JP2009004170A

JP2009004170A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2009004170A
Application number: JP2007162746A
Authority: JP
Inventors: Arata Nakamura; 新中村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2009-01-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the safety of a fuel cell by eliminating alkaline electrolyte in the fuel being supplied. <P>SOLUTION: An alkaline type fuel cell using organic liquid fuel is equipped with a fuel electrode 10 comprising a fuel electrode catalyst layer 12 and a fuel electrode diffusion electrode 11; an oxidant electrode 20 comprising an oxidant electrode catalyst layer 22 and an oxidant electrode diffusion electrode 21; a separator 30 interposed between the fuel electrode 10 and the oxidant electrode 20 and capable of permeating hydroxide ions; and an electrolyte permeation suppressing membrane 61, interposed in between fuel 50 which is supplied and the fuel electrode 10 and suppressing permeation of an alkaline electrolyte from the fuel electrode 10 side to the fuel 50 side. An aqueous solution containing the alkaline electrolyte is present, in a region between the electrolyte permeation suppressing membrane 61 and the oxidant electrode 20. The fuel 50 which is supplied is the organic liquid fuel does not contain alkaline electrolyte. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、有機液体燃料を用いるアルカリ型の燃料電池に関する。 The present invention relates to an alkaline fuel cell using an organic liquid fuel.

固体高分子型燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた固体高分子電解質膜から構成され、燃料極には燃料が供給され、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。固体高分子電解質膜、燃料極、及び酸化剤極の構造体は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称される。燃料極および酸化剤極は、拡散電極と、拡散電極表面に備えられた触媒層とを含む。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易な有機液体であるメタノールの使用が拡大している。メタノールを燃料とした燃料電池には、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型燃料電池や、メタノールを燃料として直接利用する直接型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）があり、それらの開発も盛んに行われている（例えば、特許文献１参照）。 A polymer electrolyte fuel cell is composed of a fuel electrode and an oxidant electrode, and a solid polymer electrolyte membrane provided between them. Fuel is supplied to the fuel electrode, and oxidant is supplied to the oxidant electrode. The power is generated by electrochemical reaction. The structure of the solid polymer electrolyte membrane, the fuel electrode, and the oxidant electrode is referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly). The fuel electrode and the oxidant electrode include a diffusion electrode and a catalyst layer provided on the surface of the diffusion electrode. As a fuel, hydrogen is generally used, but in recent years, the use of methanol, which is an inexpensive and easy-to-handle organic liquid, has been expanded. Fuel cells using methanol as fuel include methanol reforming fuel cells that reform hydrogen to produce hydrogen and direct fuel cells (DMFC) that use methanol directly as fuel. Their development is also actively performed (see, for example, Patent Document 1).

燃料電池には、電解質膜を透過するイオンの種類がプロトンである酸型燃料電池と、水酸化物イオンであるアルカリ型燃料電池の２種類がある。アルカリ型燃料電池の場合は、燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応では、理想的には以下の化学式１のようになる。 There are two types of fuel cells: an acid fuel cell in which the type of ions that permeate the electrolyte membrane is proton, and an alkaline fuel cell in which the ions are hydroxide ions. In the case of an alkaline fuel cell, when methanol is used as the fuel, the reaction at the fuel electrode is ideally represented by the following chemical formula 1.

（化１）
燃料極；ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ− → ５Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２↑ ＋６ｅ⁻ (Chemical formula 1)
Fuel electrode: CH ₃ OH + 6OH − → 5H ₂ O + CO ₂ ↑ + 6e ⁻

また、酸化剤極での反応は以下の化学式２のようになる。 Further, the reaction at the oxidant electrode is represented by the following chemical formula 2.

（化２）
酸化剤極；３／２Ｏ_２＋３Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻ → ６ＯＨ⁻ (Chemical formula 2)
Oxidizer electrode; 3 / 2O ₂ + 3H ₂ O + 6e ⁻ → 6OH ⁻

このようなアルカリ型燃料電池は、カソード触媒の高価な貴金属系以外の触媒を使用することが可能になるために、燃料電池の低コスト化が期待でき、また、燃料電池本来のエネルギー密度が非常に高いという特徴も有する。 Since such an alkaline fuel cell can use a catalyst other than an expensive noble metal-based cathode catalyst, the cost of the fuel cell can be expected to be low, and the original energy density of the fuel cell is extremely high. It is also characterized by being very expensive.

酸型燃料電池用途には、ナフィオンを代表とする燃料電池用の高性能の固体高分子型電解質が存在する。ところが、アルカリ型燃料電池には、効率よく水酸化物イオンを輸送できる固体高分子型の電解質が存在しない。このため、アルカリ型燃料電池では、酸型燃料電池のように、触媒と固体高分子電解質の混合物からなる燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた固体高分子電解質膜から構成されるＭＥＡを基本とする燃料電池セルで、発電をすることができない。 For acid fuel cell applications, there are high-performance solid polymer electrolytes for fuel cells represented by Nafion. However, an alkaline fuel cell does not have a solid polymer electrolyte that can efficiently transport hydroxide ions. For this reason, an alkaline fuel cell is composed of a fuel electrode and an oxidant electrode made of a mixture of a catalyst and a solid polymer electrolyte, and a solid polymer electrolyte membrane provided therebetween, like an acid fuel cell. It is not possible to generate electricity with a fuel cell based on MEA.

そこで、一般にアルカリ型燃料電池では、燃料極触媒層と燃料極拡散層からなる燃料極と、酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散層からなる酸化剤極の間に、電解質膜の代わりにセパレータと称する燃料極と酸化剤極を分離する層状の膜を有する構造体を形成し、この構造体全体が、アルカリ性電解質が溶解した燃料で満たされる形態をとっている。 Therefore, in general, in an alkaline fuel cell, a separator instead of an electrolyte membrane is provided between a fuel electrode composed of a fuel electrode catalyst layer and a fuel electrode diffusion layer, and an oxidant electrode composed of an oxidant electrode catalyst layer and an oxidant electrode diffusion layer. A structure having a layered film separating the fuel electrode and the oxidant electrode is formed, and the entire structure is filled with a fuel in which an alkaline electrolyte is dissolved.

このため、このようなアルカリ型燃料電池に供給する燃料には、アルカリ性電解質が含まれている。 For this reason, the fuel supplied to such an alkaline fuel cell contains an alkaline electrolyte.

特表２００２−５００８０６号公報Special Table 2002-500806

しかしながら、アルカリ型燃料電池において、燃料中に電解質成分であるアルカリが含まれることは、燃料電池を一般的に普及させるためには好ましくない。つまり、燃料電池の燃料は、一般のユーザが交換することを想定しなければならないところ、カートリッジ型の燃料交換システムにしたとしても、液漏れの危険性を完全に回避することは不可能であり、一般ユーザが燃料を直接触れなければならない事態が発生する可能性がある。このような場合においては、燃料が比較的安全な有機液体水溶液で、電解質であるアルカリを含まないことが望まれる。 However, in an alkaline fuel cell, it is not preferable that the fuel contains an alkali as an electrolyte component in order to spread the fuel cell generally. In other words, the fuel of the fuel cell must be assumed to be replaced by a general user, but even with a cartridge-type fuel replacement system, it is impossible to completely avoid the risk of liquid leakage. There is a possibility that a general user has to touch the fuel directly. In such a case, it is desirable that the fuel is a relatively safe organic liquid aqueous solution and does not contain an alkali as an electrolyte.

