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JP2004265872A - Fuel cell, fuel cell generator and instrument using the same - Google Patents

Fuel cell, fuel cell generator and instrument using the same Download PDF

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JP2004265872A
JP2004265872A JP2004127523A JP2004127523A JP2004265872A JP 2004265872 A JP2004265872 A JP 2004265872A JP 2004127523 A JP2004127523 A JP 2004127523A JP 2004127523 A JP2004127523 A JP 2004127523A JP 2004265872 A JP2004265872 A JP 2004265872A
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JP
Japan
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fuel cell
fuel
cathode
anode
power generation
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Application number
JP2004127523A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuichi Kamo
友一 加茂
Shuichi Ohara
周一 大原
Masashi Yamaga
賢史 山賀
Jinichi Imahashi
甚一 今橋
Masanori Yoshikawa
正則 吉川
Norio Yamada
範雄 山田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact power source without using a separator and supplemental device like a fluid supplying mechanism, most suitable for portable use. <P>SOLUTION: The fuel cell has an anode 3 oxidizing a liquid fuel, a cathode 4 reducing oxygen, and an electrolyte film 2 insulating the anode 3 from the cathode 4. The fuel cell is structured in a hollow support body, and the power generating part is constructed by arranging the anode 3, the electrolyte film 2, and the cathode 4 on a peripheral surface of the hollow support body 1. The fuel cell is constructed so that the power generating part contacts the fuel at the outside of the hollow support body and contacts oxygen at the inside thereof. A fuel cell generator and an instrument using the fuel cell are provided. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

アノード,電解質膜,カソード、拡散層から構成され、アノードで燃料が酸化され、カソードで酸素が還元される燃料電池に関する。また、このような燃料電池を含む発電装置や、小型の携帯用電源およびこのような電源を用いた電気機器または電子機器に関する。   The present invention relates to a fuel cell comprising an anode, an electrolyte membrane, a cathode, and a diffusion layer, wherein fuel is oxidized at the anode and oxygen is reduced at the cathode. In addition, the present invention relates to a power generation device including such a fuel cell, a small portable power supply, and an electric device or an electronic device using such a power supply.

電子技術の進歩によって、電話器,ブックタイプパーソナルコンピュータ,オーデイオ・ビジュアル機器、或いは、モバイル用情報端末機器などの電気機器,電子機器及び小型化された携帯用電子機器などの急速な普及が進んでいる。   With the advance of electronic technology, the rapid spread of telephones, book-type personal computers, audio-visual devices, or electric devices such as mobile information terminal devices, electronic devices, and miniaturized portable electronic devices has been progressing. I have.

従来こうした携帯用電子機器は一次電池または二次電池によって駆動するシステムであった。二次電池では、シール鉛バッテリーからNi/Cd電池,Ni/水素電池、更にはLiイオン電池へと新型二次電池の出現や小型化/軽量化及び高エネルギー密度化技術によって発展してきている。しかし、二次電池は一定量の電力使用後には充電することが必須であり、充電設備と充電時間が必要となるために携帯用電子機器の長時間連続駆動には多くの問題が残されている。今後、携帯用電子機器は増加する情報量とその高速化に対応してより高エネルギー密度の電源、即ち、連続使用時間の長い電源を必要とする方向に向かっており、充電を必要としない小型発電機(マイクロ発電機)の必要性が高まっている。   Conventionally, such a portable electronic device has been a system driven by a primary battery or a secondary battery. Secondary batteries have been developed from sealed lead batteries to Ni / Cd batteries, Ni / hydrogen batteries, and even Li-ion batteries by the appearance of new types of secondary batteries, and downsizing / lightening and high energy density technologies. However, secondary batteries must be charged after a certain amount of power is used, and charging equipment and charging time are required. Therefore, many problems remain for long-term continuous operation of portable electronic devices. I have. In the future, portable electronic devices are going to require a power source with a higher energy density, that is, a power source with a long continuous use time, in response to an increasing amount of information and its speeding up. The need for generators (micro-generators) is increasing.

こうした要請に対応するものとして燃料電池電源が提案されている。燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的に直接電器エネルギーに変換するものである。通常のエンジン発電機などの内燃機関を用いたような動力部を必要とせず、小型発電デバイスとしての可能性を秘めている。また、燃料電池は燃料を補給するだけで発電を継続することが可能なので、これまでの二次電池に見られるような充電のために使用中の携帯用電子機器の駆動を停止することを不要とできる。   In response to such demands, fuel cell power supplies have been proposed. Fuel cells convert the chemical energy of a fuel electrochemically directly into electrical energy. It does not require a power unit such as that using an internal combustion engine such as a normal engine generator, and has the potential as a small power generation device. In addition, since the fuel cell can continue generating power only by refueling, it is not necessary to stop the operation of the portable electronic device in use for charging as seen in the conventional secondary battery. And can be.

このような燃料電池の中でパーフルオロカーボンスルフォン酸系の電解質膜を用いてアノードで水素ガスを酸化し、カソードで酸素を還元して発電する固体高分子形燃料電池
(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は出力密度が高い電池として知られている。
Among such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that oxidizes hydrogen gas at an anode using a perfluorocarbon sulfonic acid-based electrolyte membrane and reduces oxygen at a cathode to generate power is used. Are known as high power density batteries.

この燃料電池をより小型化するために例えば特開平9−223507号に示されるように、中空糸形の電解質の内面と外面にアノード及びカソード電極を付設した円筒状電池の集合体とし、円筒内部と外部にそれぞれ水素ガスと空気を供給する小型PEFC発電装置が提案されている。   In order to further reduce the size of this fuel cell, for example, as shown in JP-A-9-223507, an assembly of a cylindrical cell having an anode and a cathode on the inner surface and the outer surface of a hollow-fiber electrolyte is provided. And a small-sized PEFC power supply for supplying hydrogen gas and air to the outside, respectively.

しかしながら、携帯用電子機器の電源に適用する場合には、燃料が水素ガスであるために容積エネルギー密度が低く、燃料タンクの体積を大きくする必要がある。   However, when applied to the power supply of a portable electronic device, since the fuel is hydrogen gas, the volume energy density is low, and it is necessary to increase the volume of the fuel tank.

また、このシステムでは燃料ガスや酸化剤ガス(空気など)を発電装置に送り込む装置や、電池性能を維持のために電解質膜を加湿する装置などの補機が必要であり、発電システムが複雑な構成で電源を小型化するには十分とは言えない。   In addition, this system requires auxiliary equipment such as a device that feeds fuel gas or oxidizing gas (such as air) to the power generation device, and a device that humidifies the electrolyte membrane to maintain battery performance. This configuration is not enough to reduce the size of the power supply.

燃料の体積エネルギー密度をあげるには液体燃料を用いること、燃料や酸化剤などを電池に供給する補機を無くする単純構成とすることは有効であり、幾つかの提案がなされている。最近の例としては特開2000−268835,特開2000−268836に示されているようなメタノールと水を燃料とする直接形メタノール燃料電池(DMFC:
Direct Methanol Fuel Cell)が提案されている。
In order to increase the volume energy density of the fuel, it is effective to use a liquid fuel, and to adopt a simple configuration that eliminates an auxiliary device for supplying a fuel or an oxidant to a battery, and several proposals have been made. As a recent example, a direct methanol fuel cell (DMFC: DMFC :) using methanol and water as fuel as disclosed in JP-A-2000-268835 and JP-A-2000-268836.
Direct Methanol Fuel Cell) has been proposed.

この発電装置は、液体燃料タンクの外壁側に毛管力によって液体燃料を供給する材料を介して、これに接するようにアノードを配し、更に固体高分子電解質膜,カソードを順次接合して構成されている。酸素は外気に接触するカソード外表面への酸素の拡散によって供給されるので、この方式によれば、発電装置は燃料及び酸化剤ガスを供給する補機を必要としない簡単な構成となっている。   This power generation device is configured such that an anode is disposed in contact with an outer wall side of a liquid fuel tank via a material for supplying liquid fuel by capillary force, and a solid polymer electrolyte membrane and a cathode are sequentially joined. ing. Since oxygen is supplied by diffusion of oxygen to the cathode outer surface that comes into contact with the outside air, according to this method, the power generator has a simple configuration that does not require auxiliary equipment for supplying fuel and oxidizing gas. .

しかしながら、DMFCは負荷時の出力電圧が単位電池あたり0.3〜0.4Vであるため、携帯用電子機器などが必要とする電圧に対応する個数の燃料電池付設の燃料タンクを搭載し各電池を直列に接続する必要がある。そのために発電装置を小型化するには電池の直列数が増加すると燃料タンク容量が小さくなり、燃料タンクの数が直列数に応じて分散してしまうという問題がある。   However, since the output voltage of the DMFC under load is 0.3 to 0.4 V per unit battery, the number of fuel tanks provided with fuel cells corresponding to the voltage required by portable electronic devices and the like is mounted and each battery is mounted. Must be connected in series. Therefore, in order to reduce the size of the power generation device, there is a problem that as the number of series-connected batteries increases, the fuel tank capacity decreases, and the number of fuel tanks is dispersed according to the number of series.

本発明の目的は、電力の使用に伴って二次電池のように一定容量の電力を消費する度に充電することなく、燃料を補給することによって容易に発電が継続できる燃料電池発電装置であって、体積エネルギー密度の高い燃料を用いるシステムを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation device that can easily continue power generation by replenishing fuel without being charged every time a certain amount of power is consumed as in a secondary battery as power is used. Another object of the present invention is to provide a system using a fuel having a high volume energy density.

また、本発明の他の目的は、燃料及び酸化剤ガスを強制的に流通させる流体供給機構のような補機を用いることなく、小型で、携帯用に適用できる電源とそれを用いた携帯用電子機器を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a compact and portable power source and a portable power source using the same without using auxiliary equipment such as a fluid supply mechanism for forcibly flowing fuel and oxidizing gas. It is to provide an electronic device.

上記の目的を達成するために、本発明の特徴は、液体の燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードと上記アノードと上記カソードとを絶縁する電解質膜を有する燃料電池であって、上記燃料電池は、中空支持体構造であって、上記中空支持体の外周面にアノード,電解質膜,カソードを配して発電部が構成され、上記中空支持体内部で上記燃料が上記発電部外部で上記酸素を含む気体が接触する燃料電池にある。   In order to achieve the above object, a feature of the present invention is a fuel cell having an anode for oxidizing a liquid fuel, a cathode for reducing oxygen, and an electrolyte membrane insulating the anode and the cathode, The battery has a hollow support structure, and an anode, an electrolyte membrane, and a cathode are arranged on an outer peripheral surface of the hollow support to form a power generation unit. The fuel is generated inside the hollow support and the fuel is generated outside the power generation unit. In a fuel cell in contact with a gas containing oxygen.

