fuel as in Examples 3 and 4 and Comparative Example 2 was used, the cell temperature was relatively Therefore, an aqueous methanol solution having a concentration of 23 mol / dm 3 and a battery temperature equivalent to that of Examples 3 and 4 and Comparative Example 2 was used as the fuel.
- the fuel cell of Example 3 was excellent in output stability although the instantaneous maximum output was comparable to that of Comparative Example 2. This is probably because by-product gas does not enter the fuel supply chamber 60 and the stable fuel supply is possible because the bubble point of the intervening layer is large.
- the fuel cell of Example 4 had the same instantaneous maximum output and output stability as those of Example 3. As in the third embodiment, it is considered that the by-product gas does not enter the fuel supply chamber 60 and stable fuel supply is possible.
- the fuel cell of Example 5 was excellent in both instantaneous maximum output and output stability. The reason why the instantaneous maximum output is improved is considered to be that the fuel supply becomes better and the limit current density is improved because the fuel having a higher concentration can be used.
- the output stability of the fuel cell of Example 5 is further improved as compared with Example 3. This is because the first layer 3 and the second layer 4 are surface-bonded by the third layer 5. This is considered to be because a gap is less likely to be formed between the first layer 3 and the second layer 4 and a more stable fuel supply is performed.
- the output stability was too low to perform a constant current load of 2 hr, and the measurement was finished because the cell voltage was 0.1 V or less (the voltage difference compared with after 5 min is 0.3V or more).
- 1 exhaust heat layer 1a through port, 1b communication path, 1c, 1d connection path, 1st intervening layer, 3rd layer, 1st layer, 4th layer, 5th layer, 6th by-product gas discharge section, 7th 1 through hole, 8 second through hole, 10 electrolyte membrane, 11 anode electrode, 12 cathode electrode, 20 membrane electrode composite, 21 anode current collecting layer, 22 cathode current collecting layer, 30 unit cell, 40 box housing, 50 lid Housing, 51 opening, 60 fuel supply chamber, 61 fuel transport member, 63 first opening, 70 fuel storage chamber, 71 second opening, 73 opening, 80 sealing layer, 90 screws, 91 spacer (both sides) Tape, etc.), 100, 200, 300 fuel cells.
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池は、ユーザが1回燃料補充することで電子機器を従来よりも長く利用できる長時間駆動の点や、ユーザが外出先で電池を使い切ってしまっても、電池の充電を待たずに燃料を購入し補充することで直ぐに電子機器が利用できる利便性の点から、情報化社会を支える携帯用電子機器の新規電源として実用化の期待が高まっている。 Fuel cells can be used for a long time, allowing users to use the electronic equipment longer than before by refilling the fuel once, and even if the user runs out of the battery on the go, the fuel cell does not have to wait for charging. From the point of convenience that an electronic device can be used immediately by purchasing and replenishing it, there is an increasing expectation for practical use as a new power source for portable electronic devices that support the information society.
燃料電池は、使用する電解質材料や燃料の分類から、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型、ダイレクトアルコール型等に分類される。特に、電解質材料に固体高分子であるイオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池およびダイレクトアルコール型燃料電池は、常温で高い発電効率が得られることから、携帯用電子機器への応用を目的とした小型燃料電池としての実用化が検討されている。 Fuel cells are classified into phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, solid polymer type, direct alcohol type, etc., according to the classification of the electrolyte material and fuel used. In particular, solid polymer fuel cells and direct alcohol fuel cells that use an ion exchange membrane, which is a solid polymer, as the electrolyte material can achieve high power generation efficiency at room temperature. Practical application as a small fuel cell is under study.
燃料としてアルコールまたはアルコール水溶液を使用するダイレクトアルコール型燃料電池は、燃料がガスである場合と比較して、燃料貯蔵室を比較的簡易に設計できるなどの理由から、燃料電池の構造の簡略化、省スペース化が可能であり、携帯用電子機器への応用を目的とした小型燃料電池としての期待が特に高い。 The direct alcohol fuel cell that uses alcohol or an aqueous alcohol solution as the fuel has a simplified structure of the fuel cell because the fuel storage chamber can be designed relatively easily compared to the case where the fuel is a gas. Space-saving is possible, and the expectation as a small fuel cell for the purpose of application to portable electronic devices is particularly high.
電解質膜としてカチオン交換膜を使用するダイレクトアルコール型燃料電池においては、アノード極に燃料(アルコールまたはアルコール水溶液)を供給すると、燃料が酸化されて、二酸化炭素等のガス(以下、「副生ガス」ともいう。)およびプロトンが生じる。たとえば、アルコールとしてメタノールを用いた場合では、
CH3OH+H2O → CO2↑+6H++6e-
の式で表される酸化反応により、副生ガスとして二酸化炭素がアノード極側で発生する。
In a direct alcohol fuel cell that uses a cation exchange membrane as an electrolyte membrane, when fuel (alcohol or an alcohol aqueous solution) is supplied to the anode electrode, the fuel is oxidized and gas such as carbon dioxide (hereinafter referred to as “by-product gas”). And protons are generated. For example, when methanol is used as the alcohol,
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 ↑ + 6H + + 6e −
As a by-product gas, carbon dioxide is generated on the anode electrode side by the oxidation reaction represented by the formula:
アノード極側で発生したプロトンは、電解質膜を介してカソード極側に伝達される。そして、当該プロトンとカソード極に供給される空気中の酸素とが、
3/2O2+6H++6e- → 3H2O
の式で表される還元反応を起こし、水が生成する。このときに電子が外部の電子機器(負荷)を通過してアノード極からカソード極に移動し、電力が取り出される。
Protons generated on the anode electrode side are transmitted to the cathode electrode side through the electrolyte membrane. And the oxygen in the air supplied to the proton and the cathode electrode,
3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O
The reduction reaction represented by the formula is caused to produce water. At this time, electrons pass through an external electronic device (load), move from the anode electrode to the cathode electrode, and electric power is taken out.
ダイレクトアルコール型燃料電池のような、液状の燃料(以下、「液体燃料」ともいう。)を使用する燃料電池には、液体燃料を液状のままアノード極に供給する液体供給方式と、液体燃料の気化成分をアノード極に供給する気体供給方式とがある。たとえば国際公開第2008/023633号(特許文献1)には、液体燃料収容室とアノード極との間に、液体燃料収容室に収容された液体燃料の気化成分(以下、「気化燃料」ともいう。)を透過させる気液分離膜を配した、液体燃料を電池内部で気化してアノード極に供給する気体供給方式のDMFC(ダイレクトメタノール型燃料電池)が開示されている。 A fuel cell using a liquid fuel (hereinafter also referred to as “liquid fuel”), such as a direct alcohol fuel cell, has a liquid supply system that supplies liquid fuel to the anode electrode in a liquid state, There is a gas supply system for supplying a vaporized component to the anode electrode. For example, in International Publication No. 2008/023633 (Patent Document 1), a vaporized component (hereinafter, also referred to as “vaporized fuel”) of liquid fuel stored in the liquid fuel storage chamber between the liquid fuel storage chamber and the anode electrode. A gas supply type DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) is provided, which is provided with a gas-liquid separation membrane that permeates.
一方、燃料電池は、燃料や空気の供給方式による分類から、パッシブ型とアクティブ型とに大きく分類することができる。パッシブ型燃料電池は、ポンプやファン等の外部動力を用いる補機を使用することなく、燃料および空気をそれぞれ、アノード極、カソード極に供給する方式の燃料電池であり、非常に小さな小型燃料電池の実現の可能性があることから、携帯電子機器への搭載用途として期待が高い。 On the other hand, fuel cells can be broadly classified into passive type and active type from the classification based on the fuel and air supply system. A passive fuel cell is a fuel cell that supplies fuel and air to the anode and cathode, respectively, without using auxiliary equipment that uses external power such as a pump or a fan. Therefore, there is a high expectation for use in portable electronic devices.
燃料電池、とりわけ小型燃料電池においては、発電により生じた熱によって電池内部の温度が上昇し、これにより燃料貯蔵室に収容されている液体燃料の気化が促進されてクロスオーバー現象(アノード極に過剰に供給された燃料が電解質膜を介してカソード極に至り、カソード極にて触媒反応を起こす現象)が生じ、電池温度がさらに上昇するという悪循環によって電池内部温度の暴走が生じやすいという問題があった。また、上述のような電池内部の温度上昇により内圧が上昇すると、燃料電池の変形が生じることがあり、信頼性の点でも課題があった。 In a fuel cell, particularly a small fuel cell, the temperature inside the cell rises due to heat generated by power generation, which promotes the vaporization of the liquid fuel contained in the fuel storage chamber and causes a crossover phenomenon (excess in the anode electrode). The fuel supplied to the battery reaches the cathode electrode through the electrolyte membrane, causing a catalytic reaction at the cathode electrode), and the internal temperature of the battery is likely to run away due to a vicious cycle in which the battery temperature further rises. It was. Further, when the internal pressure rises due to the temperature rise inside the battery as described above, the fuel cell may be deformed, and there is a problem in terms of reliability.
上記問題を解決すべく上記特許文献1には、気体供給方式のパッシブ型DMFCにおいて、液体燃料収容室上に配置されている気液分離膜から膜電極複合体のアノード導電層までの距離Lを2mm超5mm以下とすることが提案されている。
In order to solve the above problem,
特許文献1に記載の燃料電池においては、上記のとおり、発電部(膜電極複合体)と燃料供給部(液体燃料収容室)とを熱的に分離するために、距離Lを2mm超にすることが提案されているが、この場合、燃料電池の薄型化が困難である。
In the fuel cell described in
また、特許文献1に記載されるような、気体供給方式とするために液体燃料収容室とアノード極との間に、気体が透過可能な気液分離膜を配した燃料電池においては、アノード極で生じた副生ガスが気液分離膜を通って液体燃料収容室内に浸入する。副生ガスの液体燃料収容室内への侵入は、気液分離膜に接触する液体燃料量を低減させ、結果、アノード極への気化燃料の供給量を低下させるとともに、気化燃料の安定的な供給を阻害し、燃料電池の出力安定性を低下させる。
Further, in a fuel cell in which a gas-liquid separation membrane capable of gas permeation is disposed between a liquid fuel storage chamber and an anode electrode in order to adopt a gas supply method as described in
本発明の目的は、電池内部温度の暴走および内圧上昇を防止することができるとともに、薄型化が可能な燃料電池を提供することにある。また本発明の別の目的は、出力安定性が良好な燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell that can prevent runaway of the internal temperature of the battery and an increase in internal pressure, and can be thinned. Another object of the present invention is to provide a fuel cell with good output stability.
本発明は、アノード極、電解質膜およびカソード極をこの順で有する単位電池と、単位電池のアノード極側に配置され、アノード極に燃料を供給するための燃料供給部と、単位電池と燃料供給部との間に配置される排熱層とを含み、排熱層が、厚み方向に貫通する貫通口と、排熱層の周縁部に設けられ、貫通口と排熱層外部とを連通する連通経路とを有する燃料電池〔A〕を提供する。 The present invention includes a unit cell having an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order, a fuel supply unit that is disposed on the anode electrode side of the unit cell and supplies fuel to the anode electrode, a unit cell, and a fuel supply The exhaust heat layer is provided between the through-hole that penetrates in the thickness direction and the peripheral portion of the exhaust heat layer, and communicates the through-hole and the outside of the exhaust heat layer. A fuel cell [A] having a communication path is provided.
排熱層は、2以上の貫通口と、該貫通口のいずれかと排熱層外部とを連通する1以上の連通経路とを有することができる。貫通口の開口率は、好ましくは合計で50%以上である。貫通口(排熱層)の厚みは、好ましくは100~1000μmである。また、連通経路の断面積の合計S1と、排熱層の側面の合計面積S0との比は、好ましくは0より大きく、0.3未満である。排熱層は、たとえば、エッチング加工により貫通口および連通経路を形成した金属板からなることができる。 The exhaust heat layer can have two or more through holes and one or more communication paths that connect any one of the through holes to the outside of the exhaust heat layer. The opening ratios of the through holes are preferably 50% or more in total. The thickness of the through hole (exhaust heat layer) is preferably 100 to 1000 μm. The ratio between the total cross-sectional area S 1 of the communication path and the total area S 0 of the side surface of the exhaust heat layer is preferably greater than 0 and less than 0.3. The exhaust heat layer can be made of, for example, a metal plate in which a through hole and a communication path are formed by etching.
本発明の燃料電池〔A〕は、排熱層と燃料供給部との間に配置される、疎水性の多孔質層である第1の介在層をさらに備えることが好ましい。 The fuel cell [A] of the present invention preferably further includes a first intervening layer that is a hydrophobic porous layer disposed between the exhaust heat layer and the fuel supply unit.
燃料供給部は、アノード極側が開放された空間からなり、液状の燃料(液体燃料)を流通させるかまたは収容するための燃料供給室を含むものであることができる。燃料電池〔A〕の好ましい実施形態において燃料供給部は、液体燃料を流通させるための燃料供給室と、燃料供給室に接続され、液体燃料を収容するための燃料貯蔵室とを含む。この実施形態において燃料電池〔A〕は、燃料貯蔵室内に収容される液体燃料を燃料供給室に圧送するための圧送手段をさらに備えることができる。 The fuel supply unit is composed of a space in which the anode electrode side is open, and may include a fuel supply chamber for circulating or containing liquid fuel (liquid fuel). In a preferred embodiment of the fuel cell [A], the fuel supply unit includes a fuel supply chamber for circulating the liquid fuel, and a fuel storage chamber connected to the fuel supply chamber and containing the liquid fuel. In this embodiment, the fuel cell [A] can further include a pumping means for pumping the liquid fuel stored in the fuel storage chamber to the fuel supply chamber.
また、燃料電池〔A〕の他の好ましい実施形態において燃料供給部は、上記燃料供給室に加えて、燃料供給室の側方に配置され、液体燃料を収容するための燃料貯蔵室と、液体燃料に対して毛細管作用を示す材料からなる部材であって、その一端が燃料貯蔵室内に収容される液体燃料に接触可能な位置に配置されるとともに、その他端が燃料供給室内部に配置され、アノード極に対向するように延びる燃料輸送部材とをさらに含む。いずれの実施形態においても連通経路は、好ましくは燃料貯蔵室から最も離れた排熱層の周縁部に設けられる。 In another preferred embodiment of the fuel cell [A], the fuel supply unit is arranged on the side of the fuel supply chamber in addition to the fuel supply chamber, and includes a fuel storage chamber for containing liquid fuel, a liquid A member made of a material exhibiting a capillary action with respect to the fuel, one end of which is disposed at a position capable of contacting the liquid fuel accommodated in the fuel storage chamber, and the other end disposed in the fuel supply chamber; And a fuel transport member extending to face the anode electrode. In any embodiment, the communication path is preferably provided at the peripheral edge of the exhaust heat layer farthest from the fuel storage chamber.
本発明の燃料電池〔A〕は、排熱層と燃料供給室との間に配置される、疎水性の多孔質層である第1の介在層と、燃料供給室の開口を覆うように第1の介在層と燃料供給室との間に配置され、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが30kPa以上である第2の介在層とをさらに備えたものであることができる。 The fuel cell [A] of the present invention includes a first intervening layer, which is a hydrophobic porous layer, disposed between the exhaust heat layer and the fuel supply chamber, and a first cover layer covering the opening of the fuel supply chamber. And a second intervening layer that is disposed between the intervening layer and the fuel supply chamber and has a bubble point of 30 kPa or more when the measurement medium is methanol.
単位電池は、アノード極上に積層されるアノード集電層と、カソード極上に積層されるカソード集電層とをさらに含むことが好ましい。 The unit cell preferably further includes an anode current collecting layer laminated on the anode electrode and a cathode current collecting layer laminated on the cathode electrode.
また本発明は、アノード極、電解質膜およびカソード極をこの順で有する単位電池と、単位電池のアノード極側に配置され、アノード極に燃料を供給するための燃料供給部とを備える燃料電池であって、燃料供給部は、アノード極側が開放された空間からなり、液状の燃料(液体燃料)を流通させるかまたは収容するための燃料供給室と、燃料供給室の開口を覆うように燃料供給室と単位電池との間に配置される介在層とを含み、介在層が、その厚み方向における燃料供給室側に設けられ、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが30kPa以上である第1の領域と、その厚み方向における単位電池側に設けられ、気化した燃料(気化燃料)を透過可能な第2の領域とを有する燃料電池〔B〕を提供する。 The present invention also relates to a fuel cell comprising a unit cell having an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order, and a fuel supply unit that is disposed on the anode electrode side of the unit cell and supplies fuel to the anode electrode. The fuel supply unit is a space that is open on the anode electrode side, and supplies the fuel so as to cover the fuel supply chamber for circulating or containing the liquid fuel (liquid fuel) and the opening of the fuel supply chamber. And an intervening layer disposed between the chamber and the unit cell, the intervening layer being provided on the fuel supply chamber side in the thickness direction, and a bubble point when the measurement medium is methanol is 30 kPa or more. And a second region that is provided on the unit cell side in the thickness direction and is capable of transmitting vaporized fuel (vaporized fuel).
燃料電池〔B〕において介在層は、好ましくは、燃料供給室の開口を覆うように燃料供給室上に配置され、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが30kPa以上である第1層と、第1層における単位電池側表面に積層され、気化した燃料を透過可能な第2層とから構成される2層構造を有するものである。 In the fuel cell [B], the intervening layer is preferably disposed on the fuel supply chamber so as to cover the opening of the fuel supply chamber, and the bubble layer has a bubble point of 30 kPa or more when the measurement medium is methanol, The first layer is laminated on the unit cell side surface and has a two-layer structure including a second layer capable of transmitting vaporized fuel.