本発明の主な課題は、供給される燃料にアルカリ性電解質を含まないようにすることにより、アルカリ型燃料電池の安全性を向上させることである。 The main subject of this invention is improving the safety | security of an alkaline fuel cell by making the supplied fuel contain no alkaline electrolyte.

本発明の第１の視点においては、有機液体燃料を用いるアルカリ型の燃料電池において、燃料極触媒層と燃料極拡散電極からなる燃料極と、酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散電極からなる酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極の間に配されるとともに水酸化物イオンが透過可能なセパレータと、供給される燃料と前記燃料極の間に配されるとともに前記燃料極側から前記燃料側へのアルカリ性電解質の透過を抑制する電解質透過抑制膜と、を備え、前記電解質透過抑制膜と前記酸化剤極の間の領域にアルカリ性電解質を含む水溶液を有することを特徴とする。 In a first aspect of the present invention, in an alkaline fuel cell using an organic liquid fuel, a fuel electrode composed of a fuel electrode catalyst layer and a fuel electrode diffusion electrode, and an oxidant electrode catalyst layer and an oxidant electrode diffusion electrode. An oxidant electrode, a separator disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode and permeable to hydroxide ions, and disposed between the supplied fuel and the fuel electrode and on the fuel electrode side An electrolyte permeation suppression membrane that suppresses permeation of the alkaline electrolyte from the fuel side to the fuel side, and has an aqueous solution containing an alkaline electrolyte in a region between the electrolyte permeation suppression membrane and the oxidant electrode.

本発明の前記燃料電池において、前記酸化剤極の外部側の面に配されるとともに前記酸化剤極からの水分蒸発を抑制する乾燥防止層を備えることが好ましい。 In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the fuel cell further includes a drying prevention layer that is disposed on an outer surface of the oxidant electrode and suppresses evaporation of moisture from the oxidant electrode.

本発明の前記燃料電池において、供給される前記燃料と前記燃料極の間に配されるとともに前記燃料側から前記燃料極側への前記燃料の透過を抑制する燃料透過抑制膜を備えることが好ましい。 The fuel cell of the present invention preferably includes a fuel permeation suppression film disposed between the supplied fuel and the fuel electrode and suppressing permeation of the fuel from the fuel side to the fuel electrode side. .

本発明の前記燃料電池において、供給される前記燃料は、アルカリ性電解質を含有しない有機液体燃料であることが好ましい。 In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the supplied fuel is an organic liquid fuel not containing an alkaline electrolyte.

本発明によれば、アルカリ型の燃料電池においてアルカリ性電解質を含まない燃料を供給することにより、発電を維持することが可能となる。また、一般ユーザが交換しなければならない燃料を、比較的安全な有機液体の水溶液とすることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to maintain power generation by supplying a fuel that does not contain an alkaline electrolyte in an alkaline fuel cell. Moreover, it becomes possible to make the fuel which a general user must replace | exchange with the aqueous solution of a comparatively safe organic liquid.

（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る燃料電池について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。 (Embodiment 1)
A fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a single cell structure of a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.

図１を参照すると、燃料電池は、アルカリ型の燃料電池であり、単セルにおいて、燃料極１０および酸化剤極２０と、これらの間に設けられたセパレータ３０から構成された構造体（積層体）を有する。この構造体は、燃料５０を収容する容器４０の開口部を密封するように、燃料極１０を燃料５０側に向けた状態で容器４０の開口部に装着されている。燃料極１０と燃料５０との間に電解質透過抑制膜６１が設けられている。電解質透過抑制膜６１と酸化剤極２０の間の領域には、アルカリ性電解質を含有する水溶液を有する。容器４０には、燃料極１０で発生する二酸化炭素を外部に排出するためのＣＯ_２排出孔４０ａが形成されている。 Referring to FIG. 1, the fuel cell is an alkaline fuel cell, and in a single cell, a structure (laminated body) composed of a fuel electrode 10 and an oxidant electrode 20 and a separator 30 provided therebetween. ). This structure is attached to the opening of the container 40 with the fuel electrode 10 facing the fuel 50 side so as to seal the opening of the container 40 containing the fuel 50. An electrolyte permeation suppression film 61 is provided between the fuel electrode 10 and the fuel 50. A region between the electrolyte permeation suppression film 61 and the oxidizer electrode 20 has an aqueous solution containing an alkaline electrolyte. The container 40 is formed with a CO ₂ discharge hole 40a for discharging carbon dioxide generated in the fuel electrode 10 to the outside.

燃料極１０は、燃料極拡散電極１１と燃料極触媒層１２の２層構造になっている。燃料極拡散電極１１は、燃料５０側に配され、電解質透過抑制膜６１と接している。燃料極触媒層１２は、セパレータ３０側に配され、セパレータ３０と接している。燃料極１０には、燃料５０が電解質透過抑制膜６１を透過して供給される。 The fuel electrode 10 has a two-layer structure of a fuel electrode diffusion electrode 11 and a fuel electrode catalyst layer 12. The fuel electrode diffusion electrode 11 is disposed on the fuel 50 side and is in contact with the electrolyte permeation suppression film 61. The fuel electrode catalyst layer 12 is disposed on the separator 30 side and is in contact with the separator 30. A fuel 50 is supplied to the fuel electrode 10 through the electrolyte permeation suppression film 61.

燃料極拡散電極１１には、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属、金属繊維シート等の導電性多孔性材料を用いることができる。このうち、焼結金属、発泡金属、金属繊維シート等の金属を用いることにより、燃料極１０の集電特性を向上させることができる。 For the fuel electrode diffusion electrode 11, a conductive porous material such as carbon paper, a carbon molded body, a carbon sintered body, a sintered metal, a foamed metal, and a metal fiber sheet can be used. Among these, the current collection characteristics of the fuel electrode 10 can be improved by using a metal such as a sintered metal, a foam metal, or a metal fiber sheet.

燃料極触媒層１２は、触媒を担持した炭素粒子を含み、燃料極拡散電極１１上に形成した構成とすることができる。燃料極触媒層１２の触媒には、例えば、白金、金、銀、鉄、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等を用いることができる。また、燃料極触媒層１２には、水酸化物イオン伝導性固体高分子型電解質を含むことも可能である。 The fuel electrode catalyst layer 12 may include a carbon particle supporting a catalyst and may be formed on the fuel electrode diffusion electrode 11. Examples of the catalyst of the fuel electrode catalyst layer 12 include platinum, gold, silver, iron, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, cobalt, nickel, rhenium, lithium, lanthanum, strontium, yttrium, or alloys thereof. Can be used. The fuel electrode catalyst layer 12 can also contain a hydroxide ion conductive solid polymer electrolyte.

酸化剤極２０は、酸化剤極拡散電極２１と酸化剤極触媒層２２の２層構造になっている。酸化剤極拡散電極２１は、外部側に配されている。酸化剤極触媒層２２は、セパレータ３０側に配され、セパレータ３０と接している。酸化剤極２０には、酸化剤が供給される。 The oxidant electrode 20 has a two-layer structure of an oxidant electrode diffusion electrode 21 and an oxidant electrode catalyst layer 22. The oxidant electrode diffusion electrode 21 is arranged on the outside side. The oxidant electrode catalyst layer 22 is disposed on the separator 30 side and is in contact with the separator 30. An oxidizing agent is supplied to the oxidizing agent electrode 20.