また、本発明の他の特徴は、液体の燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードと上記アノードと上記カソードとを絶縁する電解質膜を有する燃料電池であって、上記燃料電池は中空支持体構造を有し、上記中空支持体の外周面にアノード,電解質膜,カソードを配して構成される発電部を持つ燃料電池を複数連結した燃料電池ユニットと、上記液体の燃料を貯蔵する容器とを含み、それぞれの上記発電部は電気的に接続され、上記容器から上記液体の燃料が上記中空支持体構造内部に供給されて発電する燃料電池発電装置である。   Another feature of the present invention is a fuel cell having an anode for oxidizing a liquid fuel, a cathode for reducing oxygen, and an electrolyte membrane for insulating the anode and the cathode, wherein the fuel cell is a hollow support. A fuel cell unit having a plurality of fuel cells having a structure and having a power generation unit formed by arranging an anode, an electrolyte membrane, and a cathode on the outer peripheral surface of the hollow support; and a container for storing the liquid fuel. Wherein each of the power generation units is electrically connected, and the liquid fuel is supplied from the container to the inside of the hollow support structure to generate electric power.

本発明による小型燃料電池電源は、燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードが電解質膜を介して構成される液体を燃料とする燃料電池において、液体燃料を収納する容器をプラットホームとして中空支持体の外周面にアノード,電解質膜,カソードを配した発電部を持つ燃料電池ユニットが結合されて、該燃料電池ユニットが電気的に直列または、並列に結合されていることを特徴としている。   A small fuel cell power supply according to the present invention is a liquid fuel fuel cell having an anode for oxidizing fuel and a cathode for reducing oxygen through an electrolyte membrane, and a hollow support having a container for storing liquid fuel as a platform. A fuel cell unit having a power generation unit in which an anode, an electrolyte membrane, and a cathode are arranged is connected to an outer peripheral surface of the fuel cell unit, and the fuel cell units are electrically connected in series or in parallel.

特に所要電流が比較的小さく、高い電圧を必要とする場合には、中空支持体の外周面にアノード,電解質膜,カソードを配した複数の発電部を持つ燃料電池ユニットとし、各発電部を導電性のインターコネクターで直列に接続する事で高電圧化を図ることができる。   In particular, when the required current is relatively small and a high voltage is required, a fuel cell unit having a plurality of power generation units having an anode, an electrolyte membrane, and a cathode arranged on the outer peripheral surface of the hollow support is used, and each of the power generation units is electrically conductive. High voltage can be achieved by connecting in series with a flexible interconnector.

燃料は燃料タンクをプラットホームとして結合することによって中空支持体内部に強制供給機構を用いることなく供給され、この時中空支持体内に液体燃料を保持し、毛管力によって吸い上げる材料を充填することによって燃料補給はより安定化される。一方、中空支持体の外周面に発電部を有する各燃料電池ユニットは空気中の酸素の拡散によって酸化剤が供給される。燃料には体積エネルギー密度の高いメタノール水溶液を液体燃料として用いることによって、同一容積のタンクに水素ガスを燃料として用いた場合に比較してより長い時間発電を継続できる。   Fuel is supplied to the interior of the hollow support without using a forced supply mechanism by connecting the fuel tank as a platform, and at this time, the liquid fuel is held in the hollow support and refilled by filling with the material that is drawn up by capillary force. Is more stabilized. On the other hand, each fuel cell unit having a power generation unit on the outer peripheral surface of the hollow support is supplied with an oxidant by diffusion of oxygen in the air. By using a methanol aqueous solution having a high volume energy density as a liquid fuel, power generation can be continued for a longer time than when hydrogen gas is used as a fuel in a tank having the same volume.

本発明による電源を二次電池搭載の携帯電話器,携帯用パーソナルコンピュータ,携帯用オーデイオ,ビジュアル機器、その他の携帯用情報端末を休止時に充電するために付設されるバッテリーチャージャーとして用いる或いは二次電池を搭載することなく直接内蔵電源とすることによってこれらの電子機器は長時間使用が可能となり、燃料の補給によって連続的に使用することが可能となる。   The power supply according to the present invention is used as a battery charger attached to charge a portable telephone, a portable personal computer, a portable audio device, a visual device, and other portable information terminals equipped with a secondary battery at rest or a secondary battery. These electronic devices can be used for a long time by directly using a built-in power supply without mounting a, and can be used continuously by refueling.

本発明によれば、所要電流が比較的小さく、高い電圧を必要とする場合に、中空支持体の外周面にアノード,電解質膜,カソードを配した複数の発電部を持つ燃料電池ユニットとし、各発電部を導電性のインターコネクターで直列に接続することができるので、高電圧化を図ることができ、さらに、小型の燃料電池発電装置が実現できる。   According to the present invention, when a required current is relatively small and a high voltage is required, a fuel cell unit having a plurality of power generation units in which an anode, an electrolyte membrane, and a cathode are arranged on an outer peripheral surface of a hollow support is provided. Since the power generation units can be connected in series by a conductive interconnector, a high voltage can be achieved, and a small fuel cell power generation device can be realized.

燃料は燃料タンクをプラットホームとして結合することによって中空支持体内部に強制供給機構を用いることなく供給される。この時、中空支持体内に液体燃料を保持し、毛管力によって吸い上げる材料を充填することによって燃料補給がなされ、中空支持体の外周面に発電部を有する各燃料電池ユニットは空気中の酸素の拡散によって酸化剤が供給され、燃料,酸化剤供給用の補機を必要としない単純なシステムを構成できる。   Fuel is supplied without the use of a forced supply mechanism inside the hollow support by coupling the fuel tank as a platform. At this time, the fuel is supplied by holding the liquid fuel in the hollow support and filling it with a material that is sucked up by capillary force. Each fuel cell unit having a power generation unit on the outer peripheral surface of the hollow support diffuses oxygen in the air. The oxidizing agent is supplied by this, and a simple system that does not require auxiliary equipment for supplying the fuel and the oxidizing agent can be configured.

また、燃料には体積エネルギー密度の高いメタノール水溶液を液体燃料として用いることによって、同一容積のタンクに水素ガスを燃料として用いた場合に比較してより長い時間発電を継続でき、燃料の逐次補給によって二次電池のような充電時間を必要としない連続発電装置が実現できる。   In addition, by using a methanol aqueous solution with a high volume energy density as a liquid fuel, power generation can be continued for a longer time than when hydrogen gas is used as a fuel in a tank of the same volume. A continuous power generator that does not require a charging time like a secondary battery can be realized.

本発明による電源を二次電池搭載の携帯電話器,携帯用パーソナルコンピュータ,携帯用オーデイオ,ビジュアル機器,その他の携帯用情報端末に付設するバッテリーチャージャーとして用いる或いは二次電池を搭載することなく直接内蔵電源とすることによってこれらの電子機器は長時間使用が可能となり、燃料の補給によって連続使用が可能となる。   The power supply according to the present invention is used as a battery charger attached to a portable telephone, a portable personal computer, a portable audio device, a visual device, and other portable information terminals equipped with a secondary battery, or directly built in without a secondary battery. By using a power supply, these electronic devices can be used for a long time, and can be used continuously by refueling.

本発明による実施形態について図面を用いて以下に詳しく述べる。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

本発明の1つの実施形態を構成する燃料電池ユニットの構造を模式的に図1(a)に示し、燃料電池ユニットの外観図を図1(b)にその1つの壁断面構造を示して説明する。   FIG. 1A schematically shows the structure of a fuel cell unit constituting one embodiment of the present invention, and FIG. 1B shows an external view of the fuel cell unit, showing one wall cross-sectional structure thereof. I do.

中空の角型支持体1の外周部にアノード集電体6を被覆し、その上にアノード電極3,電解質2,カソード電極4,拡散層5及びカソード集電体7を順次重ねあわせて接合して発電部を形成する。これを燃料電池,燃料電池ユニットまたはユニット電池となる。後述するが、これら燃料電池ユニットが複数結合したものを燃料電池モジュールまたはモジュール電池という。   An outer peripheral portion of the hollow rectangular support 1 is coated with an anode current collector 6, and an anode electrode 3, an electrolyte 2, a cathode electrode 4, a diffusion layer 5, and a cathode current collector 7 are sequentially superposed and joined thereon. To form a power generation unit. This is a fuel cell, a fuel cell unit or a unit cell. As will be described later, a combination of a plurality of these fuel cell units is referred to as a fuel cell module or a module battery.

この時、アノードが接合されるアノード集電体を被覆した中空支持体1の壁面は筒内に供給された液体燃料がアノードに接触するように貫通型網目状或いは貫通型多孔質壁面構造を採っている。複数の燃料電池ユニットで構成された燃料電池モジュール101をプラットホームとして燃料タンク102に燃料供給口,燃料排出口9,10を結合した電源の構成を図2(a)に燃料電池ユニットと燃料タンクを結合した時の断面図を図2(b)に示す。   At this time, the wall surface of the hollow support 1 coated with the anode current collector to which the anode is joined has a penetrating mesh or penetrating porous wall surface structure so that the liquid fuel supplied into the cylinder comes into contact with the anode. ing. FIG. 2A shows the configuration of a power supply in which a fuel supply port and fuel outlets 9 and 10 are connected to a fuel tank 102 using a fuel cell module 101 composed of a plurality of fuel cell units as a platform. FIG. 2 (b) shows a cross-sectional view of the state when they are combined.

燃料タンク102には上部に燃料補給口103を備えており、内部にはメタノール水溶液を燃料104として保持している。こうすることによって燃料は中空支持体内部に強制供給機構を用いることなく供給される。この時中空支持体内に液体燃料を保持し、毛管力によって吸い上げる材料である保液材14を充填することで燃料補給はより安定化することができる。   The fuel tank 102 is provided with a fuel supply port 103 at an upper portion, and holds an aqueous methanol solution as fuel 104 inside. In this way, the fuel is supplied into the hollow support without using a forced supply mechanism. At this time, the fuel supply can be further stabilized by holding the liquid fuel in the hollow support and filling the liquid holding material 14, which is a material sucked up by the capillary force.

