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JP2008171674A - Fuel cell - Google Patents

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JP2008171674A JP2007003632A JP2007003632A JP2008171674A JP 2008171674 A JP2008171674 A JP 2008171674A JP 2007003632 A JP2007003632 A JP 2007003632A JP 2007003632 A JP2007003632 A JP 2007003632A JP 2008171674 A JP2008171674 A JP 2008171674A
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Abstract

【課題】燃料極での燃料の反応効率と反応生成物の排出効率を高めることにより、小型であっても高出力な燃料電池を提供することを課題とする。
【解決手段】燃料極に液体燃料を供給する第1の流路13と上記の燃料極からの排出ガスを排出する第2の流路15とを形成する流路板6を備え、該第1の流路と第2の流路とは分離されており、上記の燃料極は、上記の電解質膜側に触媒を含有する電極層と上記の流路板側に拡散層とを有し、上記の第1の流路から該拡散層への液体燃料の供給を抑制する浸透抑制層51を備え、該浸透抑制層は、厚み方向に貫通孔52または貫通溝を有し、該貫通孔または貫通溝内に導電体が配置されていることを特徴とする燃料電池により、上記の課題を解決する。
【選択図】図2
An object of the present invention is to provide a fuel cell having a high output even if it is small by increasing the reaction efficiency of the fuel and the discharge efficiency of the reaction product at the fuel electrode.
A flow path plate (6) is provided that forms a first flow path (13) for supplying liquid fuel to a fuel electrode and a second flow path (15) for discharging exhaust gas from the fuel electrode. And the fuel electrode has an electrode layer containing a catalyst on the electrolyte membrane side and a diffusion layer on the channel plate side, and A permeation suppression layer 51 that suppresses the supply of liquid fuel from the first flow path to the diffusion layer, and the permeation suppression layer has a through hole 52 or a through groove in the thickness direction, and the through hole or the through hole The above problem is solved by a fuel cell in which a conductor is disposed in the groove.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、液体燃料が利用される燃料電池に関し、例えば携帯電話などの小型の電子機器にも内蔵可能な小型化に適した燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell using liquid fuel, and more particularly to a fuel cell suitable for miniaturization that can be incorporated in a small electronic device such as a mobile phone.

燃料電池は、燃料と酸化剤を供給すれば発電する発電装置である。通常、酸化剤には空気が使用できるため、燃料を供給することで連続して発電することができる。このため、燃料電池は、定置用電源のみでなく携帯用電源としても非常に注目されている。   A fuel cell is a power generator that generates power when fuel and an oxidant are supplied. Usually, air can be used as the oxidizer, so that power can be generated continuously by supplying fuel. For this reason, fuel cells are attracting a great deal of attention not only as stationary power sources but also as portable power sources.

通常、定置用の燃料電池などでは、燃料に水素あるいは水素を含有するガスが使用される。しかし、携帯用電源としては、同じ程度の大きさの容器に貯蔵した燃料でより長時間発電できることが利点となるので、燃料としては、体積当たりのエネルギー密度の高い液体燃料を用いる方が有利となる。
なお、改質器を用いて液体燃料から水素を生成して発電に用いることもできるが、燃料電池のシステム全体が複雑になるため、燃料電池の小型化のためには、液体燃料を直接供給する方が容易と考えられている。
Usually, in a stationary fuel cell or the like, hydrogen or a gas containing hydrogen is used as a fuel. However, as a portable power source, it is advantageous to be able to generate power for a long time with fuel stored in a container of the same size, so it is advantageous to use liquid fuel with high energy density per volume as the fuel. Become.
Although hydrogen can be generated from liquid fuel using a reformer and used for power generation, the entire fuel cell system becomes complicated, so liquid fuel is supplied directly to reduce the size of the fuel cell. It is considered easier to do.

液体燃料を燃料極に直接供給するタイプの燃料電池が、特許文献1(特表平11−510311号公報)に開示されている。この燃料電池は、メタノールと水の混合物を燃料に用いる直接型メタノール燃料電池である。   A fuel cell of a type that directly supplies liquid fuel to the fuel electrode is disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Publication No. 11-510311). This fuel cell is a direct methanol fuel cell that uses a mixture of methanol and water as fuel.

図8を参照して、代表的な直接型メタノール燃料電池について説明する。
図8は、ハウジング102内に燃料極104と酸化剤極106と電解質膜108を備えた直接型メタノール燃料電池101を模式的に示す図である。燃料タンク109から燃料ポンプ110によってメタノールと水とが混合された燃料が燃料極室112に供給される。燃料極室112内に供給された燃料は、燃料極104内に浸透して反応し、プロトン(水素イオン)と電子、それに二酸化炭素を生成する。
A typical direct methanol fuel cell will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a diagram schematically showing a direct methanol fuel cell 101 provided with a fuel electrode 104, an oxidant electrode 106, and an electrolyte membrane 108 in a housing 102. A fuel in which methanol and water are mixed is supplied from the fuel tank 109 to the anode chamber 112 by the fuel pump 110. The fuel supplied into the fuel electrode chamber 112 permeates into the fuel electrode 104 and reacts to generate protons (hydrogen ions), electrons, and carbon dioxide.

通常、燃料極104には多孔質材が用いられており、電解質膜108との界面近傍の触媒が担持された層で燃料極104での反応が起こる。燃料極104で生成されたプロトンは電解質膜108を透過して酸化剤極106に移動し、電子は燃料極104から外部回路(図示せず)を経由して酸化剤極106に流れる。この電子が燃料電池の出力として使用される。
二酸化炭素は、燃料極104から燃料極室112に排出され、未反応の燃料とともに出口ポート121から排出される。この出口ポート121から排出された二酸化炭素と未反応の燃料は、燃料タンク109に回収され、二酸化炭素は燃料タンク109に設けられた放出ポート114から排出される。
Usually, a porous material is used for the fuel electrode 104, and a reaction at the fuel electrode 104 occurs in a layer on which a catalyst is supported in the vicinity of the interface with the electrolyte membrane. Protons generated at the fuel electrode 104 pass through the electrolyte membrane 108 and move to the oxidant electrode 106, and electrons flow from the fuel electrode 104 to the oxidant electrode 106 via an external circuit (not shown). These electrons are used as the output of the fuel cell.
Carbon dioxide is discharged from the fuel electrode 104 to the fuel electrode chamber 112 and discharged from the outlet port 121 together with unreacted fuel. The carbon dioxide discharged from the outlet port 121 and unreacted fuel are collected in the fuel tank 109, and the carbon dioxide is discharged from a discharge port 114 provided in the fuel tank 109.

一方、酸化剤極106側では、酸素圧縮機116によって酸素が酸化剤極室118へ供給され、この酸素は酸化剤極室118から酸化剤極106内に拡散する。酸化剤極106では、酸素が燃料極104から拡散してきたプロトンと反応して水を生成する。生成した水は、通常、水蒸気となって酸化剤極室118から未反応の酸素とともに出口ポート120から排出される。図8に示す例では、酸化剤として酸素が使用されている。なお、酸素濃度は低くなるが酸化剤として空気を使用することもできる。   On the other hand, on the oxidant electrode 106 side, oxygen is supplied to the oxidant electrode chamber 118 by the oxygen compressor 116, and this oxygen diffuses from the oxidant electrode chamber 118 into the oxidant electrode 106. In the oxidant electrode 106, oxygen reacts with protons diffused from the fuel electrode 104 to generate water. The generated water is normally converted into water vapor and discharged from the oxidizer electrode chamber 118 through the outlet port 120 together with unreacted oxygen. In the example shown in FIG. 8, oxygen is used as the oxidizing agent. In addition, although oxygen concentration becomes low, air can also be used as an oxidizing agent.

従来の直接型メタノール燃料電池では、燃料であるメタノールと水の混合物は、図8に示すように、燃料極室112に供給され、燃料極室112から燃料極104の拡散層へ浸透して電解質膜108との界面近傍の触媒を含有する層で反応する。そして反応生成物である二酸化炭素が燃料極室内112に排出され、供給されてくる燃料に合流し、未反応の燃料とともに出口ポート121から排出される。燃料電池で高効率かつ安定した発電を行うためには、燃料の供給と反応生成物である二酸化炭素の排出とを効率的かつ安定に行わなければならない。   In the conventional direct methanol fuel cell, a mixture of methanol and water as fuel is supplied to the fuel electrode chamber 112 and penetrates from the fuel electrode chamber 112 to the diffusion layer of the fuel electrode 104 as shown in FIG. It reacts in the layer containing the catalyst in the vicinity of the interface with the membrane 108. Carbon dioxide, which is a reaction product, is discharged into the fuel electrode chamber 112, joins the supplied fuel, and is discharged from the outlet port 121 together with unreacted fuel. In order to perform highly efficient and stable power generation with a fuel cell, it is necessary to efficiently and stably supply fuel and discharge carbon dioxide as a reaction product.