本発明の燃料電池〔B〕は、第1層と第2層との間に、厚み方向に貫通する貫通孔を有する第3層をさらに備えることができる。第3層の好ましい一例は、厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有する熱可塑性樹脂シートである。また、第3層の他の好ましい例として、接着性を有する樹脂または樹脂組成物から形成される多孔質層や、厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有する金属板を含むものを挙げることができる。 The fuel cell [B] of the present invention may further include a third layer having a through-hole penetrating in the thickness direction between the first layer and the second layer. A preferable example of the third layer is a thermoplastic resin sheet having a plurality of through holes penetrating in the thickness direction. Other preferable examples of the third layer include a porous layer formed from an adhesive resin or resin composition, and a metal plate having a plurality of through holes penetrating in the thickness direction. it can.
単位電池は、アノード極上に積層されるアノード集電層と、カソード極上に積層されるカソード集電層とをさらに含むことが好ましい。燃料としては、純メタノールまたはメタノール水溶液を好ましく用いることができる。 The unit cell preferably further includes an anode current collecting layer laminated on the anode electrode and a cathode current collecting layer laminated on the cathode electrode. As the fuel, pure methanol or an aqueous methanol solution can be preferably used.
本発明はさらに、上記の燃料電池〔A〕または〔B〕を備える電子機器を提供する。 The present invention further provides an electronic device including the fuel cell [A] or [B].
本発明によれば、燃料電池内部温度の暴走および内圧上昇を防止することができ、もって安定した発電を維持できる薄型の燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a thin fuel cell that can prevent runaway of the internal temperature of the fuel cell and an increase in internal pressure and can maintain stable power generation.
また本発明によれば、アノード極で生じた副生ガスの燃料供給室への侵入を防止することができる。これにより、アノード極に対して、十分な量の気化燃料を安定して供給することができるようになるため、良好な出力安定性を維持することができる。 Further, according to the present invention, it is possible to prevent the by-product gas generated at the anode electrode from entering the fuel supply chamber. As a result, a sufficient amount of vaporized fuel can be stably supplied to the anode electrode, so that good output stability can be maintained.
本発明の燃料電池は、携帯電子機器への応用を目的とした小型燃料電池、とりわけ携帯電子機器搭載型の小型燃料電池として好適である。 The fuel cell of the present invention is suitable as a small fuel cell for application to a portable electronic device, particularly as a small fuel cell mounted on a portable electronic device.
以下、本発明の燃料電池を実施の形態を示して詳細に説明する。
<第1の実施形態>
図1は本実施形態に係る燃料電池の一例を示す概略断面図であり、上記燃料電池〔A〕の一例を示したものである。図2は当該燃料電池の概略上面図である。また、図1に示されるIII-III線、IV-IV線およびV-V線における断面図をそれぞれ図3~図5に示している。これらの図面に示される燃料電池100は、アノード極11、電解質膜10およびカソード極12をこの順で含む膜電極複合体20と、アノード極11上に積層され、これに電気的に接続されたアノード集電層21と、カソード極12上に積層され、これに電気的に接続されたカソード集電層22とを備える単位電池30;アノード集電層21の表面に接して積層された排熱層1;排熱層1の表面に接して積層された疎水性多孔質層である第1の介在層2;アノード極11の下方(より具体的には第1の介在層2の下方)に配置され、アノード極11側が開放された空間からなる燃料供給室60;アノード極11に供給される燃料(図示せず)を収容(保持)するための燃料貯蔵室70;および、一端(図1における左側端部)が燃料貯蔵室70内に配置されるとともに、その他端が燃料供給室60内に配置され、アノード極11に対向するように延びる燃料輸送部材61とを基本的に備える。燃料輸送部材61は、燃料貯蔵室70に収容される液状の燃料(液体燃料)に対して毛細管作用を示す材料からなり、燃料輸送部材61の毛管作用により、液体燃料が燃料供給室60内に流通される。燃料供給室60と燃料貯蔵室70と燃料輸送部材61とが、燃料電池100の燃料供給部を構成している。
Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described in detail with reference to embodiments.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell according to the present embodiment, and shows an example of the fuel cell [A]. FIG. 2 is a schematic top view of the fuel cell. In addition, sectional views taken along lines III-III, IV-IV and VV shown in FIG. 1 are shown in FIGS. 3 to 5, respectively. A
燃料供給室60を構成するアノード極11直下の空間は、単位電池30の下部に、第1の介在層2に接するように配置された箱筺体40と第1の介在層2とによって形成されている。すなわち、箱筺体40は燃料供給室60を構成する凹部を有しており、この凹部がアノード極11の直下に配置されるようにアライメントし、かつ当該凹部の開口部側が第1の介在層2に対向するように箱筺体40を配置することにより、燃料供給室60が形成される。また、箱筺体40は、燃料電池100の燃料供給室60を構成する部位とともに、燃料貯蔵室70の底壁および側壁を構成する部位を一体として有している。
The space immediately below the
燃料電池100は、箱筺体40とともに、カソード集電層22上に積層され、複数の開口51を有する蓋筺体50を備えており、単位電池30は、箱筺体40と蓋筺体50とによって挟持されている。蓋筺体50は、カソード集電層22上に積層される部位とともに、燃料貯蔵室70の上壁(天井壁)を構成する部位を一体として有しており、箱筺体40、蓋筺体50および単位電池30によって燃料貯蔵室70が形成されている。単位電池30、排熱層1および第1の介在層2の燃料貯蔵室70側端面には、燃料貯蔵室70内に収容された燃料が侵入しないよう、エポキシ系硬化性樹脂組成物の硬化物層などからなる封止層80が形成されている。燃料電池100において燃料貯蔵室70は、単位電池30およびその下方に配置された燃料供給室60の側方に配置されている。
The
箱筺体40には、排熱層1の連通経路1bに接続された第1の開孔63を備えている。また、燃料貯蔵室70は、その内部空間と燃料電池100外部とを連通する第2の開孔71を備えている。この第2の開孔71は、蓋筺体50に設けられた貫通孔である。
The
燃料電池100は、次のような動作により発電を行なう。すなわち、燃料貯蔵室70に液体燃料が供給されると、液体燃料は、燃料輸送部材61の燃料貯蔵室70側端部から、燃料輸送部材61が有する細孔へ毛細管現象により移動する。移動した液体燃料は、燃料輸送部材61の細孔からなる毛細管を通して燃料輸送部材61内を浸透していき、燃料輸送部材61の他端(燃料貯蔵室70側とは反対側の端部)まで行き渡る。
The
燃料輸送部材61内を浸透して燃料供給室60内に輸送された液体燃料は、燃料供給室60の空間にガス状態で充満する。ガス状態の燃料(気化燃料)は、第1の介在層2を通過することにより、その量または濃度が適切な範囲に調整されるとともに、その量または濃度の均一化がなされる。第1の介在層2を通過した気化燃料は、排熱層1の貫通口1aを通過することによって、その量または濃度の適切な調整および均一化が促進される。排熱層1を通過した気化燃料は、アノード集電層21の開口を通ってアノード極11に供給される。そして、液体燃料としてメタノール水溶液を例に挙げると、アノード極11に供給されたガス状態のメタノール水溶液は、
CH3OH+H2O → CO2↑+6H++6e-
の式で表される酸化反応を起こし消費される。一方、カソード極12においては、蓋筺体50の開口51およびカソード集電層22の開口を通って到達した空気中の酸素と、電解質膜10を介してアノード極11からカソード極12に伝達されたプロトンとが、
3/2O2+6H++6e- → 3H2O
の式で表される還元反応を起こす。以上の酸化還元反応により、電子が、アノード極11→アノード集電層21→外部の電子機器(負荷)→カソード集電層22→カソード極12のルートで移動し、外部の電子機器に対して電力が供給される。
The liquid fuel that has permeated the
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 ↑ + 6H + + 6e −
This causes an oxidation reaction represented by the formula: On the other hand, in the
3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O
The reduction reaction represented by the formula Through the above oxidation-reduction reaction, electrons move in the route of
燃料供給室60内の気化燃料は、燃料電池100の消費電流量に応じて消費されていくこととなるが、これを補うように、燃料輸送部材61から液体燃料が随時蒸発を続けるため、燃料供給室60内における気化燃料の濃度は略一定に保持され、十分に高い電力を安定して供給することができる。また、単位電池30と燃料供給部(より具体的には燃料輸送部材61を備える燃料供給室60)との間に第1の介在層2および排熱層1が設けられているため、アノード極11への燃料供給を均一に、かつ適切量に制御された状態で行なうことが可能となる。これにより、燃料のクロスオーバーを効果的に抑制でき、発電部に温度ムラが生じにくく、安定した発電状態を維持することができる。本発明の特徴の1つである排熱層1については後で詳述する。
The vaporized fuel in the
本実施形態の燃料電池100において、燃料貯蔵室70から燃料供給室60への液体燃料の輸送(燃料輸送部材61内での液体燃料の浸透移動)は、専ら、燃料輸送部材61が有する細孔に由来する毛細管現象を利用したものである。したがって、燃料貯蔵室70から燃料供給室60への液体燃料の輸送を、外部動力を用いることなく、そしてほぼ重力の影響を受けることなく行なうことができる。
In the
次に、燃料電池100を構成する各部材等について詳細に説明する。
〔排熱層〕
図6(a)は図1に示される燃料電池100で用いられている排熱層1を示す概略上面図であり、図6(b)は図6(a)に示されるB-B’線における概略断面図である。図6に示されるように、図1に示される燃料電池100は、単位電池30と燃料供給部との間(より具体的には単位電池30と第1の介在層2との間)に、厚み方向に貫通する貫通口1a、および、貫通口1aと排熱層1外部とを連通する連通経路1bを有する排熱層1を備える。貫通口1aは、第1の介在層2を透過した気化燃料のアノード極11への供給経路としても機能している。図6(a)に示される排熱層1において連通経路1bは、排熱層1の周縁部に設けられ、貫通口1aから該周縁部の端面まで延びる溝(凹部)からなる。この周縁部は、4つの周縁部のうち、燃料貯蔵室70から最も離れた周縁部である(図1参照)。ただし、連通経路1bの位置はこの位置に限定されるものではなく、他の周縁部に形成してもよい。
Next, each member constituting the
[Exhaust heat layer]
6 (a) is a schematic top view showing the
単位電池30と燃料供給部(燃料供給室60)との間に排熱層1を設けることは、以下の点において有利である。
(i)貫通口1a内に存在する空気層により、単位電池30の発電部(膜電極複合体20)と燃料供給部との間の断熱を図ることができる。これにより、燃料供給部の温度が過度に上昇することによるクロスオーバーを抑制できる。このことは、電池内部温度の暴走および内圧上昇の抑制に寄与する。
(ii)アノード極11で生成したCO2ガス等の副生ガスは、発電により生じた熱を伴って貫通口1a内に到達し、続いて連通経路1b(図1に示される実施形態ではさらに第1の開孔63)を通って、燃料電池外部に排出される。これにより、燃料電池内部に蓄積される熱量を大幅に低減することができるため、燃料供給部を含めて燃料電池全体としての温度上昇を抑制することができる。このこともまた、電池内部温度の暴走および内圧上昇の抑制に寄与する。特に、排熱層1に連通経路1b(副生ガスの排出口)を設けていることにより、燃料供給部への熱の伝達が起こりにくく、したがって燃料供給部の過度の温度上昇ならびに、これに伴うクロスオーバーおよび温度暴走がより生じにくい構造となっている。
(iii)連通経路1bより副生ガスを良好に排出することができるため、副生ガスの排出不良による燃料供給阻害を抑制することができ、アノード極11への燃料供給が良好である。これにより、安定した発電特性を得ることができる。また、連通経路1bより副生ガスを良好に排出することができるため、副生ガスの燃料供給室60内への侵入を防止または抑制することができる。これにより、アノード極11に対して、十分な量の気化燃料を安定して供給することができるようになるため、燃料電池の出力安定性を向上させることができる。
Providing the
(I) Heat insulation between the power generation unit (membrane electrode assembly 20) of the
(Ii) By-product gas such as CO 2 gas generated at the
(Iii) Since the by-product gas can be discharged well from the
このように本発明では、排熱層1が有する空気層によって発電部と燃料供給部との断熱を図っているが、これだけではなく、貫通口1aと外部とを接続する連通経路1bによって、副生ガスの排出とともに、発電により生じた熱の排出を可能としたものである。このような熱の排出を可能とする構造により、発電部と燃料供給部との間の距離(すなわち、排熱層1の厚み)を十分に大きくして完全に断熱を図る必要がない。したがって本発明によれば、発電部と燃料供給部との間の距離(すなわち、排熱層1の厚み)を小さくでき、これにより燃料電池の薄型化を達成することができる。排熱層1(したがって貫通口1a)の厚みは、たとえば100~1000μm程度とすることができ、100~300μm程度まで小さくすることもできる。なお、上述したように、貫通口1aは、第1の介在層2を透過した気化燃料のアノード極11への供給経路としても機能しており、排熱層1が貫通口1aを有しない場合には、アノード極11に燃料を供給することができず、発電を行なうことができない。
As described above, in the present invention, the power generation unit and the fuel supply unit are insulated from each other by the air layer of the
排熱層1が有する貫通口1aは、発電部と燃料供給部との間の断熱性の観点から、図6に示されるように、排熱層1の面積に対する開口率をできるだけ大きくすることが好ましく、したがって排熱層1はできるだけ大きな貫通口1aを有する枠形状(ロの字状)を有することが好ましい。貫通口1aの開口率、すなわち、排熱層1の面積に対する貫通口1aの開口面積(後述するように、排熱層1は2以上の貫通口1aを有していてもよく、その場合にはそれらの開口面積の合計)の割合は、好ましくは50%以上、より好ましくは60%以上である。貫通口1aの開口率を大きくすることは、排熱層1の、アノード極11に供給される燃料濃度を均一化する機能を高める上でも有利であり、アノード極11への十分な燃料供給を確保する上でも有利である。なお、貫通口1aの開口率は、通常、90%以下である。
From the viewpoint of heat insulation between the power generation unit and the fuel supply unit, the through-
連通経路1bは、排熱層1の周縁部に設けられる溝(凹部)に限定されるものではなく、厚み方向に貫通する貫通穴であってもよいが、排熱層1の強度の観点から、排熱層1の周縁部に設けられる溝(凹部)からなることが好ましい。連通経路1bが溝(凹部)からなる場合において、連通経路1bの深さは、好ましくは50μm以上である。50μm以上の深さにすることで、隣接する部材(たとえばアノード集電層21)と排熱層1との接合を、熱圧着シートを用いたホットプレス(熱圧着)によって行なう場合であっても、熱圧着シートによる連通経路1bの閉塞を防止することができる。また、排熱層1の強度の観点から、連通経路1bの深さは排熱層1の厚みの75%程度までとすることが好ましい。
The
図7(a)は排熱層の他の例を示す概略上面図であり、図7(b)は図7(a)に示されるC-C’線における概略断面図である。図7に示されるように、排熱層1は、2以上の貫通口1aを有していてもよい。図7の例において排熱層1は、縦横2列に配列された合計4つの貫通口1aを有する。これは、大きな貫通口の縦方向および横方向に梁を設け、4つに分割したものということもできる。このような複数の貫通口1aを有する(梁を設けた)排熱層1は、排熱層1の面内方向の剛性が向上されるため、衝撃等に対する強度に優れる燃料電池が得られる点において有利である。また、図6に示されるような梁を設けない構造と比較して、排熱層1の上下に配置される部材の熱などに起因する膨張等による貫通口1aの閉塞がより生じにくい点においても有利である。
FIG. 7A is a schematic top view showing another example of the exhaust heat layer, and FIG. 7B is a schematic cross-sectional view taken along line C-C ′ shown in FIG. 7A. As shown in FIG. 7, the