一方、図1(b)に示したようにカソード電極4は多孔質のカソード集電板7と拡散層5を通して大気中の酸素の拡散による供給を受ける構造になっており、酸化剤ガスの強制供給機構を用いることなく供給を受ける。   On the other hand, as shown in FIG. 1B, the cathode electrode 4 has a structure in which it is supplied by diffusion of oxygen in the atmosphere through a porous cathode current collector 7 and a diffusion layer 5, so that the oxidizing gas is forcibly supplied. Receives supply without using a supply mechanism.

メタノール水溶液を燃料とする燃料電池では以下に示す電気化学反応でメタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。アノード電極側では供給されたメタノール水溶液が(1)式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する。   In a fuel cell using a methanol aqueous solution as a fuel, power is generated in such a manner that chemical energy possessed by methanol is directly converted into electric energy by the following electrochemical reaction. On the anode electrode side, the supplied aqueous methanol solution reacts according to the equation (1) to dissociate into carbon dioxide, hydrogen ions and electrons.

CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
生成された水素イオンは電解質膜中をアノードからカソード側に移動し、カソード電極上で空気中から拡散してきた酸素ガスと電極上の電子と(2)式に従って反応して水を生成する。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (1)
The generated hydrogen ions move from the anode to the cathode side in the electrolyte membrane, and react with oxygen gas diffused from the air on the cathode electrode and electrons on the electrode according to the formula (2) to generate water.

6H++3/2O2+6e- → 3H2O …(2)
従って発電に伴う全化学反応は(3)式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水を生成し、化学反応式はメタノールの火炎燃焼と同じになる。
6H + + 3 / 2O 2 + 6e → 3H 2 O (2)
Therefore, as shown in equation (3), the entire chemical reaction associated with power generation oxidizes methanol with oxygen to produce carbon dioxide gas and water, and the chemical reaction equation is the same as that of flame combustion of methanol.

CH3OH+3/2O2 → CO2+3H2O …(3)
単位電池の開路電圧は概ね1.2V で燃料が電解質膜を浸透する影響で実質的には0.85〜1.0Vであり、特に限定されるものではないが実用的な負荷運転の下での電圧は0.3〜0.6V 程度の領域が選ばれる。従って実際に電源として用いる場合には負荷機器の要求にしたがって所定の電圧が得られるように単位電池を直列接続して用いられる。単電池の出力電流密度は電極触媒,電極構造その他の影響で変化するが、実効的に単電池の発電部面積を選択して所定の電流が得られるように設計される。又、適宜、並列に接続することで電池容量を調整することが可能である。
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 3H 2 O (3)
The open-circuit voltage of the unit cell is approximately 1.2 V, and is substantially 0.85 to 1.0 V due to the effect of fuel permeating the electrolyte membrane. Although not particularly limited, the voltage under practical load operation is not limited. Is selected in the range of about 0.3 to 0.6 V. Therefore, when actually used as a power supply, unit batteries are used in series so that a predetermined voltage can be obtained according to the requirements of the load equipment. Although the output current density of the unit cell changes due to the effects of the electrode catalyst, the electrode structure, and the like, the unit is designed so that the power generation unit area of the unit cell is effectively selected to obtain a predetermined current. Also, the battery capacity can be adjusted by connecting them in parallel as appropriate.

ここで燃料電池ユニットを構成する支持体は中空支持体構造の1つである筒型構造であることが特徴であるが、その断面形状は角型,円型或いはその他の形状であってもコンパクトに発電部面積が十分に取れる形状であれば特に制限はない。   Here, the support constituting the fuel cell unit is characterized in that it has a cylindrical structure, which is one of the hollow support structures, but its cross section may be square, circular or any other shape. There is no particular limitation as long as the shape of the power generation unit can be sufficiently obtained.

しかしながら燃料電池ユニットを規定の容積中にコンパクトに装填するには円筒型,角型は充填効率も良く、燃料電池発電部を装着する加工性の上でも好ましい形状といえる。   However, in order to load the fuel cell unit compactly in a prescribed volume, the cylindrical type and the square type have good filling efficiency, and can be said to be preferable shapes in terms of workability for mounting the fuel cell power generation unit.

支持体の材料は電気化学的に不活性であり、使用環境下で耐久性を持った薄型で十分な強度を持つ材料であれば良い。例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,ポリエチレンテレフタレート,塩化ビニル,ポリアクリル系樹脂その他のエンジニアリング樹脂やこれらを各種のフィラー等で強度補強した電気絶縁性の材料や生成水発生雰囲気での耐食性に優れた炭素材料,ステンレス系鋼、或いは通常の鉄,ニッケル,銅,アルミニウム及びそれらの合金の表面を耐食化処理した電気導電性の材料をあげることができる。   The support material may be any material that is electrochemically inert, durable and thin enough to have sufficient strength under the use environment. For example, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, vinyl chloride, polyacrylic resin and other engineering resins, electrically insulating materials obtained by reinforcing these with various fillers, carbon materials having excellent corrosion resistance in an atmosphere in which generated water is generated, An electrically conductive material obtained by subjecting the surface of stainless steel, or ordinary iron, nickel, copper, aluminum or an alloy thereof to a corrosion-resistant treatment can be used.

また、耐食性に劣る卑金属を上記した樹脂で被覆した絶縁性の材料を用いることも有効である。いずれにしても形状を支持する強度,耐食性と電気化学的に不活性な材料であれば特に限定されるものではない。   It is also effective to use an insulating material in which a base metal having poor corrosion resistance is coated with the above resin. In any case, the material is not particularly limited as long as it is a material that supports the shape, has corrosion resistance, and is electrochemically inert.

筒状支持体内部は燃料輸送空間として使用されるが、筒状支持体内部に充填される燃料供給を安定化する吸い上げ材はメタノール水溶液との接触角が小さく、電気化学的に不活性で耐食性のある材料であれば良く、粉末或いは繊維状のものを用いるとよい。例えば、ガラス,アルミナ,シリカアルミナ,シリカ,非黒鉛系炭素,セルロースなどの繊維や吸水性高分子繊維などは充填密度が低くメタノール水溶液保持性に優れた好ましい材料である。   The inside of the cylindrical support is used as a fuel transport space, but the wicking material that stabilizes the fuel supply filled inside the cylindrical support has a small contact angle with aqueous methanol solution, is electrochemically inert and corrosion resistant Any material may be used, and a powder or fibrous material may be used. For example, fibers such as glass, alumina, silica-alumina, silica, non-graphitic carbon, cellulose, and water-absorbing polymer fibers are preferable materials having a low packing density and excellent methanol aqueous solution retention.

発電部を構成するアノード触媒として炭素系粉末担体に白金とルテニウム或いは白金/ルテニウム合金の微粒子を分散担持したもの、カソード触媒としては炭素系担体に白金微粒子を分散担持したものは容易に製造,利用できる材料である。   As an anode catalyst constituting a power generation unit, a carbon-based powder carrier in which platinum and ruthenium or platinum / ruthenium alloy fine particles are dispersed and supported, and a cathode catalyst in which a carbon-based carrier has platinum fine particles dispersedly supported are easily manufactured and used. It is a material that can be made.

本発明による燃料電池のアノード及びカソードの触媒は通常の直接形メタノール燃料電池に用いられるものであれば特に制限されるものではない。電解質膜には水素イオン導電性を示す膜が用いられる。このような材料としてポリパーフルオロスチレンスルフォン酸,パーフルオロカーボン系スルフォン酸などに代表されるスルフォン化したフッ素系ポリマーやポリスチレンスルフォン酸,スルフォン化ポリエーテルスルフォン類,スルフォン化ポリエーテルエーテルケトン類などの炭化水素系ポリマーをスルフォン化した材料を用いることができる。これらの材料を電解質膜として用いれば一般に燃料電池を80℃以下の温度で作動することができる。   The catalyst of the anode and the cathode of the fuel cell according to the present invention is not particularly limited as long as it is used for a normal direct methanol fuel cell. A membrane exhibiting hydrogen ion conductivity is used as the electrolyte membrane. Examples of such materials include sulfonated fluoropolymers typified by polyperfluorostyrene sulfonic acid and perfluorocarbon sulfonic acid, and carbonized materials such as polystyrene sulfonic acid, sulfonated polyether sulfones, and sulfonated polyether ether ketones. A material obtained by sulfonating a hydrogen-based polymer can be used. If these materials are used as the electrolyte membrane, the fuel cell can generally be operated at a temperature of 80 ° C. or less.

また、タングステン酸化物水和物,ジルコニウム酸化物水和物,スズ酸化物水和物などの水素イオン導電性無機物を耐熱性樹脂にミクロ分散した複合電解質膜等を用いることによって、より高温域まで作動する燃料電池とすることもできる。いずれにしても水素イオン伝導性が高く、メタノール透過性の低い電解質膜を用いると燃料の発電利用率が高くなるため本発明の効果であるコンパクト化及び長時間発電をより高いレベルで達成することができる。   In addition, by using a composite electrolyte membrane in which hydrogen ion conductive inorganic substances such as tungsten oxide hydrate, zirconium oxide hydrate, and tin oxide hydrate are micro-dispersed in a heat-resistant resin, the temperature can be increased to higher temperatures. It can also be an operating fuel cell. In any case, when an electrolyte membrane having high hydrogen ion conductivity and low methanol permeability is used, the power generation utilization rate of the fuel is increased, so that the effects of the present invention such as compactness and long-term power generation can be achieved at a higher level. Can be.

燃料電池ユニットを構成する発電部は例えば以下のような方法によって製作することができる。即ち、1)中空支持体の外周面に導電性の集電板を塗布してアノード接合部の壁面を貫通孔による多孔質化する工程、2)アノード触媒と電解質膜と同一物質を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液をバインダーとして添加,分散してペースト状にしたものを中空支持体の多孔質部分に10〜50μmの一定厚さに塗布して電極を形成する工程、3)その後予め揮発性有機溶媒に溶解した電解質溶液をアノード電極の上に膜形成後の厚さが20〜50μmとなるように塗布する工程、4)ついでカソード触媒と電解質膜と同一物質を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液をバインダーとして混練してペースト状にしたものを電解質膜の上に10〜50μmの一定厚さに塗布して電極を形成する工程、5)更にその外周部に炭素系粉末と所定量の撥水性分散材例えばポリテトラフルオロエチレン微粒子の水性分散液をペースト状にしてカソード電極表面に塗布しては拡散層を形成する工程を経て燃料電池ユニットが作られる。   The power generation unit constituting the fuel cell unit can be manufactured by, for example, the following method. That is, 1) a step of applying a conductive current collector plate to the outer peripheral surface of the hollow support to make the wall surface of the anode junction porous by through holes, and 2) volatilizing the same material as the anode catalyst and the electrolyte membrane in advance. A process of adding a solution dissolved in an organic solvent as a binder, dispersing the solution into a paste, and applying the resulting solution to a constant thickness of 10 to 50 μm on a porous portion of a hollow support to form an electrode; Applying an electrolyte solution dissolved in a volatile organic solvent on the anode electrode so that the thickness after film formation is 20 to 50 μm. 4) Then, the same substance as the cathode catalyst and the electrolyte membrane is previously added to the volatile organic solvent. A step of applying a solution obtained by kneading the dissolved solution as a binder into a paste to form a fixed thickness of 10 to 50 μm on an electrolyte membrane to form an electrode; Water repellency An aqueous dispersion of the dispersion material such as polytetrafluoroethylene fine particles in the paste is applied to the surface of the cathode electrode fuel cell unit is made through a process of forming the diffusion layer.