ところで、燃料ポンプ110により供給される燃料の主たる流れは、燃料極室112に送り込まれてから、燃料極室112に設けられた出口ポート121から排出されるものである。このため、燃料極104の反応に直接寄与する燃料極104が有する多孔質材内の燃料の流れは、燃料極室112内での燃料の主たる流れから逸れたものとなってしまう。さらに、燃料極104が有する多孔質材内では、毛細管作用が働くものの、形状や方向の制約を受けることから、燃料極104内へ効率的かつ安定に燃料を供給することが困難であった。このことは、燃料電池としての出力を向上させることや、高効率で長時間発電させることを難しくしていた。また、燃料を高圧で圧送するポンプを用いると、電源装置としての大型化を招くので、特に、携帯用機器などの電源として採用が難しくなる。   By the way, the main flow of the fuel supplied by the fuel pump 110 is sent to the fuel electrode chamber 112 and then discharged from the outlet port 121 provided in the fuel electrode chamber 112. For this reason, the flow of fuel in the porous material of the fuel electrode 104 that directly contributes to the reaction of the fuel electrode 104 deviates from the main flow of fuel in the fuel electrode chamber 112. Furthermore, in the porous material of the fuel electrode 104, although the capillary action works, it is difficult to supply the fuel into the fuel electrode 104 efficiently and stably because of restrictions on the shape and direction. This makes it difficult to improve the output as a fuel cell and to generate power with high efficiency for a long time. Further, when a pump that pumps fuel at a high pressure is used, the power supply device is increased in size, so that it is particularly difficult to adopt it as a power source for portable devices and the like.

ところで、特許文献2(特開2002−175817号公報)では、燃料が供給される燃料流路に燃料が浸透する燃料浸透部材を配置して、燃料極への燃料供給の促進を図っている。
しかし、特許文献2に記載された燃料電池では、燃料浸透部材による浸透でもって燃料を燃料極に供給しているので、燃料極での燃料の反応効率が不十分であり、電池の出力も不十分であった。
特表平11−510311号公報 特開2002−175817号公報
By the way, in patent document 2 (Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-175817), the fuel penetration member which a fuel osmose | permeates is arrange | positioned in the fuel flow path where a fuel is supplied, and the fuel supply to a fuel electrode is promoted.
However, in the fuel cell described in Patent Document 2, the fuel is supplied to the fuel electrode by permeation by the fuel permeation member, so that the reaction efficiency of the fuel at the fuel electrode is insufficient, and the output of the cell is not good. It was enough.
Japanese National Patent Publication No. 11-510311 JP 2002-175817 A

そこで、本発明の課題は、燃料極での燃料の反応効率と反応生成物の排出効率を高めることにより、小型であっても高出力な燃料電池を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell having a high output even if it is small by increasing the reaction efficiency of the fuel at the fuel electrode and the discharge efficiency of the reaction product.

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池は、液体燃料から陽イオンと電子を生成させる燃料極と、該燃料極に対向するように配置され、該燃料極から生成される陽イオンが透過できる電解質膜と、該電解質膜に対向するように配置され、該電解質膜を透過した上記の陽イオンと酸化剤とを反応させる酸化剤極と、上記の燃料極に対向するように配置され、該燃料極に上記の液体燃料を供給する第1の流路と上記の燃料極からの排出ガスを排出する第2の流路とを形成する流路板を備え、該第1の流路と第2の流路とは分離されており、上記の燃料極は、上記の電解質膜側に触媒を含有する電極層と上記の流路板側に拡散層とを有し、上記の第1の流路から該拡散層への液体燃料の供給を抑制する浸透抑制層を備え、該浸透抑制層は、厚み方向に貫通孔または貫通溝を有し、該貫通孔または貫通溝内に導電体が配置されていることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a fuel cell according to the present invention includes a fuel electrode that generates cations and electrons from a liquid fuel, a fuel electrode that is disposed so as to face the fuel electrode, and a cation generated from the fuel electrode. An electrolyte membrane that can permeate, an oxidant electrode that reacts with the cation and the oxidant that has permeated through the electrolyte membrane, and an anode that faces the fuel electrode. And a flow path plate that forms a first flow path for supplying the liquid fuel to the fuel electrode and a second flow path for discharging exhaust gas from the fuel electrode, and the first flow path. And the second flow path are separated from each other, and the fuel electrode includes an electrode layer containing a catalyst on the electrolyte membrane side and a diffusion layer on the flow path plate side, A permeation suppression layer that suppresses the supply of liquid fuel from the flow path to the diffusion layer. Direction has a through hole or through groove, wherein the conductor is disposed in the through hole or through groove.

本発明の燃料電池によれば、第1の流路への液体燃料の供給が低い圧力でなされても燃料極での十分な反応を実現できる。また、本発明の燃料電池によると、燃料極の流路板と拡散層との電気的接続の抵抗値を下げることができ、抵抗成分による電池出力の損失を低減し、電池の外部に取り出せる正味の出力を向上させることができるため、燃料電池を設置または保持する向きに寄らず安定した出力が得られる小型で高出力な燃料電池を実現できる。したがって、本発明の燃料電池は、燃料供給を圧送するポンプなどの設置が難しい携帯機器などの小型電子機器の電源として特に好適である。   According to the fuel cell of the present invention, a sufficient reaction at the fuel electrode can be realized even when the liquid fuel is supplied to the first flow path at a low pressure. Further, according to the fuel cell of the present invention, the resistance value of the electrical connection between the flow path plate of the fuel electrode and the diffusion layer can be lowered, the loss of the battery output due to the resistance component is reduced, and the net that can be taken out of the battery. Therefore, it is possible to realize a small and high-output fuel cell that can obtain a stable output regardless of the direction in which the fuel cell is installed or held. Therefore, the fuel cell of the present invention is particularly suitable as a power source for small electronic devices such as portable devices that are difficult to install, such as a pump for pumping fuel supply.

一般に、モバイル電子機器用の小型燃料電池の場合、流路を非常に狭いスペースに作製する必要があるため、流路内での燃料の圧損が大きく、特に流路全体に燃料を行渡らせることが困難となるため、流路全体に安定した圧力差を生じさせることが困難であった。しかし、本発明の燃料電池は、このような問題点を解決することができる。   In general, in the case of a small fuel cell for mobile electronic devices, the flow path needs to be made in a very narrow space, so the fuel pressure loss in the flow path is large, and in particular, the fuel can be distributed over the entire flow path. Therefore, it is difficult to produce a stable pressure difference across the entire flow path. However, the fuel cell of the present invention can solve such problems.

本発明の燃料電池の好ましい実施形態において、上記の浸透抑制層の貫通孔または貫通溝は、上記の第1の流路と第2の流路の流路とを隔てる流路壁に対向する位置に少なくとも配置されている。
この実施形態によれば、貫通孔または貫通溝が、第1の流路から拡散層への局所的な燃料の透過速度、および拡散層から第2の流路への局所的な排出ガスの透過速度に影響しないので、燃料電池のセル全体にわたって均一な燃料の供給と二酸化炭素などの反応生成物の排出が実現できる。
In a preferred embodiment of the fuel cell of the present invention, the through hole or the through groove of the permeation suppression layer is a position facing the flow path wall that separates the first flow path and the second flow path. Arranged at least.
According to this embodiment, the through-hole or through-groove has a local fuel permeation rate from the first flow path to the diffusion layer, and a local exhaust gas permeation from the diffusion layer to the second flow path. Since the speed is not affected, uniform fuel supply and discharge of reaction products such as carbon dioxide can be realized throughout the fuel cell.