酸化剤極拡散電極２１には、燃料極拡散電極１１と同様に、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属、金属繊維シート等の導電性多孔性材料を用いることができ、焼結金属、発泡金属、金属繊維シート等の金属を用いることにより、酸化剤極２０の集電特性を向上させることができる。 Like the fuel electrode diffusion electrode 11, the oxidant electrode diffusion electrode 21 is made of a conductive porous material such as carbon paper, a carbon molded body, a carbon sintered body, a sintered metal, a foam metal, a metal fiber sheet, or the like. The current collecting characteristics of the oxidizer electrode 20 can be improved by using a metal such as a sintered metal, a foam metal, or a metal fiber sheet.

酸化剤極触媒層２２は、触媒を担持した炭素粒子を含み、酸化剤極拡散電極２１上に形成した構成とすることができる。酸化剤極触媒層２２の触媒としては、燃料極触媒層１２と同様のものを用いることができ、同様の物質を使用することができる。なお、酸化剤極触媒層２２の触媒は、燃料極触媒層１２の触媒と同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。また、酸化剤極触媒層２２には、水酸化物イオン伝導性固体高分子型電解質を含むことも可能である。 The oxidant electrode catalyst layer 22 includes carbon particles supporting a catalyst and can be formed on the oxidant electrode diffusion electrode 21. As the catalyst of the oxidant electrode catalyst layer 22, the same catalyst as that of the fuel electrode catalyst layer 12 can be used, and the same substance can be used. The catalyst of the oxidant electrode catalyst layer 22 may be the same as or different from the catalyst of the fuel electrode catalyst layer 12. Further, the oxidant electrode catalyst layer 22 may contain a hydroxide ion conductive solid polymer electrolyte.

ここで、燃料５０には、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、シクロパラフィン等の液体炭化水素等、ホルマリン、ギ酸、あるいはヒドラジン等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、有機液体燃料を含む水溶液とすることができる。また、酸化剤には、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを用いると高い出力を得ることができる。 Here, as the fuel 50, an organic liquid fuel such as methanol, ethanol, dimethyl ether, other alcohols, liquid hydrocarbons such as cycloparaffin, formalin, formic acid, or hydrazine can be used. The organic liquid fuel can be an aqueous solution containing the organic liquid fuel. In addition, air can usually be used as the oxidizing agent, but high output can be obtained when oxygen gas is used.

セパレータ３０は、燃料極１０と酸化剤極２０を隔てるとともに、両電極の間でアルカリ性電解質を含む水溶液を介して、水酸化物イオンを透過させる役割を有する。このため、セパレータ３０は、少なくとも水酸化物イオンの伝導性を透過させることができれば、多孔膜であっても、稠密な膜であってもよい。セパレータ３０を構成する材料として、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの多孔膜を用いることができ、水酸化物イオンを輸送できる陰イオン交換樹脂膜を好適に用いることができる。 The separator 30 separates the fuel electrode 10 and the oxidant electrode 20 and has a role of allowing hydroxide ions to pass through the aqueous solution containing an alkaline electrolyte between the electrodes. For this reason, the separator 30 may be a porous film or a dense film as long as it can transmit at least the conductivity of hydroxide ions. As a material constituting the separator 30, a porous film such as polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used, and an anion exchange resin film capable of transporting hydroxide ions can be preferably used.

電解質透過抑制膜６１は、燃料極１０と酸化剤極２０とセパレータ３０から構成される構造体（燃料極１０）側から燃料５０側へのアルカリ性電解質の透過を抑制する膜である。電解質透過抑制膜６１の機能は、液体中に含まれるアルカリ性電解質成分のみの透過を抑制し、燃料５０中に含まれるアルコールなどの有機液体燃料や、水の透過を抑制しないことである。電解質透過抑制膜６１の材料としては、水酸化物イオンの透過を抑制する、もしくは、透過できないものである。水酸化物イオンの透過を抑制する膜として、陰イオン交換樹脂膜を用いることができる。陰イオン交換樹脂膜は、陰イオンである水酸化物イオンを透過することは可能であるが、対イオンの陽イオンの透過が抑制されるために、水酸化物イオンは、膜間の電荷中性を保つために、燃料５０側へのその透過が抑制される。 The electrolyte permeation suppression film 61 is a film that suppresses permeation of alkaline electrolyte from the structure (fuel electrode 10) side composed of the fuel electrode 10, the oxidant electrode 20, and the separator 30 to the fuel 50 side. The function of the electrolyte permeation suppression membrane 61 is to suppress the permeation of only the alkaline electrolyte component contained in the liquid and not to permeate the organic liquid fuel such as alcohol or water contained in the fuel 50. As a material of the electrolyte permeation suppression film 61, the permeation of hydroxide ions is suppressed or cannot be permeated. An anion exchange resin membrane can be used as a membrane that suppresses permeation of hydroxide ions. Although an anion exchange resin membrane can transmit hydroxide ions, which are anions, the permeation of counterions cations is suppressed. In order to maintain the property, permeation to the fuel 50 side is suppressed.

電解質透過抑制膜６１と酸化剤極２０の間のアルカリ性電解質を含む水溶液は、酸化剤極２０で生成される水酸化物イオンをセパレータ３０で透過して燃料極１０に輸送する役割がある。 The aqueous solution containing the alkaline electrolyte between the electrolyte permeation suppression membrane 61 and the oxidant electrode 20 has a role of transporting hydroxide ions generated at the oxidant electrode 20 through the separator 30 to the fuel electrode 10.

燃料５０は、電解質透過抑制膜６１を挟んで燃料極１０の反対側にある容器４０内にある燃料５０から供給される。電解質透過抑制膜６１は燃料５０を透過させるので、燃料極１０に必要な燃料５０を供給することができる。一方、電解質透過抑制膜６１は電解質成分の透過を抑制するので、電解質透過抑制膜６１と酸化剤極２０の間に存在するアルカリ電解質成分が、燃料５０側に拡散することを最小に抑える。このため、容器４０内の燃料５０には電解質成分をほとんど含まない状態を維持することができ、電解質透過抑制膜６１は発電に必要な有機液体水溶液である燃料５０のみを燃料極１０側に供給するだけで、発電を定常的に継続することができる。 The fuel 50 is supplied from the fuel 50 in the container 40 on the opposite side of the fuel electrode 10 with the electrolyte permeation suppression film 61 interposed therebetween. Since the electrolyte permeation suppression membrane 61 allows the fuel 50 to permeate, the necessary fuel 50 can be supplied to the fuel electrode 10. On the other hand, since the electrolyte permeation suppression membrane 61 suppresses permeation of the electrolyte component, the alkaline electrolyte component existing between the electrolyte permeation suppression membrane 61 and the oxidizer electrode 20 is suppressed from diffusing to the fuel 50 side to the minimum. For this reason, the fuel 50 in the container 40 can maintain a state containing almost no electrolyte component, and the electrolyte permeation suppression film 61 supplies only the fuel 50, which is an organic liquid aqueous solution necessary for power generation, to the fuel electrode 10 side. By simply doing so, power generation can be continued constantly.