この時、3)の工程において電解質膜部分はカソード面積よりも大きくとり、支持体と電解質膜を密着させるか或いは接着剤を用いて接着することによってシールすることが重要である。得られた燃料電池ユニットのカソード部分に導電性の多孔質材或いはネットを装着してカソード集電板として端子を取り出し、アノード集電板から端子を取り出す。   At this time, in step 3), it is important that the electrolyte membrane portion is larger than the cathode area, and it is important that the support and the electrolyte membrane are adhered to each other or sealed by bonding using an adhesive. A terminal is taken out as a cathode current collector by attaching a conductive porous material or net to the cathode portion of the obtained fuel cell unit, and a terminal is taken out from the anode current collector.

燃料電池ユニットが単一の燃料電池で構成されている場合には、1)の工程は必要なく、導電性の中空支持体を用いて直接アノード端子を取り出すことができる。また、撥水性の水性分散材が白金触媒または、白金・ルテニウム合金触媒の触媒毒成分となる界面活性剤を含んでいるような場合には、例えば炭素繊維のような導電性の織布面の片側に炭素系粉末と所定量の撥水性分散材例えばポリテトラフルオロエチレン微粒子の水性分散液をペースト状にして塗布して予め界面活性剤が分解する温度で焼成してから塗布面をカソードに接するように装着し、炭素繊維織布をカソード端子とする方法は有効である。   When the fuel cell unit is composed of a single fuel cell, the step 1) is not required, and the anode terminal can be directly taken out using the conductive hollow support. Further, in the case where the water-repellent aqueous dispersion material contains a platinum catalyst or a surfactant which is a catalyst poison component of a platinum-ruthenium alloy catalyst, for example, a conductive woven fabric surface such as carbon fiber is used. One side is coated with a carbon-based powder and a predetermined amount of an aqueous dispersion of a water-repellent dispersant, for example, polytetrafluoroethylene fine particles, applied in the form of a paste, fired in advance at a temperature at which the surfactant is decomposed, and then the coated surface is brought into contact with the cathode It is effective to use a carbon fiber woven fabric as a cathode terminal.

この他に予め円筒状の電解質膜の内面に所定厚さのアノードを塗布し、外面にカソード,拡散層を塗布した電極・電解質膜接合体(Membrane Electrode Assembly) を形成したものを筒型支持体に装着する方法やアノード,電解質膜,カソード,撥水層を予め個々に円筒状に形成し、或いはその幾つかを組み合わせて接合して円筒状に形成したものを支持体に順次装着する方法も有効である。   In addition, a cylindrical electrolyte membrane is coated in advance with an anode of a predetermined thickness on the inner surface, and a cathode and a diffusion layer are coated on the outer surface to form an electrode-electrolyte membrane assembly (Membrane Electrode Assembly). The anode, the electrolyte membrane, the cathode, and the water-repellent layer may be individually formed in a cylindrical shape in advance, or some of them may be combined and joined to form a cylindrical shape, and then sequentially mounted on a support. It is valid.

あるいは、カソード外周面に拡散層を塗布した電極・電解質膜接合体(Membrane
Electrode Assembly)を筒型支持体の外周に巻き付けて電解質膜の継ぎ目を接合して装着する方法なども有効である。
Alternatively, an electrode / electrolyte membrane assembly (Membrane
It is also effective to wind the electrode support around the outer periphery of the cylindrical support, join the joints of the electrolyte membranes, and mount them.

しかしながら、アノード,電解質膜,カソードの接合は電極の反応界面を形成する工程であるため電解質にアノードとカソードを塗布する操作で予め接合することが望ましい。   However, since the joining of the anode, the electrolyte membrane, and the cathode is a step of forming a reaction interface between the electrodes, it is desirable to join them in advance by applying the anode and the cathode to the electrolyte.

いずれにしても燃料電池ユニットが支持体表面にアノード,電解質膜,カソード,撥水層の順に重ねられ、アノード/電解質膜,カソード/電解質膜間に十分な反応界面を形成する方法であれば製造方法に特別な制限はない。また、カソードを形成する際にカソード触媒,電解質膜と同一物質を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液に所定量の撥水性分散材例えばポリテトラフルオロエチレン微粒子を加えてペースト状にして塗布することによって撥水層を必要としない電池を構成することも出きる。   In any case, a method is used in which a fuel cell unit is stacked on a support in the order of an anode, an electrolyte membrane, a cathode, and a water-repellent layer, and forms a sufficient reaction interface between the anode / electrolyte membrane and the cathode / electrolyte membrane. There are no special restrictions on the method. Further, when forming the cathode, a predetermined amount of a water-repellent dispersion material, for example, polytetrafluoroethylene fine particles is added to a solution in which the same substance as the cathode catalyst and the electrolyte membrane is dissolved in a volatile organic solvent in advance, and the paste is applied. Can form a battery that does not require a water-repellent layer.

次に燃料電池ユニットあたり、より高い電圧を得るための構造について、そのような燃料電池ユニットの外観を図3(a)に示し、その1つの壁断面構造を図3(b)に示して詳しく説明する。   Next, regarding the structure for obtaining a higher voltage per fuel cell unit, FIG. 3A shows the appearance of such a fuel cell unit, and FIG. explain.

この場合に中空支持体1は電気的に絶縁性を有する材料で形成する必要があり、導電性アノード集電板6を塗布した中空筒状支持体1の発電部を形成する網目状或いは多孔質層8は外周上に縞状に複数設けられる。燃料電池ユニットの上,下には燃料排出口9,供給口10が設けられている。単位電池の構成は、支持体外壁面から導電性多孔質のアノード集電板6,アノード3,電解質膜2,カソード4,拡散層5,網目状若しくは多孔質のカソード集電板7の順に重ねて形成され、カソード集電板は隣接するアノード集電板とインターコネクター11を介して各電池が直列に接続される。単位電池の形成方法は先に記したのと同じ方法によって形成される。出力端子は一方の端のアノード集電板6と他方端のカソード集電板7から引き出される。   In this case, the hollow support 1 needs to be formed of a material having an electrical insulation property, and a mesh-like or porous material that forms a power generation portion of the hollow cylindrical support 1 coated with the conductive anode current collector plate 6. The plurality of layers 8 are provided in a stripe pattern on the outer periphery. A fuel outlet 9 and a supply port 10 are provided above and below the fuel cell unit. The configuration of the unit battery is such that a conductive porous anode current collector 6, an anode 3, an electrolyte membrane 2, a cathode 4, a diffusion layer 5, a mesh or porous cathode current collector 7 are stacked in this order from the outer wall surface of the support. The cathode current collector is formed, and each battery is connected in series to an adjacent anode current collector via an interconnector 11. The unit battery is formed by the same method as described above. The output terminals are drawn from the anode current collector 6 at one end and the cathode current collector 7 at the other end.

燃料タンクは1つ以上の筒型燃料電池で構成される発電装置のプラットホームを兼ねる構造体である。燃料タンクには構造強度と特にメタノール水溶液に対する耐食性を有する材料が用いられる。ポリエチレン,ポリプロピレン,ポリエチレンテレフタレート,塩化ビニル,ポリアクリル系樹脂その他のエンジニアリング樹脂やこれらを各種のフィラー等で強度補強した電気絶縁性の材料または、ステンレス系鋼、或いは通常の鉄,ニッケル,銅,アルミニウム及びそれらの合金の表面を耐食化処理した材料を用いることができる。   The fuel tank is a structure that also serves as a platform of a power generation device including one or more cylindrical fuel cells. For the fuel tank, a material having structural strength and particularly corrosion resistance to an aqueous methanol solution is used. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, vinyl chloride, polyacrylic resin, other engineering resins, or electrically insulating materials obtained by reinforcing these with various fillers, or stainless steel, or ordinary iron, nickel, copper, or aluminum And materials obtained by subjecting the surfaces of their alloys to corrosion treatment.

また、耐食性に劣る卑金属を上記した樹脂で被覆した材料を用いることも有効である。燃料タンクには複数の燃料電池ユニットの燃料供給,排出孔と結合する装着口を持ち1つ以上の燃料補給口を持っている。燃料供給,排出口は気密性な機構であれば良く、その構造に関しては特に制限はない。特にこの結合が着脱可能な機構であれば、燃料電池ユニットの一部が劣化若しくはその他の不具合を生じた時に燃料電池モジュール全体或いは特定の燃料電池ユニットを取り替えることで長期間にわたって電源を使用できるので好ましい構造といえる。   It is also effective to use a material in which a base metal having poor corrosion resistance is coated with the above resin. The fuel tank has one or more fuel supply ports having mounting ports for coupling with fuel supply and discharge holes of a plurality of fuel cell units. The fuel supply and discharge ports need only be an airtight mechanism, and the structure is not particularly limited. In particular, if this coupling is a detachable mechanism, the power supply can be used for a long time by replacing the entire fuel cell module or a specific fuel cell unit when a part of the fuel cell unit is deteriorated or other trouble occurs. This is a preferable structure.

発電に際して燃料電池ユニット内のメタノール水溶液が酸化され炭酸ガスを発生して燃料電池ユニット排出口から燃料タンクへ戻されタンク内圧は高くなる。また、電源が環境温度の変化によって、特に低温から高温環境に移動することによって燃料タンク内の圧力上昇が生じる。このような状況を避けるために燃料補給口に気体選択透過機構を設けることは有効である。   At the time of power generation, the aqueous methanol solution in the fuel cell unit is oxidized to generate carbon dioxide gas and returned from the fuel cell unit outlet to the fuel tank, so that the tank internal pressure increases. Further, the pressure in the fuel tank rises due to the power source moving from a low temperature to a high temperature environment due to a change in environmental temperature. In order to avoid such a situation, it is effective to provide a gas selective transmission mechanism at the fuel supply port.