本発明の燃料電池の好ましい実施形態において、上記の貫通孔または貫通溝は、少なくとも上記の第1の流路の周辺を取り囲むように配置されている。
この実施形態によれば、発電セルと流路を積層する際に、第1の流路周辺の流路壁と浸透抑制層の接合面が均一に密着しやすくなり、流路壁と浸透抑制層界面を経由した第1の流路から第2の流路への燃料の漏れをより確実に抑制することができる。このことにより、燃料の供給圧が低くても第1の流路内に液体燃料を充満させ易くなり、第1の流路の部分と、この部分と流路壁を挟んで対向する第2の流路の部分との間に、燃料極の拡散層を透過して燃料が流れる経路の圧力降下に起因する圧力差を流路全体にわたって安定して生じさせることができる。よって、燃料極内での反応により二酸化炭素などの反応生成物が発生しても、第1の流路への二酸化炭素の排出を抑制して第2の流路から二酸化炭素を効率よく排出させることができ、これにより、燃料極での反応(陽イオンと電子の生成)を促進させることができる。
In a preferred embodiment of the fuel cell of the present invention, the through hole or the through groove is disposed so as to surround at least the periphery of the first flow path.
According to this embodiment, when laminating the power generation cell and the flow path, the joint surface between the flow path wall and the permeation suppression layer around the first flow path is easily and uniformly adhered, and the flow path wall and the permeation suppression layer It is possible to more reliably suppress fuel leakage from the first flow path to the second flow path via the interface. This makes it easy to fill the first flow path with the liquid fuel even when the fuel supply pressure is low, and the second flow path portion is opposed to the first flow path portion with the flow path wall interposed therebetween. A pressure difference caused by a pressure drop in a path through which the fuel flows through the diffusion layer of the fuel electrode can be stably generated across the entire flow path. Therefore, even if a reaction product such as carbon dioxide is generated by the reaction in the fuel electrode, the discharge of carbon dioxide to the first flow path is suppressed and carbon dioxide is efficiently discharged from the second flow path. Thus, the reaction at the fuel electrode (generation of cations and electrons) can be promoted.

また、本発明の燃料電池の好ましい実施形態は、上記の第1の流路に接続され、上記の液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、上記の燃料貯蔵部と上記第1の流路との間を接続し、上記の燃料貯蔵部から上記の第1の流路に供給される液体燃料の圧力を調整する圧力調整部とを備える。
この実施形態によれば、圧力調整弁のような圧力調整部によって、液体燃料を第1の流路から燃料極へ安定した圧力で供給でき、かつ、発電セルからの電池出力を低抵抗で損出を抑えて取り出せるため、燃料電池としての安定した出力が得られる。
Further, a preferred embodiment of the fuel cell of the present invention includes a fuel storage unit that is connected to the first flow path and stores the liquid fuel, and includes the fuel storage section and the first flow path. And a pressure adjusting unit that adjusts the pressure of the liquid fuel supplied from the fuel storage unit to the first flow path.
According to this embodiment, the liquid fuel can be supplied from the first flow path to the fuel electrode at a stable pressure by a pressure adjusting unit such as a pressure adjusting valve, and the battery output from the power generation cell can be reduced with low resistance. Stable output as a fuel cell can be obtained because it can be taken out with reduced output.

また、本発明の燃料電池の好ましい実施形態は、上記の酸化剤極に酸化剤を供給するための第3の流路と、該第3の流路に接続された該第3の流路からの排出ガスが導入される第4の流路と、上記の第2の流路に接続された該第2の流路からの排出ガスが導入される第5の流路と、上記の第4の流路と第5の流路に接続された、該第4の流路からの排出ガスと第5の流路からの排出ガスを合流させて排出するガス排出部とを備えている。
この実施形態によれば、第2の流路から排出される気体と酸化剤極からの排出ガスの両方を同じガス排出部から効率的に排出できるので、排出が容易になる。
In addition, a preferred embodiment of the fuel cell of the present invention includes a third flow path for supplying an oxidant to the oxidant electrode, and a third flow path connected to the third flow path. A fourth channel into which the exhaust gas is introduced, a fifth channel into which the exhaust gas from the second channel connected to the second channel is introduced, and the fourth channel And a gas discharge section connected to the fifth flow path and the fifth flow path for discharging the exhaust gas from the fourth flow path and the exhaust gas from the fifth flow path.
According to this embodiment, since both the gas discharged from the second flow path and the exhaust gas from the oxidizer electrode can be efficiently discharged from the same gas discharge section, the discharge becomes easy.

以下、本発明の燃料電池の具体例を、図面を用いてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の燃料電池の第1実施形態の構成を示す平面図である。図2は、図1のA−A’断面図であり、図3は、図1のB−B’断面図である。
(1)燃料電池の構成
この実施形態の燃料電池は、図2に示すように、燃料極1と、燃料極1に対向するように配置された電解質膜2と、燃料極1の反対側で電解質膜2に対向するように配置された酸化剤極3を備える。燃料極1と電解質膜2と酸化剤極3は、燃料極1と酸化剤極3とで電解質膜2を挟んだ状態で、ハウジング5内に収容されている。ハウジング5の一方の面5Aには、燃料極1に対向するように配置された流路板6の縁部6Aが接合され取り付けられている。
Hereinafter, specific examples of the fuel cell of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments.
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view showing the configuration of the first embodiment of the fuel cell of the present invention. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG.
(1) Configuration of Fuel Cell As shown in FIG. 2, the fuel cell according to this embodiment includes a fuel electrode 1, an electrolyte membrane 2 disposed so as to face the fuel electrode 1, and an opposite side of the fuel electrode 1. An oxidant electrode 3 is provided so as to face the electrolyte membrane 2. The fuel electrode 1, the electrolyte membrane 2, and the oxidizer electrode 3 are accommodated in the housing 5 with the electrolyte membrane 2 sandwiched between the fuel electrode 1 and the oxidizer electrode 3. On one surface 5A of the housing 5, an edge portion 6A of a flow path plate 6 disposed so as to face the fuel electrode 1 is joined and attached.

図1に示すように、流路板6は、液体燃料の供給口7をなす貫通口と、排出ガスの排出口8をなす貫通口と、供給口7からくし歯状に延在する第1の流路溝10と、排出口8からくし歯状に延在する第2の流路溝11を有する。
第1の流路溝10と第2の流路溝11とは、所定の厚さの壁12で隔てられ、分離されている。流路板6の壁12は、燃料極1に接している。したがって、第1の流路溝10と燃料極1とで形成される第1の流路13と、第2の流路溝11と燃料極1とで形成される第2の流路15とは壁12で分離されている。
As shown in FIG. 1, the flow path plate 6 includes a through-hole forming a liquid fuel supply port 7, a through-hole forming an exhaust gas discharge port 8, and a first extending from the supply port 7 in a comb shape. And a second channel groove 11 extending from the discharge port 8 in a comb-tooth shape.
The first channel groove 10 and the second channel groove 11 are separated by a wall 12 having a predetermined thickness. The wall 12 of the flow path plate 6 is in contact with the fuel electrode 1. Therefore, the first flow path 13 formed by the first flow path groove 10 and the fuel electrode 1 and the second flow path 15 formed by the second flow path groove 11 and the fuel electrode 1 are They are separated by a wall 12.

この第1実施形態では、例えば、第1の流路13が燃料極1の拡散層17側に開口する開口幅を、2μmから200μm程度とすることができる。また、第2の流路15が拡散層17側に開口する開口幅は、例えば、第1の流路13の開口幅と同程度とすることができる。しかし、本発明においては、流路のサイズを特にこれに限定するものではない。   In the first embodiment, for example, the opening width at which the first flow path 13 opens to the diffusion layer 17 side of the fuel electrode 1 can be set to about 2 μm to 200 μm. Moreover, the opening width which the 2nd flow path 15 opens to the diffusion layer 17 side can be made into the same grade as the opening width of the 1st flow path 13, for example. However, in the present invention, the size of the flow path is not particularly limited to this.

図2に示すように、燃料極1は、電解質膜2側の電極層16と流路板6側の拡散層17とを有する。燃料極1は、さらに、流路板6と、燃料極1の拡散層17との間に挟まれた浸透抑制層51を備える。   As shown in FIG. 2, the fuel electrode 1 includes an electrode layer 16 on the electrolyte membrane 2 side and a diffusion layer 17 on the flow path plate 6 side. The fuel electrode 1 further includes a permeation suppression layer 51 sandwiched between the flow path plate 6 and the diffusion layer 17 of the fuel electrode 1.

浸透抑制層51は、図4に示すように、厚み方向に貫通孔52を有し、貫通孔52内には導電体53が配置される。このことにより、流路板6と拡散層17との電気的接続の抵抗値を下げることができ、抵抗成分による電池出力の損失を低減し電池の外部に取り出せる正味の出力を向上させることができる。貫通孔52は、形状や大きさを特に限定するものではないが、抵抗値を下げるためには、直径50μmから200μm程度のサイズが望ましい。   As shown in FIG. 4, the permeation suppression layer 51 has a through hole 52 in the thickness direction, and a conductor 53 is disposed in the through hole 52. Thereby, the resistance value of the electrical connection between the flow path plate 6 and the diffusion layer 17 can be lowered, the loss of the battery output due to the resistance component can be reduced, and the net output that can be taken out of the battery can be improved. . The through hole 52 is not particularly limited in shape or size, but a diameter of about 50 μm to 200 μm is desirable in order to reduce the resistance value.