排熱層1が2以上の貫通口1aを有する場合、排熱層1の周縁部に設けられる、貫通口1aと排熱層1外部とを連通する連通経路1bは、貫通口1aごとに、貫通口1aの数と同じ数だけ設けてもよいし、貫通口1aの数より少ない、もしくは多い数の連通経路1bを設けることもできる。図7の例においては、4つの貫通口1aに対して2つの連通経路1bが、燃料貯蔵室70から最も離れた周縁部のみに設けられている。このように、貫通口1aごとに連通経路1bを設けなくてもよいが、その場合には、図7に示されるように、連通経路1bが設けられていない貫通口(図7(a)における下2つの貫通口1a)は、接続経路1cによって、連通経路1bが設けられた貫通口(図7(a)における上2つの貫通口1a)に空間的に接続される。接続経路1cは、連通経路1bと同様、貫通口1a間の梁に設けられた溝(凹部)であることができる(図7(b)参照)。接続経路1cを設けることにより、連通経路1bが設けられていない貫通口内に入った副生ガスを、連通経路1bを通して外部に排出することができる。
When the
排熱層1の貫通口1aに到達した副生ガスの外部への排出効率を向上させるために、あるいは、排熱層1の、アノード極11に供給される燃料の濃度を均一化する機能を高めるために、連通経路1bが設けられた貫通口同士および/または連通経路1bが設けられていない貫通口同士を空間的に接続する接続経路1dを設けることも好ましい。
In order to improve the efficiency of discharging the by-product gas that has reached the through-
複数の貫通口1aの形状(幅および長さなど)、配列数など(換言すれば、縦横に設ける梁の数や配置間隔など)は、箱筺体40における燃料供給室60を形成する凹部の位置や数、複数の凹部を有する場合におけるそれらの配置間隔などを考慮して決定することが好ましい。たとえば、燃料電池の作製は、好ましくは排熱層1(または排熱層1と第1の介在層2との積層体)と箱筺体40とをホットプレス(熱圧着)により接合する工程を含むが、これらの部材間の良好な接合性(接合面積)を得るためには、箱筺体40における燃料供給室60を形成する凹部に圧力を印加することはできないため、該凹部の直上の位置に、圧力が印加される部位である排熱層1の梁が配置されないように排熱層1の形状(または箱筺体40の形状であってもよい)を調整することが好ましい。
The shape (width and length, etc.) of the plurality of through-
連通経路1bは、4つの周縁部のうち、どの周縁部に設けてもよいが、図1に示される例のように単位電池30の側方に燃料貯蔵室70が配置される場合など、アノード極11面内において燃料供給量に勾配が生じる場合には、燃料利用効率を高める観点から、連通経路1bの少なくとも1つは、燃料貯蔵室70から最も離れた周縁部に設けることが好ましく、連通経路1bのすべてを燃料貯蔵室70から最も離れた周縁部に設けることがより好ましい。すなわち、このような位置に連通経路1bを設けると、連通経路1bから排出される燃料の量を極力少なくすることができる。
The
また、燃料電池が、同一平面上に列状に配列した複数の単位電池を含むスタック構造を有する場合には、副生ガス排出によって隣り合う単位電池への空気供給が阻害されないよう、隣り合う単位電池に面しない周縁部に連通経路1bを設けることが好ましい。たとえば、複数の単位電池を一列に配列して単位電池をスタック化する場合、該スタック構造における、隣り合う単位電池に面しない2つの周縁部のいずれか一方に沿って燃料貯蔵室70を配置し、他方の周縁部(すなわち、燃料貯蔵室70から最も離れた周縁部)にすべての連通経路1bを設けることができる。これにより、単位電池への空気供給の阻害を防止できるとともに、連通経路1bから排出される燃料の量を極力少なくすることができる。
Further, when the fuel cell has a stack structure including a plurality of unit cells arranged in a row on the same plane, adjacent units are prevented so that air supply to the adjacent unit cells is not hindered by by-product gas discharge. It is preferable to provide the
連通経路1bの断面積(2以上の連通経路1bを有する場合にはこれらの断面積の合計)S1と、排熱層1の側面の合計面積S0との比S1/S0は、副生ガスおよびこれに伴う熱の排出を行なうために0より大きくすることが必要であり、好ましくは0.002以上である。また、好ましくは0.3未満、より好ましくは0.1未満、さらに好ましくは0.05未満である。当該比が0.3以上になると、燃料の漏洩や空気の混入が起こりやすくなり、発電の安定性が低下するおそれがある。
The ratio S 1 / S 0 between the cross-sectional area of the
連通経路1bのすべてを燃料貯蔵室70から最も離れた周縁部に設ける場合など、排熱層1が有する4つの周縁部のうちのいずれか1つの周縁部にのみ1または2以上の連通経路1bを設ける場合において、連通経路1bの断面積(2以上の連通経路1bを有する場合にはこれらの断面積の合計)S1と、連通経路1bが設けられる周縁部における側面の断面積S2との比S1/S2は、上記と同様の理由から、好ましくは0.008以上である。
For example, when all of the
排熱層1の材質は、プラスチック、金属または非多孔質性のカーボン材料などであることができる。プラスチックとしては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリイミド(PI)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などを挙げることができる。金属としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金を用いることができる。発電部と燃料供給部との間の断熱性をより向上させる観点からは、熱伝導性の低い材料を排熱層1に用いることが好ましいが、排熱層1による断熱性は、材料の熱伝導性よりも貫通口1a内に形成される空気層による寄与が大きい。したがって、断熱性の点においては、排熱層1の材質よりも、空気層の体積(貫通口1aの開口率および厚み)を考慮することが重要である。
The material of the
上記のなかでも、排熱層1は、金属、ポリフェニレンサルファイド(PPS)またはポリイミド(PI)などの剛性が大きい材質からなることが好ましい。剛性が大きい排熱層1を用いると、ホットプレス(熱圧着)により単位電池30と排熱層1と燃料供給部との接合が可能になるため、燃料電池の厚みや発電特性のばらつきを低減することができる。また、ホットプレス時において、連通経路1bの閉塞を有効に防止することができる。
Among the above, the
〔第1の介在層〕
第1の介在層2は、排熱層1と燃料供給部との間に配置される気化燃料透過性かつ液体燃料不透過性の疎水性を有する多孔質層であり、アノード極11への燃料の気化供給を可能とする層(気液分離層)である。第1の介在層2は、好ましくは、アノード極11へ供給される気化燃料の量または濃度を適切量に制御(制限)するとともに、均一化する機能を有する。第1の介在層2を設けることにより、燃料のクロスオーバーを効果的に抑制でき、発電部に温度ムラが生じにくく、安定した発電状態を維持することができる。また、第1の介在層2は、疎水性を有することから、燃料供給部側への水(たとえば、カソード極12で生成され、電解質膜10を介してアノード極11側へ移動してきた水)の侵入を防止することができる。これにより、アノード極11における水分濃度が良好に保たれるので、出力低下を防止することができる。この効果は、高濃度燃料(純メタノールなど)を用いる場合に特に有利である。
[First intervening layer]
The
第1の介在層2としては、使用する燃料に関して気液分離能を有するものであれば特に制限されないが、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂、撥水化処理されたシリコーン樹脂などからなる多孔質膜または多孔質シートを挙げることができ、具体的には、ポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルムである日東電工(株)製テミッシュ〔TEMISH(登録商標)〕の「NTF2026A-N06」や「NTF2122A-S06」が例示できる。第1の介在層2の厚みは特に制限されないが、上記機能を十分に発現させるために、20μm以上であることが好ましく、50μm以上であることがより好ましい。また、燃料電池の薄型化の観点からは、第1の介在層2の厚みは、500μm以下であることが好ましく、300μm以下であることがより好ましい。なお、本実施形態において第1の介在層2は省略してもよいが、クロスオーバーの抑制などの観点から、排熱層1と燃料供給部との間に第1の介在層2を配置することが好ましい。
The
〔燃料輸送部材〕
燃料輸送部材61は、その少なくとも一部が燃料供給室60内に配置され、燃料貯蔵室70から燃料供給室60に毛細管現象を利用して液体燃料を輸送するための部材であり、用いる液体燃料に対して毛細管作用を示す材料からなる。このような毛細管作用を示す材料としては、アクリル系樹脂、ABS樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、セルロースなどの高分子材料からなる不規則な細孔を有する多孔質体;ステンレス、チタン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、スチールなどの金属材料からなる不規則な細孔を有する多孔質体が挙げられる。多孔質体としては、上記金属材料からなる不織布、発泡体、焼結体や、上記高分子材料からなる不織布などを挙げることができる。また、上記高分子材料または金属材料からなり、毛細管として表面に規則的なまたは不規則なスリットパターン(溝パターン)を有する板状体を燃料輸送部材61として用いることもできる。
[Fuel transport member]
The
燃料輸送部材61が有する細孔の細孔径は、重力に対して十分な毛細管現象が生じ、良好な吸い上げ高(燃料輸送部材の一端を液体燃料に浸漬したときの、毛細管現象による液体燃料の当該部材における到達可能位置を意味する)および吸い上げ速度(燃料輸送部材の一端を液体燃料に浸漬したときの、単位時間当たりに吸い上げられる液体燃料の体積を意味する)を得るために、0.1~500μmとすることが好ましく、1~300μmとすることがより好ましい。なお、燃料輸送部材61が有する細孔の細孔径は、水銀圧入法により測定される径である。吸い上げ高が小さすぎると、アノード極全体にわたって液体燃料を供給させることができず、燃料電池の出力が低下し得る。また、燃料電池による発電で消費される液体燃料の消費速度に対して、十分な吸い上げ速度を有していないと、燃料輸送部材61のいずれかの箇所で液体燃料が枯渇し、燃料輸送部材61の他端まで液体燃料が供給されない結果、同様に燃料電池の出力が低下し得る。
The pore diameter of the pores of the
上記金属材料からなる多孔質体(金属多孔質体)について詳述すると、金属多孔質体のなかでも、ステンレス、チタン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、スチールなどの金属材料からなる金属多孔質体が好ましく、該金属材料を繊維状に加工し、不織布とした金属繊維不織布、またはこれを焼結し、必要に応じて圧延してなる金属繊維不織布焼結体がより好ましく、金属繊維不織布焼結体を用いることがさらに好ましい。金属繊維不織布焼結体を用いることにより、空隙率を高くした場合であっても燃料輸送部材61の十分な強度を維持することができるため、燃料電池製造時における組み立て精度を高めることができる。また、十分な強度を維持しつつ、空隙率を高めることができるため、燃料輸送部材61が保持可能な液体燃料量を向上させることができる。このことは、吸い上げ高さが同じ場合、吸い上げ速度がより大きくなることを意味しており、したがって、燃料貯蔵室70から離れたアノード極11の部位に対しても、効果的に液体燃料を供給することが可能となる。
The porous body (metal porous body) made of the metal material will be described in detail. Among the metal porous bodies, a metal porous body made of a metal material such as stainless steel, titanium, tungsten, nickel, aluminum, or steel is preferable. More preferably, a metal fiber nonwoven fabric obtained by processing the metal material into a fiber and forming a nonwoven fabric, or a metal fiber nonwoven fabric sintered body obtained by sintering and rolling the metal material as necessary, More preferably, it is used. By using the metal fiber nonwoven fabric sintered body, sufficient strength of the
燃料輸送部材61を構成する毛細管作用を示す材料としては、上記吸い上げ高および吸い上げ速度の観点から、30分後の揚水距離が10cm以上であるものを用いることが好ましく、15cm以上であるものを用いることがより好ましい。このようなものとしては、王子キノクロス(株)製の「ハトシート」、東レ(株)製の「導水シート」などがある。揚水距離とは、フェルト試験片の下端2cmを温度25℃の水中に浸し、一定時間(30分)放置後の水の到達高さを意味する。
As a material showing the capillary action constituting the
図1に示される燃料電池100において燃料輸送部材61は、短冊形状、より具体的には直方体形状を有している(図1および図4参照)。ただし、このような形状に限定されるものではなく、燃料輸送部材61の形状は、燃料電池全体の形状、膜電極複合体20の形状または燃料供給室60の形状等に応じた適宜の形状とすることができる。直方体形状以外の他の例として、たとえば立方体形状、一端から他端に向かうに従い、幅が連続的または段階的に小さくまたは大きくなる形状(表面が台形や三角形である形状等)などの短冊形状が挙げられる。
In the
燃料輸送部材61の長さ(燃料貯蔵室70側の一端からこれに対向する他端までの距離)は特に制限されず、燃料電池全体の形状、膜電極複合体20の形状または燃料供給室60の形状等に応じた適宜の長さとすることができるが、燃料輸送部材61の一端を燃料貯蔵室70に保持された液体燃料に接触可能な位置に配置したときに、その他端がアノード極11の端部(燃料貯蔵室70側とは反対側の端部)の略直下の位置に配置されるような長さまたはそれ以上の長さを有していることが好ましい。これにより、アノード極11の燃料貯蔵室70側とは反対側の端部までを含めたアノード極11全体にわたって、燃料をより効果的に供給することができる。
The length of the fuel transport member 61 (distance from one end on the
なお、「液体燃料に接触可能な位置」とは、図1に示されるように、燃料輸送部材61の一端が燃料貯蔵室70内部に位置する場合のほか、燃料輸送部材61の一端が燃料供給室60と燃料貯蔵室70とを仕切る壁(箱筺体40の一部分である)の内部に位置する場合などを含む。燃料輸送部材61の一端が燃料貯蔵室70内部に位置するように燃料輸送部材61の長さを調整することにより、使用時における燃料電池100の向きがどのような向きであっても、液体燃料と燃料輸送部材61との接触が可能となる。
As shown in FIG. 1, the “position where the liquid fuel can be contacted” refers to the case where one end of the
燃料輸送部材61の厚みは特に制限されず、燃料電池100の厚みや燃料供給室60の高さなどに応じて適宜されるが、たとえば0.05~5mm程度とすることができ、燃料電池100の薄型化、ならびに、吸い上げ高および吸い上げ速度向上の観点からは0.1~1mmとすることが好ましい。
The thickness of the
図1に示される燃料電池100において短冊形状を有する燃料輸送部材61は、短冊形状(より具体的には直方体形状)を有する単位電池30の直下の位置において、アノード極11に対向するように配置されている。より具体的には、燃料輸送部材61は、アノード集電層21、排熱層1、疎水性多孔質層2および燃料供給室60の上部空間を介して、アノード極11の直下の位置に配置されており、かつ、アノード極11と燃料輸送部材61との配置関係は、上下方向(燃料電池の各部材の積層方向)(図1参照)およびこれと垂直な方向(燃料電池の幅方向)(図5参照)に関して、ともに平行である。このようなアノード極11と燃料輸送部材61との配置関係は、燃料を燃料輸送部材61からアノード極11へ効率的に供給する上で極めて好ましいが、このような配置関係に限定されるものではない。たとえば、燃料輸送部材61は、燃料貯蔵室70から離れるに従い、次第にアノード極11に近づくように、あるいは離れるように、上下方向に関して傾斜して配置することができる。また、燃料輸送部材61は、燃料電池100を上から見たときに、アノード極11と交差するように配置してもよい。さらに、燃料輸送部材61は、アノード極11の直下の位置に(燃料電池100を上からみたときに、燃料輸送部材61の位置とアノード極11の位置とが一致するように)配置するのではなく、ずらした状態で配置してもよい。
The
また、図1に示される燃料電池100において燃料輸送部材61は、燃料供給室60における上下方向の中心部付近に配置されているが、これに限定されるものではなく、たとえば、上下方向の中心部付近以外の箇所に配置してもよいし、第1の介在層2(または排熱層1)に接するように配置してもよいし、燃料供給室60の底面(箱筺体40)に接するように配置してもよい。
Further, in the
〔電解質膜〕
膜電極複合体20を構成する電解質膜10は、アノード極11からカソード極12へプロトンを伝達する機能と、アノード極11とカソード極12との電気的絶縁性を保ち、短絡を防止する機能を有する。電解質膜10の材質は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されず、高分子膜、無機膜またはコンポジット膜を用いることができる。高分子膜としては、たとえば、パーフルオロスルホン酸系電解質膜である、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子社製)などが挙げられる。また、スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼンなどの炭化水素系電解質膜などを用いることもできる。
[Electrolyte membrane]
The
無機膜としては、たとえばリン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウムなどからなる膜が挙げられる。コンポジット膜としては、タングステン酸、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸等の無機物とポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、パーフルオロスルホン酸等の有機物とのコンポジット膜などが挙げられる。 Examples of the inorganic film include films made of glass phosphate, cesium hydrogen sulfate, polytungstophosphoric acid, ammonium polyphosphate, and the like. Examples of the composite film include a composite film of an inorganic material such as tungstic acid, cesium hydrogen sulfate, and polytungstophosphoric acid and an organic material such as polyimide, polyetheretherketone, and perfluorosulfonic acid.
