JP2007149564A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の厚さを変えることなく、膜電極接合体へ供給される気化燃料の供給量の調整が可能であり、起電部の構成部材を変更せずに、気化燃料の供給量の最適化を図ることができる燃料電池を提供すること目的とする。
【解決手段】燃料極、空気極、および燃料極と空気極とに挟持された電解質膜15から構成される起電部と、起電部の燃料極および空気極のそれぞれの表面に設けられた導電層と、起電部の燃料極側に配設され、液体燃料Fを収容し、液体燃料Fの気化成分を導出するための開口を有する液体燃料タンク21と、液体燃料タンク21の開口部分に配設され、液体燃料タンク21からの気化成分の通過量を調整する燃料供給量調整層22と、燃料供給量調整層22と導電層との間に配設され、燃料供給量調整層22からの気化成分を透過させる気液分離膜23とを具備する。
【選択図】図1The amount of vaporized fuel supplied to a membrane electrode assembly can be adjusted without changing the thickness of the fuel cell, and the amount of vaporized fuel supplied without changing the components of the electromotive unit. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that can optimize the above.
An electromotive portion composed of a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane 15 sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, and provided on each surface of the fuel electrode and the air electrode of the electromotive portion. A liquid fuel tank 21 disposed on the fuel electrode side of the electromotive layer and containing the liquid fuel F and having an opening for deriving a vaporized component of the liquid fuel F; and an opening portion of the liquid fuel tank 21 The fuel supply amount adjustment layer 22 that adjusts the amount of vaporized component passing from the liquid fuel tank 21, and the fuel supply amount adjustment layer 22 is disposed between the fuel supply amount adjustment layer 22 and the conductive layer. The gas-liquid separation membrane 23 which permeate | transmits the vaporization component from is comprised.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、燃料電池、特に小型のパッシブ型の燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a small passive fuel cell.
近年、電子技術の進歩により、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、携帯用電子機器においては、使用される電池の高エネルギ密度化の要求が強まっている。このため、軽量で小型でありながら高容量の二次電池が要求されている。 In recent years, advances in electronic technology have led to downsizing, higher performance, and portability of electronic devices. In portable electronic devices, there is an increasing demand for higher energy density of batteries used. For this reason, there is a demand for a secondary battery having a high capacity while being lightweight and small.
このような状況のもと、小型の燃料電池が注目を集めている。特に、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池(DMFC)は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さや、有機燃料を改質して水素を作り出す装置などが必要なく、小型化に優れていると考えられる。 Under such circumstances, small fuel cells are attracting attention. In particular, direct methanol fuel cells (DMFC) using methanol as a fuel require more difficult handling of hydrogen gas and devices that produce hydrogen by reforming organic fuel compared to fuel cells using hydrogen gas. It is thought that it is excellent in miniaturization.
DMFCでは、燃料極においてメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。一方、空気極では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成される。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる。 In DMFC, methanol is oxidatively decomposed at the fuel electrode to generate carbon dioxide, protons and electrons. On the other hand, in the air electrode, water is generated by oxygen obtained from air, protons supplied from the fuel electrode through the electrolyte membrane, and electrons supplied from the fuel electrode through an external circuit. In addition, power is supplied by electrons passing through the external circuit.
DMFCにおいては、燃料タンクと起電部である膜電極接合体の間にメタノールの分子を透過する、例えば気液分離膜を設け、燃料タンクを起電部の近傍まで近づけることで小型化が進められている(例えば、特許文献1参照。)。また、空気の取り入れについては、膜電極接合体に直接取り付けた吸気口を設置することで、小型のDMFCが構築されてきた。
しかしながら、従来の小型のDMFCは、機構が簡略化された代わりに、温度などの外部環境要因の影響を受けた場合、膜電極接合体へ供給するメタノール量を一定に保つことが難しかった。そのため、電池出力を安定して維持することが困難となる場合があった。また、メタノールの分子を透過する気液分離膜などの積層物を変更することによりメタノールの供給量を変化させることも考えられる。例えば、気液分離膜近傍の厚さを変えると、DMFCの厚さが変わってしまい、所定の厚さのDMFCを構成することができないという問題があった。さらに、気液分離膜の厚さが変わることで、シール性が低下し、燃料や酸化剤が漏れるという問題もあった。 However, in the conventional small DMFC, when the mechanism is simplified, it is difficult to keep the amount of methanol supplied to the membrane electrode assembly constant when affected by external environmental factors such as temperature. Therefore, it may be difficult to stably maintain the battery output. It is also conceivable to change the supply amount of methanol by changing a laminate such as a gas-liquid separation membrane that permeates methanol molecules. For example, if the thickness in the vicinity of the gas-liquid separation membrane is changed, the thickness of the DMFC changes, and there is a problem that a DMFC having a predetermined thickness cannot be configured. In addition, the thickness of the gas-liquid separation membrane is changed, so that there is a problem that the sealing performance is lowered and the fuel and the oxidant leak.