また、もう1つの実施形態として燃料電池ユニット群のプラットホームとなる燃料タックの他に発電持続時間を長くする目的で、該プラットホームに補助燃料タンクを装着できる構造を採る事もできる。この場合にはプラットホームタンクに受け口機構を補助タンクには装着口機構と気体選択透過機構を有する燃料補給口を設けたものを用いると良い。   Further, as another embodiment, in addition to the fuel tack serving as a platform of the fuel cell unit group, a structure in which an auxiliary fuel tank can be mounted on the platform may be employed for the purpose of extending the power generation duration. In this case, it is preferable to use a platform tank provided with a receiving port mechanism and an auxiliary tank provided with a fuel supply port having a mounting port mechanism and a gas selective transmission mechanism.

気体選択透過機構の具体的な実施例として図4に断面構造を示す。燃料補給口53の蓋部51の間に内面が撥水化された1つ以上のピンホールを設けた板または、多孔質の撥水性板52を挟んで構成される。蓋部51と燃料補給口53及び燃料補給口と燃料タンクとは気密性を持ったネジ構造で固定される。発電伴う炭酸ガスの発生や環境温度の上昇などでタンク内のガス圧があがると多ピンホール或いは多孔質板を通して気体は選択的に透過,排出され液体燃料は流出しない。   FIG. 4 shows a cross-sectional structure as a specific embodiment of the gas selective permeation mechanism. A plate having one or more pinholes whose inner surface is made water-repellent or a porous water-repellent plate 52 is sandwiched between the lid portions 51 of the fuel supply port 53. The lid 51 and the fuel supply port 53, and the fuel supply port and the fuel tank are fixed by an airtight screw structure. When the gas pressure in the tank rises due to generation of carbon dioxide gas due to power generation or an increase in environmental temperature, the gas is selectively transmitted and discharged through the multi-pinhole or the porous plate, and the liquid fuel does not flow out.

本発明の特徴となる中空支持体の外周面にアノード,電解質膜,カソードを配した複数の発電部を持つ燃料電池ユニットを作製し、各発電部を導電性のインターコネクターで直列に接続する事で高電圧化を図り、燃料タンクをプラットホームとして結合することによって中空支持体内部に強制供給機構を用いることなく供給され、各燃料電池ユニットはその外面から空気中の酸素の拡散によって酸化剤が供給され、燃料には体積エネルギー密度の高いメタノール水溶液を液体燃料として用いることによって長い時間発電を継続できる小型電源を実現することができる。この小型電源を例えば携帯電話機,ブックタイプパーソナルコンピュータや携帯用ビデオカメラの電源として内蔵することによって駆動することができ、予め用意された燃料を逐次補給することによって長時間の連続使用が可能となる。   A fuel cell unit having a plurality of power generation units having an anode, an electrolyte membrane, and a cathode disposed on the outer peripheral surface of a hollow support which is a feature of the present invention is manufactured, and each power generation unit is connected in series by a conductive interconnector. By using a fuel tank as a platform, the fuel is supplied to the hollow support without using a forced supply mechanism, and each fuel cell unit is supplied with an oxidizing agent by diffusion of oxygen in the air from the outer surface. By using a methanol aqueous solution having a high volume energy density as a liquid fuel, it is possible to realize a small power source that can continue power generation for a long time. This small power supply can be driven by being built in, for example, as a power supply for a mobile phone, a book-type personal computer, or a portable video camera, and can be continuously used for a long time by sequentially replenishing fuel prepared in advance. .

また、前記の場合よりも燃料補給の頻度を大幅に少なく使用する目的で、この小型電源を例えば二次電池搭載の携帯電話機,ブックタイプパーソナルコンピュータや携帯用ビデオカメラの充電器と結合してそれらの収納ケースの一部に装着することによってバッテリーチャージャーとして用いることは有効である。この場合、携帯用電子機器使用時には収納ケースより取り出して二次電池で駆動し、使用しない時にはケースに収納することによってケースに内蔵された小型燃料電池発電装置が充電器を介して結合されて二次電池を充電する。こうすることによって燃料タンクの容積を大きくでき、燃料補給の頻度は大幅に少なくすることができる。   Further, in order to use the fuel supply frequency significantly less than in the above-described case, the small power supply is connected to a charger for a mobile phone, a book-type personal computer or a portable video camera equipped with a secondary battery, for example. It is effective to use it as a battery charger by attaching it to a part of the storage case. In this case, when the portable electronic device is used, it is taken out of the storage case and driven by the secondary battery, and when not in use, it is stored in the case, so that the small fuel cell power generation device built in the case is connected via the charger to the secondary battery. Charge the next battery. By doing so, the capacity of the fuel tank can be increased, and the frequency of refueling can be significantly reduced.

以下の実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明の趣旨とするところはここに開示した実施例のみに限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the gist of the present invention is not limited to the examples disclosed herein.

以下に、本発明の第1の実施例を示す。   Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described.

本発明の1実施例による角筒型の燃料電池ユニットの外観構造を図5(a)に示し、その断面の構成を図5(b)に示し説明する。   FIG. 5A shows an external structure of a prismatic fuel cell unit according to an embodiment of the present invention, and FIG.

中空支持体1は表面を水酸基含有ポリアクリル系樹脂クリア塗料(関西ペイント製)でコーティングした厚さ0.4mm のステンレススチールSUS304製であり、外寸法4mm×3mm,高さ44mmの角型容器で、内部に空隙率85%のガラス繊維を保液材14として充填した。   The hollow support 1 is made of stainless steel SUS304 having a thickness of 0.4 mm and coated with a hydroxyl group-containing polyacrylic resin clear paint (manufactured by Kansai Paint), and is a square container having an outer size of 4 mm × 3 mm and a height of 44 mm. The inside was filled with a glass fiber having a porosity of 85% as a liquid retaining material 14.

角筒は上下ともに厚さ2mmのアクリル板の蓋12,13を接着して気密性を持たせた。   The rectangular tube was provided with airtightness by bonding acrylic plate lids 12 and 13 each having a thickness of 2 mm on both the upper and lower sides.

この角筒の外周面には36mmの幅で、約1mm径の貫通孔を設けた開口率約70%の多孔質層8が設けられており、角筒側面の上下の非開孔部に外径3mm,内径2mmの燃料排出口9及び供給口10が設けられている。   A porous layer 8 having a width of 36 mm and a through hole having a diameter of about 1 mm and an opening ratio of about 70% is provided on the outer peripheral surface of the rectangular cylinder. A fuel outlet 9 and a supply port 10 having a diameter of 3 mm and an inner diameter of 2 mm are provided.

この角筒の多孔質層8をアノード集電板6となるステンレス鋼SUS316メッシュで覆い、その上に37mm幅で角筒の多孔質部8を覆うように白金・ルテニウム担持炭素触媒に乾燥重量で電解質量が触媒量の60wt%に相当する5重量%のナフィオン117アルコール水溶液(水,イソプロパノール,ノルマルプロパノールが重量比で20:40:
40の混合溶媒:Fluke Chemical社製)を添加してペースト状に混練したものを60℃で3時間乾燥時の厚さが30μmとなるように塗布しアノード3を形成した。
The porous layer 8 of the rectangular tube is covered with a stainless steel SUS316 mesh serving as the anode current collecting plate 6, and a platinum / ruthenium-supported carbon catalyst is dried thereon by a weight of 37 mm to cover the porous portion 8 of the rectangular tube with a width of 37 mm. A 5% by weight aqueous Nafion 117 alcohol solution (water, isopropanol, normal propanol in a weight ratio of 20:40:
A mixed solvent of No. 40: manufactured by Fluke Chemical Co.) was added and kneaded into a paste, and the mixture was applied at 60 ° C. for 3 hours so as to have a thickness of 30 μm when dried, thereby forming an anode 3.

約60℃で3時間乾燥した後の白金量は約2mg/cm2 であり、ルテニウム量は約1mg/cm2であった。 After drying at about 60 ° C. for 3 hours, the amount of platinum was about 2 mg / cm 2 and the amount of ruthenium was about 1 mg / cm 2 .

ついで、60℃乾燥後、5重量%のナフィオン117アルコール水溶液を蒸発し、約
30重量%まで濃縮した液体を角筒外周全面に電極部の塗布厚さ約50μmとなるように塗布して電解質膜2を形成した。
Then, after drying at 60 ° C., 5% by weight of Nafion 117 alcohol aqueous solution is evaporated, and a liquid concentrated to about 30% by weight is applied to the entire outer periphery of the rectangular tube so that the electrode portion has a coating thickness of about 50 μm, and the electrolyte membrane is formed. 2 was formed.

室温で10時間乾燥後更に60℃で3時間乾燥して非電極部塗布厚さを測定したところ、角筒コーナー部はやや厚くなっているものの平坦部では73〜76μmの範囲であり、通電部では概ね電解質膜厚さは45μm程度である。   After drying at room temperature for 10 hours and further drying at 60 ° C. for 3 hours and measuring the coating thickness of the non-electrode portion, the corner portion of the rectangular tube was slightly thicker, but it was in the range of 73 to 76 μm in the flat portion. In this case, the electrolyte film thickness is generally about 45 μm.

形成された電解質膜2の上に白金担持炭素粉末触媒に乾燥重量でナフィオン117が触媒量の60wt%相当である5重量%のナフィオン117アルコール水溶液を添加しペースト状に混練したものを乾燥時の厚さが15μmとなるようにアノード3と重なるように塗布して60℃で3時間乾燥しカソード4を形成した。この時のカソード白金量は約0.8
mg/cm2であった。
A 5% by weight aqueous solution of Nafion 117 alcohol, which is equivalent to 60% by weight of Nafion 117 in terms of dry weight, was added to the platinum-supported carbon powder catalyst on the formed electrolyte membrane 2 and kneaded in a paste form. The coating was applied so as to overlap with the anode 3 so as to have a thickness of 15 μm, and dried at 60 ° C. for 3 hours to form a cathode 4. The cathode platinum amount at this time is about 0.8
mg / cm 2 .