電解質膜10の厚みは、たとえば1~200μmである。また、電解質膜10のEW値(プロトン官能基1モルあたりの乾燥重量)は、800~1100程度であることが好ましい。EW値が小さいほど、プロトン移動に伴う電解質膜10の抵抗が小さくなり高い出力を得ることができる。
The thickness of the
〔アノード極およびカソード極〕
電解質膜10の一方の表面に積層されるアノード極11および他方の表面に積層されるカソード極12には、少なくとも触媒と電解質とを有する多孔質層からなる触媒層が設けられる。アノード極11用の触媒は、メタノール水溶液等の液体燃料からプロトンと電子とを生成する反応を触媒し、電解質は、生成したプロトンを電解質膜10へ伝導する機能を有する。カソード極12用の触媒は、電解質を伝導してきたプロトンと空気中の酸素から水を生成する反応を触媒する。
[Anode and cathode]
The
アノード極11およびカソード極12用の触媒は、カーボンやチタン等の導電体の表面に担持されたものでもよく、なかでも、水酸基やカルボキシル基等の親水性の官能基を有するカーボンやチタン等の導電体の表面に担持されていることが好ましい。これにより、アノード極11およびカソード極12の保水性を向上させることができる。また、アノード極11およびカソード極12の電解質は、電解質膜10のEW値よりも小さなEW値を有する材料からなることが好ましく、具体的には、電解質膜10と同質材料であるが、EW値が400~800である電解質材料が好ましい。このような電解質材料を用いることによっても、アノード極11およびカソード極12の保水性を向上させることができる。アノード極11およびカソード極12の保水性の向上により、プロトン移動に伴う電解質膜10の抵抗やアノード極11およびカソード極12における電位分布を改善することができる。また、EW値の低い電解質は同時に液体燃料の透過性も高いことから、EW値の低い電解質を用いることにより、アノード極11の触媒層に均一に気化燃料を供給することができる。
The catalyst for the
アノード極11およびカソード極12はそれぞれ、触媒層上に積層されるアノード導電性多孔質層、カソード導電性多孔質層を備えていてもよい。これらの導電性多孔質層は、アノード極11、カソード極12に供給されるガス(気化燃料または空気)を面内において拡散させる機能を有するとともに、触媒層と電子の授受を行なう機能を有する。アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層としては、比抵抗が小さく、電圧の低下が抑制されることから、カーボン材料;導電性高分子;Au、Pt、Pd等の貴金属;Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cu、Ag、Zn等の遷移金属;これらの金属の窒化物または炭化物等;ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などからなる多孔質材料を用いることが好ましい。Cu、Ag、Zn等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Au、Pt、Pdなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理(皮膜形成)を行なってもよい。より具体的には、アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層として、たとえば、上記貴金属、遷移金属または合金からなる発泡金属、金属織物および金属焼結体;ならびにカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜などを好適に用いることができる。
The
〔アノード集電層およびカソード集電層〕
アノード集電層21、カソード集電層22はそれぞれ、アノード極11上、カソード極12上に積層され、膜電極複合体20とともに単位電池30を構成する。アノード集電層21およびカソード集電層22はそれぞれ、アノード極11、カソード極12における電子を集電する機能と、電気的配線を行なう機能とを有する。集電層の材質は、比抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても電圧の低下が抑制されることから、金属であることが好ましく、なかでも、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する金属であることがより好ましい。このような金属としては、Au、Pt、Pd等の貴金属;Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cu、Ag、Zn等の遷移金属;およびこれらの金属の窒化物または炭化物等;ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などが挙げられる。Cu、Ag、Zn等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Au、Pt、Pdなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理(皮膜形成)を行なってもよい。なお、アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層が、たとえば金属等からなり、導電性が比較的高い場合には、アノード集電層およびカソード集電層は省略されてもよい。
[Anode current collecting layer and cathode current collecting layer]
The anode
より具体的には、アノード集電層21は、気化燃料をアノード極11へ誘導するための厚み方向に貫通する貫通孔(開口)を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。この貫通孔は、アノード極11の触媒層で生成する副生ガス(CO2ガス等)を排熱層1の貫通口1aへ誘導するための排出孔としても機能する。同様に、カソード集電層22は、燃料電池外部の空気をカソード極12の触媒層に供給するための厚み方向に貫通する貫通孔(開口)を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。
More specifically, the anode
〔燃料供給室〕
燃料供給室60は、燃料輸送部材61および後述する燃料貯蔵室70とともに、燃料収容および燃料供給の役割を果たす燃料供給部を構成する部位であり、好ましくはアノード極11の直下に配置され、その内部空間に上述の燃料輸送部材61を備えている。好ましい1つの実施形態(たとえば図1の燃料電池100)において、燃料供給室60の内部空間は、アノード極11の燃料貯蔵室70側端部からこれと反対側の端部までの長さと同じかまたはそれ以上の長さを有しており、アノード極11の幅と同じかまたはそれ以上の幅を有している。燃料供給室60の内部空間の高さ(深さ)は特に制限されず、燃料輸送部材61を収容できる高さを有していればよい。
[Fuel supply chamber]
The
図1に示される燃料電池100において燃料供給室60は、単位電池30の下部に第1の介在層2に接するように配置された、燃料供給室60の内部空間を構成する凹部を有する箱筺体40と第1の介在層2とによって形成されている。なお、図1に示される箱筺体40は、燃料供給室60を構成する部位とともに、燃料貯蔵室70の底壁および側壁を構成する部位を一体として有しているが、これに限定されるものではなく、燃料供給室60を構成する部材と燃料貯蔵室70を構成する部材とは異なる部材であってもよい。
In the
箱筺体40は、プラスチック材料または金属材料を用いて、少なくとも燃料供給室60の内部空間を構成する凹部を有するように適宜の形状に成形することによって作製することができる。プラスチック材料としては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などを挙げることができる。金属材料としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金材料を用いることができる。これらのなかでも、ポリフェニレンサルファイド(PPS)やポリエチレン(PE)は、3次元架橋による分子量増加により強度が高く安価に加工ができ、また軽量であることから好ましく用いられる。
The
図1に示される燃料電池100において箱筺体40は、排熱層1の連通経路1bから排出された熱を伴う副生ガス(CO2等)を燃料電池100外部へ排出するための第1の開孔63を有している。第1の開孔63は、箱筺体40の側壁に設けられた貫通孔である。第1の開孔63から燃料が排出されることを抑制または防止するために、第1の開孔63内に燃料を燃焼させる触媒を含む多孔質層を形成してもよい。排熱層1に設けられた連通経路1bおよび第1の開孔63により、燃料電池運転時においても、燃料供給室60内は圧力上昇が生じることなく、大気圧に維持される。これにより燃料輸送部材61の吸い上げ高および吸い上げ速度が低下することも防止できる。
In the
〔燃料貯蔵室〕
燃料貯蔵室70は、好ましくは単位電池30および燃料供給室60の側方に配置される、液体燃料を収容(保持)するための室である。燃料貯蔵室70の大きさや形状は特に制限されないが、燃料供給室60内に配置された燃料輸送部材61の一端と燃料貯蔵室70内に収容された液体燃料とが接触可能となるよう、その側壁面に開口を有する必要がある。その開口は、燃料供給室60と燃料貯蔵室70とを仕切る箱筺体40の一部分を構成する壁を貫通する穴から形成されるものであってもよく、この場合、燃料輸送部材61は、その一端が当該穴の内部に位置するかまたは燃料貯蔵室70内部に位置する(図1)ように、当該穴に挿入することができる。
[Fuel storage room]
The
図1に示される燃料電池100において燃料貯蔵室70は、カソード集電層22上に積層され、複数の開口51を有する蓋筺体50、箱筺体40、単位電池30、排熱層1および第1の介在層2によって形成されている。単位電池30、排熱層1および第1の介在層2の燃料貯蔵室70側端面は、燃料貯蔵室70内に収容された燃料が侵入しないよう、エポキシ系硬化性樹脂組成物の硬化物などからなる封止層80によって封止されている。なお、燃料貯蔵室70は、これら蓋筺体50および箱筺体40を用いて構成する必要性は必ずしもなく、たとえば、燃料貯蔵室70の上壁(天井壁)、側壁および底壁を形成する部位を一体として含む1つの部材から構成することもできる。
In the
図1に示される燃料電池100において蓋筺体50は、燃料貯蔵室70の上壁(天井壁)を形成するとともに、単位電池30が直接露出することを防止する保護板として機能している。蓋筺体50のカソード極12直上部分には、空気を流通させるための複数の開口51(ただし、開口の数は1以上あればよい)が形成されている。
In the
蓋筺体50は、プラスチック材料または金属材料を用い、適宜の形状に成形することによって作製することができる。プラスチック材料としては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などを挙げることができる。金属材料としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金材料を用いることができる。これらのなかでも、ポリフェニレンサルファイド(PPS)やポリエチレン(PE)は、3次元架橋による分子量増加により強度が高く安価に加工ができ、また軽量であることから好ましく用いられる。
The
燃料貯蔵室70は、その内部空間と燃料電池外部とを連通する第2の開孔71を備えることが好ましい。これにより、液体燃料が燃料輸送部材61によって燃料供給室60に輸送される場合においても、燃料貯蔵室70内が大気圧に維持されるため、液体燃料の輸送が阻害されず、燃料輸送部材61の高い吸い上げ高および吸い上げ速度を維持することができる。図1に示される燃料電池100において第2の開孔71は、蓋筺体50を厚み方向に貫通する貫通孔であるが、これに限定されるものではない。
The
第2の開孔71からの液体燃料の漏洩を防止するために、第2の開孔71の開孔径は十分に小さいことが好ましく(たとえば直径100~500μm程度、好ましくは100~300μm)、あるいは、燃料電池外部への液体燃料の漏出を防止するための気液分離膜(たとえば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンまたはポリエチレン等からなる多孔質膜)を第2の開孔71内に設けることが好ましい。
In order to prevent liquid fuel from leaking from the
〔その他の構成要素〕
本実施形態の燃料電池100は、第1の介在層2と燃料供給室60との間に配置される第2の介在層をさらに備えていてもよい。この場合、第2の介在層は、燃料供給室60の開口(アノード極11側への開放面)を覆うように(すなわち、燃料供給室60を形成する凹部を覆うように)燃料供給室60上に配置され、第2の介在層上に第1の介在層2が積層される。第2の介在層は、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが30kPa以上の層であり、このような第2の介在層を燃料供給室60の開口を覆うように配置することにより、第2の介在層の細孔内に液体燃料が毛細管力により保持されるため、アノード極11で発生した副生ガス(CO2ガスなど)の燃料供給室60内への侵入を効果的に防止することができる。
[Other components]
The
ここで、バブルポイントとは、液媒体で濡らした層(膜)の裏側から空気圧をかけたときに、層(膜)の表面に気泡の発生が認められる最小圧力である。バブルポイントが高いほど気体の透過性は低い。バブルポイントΔPは、下記式(1):
ΔP[Pa]=4γcosθ/d (1)
(γは測定媒体の表面張力[N/m]、θは層(膜)の素材と測定媒体との接触角、dは層(膜)が有する最大細孔径である。)
によって定義される。本発明においてバブルポイントは、測定媒体をメタノールとし、JIS K 3832に準拠して測定される。
Here, the bubble point is the minimum pressure at which bubbles are observed on the surface of the layer (film) when air pressure is applied from the back side of the layer (film) wetted with the liquid medium. The higher the bubble point, the lower the gas permeability. The bubble point ΔP is expressed by the following formula (1):
ΔP [Pa] = 4γcos θ / d (1)
(Γ is the surface tension [N / m] of the measurement medium, θ is the contact angle between the material of the layer (film) and the measurement medium, and d is the maximum pore diameter of the layer (film)).
Defined by In the present invention, the bubble point is measured according to JIS K3832, using methanol as the measurement medium.
副生ガスの燃料供給室60内への侵入を効果的に防止する観点から、第2の介在層のバブルポイントは、好ましくは50kPa以上であり、より好ましくは100kPa以上である。第2の介在層のバブルポイントは、上記(1)から理解されるように、第2の介在層として用いる材料の細孔径や接触角の調整により制御可能である。
From the viewpoint of effectively preventing the by-product gas from entering the
30kPa以上のバブルポイントを達成するために、第2の介在層が有する細孔の最大細孔径は、1μm以下であることが好ましく、0.7μm以下であることがより好ましい。最大細孔径は、上記バブルポイントを測定することで得られるが、それ以外の手法としては水銀圧入法によって測定することができる。ただし、水銀圧入法では0.005μm~500μmの細孔分布しか測定できないため、この範囲外の細孔は存在しない、もしくは無視できる場合に有効な測定手段である。 In order to achieve a bubble point of 30 kPa or more, the maximum pore diameter of the pores of the second intervening layer is preferably 1 μm or less, and more preferably 0.7 μm or less. The maximum pore diameter can be obtained by measuring the bubble point, but can be measured by mercury porosimetry as another method. However, since the mercury intrusion method can measure only a pore distribution of 0.005 μm to 500 μm, it is an effective measuring means when pores outside this range do not exist or can be ignored.
第2の介在層としては、たとえば、高分子材料、金属材料または無機材料などからなる多孔質層や、高分子膜を挙げることができ、具体例を示せば以下のとおりである。 Examples of the second intervening layer include a porous layer made of a polymer material, a metal material, or an inorganic material, and a polymer film. Specific examples are as follows.
1)次の材料からなる多孔質層。ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系樹脂;アクリル系樹脂;ABS樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂;ポリエチレンテレフタラート等のポリエステル系樹脂;セルロースアセテート、ニトロセルロース、イオン交換セルロース等のセルロース系樹脂;ナイロン;ポリカーボネート系樹脂;ポリ塩化ビニル等の塩素系樹脂;ポリエーテルエーテルケトン;ポリエーテルスルホン;ガラス;セラミックス;ステンレス、チタン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、スチール等の金属材料。多孔質層は、これらの材料からなる発泡体、焼結体、不織布または繊維(ガラス繊維等)などであることができる。 1) A porous layer made of the following materials. Fluorine resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE); acrylic resins; ABS resins; polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene; polyester resins such as polyethylene terephthalate; cellulose acetate and nitrocellulose Cellulose resins such as ion exchange cellulose; Nylon; Polycarbonate resins; Chlorine resins such as polyvinyl chloride; Polyetheretherketone; Polyethersulfone; Glass; Ceramics; Stainless steel, titanium, tungsten, nickel, aluminum, steel, etc. Metal material. The porous layer can be a foam, a sintered body, a nonwoven fabric or a fiber (such as glass fiber) made of these materials.
2)次の材料からなる高分子膜。パーフルオロスルホン酸系重合体;スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼンなどの炭化水素系重合体などの電解質膜材料として用いることができるもの。これらの高分子膜は、3次元的に絡み合う高分子間の隙間として、ナノオーダーの細孔を有している。 2) A polymer film made of the following materials. Perfluorosulfonic acid polymer; styrene graft polymer, trifluorostyrene derivative copolymer, sulfonated polyarylene ether, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyimide, sulfonated polybenzimidazole, phosphonated polybenzimidazole Those that can be used as electrolyte membrane materials such as hydrocarbon polymers such as sulfonated polyphosphazene. These polymer films have nano-order pores as gaps between polymers that are three-dimensionally entangled.
第2の介在層を構成する材料として高分子材料を用いる場合には、親水性官能基を導入するなどの方法により親水化処理を施し、細孔表面の水(したがってメタノールもしくはメタノール水溶液等の燃料)に対する濡れ性を高めることにより、第2の介在層のバブルポイントを高めることもできる。また、第2の介在層に親水化処理を施すことにより、より低い圧損で液体燃料を燃料供給室60内において流通させることができる。
When a polymer material is used as the material constituting the second intervening layer, hydrophilization is performed by a method such as introduction of a hydrophilic functional group, and water on the pore surface (thus, fuel such as methanol or methanol aqueous solution). ), The bubble point of the second intervening layer can be increased. In addition, by applying a hydrophilic treatment to the second intervening layer, the liquid fuel can be circulated in the
第2の介在層の厚みは特に制限されないが、燃料電池の薄型化の観点から、好ましくは20~500μmであり、より好ましくは50~200μmである。 The thickness of the second intervening layer is not particularly limited, but is preferably 20 to 500 μm, more preferably 50 to 200 μm from the viewpoint of reducing the thickness of the fuel cell.
上記第2の介在層を備える本実施形態の燃料電池は、以下の利点を有する。
(a)バブルポイントが30kPa以上である第2の介在層を、排熱層1と燃料供給室60との間に配置することにより、アノード極11で発生した副生ガスが燃料供給室60内へ浸入することを防止できる。このことは、副生ガスの燃料電池外部への排出ルートが、排熱層1の連通経路1bからの排出ルートに絞られることを意味しており、したがって、連通経路1bからの副生ガスの排出およびこれに伴う熱の排出を促進させることができるとともに、燃料供給部への熱の伝達をより効果的に抑制することができる。これにより、燃料供給部を含めて燃料電池全体としての過度の温度上昇ならびに、これに伴うクロスオーバーおよび温度暴走をより効果的に抑制することが可能になる。
The fuel cell according to the present embodiment including the second intervening layer has the following advantages.
(A) By disposing the second intervening layer having a bubble point of 30 kPa or more between the
(b)副生ガスの燃料供給室60内への侵入は、アノード極11への気化燃料の供給量を低下させるとともに、気化燃料の安定的な供給を阻害し、燃料電池の出力安定性を低下させる。第2の介在層を設けると、副生ガスの燃料供給室60内への浸入を防止できることにより、アノード極11に対して、十分な量の気化燃料を安定して供給することができるようになるため、燃料電池の出力安定性を向上させることができる。また、副生ガスが浸入し燃料供給室60の内圧が上昇することによる構成部材間の界面での剥離や、構成部材の破壊をより効果的に抑制できることから、燃料電池の信頼性をより向上させることができる。
(B) The intrusion of the by-product gas into the
(c)後述するように、本実施形態の燃料電池において燃料供給部は、液体燃料を収容する燃料貯蔵室70と該燃料を流通させる燃料供給室60とから構成し、燃料輸送部材61を省略することが可能である。この場合、第2の介在層は、燃料貯蔵室70内の液体燃料を燃料供給室60内に輸送するための毛細管力を提供し得る。したがって、第2の介在層を設けると、上述の燃料輸送部材61を用いない場合においても、液体燃料のパッシブ供給(ポンプ等の補機を利用しない燃料供給)が可能である。ただし、第2の介在層と燃料輸送部材61とを併設することもできる。
(C) As will be described later, in the fuel cell of the present embodiment, the fuel supply unit includes a
なお、第1の介在層2は、気化燃料透過性を有するものであることから、第2の介在層よりも小さいバブルポイントを有している。第1の介在層2の上記測定方法に従うバブルポイントは好ましくは10kPa以下であり、第1の介在層2に対するメタノールの接触角は大きいほど良く、好ましくは45度以上であり、より好ましくは90度程度以上である。また、気化燃料透過性および液体燃料不透過性を付与する観点から、第1の介在層2が有する細孔の最大細孔径は、0.1~10μmであることが好ましく、0.5~5μmであることがより好ましい。第1の介在層2が有する細孔の最大細孔径は、第2の介在層と同様、メタノール等を用いてバブルポイントを測定することにより求めることができる。
In addition, since the
また、本実施形態の燃料電池は、燃料貯蔵室70に収容された液体燃料を燃料供給室60に圧送するためのポンプなどの圧送手段を備えることができる。
In addition, the fuel cell according to the present embodiment can include a pumping unit such as a pump for pumping the liquid fuel accommodated in the
圧送手段を備える本実施形態の燃料電池は、以下の利点を有する。
(a’)圧送手段により燃料供給室60への燃料輸送を行なうことにより、燃料供給室60内の圧力を高めることができ、アノード極11で発生した副生ガスが燃料供給室60内へ浸入することを防止できる。したがって、上述の第2の介在層を備える場合の利点(a)および(b)と同様の効果を得ることができる。なお、圧送手段と第2の介在層とを併設することも可能である。
The fuel cell according to the present embodiment including the pressure feeding means has the following advantages.