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の厚さを変えることなく、膜電極接合体へ供給される気化燃料の供給量の調整が可能であり、要求される電池出力が異なる場合、あるいは起電部面積が異なる燃料電池が必要な場合などに、起電部の構成部材を変更せずに、気化燃料の供給量の最適化を図ることができる燃料電池を提供すること目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, and it is possible to adjust the amount of vaporized fuel supplied to the membrane electrode assembly without changing the thickness of the fuel cell. Fuel that can optimize the amount of vaporized fuel supplied without changing the components of the electromotive unit when the output of the battery is different or when a fuel cell with a different electromotive unit area is required An object is to provide a battery.
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜から構成される起電部と、前記起電部の前記燃料極および前記空気極のそれぞれの表面に設けられた導電層と、前記起電部の燃料極側に配設され、液体燃料を収容し、液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する燃料供給部と、前記燃料供給部の開口部分に配設され、前記燃料供給部からの前記気化成分の通過量を調整する燃料供給量調整層と、前記燃料供給量調整層と前記導電層との間に配設され、前記燃料供給量調整層からの前記気化成分を透過させる気液分離膜とを具備したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention includes a fuel electrode, an air electrode, and an electromotive part composed of an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode. Conductive layers provided on the respective surfaces of the fuel electrode and the air electrode, and openings provided on the fuel electrode side of the electromotive portion for accommodating the liquid fuel and deriving a vaporized component of the liquid fuel A fuel supply unit, a fuel supply amount adjustment layer that is disposed in an opening of the fuel supply unit and adjusts the amount of the vaporized component passing from the fuel supply unit, the fuel supply amount adjustment layer, and the conductive layer. And a gas-liquid separation membrane that permeates the vaporized component from the fuel supply amount adjustment layer.
この燃料電池によれば、燃料供給量調整層を設けることで、温度などの外部環境要因の影響を受けずに、燃料供給部内で気化した液体燃料の所定量の気化成分を気液分離膜側に通過させ、燃料極に供給することができる。 According to this fuel cell, by providing the fuel supply amount adjustment layer, a predetermined amount of vaporized component of the liquid fuel vaporized in the fuel supply unit can be supplied to the gas-liquid separation membrane side without being affected by external environmental factors such as temperature. And can be supplied to the fuel electrode.
本発明の燃料電池によれば、燃料電池の厚さを変えることなく、膜電極接合体へ供給される気化燃料の供給量の調整が可能であり、要求される電池出力が異なる場合、あるいは起電部面積が異なる燃料電池が必要な場合などに、起電部の構成部材を変更せずに、気化燃料の供給量の最適化を図ることができる。 According to the fuel cell of the present invention, it is possible to adjust the supply amount of vaporized fuel supplied to the membrane electrode assembly without changing the thickness of the fuel cell. When a fuel cell having a different electrical area is required, the supply amount of vaporized fuel can be optimized without changing the components of the electromotive part.
