JP2009140670A - Direct methanol fuel cell using metal porous body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セパレーターの一部を金属多孔体で置き換えた直接メタノール型燃料電池に関する。 The present invention relates to a direct methanol fuel cell in which a part of a separator is replaced with a porous metal body.
メタノール水溶液を燃料として直接利用する直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)は、構造が簡単であるとともに、可搬性やエネルギー密度に優れる液体燃料を使用する点で有利であるが、水素燃料電池と比べると出力密度および発電効率が劣ることが欠点となっている。 A direct methanol fuel cell (DMFC) that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel is advantageous in that it has a simple structure and uses a liquid fuel that is excellent in portability and energy density. Compared to fuel cells, the power density and power generation efficiency are inferior.
直接メタノール型燃料電池の性能向上のためには、生成物(アノードにおいては二酸化炭素、カソードにおいては水)の排出をスムーズに行うことが必要となる。つまり、セパレーターと膜電極接合体の間の接触抵抗を低減し、セパレーター流路内を流れる生成物の流速を確保することが求められており、流路の幅や本数に工夫を施す試み(非特許文献1)や、ガス拡散層に金属多孔体を用いる試み(特許文献1)がなされている。
しかしながら、上記従来の方法を用いても、流路を持つセパレーターはそのリブ部の膜電極接合体には反応物(アノードにおいてはメタノール水溶液、カソードにおいては空気又は酸素)が供給されにくいという問題が残る。 However, even when the above-described conventional method is used, a separator having a flow path has a problem that it is difficult to supply reactants (methanol aqueous solution at the anode and air or oxygen at the cathode) to the membrane electrode assembly at the rib portion. Remains.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、生成物の排出問題と、反応物の供給問題を同時に解決し、高出力の直接メタノール型燃料電池を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this point, and it aims at solving the discharge | emission problem of a product, and the supply problem of a reactant simultaneously, and providing a high output direct methanol fuel cell.
本発明の直接メタノール型燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側に設置されるセパレーターからなり、前記膜電極接合体と接合する前記セパレーター面は、金属多孔体で置き換えられている。 The direct methanol fuel cell of the present invention comprises a membrane electrode assembly and a separator installed outside the membrane electrode assembly, and the separator surface joined to the membrane electrode assembly is replaced with a porous metal body. ing.
本発明によれば、生成物の排出性能及び反応物の供給性能を向上させることができるので、直接メタノール型燃料電池の発電効率及び出力を向上させることができる。 According to the present invention, the product discharge performance and the reactant supply performance can be improved, so that the power generation efficiency and output of the direct methanol fuel cell can be improved.
本発明の直接メタノール型燃料電池は、膜電極接合体(1)と、その外側に設置されるセパレーター(2)とから成る直接メタノール型燃料電池である。 The direct methanol fuel cell of the present invention is a direct methanol fuel cell comprising a membrane electrode assembly (1) and a separator (2) installed outside thereof.
図1は、本発明の直接メタノール型燃料電池100の一例を示す断面模式図である。図2は、図1を説明するため、構成要素毎に分離した状態を示している。以下、図2を用いて本発明の構成について詳細に述べる。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a direct
図2において、膜電極接合体200は、中心に高分子電解質膜210、その両外側に電極が配置され、その一方がアノード220、他方がカソード230である。ここで、膜電極接合体を構成する各部材は、標準的な直接メタノール型燃料電池の性能を満たすものであればよい。また、セパレーター250は、膜電極接合体200と接する面が金属多孔体160で置き換えられている。金属多孔体260を形成する材料は、耐腐食性を有し、空孔率が85%以上の合金であることが望ましく、例えば、特許文献1に記載の金属多孔体を用いても良い。
In FIG. 2, a
なお、従来型の直接メタノール型燃料電池のセパレーターにおける膜電極接合体との接触面は、生成物の排出及び反応物の供給のために溝状の流路が設けられているが、本発明においてはこの流路を必要としない。 The contact surface with the membrane electrode assembly in the separator of the conventional direct methanol fuel cell is provided with a groove-like channel for discharging the product and supplying the reactant. Does not require this flow path.
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[セパレーターの構成]
従来型のセパレーター300と、本発明のセパレーター400の違いについて説明する。図3は従来型のセパレーター300の一例を示している。従来型のセパレーター300は、生成物の排出と反応物の供給をする流路310を設けることでその機能を維持している。一方、本発明のセパレーター400は、図4に示すように流路を設ける代わりに、金属多孔体410を填め込むことでその機能を代替している。
[Separator configuration]
The difference between the
[実験方法]
実験では、試験用の直接メタノール型燃料電池に図3及び図4のセパレーターを組合せて使用した。燃料には5wt%のメタノール水溶液を使用し、ダイアフラム式電磁定量ポンプ(ProMinet GVLA1000)によりアノードへ供給した。カソードガスには酸素を用い、熱式気体質量流量計(山武 CMS0005)により流量を測定した。アノード流量は10cc/min、カソード流量は1000cc/minとした。発電特性の計測は燃料電池用インピーダンスメーター(Kikusui KFM2030)を使用した。電池およびアノード燃料の温度管理には恒温槽(40〜80℃)を使用した。高分子電解質膜は、ナフィオン(登録商標、デュポン社製、膜厚175μm)を用いた。その他膜電極接合体の諸元及び反応物の諸元は表1のとおりである。
In the experiment, a direct methanol fuel cell for test was used in combination with the separators shown in FIGS. A 5 wt% aqueous methanol solution was used as the fuel, and was supplied to the anode by a diaphragm electromagnetic metering pump (ProMinet GVLA1000). Oxygen was used as the cathode gas, and the flow rate was measured with a thermal gas mass flow meter (Yamatake CMS0005). The anode flow rate was 10 cc / min, and the cathode flow rate was 1000 cc / min. The power generation characteristics were measured using a fuel cell impedance meter (Kikusui KFM2030). A thermostat (40-80 ° C.) was used for temperature control of the battery and anode fuel. As the polymer electrolyte membrane, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont, film thickness of 175 μm) was used. The other specifications of the membrane electrode assembly and the specifications of the reactant are shown in Table 1.