次に炭素粉末に焼成後の重量で40wt%となるように撥水剤ポリテトラフルオロエチレン微粒子の水分散液(テフロン(登録商標)デイスパージョンD−1:ダイキン工業製)を添加して混練し、ペースト状になったものを厚さ約100μm空隙率87%の炭素繊維不織布上の片面に厚さ約20μmとなるように塗布し、室温で乾燥した後270℃で3時間焼成して拡散層5を形成した。   Next, an aqueous dispersion of water repellent polytetrafluoroethylene fine particles (Teflon (registered trademark) Dispersion D-1: manufactured by Daikin Industries) is added to the carbon powder so that the weight after firing is 40 wt%, and the mixture is kneaded. Then, the paste was applied to one side of a carbon fiber non-woven fabric having a thickness of about 100 μm and a porosity of 87% so as to have a thickness of about 20 μm, dried at room temperature, and then fired at 270 ° C. for 3 hours to diffuse. Layer 5 was formed.

得られた拡散層5を上記の角筒型燃料電池のカソード幅と同じテープ状に切り出し、これを角筒型燃料電池のカソード上に継ぎ目が重ならないように巻き付けてステンレス鋼
SUS316メッシュをカソード集電体7として拡散層5を固定した。アノード及びカソード集電板6,7の端部に燃料電池ユニットの端子を結合した。
The obtained diffusion layer 5 was cut out into a tape shape having the same width as the cathode width of the above-mentioned square cylinder type fuel cell, and this was wound on the cathode of the square cylinder type fuel cell so that the seam did not overlap, and a stainless steel SUS316 mesh was collected. The diffusion layer 5 was fixed as the electric body 7. The terminals of the fuel cell unit were connected to the ends of the anode and cathode current collector plates 6,7.

こうして得られた角筒型の燃料電池ユニットは燃料充填容積約0.26cm3で発電有効面積約5cm2 の単電池であり、10wt%メタノール水溶液を液体燃料として充填して測定した55℃における単位電池の初期特性の電流/電圧特性は図6の曲線61のように負荷電流密度150mA/cm2 で出力電圧0.30V を示した。このような構造の燃料電池ユニットを複数実装して電源を構成する場合には、空気の拡散が必要十分な空間を空けるのみでコンパクトに配列,実装することができる。 The prismatic fuel cell unit thus obtained is a unit cell having a fuel filling volume of about 0.26 cm 3 and a power generation effective area of about 5 cm 2 , and is a unit at 55 ° C. measured by filling a 10 wt% methanol aqueous solution as a liquid fuel. The current / voltage characteristics of the initial characteristics of the battery showed an output voltage of 0.30 V at a load current density of 150 mA / cm 2 as shown by a curve 61 in FIG. When a power supply is configured by mounting a plurality of fuel cell units having such a structure, the fuel cell units can be arranged and mounted compactly only by providing a necessary and sufficient space for air diffusion.

次に、本発明の実施例2について、以下に説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described below.

本発明のもう一つの実施例によるメタノール水溶液を燃料とする円筒型構造の燃料電池ユニットの外観構造を図7(a)に示し、その断面の構成を図7(b)に示して説明する。   FIG. 7A shows an external structure of a cylindrical fuel cell unit using a methanol aqueous solution as a fuel according to another embodiment of the present invention, and FIG. 7B shows a cross-sectional configuration thereof.

ポリプロピレン製、外径4.5mm,内径3.6mm,長さ44mmの円筒で、その一方の端部外周に予め幅3mm,厚さ0.2mm の銅製アノード端子板15を嵌合して中空円筒型支持体1とし、この外周部にポリフッ化ビニリデンをバインダーとする導電性炭素塗料を厚さ約50μm塗布してアノード集電板6を形成した。アノード集電板6を塗布した幅38mmの円筒壁面には径が約0.5mm の貫通孔を開口率約65%となるように多孔質層8を設けた。   A hollow cylinder made of polypropylene, 4.5 mm in outer diameter, 3.6 mm in inner diameter, and 44 mm in length. A copper anode terminal plate 15 having a width of 3 mm and a thickness of 0.2 mm is fitted on one end of the cylinder in advance. The anode current collector plate 6 was formed by applying a conductive carbon coating material having polyvinylidene fluoride as a binder to a thickness of about 50 μm on the outer periphery of the mold support 1. A porous layer 8 having a diameter of about 0.5 mm was provided on the 38 mm wide cylindrical wall surface to which the anode current collector 6 was applied so as to have an opening ratio of about 65%.

円筒内には空隙率85%のガラス繊維を保液材14として充填し、円筒の上,下にはポリプロピレン製で外径3mm,内径2mmの燃料排出口9及び供給口10を有する厚さ2mmの蓋12,13を溶着して気密性を持たせた。次に、白金・ルテニウム担持炭素触媒に乾燥重量でナフィオンが触媒量の60wt%相当である5重量%のナフィオン117アルコール水溶液を添加してペースト状に混練したものを60℃で3時間乾燥時の厚さが25μmとなるように44mm×14mm,厚さ50μmのナフィオン117(Du Pont社製) 電解質膜2の面内38mm×12mmにスクリーン印刷法で塗布しアノード3とした。約60℃で3時間乾燥した後の白金量は約1.3mg/cm2であり、ルテニウム量は約0.65mg/cm2であった。 The cylinder is filled with glass fiber having a porosity of 85% as a liquid retaining material 14, and the upper and lower portions of the cylinder are made of polypropylene and have a thickness of 2 mm having a fuel outlet 9 and a supply port 10 having an outer diameter of 3 mm and an inner diameter of 2 mm. The lids 12 and 13 were welded to make them airtight. Next, a 5 wt% aqueous Nafion 117 alcohol solution, in which Nafion is equivalent to 60 wt% of the catalytic amount by dry weight, was added to the platinum-ruthenium-supported carbon catalyst, and the mixture was kneaded into a paste and dried at 60 ° C. for 3 hours. An anode 3 was formed by applying a screen printing method to a 38 mm × 12 mm in-plane of a Nafion 117 (manufactured by DuPont) electrolyte membrane 2 having a size of 44 mm × 14 mm and a thickness of 50 μm so as to have a thickness of 25 μm. The amount of platinum was dried 3 hours at about 60 ° C. is about 1.3 mg / cm 2, the amount of ruthenium was about 0.65 mg / cm 2.

次に、白金担持炭素粉末触媒に乾燥重量でナフィオンが触媒量の60wt%相当である5重量%のナフィオン117アルコール水溶液を添加しペースト状に混練したものを乾燥時の厚さが15μmとなるようにして電解質膜2のアノード3塗布面に対応する反対側の面にアノード3と重なるようにスクリーン印刷法で塗布して60℃で3時間乾燥してカソード4を形成し電解質膜/電極接合体とした。   Next, a 5 wt% aqueous Nafion 117 alcohol solution, in which Nafion is equivalent to 60 wt% of the catalytic amount by dry weight, is added to the platinum-supported carbon powder catalyst, and the mixture is kneaded in a paste form so that the dry thickness becomes 15 μm. The surface of the electrolyte membrane 2 opposite to the surface coated with the anode 3 is coated by a screen printing method so as to overlap with the anode 3 and dried at 60 ° C. for 3 hours to form a cathode 4 to form an electrolyte membrane / electrode assembly. And

この時、カソード白金量は約0.8mg/cm2であった。次に炭素粉末に焼成後の重量で
40wt%となるように撥水剤ポリテトラフルオロエチレン微粒子の水分散液を添加し、それを混練して、ペースト状になったものを厚さ約100μm空隙率87%の炭素繊維不織布上の片面に厚さ約20μmとなるように塗布し、室温で乾燥した後270℃で3時間焼成して拡散層5を形成する。
At this time, the amount of cathode platinum was about 0.8 mg / cm 2 . Next, an aqueous dispersion of the water repellent polytetrafluoroethylene fine particles is added to the carbon powder so that the weight after firing becomes 40 wt%, and the mixture is kneaded to form a paste-like material having a thickness of about 100 μm. It is applied to one side of a carbon fiber nonwoven fabric having a rate of 87% so as to have a thickness of about 20 μm, dried at room temperature, and baked at 270 ° C. for 3 hours to form a diffusion layer 5.

電解質膜/電極接合体の上下外周の電解質膜が露出している部分幅約2.5mm にシリコーン系液状ガスケット16を塗布し、円筒型の中空支持体1の多孔質部8を覆うように巻き付けて上下端を貼り付けると共に、外周部から締め付けながら電解質膜/電極接合体の円筒型支持体1の長手方向に露出した電解質膜継ぎ目に予め5重量%のナフィオン117アルコール水溶液を約30重量%まで濃縮した液体を塗布して60℃で約3時間乾燥して結合する。   A silicone liquid gasket 16 is applied to a part width of about 2.5 mm where the electrolyte membrane on the upper and lower outer circumferences of the electrolyte membrane / electrode assembly is exposed, and wound around the porous portion 8 of the cylindrical hollow support 1. 5% by weight of Nafion 117 alcohol aqueous solution to about 30% by weight in advance at the electrolyte membrane joint exposed in the longitudinal direction of the cylindrical support 1 of the electrolyte membrane / electrode assembly while fastening the upper and lower ends and tightening from the outer periphery. The concentrated liquid is applied and dried at 60 ° C. for about 3 hours to bind.

作製された拡散層5をカソード幅と同じテープ状に切り出し、これを円筒型燃料電池のカソード上に継ぎ目が重ならないように巻き付けて銅製メッシュにポリフッ化ビニリデンをバインダーとする導電性炭素塗料で被覆した多孔質カソード集電体7で固定し、このメッシュをカソード端子とした。   The prepared diffusion layer 5 was cut into a tape shape having the same width as the cathode, wound around the cathode of the cylindrical fuel cell so that the seams did not overlap, and coated on a copper mesh with a conductive carbon paint using polyvinylidene fluoride as a binder. The mesh was used as a cathode terminal.

また、円筒型燃料電池ユニットの両端シール部をゴム系の締付バンド17で締め付け固定した。得られた円筒型燃料電池ユニットは燃料充填容積約0.37cm3で発電有効面積約4.5cm2の単電池であり、10wt%メタノール水溶液を液体燃料として充填して測定した55℃における単位電池の初期の電流/電圧特性は図6の曲線62のように負荷電流密度150mA/cm2 で出力電圧0.32V を示した。 In addition, the seals at both ends of the cylindrical fuel cell unit were fastened and fixed by rubber-based fastening bands 17. The obtained cylindrical fuel cell unit is a single cell having a fuel filling volume of about 0.37 cm 3 and an effective power generation area of about 4.5 cm 2 , and is a unit cell at 55 ° C. measured by filling a 10 wt% methanol aqueous solution as a liquid fuel. The initial current / voltage characteristics indicated an output voltage of 0.32 V at a load current density of 150 mA / cm 2 as shown by a curve 62 in FIG.