電解質透過を抑制できるメカニズムは以下のように説明される。電解質は、陽イオンと陰イオンから構成されている。アルカリ型のように、水酸化物イオンが陰イオンである場合、それに対応する陽イオンが存在する。例えば、アルカリ型燃料に加えられる電解質として、例えば、ＫＯＨを考えると陽イオンは、カリウムイオンである。カリウムイオンは、プラスの電荷を有しているために、プラス電荷を帯びた膜に対しては、クーロン反発により、膜の透過が抑制される。電解質の陽イオンが透過できない膜が存在すると、対イオンである陰イオンは、電荷の中性条件を保つために、陰イオンのみが、その膜を透過することはできなくなり、陰イオンの透過を抑制することができる。 The mechanism that can suppress electrolyte permeation is described as follows. The electrolyte is composed of a cation and an anion. When the hydroxide ion is an anion as in the alkali type, there is a corresponding cation. For example, as an electrolyte added to an alkaline fuel, for example, considering KOH, the cation is a potassium ion. Since potassium ions have a positive charge, permeation of the membrane is suppressed by a Coulomb repulsion for a positively charged membrane. If there is a membrane that does not allow the electrolyte cation to pass through, the anion, which is the counter ion, maintains the neutral conditions of the charge, so that only the anion cannot pass through the membrane. Can be suppressed.

これに対して、電荷を有していない有機液体で、燃料となりえるアルコールや水は、膜が電荷を帯びていても、影響を受けにくいので、膜を透過することができる。この原理により電解質のみが透過できない膜が存在する。このような膜に対応する電解質透過抑制膜６１を燃料極１０と燃料５０の間に配することにより、前述の通り、容器４０内の燃料５０に電解質を含むことのないアルカリ型燃料電池を構成することができる。 On the other hand, alcohol or water that is an organic liquid that has no charge and can serve as a fuel can hardly permeate the membrane even if the membrane is charged. Due to this principle, there exists a membrane through which only the electrolyte cannot permeate. By disposing the electrolyte permeation suppression membrane 61 corresponding to such a membrane between the fuel electrode 10 and the fuel 50, as described above, an alkaline fuel cell in which the fuel in the container 40 does not contain an electrolyte is configured. can do.

次に、本発明の実施形態１に係る燃料電池における燃料極、酸化剤極、セパレータ、及び電解質透過抑制膜の構造体の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the structure of the fuel electrode, the oxidizer electrode, the separator, and the electrolyte permeation suppression membrane in the fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention will be described.

図１の燃料電池における燃料極、酸化剤極、セパレータ、及び電解質透過抑制膜の構造体の製造方法は、特に制限がないが、例えば、以下のようにして製造することができる。 The method for producing the structure of the fuel electrode, the oxidant electrode, the separator, and the electrolyte permeation suppression membrane in the fuel cell of FIG. 1 is not particularly limited, but can be produced, for example, as follows.

まず、燃料極１０および酸化剤極２０を作製する。これらは、例えば、カーボンペーパーなどの拡散電極上に、触媒物質とバインダとを含む触媒層を形成することにより得られる。まず、炭素粒子へ触媒を担持する。この工程は、一般的に用いられている含浸法によって行うことができる。次に、触媒を担持させた炭素粒子とバインダを溶媒に分散させ、ペースト状とした後、これを燃料極拡散電極１１または酸化剤極拡散電極２１に塗布、乾燥させることによって燃料極触媒層１２または酸化剤極触媒層２２が形成された燃料極１０および酸化剤極２０を作製することができる。 First, the fuel electrode 10 and the oxidant electrode 20 are produced. These can be obtained, for example, by forming a catalyst layer containing a catalyst substance and a binder on a diffusion electrode such as carbon paper. First, a catalyst is supported on carbon particles. This step can be performed by a commonly used impregnation method. Next, the carbon particles carrying the catalyst and the binder are dispersed in a solvent to form a paste, which is then applied to the fuel electrode diffusion electrode 11 or the oxidant electrode diffusion electrode 21 and dried to thereby prepare the fuel electrode catalyst layer 12. Alternatively, the fuel electrode 10 and the oxidant electrode 20 on which the oxidant electrode catalyst layer 22 is formed can be produced.

ここで、バインダとしては、ＰＴＦＥの微粒子を用いることができる。また、ナフィオンを固体電解質としてではなく、バインダとして用いることもできる。 Here, as the binder, fine particles of PTFE can be used. Further, Nafion can be used not as a solid electrolyte but as a binder.

また、燃料極拡散電極１１または酸化剤極拡散電極２１へのペーストの塗布方法については、特に制限がないが、例えば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷等の方法を用いることができる。ペーストは、約１μｍ〜２ｍｍの厚さで塗布される。ペーストを塗布した後、使用するバインダに応じた加熱温度および加熱時間で加熱して乾燥させる。 Moreover, there is no restriction | limiting in particular about the coating method of the paste to the fuel electrode diffusion electrode 11 or the oxidant electrode diffusion electrode 21, For example, methods, such as brush coating, spray coating, and screen printing, can be used. The paste is applied with a thickness of about 1 μm to 2 mm. After applying the paste, the paste is heated and dried at a heating temperature and a heating time according to the binder to be used.

次に、セパレータ３０を、燃料極１０および酸化剤極２０で挟み、ホットプレスし、電極構造体を得る。このとき、両電極の触媒層が設けられた面とセパレータ３０とが対向するようにする。また、ホットプレスの条件は、材料に応じて選択されるが、例えば、触媒層のバンイダーの軟化温度やガラス転位温度を超える温度とする。具体的には、温度１００〜２５０℃、圧力５〜１００ｋｇｆ／ｃｍ^２、時間１０〜３００秒程度とする。また、セパレータ３０には、前述のようにＰＴＦＥ多孔膜や、陰イオン交換樹脂膜を用いることができる。 Next, the separator 30 is sandwiched between the fuel electrode 10 and the oxidant electrode 20 and hot pressed to obtain an electrode structure. At this time, the surface on which the catalyst layers of both electrodes are provided and the separator 30 face each other. The hot pressing conditions are selected according to the material, and are, for example, temperatures exceeding the softening temperature of the vanider of the catalyst layer or the glass transition temperature. Specifically, the temperature is 100 to 250 ° C., the pressure is 5 to 100 kgf / cm ² , and the time is about 10 to 300 seconds. Further, as described above, a PTFE porous film or an anion exchange resin film can be used for the separator 30.

こうして得られた構造体の燃料極１０の燃料極拡散電極１１の表面に電解質透過抑制膜６１を設けることで、図１の燃料電池における燃料極、酸化剤極、セパレータ、及び電解質透過抑制膜の構造体が得られる。 By providing the electrolyte permeation suppression film 61 on the surface of the fuel electrode diffusion electrode 11 of the fuel electrode 10 of the structure thus obtained, the fuel electrode, oxidant electrode, separator, and electrolyte permeation suppression film of the fuel cell of FIG. A structure is obtained.