(A ′) The pressure in the
(b’)燃料輸送部材61の省略が可能となる。
〔変形例〕
本実施形態の燃料電池は、既述した変形例に限定されるものではなく、たとえば以下のような変形例をも含む。
(B ′) The
[Modification]
The fuel cell according to the present embodiment is not limited to the above-described modifications, and includes, for example, the following modifications.
(1)本実施形態の燃料電池の層構成は、図1~5に示されるものに限定されるものではなく、たとえば図8に示されるような、燃料供給室60の両面に単位電池30が配置された構成であってもよい。図8は、燃料供給室60の両面に単位電池30が配置された燃料電池の一例を示す、図5と同様の概略断面図である。かかる構成においては、燃料供給室60は、上下2つのアノード極11に対して燃料を供給するために、上下面ともに開放されている必要があることから、箱筺体40として、上下面が開いた空間を有する部材が用いられる。このような燃料供給室60の両面に単位電池30が配置された燃料電池は、2つの単位電池に対して1つの燃料供給部で足りることから、燃料電池の薄型化を図ることができるとともに、燃料電池の単位体積当たりの出力を向上させることができる。
(1) The layer structure of the fuel cell according to the present embodiment is not limited to that shown in FIGS. 1 to 5, and
(2)本実施形態の燃料電池は、同一平面上に配列された単位電池30を2以上含むものであってもよい。この場合において、燃料供給室60は、単位電池30ごとに設けられてもよいし、単位電池30より少ない数だけ設けられてもよい。燃料輸送部材61についても同様である。
(2) The fuel cell of the present embodiment may include two or
(3)燃料供給部は、燃料供給室60と燃料貯蔵室70と燃料輸送部材61とからなるものに限定されない。たとえば、上述した燃料供給室60が燃料貯蔵室70を兼ねた構成とし、燃料貯蔵室70および燃料輸送部材61を省略してもよい。また、燃料供給部を、液体燃料を収容する燃料貯蔵室70と該燃料を流通させる燃料供給室60とから構成し、燃料輸送部材61を省略することもできる。この場合、燃料貯蔵室70と燃料供給室60とは流路で接続され、液体燃料は、液体状態のまま燃料供給室60に供給される。燃料供給室60は、上述の形状に限らず、1または複数の流路状の凹部(たとえば複数のライン状の流路、枝分かれ状の流路、サーペンタイン状の流路など)からなることもできる。
(3) The fuel supply unit is not limited to the one composed of the
(4)本実施形態の燃料電池の外形形状は、図1~図5に示される形状に限定されるものではない。たとえば、燃料電池の厚み方向からみたときの形状(平面形状)は、長方形のほか、正方形などであることができる。 (4) The outer shape of the fuel cell of the present embodiment is not limited to the shape shown in FIGS. For example, the shape (planar shape) when viewed from the thickness direction of the fuel cell may be a rectangle or the like.
(5)単位電池30と排熱層1、排熱層1と第1の介在層2、第1の介在層2と第2の介在層、および、第1の介在層2(または第2の介在層)と燃料供給部(箱筐体40)とは、ホットプレス(熱圧着)または接着剤により接合することが可能であるが、より高い接合強度を得るために、ネジやボルト・ナットなどの締結部材を用いて各積層部材を締結してもよい。たとえば、上述の圧送手段を設ける場合においては、積層部材間からの燃料漏れを防止するために、締結部材を用いて各積層部材間の密着性を高くしておくことが好ましい。図9は、ネジ90を用いて各積層部材を締結した例を示す、図1と同様の概略断面図である。なお、図9に示される例において排熱層1の連通経路1bは、箱筐体40の開孔を介することなく、燃料電池外部に直接露出しており、したがって、副生ガスは連通経路1bの端部から直接外部へ排出される。スペーサ91は、アノード集電層21とカソード集電層22との間の隙間を埋める部材であり、たとえば両面テープなどからなることができる。
(5)
本実施形態の燃料電池は、固体高分子型燃料電池またダイレクトアルコール型燃料電池などであることができ、特にダイレクトアルコール型燃料電池(とりわけ、ダイレクトメタノール型燃料電池)として好適である。本実施形態の燃料電池において使用することのできる液体燃料としては、たとえば、メタノール、エタノールなどのアルコール類;ジメトキシメタンなどのアセタール類;ギ酸などのカルボン酸類;ギ酸メチルなどのエステル類;ならびにこれらの水溶液を挙げることができる。液体燃料は1種に限定されず、2種以上の混合物であってもよい。コストの低さや体積あたりのエネルギー密度の高さ、発電効率の高さなどの点から、メタノール水溶液または純メタノールが好ましく用いられる。本実施形態によれば、高濃度燃料(濃度が50モル%を超えるメタノール水溶液または純メタノールなど)を用いる場合であっても、安定した出力を得ることができる。 The fuel cell of the present embodiment can be a solid polymer fuel cell or a direct alcohol fuel cell, and is particularly suitable as a direct alcohol fuel cell (in particular, a direct methanol fuel cell). Examples of the liquid fuel that can be used in the fuel cell of the present embodiment include alcohols such as methanol and ethanol; acetals such as dimethoxymethane; carboxylic acids such as formic acid; esters such as methyl formate; An aqueous solution can be mentioned. The liquid fuel is not limited to one type, and may be a mixture of two or more types. In view of low cost, high energy density per volume, high power generation efficiency, etc., an aqueous methanol solution or pure methanol is preferably used. According to the present embodiment, a stable output can be obtained even when a high-concentration fuel (such as a methanol aqueous solution or pure methanol having a concentration exceeding 50 mol%) is used.
<第2の実施形態>
図10は本実施形態に係る燃料電池の一例を示す概略断面図であり、上記燃料電池〔B〕の一例を示したものである。図11は当該燃料電池の概略上面図である。また、図10に示されるIII-III線、IV-IV線およびV-V線における断面図をそれぞれ図12~図14に示している。これらの図面に示される燃料電池200は、アノード極11、電解質膜10およびカソード極12をこの順で含む膜電極複合体20と、アノード極11上に積層され、これに電気的に接続されたアノード集電層21と、カソード極12上に積層され、これに電気的に接続されたカソード集電層22とを備える単位電池30;アノード極11の下方に配置され、アノード極11側が開放された空間からなる燃料供給室60;燃料供給室60の開口(アノード極11側への開放面)を覆うように燃料供給室60上に配置される第1層3と、第1層3の単位電池30側表面に積層される第2層4とからなる介在層;および、燃料(図示せず)を収容するための燃料貯蔵室70から基本的に構成されている。
<Second Embodiment>
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an example of the fuel cell according to the present embodiment, and shows an example of the fuel cell [B]. FIG. 11 is a schematic top view of the fuel cell. In addition, sectional views taken along lines III-III, IV-IV, and VV shown in FIG. 10 are shown in FIGS. 12 to 14, respectively. The
液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵室70と、該燃料を流通させる燃料供給室60と、燃料供給室60の開口を覆うように配置される介在層とによって燃料電池200の燃料供給部が形成されている。燃料貯蔵室70と燃料供給室60とは流路により接続されている。
A fuel supply section of the
箱筺体40は、燃料供給室60を形成する凹部(溝)を有しており、該凹部を覆うように第1層3を積層することにより燃料供給室60(内部空間)が形成されている。また、箱筺体40は、燃料電池200の燃料供給室60を構成する部位とともに、燃料貯蔵室70の底壁および側壁を構成する部位を一体として有している。
The
燃料電池200は、アノード極11で生じた副生ガスを燃料電池外部に排出するための副生ガス排出部6を有している。図10~図14に示される燃料電池200において副生ガス排出部6は、箱筺体40の側壁を厚み方向に貫通する第1貫通穴7と、第1層3を厚み方向に貫通する第2貫通穴8とからなる(図13および図14参照)。第2貫通穴8は第1貫通穴7の直上に配置され、これらの貫通穴は連通している。
The
燃料電池200は、箱筺体40とともに、カソード集電層22上に積層され、複数の開口51を有する蓋筺体50を備えており、単位電池30は、箱筺体40と蓋筺体50とによって挟持されている。蓋筺体50は、カソード集電層22上に積層される部位とともに、燃料貯蔵室70の上壁(天井壁)を構成する部位を一体として有しており、箱筺体40、蓋筺体50および、単位電池30などの側面によって燃料貯蔵室70が形成されている。単位電池30および介在層の燃料貯蔵室70側端面には、燃料貯蔵室70内に収容された燃料が侵入しないよう、エポキシ系硬化性樹脂組成物の硬化物層などからなる封止層80が形成されている。燃料電池200において燃料貯蔵室70は、単位電池30およびその下方に配置された燃料供給室60の側方に配置されている。
The
燃料貯蔵室70は、その内部空間と燃料電池200外部とを連通する開孔73を備えている。この開孔73は、蓋筺体50に設けられた貫通孔である。
The
燃料電池200は、次のような動作により発電を行なう。流路を通って燃料貯蔵室70から燃料供給室60内に流通してきた液体燃料は、燃料供給室60内全体に行き渡り、介在層の第1層3を濡らす。第1層3から染み出した液体燃料は、第2層4により気液分離され、気化燃料のみが単位電池30側へ透過する。第2層4を透過した気化燃料は、アノード集電層21の開口を通ってアノード極11に供給される。そして、液体燃料としてメタノール水溶液を例に挙げると、アノード極11に供給されたガス状態のメタノール水溶液は、
CH3OH+H2O → CO2↑+6H++6e-
の式で表される酸化反応を起こし消費される。気化燃料は、燃料電池200の発電電流量に応じて消費されていくこととなるが、これを補うように、第2層4から液体燃料が随時蒸発を続けるため、アノード極11近傍における気化燃料の蒸気圧は略一定に保たれる。
The
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 ↑ + 6H + + 6e −
This causes an oxidation reaction represented by the formula: The vaporized fuel will be consumed according to the amount of electric current generated by the
一方、カソード極12においては、蓋筺体50の開口51およびカソード集電層22の開口を通って到達した空気中の酸素と、電解質膜10を介してアノード極11からカソード極12に伝達されたプロトンとが、
3/2O2+6H++6e- → 3H2O
の式で表される還元反応を起こす。以上の酸化還元反応により、電子が、アノード極11→アノード集電層21→外部の電子機器(負荷)→カソード集電層22→カソード極12のルートで移動し、外部の電子機器に対して電力が供給される。
On the other hand, in the
3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O
The reduction reaction represented by the formula Through the above oxidation-reduction reaction, electrons move in the route of
発電によりアノード極11で生じた副生ガス(上記式におけるCO2)は、介在層の存在により燃料供給室60内に浸入することはなく、アノード集電層21の開口、第2層4および副生ガス排出部6を通って燃料電池外部に排出される。
By-product gas (CO 2 in the above formula) generated by the power generation does not enter the
燃料供給室60と単位電池30との間に配置される、第1層3および第2層4からなる介在層は、アノード極11への燃料供給を均一に、かつ適切量に制御された状態で行なうことを可能にする。これにより、燃料のクロスオーバーを効果的に抑制でき、発電部に温度ムラが生じにくく、安定した発電状態を維持することができる。
The intervening layer composed of the
次に、燃料電池200を構成する各部材等について詳細に説明する。
〔介在層〕
(1)第1層
燃料供給室60の開口(アノード極11側への開放面)を覆うように(すなわち、燃料供給室60を形成する凹部を覆うように)燃料供給室60と単位電池30との間に配置される介在層は、図10に示される例のように、燃料供給室60の開口を覆うように燃料供給室60上に積層される第1層3と、第1層3の単位電池30側表面に積層される第2層4の2層構造であることができる。第1層3は、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが30kPa以上の層であり、上記第1の実施形態において説明した「第2の介在層」に相当する。バブルポイントの定義は上記のとおりである。
Next, each member constituting the
(Intervening layer)
(1) First layer The
このような第1層3を燃料供給室60の開口を覆うように配置することにより、第1層3の細孔内に液体燃料が毛細管力により保持されるため、アノード極11で発生した副生ガス(CO2ガスなど)の燃料供給室60内への侵入を効果的に防止することができる。これにより、アノード極11への気化燃料の供給量が低下したり、気化燃料の安定的供給が阻害されたりすることを防止できるため、燃料電池の出力安定性を良好に維持することができる。また、副生ガスが浸入し燃料供給室60の内圧が上昇することによる構成部材間の界面での剥離や、構成部材の破壊を抑制できることから、燃料電池の信頼性を向上させることができる。
By arranging such a
また、第1層3の設置は次の点でも有利である。
(a)燃料貯蔵室70から燃料供給室60内への液体燃料の輸送を、第1層3の毛細管力を利用して行なうことができるため、液体燃料のパッシブ供給が可能となる。これにより、液体燃料を送液するためのポンプ等の補機を省略することができる。また、毛細管力による燃料供給が可能になることにより、燃料供給の方向依存性をなくすことができる(すなわち、燃料電池の使用時における向きに関係なく、発電を行なうことができる。)。
The installation of the
(A) Since the liquid fuel can be transported from the
(b)高分子材料などの熱伝導性の低い材料を第1層3に用いる場合には、第1層3内に保持された液体燃料は、発電部の急激な温度上昇に対する影響を受けにくくなり、その温度上昇が緩慢となる。その結果、第1層3内に保持された液体燃料を比較的低い温度に安定的に維持できるようになるため、アノード極11に供給される気化燃料の供給量を安定させることができる。このことは、燃料電池の信頼性向上に寄与する。
(B) When a material having low thermal conductivity such as a polymer material is used for the
(c)第1層面内に均一に液体燃料が広がり保持されるため、アノード極面に対して、均一に気化燃料を供給することができ、発電部に対し燃料の局所的な過剰供給や、燃料不足となることがないため、触媒等の材料劣化が抑えられる。このことは、出力向上および燃料電池の信頼性向上に寄与する。 (C) Since the liquid fuel is uniformly spread and held in the first layer surface, the vaporized fuel can be supplied uniformly to the anode electrode surface, and a local excessive supply of fuel to the power generation unit, Since there is no fuel shortage, deterioration of materials such as catalysts can be suppressed. This contributes to improved output and improved fuel cell reliability.