該貫通孔52は、少なくとも流路板6に形成された第1の流路13および第2の流路15の流路を隔てる流路壁12に対向する位置に配置される。
貫通孔の位置はこれに限るものではなく、図3に示す貫通孔54のように、第1の流路13と第2の流路15を隔てる流路壁12以外のところに配置されてもよい。このことにより、さらに効果的に流路板6と拡散層17との電気的接続の抵抗値を下げることができる。
The through hole 52 is disposed at a position facing at least the flow path wall 12 separating the flow paths of the first flow path 13 and the second flow path 15 formed in the flow path plate 6.
The position of the through hole is not limited to this, and it may be arranged at a place other than the flow path wall 12 that separates the first flow path 13 and the second flow path 15 as in the through hole 54 shown in FIG. Good. Thereby, the resistance value of the electrical connection between the flow path plate 6 and the diffusion layer 17 can be further effectively reduced.

さらに好適な実施形態においては、貫通孔52は、少なくとも上記第1の流路に沿って周辺を取り囲むように流路壁12に対抗する位置に配置されている。これにより発電セルと流路を積層する際に、第1の流路13周辺の流路壁12と浸透抑制層51の接合面が均一に密着しやすくなり、流路壁12と浸透抑制層51界面を経由した第1の流路13から第2の流路15への燃料の漏れをより確実に抑制することができる。   In a more preferred embodiment, the through hole 52 is disposed at a position facing the flow path wall 12 so as to surround the periphery along at least the first flow path. Thus, when the power generation cell and the flow path are stacked, the joint surface between the flow path wall 12 and the permeation suppression layer 51 around the first flow path 13 is easily and uniformly adhered. It is possible to more reliably suppress fuel leakage from the first flow path 13 to the second flow path 15 via the interface.

また、浸透抑制層51は、流路壁12に沿って連続した貫通溝を有してもよく、これにより流路板6と拡散層17との電気的接続を行ってもよい。これにより、流路板6と拡散層17とを電気的に低抵抗で接続することはもとより、発電セルと流路を積層する際に、第1の流路13周辺の流路壁12と浸透抑制層51の接合面が均一に密着しやすくなり、流路壁12と浸透抑制層51界面を経由した第1の流路13から第2の流路15への燃料の漏れをより確実に抑制することができることは明白である。   Further, the permeation suppression layer 51 may have a continuous through groove along the flow path wall 12, and thereby the electrical connection between the flow path plate 6 and the diffusion layer 17 may be performed. Thereby, not only the flow path plate 6 and the diffusion layer 17 are electrically connected with low resistance but also the flow path wall 12 around the first flow path 13 and the permeation when the power generation cell and the flow path are stacked. The joint surface of the suppression layer 51 can be easily adhered uniformly, and fuel leakage from the first flow path 13 to the second flow path 15 via the interface between the flow path wall 12 and the permeation suppression layer 51 can be more reliably suppressed. It is obvious that you can do it.

酸化剤極3は、ハウジング5の他方の面5Bから延在する蓋部20で覆われており、この蓋部20は、酸化剤として例えば空気が供給される酸化剤導入口20Aと、排出ガスを排出するための排出口20Bを有する。この蓋部20と酸化剤極3との間に酸化剤極側の流路21が形成される。
酸化剤極3は、電解質膜2側の電極層18と蓋部20側の拡散層22とを有する。
The oxidant electrode 3 is covered with a cover part 20 extending from the other surface 5B of the housing 5, and the cover part 20 includes, for example, an oxidant introduction port 20A to which air is supplied as an oxidant, and an exhaust gas. Has a discharge port 20B for discharging the gas. A channel 21 on the oxidant electrode side is formed between the lid 20 and the oxidant electrode 3.
The oxidant electrode 3 includes an electrode layer 18 on the electrolyte membrane 2 side and a diffusion layer 22 on the lid 20 side.

(2)燃料電池の動作
この第1の実施形態では、例えばメタノールと水との混合物が液体燃料として流路板6の供給口7から第1の流路13内に供給される。液体燃料としては、メタノールと水の混合物以外に、メタノールの代わりにエタノール、ジメチルエーテル、プロパノール、エチレングリコールのような炭化水素系の有機燃料を用いることができる。この液体燃料は、第1の流路13から浸透抑制層51を通して燃料極1の拡散層17に供給され、拡散層17内を拡散し浸透して電極層16に達して反応し、陽イオン(H+)と電子および排出ガスとしての二酸化炭素が生成する。陽イオン(H+)は、電解質膜2を経由して、酸化剤極3の電極層18に至る。
(2) Operation of Fuel Cell In this first embodiment, for example, a mixture of methanol and water is supplied as liquid fuel from the supply port 7 of the flow path plate 6 into the first flow path 13. As the liquid fuel, in addition to a mixture of methanol and water, hydrocarbon organic fuels such as ethanol, dimethyl ether, propanol, and ethylene glycol can be used instead of methanol. This liquid fuel is supplied from the first flow path 13 to the diffusion layer 17 of the fuel electrode 1 through the permeation suppression layer 51, diffuses and penetrates through the diffusion layer 17, reaches the electrode layer 16, reacts, and becomes a cation ( H + ) and electrons and carbon dioxide as exhaust gas are produced. The cation (H + ) reaches the electrode layer 18 of the oxidant electrode 3 through the electrolyte membrane 2.

生成された電子は、電極層16から外部回路(図示せず)を経由して、酸化剤極3の電極層18に導かれる。また、燃料極1で生成した二酸化炭素は、壁12の下の拡散層17内を拡散して、第2の流路15に至り、この第2の流路15を通って、排出口8から排出される。   The generated electrons are guided from the electrode layer 16 to the electrode layer 18 of the oxidant electrode 3 via an external circuit (not shown). Further, the carbon dioxide generated at the fuel electrode 1 diffuses in the diffusion layer 17 below the wall 12 to reach the second flow path 15, and passes through the second flow path 15 from the discharge port 8. Discharged.

一方、蓋部20の導入口20Aから導入された酸化剤の一例としての空気は、酸化剤極3の拡散層22内に拡散し、酸化剤極3の電極層18において、燃料極1からの陽イオン(H+)および電子と反応して水蒸気が生成する。生成した水蒸気は流路21を通って排出口20Bから排出される。 On the other hand, the air as an example of the oxidant introduced from the introduction port 20A of the lid 20 diffuses into the diffusion layer 22 of the oxidant electrode 3, and from the fuel electrode 1 in the electrode layer 18 of the oxidant electrode 3. It reacts with cations (H + ) and electrons to produce water vapor. The generated water vapor is discharged from the discharge port 20B through the flow path 21.

本発明の燃料電池においては、酸化剤の種類や供給方向は特に限定されず、空気の代わりに酸素を使用してもよく、また、酸化剤極側の流路21をなくして、ファンや送風ポンプのような送風機構を用いて、酸化剤極3の露出面に酸化剤を直接供給してもよい。   In the fuel cell of the present invention, the type and supply direction of the oxidant are not particularly limited, oxygen may be used instead of air, and the flow path 21 on the oxidant electrode side is eliminated to provide a fan or air blower. The oxidant may be directly supplied to the exposed surface of the oxidant electrode 3 using a blower mechanism such as a pump.

本実施形態では、燃料極1に接している第1の流路13と第2の流路15とが壁12で分離されているので、第1の流路13に供給された液体燃料が、燃料極1を通過せずに直接第2の流路15に流れることはない。つまり、図3に矢印40で示すように、第1の流路13に供給された液体燃料は、燃料極1の拡散層17を経由して第2の流路15に流れる。したがって、燃料極1への燃料供給効率を向上でき、燃料供給量の削減が可能となる。
また、矢印40で示すような流れに沿って、図3に示す第1の流路13の部分と、この部分に壁12を挟んで対向する第2の流路15の部分との間に、燃料極1の拡散層17を透過して燃料が流れる経路の圧力降下に起因する圧力差を生じさせることができる。第1の流路13と第2の流路15との間にこのような局所的な圧力差が発生することにより、燃料極1内での反応による反応生成物として二酸化炭素などが発生しても、第1の流路13への排出を抑制し、第2の流路15から効率よく排出できる。
In the present embodiment, since the first flow path 13 and the second flow path 15 in contact with the fuel electrode 1 are separated by the wall 12, the liquid fuel supplied to the first flow path 13 is It does not flow directly through the second flow path 15 without passing through the fuel electrode 1. That is, as indicated by an arrow 40 in FIG. 3, the liquid fuel supplied to the first flow path 13 flows to the second flow path 15 via the diffusion layer 17 of the fuel electrode 1. Therefore, the fuel supply efficiency to the fuel electrode 1 can be improved, and the fuel supply amount can be reduced.
Further, along the flow as shown by the arrow 40, between the portion of the first flow path 13 shown in FIG. 3 and the portion of the second flow path 15 facing this portion with the wall 12 interposed therebetween, A pressure difference caused by a pressure drop in a path through which the fuel flows through the diffusion layer 17 of the fuel electrode 1 can be generated. When such a local pressure difference is generated between the first flow path 13 and the second flow path 15, carbon dioxide or the like is generated as a reaction product due to the reaction in the fuel electrode 1. In addition, the discharge to the first flow path 13 can be suppressed, and the second flow path 15 can be efficiently discharged.