なお、電解質透過抑制膜６１と酸化剤極２０の間にはアルカリ性電解質を含む水溶液を注入することになるが、例えば、燃料極、酸化剤極、セパレータ、及び電解質透過抑制膜の構造体を容器４０に装着した後に、ＣＯ_２排出孔４０ａからアルカリ性電解質を含む水溶液を注入すればよい。 An aqueous solution containing an alkaline electrolyte is injected between the electrolyte permeation suppression membrane 61 and the oxidizer electrode 20. For example, the structure of the fuel electrode, the oxidizer electrode, the separator, and the electrolyte permeation suppression membrane is used as a container. After mounting on 40, an aqueous solution containing an alkaline electrolyte may be injected from the CO ₂ discharge hole 40a.

実施形態１によれば、アルカリ型の燃料電池において、容器４０内にアルカリ性電解質を含まない燃料５０を供給することにより、発電を維持することが可能となる。また、一般ユーザが交換しなければならない燃料５０を、比較的安全な有機液体の水溶液とすることが可能となる。 According to the first embodiment, in the alkaline fuel cell, it is possible to maintain power generation by supplying the fuel 50 not containing an alkaline electrolyte into the container 40. In addition, the fuel 50 that must be replaced by a general user can be a relatively safe aqueous solution of an organic liquid.

（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る燃料電池について図面を用いて説明する。図２は、本発明の実施形態２に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。 (Embodiment 2)
A fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a single cell structure of a fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.

実施形態２に係る燃料電池は、酸化剤極２０からの水分蒸発を抑制するための乾燥防止層６２が設けられている。その他の構成は、実施形態１と同様である。 The fuel cell according to Embodiment 2 is provided with a dry prevention layer 62 for suppressing moisture evaporation from the oxidant electrode 20. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

乾燥防止層６２は、酸化剤極２０の酸化剤が供給される側に設けられている。乾燥防止層６２には、気液分離膜を用いることができる。気液分離膜は、一般に多孔体で、酸化剤極２０で生成する液体である水の透過を阻止し、気体である酸化剤の酸素などを取り込むことができる材料で構成することができる。また、乾燥防止層６２には、多孔質体の表面を気液分離膜用の材料で覆うことによって得られる部材を用いることもできる。これらの気液分離膜を用いると、必要以上の気体の出入りが抑制されるために乾燥を防止する効果がある。気液分離膜には、例えば、撥水性の材料を好適に用いることができる。具体的には、例えば、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のパーフルオロポリマー、ポリメタクリル酸１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロオクチル、ポリアクリル酸１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシル等のポリフルオロアルキルアクリレート、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化エチレンプロピレン等のフルオロオレフィンが挙げられる。また、ポリ塩化ビニリデン、ポリアセタール、ブタジエンとアクリルニトリルとの共重合体樹脂等を用いることもできる。 The anti-drying layer 62 is provided on the side of the oxidant electrode 20 to which the oxidant is supplied. A gas-liquid separation membrane can be used for the drying prevention layer 62. The gas-liquid separation membrane is generally a porous body, and can be made of a material that prevents permeation of water, which is a liquid generated at the oxidant electrode 20, and can take in oxygen or the like of the oxidant that is a gas. In addition, a member obtained by covering the surface of the porous body with a gas-liquid separation membrane material can also be used for the drying prevention layer 62. Use of these gas-liquid separation membranes has an effect of preventing drying because of unnecessary gas entry and exit. For the gas-liquid separation membrane, for example, a water-repellent material can be suitably used. Specifically, for example, perfluoropolymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polymethacrylic acid 1H, 1H-perfluorooctyl, polyacrylic acid 1H , 1H, 2H, 2H-perfluorodecyl and the like, and fluoroolefins such as polyvinyl fluoride and polyfluorinated ethylene propylene. Polyvinylidene chloride, polyacetal, a copolymer resin of butadiene and acrylonitrile, or the like can also be used.

また、乾燥防止層６２として、酸化剤極２０の表面に保水性を有するシート部材をもちいてもよい。また、酸化剤極２０の表面に多孔質基材を配置し、その表面に保水性ポリマーの溶液を塗布し、乾燥させて乾燥防止層６２としてもよい。 Further, a sheet member having water retention property on the surface of the oxidizer electrode 20 may be used as the anti-drying layer 62. Alternatively, a porous substrate may be disposed on the surface of the oxidizer electrode 20, and a water-retaining polymer solution may be applied to the surface and dried to form the anti-drying layer 62.

また、乾燥防止層６２として、保水性のセルロース繊維シートと酸化剤供給孔を有する板状部材から構成されたものを用いることもできる。ここで、酸化剤供給孔を有する板とは、アルミニウム板、ステンレス板等の金属板や、酸化剤供給孔を有するＰＴＦＥ板等のプラスチック板としてもよい。酸化剤供給孔の孔径は、例えば１μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、とすることができる。こうすることにより、酸化剤を確実に酸化剤極２０に供給することができる。また、酸化剤供給孔の孔径は、例えば、５０００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下とすることができる。また、板状部材の開口率は、例えば、１０％以上、好ましくは３０％以上とすることができる。こうすることにより、酸化剤を酸化剤極２０に確実に供給する構成とすることができる。また、保水性のセルロース繊維シートの開口率は、例えば９０％以下、好ましくは７０％以下とすることができる。こうすることにより、乾燥防止層６２において水を外部に流出させないことができる。 Further, as the anti-drying layer 62, a layer composed of a plate-like member having a water-retaining cellulose fiber sheet and an oxidizing agent supply hole can be used. Here, the plate having an oxidant supply hole may be a metal plate such as an aluminum plate or a stainless steel plate, or a plastic plate such as a PTFE plate having an oxidant supply hole. The hole diameter of the oxidizing agent supply hole can be set to, for example, 1 μm or more, preferably 10 μm or more. By doing so, the oxidant can be reliably supplied to the oxidant electrode 20. Moreover, the hole diameter of an oxidizing agent supply hole can be 5000 micrometers or less, for example, Preferably it can be 100 micrometers or less. Moreover, the aperture ratio of a plate-shaped member can be 10% or more, for example, Preferably it can be 30% or more. By doing so, the oxidant can be reliably supplied to the oxidant electrode 20. The opening ratio of the water-retaining cellulose fiber sheet can be 90% or less, preferably 70% or less, for example. By doing so, water can be prevented from flowing out to the outside in the drying prevention layer 62.

実施形態２に係る燃料電池における燃料極、酸化剤極、セパレータ、電解質透過抑制膜、及び乾燥防止層の構造体の製造方法については、実施形態１の製造方法により製造された構造体の酸化剤極２０側に乾燥防止層６２を設けることで、図２の燃料極１０、酸化剤極２０、セパレータ３０、電解質透過抑制膜６１、及び乾燥防止層６２の構造体を得ることができる。 Regarding the manufacturing method of the structure of the fuel electrode, the oxidant electrode, the separator, the electrolyte permeation suppression film, and the anti-drying layer in the fuel cell according to Embodiment 2, the structure oxidizing agent manufactured by the manufacturing method of Embodiment 1 By providing the drying prevention layer 62 on the electrode 20 side, the structure of the fuel electrode 10, the oxidant electrode 20, the separator 30, the electrolyte permeation suppression film 61, and the drying prevention layer 62 in FIG. 2 can be obtained.

実施形態２によれば、実施形態１と同様な効果を奏するとともに、酸化剤極２０からの水分蒸発を抑制することができる。 According to the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and moisture evaporation from the oxidizer electrode 20 can be suppressed.