(d)ポンプ等の圧送手段を用いて燃料貯蔵室70に収容された液体燃料を燃料供給室60に圧送するなどの方法によって燃料供給室60内の圧力を高めることにより、アノード極11で発生した副生ガスが燃料供給室60内へ浸入することをある程度防止することが可能であるが、第1層3による浸入防止の効果がこれを凌駕するため、燃料供給室60内の内圧を高める必要がない。これにより、内圧上昇による液漏れの危険性を回避することができ、燃料電池の信頼性を向上させることができる。
(D) Generated in the
(e)アノード極11内の内圧が上がっても副生ガスの侵入のおそれがないことから、副生ガス排出部6を構成する貫通穴の径をより小さくすることができる。これにより未使用の気化燃料の排出を低減できることから、燃料の利用効率を向上させることができる(この効果については後で詳述する)。
(E) Since the by-product gas does not enter even if the internal pressure in the
副生ガスの燃料供給室60内への侵入を効果的に防止する観点から、第1層3のバブルポイントは、好ましくは50kPa以上であり、より好ましくは100kPa以上である。第1層3のバブルポイントは、第1層3として用いる材料の細孔径や接触角の調整により制御可能である。30kPa以上のバブルポイントを達成するために、第1層3が有する細孔の最大細孔径は、1μm以下であることが好ましく、0.7μm以下であることがより好ましい。
From the viewpoint of effectively preventing the byproduct gas from entering the
第1層3としては、たとえば、高分子材料、金属材料または無機材料などからなる多孔質層や、高分子膜を挙げることができ、その具体例は、上述した「第2の介在層」の具体例と同様である。
Examples of the
第1層3を構成する材料として高分子材料を用いる場合には、親水性官能基を導入するなどの方法により親水化処理を施し、細孔表面の水(したがってメタノールもしくはメタノール水溶液等の燃料)に対する濡れ性を高めることにより、第1層3のバブルポイントを高めることもできる。また、第1層3に親水化処理を施すことにより、より低い圧損で液体燃料を燃料供給室60内において流通させることができる。
When a polymer material is used as the material constituting the
第1層3の厚みは特に制限されないが、燃料電池の薄型化の観点から、好ましくは20~500μmであり、より好ましくは50~200μmである。
The thickness of the
第1層3には、副生ガス排出部6の一部を形成する第2貫通穴8が設けられる。第2貫通穴8は、第1層3を箱筐体40上に積層したときに、第1貫通穴7と連通するような位置(すなわち、第1貫通穴7の直上)に形成される。
The
(2)第2層
第1層3の単位電池30側表面に積層される第2層4は、気化燃料透過性かつ液体燃料不透過性の疎水性を有する多孔質層であり、アノード極11への燃料の気化供給を可能とする層(気液分離層)である。第2層4は、上記第1の実施形態において説明した「第1の介在層」に相当する。
(2) Second Layer The
第2層4は、アノード極11へ供給される気化燃料の量または濃度を適切量に制御(制限)するとともに、均一化する機能を有する。第2層4を設けることにより、燃料のクロスオーバーを効果的に抑制でき、発電部に温度ムラが生じにくく、安定した発電状態を維持することができる。
The
第2層4としては、使用する燃料に関して気液分離能を有するものであれば特に制限されず、その具体例は、上述した「第1の介在層」の具体例と同様である。
The
第2層4は、気化燃料透過性を有するものであることから、第1層3よりも小さいバブルポイントを有している。第2層4の上記測定方法に従うバブルポイントは好ましくは10kPa以下であり、第2層4に対するメタノールの接触角は大きいほど良く、好ましくは45度以上であり、より好ましくは90度程度以上である。また、気化燃料透過性および液体燃料不透過性を付与する観点から、第2層4が有する細孔の最大細孔径は、0.1~10μmであることが好ましく、0.5~5μmであることがより好ましい。第2層4が有する細孔の最大細孔径は、第1層3と同様、メタノール等を用いてバブルポイントを測定することにより求めることができる。
Since the
第2層4の厚みは特に制限されないが、上記機能を十分に発現させるために、20μm以上であることが好ましく、50μm以上であることがより好ましい。また、燃料電池の薄型化の観点からは、第2層4の厚みは、500μm以下であることが好ましく、300μm以下であることがより好ましい。
The thickness of the
〔電解質膜、アノード極、カソード極、アノード集電層およびカソード集電層〕
本実施形態の燃料電池が備える電解質膜10、アノード極11、カソード極12、アノード集電層21およびカソード集電層22については、上記第1の実施形態において述べた内容が引用される。
[Electrolyte membrane, anode electrode, cathode electrode, anode current collecting layer and cathode current collecting layer]
Regarding the
〔燃料供給室〕
燃料供給室60は、後述する燃料貯蔵室70とともに、燃料収容および燃料供給の役割を果たす燃料供給部を構成する部位であり、好ましくはアノード極11の直下に配置される。図10に示される燃料電池200において、燃料供給室60は、アノード極11の燃料貯蔵室70側端部からこれと反対側の端部までの長さと同じかまたはそれ以上の長さを有しており、アノード極11の幅と同じかまたはそれ以上の幅を有する空間からなる。燃料供給室60の高さ(深さ)は特に制限されない。
[Fuel supply chamber]
The
本実施形態の燃料電池200において燃料供給室60は、単位電池30の下部に介在層に接するように配置された、燃料供給室60の内部空間を構成する凹部を有する箱筺体40と、介在層とによって形成されている。なお、図10に示される箱筺体40は、燃料供給室60を構成する部位とともに、燃料貯蔵室70の底壁および側壁を構成する部位を一体として有しているが、これに限定されるものではなく、燃料供給室60を構成する部材と燃料貯蔵室70を構成する部材とは異なる部材であってもよい。
In the
箱筺体40は、プラスチック材料または金属材料を用いて、少なくとも燃料供給室60の内部空間を構成する凹部を有するように適宜の形状に成形することによって作製することができる。箱筺体40を構成する材料の具体例は、上記第1の実施形態と同様である。
The
〔副生ガス排出部〕
本実施形態の燃料電池200は、アノード極11で生じた副生ガスを燃料電池外部に排出するための副生ガス排出部6を有している。図10~図14に示される燃料電池200において副生ガス排出部6は、箱筺体40の側壁を厚み方向に貫通する第1貫通穴7と、第1層3を厚み方向に貫通する第2貫通穴8とからなる(図13および図14参照)。第2貫通穴8は第1貫通穴7の直上に配置され、これらの貫通穴は連通している。副生ガス排出部6を設けることにより、アノード極11内の過度の内圧上昇を防止することができる。
[By-product gas discharge section]
The
上述のように本実施形態の燃料電池200では、介在層を備えることにより燃料供給室60内への副生ガスの侵入が効果的に防止されているため、仮にアノード極11内の内圧が上昇した場合でも副生ガスが燃料供給室60内へ侵入するおそれがない。したがって、副生ガス排出部6を構成する貫通穴の径をより小さくして、アノード極11内の内圧がある程度上昇することを許容できるという利点がある。副生ガス排出部6は、未使用の気化燃料(アノード極11に到達する前の気化燃料)が燃料電池外部に排出されるルートを提供し得るが、副生ガス排出部6を構成する貫通穴の小径化は、未使用気化燃料の排出量低減に極めて有利であり、これにより燃料の利用効率を向上させることができる。従来の燃料電池では、副生ガスの燃料供給室60内への侵入を防止する手段を持たなかったため、副生ガスを排出させるための経路を設ける場合、アノード極11内の内圧上昇を防止するために、その径を大きくせざるを得ず、燃料利用効率が低下していた。
As described above, in the
なお、副生ガスを燃料電池外に排出させるための手段は、本実施形態の燃料電池200が有する、図13および図14に示されるような第1貫通穴7および第2貫通穴8からなる副生ガス排出部6に限定されず、アノード極11の近傍から燃料電池外部へと延びる何らかの経路であればよい。たとえば、箱筐体40の第1貫通穴7上には介在層を配置せず(介在層のサイズを小さくする)、その分、第1貫通穴7をアノード集電層21まで延ばした構造であってもよい。この場合、副生ガス排出部は、第1貫通穴7のみからなり、第2貫通穴8を有しない。また、電解質膜10に厚み方向に貫通する貫通穴を設け、副生ガスをカソード極12側へ排出してもよい。該貫通穴から排出された副生ガスがカソード極12で酸化され、燃料電池の出力特性を低下させたり、空気が過剰に消費されたりしないよう、該貫通穴の直上の位置にカソード極12が形成されない領域を設ける構造であってもよい。この場合、副生ガス排出部は、電解質膜10の貫通穴およびカソード極12が形成されない領域の連続した空間からなり、副生ガスはカソード極12側へ排出される。
The means for discharging the by-product gas to the outside of the fuel cell includes the first through
〔燃料貯蔵室〕
燃料貯蔵室70は、好ましくは単位電池30および燃料供給室60の側方に配置される、液体燃料を収容するための室である。本実施形態の燃料電池200において燃料貯蔵室70は、カソード集電層22上に積層され、複数の開口51を有する蓋筺体50、箱筺体40、単位電池30および介在層によって形成されている。単位電池30および介在層の燃料貯蔵室70側端面は、燃料貯蔵室70内に収容された燃料が侵入しないよう、エポキシ系硬化性樹脂組成物の硬化物などからなる封止層80によって封止されている。
[Fuel storage room]
The
なお、燃料貯蔵室70は、これら蓋筺体50および箱筺体40を用いて構成する必要性は必ずしもなく、たとえば、燃料貯蔵室70の上壁(天井壁)、側壁および底壁を形成する部位を一体として含む1つの部材から構成することもできる。
The
燃料電池200において蓋筺体50は、燃料貯蔵室70の上壁(天井壁)を形成するとともに、単位電池30が直接露出することを防止する保護板として機能している。蓋筺体50のカソード極12直上部分には、空気を流通させるための複数の開口51(ただし、開口の数は1以上あればよい)が形成されている。
In the
蓋筺体50は、プラスチック材料または金属材料を用い、適宜の形状に成形することによって作製することができる。蓋筺体50を構成する材料の具体例は、上記第1の実施形態と同様である。
The
燃料貯蔵室70は、その内部空間と燃料電池外部とを連通する開孔73を備えることが好ましい。これにより、液体燃料が燃料供給室60に輸送される場合においても、燃料貯蔵室70内が大気圧に維持されるため、液体燃料の輸送を円滑に行なうことができる。図10に示される燃料電池200において開孔73は、蓋筺体50を厚み方向に貫通する貫通孔であるが、これに限定されるものではない。
The
開孔73からの液体燃料の漏洩を防止するために、開孔73の開孔径は十分に小さいことが好ましく(たとえば直径100~500μm程度、好ましくは100~300μm)、あるいは、燃料電池外部への液体燃料の漏出を防止するための気液分離膜(たとえば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンまたはポリエチレン等からなる多孔質膜)を開孔73内に設けてもよい。
In order to prevent liquid fuel from leaking from the
〔変形例〕
本実施形態の燃料電池は、既述した変形例に限定されるものではなく、たとえば以下のような変形例をも含む。本実施形態で述べた変形例は、後述する他の実施形態にも適用できる。
[Modification]
The fuel cell according to the present embodiment is not limited to the above-described modifications, and includes, for example, the following modifications. The modifications described in this embodiment can be applied to other embodiments described later.
(1)上記実施形態では、介在層として、燃料供給室60の開口を覆うように配置される第1層3と、第1層3上に積層される第2層4との2層構造のものを使用したが、第1層3と同様の機能特性を有する領域と第2層4と同様の機能特性を有する領域を備えた、1層構造のものを介在層として使用することができる。ここでいう「1層構造」とは、1つの部材から構成されており、2つの部材の組み合わせではないことを意味している。このような1層構造の介在層は、2層構造で生じ得る第1層3と第2層4との密着性不良(隙間の形成)が生じ得ない点で有利である。界面の一部に隙間が形成されると、隙間に副生ガスが滞留して第2層4面内において燃料の過剰供給や、燃料不足といった気化燃料の透過量にバラツキが生じたり、副生ガスの圧力で上記隙間が広がり燃料供給室60が閉塞し燃料供給を妨げたりするおそれがある。
(1) In the above embodiment, the intermediate layer has a two-layer structure of the
より具体的には、1層構造の介在層として、その厚み方向における燃料供給室60側の領域である、上記第1層3と同様の機能特性を有する(測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが30kPa以上である)第1領域と、その厚み方向における単位電池30側の領域である、上記第2層4と同様の機能特性を有する(気化燃料を透過可能な)第2領域とを備えたものを用いることができる。1層構造の介在層が有する第1領域のバブルポイントは、1層構造の介在層のバブルポイントと同義である。第1層3と第2層4との関係と同様、第2領域のバブルポイントは第1領域のそれより小さく、介在層全体としてのバブルポイントは、バブルポイントがより大きい領域のそれと一致するからである。
More specifically, the intervening layer having a single-layer structure has the same functional characteristics as those of the
1層構造の介在層は、たとえば、第2層4として使用可能な多孔質層の厚み方向における一方の領域のみを親水化処理して、当該領域のバブルポイントを上げるなどの方法により作製することができる。
The intervening layer having a single-layer structure is produced by, for example, a method of hydrophilizing only one region in the thickness direction of the porous layer that can be used as the
このような1層構造の介在層は、2層構造で生じ得る第1層3と第2層4との密着性不良(隙間の形成)が生じ得ない点で有利である。界面の一部に隙間が形成されていると、第2層面内において気化燃料の透過量にバラツキが生じ、燃料極に対して均一な燃料供給ができず、出力が低下する可能性があるが、1層の構造の介在層であれば、このような問題は生じ得ない。一方、2層構造の介在層を使用する場合には、上記問題に対処するために、ボルト・ナットまたはネジなどの締結部材などを用いて燃料電池を上下面から締め付けることにより、第1層3と第2層4との密着性を確保することが好ましい。
Such an intervening layer having a one-layer structure is advantageous in that a poor adhesion (formation of a gap) between the
(2)燃料供給室60の空間形状は図13に示されるものに限定されない。燃料供給室60は、たとえば図15に示されるような、枝分かれ状の複数の流路から形成されていてもよい。あるいは、複数のライン状の流路、サーペンタイン状の流路などから形成することもできる。図15は、燃料供給部(燃料供給室)の他の一例を示す図13と同様の概略断面図である。
(2) The space shape of the
(3)図16は燃料供給部の他の一例を示す図13と同様の概略断面図である。図16に示されるように、燃料供給部は、介在層、燃料供給室60および燃料貯蔵室70のほか、さらに燃料輸送部材61を含むものであってもよい。燃料輸送部材61は、その少なくとも一部が燃料供給室60内に配置され、燃料貯蔵室70から燃料供給室60に毛細管現象を利用して液体燃料を輸送するための部材であり、第1層3の毛細管力を利用した液体燃料輸送を補助する役割を担う。燃料輸送部材61については、上記第1の実施形態において述べた内容が引用される。
(3) FIG. 16 is a schematic sectional view similar to FIG. 13 showing another example of the fuel supply unit. As shown in FIG. 16, the fuel supply unit may include a
(4)燃料供給部は、燃料供給室60と燃料貯蔵室70とを含むものに限定されない。たとえば、燃料供給室60が液体燃料を収容する燃料貯蔵室70を兼ねた構成とし、燃料貯蔵室70(および燃料輸送部材61)を省略してもよい。
(4) The fuel supply unit is not limited to the one including the
(5)燃料電池の層構成は、図10~14に示されるものに限定されるものではなく、たとえば図17に示されるような、燃料供給室60の両面に単位電池30が配置された構成であってもよい。図17は、燃料供給室60の両面に単位電池30が配置された燃料電池の一例を示す、図14と同様の概略断面図である。かかる構成においては、燃料供給室60は、上下2つのアノード極11に対して燃料を供給するために、上下面ともに開放されている必要があることから、箱筺体40として、上下面が開いた空間を有する部材が用いられる。このような燃料供給室60の両面に単位電池30が配置された燃料電池は、2つの単位電池に対して1つの燃料供給部で足りることから、燃料電池の薄型化を図ることができるとともに、燃料電池の単位体積当たりの出力を向上させることができる。なお、図17に示される実施形態においては、図示されるように、第1貫通穴7は、これに接続され、箱筐体40の側壁を横方向に延びる排出経路を有しており、副生ガスはこの排出経路を通って箱筐体40の側面から排出させることができる。
(5) The layer configuration of the fuel cell is not limited to that shown in FIGS. 10 to 14, and the
(6)本実施形態の燃料電池は、同一平面上に配列された単位電池30を2以上含むものであってもよい。この場合において、燃料供給室60は、単位電池30ごとに設けられてもよいし、単位電池30より少ない数だけ設けられてもよい。
(6) The fuel cell of this embodiment may include two or
(7)本実施形態の燃料電池の外形形状は、図10~図14に示される形状に限定されるものではない。たとえば、燃料電池の厚み方向からみたときの形状(平面形状)は、長方形のほか、正方形などであることができる。 (7) The outer shape of the fuel cell of the present embodiment is not limited to the shape shown in FIGS. For example, the shape (planar shape) when viewed from the thickness direction of the fuel cell may be a rectangle or the like.
(8)燃料電池は、燃料貯蔵室70に収容された液体燃料を燃料供給室60に圧送するためのポンプなどの圧送手段を備えることができる。燃料供給室60内を短時間で満たすことができるため、燃料電池の起動性を向上させることができる。
(8) The fuel cell can include a pumping means such as a pump for pumping the liquid fuel accommodated in the
<第3の実施形態>
図18は本実施形態に係る燃料電池の一例を示す概略断面図である。本実施形態の燃料電池300は、燃料供給室60と単位電池30との間に配置される介在層が、第3層5をさらに含むこと以外は上記第2の実施形態と同様である。図19は、燃料電池300で使用されている第3層5を示す概略上面図である。以下、本実施形態の特徴である第3層について詳細に説明する。なお、上記第2の実施形態で述べた各種変形例は、本実施形態にも同様に適用することができる。
<Third Embodiment>
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell according to this embodiment. The
第3層5は、第1層3と第2層4との間に配置され、液体燃料が透過可能な厚み方向に貫通する貫通孔を有する層であり、少なくとも第1層3と第2層4とを密着性良く面接合する役割を担い、好ましくは第2層4側への液体燃料透過量を調整(制限)する機能を有する。第3層5としては、たとえば図18および図19に示されるような、厚み方向に貫通する貫通孔を有する非多孔性シート(フィルム)を用いることができ、その材料としては熱可塑性樹脂が好ましく例示できる。これを用いて、第1層/第3層/第2層からなる積層体を熱圧着することにより、各層間を密着性良く面接合することができる。介在層が第3層5として、厚み方向に貫通する貫通孔を有し、面接合が可能な非多孔性シートを有する燃料電池は、以下の点において有利である。
The
(a)第3層5を介して第1層3と第2層4とを密着性良く接合することができるため、第1層3と第2層4との間に副生ガスが滞留することがなく、第2層4面内における気化燃料透過量のバラツキを抑制することができ、これによりアノード極11に対して均一な燃料供給を行なうことができ、出力を向上させることが可能になる。また、第3層5が樹脂からなる場合は、発電部の急激な温度上昇に対し、熱を液体燃料に伝達しにくくする効果がある。その結果、液体燃料の温度上昇が緩慢となり、液体燃料を比較的低い温度に安定的に維持できるようになるため、アノード極11に供給される気化燃料の供給量を安定させることができる。このことは、燃料電池の信頼性向上に寄与する。
(A) Since the
(b)第3層5に形成される貫通孔の数や開孔径により、第2層4側への液体燃料透過量、ひいてはアノード極11への気化燃料供給量を適切な量に調整(制限)することができる。これにより、燃料のクロスオーバーの防止または抑制、および燃料供給の安定化を図ることができる。貫通孔の数は特に制限されないが、複数個存在することが好ましく、第2層4面内における気化燃料透過量を均一化する観点から、これらを第3層5における燃料供給室60(箱筐体40の凹部)の直上の領域に均一に分布させることが好ましい。貫通孔の開孔径(直径)は、たとえば、0.1~5mm程度とすることができる。
(B) The amount of liquid fuel permeated to the
(c)第3層5により第1層3と第2層4との間の良好な面接合が可能であるため、ボルト・ナットまたはネジなどの締結部材などを用いた燃料電池の締め付けが不要となり、燃料電池の薄型化を図ることができる。
(C) The
(d)熱圧着により容易に介在層を作製することができるため、燃料電池製造工程の簡略化、製造効率の向上を図ることができる。 (D) Since the intervening layer can be easily produced by thermocompression bonding, the fuel cell production process can be simplified and the production efficiency can be improved.