以下、本発明の一実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池10の断面を模式的に示した図である。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a direct
図1に示すように、燃料電池10は、燃料極触媒層11および燃料極ガス拡散層12からなる燃料極と、空気極触媒層13および空気極ガス拡散層14からなる空気極と、燃料極触媒層11と空気極触媒層13との間に挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜15とから構成される膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly )16を起電部として構成している。
As shown in FIG. 1, a
燃料極触媒層11および空気極触媒層13に含有される触媒としては、例えば、白金族元素である、Pt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の単体金属、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。具体的には、燃料極触媒層11として、メタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Moなど、空気極触媒層13として、白金やPt−Niなどを用いることが好ましいが、これらに限定されるものではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒を使用してもよい。
Examples of the catalyst contained in the fuel
電解質膜15を構成するプロトン伝導性材料としては、例えば、スルホン酸基を有する、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体等のフッ素系樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)、フレミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
Examples of the proton conductive material that constitutes the
燃料極触媒層11に積層された燃料極ガス拡散層12は、燃料極触媒層11に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、燃料極触媒層11の集電体としての機能も兼ね備えている。一方、空気極触媒層13に積層された空気極ガス拡散層14は、空気極触媒層13に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、空気極触媒層13の集電体としての機能も兼ね備えている。そして、燃料極ガス拡散層12には、燃料極導電層17が積層され、空気極ガス拡散層14には、空気極導電層18が積層されている。燃料極導電層17および空気極導電層18は、例えば、金などの導電金属材料からなるメッシュなどの多孔質層で構成される。なお、燃料極導電層17および空気極導電層18は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成される。
The fuel electrode
燃料極シール材19は、矩形枠状を有し、燃料極導電層17と電解質膜15との間に位置するとともに、燃料極触媒層11および燃料極ガス拡散層12の周囲を囲んでいる。一方、空気極シール材20は、矩形枠状を有し、空気極導電層18と電解質膜15との間に位置するとともに、空気極触媒層13および空気極ガス拡散層14の周囲を囲んでいる。燃料極シール材19および空気極シール材20は、例えば、ゴム製のOリングなどで構成され、膜電極接合体16からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止している。なお、燃料極シール材19および空気極シール材20の形状は、矩形枠状に限られず、燃料電池10の外縁形に対応するように適宜に構成される。
The fuel
また、図1に示すように、液体燃料Fを収容する液体燃料タンク21の開口部を覆うように配設された燃料供給量調整層22上には、気液分離膜23が積層され、さらに、気液分離膜23上には、燃料電池10の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム24(ここでは矩形のフレーム)が配置されている。そして、このフレーム24の一方の面に、燃料極導電層17が接するように、上記した燃料極導電層17および空気極導電層18を備えた膜電極接合体16が積層配置されている。
Further, as shown in FIG. 1, a gas-
また、燃料極導電層17、気液分離膜23およびフレーム24で囲まれた気化燃料収容室25は、気液分離膜23を透過してきた液体燃料Fの気化成分を一時的に収容し、さらに気化成分における燃料の濃度分布を均一にする空間として機能する。ここで、フレーム24は、電気絶縁材料で構成され、具体的には、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。なお、燃料供給量調整層22および気液分離膜23は、それらの周縁から燃料などが漏れないように構成されている。
The vaporized
燃料供給量調整層22は、液体燃料タンク21内で気化した液体燃料Fの気化成分の気液分離膜23への通過量を調整するものである。図2は、具体的な燃料供給量調整層22の平面図である。図2に示すように、燃料供給量調整層22は、液体燃料Fの気化成分や液体燃料Fを透過させない材料からなり、薄板状に形成され、複数の通過孔22aが開口されている。燃料供給量調整層22を形成する、具体的な材料として、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)のような熱可塑性ポリエステル樹脂、ポリイミド系樹脂などが挙げられる。また、燃料供給量調整層22の厚さは、100〜200μmの範囲とすることが好ましい。この厚さの範囲が好ましいのは、厚さが100μmよりも薄い場合には、積層時の組み付け精度が困難になるためであり、200μmよりも厚い場合には、セル全体の厚さが増し、またシール性が低下するためである。
The fuel supply
また、通過孔22aの開口面積は、全通過孔22aを通過する気化成分量が、液体燃料タンク21内で気化した液体燃料Fの気化成分量の20〜70%となるように設定されている。ここで、全通過孔22aを通過する気化成分量を上記した範囲に設定したのは、その気化成分量が液体燃料タンク21内で気化した液体燃料Fの気化成分量の20%より小さい場合には、発電に必要な燃料が十分に供給されないためであり、70%より大きい場合には、発電に寄与しない余剰分の燃料が供給されてしまうためである。
The opening area of the
なお、通過孔22aの穿孔パターンは、図2に示した穿孔パターンに限れるものではなく、液体燃料タンク21内で気化した液体燃料Fの所定量の気化成分を均一に気液分離膜23側へ通過させるようにパターン形成されたものであればよい。