この第1の実施形態では、図1に示すように、第2の流路15は、壁12で隔てられる第1の流路13との間の距離が、第1の流路13に沿ってほぼ等しくなるように配置されている。そして、第1の流路13の分岐流路の先端部まで全体に液体燃料をいきわたらせることができるため、第1の流路13での液体燃料の圧力と、壁12を挟んで対向する第2の流路15での液体燃料の圧力との間の圧力差を、燃料極1に対向する領域の略全体に亘って略均一にすることができる。よって、燃料の効率的な供給と反応生成物の効率的な排出とを、燃料極1の全体にわたって均一に行うことができる。   In the first embodiment, as shown in FIG. 1, the distance between the second flow path 15 and the first flow path 13 separated by the wall 12 is along the first flow path 13. They are arranged to be almost equal. Since the liquid fuel can be spread all over the tip of the branch flow path of the first flow path 13, the pressure of the liquid fuel in the first flow path 13 is opposed across the wall 12. The pressure difference between the pressure of the liquid fuel in the second flow path 15 can be made substantially uniform over substantially the entire region facing the fuel electrode 1. Therefore, efficient supply of fuel and efficient discharge of reaction products can be performed uniformly over the entire fuel electrode 1.

また、さらに好適な実施形態では、第1の流路13内の圧力は、壁12を隔てて対向する第2の流路15内の圧力に対して所定の圧力差が与えられる。これにより、第1の実施形態の燃料電池が設置又は保持される向きが変動しても、第1の流路13から第2の流路15への拡散層17内の燃料の流れが安定し、また、反応生成物である二酸化炭素の排出効率も安定することから、触媒を含有する電極層16への燃料供給を安定させることができる。   In a more preferred embodiment, the pressure in the first flow path 13 is given a predetermined pressure difference with respect to the pressure in the second flow path 15 facing the wall 12. This stabilizes the flow of fuel in the diffusion layer 17 from the first flow path 13 to the second flow path 15 even if the orientation in which the fuel cell of the first embodiment is installed or held varies. In addition, since the discharge efficiency of carbon dioxide, which is a reaction product, is also stabilized, the fuel supply to the electrode layer 16 containing the catalyst can be stabilized.

通常、0.5μmから1μm程度の孔径の孔を有する多孔質材で作製した拡散層17に、単に液体燃料を流そうとすると、第1の流路13と第2の流路15との間に1気圧から2気圧程度の圧力差を与えなければならない。しかし、この第1実施形態によれば、局所的に短い経路に圧力差を与えることができる。また、燃料極1での反応生成物を効率的に排出できることから、上記の圧力差を、たとえば、0.0001気圧〜0.1気圧程度とした場合でも、安定した燃料供給が可能となる。   Usually, if liquid fuel is simply flowed into the diffusion layer 17 made of a porous material having a pore diameter of about 0.5 μm to 1 μm, the gap between the first flow path 13 and the second flow path 15 will be described. Must have a pressure difference of about 1 to 2 atmospheres. However, according to the first embodiment, a pressure difference can be given to a short path locally. Further, since the reaction product at the fuel electrode 1 can be efficiently discharged, stable fuel supply is possible even when the pressure difference is set to about 0.0001 atm to 0.1 atm, for example.

さらに、浸透抑制層51が、拡散層17に比べて液体燃料の透過係数が1桁から2桁程度低い材料で構成されるため、第1の流路13から拡散層17への液体燃料の拡散が抑制される。このことにより、液体燃料が拡散層17に局所的に浸透してしまう前に、液体燃料を第1の流路13の末端まで行き渡らせることができ、かつ流路内に液体燃料を充満させることもできる。このように、第1の流路13から拡散層17へ燃料を直接供給する場合よりもさらに低い供給圧で第1の流路13内に液体燃料を充満させ易くなるので、第1の流路13の部分と、この部分に壁12を挟んで対向する第2の流路15の部分との間に、燃料極1の拡散層17を透過して燃料が流れる経路の圧力降下に起因する圧力差を流路全体にわたって安定して生じさせることができる。よって、燃料極1内での反応により二酸化炭素などが発生しても、第1の流路13への排出を抑制して第2の流路15から効率よく排出させることができ、これにより、燃料極1での反応(陽イオンと電子の生成)を促進させることができる。   Furthermore, since the permeation suppression layer 51 is made of a material having a liquid fuel permeability coefficient lower by about 1 to 2 digits than that of the diffusion layer 17, the diffusion of the liquid fuel from the first flow path 13 to the diffusion layer 17. Is suppressed. This allows the liquid fuel to reach the end of the first flow path 13 before the liquid fuel locally penetrates the diffusion layer 17 and fills the flow path with the liquid fuel. You can also. Thus, since it becomes easier to fill the first flow path 13 with liquid fuel at a lower supply pressure than when the fuel is directly supplied from the first flow path 13 to the diffusion layer 17, the first flow path Between the portion 13 and the portion of the second flow path 15 opposed to this portion with the wall 12 interposed therebetween, and the pressure caused by the pressure drop in the path through which the fuel flows through the diffusion layer 17 of the fuel electrode 1 The difference can be generated stably over the entire flow path. Therefore, even if carbon dioxide or the like is generated due to a reaction in the fuel electrode 1, it can be efficiently discharged from the second flow path 15 by suppressing the discharge to the first flow path 13, Reaction (generation of cations and electrons) at the fuel electrode 1 can be promoted.

一般的に、燃料極での反応に必要な液体燃料は、例えばメタノールと水を燃料に用いる燃料電池で150mW/cm2程度の発電を想定した場合、単位面積当たり数μリットル/分程度である。したがって、それ以上の燃料を供給しても、この過剰の燃料は、拡散層に充満している燃料を押し出すために利用されるか、電解質膜を拡散して出力低下の要因となり、燃料の利用効率がより低下してしまう。つまり、燃料極の反応は、燃料の供給量には律速しておらず、反応律速の状態で反応が進行しているため、本発明のように浸透抑制層51を用いても、反応に必要な燃料を十分に供給して反応を継続することができる。 In general, the liquid fuel necessary for the reaction at the fuel electrode is, for example, about several μl / min per unit area assuming a power generation of about 150 mW / cm 2 in a fuel cell using methanol and water as fuel. . Therefore, even if more fuel is supplied, this excess fuel can be used to push out the fuel that fills the diffusion layer, or it can diffuse the electrolyte membrane and cause a decrease in output. Efficiency will decrease more. In other words, the reaction of the fuel electrode is not rate-determined by the amount of fuel supplied, and the reaction proceeds in a reaction-controlled state. Therefore, even if the permeation suppression layer 51 is used as in the present invention, the reaction is necessary. A sufficient amount of fuel can be supplied to continue the reaction.

上記のように、燃料電池において燃料の反応効率を向上させるためには、より多くの液体燃料を拡散層17に供給することよりも、狭い第1の流路13を通して液体燃料を流路全体に均一に行き渡らせることが重要である。本発明の燃料電池においては、浸透抑制層51が流路の途中で必要以上に液体燃料が拡散層17に浸透するのを防ぎ、液体燃料を流路内に流すことができるため、液体燃料の供給量(供給圧)も少なくできる。つまり液体反応に使われる燃料の利用効率を高めることができる。   As described above, in order to improve the reaction efficiency of the fuel in the fuel cell, the liquid fuel is supplied to the entire flow path through the narrow first flow path 13 rather than supplying more liquid fuel to the diffusion layer 17. It is important to distribute evenly. In the fuel cell of the present invention, since the permeation suppression layer 51 prevents the liquid fuel from penetrating the diffusion layer 17 more than necessary in the middle of the flow path, and the liquid fuel can flow into the flow path, The supply amount (supply pressure) can also be reduced. That is, the utilization efficiency of the fuel used for the liquid reaction can be increased.