本実施例のように燃料電池ユニットを円筒型にすると、中空支持体外周に電池部材を接合してゆく工程が容易になり、多孔質カソード集電体7による締め付けが均一となり単位電池の出力電圧を高くとることができる。   When the fuel cell unit is cylindrical as in this embodiment, the process of joining the cell members to the outer periphery of the hollow support becomes easy, the tightening by the porous cathode current collector 7 becomes uniform, and the output voltage of the unit cell becomes higher. Can be higher.

本発明の第3の実施例を以下に示す。   A third embodiment of the present invention will be described below.

本発明のもう一つの実施例によるメタノール水溶液を燃料とした円筒型で高電圧タイプの燃料電池ユニット外観構造を図8(a)に示し、その断面の構成を図8(b)に示して説明する。   FIG. 8A shows the external structure of a high-voltage cylindrical fuel cell unit using a methanol aqueous solution as a fuel according to another embodiment of the present invention, and FIG. I do.

ポリプロピレン製で外径6.4mm,内径5.5mm,長さ90mmで、その両端から30mmの外周部に幅1.5mm で高さ50μmの2本のリブ21を持った中空円筒を作製し、その上方円筒端部を幅3mmで外径を6.0mm に削り込んだ外周に予め幅3mm,厚さ0.2mm の銅製のアノード端子板15を嵌合して中空円筒型支持体1とする。リブ面と支持体端部のアノード集電板6を除く外周面に樹脂テープでマスクをし、残された外周部表面にポリフッ化ビニリデンをバインダーとする導電性炭素塗料を厚さ約50μm塗布してインターコネクター11に接続するアノード集電板6を形成した。リブの一方の側面と接して幅25mmの3つの集電板形成部を径が約0.5mm の貫通孔を開口率約65%となるように設け多孔質部8とした。3つに区分された集電部表面に第1の実施例と同じ方法で30μm厚さのアノード3を塗布する。ついでリブ部21とインターコネクター11のアノード集電部をマスクして、通電部に形成されたアノード3の上及びアノード集電部のマスクされていない部分に実施例1と同じ方法で通電部の厚さが約40μmとなるよう電解質膜2を形成する。   A hollow cylinder made of polypropylene having an outer diameter of 6.4 mm, an inner diameter of 5.5 mm, a length of 90 mm, and two ribs 21 of 1.5 mm in width and 50 μm in height at the outer periphery 30 mm from both ends is manufactured. A copper anode terminal plate 15 having a width of 3 mm and a thickness of 0.2 mm is fitted on the outer periphery of the upper cylindrical end cut into a width of 3 mm and an outer diameter of 6.0 mm to form a hollow cylindrical support 1. . A mask is applied with a resin tape to the outer peripheral surface except the rib surface and the anode current collector plate 6 at the end of the support, and a conductive carbon paint using polyvinylidene fluoride as a binder is applied to a thickness of about 50 μm on the remaining outer peripheral surface. Thus, the anode current collector 6 connected to the interconnector 11 was formed. Three current collector plate forming portions having a width of 25 mm in contact with one side surface of the rib were provided with through holes having a diameter of approximately 0.5 mm so as to have an opening ratio of approximately 65%, thereby forming a porous portion 8. An anode 3 having a thickness of 30 μm is applied to the three divided current collector surfaces in the same manner as in the first embodiment. Then, the rib portion 21 and the anode current collector of the interconnector 11 are masked, and the current collector is formed on the anode 3 formed on the current collector and on the unmasked portion of the anode current collector in the same manner as in the first embodiment. The electrolyte membrane 2 is formed so as to have a thickness of about 40 μm.

次に、電解質膜2上のアノード3と重なる位置に実施例1と同じ方法で厚さ15μmのカソード4を形成し、実施例1と同じ方法で作製された拡散層5と実施例2で用いたのと同じカソード集電体7を重ねあわせ外周部をポリエチレン製締付メッシュ20で固定した。   Next, a cathode 4 having a thickness of 15 μm is formed on the electrolyte membrane 2 at a position overlapping with the anode 3 in the same manner as in the first embodiment, and is used in the diffusion layer 5 manufactured in the same manner as in the first embodiment. The same cathode current collector 7 as above was overlapped and the outer peripheral portion was fixed with a polyethylene fastening mesh 20.

次にアノード集電部のマスクをはずしてカソード4及び拡散層5側面にマスクし、アノード集電部にニッケル金属粉末をフィラー,ポリフッ化ビニリデンをバインダーとした導電性塗料を流し込み隣接するカソード4及び拡散層5側面と電気的に結合する。   Next, the mask of the anode current collector is removed and the cathode 4 and the side surface of the diffusion layer 5 are masked. The anode current collector is filled with a conductive paint containing nickel metal powder as a filler and polyvinylidene fluoride as a binder. It is electrically coupled to the side surface of the diffusion layer 5.

得られた円筒型燃料電池ユニットの円筒内に空隙率85%のガラス繊維を保液材14として充填し、円筒の上下にはポリプロピレン製で外径3mm,内径2mmの燃料排出口9及び供給口10を有する厚さ2mmの蓋12,13を溶着して気密性を持たせた。アノード端子板15からアノード端子18を引き出し、カソード集電板7の下端部からカソード端子
19を引き出した。得られた単電池3直列の円筒型燃料電池ユニットは燃料充填容積約
1.8cm3で発電有効面積約5cm2 の単電池であり、10wt%メタノール水溶液を液体燃料として充填した時の55℃,負荷電流0.8A の電圧は図11の曲線71が示すように約0.98Vであった。
A glass fiber having a porosity of 85% is filled as a liquid retaining material 14 in the cylinder of the obtained cylindrical fuel cell unit, and a fuel outlet 9 and a supply port, which are made of polypropylene and have an outer diameter of 3 mm and an inner diameter of 2 mm, are provided above and below the cylinder. The lids 12 and 13 having a thickness of 2 mm and having a thickness of 10 were welded to provide airtightness. The anode terminal 18 was pulled out from the anode terminal plate 15, and the cathode terminal 19 was drawn out from the lower end of the cathode current collector 7. The obtained cylindrical fuel cell unit having three cells in series is a unit cell having a fuel filling volume of about 1.8 cm 3 and an effective power generation area of about 5 cm 2 , and has a temperature of 55 ° C. when a 10 wt% methanol aqueous solution is charged as a liquid fuel. The voltage at a load current of 0.8 A was about 0.98 V, as shown by curve 71 in FIG.

このような構造の円筒型燃料電池ユニットは実施例2と同様に電池部材の接合工程が容易になると共に単位電池の出力電圧を高くとることができ、また、燃料電池ユニットの出力電圧を高めることができるために電源の高さを選択できる自由度が出てくる。特に負荷電流が比較的小さく、高電圧を必要とする場合に電源をコンパクトに製作できる構造である。   In the cylindrical fuel cell unit having such a structure, the joining process of the battery members is facilitated, the output voltage of the unit cell can be increased, and the output voltage of the fuel cell unit can be increased. This gives you the freedom to choose the height of the power supply. Particularly, when the load current is relatively small and a high voltage is required, the power supply can be made compact.

次に本発明の第4の実施例を説明する。   Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.

本発明のもう一つの実施例によるメタノール水溶液を燃料とする角筒型で高電圧タイプの燃料電池ユニットの外観構造を図9(a)に、外周部から締め付けるポリエチレン製メッシュ20を装着する前の外観構造を図9(b)に、支持体1の1つの断面構成を図10(a)に示し、これに隣接するもう1つの断面構成を図10(b)に示して説明する。   FIG. 9 (a) shows the external structure of a square-tube, high-voltage type fuel cell unit using a methanol aqueous solution as a fuel according to another embodiment of the present invention, before the polyethylene mesh 20 tightened from the outer periphery is attached. FIG. 9B shows the external structure, FIG. 10A shows one cross-sectional configuration of the support 1, and FIG. 10B shows another cross-sectional configuration adjacent thereto.

図9(b)に示したように、燃料電池ユニットの中空支持体1は外形が10mm×10mm×115mmで厚さ1mmのポリプロピレンの角筒で構成される。角筒の4つの外側面には9mm×104mmで深さ200μmの彫り込み構造の電池装着部を設け、図10(a),(b)に示したようにこの面とアノード端子部面にわたってポリフッ化ビニリデンをバインダーとする導電性炭素塗料を厚さ約50μm塗布してアノード集電板6を形成した。   As shown in FIG. 9B, the hollow support 1 of the fuel cell unit is formed of a polypropylene square tube having an outer shape of 10 mm × 10 mm × 115 mm and a thickness of 1 mm. On the four outer surfaces of the square tube, a 9 mm × 104 mm, 200 μm deep engraved structure battery mounting portion was provided, and as shown in FIGS. An anode current collector plate 6 was formed by applying a conductive carbon paint having a thickness of about 50 μm using vinylidene as a binder.

次に、この電池装着部面内の5mm×100mmの領域を通電部として径が約0.5mm の貫通孔を開口率約65%となるように多孔質部8を設ける。角筒の内部には空隙率が85%のガラス繊維を保液材14として充填し、筒の上下にはポリプロピレン製の外径5mm,内径4mmでその内部に空隙率85%のガラス繊維を保液材14として充填した燃料排出口9及び供給口10を有する厚さ2mmの蓋12,13を接着して気密性を持たせた。   Next, a porous portion 8 is provided with a through hole having a diameter of about 0.5 mm and an opening ratio of about 65%, with a region of 5 mm × 100 mm in the surface of the battery mounting portion as a current-carrying portion. The inside of the square tube is filled with glass fiber having a porosity of 85% as a liquid retaining material 14, and the upper and lower sides of the tube are made of polypropylene having an outer diameter of 5 mm and an inner diameter of 4 mm, and glass fiber having an porosity of 85% inside. The lids 12 and 13 each having a thickness of 2 mm and having the fuel discharge port 9 and the supply port 10 filled as the liquid material 14 were adhered to provide airtightness.