The perforation pattern of the
気液分離膜23は、液体燃料Fの気化成分と液体燃料Fとを分離し、その気化成分を燃料極触媒層11側に透過させるものである。具体的には、気液分離膜23は、シリコーンゴム、フッ素樹脂などの材料で構成される。
The gas-
ここで、液体燃料タンク21に貯留される液体燃料は、濃度が50モル%を超えるメタノール水溶液、または純メタノールである。また、純メタノールの純度は、95重量%以上100重量%以下にすることが好ましい。また、液体燃料の気化成分とは、液体燃料として液体のメタノールを使用した場合には、気化したメタノールを意味し、液体燃料としてメタノール水溶液を使用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気を意味する。
Here, the liquid fuel stored in the
一方、空気極導電層18上には、燃料電池10の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム26(ここでは矩形のフレーム)を介して、保湿層27が積層されている。また、保湿層27上には、酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口29が複数個形成された表面層28が積層されている。この表面層28は、膜電極接合体16を含む積層体を加圧して、その密着性を高める役割も果たしているため、例えば、SUS304のような金属で形成される。また、フレーム26は、上記したフレーム24と同様に、電気絶縁材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。
On the other hand, a
また、保湿層27は、空気極触媒層13において生成した水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制する役割をなすとともに、空気極ガス拡散層14に酸化剤を均一に導入することにより、空気極触媒層13への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての機能も有している。この保湿層27は、例えば、ポリエチレン多孔質膜などの材料で構成される。ここで、浸透圧現象による空気極触媒層13側から燃料極触媒層11側への水の移動は、保湿層27上に設置された表面層28の空気導入口29の個数やサイズを変えて、開口面積等を調整することで制御することができる。
The
次に、上記した燃料電池10における作用について説明する。
Next, the operation of the
液体燃料タンク21内の液体燃料(例えば、メタノール水溶液)が気化し、気化したメタノールと水蒸気の混合気の所定量が、燃料供給量調整層22の通過孔22aを通過する。通過孔22aを通過した混合気は、気液分離膜23を透過し、気化燃料収容室25に一旦収容され、濃度分布が均一にされる。気化燃料収容室25に一旦収容された混合気は、燃料極導電層17を通過し、さらに燃料極ガス拡散層12で拡散され、燃料極触媒層11に供給される。燃料極触媒層11に供給された混合気は、次の式(1)に示すメタノールの内部改質反応を生じる。
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e− …式(1)
The liquid fuel (for example, aqueous methanol solution) in the
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − Formula (1)
なお、液体燃料として、純メタノールを使用した場合には、液体燃料タンク21からの水蒸気の供給がないため、空気極触媒層13で生成した水や電解質膜15中の水等がメタノールと上記した式(1)の内部改質反応を生じるか、または上記した式(1)の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じる。
Note that when pure methanol is used as the liquid fuel, there is no supply of water vapor from the
内部改質反応で生成されたプロトン(H+)は、電解質膜15を伝導し、空気極触媒層13に到達する。表面層28の空気導入口29から取り入れられた空気は、保湿層27、空気極導電層18、空気極ガス拡散層14を拡散して、空気極触媒層13に供給される。空気極触媒層13に供給された空気は、次の式(2)に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。
(3/2)O2+6H++6e− → 3H2O …式(2)
Protons (H + ) generated by the internal reforming reaction are conducted through the
(3/2) O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O Formula (2)
この反応によって空気極触媒層13中に生成した水は、空気極ガス拡散層14を拡散して保湿層27に到達し、一部の水は、保湿層27上に設けられた表面層28の空気導入口29から蒸散されるが、残りの水は表面層28によって蒸散が阻害される。特に、式(2)の反応が進行すると、表面層28によって蒸散が阻害される水量が増し、空気極触媒層13中の水分貯蔵量が増加する。この場合には、式(2)の反応の進行に伴って、空気極触媒層13の水分貯蔵量が、燃料極触媒層11の水分貯蔵量よりも多い状態となる。その結果、浸透圧現象によって、空気極触媒層13に生成した水が、電解質膜15を通過して燃料極触媒層11に移動する反応が促進される。そのため、燃料極触媒層11への水分の供給を液体燃料タンク21から気化した水蒸気のみに頼る場合に比べて、水分の供給が促され、前述した式(1)におけるメタノールの内部改質反応を促進させることができる。これによって、出力密度を高くすることができるとともに、その高い出力密度を長期間に亘り維持することが可能となる。
The water generated in the air electrode catalyst layer 13 by this reaction diffuses in the air electrode gas diffusion layer 14 and reaches the
また、液体燃料として、メタノールの濃度が50モル%を超えるメタノール水溶液、または純メタノールを使用する場合でも、空気極触媒層13から燃料極触媒層11に移動してきた水を内部改質反応に使用することができるので、燃料極触媒層11への水の供給を安定して行うことが可能となる。これによって、メタノールの内部改質反応の反応抵抗をさらに低下することができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上させることができる。さらに、液体燃料タンク21の小型化を図ることも可能である。