上述の熱可塑性樹脂シートのほか、第3層5は、たとえば次のものから形成されるものであってもよい。
In addition to the thermoplastic resin sheet described above, the
1)接着性を有する樹脂または樹脂組成物から形成される多孔質層、たとえば、ホットメルト系接着剤や硬化型接着剤などの接着剤から形成される多孔質層。当該接着剤を用いる場合、第3層5は、接着剤層、すなわち、当該接着剤またはその硬化物からなる多孔質層である。このような第3層5を用いる場合であっても、上記(a)~(c)と同様の効果を得ることができる。第2層4側への液体燃料透過量は、多孔質層が有する細孔によって調整(制限)される。
1) A porous layer formed from an adhesive resin or resin composition, for example, a porous layer formed from an adhesive such as a hot-melt adhesive or a curable adhesive. When the adhesive is used, the
2)厚み方向に貫通する貫通孔を有する、好ましくは非多孔性の金属板を含むもの。この場合、金属板の両面には、第1層3および第2層4との良好な密着性を確保するために、接着剤層が形成され、したがって、第3層5は、接着剤層/金属板/接着剤層の3層構造となる。接着剤層は、接着剤またはその硬化物からなる多孔質層である。接着剤は、ホットメルト系接着剤や硬化型接着剤などであることができる。このような第3層5を用いる場合であっても、上記(a)~(c)と同様の効果を得ることができる。第2層4側への液体燃料透過量は、熱可塑性樹脂シートの場合と同様、金属板に形成される貫通孔の数や開孔径により調整(制御)できる。接着剤層は貫通孔を塞がないように形成されることが好ましい。貫通孔の数は特に制限されないが、複数個存在することが好ましく、第2層4面内における気化燃料透過量を均一化する観点から、これらを金属板における燃料供給室(箱筐体の凹部)の直上の領域に均一に分布させることが好ましい。貫通孔の開孔径(直径)は、たとえば、0.1~5mm程度とすることができる。
2) A through-hole penetrating in the thickness direction, preferably including a non-porous metal plate. In this case, an adhesive layer is formed on both surfaces of the metal plate in order to ensure good adhesion to the
厚み方向に貫通する貫通孔を有する非多孔性シート(フィルム)を第3層5とする場合や、厚み方向に貫通する貫通孔を有する非多孔性金属板を含むものを第3層5とする場合には、第1層3の第2貫通穴8の直上の位置にも貫通孔を形成し、該貫通孔と、箱筐体40の第1貫通穴7および第1層3の第2貫通穴8とによって副生ガス排出部を構築する。一方、接着性を有する樹脂または樹脂組成物から形成される多孔質層を第3層5とする場合は、貫通孔の加工は特段不要である。
When the non-porous sheet (film) having a through-hole penetrating in the thickness direction is used as the
上記第2および第3の実施形態の燃料電池は、固体高分子型燃料電池またダイレクトアルコール型燃料電池などであることができ、特にダイレクトアルコール型燃料電池(とりわけ、ダイレクトメタノール型燃料電池)として好適である。本発明の燃料電池において使用することのできる液体燃料としては、たとえば、メタノール、エタノールなどのアルコール類;ジメトキシメタンなどのアセタール類;ギ酸などのカルボン酸類;ギ酸メチルなどのエステル類;ならびにこれらの水溶液を挙げることができる。液体燃料は1種に限定されず、2種以上の混合物であってもよい。コストの低さや体積あたりのエネルギー密度の高さ、発電効率の高さなどの点から、メタノール水溶液または純メタノールが好ましく用いられる。 The fuel cells of the second and third embodiments can be solid polymer fuel cells or direct alcohol fuel cells, and are particularly suitable as direct alcohol fuel cells (particularly direct methanol fuel cells). It is. Examples of the liquid fuel that can be used in the fuel cell of the present invention include alcohols such as methanol and ethanol; acetals such as dimethoxymethane; carboxylic acids such as formic acid; esters such as methyl formate; and aqueous solutions thereof. Can be mentioned. The liquid fuel is not limited to one type, and may be a mixture of two or more types. In view of low cost, high energy density per volume, high power generation efficiency, etc., an aqueous methanol solution or pure methanol is preferably used.
以上説明した本発明の燃料電池は、電子機器、特には、携帯電話、電子手帳、ノート型パソコンに代表される携帯機器などの小型電子機器用の電源として好適に用いることができる。 The fuel cell of the present invention described above can be suitably used as a power source for electronic devices, particularly small electronic devices such as mobile devices typified by mobile phones, electronic notebooks, and notebook computers.
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
<実施例1>
以下の手順で、図1と類似の構成の燃料電池(ただし、蓋筺体50を有しない)を作製した。
<Example 1>
A fuel cell having a configuration similar to that shown in FIG. 1 (however, having no lid housing 50) was produced by the following procedure.
(1)排熱層1と第1の介在層2との接合
エッチング加工により、図20に示される形状を有する縦26.5mm、横27.0mm、厚み0.2mmのSUS製の排熱層1を作製した。貫通口1aの開口率は、15個の合計で63%であり、連通経路1bの断面積の8個の合計と排熱層側面の合計面積との比は、0.04である。図20に示される数値の単位はmmである。また、斜線部分は、深さ0.14mmの溝(凹部)であることを示している。また、第1の介在層2として、縦26.5mm、横27.0mm、厚み0.2mmのポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルム(日東電工(株)製の「テミッシュ〔TEMISH(登録商標)〕NTF2026A-S06」、JIS K 3832に準拠したバブルポイント(測定溶媒:メタノール):18kPa)を用意した。排熱層1の溝形成面とは反対側の面に第1の介在層2を積層し、熱圧着によりこれらを接合した。
(1) Joining between the
(2)箱筐体40(流路板)および燃料輸送部材61の作製
エッチング加工により、図21に示される形状を有する縦26.5mm、横27.0mm、厚み1.2mmのSUS製の流路板を作製した。図21に示される数値の単位はmmである。斜線部分は、燃料供給室60であり、深さ1.0mmの溝(凹部)からなる。また、上記斜線部分と同様の形状を有する(燃料供給室60に嵌め込むことができるよう、燃料供給室60より若干サイズが小さく、また、櫛歯部分と反対側の端部は流路板から突き出るように延長されている)、厚み1.0mmのパルプ不織布(王子キノクロス(株)製「ハトシート」)を用意し、これを燃料輸送部材61とした。燃料輸送部材61を、流路板の上記斜線部分に嵌めこんだ。
(2) Production of box housing 40 (flow path plate) and fuel transport member 61 A SUS flow having a shape shown in FIG. 21 having a length of 26.5 mm, a width of 27.0 mm, and a thickness of 1.2 mm by etching. A road board was produced. The unit of the numerical values shown in FIG. 21 is mm. The hatched portion is the
(3)膜電極複合体20の作製
Pt担持量32.5重量%、Ru担持量16.9重量%の触媒担持カーボン粒子(TEC66E50、田中貴金属社製)と、電解質である20重量%のナフィオン(登録商標)のアルコール溶液(アルドリッチ社製)と、n-プロパノールと、イソプロパノールと、ジルコニアボールとを、所定の割合でフッ素系樹脂製の容器に入れ、攪拌機を用いて500rpmで50分間の混合を行なうことにより、アノード極11用の触媒ペーストを調製した。また、Pt担持量46.8重量%の触媒担持カーボン粒子(TEC10E50E、田中貴金属社製)を用いること以外はアノード極11用の触媒ペーストと同様にして、カソード極12用の触媒ペーストを調製した。
(3) Production of
ついで、片面に撥水性を有する多孔質層が形成されたカーボンペーパー(25BC、SGL社製)を縦35mm、横40mmに切断した後、その多孔質層上に、上記のアノード極11用の触媒ペーストを触媒担持量が約3mg/cm2となるように、縦30mm、横35mmのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、アノード導電性多孔質層であるカーボンペーパー上の中央にアノード触媒層が形成された、厚み約200μmのアノード極11を作製した。また、同じサイズのカーボンペーパーの多孔質層上に、上記のカソード極12用の触媒ペーストを触媒担持量が約1mg/cm2となるように、縦30mm、横35mmのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、カソード導電性多孔質層であるカーボンペーパー上の中央にカソード触媒層が形成された、厚み約70μmのカソード極12を作製した。
Next, a carbon paper (25BC, manufactured by SGL) having a water-repellent porous layer formed on one side is cut into a length of 35 mm and a width of 40 mm, and then the catalyst for the
次に、厚み約175μmのパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜(ナフィオン(登録商標)117、デュポン社製)を縦35mm、横40mmに切断して電解質膜10とし、上記アノード極11と電解質膜10と上記カソード極12とをこの順で、それぞれの触媒層が電解質膜10に対向するように重ね合わせた後、130℃、2分間の熱圧着を行ない、アノード極11およびカソード極12を電解質膜10に接合した。上記重ね合わせは、アノード極11とカソード極12の電解質膜10の面内における位置が一致するように、かつアノード極11と電解質膜10とカソード極12の中心が一致するように行なった。ついで、得られた積層体の外周部を切断することにより、縦22mm、横26mmの膜電極複合体20を作製した。
Next, a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane (Nafion (registered trademark) 117, manufactured by DuPont) having a thickness of about 175 μm is cut into a length of 35 mm and a width of 40 mm to form an
(4)単位電池30の作製
縦26.5mm、横27mm、厚み100μmのステンレス板(NSS445M2、日新製鋼社製)を用意し、この中央領域に、開孔径φ0.6mmである複数の開孔(開孔パターン:千鳥60°ピッチ0.8mm)を、フォトレジストマスクを用いたウェットエッチングにて両面から加工することにより、厚み方向に貫通する貫通孔を複数備えるステンレス板を2枚作製し、これらをアノード集電層21およびカソード集電層22とした。
(4) Production of unit cell 30 A stainless steel plate (NSS445M2, manufactured by Nisshin Steel Co., Ltd.) having a length of 26.5 mm, a width of 27 mm, and a thickness of 100 μm is prepared, and a plurality of apertures having an aperture diameter of φ0.6 mm are provided in this central region. (Open hole pattern: staggered 60 ° pitch 0.8 mm) is processed from both sides by wet etching using a photoresist mask to produce two stainless steel plates having a plurality of through holes penetrating in the thickness direction, These were designated as anode
次に、上記アノード集電層21をアノード極11上に、カーボン粒子とエポキシ樹脂とからなる導電性接着剤層を介して積層するとともに、カソード集電層22をカソード極12上に、カーボン粒子とエポキシ樹脂とからなる導電性接着剤層を介して積層し、これらを熱圧着により接合して、縦22mm、横26mm(膜電極複合体20のサイズを指している)の単位電池30を作製した。なお、アノード集電層21およびカソード集電層22は、それらの開孔が形成された領域がそれぞれアノード極11、カソード極12の直上に配置されるように積層した。
Next, the anode
(5)燃料電池の作製
燃料輸送部材61を嵌めこんだ箱筐体(流路板)40/第1の介在層2/排熱層1/単位電池30をこの順に積層し、熱圧着により箱筐体40と第1の介在層2との間、および、排熱層1と単位電池30との間を接合した。また、燃料貯蔵室70としてSUS製の筐体を用意し、燃料輸送部材61の箱筐体(流路板)40から突き出た部分を燃料貯蔵室70内に差し込んで、燃料電池を作製した。
(5) Fabrication of fuel cell A box housing (flow channel plate) 40 /
<実施例2>
排熱層1として、15個の貫通口1aのサイズを小さくし、貫通口1aの開口率が15個の合計で46%である排熱層を用いたこと以外は実施例1と同様にして燃料電池を作製した。
<Example 2>
The
<比較例1>
連通経路1bを有しない排熱層を用いたこと以外は実施例1と同様にして燃料電池を作製した。
<Comparative Example 1>
A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that an exhaust heat layer having no
(燃料電池の性能評価)
(1)実施例1および2の燃料電池の出力特性(I-V特性)
メタノール濃度17Mのメタノール水溶液を燃料としてパッシブ供給にて燃料供給を行ない、燃料電池を稼動させ、充放電装置(菊水電子工業(株)製の「SPEC20526」)を用いてI-V測定を行ない、燃料電池の出力特性を評価した。図22および23はそれぞれ、実施例1、実施例2で作製した燃料電池の出力特性を示す図である。図22に示されるように、実施例1の燃料電池は、良好な出力特性を示しており、また、約33mW/cm2の最大出力密度が得られた。一方、図23に示されるように、実施例2の燃料電池においては、電流密度を次第に大きくしたときの電圧の降下度が実施例1に比べて若干大きくなるとともに、最大出力密度も若干低下した。
(Fuel cell performance evaluation)
(1) Output characteristics (IV characteristics) of the fuel cells of Examples 1 and 2
Fuel is supplied by passive supply using a methanol aqueous solution with a methanol concentration of 17M as a fuel, the fuel cell is operated, and IV measurement is performed using a charge / discharge device ("SPEC20526" manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.) The output characteristics of the fuel cell were evaluated. 22 and 23 are graphs showing the output characteristics of the fuel cells produced in Example 1 and Example 2, respectively. As shown in FIG. 22, the fuel cell of Example 1 showed good output characteristics, and a maximum output density of about 33 mW / cm 2 was obtained. On the other hand, as shown in FIG. 23, in the fuel cell of Example 2, the degree of voltage drop when the current density was gradually increased was slightly larger than that of Example 1, and the maximum output density was also slightly decreased. .
また、実施例1の燃料電池について、稼動開始から5分後における発電部(単位電池30)および燃料供給部(燃料輸送部材61)の温度を確認したところ、それぞれ45℃、43℃であり、その後もこれらの温度はほぼ一定していた。CO2の排出およびこれに伴う熱の排出、ならびにアノード極11への燃料供給が良好に行なわれた結果であると推測される。
Further, for the fuel cell of Example 1, the temperatures of the power generation unit (unit cell 30) and the fuel supply unit (fuel transport member 61) after 5 minutes from the start of operation were confirmed to be 45 ° C and 43 ° C, respectively. After that, these temperatures remained almost constant. It is presumed that this is a result of good discharge of CO 2 and the accompanying heat and fuel supply to the
一方、実施例2の燃料電池においては、稼動開始から5分後における発電部および燃料供給部の温度は十分に低かったが、引き続く発電により発電部および燃料供給部の温度は50℃近くとなり、その後も徐々に上昇する傾向にあった。貫通口1aの開口率が50%未満であることにより、排熱層1による断熱効果が実施例1と比較して低下したためと考えられる。
On the other hand, in the fuel cell of Example 2, the temperature of the power generation unit and the fuel supply unit after 5 minutes from the start of operation was sufficiently low, but the temperature of the power generation unit and the fuel supply unit became 50 ° C. due to the subsequent power generation, After that, it tended to rise gradually. It is considered that the heat insulating effect by the
(2)実施例1および比較例1の燃料電池の出力安定性
メタノール濃度17Mのメタノール水溶液を燃料としてパッシブ供給にて燃料供給を行ない、燃料電池を稼動させ、定電流測定(電流密度50mA/cm2)を行ない、実施例1および比較例1の燃料電池の出力安定性を評価した。結果を図24に示す。図24に示されるように、排熱層1が連通経路1bを有しない場合には、副生ガスであるCO2ガスを排熱層1から排出することができず燃料供給室60内に侵入するため、燃料供給が阻害され、出力安定性が著しく低下することが確認された。これに対し、実施例1の燃料電池は、良好な出力安定性を示した。
(2) Output stability of the fuel cell of Example 1 and Comparative Example 1 The fuel cell was supplied by passive supply using a methanol aqueous solution having a methanol concentration of 17 M as a fuel, the fuel cell was operated, and constant current measurement (
<実施例3>
以下の手順で図10と類似の構成を有する燃料電池を作製した。
<Example 3>
A fuel cell having a configuration similar to that shown in FIG.
(1)膜電極複合体20の作製
Pt担持量32.5重量%、Ru担持量16.9重量%の触媒担持カーボン粒子(TEC66E50、田中貴金属社製)と、電解質である20重量%のナフィオン(登録商標)のアルコール溶液(アルドリッチ社製)と、n-プロパノールと、イソプロパノールと、ジルコニアボールとを、所定の割合でフッ素系樹脂製の容器に入れ、攪拌機を用いて500rpmで50分間の混合を行なうことにより、アノード極11用の触媒ペーストを調製した。また、Pt担持量46.8重量%の触媒担持カーボン粒子(TEC10E50E、田中貴金属社製)を用いること以外はアノード極11用の触媒ペーストと同様にして、カソード極12用の触媒ペーストを調製した。
(1) Production of
また、縦23mm、横28mmに切り出したカーボンペーパー(GDL25BC、SGL社製)を2枚用意し、それぞれアノード導電性多孔質層、カソード導電性多孔質層とした。 Also, two pieces of carbon paper (GDL25BC, manufactured by SGL) cut into a length of 23 mm and a width of 28 mm were prepared, and an anode conductive porous layer and a cathode conductive porous layer were prepared, respectively.