(3)燃料極
燃料極1の拡散層17としては、従来公知の材料を用いることができ、例えばカーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材が挙げられる。
上記の多孔質材の孔径は、第1の流路13からの液体燃料を拡散層17内へ引き込み得るものであればよく、特に限定されるものではない。この実施形態では、拡散層17をなす多孔質材の孔径を、数μmから数10μm程度とした。この多孔質材に、燃料を所定の流量で流そうとすると、所定の圧力を加えなければならないが、多孔質材の末端で反応が起こり、燃料が消費される場合には、より低い圧力で同じ流量の燃料を流すことができることを確認している。
(3) Fuel electrode Conventionally known materials can be used for the diffusion layer 17 of the fuel electrode 1, for example, carbon paper, a sintered body of carbon, a sintered metal such as nickel, and a porous material such as foam metal. Can be mentioned.
The pore diameter of the porous material is not particularly limited as long as the liquid fuel from the first flow path 13 can be drawn into the diffusion layer 17. In this embodiment, the pore diameter of the porous material forming the diffusion layer 17 is about several μm to several tens of μm. If fuel is to flow through the porous material at a predetermined flow rate, a predetermined pressure must be applied, but if a reaction occurs at the end of the porous material and the fuel is consumed, the pressure is lower. It has been confirmed that the same flow rate of fuel can be flowed.

上記の電極層16は、従来公知の材料で作製でき、例えば金属触媒を含む樹脂層が挙げられる。該金属触媒としては、例えば白金―ルテニウム合金などが用いられるが、その他に、白金と金、白金とオスミウム、白金とロジウムなどの合金を用いることができる。また、電極層16の樹脂層として、例えば、パーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂が用いられる。   Said electrode layer 16 can be produced with a conventionally well-known material, for example, the resin layer containing a metal catalyst is mentioned. As the metal catalyst, for example, a platinum-ruthenium alloy or the like is used, but other alloys such as platinum and gold, platinum and osmium, platinum and rhodium can be used. Further, as the resin layer of the electrode layer 16, for example, a perfluoroalkyl sulfonic acid resin is used.

上記の浸透抑制層51としては、燃料極1の拡散層17に比べて液体燃料を透過しにくい供給抑制構造を有する材料を用いることができる。上記の浸透抑制層としては、例えば、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂を用いることができる。該浸透抑制層は、好ましくは多孔質材である。   As the permeation suppression layer 51, a material having a supply suppression structure that is less permeable to liquid fuel than the diffusion layer 17 of the fuel electrode 1 can be used. As said penetration suppression layer, fluororesins, such as a polyimide and polytetrafluoroethylene (PTFE), can be used, for example. The permeation suppression layer is preferably a porous material.

上記の浸透抑制層51の膜厚や多孔質材の孔径は、拡散層17の膜厚や孔径に応じて相対的に決まるものであり、特に限定されないが、例えば膜厚が1μmから30μm程度、多孔質材の孔径が0.01μm〜1μm程度のものを用いることができる。好ましくは、浸透抑制層51の透過速度は、拡散層17の透過速度に対して、例えばガーレー試験機法により測定した透気度として1桁から2桁程度低いものが望ましい。上記の浸透抑制層51は、燃料の透過速度が拡散層17の透過速度に対して1桁から2桁程度低いものであれば多孔質材に限るものではなく、微細孔を有しないものでもよい。   The film thickness of the permeation suppression layer 51 and the pore diameter of the porous material are relatively determined according to the film thickness and the pore diameter of the diffusion layer 17, and are not particularly limited. For example, the film thickness is about 1 μm to 30 μm, A porous material having a pore diameter of about 0.01 μm to 1 μm can be used. Preferably, the permeation suppression layer 51 has a permeation rate that is lower than the permeation rate of the diffusion layer 17 by, for example, about one to two digits as the air permeability measured by the Gurley tester method. The permeation suppression layer 51 is not limited to a porous material as long as the fuel permeation rate is lower by about 1 to 2 digits than the permeation rate of the diffusion layer 17, and may not have micropores. .

上記の浸透抑制層51に配置される貫通孔を形成する方法としては、レーザーアブレーションやパンチングやドリルなどの機械的な窄孔手段が挙げられる。貫通孔52内の導電体53は、無電解めっきにより形成した金薄膜を用いることができる。また、貫通溝は、レーザーアブレーション法によって連続的に加工することにより作製することができる。   Examples of a method for forming the through hole arranged in the permeation suppression layer 51 include mechanical constriction means such as laser ablation, punching, and drill. As the conductor 53 in the through hole 52, a gold thin film formed by electroless plating can be used. Further, the through groove can be produced by continuously processing by a laser ablation method.

燃料極1において、電極層16と拡散層17とは、電極層16に拡散層17をホットプレスなどにより圧着するか、又は電極層16が樹脂である場合、拡散層17に拡散層16の材料となる樹脂を含浸させて熱処理することにより、積層することができる。
さらに、浸透抑制層51は、該浸透抑制層の材料である上記の樹脂を拡散層17に含浸させて熱処理することにより得ることができる。あるいは、多孔質の上記の樹脂を電極層16と拡散層17上に積層して熱処理して形成してもよい。
燃料極を構成するこれらの層を形成する順序は特に限定されず、電極層と拡散層とを積層した後に浸透抑制層を形成してもよいし、浸透抑制層と拡散層とを積層した後に電極層を形成してもよい。
In the fuel electrode 1, the electrode layer 16 and the diffusion layer 17 are formed by pressing the diffusion layer 17 on the electrode layer 16 by hot pressing or the like, or when the electrode layer 16 is a resin, the material of the diffusion layer 16 on the diffusion layer 17. It can be laminated by impregnating a resin to be heat treated.
Further, the permeation suppression layer 51 can be obtained by impregnating the diffusion layer 17 with the above-mentioned resin, which is a material of the permeation suppression layer, and performing a heat treatment. Alternatively, the porous resin may be formed on the electrode layer 16 and the diffusion layer 17 and heat-treated.
The order of forming these layers constituting the fuel electrode is not particularly limited, and the permeation suppression layer may be formed after laminating the electrode layer and the diffusion layer, or after laminating the permeation suppression layer and the diffusion layer. An electrode layer may be formed.

(4)電解質膜
電解質膜2の材質としては、プロトン伝導性で燃料極及び酸化剤極の反応(発熱反応)に耐え得る耐熱性とプロトン伝導性の酸性雰囲気に耐え得る耐酸性の材料であれば特に限定されず、有機材料又は無機材料のいずれを用いることもできる。本実施形態においては、有機系の含フッ素高分子を骨格とするスルホン酸基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン117(登録商標) (デュポン社製))を用いている。また、電解質膜2は、プロトン伝導性の機能を有すればよく、他の基材に電解質膜を埋め込んだものであってもよい。
(5)酸化剤極
酸化剤極の電極層18は、燃料極1の電極層16と同様に、金属触媒を含む樹脂層で作製される。拡散層22は、燃料極1の拡散層17と同様に、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材を用いることができる。
(4) Electrolyte membrane The material of the electrolyte membrane 2 may be proton-conductive, heat-resistant material that can withstand the reaction (exothermic reaction) of the fuel electrode and the oxidant electrode, and acid-resistant material that can withstand proton-conductive acidic atmosphere. There is no particular limitation, and either an organic material or an inorganic material can be used. In this embodiment, sulfonic acid group-containing perfluorocarbon (Nafion 117 (registered trademark) (manufactured by DuPont)) having an organic fluorine-containing polymer as a skeleton is used. The electrolyte membrane 2 only needs to have a proton-conducting function, and may be one in which the electrolyte membrane is embedded in another base material.
(5) Oxidant Electrode The electrode layer 18 of the oxidant electrode is made of a resin layer containing a metal catalyst, like the electrode layer 16 of the fuel electrode 1. The diffusion layer 22 may be made of a porous material such as carbon paper, a sintered body of carbon, a sintered metal such as nickel, or a foam metal, as in the diffusion layer 17 of the fuel electrode 1.

酸化剤極3は、従来公知の方法により製造することができ、例えば上記の燃料極の電極層と拡散層とを積層する方法について記載した方法などを用いて製造することができる。   The oxidant electrode 3 can be manufactured by a conventionally known method. For example, the oxidant electrode 3 can be manufactured by using the method described for laminating the electrode layer and the diffusion layer of the fuel electrode.

(6)流路板
上記の流路板6としては、液体燃料に対する透過性の無い基板を用いることができ、例えばニッケルなどの金属からなる基板、シリコン基板、ガラス基板、アクリルやPDMSなどの樹脂基板などを用いることができる。本実施形態においては、流路板6として微細加工を施したニッケル基板を用いている。
(6) Flow path plate As the flow path plate 6, a substrate that is not permeable to liquid fuel can be used. For example, a substrate made of a metal such as nickel, a silicon substrate, a glass substrate, a resin such as acrylic or PDMS. A substrate or the like can be used. In the present embodiment, a nickel substrate subjected to fine processing is used as the flow path plate 6.