Further, even when a methanol aqueous solution with a methanol concentration exceeding 50 mol% or pure methanol is used as the liquid fuel, the water that has moved from the air electrode catalyst layer 13 to the fuel
上記したように、一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池10によれば、燃料供給量調整層22の通過孔22aの面積や穿孔パターンを調整することで、液体燃料タンク21内で気化した液体燃料Fの所定量の気化成分を気液分離膜23側に通過させることができる。これによって、温度などの外部環境要因の影響を受けずに、液体燃料Fの所定量の気化成分を燃料極に供給できるので、安定した電池出力を得ることができる。
As described above, according to the direct
また、燃料供給量調整層22の通過孔22aの面積や穿孔パターンを調整することで、通過させる液体燃料Fの気化成分量を調整することができるので、燃料電池10の厚みなどが変化することはない。これによって、シール性などを維持することができ、燃料や酸化剤などの漏れの発生を防止することができるとともに、所定の厚さを維持できるなどの利点が得られる。
Further, by adjusting the area of the passage holes 22a and the perforation pattern of the fuel supply
なお、上記した各実施の形態では、液体燃料に、メタノール水溶液、または純メタノールを使用した直接メタノール型の燃料電池について説明したが、液体燃料は、これらに限られるものではない。例えば、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。 In each of the above embodiments, a direct methanol fuel cell using a methanol aqueous solution or pure methanol as the liquid fuel has been described. However, the liquid fuel is not limited to these. For example, ethanol fuel such as ethanol aqueous solution or pure ethanol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel may be used. In any case, liquid fuel corresponding to the fuel cell is accommodated.
また、所定の電池出力を得るために、主として、図1に示した燃料電池10を複数並設し、各燃料電池10を電気的に直列に接続して、燃料電池を構成する。この際、例えば、1つの液体燃料タンク21を共用するように構成することができる。
Further, in order to obtain a predetermined battery output, a plurality of
次に、燃料電池10に燃料供給量調整層22を設けることで、優れた出力特性が得られることを以下の実施例で説明する。
Next, it will be described in the following examples that excellent output characteristics can be obtained by providing the
(実施例1)
実施例1で使用した本発明に係る燃料電池を次のように作製した。図3は、実施例1で使用した、複数の通過孔を有する燃料供給量調整層の平面図である。
Example 1
The fuel cell according to the present invention used in Example 1 was produced as follows. FIG. 3 is a plan view of a fuel supply amount adjusting layer having a plurality of passage holes used in the first embodiment.
まず、白金担持カーボンブラックに、パーフルオロカーボンスルホン酸溶液、水およびメトキシプロパノールを添加し、白金担持カーボンブラックを分散させてペーストを作製した。得られたペーストを空気極ガス拡散層である多孔質カーボンペーパに塗布した。そして、これを常温で乾燥し、空気極触媒層および空気極ガス拡散層からなる空気極を作製した。 First, a perfluorocarbon sulfonic acid solution, water and methoxypropanol were added to platinum-supported carbon black, and the platinum-supported carbon black was dispersed to prepare a paste. The obtained paste was applied to porous carbon paper which is an air electrode gas diffusion layer. And this was dried at normal temperature and the air electrode which consists of an air electrode catalyst layer and an air electrode gas diffusion layer was produced.
また、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子に、パーフルオロカーボンスルホン酸溶液、水およびメトキシプロパノールを添加し、カーボン粒子を分散させてペーストを作製した。得られたペーストを燃料極ガス拡散層である多孔質カーボンペーパに塗布した。そして、これを常温乾燥し、燃料極触媒層および燃料極ガス拡散層からなる燃料極を作製した。 A perfluorocarbon sulfonic acid solution, water and methoxypropanol were added to carbon particles carrying platinum ruthenium alloy fine particles, and the carbon particles were dispersed to prepare a paste. The obtained paste was applied to porous carbon paper which is a fuel electrode gas diffusion layer. And this was dried at normal temperature and the fuel electrode which consists of a fuel electrode catalyst layer and a fuel electrode gas diffusion layer was produced.