上記アノード導電性多孔質層上に、上記のアノード極11用触媒ペーストを触媒担持量が約3mg/cm2となるように、縦22mm、横27mmのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、アノード導電性多孔質層の中央にアノード触媒層が形成された、厚み約100μmのアノード極11を作製した。また、カソード導電性多孔質層上に、上記のカソード極12用触媒ペーストを触媒担持量が約1mg/cm2となるように、縦22mm、横27mmのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、カソード導電性多孔質層の中央にカソード触媒層が形成された、厚み約50μmのカソード極12を作製した。
On the anode conductive porous layer, the above-mentioned catalyst paste for
次に、厚さ約175μmのパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜(ナフィオン(登録商標)117、デュポン社製)を縦23mm、横28mmに切断して電解質膜10とし、上記アノード極11と電解質膜10と上記カソード極12とをこの順で、それぞれの触媒層が電解質膜10に対向するように重ね合わせた後、130℃、2分間の熱圧着を行ない、アノード極11およびカソード極12を電解質膜10に接合した。上記重ね合わせは、アノード極11とカソード極12の電解質膜10の面内における位置が一致するように、かつアノード極11と電解質膜10とカソード極12の中心が一致するように行なった。ついで、得られた積層体の端部を切断することにより、縦22mm、横27mmの膜電極複合体20を作製した。
Next, a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane (Nafion (registered trademark) 117, manufactured by DuPont) having a thickness of about 175 μm is cut into a length of 23 mm and a width of 28 mm to form an
(2)単位電池30の作製
厚さ100μm、縦22mm、横27mmのステンレス板(NSS445M2、日新製鋼社製)を用意し、この中央領域に、開孔径φ0.6mmである複数の貫通孔(開孔パターン:千鳥60°ピッチ0.8mm)を、フォトレジストマスクを用いたウェットエッチングにて両面から加工することにより、厚み方向に貫通する貫通孔を複数備えるステンレス板を2枚作製した。ついで、耐食性向上と電気抵抗低減のため、これらのステンレス板の表面に金メッキを施し、それぞれアノード集電層21およびカソード集電層22とした。なお、アノード集電層21およびカソード集電層22には、評価時に電流を掃引するための電気的接点が設けられている。
(2) Production of unit cell 30 A stainless steel plate (NSS445M2, manufactured by Nisshin Steel Co., Ltd.) having a thickness of 100 μm, a length of 22 mm, and a width of 27 mm is prepared, and a plurality of through-holes having an opening diameter of φ0.6 mm are formed in this central region. Two stainless steel plates having a plurality of through-holes penetrating in the thickness direction were produced by processing a hole pattern: zigzag 60 ° pitch 0.8 mm) from both sides by wet etching using a photoresist mask. Subsequently, in order to improve corrosion resistance and reduce electric resistance, the surfaces of these stainless steel plates were plated with gold to form an anode
次に、上記アノード集電層21をアノード極11上に、カーボン粒子とエポキシ樹脂とからなる導電性接着剤層を介して積層するとともに、カソード集電層22をカソード極12上に、カーボン粒子とエポキシ樹脂とからなる導電性接着剤層を介して積層し、これらを熱圧着により接合して、縦22mm、横27mmの単位電池30を作製した。なお、アノード集電層21およびカソード集電層22は、それらの貫通孔が形成された領域がそれぞれアノード極11、カソード極12の直上に配置されるように積層した。
Next, the anode
(3)介在層の作製
介在層の第1層3として、図25に示したような縦25mm、横27mm、厚み0.1mmのポリフッ化ビニリデンからなる多孔質フィルム(MILLIPORE製のデュラポアメンブレンフィルター)を用いた。この多孔質フィルムが有する細孔の最大細孔径は0.1μmであり、またJIS K 3832に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、115kPaであった。
(3) Production of Intervening Layer As a
図25に示されるように、第1層3は、「穴群A」(点線枠で囲まれた領域に含まれる5個)と記した厚み方向に貫通する貫通穴(内径1.0mm)と、「穴群B」(他の点線枠で囲まれた領域に含まれる12個)と記した厚み方向に貫通する貫通穴(内径1.0mm)とを有している。穴群Aは、第1層3の下に配置される燃料供給室60内に液体燃料が入る際、燃料供給室60内に存在する空気を抜くための穴である(空気を抜くことにより液体燃料が入る)。穴群Aを設けると、第1層3が完全に燃料で濡れた後も燃料供給室60内の空気を抜くことが可能であるため、燃料供給室60に空気が滞留することはなく、燃料供給室60内は常に液体燃料で満たされることになる。なお、単位電池30は、この穴群A上には配置されないため、副生ガスが穴群Aを通って燃料供給室60内に侵入することはない。一方、穴群Bは、副生ガスを燃料電池外に排出するための上述の「第2貫通穴8」であり、副生ガス排出部の一部を構成する。
As shown in FIG. 25, the
また、介在層の第2層4として、図26に示したような縦25mm、横27mm、厚み0.2mmのポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルム(日東電工(株)製の「テミッシュ〔TEMISH(登録商標)〕NTF2122A-S06」)を用いた。この多孔質フィルムのJIS K 3832に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、18kPaであった。
In addition, as the
上記第1層3上に第2層4を積層し(図25、26のA-A’面が一致するように積層)、すべての側面の層境界部を接着剤で接合して介在層を作製した。介在層のバブルポイントは、これを構成する層のうち最もバブルポイントの大きい層の値と一致する。したがって、本実施例の介在層のバブルポイントは115kPaである。
The
(4)燃料供給部の作製
図27に示したような、一方の面に縦23.5mm、横1.0mm、深さ0.4mmの凹部(燃料供給室60となる空間)が5本形成され、さらに内径1.0mmの第1貫通穴7が図示される位置に合計12個形成された縦30mm、横27mm、厚み0.6mmの箱筺体40を用意した。この箱筺体40は、図10に示されるものと同様の形状を有しており、燃料供給室60となる凹部側方に燃料貯蔵室70を構成する凹部を備えたものである。介在層の第1層3側が箱筐体40側になるよう、ポリオレフィン系接着剤を介して箱筺体40の凹部上に介在層を積層させた後(図25~27のA-A’面が一致するように積層)、熱圧着を行なうことにより、介在層と箱筺体40とを接合した。第1層3の第2貫通穴8(穴群B)は、箱筺体40の第1貫通穴7の直上に配置されている。
(4) Fabrication of fuel supply section As shown in FIG. 27, five concave portions (spaces to become the fuel supply chamber 60) having a length of 23.5 mm, a width of 1.0 mm, and a depth of 0.4 mm are formed on one surface. Further, a
(5)単位電池30、燃料供給部の端面の封止
単位電池30の長辺側端面が、燃料供給部(介在層および箱筐体40)のA-A’面と重なるように単位電池30を介在層上に積層した。次に、単位電池30および燃料供給部の双方の端面に、マスクを用いて、エポキシ樹脂を含有する塗布液を塗布し硬化させることにより、エポキシ樹脂からなる封止層で被覆した。これにより、燃料電池外部から燃料極に空気が入ったり、燃料が燃料電池外部へ漏れたりすることを防ぐことができる。
(5)
(6)燃料電池の作製
単位電池30および介在層の燃料貯蔵室70側端面に、エポキシ樹脂を塗布し硬化させることにより、封止層80(燃料侵入防止層)を形成した。最後に、カソード極12に空気を供給するための開口51と、開孔73(圧力調整孔)とを備えた蓋筐体50を、単位電池30上に配置することにより燃料電池を得た。
(6) Fabrication of fuel cell The sealing layer 80 (fuel intrusion prevention layer) was formed by applying and curing an epoxy resin on the end surfaces of the
<実施例4>
介在層の第1層3として、実施例3で用いた多孔質フィルムと同じ形状(図25に示される形状であり、穴群Aおよび穴群Bを有している)、厚みおよび材質であるが細孔の最大細孔径が異なる多孔質フィルム(MILLIPORE製のデュラポアメンブレンフィルター フィルターコード:DVPP)を用いた。この多孔質フィルムが有する細孔の最大細孔径は0.65μmであり、またJIS K 3832に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、42kPaであった。
<Example 4>
As the
第2層4として実施例3と同じものと用い、上記第1層3上に第2層4を積層し(図25、26のA-A’面が一致するように積層)、すべての側面の層境界部を接着剤で接合して介在層を作製した。この介在層を燃料供給部に適用したこと以外は実施例3と同様にして燃料電池を得た。本実施例の介在層のバブルポイントは、42kPaである。
The
<実施例5>
以下の手順で図18と類似の構成を有する燃料電池を作製した。
<Example 5>
A fuel cell having a configuration similar to that shown in FIG.
介在層の第3層5として、図28に示したような縦25mm、横27mm、厚み0.07mmの熱可塑性フィルム(日東シンコー(株)製の「FB-ML4」)を用いた。この第3層5は、「穴群C」(点線枠で囲まれた領域に含まれる25個)と記した厚み方向に貫通する貫通穴(内径1.0mm)を有するとともに、第1層3に設けられた穴群AおよびBの直上の位置にも同じ数だけ貫通穴(内径1.0mm)を有している(図28参照)。第3層5を構成するフィルム自体は燃料不透過性であるが、燃料は穴群Cを通って第1層3側から第2層4側へ透過可能である。
As the
第1層3および第2層4として実施例3と同じものと用い、第1層3、第3層5、第2層4の順に積層し(図25、26および28のA-A’面が一致するように積層)、130℃、10分間の熱圧着を行ない、介在層を作製した。この介在層を燃料供給部に適用したこと以外は実施例3と同様にして燃料電池を得た。本実施例の介在層のバブルポイントは115kPaである。
The
<比較例2>
介在層の第1層3として、縦25mm、横27mm、厚み0.1mmの超高分子量ポリエチレンからなる多孔質フィルム(日東電工(株)製の「サンマップ LCシリーズ」)を用いること以外は実施例3と同様にして介在層を作製し、この介在層を用いること以外は実施例3と同様にして燃料電池を作製した。本比較例で用いた第1層のJIS K 3832に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、8kPaであった。本比較例の介在層のバブルポイントは18kPaである(第2層4のバブルポイントに相当)。
<Comparative Example 2>
Implemented except that the
(燃料電池の発電特性評価)
燃料としてメタノール水溶液を用いパッシブ供給にて燃料供給を行ない、得られた燃料電池を稼動させ、充放電装置(菊水電子工業(株)製の「SPEC20526」)を用いてI-V測定を行ない、最大瞬間出力を評価するとともに、同装置を用いて定電流測定(電流密度75mA/cm2)を行なった。定電流負荷を与えた5min後の電圧を基準にして、測定2hr後の電圧と当該基準電圧との差によって出力安定性を評価した。結果を表1に示す。電圧の差が大きいほど、副生ガスが燃料供給室60に侵入することなどに起因して出力安定性を欠いていることとなる。
(Evaluation of power generation characteristics of fuel cells)
Using methanol aqueous solution as fuel, fuel was supplied by passive supply, the obtained fuel cell was operated, and IV measurement was performed using a charge / discharge device (“SPEC20526” manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.) The maximum instantaneous output was evaluated, and constant current measurement (current density 75 mA / cm 2 ) was performed using the same apparatus. The output stability was evaluated based on the difference between the voltage after 2 hours of measurement and the reference voltage with reference to the voltage after 5 minutes when a constant current load was applied. The results are shown in Table 1. The greater the voltage difference, the less output stability is due to the by-product gas entering the
供給するメタノール水溶液の濃度は、実施例3、4および比較例2の燃料電池については、12mol/dm3とした。一方、実施例5の燃料電池については、介在層の第3層5によりメタノールクロスオーバーが抑制され、実施例3、4および比較例2と同じ濃度の燃料を用いた場合、相対的に電池温度が低くなるため、実施例3、4および比較例2と同等の電池温度となる濃度23mol/dm3のメタノール水溶液を燃料として用いた。
The concentration of the aqueous methanol solution supplied was 12 mol / dm 3 for the fuel cells of Examples 3 and 4 and Comparative Example 2. On the other hand, for the fuel cell of Example 5, methanol crossover was suppressed by the
実施例3の燃料電池は、瞬間最大出力としては比較例2と同程度であるものの、出力安定性において優れるものであった。介在層のバブルポイントが大きいことから、副生ガスが燃料供給室60に侵入することがなく、安定した燃料供給が可能となったためと考えられる。実施例4の燃料電池は、瞬間最大出力、出力安定性のいずれも実施例3と同程度であった。実施例3と同様に、副生ガスが燃料供給室60に侵入することなく、安定した燃料供給が可能となったためと考えられる。実施例5の燃料電池は、瞬間最大出力、出力安定性のいずれにおいても優れるものであった。瞬間最大出力が向上したのは、より高濃度の燃料を使用できるようになったため、燃料供給が良好となり限界電流密度が向上したためと考えられる。また、実施例5の燃料電池は、実施例3と比較してさらに出力安定性が向上しているが、これは、第1層3と第2層4が、第3層5によって面接合されていることにより第1層3と第2層4の間に隙間が生じにくくなり、より安定した燃料供給がなされたためと考えられる。比較例2の燃料電池では、出力安定性が低すぎて2hrの定電流負荷を行なうことができず、セル電圧が0.1V以下となったため測定を終えた(5min後と比較した電圧差は0.3V以上)。
The fuel cell of Example 3 was excellent in output stability although the instantaneous maximum output was comparable to that of Comparative Example 2. This is probably because by-product gas does not enter the
1 排熱層、1a 貫通口、1b 連通経路、1c,1d 接続経路、2 第1の介在層、3 第1層、4 第2層、5 第3層、6 副生ガス排出部、7 第1貫通穴、8 第2貫通穴、10 電解質膜、11 アノード極、12 カソード極、20 膜電極複合体、21 アノード集電層、22 カソード集電層、30 単位電池、40 箱筺体、50 蓋筺体、51 開口、60 燃料供給室、61 燃料輸送部材、63 第1の開孔、70 燃料貯蔵室、71 第2の開孔、73 開孔、80 封止層、90 ネジ、91 スペーサ(両面テープなど)、100,200,300 燃料電池。
1 exhaust heat layer, 1a through port, 1b communication path, 1c, 1d connection path, 1st intervening layer, 3rd layer, 1st layer, 4th layer, 5th layer, 6th by-product gas discharge section,
Claims (24)
前記単位電池の前記アノード極側に配置され、前記アノード極に燃料を供給するための燃料供給部と、
前記単位電池と前記燃料供給部との間に配置される排熱層と、
を含み、
前記排熱層は、
厚み方向に貫通する貫通口と、
前記排熱層の周縁部に設けられ、前記貫通口と排熱層外部とを連通する連通経路と、
を有する燃料電池。 A unit cell having an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order;
A fuel supply unit disposed on the anode electrode side of the unit cell and supplying fuel to the anode electrode;
An exhaust heat layer disposed between the unit cell and the fuel supply unit;
Including
The exhaust heat layer is
A through hole penetrating in the thickness direction;
A communication path provided at a peripheral portion of the exhaust heat layer and communicating the through hole and the outside of the exhaust heat layer;
A fuel cell.
液状の前記燃料を流通させるための前記燃料供給室と、
前記燃料供給室に接続され、前記液状の燃料を収容するための燃料貯蔵室と、
を含む請求項8に記載の燃料電池。 The fuel supply unit
The fuel supply chamber for circulating the liquid fuel;
A fuel storage chamber connected to the fuel supply chamber for containing the liquid fuel;
The fuel cell according to claim 8, comprising:
前記燃料供給室の側方に配置され、前記液状の燃料を収容するための燃料貯蔵室と、
前記液状の燃料に対して毛細管作用を示す材料からなる部材であって、その一端が前記燃料貯蔵室内に収容される前記液状の燃料に接触可能な位置に配置されるとともに、その他端が前記燃料供給室内部に配置され、前記アノード極に対向するように延びる燃料輸送部材と、
をさらに含む請求項8に記載の燃料電池。 The fuel supply unit
A fuel storage chamber that is disposed on a side of the fuel supply chamber and contains the liquid fuel;
A member made of a material exhibiting a capillary action with respect to the liquid fuel, one end of which is disposed at a position where the liquid fuel is accommodated in the fuel storage chamber, and the other end is the fuel. A fuel transport member disposed in the supply chamber and extending so as to face the anode electrode;
The fuel cell according to claim 8, further comprising:
前記燃料供給室の開口を覆うように前記第1の介在層と前記燃料供給室との間に配置され、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが30kPa以上である第2の介在層と、
をさらに備える請求項8に記載の燃料電池。 A first intervening layer that is a hydrophobic porous layer disposed between the exhaust heat layer and the fuel supply chamber;
A second intervening layer that is disposed between the first intervening layer and the fuel supply chamber so as to cover the opening of the fuel supply chamber, and has a bubble point of 30 kPa or more when the measurement medium is methanol;
The fuel cell according to claim 8, further comprising:
前記燃料供給部は、前記アノード極側が開放された空間からなり、液状の前記燃料を流通させるかまたは収容するための燃料供給室と、前記燃料供給室の開口を覆うように前記燃料供給室と前記単位電池との間に配置される介在層とを含み、
前記介在層は、その厚み方向における前記燃料供給室側に設けられ、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが30kPa以上である第1の領域と、その厚み方向における前記単位電池側に設けられ、気化した前記燃料を透過可能な第2の領域とを有する燃料電池。 A fuel cell comprising: a unit cell having an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order; and a fuel supply unit that is disposed on the anode electrode side of the unit cell and supplies fuel to the anode electrode. ,
The fuel supply unit includes a space in which the anode electrode side is opened, a fuel supply chamber for circulating or containing the liquid fuel, and the fuel supply chamber so as to cover an opening of the fuel supply chamber. An intervening layer disposed between the unit cells,
The intervening layer is provided on the fuel supply chamber side in the thickness direction, and is provided on the first cell region where the bubble point is 30 kPa or more when the measurement medium is methanol, and on the unit cell side in the thickness direction. And a second region capable of permeating the vaporized fuel.
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