流路板6が導電性のないガラス基板など絶縁性の材料からなる場合は、図5に示すように導電性の配線層61を、流路板と浸透抑制層との間に挿入してもよい。本実施形態では、配線層61としては、貫通孔52内の導電体53と同様に、無電解めっきで形成した金薄膜を用いている。   When the channel plate 6 is made of an insulating material such as a non-conductive glass substrate, the conductive wiring layer 61 may be inserted between the channel plate and the permeation suppression layer as shown in FIG. Good. In the present embodiment, as the wiring layer 61, a gold thin film formed by electroless plating is used similarly to the conductor 53 in the through hole 52.

(7)ハウジング
上記のハウジング5は、従来公知の燃料電池の筐体として用いられる材質からなるものであってよく、例えば炭素樹脂、又は上記流路板と同様に、ガラス、アクリル並びにPDMSなどの樹脂などが挙げられる。
(7) Housing The housing 5 may be made of a material used as a casing of a conventionally known fuel cell. For example, as with the carbon resin or the flow path plate, glass, acrylic, PDMS, etc. Resin etc. are mentioned.

本発明の燃料電池において、上記の流路板6やハウジング5などにPDMSなど可撓性の樹脂材料を用いている場合、図6に示すように、流路板6やハウジングが撓んだ場合においても、流路板6と拡散層17とを電気的に低抵抗で安定して接続することができる。さらに、発電セルと流路を積層する際に、第1の流路13周辺の流路壁12と浸透抑制層51の接合面の密着性が保てるために、流路壁12と浸透抑制層51界面を経由した第1の流路13から第2の流路15への燃料の漏れをより確実に抑制することができる。   In the fuel cell of the present invention, when a flexible resin material such as PDMS is used for the flow path plate 6 and the housing 5, the flow path plate 6 and the housing are bent as shown in FIG. In this case, the flow path plate 6 and the diffusion layer 17 can be stably connected with low electrical resistance. Further, when the power generation cell and the flow path are stacked, the adhesion between the joint surface of the flow path wall 12 and the permeation suppression layer 51 around the first flow path 13 can be maintained. It is possible to more reliably suppress fuel leakage from the first flow path 13 to the second flow path 15 via the interface.

(8)燃料電池の組み立て
本発明の燃料電池は、従来公知の方法により得ることができ、例えば上記のようにして得られた電解質膜2に燃料極1及び酸化剤極3をホットプレスにより接合して膜電極複合体を作製し、上記の流路板6に上記の膜電極複合体を積層し、それに上記の酸化剤室と一体化したハウジング5を被せ、流路板6とハウジング5を接着することにより得ることができる。
(8) Assembly of fuel cell The fuel cell of the present invention can be obtained by a conventionally known method. For example, the fuel electrode 1 and the oxidant electrode 3 are joined to the electrolyte membrane 2 obtained as described above by hot pressing. Then, the membrane electrode composite is prepared, the membrane electrode composite is laminated on the flow path plate 6, and the housing 5 integrated with the oxidant chamber is covered with the flow path plate 6 and the housing 5. It can be obtained by bonding.

(9)従来の燃料電池との比較
浸透抑制層51がない従来の燃料電池においては、第1の流路13の燃料の供給開始位置に近い流路付近で液体燃料が第1の流路13から拡散層17へ拡散する量が多くなり、第1の流路13の末端まで燃料が行き渡らせにくくなるので、非常に高い燃料供給圧が必要となる。
(9) Comparison with Conventional Fuel Cell In the conventional fuel cell without the permeation suppression layer 51, the liquid fuel is in the vicinity of the first flow path 13 near the fuel supply start position in the first flow path 13. As a result, the amount of diffusion from the diffusion layer 17 to the diffusion layer 17 increases and it becomes difficult for the fuel to reach the end of the first flow path 13, so a very high fuel supply pressure is required.

浸透抑制層51を用いずに拡散層17そのもの浸透速度を低くしても、第1の流路13に低い燃料供給圧で液体燃料を行き渡らせることはできるが、拡散層17内の燃料の浸透(拡散)そのものが遅くなるため、反応に必要な燃料を十分に供給(補充)することができず、燃料電池の出力が低くなる。   Even if the diffusion rate of the diffusion layer 17 itself is lowered without using the permeation suppression layer 51, the liquid fuel can be distributed to the first flow path 13 with a low fuel supply pressure. However, the permeation of fuel in the diffusion layer 17 can be achieved. Since (diffusion) itself becomes slow, the fuel necessary for the reaction cannot be sufficiently supplied (supplemented), and the output of the fuel cell is lowered.

従来のように、供給される燃料の主な流れが拡散層を経由しない流路(つまり、流路が第1の流路と第2の流路に分離されていない流路)を有し、浸透抑制層を有さない燃料電池を作製したところ、数100μリットル/分の燃料供給が必要であった。これに対して、主な流れが拡散層を経由する本実施形態の燃料電池では、数10μリットル/分以下の燃料供給で、上記の従来の燃料電池と同等の出力が得られた。すなわち、本発明の燃料電池は、従来の燃料電池に比べて燃料の利用効率が1桁程度向上することが確認できた。   As in the prior art, the main flow of the supplied fuel has a flow path that does not pass through the diffusion layer (that is, the flow path is not separated into the first flow path and the second flow path), When a fuel cell having no permeation suppression layer was produced, it was necessary to supply a fuel of several hundred μl / min. On the other hand, in the fuel cell of this embodiment in which the main flow passes through the diffusion layer, an output equivalent to the above-described conventional fuel cell can be obtained with a fuel supply of several tens of microliters / minute or less. That is, it has been confirmed that the fuel cell of the present invention improves the fuel utilization efficiency by about one digit compared to the conventional fuel cell.

(第2の実施の形態)
次に、図7に、この発明の第2の実施形態としての燃料電池を模式的に示す。この第2実施形態は、上記の第1の実施形態の燃料電池の構成に加えて、流路板6の供給口7に順に接続された圧力調整部81と燃料貯蔵部82、および流路板6の排出口8に接続されたガス排出部83と、蓋部20の酸化剤導入口20に接続された酸化剤圧送部84とを備えた。したがって、この第2の実施形態では、第1実施形態と同じ構成の部分には同じ符号を付して、第1の実施形態と異なる点を主に説明する。
(Second embodiment)
Next, FIG. 7 schematically shows a fuel cell as a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, in addition to the configuration of the fuel cell of the first embodiment described above, a pressure adjusting unit 81, a fuel storage unit 82, and a channel plate connected in sequence to the supply port 7 of the channel plate 6 6, a gas discharge portion 83 connected to the discharge port 8, and an oxidant pumping portion 84 connected to the oxidant introduction port 20 of the lid portion 20. Therefore, in the second embodiment, parts having the same configuration as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and different points from the first embodiment will be mainly described.

燃料貯蔵部82は流路85で圧力調整部81に接続され、圧力調整部81は流路86で供給口7に接続されている。また、蓋部20と酸化剤極3との間に形成された流路21は、酸化剤極3に酸化剤の一例としての酸素あるいは空気を供給するための第3の通路をなす。酸化剤圧送部84は、酸化剤を酸化剤導入口20Aから流路21に供給する。
この蓋部20の排出口20Bには、流路21からの排出ガス(例えば水蒸気)が導入される第4の流路87の一端が接続され、第4の流路87の他端はガス排出部83に接続されている。このガス排出部83は、排出口8に一端が接続された第5の流路88の他端が接続されている。この第5の流路88には第2の流路15からの排出ガス(例えば二酸化炭素)が導入される。
The fuel storage unit 82 is connected to the pressure adjustment unit 81 through a flow path 85, and the pressure adjustment unit 81 is connected to the supply port 7 through a flow path 86. Further, the flow path 21 formed between the lid 20 and the oxidant electrode 3 forms a third passage for supplying oxygen or air as an example of the oxidant to the oxidant electrode 3. The oxidant pumping unit 84 supplies the oxidant to the flow path 21 from the oxidant inlet 20A.
One end of a fourth flow path 87 into which exhaust gas (for example, water vapor) from the flow path 21 is introduced is connected to the discharge port 20B of the lid portion 20, and the other end of the fourth flow path 87 is a gas discharge. Connected to the unit 83. The gas discharge part 83 is connected to the other end of the fifth flow path 88 whose one end is connected to the discharge port 8. Exhaust gas (for example, carbon dioxide) from the second flow path 15 is introduced into the fifth flow path 88.