（実施形態３）
本発明の実施形態３に係る燃料電池について図面を用いて説明する。図３は、本発明の実施形態３に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。 (Embodiment 3)
A fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a single cell structure of a fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention.

実施形態３に係る燃料電池は、燃料５０側から燃料極１０側への燃料５０の透過を抑制し、燃料極１０で消費される最適な量の燃料５０を供給するための燃料透過抑制膜６３が設けられている。その他の構成は、実施形態２と同様である。 The fuel cell according to the third embodiment suppresses the permeation of the fuel 50 from the fuel 50 side to the fuel electrode 10 side, and supplies the fuel permeation suppression film 63 for supplying the optimum amount of fuel 50 consumed by the fuel electrode 10. Is provided. Other configurations are the same as those of the second embodiment.

燃料透過抑制膜６３は、燃料５０と燃料極１０との間に設けられており、電解質透過抑制膜６１の燃料５０側の面に配されている。燃料透過抑制膜６３は、燃料５０側から電極構造体への燃料の透過を抑制し、燃料極で消費される最適な量の燃料を供給する役割を有する。燃料透過抑制膜６３の材料として、例えば、撥水性の多孔質材料を用いることができる。例えば、燃料５０中の燃料成分がメタノールと水の混合溶液である場合、ポリテトラフルオロエチレンの多孔質膜、疎水処理したポリエチレンの多孔質膜、または疎水処理したポリイミドの多孔質膜等を用いることができる。このような膜を用いる場合には、燃料５０中のメタノールを燃料極１０に優先的に透過させることができる。よって、水の浪費を抑制しつつ、燃料極１０における電極反応を確実に生じさせることができる。また、燃料５０の透過を抑制する機能を有する非多孔質性の親水性膜を用いることもできる。 The fuel permeation suppression film 63 is provided between the fuel 50 and the fuel electrode 10, and is disposed on the surface of the electrolyte permeation suppression film 61 on the fuel 50 side. The fuel permeation suppression film 63 has a role of suppressing the permeation of fuel from the fuel 50 side to the electrode structure and supplying an optimal amount of fuel consumed at the fuel electrode. As a material of the fuel permeation suppression film 63, for example, a water-repellent porous material can be used. For example, when the fuel component in the fuel 50 is a mixed solution of methanol and water, a polytetrafluoroethylene porous film, a hydrophobic processed polyethylene porous film, or a hydrophobic processed porous film of polyimide is used. Can do. When such a membrane is used, methanol in the fuel 50 can be preferentially permeated to the fuel electrode 10. Therefore, it is possible to reliably cause an electrode reaction in the fuel electrode 10 while suppressing waste of water. A non-porous hydrophilic film having a function of suppressing the permeation of the fuel 50 can also be used.

燃料透過抑制膜６３として、多孔質材料を用いる場合、厚さは１０μｍ〜３００μｍがよく、孔径は０．１μｍ〜５０μｍが好適である。気孔率は、３０％〜９０％が適応可能である。 When a porous material is used as the fuel permeation suppression membrane 63, the thickness is preferably 10 μm to 300 μm, and the pore diameter is preferably 0.1 μm to 50 μm. A porosity of 30% to 90% can be applied.

燃料透過抑制膜６３として、非多孔質性の親水性膜を用いる場合、例えば、スルフォン酸を有する固体高分子電解質膜を用いることができる。 When a non-porous hydrophilic membrane is used as the fuel permeation suppression membrane 63, for example, a solid polymer electrolyte membrane having sulfonic acid can be used.

実施形態３に係る燃料電池における燃料極１０、酸化剤極２０、セパレータ３０、電解質透過抑制膜６１、乾燥防止層６２、及び燃料透過抑制膜６３の構造体の製造方法については、実施形態２の製造方法により製造された構造体の電解質透過抑制膜６１の燃料５０側に燃料透過抑制膜６３を設けることで、図３の燃料極１０、酸化剤極２０、セパレータ３０、電解質透過抑制膜６１、乾燥防止層６２、及び燃料透過抑制膜６３の構造体を得ることができる。または、電解質透過抑制膜６１と燃料透過抑制膜６３を重ねて設けることもできる。この場合、燃料５０と燃料極１０の間において、燃料５０、燃料透過抑制膜６３、電解質透過抑制膜６１、燃料極１０の順番だけでなく、燃料５０、電解質透過抑制膜６１、燃料透過抑制膜６３、燃料極１０の順番でもよい。 The manufacturing method of the fuel electrode 10, the oxidizer electrode 20, the separator 30, the electrolyte permeation suppression film 61, the anti-drying layer 62, and the fuel permeation suppression film 63 in the fuel cell according to the third embodiment is described in the second embodiment. By providing the fuel permeation suppression membrane 63 on the fuel 50 side of the electrolyte permeation suppression membrane 61 of the structure manufactured by the manufacturing method, the fuel electrode 10, the oxidizer electrode 20, the separator 30, the electrolyte permeation suppression membrane 61 of FIG. The structure of the anti-drying layer 62 and the fuel permeation suppression film 63 can be obtained. Alternatively, the electrolyte permeation suppression film 61 and the fuel permeation suppression film 63 can be provided in an overlapping manner. In this case, not only the order of the fuel 50, the fuel permeation suppression film 63, the electrolyte permeation suppression film 61, and the fuel electrode 10 between the fuel 50 and the fuel electrode 10, but also the fuel 50, the electrolyte permeation suppression film 61, and the fuel permeation suppression film. 63 and the order of the fuel electrode 10 may be sufficient.

実施形態３によれば、実施形態１、２と同様な効果を奏するとともに、燃料５０側から電極構造体への燃料５０の透過を調整し、燃料極１０で消費される最適な量の燃料５０を供給することができる。 According to the third embodiment, the same effect as in the first and second embodiments is obtained, and the permeation of the fuel 50 from the fuel 50 side to the electrode structure is adjusted, so that the optimum amount of fuel 50 consumed by the fuel electrode 10 is achieved. Can be supplied.

なお、実施形態１〜３は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 It should be noted that Embodiments 1 to 3 are exemplifications, and it is possible for those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and that such modifications are also within the scope of the present invention. It is understood.

次に、本発明の実施例に係る燃料電池について比較例を用いて説明する。 Next, fuel cells according to examples of the present invention will be described using comparative examples.

実施例では、図４に示すように構成要素の異なる３種類の燃料電池セルを作製し、燃料中にアルカリ電解質がある場合について、その出力特性の評価を行った。また、比較例では、図４に示すように構成要素が同様な燃料電池セルを作製し、燃料中にアルカリ電解質がある場合とない場合について、その出力特性の評価を行った。 In the example, as shown in FIG. 4, three types of fuel cells having different constituent elements were produced, and the output characteristics of the case where an alkaline electrolyte was present in the fuel were evaluated. Further, in the comparative example, as shown in FIG. 4, fuel cells having the same constituent elements were produced, and the output characteristics were evaluated for the cases where the alkaline electrolyte was present in the fuel and the case where the fuel was not present.