電解質膜として、厚さが80μmのパーフルオロカーボンスルホン酸膜(Nafion膜、デュポン社製)を用い、この電解質膜を、空気極および燃料極で挟持し、ホットプレスを行って、膜電極接合体(MEA)を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに12cm2とした。 As the electrolyte membrane, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane having a thickness of 80 μm (Nafion membrane, manufactured by DuPont) was used. MEA) was prepared. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.
続いて、この膜電極接合体を、空気および気化したメタノールを取り入れるための複数の穿孔を有する金箔で挟み、燃料極導電層および空気極導電層を形成した。 Subsequently, the membrane electrode assembly was sandwiched between gold foils having a plurality of perforations for taking in air and vaporized methanol to form a fuel electrode conductive layer and an air electrode conductive layer.
上記した膜電極接合体(MEA)、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。なお、電解質膜と燃料極導電層との間、電解質膜と空気極導電層との間には、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。 A laminate in which the above-described membrane electrode assembly (MEA), fuel electrode conductive layer, and air electrode conductive layer were laminated was sandwiched between two resin-made frames. A rubber O-ring was sandwiched between the electrolyte membrane and the fuel electrode conductive layer, and between the electrolyte membrane and the air electrode conductive layer, respectively.
また、2つのフレームで挟み込まれた積層体を、液体燃料タンク側が燃料供給量調整層となるように積層した燃料供給量調整層および気液分離膜を介して、液体燃料タンクにネジ止めによって固定した。なお、この際、膜電極接合体(MEA)の燃料極側が気液分離膜側になるように積層体が固定された。 Also, the laminated body sandwiched between two frames is fixed to the liquid fuel tank by screwing through a fuel supply amount adjustment layer and a gas-liquid separation membrane laminated so that the liquid fuel tank side becomes the fuel supply amount adjustment layer did. At this time, the laminate was fixed so that the fuel electrode side of the membrane electrode assembly (MEA) was on the gas-liquid separation membrane side.
燃料供給量調整層には、厚さが100μmのポリエチレンテレフタレート(PET)のシートを使用し、孔径が3mmの通過孔を9箇所(縦3個×横3個)に均等に穿孔した。この場合、全通過孔を通過する気化成分量は、液体燃料タンク内で気化した液体燃料の気化成分量の40%であった。また、気液分離膜には、厚さが100μmのシリコーンシートを使用した。 For the fuel supply amount adjustment layer, a polyethylene terephthalate (PET) sheet having a thickness of 100 μm was used, and through holes having a hole diameter of 3 mm were evenly drilled at 9 locations (3 vertical × 3 horizontal). In this case, the amount of vaporized component passing through all the passage holes was 40% of the amount of vaporized component of the liquid fuel vaporized in the liquid fuel tank. In addition, a silicone sheet having a thickness of 100 μm was used for the gas-liquid separation membrane.
一方、空気極側のフレーム上には多孔質板を配置し、保湿層を形成した。また、この保湿層上には、空気取り入れのための空気導入口(口径3mm、口数50個)が形成された厚さが2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面層を形成し、ネジ止めによって固定した。 On the other hand, a porous plate was disposed on the air electrode side frame to form a moisture retention layer. Further, a surface layer is formed by placing a stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 2 mm on which an air inlet (air diameter: 3 mm, number of holes: 50) for air intake is formed on the moisture retaining layer. Fixed with a stop.
上記したように形成された燃料電池の液体燃料タンクに、純メタノールを10ml注入し、温度25℃、相対湿度50%の環境の下、電流値を変化させて、出力の最大値を測定した。そして、後述する比較例1における出力の最大値を100としたときの、相対的な出力の最大値を求めた。また、燃料電池の厚さを測定し、後述する比較例1における燃料電池の厚さを100としたときの、相対的な燃料電池の厚さを求めた。
測定の結果、相対的な出力の最大値は、140であった。また、相対的な燃料電池の厚さは、100であった。
10 ml of pure methanol was injected into the liquid fuel tank of the fuel cell formed as described above, and the maximum value of the output was measured by changing the current value in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%. Then, the relative maximum output value was obtained when the maximum output value in Comparative Example 1 described later was 100. Further, the thickness of the fuel cell was measured, and the relative thickness of the fuel cell was determined when the thickness of the fuel cell in Comparative Example 1 described later was 100.