燃料貯蔵部82は、燃料に対して耐性を有する材料からなる容器であってよい。このような材料としては、硬質塩化ビニル樹脂、PTFEやエポキシの硬質樹脂、PDMSなどシリコン樹脂、ガラス繊維や炭素繊維などを複合した樹脂などの樹脂材料、アルミニウムやチタン、防食処理したマグネシウム合金などの金属材料が挙げられる。
流路85、86,87及び88は、燃料に対して耐性を有する材料からなる管状部材からなるものである。該材料としては、硬質塩化ビニル樹脂、PTFEやエポキシの硬質樹脂、シリコン樹脂などが挙げられる。
The fuel storage unit 82 may be a container made of a material resistant to fuel. Such materials include hard vinyl chloride resin, PTFE and epoxy hard resin, silicon resin such as PDMS, resin materials such as resin combined with glass fiber and carbon fiber, aluminum and titanium, magnesium alloy treated with anticorrosion, etc. A metal material is mentioned.
The flow paths 85, 86, 87 and 88 are made of a tubular member made of a material resistant to fuel. Examples of the material include hard vinyl chloride resin, PTFE and epoxy hard resin, and silicon resin.

この第2実施形態によれば、燃料貯蔵部82に貯蔵された液体燃料(例えばメタノールと水との混合物)を、減圧弁又は圧力調整弁などで構成され得る圧力調整部81を用いて、液体燃料を第1の流路13から燃料極1へ安定に供給でき、燃料電池としての出力向上を図ることができる。また、常に運転するポンプを使用する場合に比べて電力消費が少なくてすむことから、電力の損失を抑えて燃料電池としての出力を高めることができる。   According to the second embodiment, the liquid fuel (for example, a mixture of methanol and water) stored in the fuel storage unit 82 is liquidated using the pressure adjusting unit 81 that can be configured by a pressure reducing valve or a pressure adjusting valve. The fuel can be stably supplied from the first flow path 13 to the fuel electrode 1, and the output of the fuel cell can be improved. In addition, since power consumption is less than when a pump that is always operated is used, it is possible to suppress power loss and increase the output as a fuel cell.

また、この第2実施形態によれば、燃料極1からの使用済み燃料としての排出ガスと酸化剤極3からの水蒸気などの排出ガスとの両方の排出ガスを同じ1つのガス排出部83から排出できるので、排出ガスの回収が容易になる。   Further, according to the second embodiment, both exhaust gas as spent fuel from the fuel electrode 1 and exhaust gas such as water vapor from the oxidant electrode 3 are discharged from the same single gas discharge unit 83. Since it can be discharged, it is easy to collect the exhaust gas.

第2の実施形態において、第1の流路13内の圧力と第2の流路15内の圧力との圧力差を検知する手段としての圧力センサ(図示せず)を備えてもよい。この場合には、この圧力センサが検知した圧力差に基づいて、圧力調整部81が第1の流路13内の圧力を調整することで、上記の圧力差を所定の範囲(例えば、0.0001気圧〜0.1気圧程度)に保つことが可能となる。よって、温度変化や気圧変化などの環境変化が生じた場合においても、燃料の供給量を安定させ、燃料電池の出力を安定させることができる。   In the second embodiment, a pressure sensor (not shown) may be provided as means for detecting a pressure difference between the pressure in the first flow path 13 and the pressure in the second flow path 15. In this case, the pressure adjustment unit 81 adjusts the pressure in the first flow path 13 based on the pressure difference detected by the pressure sensor, so that the pressure difference is within a predetermined range (for example, 0. 0001 atmospheres to about 0.1 atmospheres). Therefore, even when an environmental change such as a temperature change or a pressure change occurs, the amount of fuel supply can be stabilized and the output of the fuel cell can be stabilized.

本発明の燃料電池の第1実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows 1st Embodiment of the fuel cell of this invention. 図1のA−A’断面図である。It is A-A 'sectional drawing of FIG. 図1のB−B’断面図である。It is B-B 'sectional drawing of FIG. 浸透抑制層の断面図である。It is sectional drawing of a permeation suppression layer. 本発明の燃料電池の第1実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1st Embodiment of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の第1実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1st Embodiment of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の第2実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 2nd Embodiment of the fuel cell of this invention. 従来の直接型メタノール燃料電池の断面図である。It is sectional drawing of the conventional direct methanol fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料極
2 電解質膜
3 酸化剤極
5 ハウジング
6 流路板
7 供給口
8 排出口
10 第1の流路溝
11 第2の流路溝
12 壁
13 第1の流路
15 第2の流路
16 電極層
17 拡散層
18 電極層
20 蓋部
21 酸化剤極側の流路
22 拡散層
51 浸透抑制層
52 貫通孔
53 導電体
61 配線層
81 圧力調整部
82 燃料貯蔵部
83 ガス排出部
84 酸化剤圧送部
85 流路
86 流路
87 第4の流路
88 第5の流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel electrode 2 Electrolyte membrane 3 Oxidant electrode 5 Housing 6 Flow path plate 7 Supply port 8 Discharge port 10 1st flow path groove 11 2nd flow path groove 12 Wall 13 1st flow path 15 2nd flow path 16 Electrode layer 17 Diffusion layer 18 Electrode layer 20 Lid 21 Oxidant electrode side flow path 22 Diffusion layer 51 Permeation suppression layer 52 Through hole 53 Conductor 61 Wiring layer 81 Pressure adjustment unit 82 Fuel storage unit 83 Gas discharge unit 84 Oxidation Agent pressure feeding section 85 flow path 86 flow path 87 fourth flow path 88 fifth flow path

Claims (5)

液体燃料から陽イオンと電子を生成させる燃料極と、
前記燃料極に対向するように配置され、前記燃料極から生成される陽イオンが透過できる電解質膜と、
前記電解質膜に対向するように配置され、前記電解質膜を透過した前記陽イオンと酸化剤とを反応させる酸化剤極と、
前記燃料極に対向するように配置され、前記燃料極に前記液体燃料を供給する第1の流路と前記燃料極からの排出ガスを排出する第2の流路とを形成する流路板を備え、
前記第1の流路と前記第2の流路とは分離されており、
前記燃料極は、
前記電解質膜側に触媒を含有する電極層と前記流路板側に拡散層とを有し、
前記第1の流路から前記拡散層への前記液体燃料の供給を抑制する浸透抑制層を備え、
前記浸透抑制層は、厚み方向に貫通孔または貫通溝を有し、
前記貫通孔または貫通溝内に導電体が配置されている
燃料電池。
An anode that generates cations and electrons from liquid fuel;
An electrolyte membrane disposed so as to face the fuel electrode and capable of transmitting a cation generated from the fuel electrode;
An oxidant electrode disposed so as to face the electrolyte membrane and reacting the cation and the oxidant that have permeated the electrolyte membrane;
A flow path plate arranged to face the fuel electrode and forming a first flow path for supplying the liquid fuel to the fuel electrode and a second flow path for discharging exhaust gas from the fuel electrode; Prepared,
The first flow path and the second flow path are separated;
The fuel electrode is
An electrode layer containing a catalyst on the electrolyte membrane side and a diffusion layer on the flow path plate side;
A permeation suppression layer that suppresses the supply of the liquid fuel from the first flow path to the diffusion layer;
The permeation suppression layer has a through hole or a through groove in the thickness direction,
A fuel cell in which a conductor is disposed in the through hole or the through groove.
前記貫通孔または貫通溝が、前記第1の流路と第2の流路とを隔てる流路壁に対向する位置に少なくとも配置されている請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the through-hole or the through-groove is at least disposed at a position facing a flow path wall that separates the first flow path and the second flow path. 前記貫通孔または貫通溝が、少なくとも前記第1の流路の周辺を取り囲むように配置されている請求項2に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 2, wherein the through hole or the through groove is disposed so as to surround at least the periphery of the first flow path. 前記第1の流路に接続され、前記液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記燃料貯蔵部と前記第1の流路との間を接続し、前記燃料貯蔵部から前記第1の流路に供給される液体燃料の圧力を調整する圧力調整部と
を備える請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。
A fuel storage unit connected to the first flow path for storing the liquid fuel;
The pressure adjustment part which connects between the said fuel storage part and the said 1st flow path, and adjusts the pressure of the liquid fuel supplied to the said 1st flow path from the said fuel storage part. 4. The fuel cell according to any one of 3 above.
前記酸化剤極に前記酸化剤を供給するための第3の流路と、
前記第3の流路に接続された前記第3の流路からの排出ガスが導入される第4の流路と、
前記第2の流路に接続された前記第2の流路からの排出ガスが導入される第5の流路と、
前記第4の流路と第5の流路とに接続された、前記第4の流路からの排出ガスと前記第5の流路からの排出ガスを合流させて排出するガス排出部と
を備える請求項4に記載の燃料電池。
A third flow path for supplying the oxidant to the oxidant electrode;
A fourth flow path into which exhaust gas from the third flow path connected to the third flow path is introduced;
A fifth flow path into which exhaust gas from the second flow path connected to the second flow path is introduced;
A gas discharge section connected to the fourth flow path and the fifth flow path for discharging the exhaust gas from the fourth flow path and the exhaust gas from the fifth flow path to be discharged; The fuel cell according to claim 4 provided.
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