実施例および比較例の燃料電池は、燃料極、酸化剤極、及びセパレータよりなる構造体の構成が共通し、以下のようにして製造した。まず、ルテニウム−白金合金を担持したケッチェンブラック１００ｍｇを水で失活させた後、デュポン社製５％ナフィオン溶液３ｍｌを加え、超音波混合器で５０℃にて３時間攪拌して触媒ペーストとした。ルテニウム−白金合金の組成は５０ａｔｏｍ％Ｒｕで、合金と炭素微粉末の重量比は１：１とした。このペーストを１ｃｍ×１ｃｍのカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ−１２０：東レ社製）上に２ｍｇ／ｃｍ^２塗布し、８０℃で乾燥させ、燃料極とした。また、触媒金属として白金を用い、燃料極と同様の方法を用いて酸化剤極を作製した。得られた燃料極と酸化剤極の間に多孔性ＰＴＦＥ膜よりなるセパレータを配置して、温度１５０℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ^２（１０秒間）の条件でホットプレスし、得られた構造体を得た。ナフィオンは、固体電解質の役割ではなく触媒の結着剤として用いている。 The fuel cells of the example and the comparative example have the same configuration of the structure including the fuel electrode, the oxidant electrode, and the separator, and were manufactured as follows. First, 100 mg of ketjen black carrying a ruthenium-platinum alloy was deactivated with water, 3 ml of a 5% Nafion solution manufactured by DuPont was added, and the mixture was stirred at 50 ° C. for 3 hours with an ultrasonic mixer to obtain a catalyst paste. did. The composition of the ruthenium-platinum alloy was 50 atom% Ru, and the weight ratio of the alloy to the fine carbon powder was 1: 1. 2 mg / cm ^{2 of} this paste was applied onto 1 cm × 1 cm carbon paper (TGP-H-120: manufactured by Toray Industries, Inc.) and dried at 80 ° C. to obtain a fuel electrode. Further, platinum was used as the catalyst metal, and an oxidant electrode was produced using the same method as the fuel electrode. A separator made of a porous PTFE membrane was placed between the obtained fuel electrode and oxidant electrode, and hot pressed under conditions of a temperature of 150 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm ² (10 seconds). Obtained. Nafion is not used as a solid electrolyte but as a catalyst binder.

電解質透過抑制膜（図１〜３の６１に対応）には、陰イオン交換膜を用いた。 An anion exchange membrane was used as the electrolyte permeation suppression membrane (corresponding to 61 in FIGS. 1 to 3).

また、乾燥防止層（図２〜３の６２に対応）には、セルロース繊維シートと穴あき金属板を張り合わせたものを用いた。セルロース繊維シートとして、膜厚２００μｍ、細孔サイズ１μｍ、空隙率８０％のセルロース繊維シートを用いた。また、穴あき金属板として、直径１０００μｍの孔を表面全面に設け、開口率８０％としたステンレス板を用いた。 In addition, as the anti-drying layer (corresponding to 62 in FIGS. 2 to 3), a laminate of a cellulose fiber sheet and a perforated metal plate was used. A cellulose fiber sheet having a film thickness of 200 μm, a pore size of 1 μm, and a porosity of 80% was used as the cellulose fiber sheet. Further, as the perforated metal plate, a stainless plate having a diameter of 1000 μm provided on the entire surface and an opening ratio of 80% was used.

また、燃料透過抑制膜（図３の６３に対応）としては、ＰＴＦＥ膜を用い、そのＰＴＦＥシートとして、膜厚８０μｍ、細孔サイズ３００ｎｍの多孔質ＰＴＦＥシートを用いた。 Further, a PTFE membrane was used as the fuel permeation suppression membrane (corresponding to 63 in FIG. 3), and a porous PTFE sheet having a thickness of 80 μm and a pore size of 300 nm was used as the PTFE sheet.

各試料の構成および評価結果を図４に示す。 The configuration of each sample and the evaluation results are shown in FIG.

比較例１および比較例２は、電解質透過抑制膜、乾燥防止層、及び燃料透過抑制膜のない燃料極、酸化剤極、及びセパレータよりなる構造体をパッシブ型燃料容器に固定した発電ユニットから構成されている（図４参照）。比較例１では、燃料中にアルカリ電解質を溶解させていない１０ｖｏｌ％のメタノール水溶液を用いて発電評価を行った。比較例２では、燃料中にアルカリ電解質ＫＯＨを２モル/Ｌ溶解させた１０ｖｏｌ％のメタノール水溶液を用いて発電評価を行った。 Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are composed of a power generation unit in which a structure composed of an electrolyte permeation suppression membrane, a drying prevention layer, and a fuel electrode, an oxidant electrode, and a separator without a fuel permeation suppression membrane is fixed to a passive fuel container (See FIG. 4). In Comparative Example 1, power generation was evaluated using a 10 vol% aqueous methanol solution in which an alkaline electrolyte was not dissolved in the fuel. In Comparative Example 2, power generation was evaluated using a 10 vol% methanol aqueous solution in which 2 mol / L of alkaline electrolyte KOH was dissolved in the fuel.

実施例１は、実施形態１（図１参照）に対応する燃料電池であり、電解質透過抑制膜を有し、かつ、乾燥防止層および燃料透過抑制膜のない燃料極、酸化剤極、及びセパレータよりなる構造体をパッシブ型燃料容器に固定した発電ユニットから構成されている（図４参照）。実施例１では、燃料中にアルカリ電解質ＫＯＨを２モル/Ｌ溶解させた１０ｖｏｌ％のメタノール水溶液を用いて発電評価を行った。 Example 1 is a fuel cell corresponding to Embodiment 1 (see FIG. 1), which has an electrolyte permeation suppression membrane and does not have a dry prevention layer and a fuel permeation suppression membrane, a fuel electrode, an oxidant electrode, and a separator It is comprised from the electric power generation unit which fixed the structure which consists of to a passive type fuel container (refer FIG. 4). In Example 1, power generation evaluation was performed using a 10 vol% aqueous methanol solution in which 2 mol / L of the alkaline electrolyte KOH was dissolved in the fuel.

実施例２は、実施形態２（図２参照）に対応する燃料電池であり、電解質透過抑制膜および乾燥防止層を有し、かつ、燃料透過抑制膜のない燃料極、酸化剤極、及びセパレータよりなる構造体をパッシブ型燃料容器に固定した発電ユニットから構成されている（図４参照）。実施例２では、燃料中にアルカリ電解質ＫＯＨを２モル/Ｌ溶解させた１０ｖｏｌ％のメタノール水溶液を用いて発電評価を行った。 Example 2 is a fuel cell corresponding to Embodiment 2 (see FIG. 2), and includes a fuel electrode, an oxidant electrode, and a separator having an electrolyte permeation suppression film and a dry prevention layer, and having no fuel permeation suppression film. It is comprised from the electric power generation unit which fixed the structure which consists of to a passive type fuel container (refer FIG. 4). In Example 2, power generation evaluation was performed using a 10 vol% aqueous methanol solution in which 2 mol / L of the alkaline electrolyte KOH was dissolved in the fuel.

実施例３は、実施形態３（図３参照）に対応する燃料電池であり、電解質透過抑制膜、乾燥防止層、及び燃料透過抑制膜を有する燃料極、酸化剤極、及びセパレータよりなる構造体をパッシブ型燃料容器に固定した発電ユニットから構成されている（図４参照）。実施例３では、燃料中にアルカリ電解質ＫＯＨを２モル/Ｌ溶解させた１０ｖｏｌ％のメタノール水溶液を用いて発電評価を行った。 Example 3 is a fuel cell corresponding to Embodiment 3 (see FIG. 3), and is a structure including a fuel electrode having an electrolyte permeation suppression film, a dry prevention layer, and a fuel permeation suppression film, an oxidant electrode, and a separator. Is constituted by a power generation unit fixed to a passive fuel container (see FIG. 4). In Example 3, power generation evaluation was performed using a 10 vol% aqueous methanol solution in which 2 mol / L of the alkaline electrolyte KOH was dissolved in the fuel.