As a result of the measurement, the maximum value of the relative output was 140. The relative fuel cell thickness was 100.
(実施例2)
実施例2で使用された燃料電池は、燃料供給量調整層に、厚さが100μmのポリエチレンテレフタレート(PET)のシートを使用し、孔径が3mmの通過孔(縦4個×横3個)を12箇所に均等に穿孔したこと以外は、上記した実施例1で使用された燃料電池の構成と同じである。この場合、全通過孔を通過する気化成分量は、液体燃料タンク内で気化した液体燃料の気化成分量の60%であった。
(Example 2)
The fuel cell used in Example 2 uses a polyethylene terephthalate (PET) sheet having a thickness of 100 μm for the fuel supply amount adjustment layer, and has a passage hole (4 vertical × 3 horizontal) having a hole diameter of 3 mm. The configuration of the fuel cell used in Example 1 is the same as that of Example 1 except that 12 holes are evenly drilled. In this case, the amount of vaporized component passing through all the passage holes was 60% of the amount of vaporized component of the liquid fuel vaporized in the liquid fuel tank.
また、出力の最大値および燃料電池の厚さの測定方法および測定条件は、実施例1における測定方法および測定条件と同じである。
測定の結果、相対的な出力の最大値は、120であった。また、相対的な燃料電池の厚さは、100であった。
The measurement method and measurement conditions for the maximum output value and the thickness of the fuel cell are the same as the measurement method and measurement conditions in Example 1.
As a result of the measurement, the maximum relative output was 120. The relative fuel cell thickness was 100.
(実施例3)
実施例3で使用された燃料電池は、燃料供給量調整層に、厚さが100μmのポリイミドのシートを使用し、孔径が3mmの通過孔を9箇所(縦3個×横3個)に均等に穿孔したこと以外は、上記した実施例1で使用された燃料電池の構成と同じである。この場合、全通過孔を通過する気化成分量は、液体燃料タンク内で気化した液体燃料の気化成分量の40%であった。
(Example 3)
The fuel cell used in Example 3 uses a polyimide sheet with a thickness of 100 μm for the fuel supply amount adjustment layer, and has nine passage holes with a diameter of 3 mm (3 vertical × 3 horizontal). The configuration of the fuel cell used in Example 1 is the same as that of Example 1 except that it is perforated. In this case, the amount of vaporized component passing through all the passage holes was 40% of the amount of vaporized component of the liquid fuel vaporized in the liquid fuel tank.
また、出力の最大値および燃料電池の厚さの測定方法および測定条件は、実施例1における測定方法および測定条件と同じである。
測定の結果、相対的な出力の最大値は、140であった。また、相対的な燃料電池の厚さは、100であった。
The measurement method and measurement conditions for the maximum output value and the thickness of the fuel cell are the same as the measurement method and measurement conditions in Example 1.
As a result of the measurement, the maximum value of the relative output was 140. The relative fuel cell thickness was 100.
(比較例1)
比較例1で使用された燃料電池は、燃料供給量調整層を有さず、気液分離膜に、厚さが100μmのシリコーンシートを使用したこと以外は、上記した実施例1で使用された燃料電池の構成と同じである。
(Comparative Example 1)
The fuel cell used in Comparative Example 1 did not have a fuel supply amount adjustment layer, and was used in Example 1 described above except that a 100 μm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. The configuration is the same as that of the fuel cell.
また、出力の最大値および燃料電池の厚さの測定方法および測定条件は、実施例1における測定方法および測定条件と同じである。
ここで、上記したように、比較例1で測定された出力の最大値を100、燃料電池の厚さを100とした。
The measurement method and measurement conditions for the maximum output value and the thickness of the fuel cell are the same as the measurement method and measurement conditions in Example 1.
Here, as described above, the maximum value of the output measured in Comparative Example 1 was set to 100, and the thickness of the fuel cell was set to 100.
(比較例2)
比較例2で使用された燃料電池は、燃料供給量調整層を有さず、気液分離膜に、厚さが100μmのシリコーンシートを使用したこと以外は、上記した実施例1で使用された燃料電池の構成と同じである。
(Comparative Example 2)
The fuel cell used in Comparative Example 2 did not have a fuel supply amount adjustment layer and was used in Example 1 described above except that a 100 μm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. The configuration is the same as that of the fuel cell.