本発明のセパレーター(多孔体セパレーター)に用いた金属多孔体は表2に示すような諸元のものである。これを用いて製作した部材を図4のようにセパレーターに取り付けて実験を行った。また、比較のために図3のような通常の流路を持つ従来型のステンレス製セパレーター(流路型セパレーター)を用いた実験を併せて行った。なお、多孔体セパレーター部材の厚さは流路型セパレーターの流路深さと同一とした。セパレーター内の空間体積は従来型で約2.9cc、金属多孔体で約5ccである。
[実験結果]
多孔体セパレーターを使用した場合と流路型セパレーターを使用した場合の比較を行った際の結果を示す。このときの電池温度は80℃となるよう維持した。図5は電流密度−電圧特性(I−V特性)、図6は電流密度−出力密度特性である。両者とも0.1A/cm2付近までは同程度の性能であるが、多孔体セパレーターを用いた場合は流路型セパレーターに比べてより高い電流密度での運転が可能であることが示された。また、出力のピークが大きく向上し、より高電流密度側へ変化していることがわかる。
[Experimental result]
The result at the time of comparing the case where a porous separator is used and the case where a flow path type separator is used is shown. The battery temperature at this time was maintained at 80 ° C. FIG. 5 shows current density-voltage characteristics (IV characteristics), and FIG. 6 shows current density-output density characteristics. In both cases, the performance is similar up to about 0.1 A / cm 2 , but it was shown that when a porous separator was used, operation at a higher current density was possible compared to a flow path separator. . Further, it can be seen that the output peak is greatly improved and changes to the higher current density side.
図7には交流インピーダンス測定結果(コールコールプロット)を示す。測定した電流密度条件はの0.3A/cm2であり、このときの電池温度は80℃となるよう維持した。流路型セパレーターに比べて多孔体セパレーターではプロットの弧の直径が小さく反応抵抗が低減されていることが推察される。このことが出力の向上をもたらしたものと考えられる。交流インピーダンス測定によって測定される反応抵抗には物質拡散に関する拡散分極および燃料の活性化に関する活性化分極が含まれる。多孔体セパレーターでは流路リブが無いことから反応面全体に均一な反応物供給が可能であるとともに、高い空孔率により生成物の排出が改善されたために拡散分極が低減し高電流密度での電圧差が生じたと考えられる。 FIG. 7 shows an AC impedance measurement result (Cole-Cole plot). The measured current density condition was 0.3 A / cm 2 , and the battery temperature at this time was maintained at 80 ° C. It can be inferred that the porous separator has a smaller arc diameter in the plot and the reaction resistance is reduced compared to the flow-path separator. This is considered to have improved the output. Reaction resistance measured by AC impedance measurement includes diffusion polarization related to material diffusion and activation polarization related to fuel activation. In the porous separator, there is no channel rib, so that uniform reactant can be supplied to the entire reaction surface, and the product discharge is improved by high porosity, so that diffusion polarization is reduced and high current density is achieved. It is considered that a voltage difference has occurred.
図8には電池温度−電圧特性の測定結果を示す。測定した電流密度条件は0.2A/cm2であり、このときの電池温度は40℃、60℃、80℃である。何れの電池温度においても多孔体セパレーターは流路型セパレーターよりも高い電圧値を示し、その電圧差は電池温度が低温であるほど拡大することがわかる。低温ではカソード反応で生成する水が凝縮しやすくなるが、水の排出性に優れた多孔体セパレーターを使用することで発電性能が改善される。 FIG. 8 shows the measurement results of battery temperature-voltage characteristics. The measured current density condition is 0.2 A / cm 2 , and the battery temperatures at this time are 40 ° C., 60 ° C., and 80 ° C. It can be seen that the porous separator shows a higher voltage value than the flow-path separator at any battery temperature, and the voltage difference increases as the battery temperature decreases. Although the water produced by the cathode reaction is likely to condense at a low temperature, the power generation performance is improved by using a porous separator having excellent water discharge properties.
本発明に係る直接メタノール型燃料電池は、従来型の直接メタノール型燃料電池に比べて優れた出力性能を示すほか、特に、低温域での発電性能の改善が見込めることから、安全性が要求されるノートパソコンや携帯型音楽プレーヤーなどの電源、携帯電話機の外付け充電器などへの適用に好適である。 The direct methanol fuel cell according to the present invention exhibits superior output performance as compared with the conventional direct methanol fuel cell, and in particular, since it can be expected to improve the power generation performance in a low temperature region, safety is required. It is suitable for application to power sources such as notebook computers and portable music players, and external chargers for mobile phones.
100 直接メタノール型燃料電池
200 膜電極接合体
210 高分子電解質膜
220 電極(アノード)
230 電極(カソード)
250,300,400 セパレーター
260,410 金属多孔体
310 流路
100 Direct
230 Electrode (Cathode)
250, 300, 400
Claims (2)
The direct methanol fuel cell, wherein the separator surface is a porous metal body.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2011249125A (en) * | 2010-05-26 | 2011-12-08 | Toshiba Corp | Direct methanol fuel cell |
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-
2007
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