発電評価試験においては、酸化剤極は空気（１気圧）に暴露し、セル温度４０℃に設定した。それぞれのセルは電池性能評価装置にセットして、電流密度５０ｍＡ／ｃｍ^２での定電流放電時の電圧を評価した。また、発電時間評価としては、電流密度５０ｍＡ／ｃｍ^２で、０．３５Ｖ以上の発電を継続した時間を評価した。 In the power generation evaluation test, the oxidizer electrode was exposed to air (1 atm) and the cell temperature was set to 40 ° C. Each cell was set in a battery performance evaluation apparatus, and the voltage during constant current discharge at a current density of 50 mA / cm ² was evaluated. As the power generation time rating, a current density of 50 mA / cm ^2, was evaluated the time to continue the power generation of more than 0.35 V.

発電評価試験の結果は、図４に示すように、比較例１では、燃料にアルカリ電解質を含まないために、発電をまったく行うことができなかった。比較例２では、燃料にアルカリ電解質を含むために、発電電圧は、０．４Ｖが観測された。しかし、比較例２では電解質透過抑制膜および乾燥防止層がないために、３０分で０．３５Ｖ以上の発電電圧を維持することができなくなった。また、その後、比較例２の燃料電池の燃料側に、アルカリ電解質を含まない１０ｖｏｌ％メタノール水溶液を供給したが、発電電圧が回復せず、発電を再度開始することができなかった。 As a result of the power generation evaluation test, as shown in FIG. 4, in Comparative Example 1, power generation could not be performed at all because the fuel did not contain an alkaline electrolyte. In Comparative Example 2, since the fuel contained an alkaline electrolyte, a generated voltage of 0.4 V was observed. However, in Comparative Example 2, since the electrolyte permeation suppression film and the drying prevention layer were not provided, it was impossible to maintain a power generation voltage of 0.35 V or more in 30 minutes. Thereafter, a 10 vol% methanol aqueous solution not containing an alkaline electrolyte was supplied to the fuel side of the fuel cell of Comparative Example 2, but the power generation voltage did not recover and power generation could not be started again.

実施例１は、比較例２と比べて、０．３５Ｖ以上の発電継続時間を２倍の６０分にまで延ばすことができた。また、その後、実施例１の燃料電池の燃料側に、アルカリ電解質を含まない１０ｖｏｌ％メタノール水溶液を供給することにより発電電圧が０．３８Ｖにまで回復でき、発電を再度開始することができた。 In Example 1, compared with Comparative Example 2, the power generation duration of 0.35 V or more was doubled to 60 minutes. Further, by subsequently supplying a 10 vol% methanol aqueous solution not containing an alkaline electrolyte to the fuel side of the fuel cell of Example 1, the power generation voltage could be recovered to 0.38 V, and power generation could be started again.

実施例２は、実施例１に比べると、乾燥防止剤の効果により燃料をカソード側から無駄に蒸発させることが少なくなり、０．３５Ｖ以上の発電時間を１２０分にまで継続できた。また、その後、実施例２の燃料電池の燃料側に、アルカリ電解質を含まない１０ｖｏｌ％メタノール水溶液を供給することにより、発電電圧を０．３９Ｖにまで回復でき、発電を再度開始することができた。 Compared to Example 1, Example 2 reduced the amount of fuel that was unnecessarily evaporated from the cathode side due to the effect of the drying inhibitor, and was able to continue the power generation time of 0.35 V or more up to 120 minutes. Further, by subsequently supplying a 10 vol% methanol aqueous solution not containing an alkaline electrolyte to the fuel side of the fuel cell of Example 2, the power generation voltage could be recovered to 0.39 V, and power generation could be started again. .

実施例３は、実施例２に比べると、燃料極側に燃料透過抑制膜を設けることにより、燃料極側で必要なだけの燃料を送り、セパレータを透過して、酸化剤極へのクロスオーバーを低減できたために、初期発電電圧を０．４２Ｖに引き上げることができ、また、発電時間を１８０分にまで継続できた。また、その後、実施例３の燃料電池の燃料側に、アルカリ電解質を含まない１０ｖｏｌ％メタノール水溶液を供給することにより、発電電圧を０．４Ｖまで回復でき、発電を再度開始することができた。 Compared to the second embodiment, the third embodiment provides a fuel permeation suppression film on the fuel electrode side, thereby sending as much fuel as necessary on the fuel electrode side, passing through the separator, and crossing over to the oxidizer electrode. Therefore, the initial power generation voltage could be raised to 0.42V, and the power generation time could be continued up to 180 minutes. Further, by subsequently supplying a 10 vol% methanol aqueous solution not containing an alkaline electrolyte to the fuel side of the fuel cell of Example 3, the power generation voltage could be recovered to 0.4 V, and power generation could be started again.

本発明の実施形態１に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the single cell structure of the fuel cell which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態２に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the single cell structure of the fuel cell which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態３に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the single cell structure of the fuel cell which concerns on Embodiment 3 of this invention. 各試料の構成および評価結果を示した表である。It is the table | surface which showed the structure and evaluation result of each sample.

Explanation of symbols

１０燃料極
１１燃料極拡散電極
１２燃料極触媒層
２０酸化剤極
２１酸化剤極拡散電極
２２酸化剤極触媒層
３０セパレータ
４０容器
４０ａＣＯ_２排出孔
５０燃料
６１電解質透過抑制膜
６２乾燥防止層
６３燃料透過抑制膜 10 the fuel electrode 11 anode diffusion electrode 12 anode catalyst layer 20 oxidizer electrode 21 oxidizer electrode diffusion electrode 22 oxidizer electrode catalyst layer 30 separator 40 container 40a CO ₂ discharge hole 50 fuel 61 electrolyte permeation suppressive film 62 drying prevention layer 63 Fuel permeation suppression membrane

Claims

A fuel electrode composed of a fuel electrode catalyst layer and a fuel electrode diffusion electrode;
An oxidant electrode composed of an oxidant electrode catalyst layer and an oxidant electrode diffusion electrode; and
A separator disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode and permeable to hydroxide ions;
An electrolyte permeation suppressing membrane disposed between the fuel to be supplied and the fuel electrode and suppressing permeation of the alkaline electrolyte from the fuel electrode side to the fuel side;
With
A fuel cell comprising an aqueous solution containing an alkaline electrolyte in a region between the electrolyte permeation suppression membrane and the oxidant electrode.

2. The fuel cell according to claim 1, further comprising a drying prevention layer disposed on an outer surface of the oxidant electrode and suppressing moisture evaporation from the oxidant electrode.

The fuel permeation suppression film is provided between the fuel to be supplied and the fuel electrode and suppresses permeation of the fuel from the fuel side to the fuel electrode side. Fuel cell.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the supplied fuel is an organic liquid fuel not containing an alkaline electrolyte.