また、出力の最大値および燃料電池の厚さの測定方法および測定条件は、実施例1における測定方法および測定条件と同じである。
測定の結果、相対的な出力の最大値は、120であった。また、相対的な燃料電池の厚さは、110であった。
The measurement method and measurement conditions for the maximum output value and the thickness of the fuel cell are the same as the measurement method and measurement conditions in Example 1.
As a result of the measurement, the maximum relative output was 120. The relative fuel cell thickness was 110.
(実施例および比較例の測定結果の検討)
上記したように、本発明に係る燃料電池を使用した実施例1〜実施例3における出力の最大値は、比較例1および比較例2における出力の最大値よりも高い値を示した。この結果から、燃料供給量調整層を設けることで、優れた出力特性が得られることがわかった。また、実施例2および比較例2の結果の対比から明らかなように、燃料供給量調整層を設けることで、燃料電池の厚さを増すことなく、気液分離膜の厚さを倍にして燃料の透過量を調整した比較例2と同等の出力の最大値を得ることができることがわかった。
(Examination of measurement results of Examples and Comparative Examples)
As described above, the maximum output value in Examples 1 to 3 using the fuel cell according to the present invention was higher than the maximum output value in Comparative Example 1 and Comparative Example 2. From this result, it was found that excellent output characteristics can be obtained by providing the fuel supply amount adjustment layer. Further, as is clear from the comparison of the results of Example 2 and Comparative Example 2, by providing the fuel supply amount adjustment layer, the thickness of the gas-liquid separation membrane is doubled without increasing the thickness of the fuel cell. It was found that the maximum output value equivalent to that of Comparative Example 2 in which the fuel permeation amount was adjusted could be obtained.
したがって、燃料電池の厚さを変えることなく、膜電極接合体へ供給される気化燃料の供給量の調整が可能であり、要求される電池出力が異なる場合、あるいは起電部面積が異なる燃料電池が必要な場合などに、起電部の構成部材を変更せずに、気化燃料の供給量の最適化を図ることができることがわかった。そのため、シール構造などの燃料電池全体構造の変更も不要であることがわかった。 Therefore, it is possible to adjust the amount of vaporized fuel supplied to the membrane electrode assembly without changing the thickness of the fuel cell, and when the required battery output is different or the fuel cell has a different electromotive part area It has been found that the supply amount of the vaporized fuel can be optimized without changing the constituent members of the electromotive unit, for example. Therefore, it has been found that there is no need to change the overall structure of the fuel cell such as a seal structure.
10…燃料電池、11…燃料極触媒層、12…燃料極ガス拡散層、13…空気極触媒層、14…空気極ガス拡散層、15…電解質膜、16…膜電極接合体、17…燃料極導電層、18…空気極導電層、19…燃料極シール材、20…空気極シール材、21…液体燃料タンク、22…燃料供給量調整層、22a…通過孔、23…気液分離膜、24,26…フレーム、25…気化燃料収容室、27…保湿層、28…表面層、29…空気導入口。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記起電部の前記燃料極および前記空気極のそれぞれの表面に設けられた導電層と、
前記起電部の燃料極側に配設され、液体燃料を収容し、液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する燃料供給部と、
前記燃料供給部の開口部分に配設され、前記燃料供給部からの前記気化成分の通過量を調整する燃料供給量調整層と、
前記燃料供給量調整層と前記導電層との間に配設され、前記燃料供給量調整層からの前記気化成分を透過させる気液分離膜と
を具備したことを特徴とする燃料電池。 An electromotive part composed of a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A conductive layer provided on each surface of the fuel electrode and the air electrode of the electromotive unit;
A fuel supply unit disposed on the fuel electrode side of the electromotive unit, containing liquid fuel and having an opening for deriving a vaporized component of the liquid fuel;
A fuel supply amount adjusting layer that is disposed in an opening portion of the fuel supply unit and adjusts a passing amount of the vaporized component from the fuel supply unit;
A fuel cell comprising: a gas-liquid separation membrane disposed between the fuel supply amount adjustment layer and the conductive layer and allowing the vaporized component from the fuel supply amount adjustment layer to pass therethrough.
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2005
- 2005-11-29 JP JP2005344712A patent/JP2007149564A/en active Pending
Patent Citations (2)
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