実施例2と同様の方法でアノード触媒として白金・ルテニウム担持炭素触媒,カソード触媒に白金担持炭素粉末触媒,電解質膜に厚さ50μmのナフィオン膜117(DuPont社製)を用い、電解質膜2のサイズが9mm×104mmでその両面にサイズが5mm×100mmで厚さが25μmのアノード3と厚さが15μmカソード4を重ねて電解質膜/電極接合体を製作した。   In the same manner as in Example 2, the size of the electrolyte membrane 2 was determined using a platinum-ruthenium-supported carbon catalyst as the anode catalyst, a platinum-supported carbon powder catalyst as the cathode catalyst, a Nafion membrane 117 (manufactured by DuPont) with a thickness of 50 μm as the electrolyte membrane. An anode 3 having a size of 5 mm × 100 mm, a thickness of 25 μm, and a cathode 4 having a thickness of 15 μm were superposed on both sides of the anode 3 to form an electrolyte membrane / electrode assembly.

次に、電極/電解質膜接合体のアノード側が中空支持体の電池装着部に接するように電極/電解質膜接合体の周辺電解質膜と電池装着部をシリコーン系液状ガスケット16で接着する。装着されたカソード面に実施例2で用いたのと同じ拡散層5と実施例2で用いたのと同じ方法で作製された端部にタブ7bを設けた形状のカソード集電体7aを重ねあわせ、電解質膜2との間にシリコーン系液状ガスケット16を介して外周部をポリエチレン製締付メッシュ20で固定した。   Next, the peripheral electrolyte membrane of the electrode / electrolyte membrane assembly and the battery mounting portion are bonded with the silicone-based liquid gasket 16 such that the anode side of the electrode / electrolyte membrane assembly contacts the battery mounting portion of the hollow support. The same diffusion layer 5 as used in Example 2 and a cathode current collector 7a having a tab 7b at the end manufactured by the same method as used in Example 2 are superimposed on the mounted cathode surface. At the same time, the outer peripheral portion was fixed to the electrolyte membrane 2 with a fastening mesh 20 made of polyethylene via a silicone-based liquid gasket 16.

図10(b)に示したように、中空支持体の4面に装着されるカソード集電体7のタブ部は交互に上下逆方向に重ねられ、それぞれのタブは隣接するアノード集電体7と接合して単電池が4直列の電池群を構成する。   As shown in FIG. 10B, the tab portions of the cathode current collectors 7 mounted on the four surfaces of the hollow support are alternately overlapped in the upside-down direction, and each tab is adjacent to the adjacent anode current collector 7. To form a battery group of four series.

得られた筒型燃料電池ユニットは有効発電面積約5cm2 であり、10wt%メタノール水溶液を液体燃料として用いた時の性能は作動温度60℃で図11の曲線72が示すように出力電流0.5Aで電圧1.3Vの性能を示した。このような角筒型燃料電池ユニットの構造は角筒の各面が独立して電池を構成するため電池部材の接合工程が容易になると共に単位電池の出力電圧を高くとることができ、また、燃料電池ユニットの出力電圧を高めることができるために電源の高さを選択できる自由度が出てくる。特に負荷電流が比較的小さく、高電圧を必要とする場合に電源をコンパクトに製作できる構造である。 The obtained cylindrical fuel cell unit has an effective power generation area of about 5 cm 2 , and the performance when a 10 wt% methanol aqueous solution is used as the liquid fuel is as follows. At 5 A, a performance of 1.3 V was exhibited. Such a structure of the prismatic fuel cell unit makes it easy to join the battery members because each surface of the prismatic cylinder independently constitutes the battery, and can increase the output voltage of the unit cell. Since the output voltage of the fuel cell unit can be increased, the degree of freedom in selecting the height of the power source comes up. Particularly, when the load current is relatively small and a high voltage is required, the power supply can be made compact.

ここで、比較例1として従来の構造に基づくセパレータ構造の一方の面内構造と縦断面を図12(a)に示し、他方の面内構造と横断面を図12(b)に示し、電池積層構成を図13に示し、セルホルダーの構成を図14に示し、単電池14直列で積層し、燃料タンクを付設して構成された電源システム構造を図15に示して説明する。   Here, as Comparative Example 1, one in-plane structure and a longitudinal cross section of a separator structure based on a conventional structure are shown in FIG. 12A, and the other in-plane structure and a cross section are shown in FIG. FIG. 13 shows the stacking configuration, FIG. 14 shows the configuration of the cell holder, and FIG. 15 shows a power supply system structure in which the cells are stacked in series and a fuel tank is attached.

セパレータは50mm×21mmで厚さ3mmの黒鉛化炭素板を用いた。セパレータ81の底部には5mm×15mmの内部マニフォルド82が設けられ、図12(a)に示すように1mm幅×0.8mm 深さ×39mm長さの溝を2mmピッチで構成しリブ部21を形成してマニフォルド82とセパレータ81の上部側面を繋ぐ燃料供給溝を設けた。図12(b)に示すように、他方の面にはこれと直交する方向に1mm幅×1.4mm 深さ×21mm長さの溝を2mmピッチで構成したリブ部21を形成してセパレータ81の側面を繋ぐ酸化剤供給溝を設けた。次に、電解質膜として50mm×21mmで厚さ50μmのナフィオン117にマニフォルド開孔部86を設け、実施例2と同様の方法で発電部36mm×14mmのサイズで一方の面に25μm厚さのアノード及び他方の面に15μm厚さのカソードを塗布した電解質/膜接合体91を作製した。   As the separator, a graphitized carbon plate having a size of 50 mm × 21 mm and a thickness of 3 mm was used. At the bottom of the separator 81, an internal manifold 82 of 5 mm × 15 mm is provided. As shown in FIG. 12A, grooves of 1 mm width × 0.8 mm depth × 39 mm length are formed at a pitch of 2 mm, and the rib portions 21 are formed. A fuel supply groove was formed to connect the manifold 82 and the upper side surface of the separator 81. As shown in FIG. 12 (b), a rib 21 having grooves of 1 mm width × 1.4 mm depth × 21 mm length formed at a pitch of 2 mm is formed on the other surface in a direction perpendicular thereto. An oxidant supply groove connecting the side surfaces of. Next, a manifold opening 86 was provided in Nafion 117 having a size of 50 mm × 21 mm and a thickness of 50 μm as an electrolyte membrane, and an anode having a size of a power generation unit of 36 mm × 14 mm and a thickness of 25 μm was formed on one surface in the same manner as in Example 2. Then, an electrolyte / membrane assembly 91 in which a cathode having a thickness of 15 μm was applied to the other surface was produced.

アノード触媒は、白金・ルテニウム合金触媒を炭素担体に担持したものを用いて、カソード触媒には白金を炭素担体に担持したものを用いた。アノードの白金量は約1.3mg/
cm2 、ルテニウム量は約0.65mg/cm2であり、カソードの白金量は約0.8mg/cm2であった。
As the anode catalyst, a platinum-ruthenium alloy catalyst supported on a carbon carrier was used, and as the cathode catalyst, platinum supported on a carbon carrier was used. The amount of platinum in the anode is about 1.3 mg /
cm 2 , the amount of ruthenium was about 0.65 mg / cm 2 , and the amount of platinum in the cathode was about 0.8 mg / cm 2 .

ついでセパレータ81と同じサイズで、マニフォルド開孔部86と発電部開孔部85を設けた厚み250μmのポリエチレンテレフタレート製ライナー92と厚み400μmのネオプレン製ガスケット16を作製した。また、実施例1と同様の方法で作製した拡散層5作製した。   Then, a 250 μm-thick liner 92 made of polyethylene terephthalate and a 400 μm-thick neoprene gasket 16 having the same size as the separator 81 and provided with the manifold opening 86 and the power generation opening 85 were produced. Further, a diffusion layer 5 was produced in the same manner as in Example 1.

次に、セパレータ81の燃料極側溝埋込部88とマニフォルド埋込部87で構成されるパルプ紙製の吸上材94を作製した。これらの部品を図21に示すようにセパレータ81,吸上材94,ライナー92,ガスケット93,電解質膜/電極接合体91,拡散層5,ライナー92,セパレータ81の順序を単位に14層積み上げて、約5kg/cm2 でプレス加圧し積層電池23とした。この積層電池23を図14に示す構造のSUS316製のセルホルダー105を介してフッ素系ゴム(バイトン;Du Pont社製)の締付バンド17で図15(a)に示すように締め付けて固定した。燃料タンク102はポリプロピレン製の外形50mm高さ×21mm長さ×21mm幅のサイズで側壁厚さ0.3mm のものを作製した。 Next, a pulp paper made wicking material 94 composed of the fuel electrode side groove embedding portion 88 and the manifold embedding portion 87 of the separator 81 was produced. As shown in FIG. 21, these components are stacked in 14 layers in the order of separator 81, wicking material 94, liner 92, gasket 93, electrolyte membrane / electrode assembly 91, diffusion layer 5, liner 92, and separator 81. And pressurized at about 5 kg / cm 2 to obtain a laminated battery 23. This laminated battery 23 was fastened and fixed with a fastening band 17 made of fluoro rubber (Viton; manufactured by Du Pont) via a SUS316 cell holder 105 having a structure shown in FIG. 14 as shown in FIG. 15A. . The fuel tank 102 was made of polypropylene having a size of 50 mm in height × 21 mm in length × 21 mm in width and 0.3 mm in side wall thickness.

図15(b)に示すように、燃料タンク102の中央部には図5に示した構造の多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜を装着したガス選択透過機能を持ったネジ蓋式の燃料補給口103を備え、燃料タンク内部に燃料104としてメタノール水溶液を充填している。   As shown in FIG. 15 (b), a screw cap type fuel supply port 103 having a gas selective permeation function equipped with a porous polytetrafluoroethylene membrane having a structure shown in FIG. And the inside of the fuel tank is filled with an aqueous methanol solution as the fuel 104.

作製された積層電池は図15(b)示すような構造で燃料タンク102と結合し図15(a)に示すような構造の電源を作製した。得られた電源は概ね50mm高さ×72mm長さ×21mm幅のサイズで発電部面積が約5cm2,容量約20cm3の燃料タンクを備えている。 The manufactured laminated battery was connected to the fuel tank 102 in a structure as shown in FIG. 15B, and a power supply having a structure as shown in FIG. 15A was manufactured. The obtained power source has a fuel tank having a size of about 50 mm height × 72 mm length × 21 mm width, a power generation unit area of about 5 cm 2 and a capacity of about 20 cm 3 .

運転温度60℃で負荷電流0.8Aの時2.5Vの電圧を示し、セパレータの空気極側溝で構成される電源の側壁の開孔部全面にファンで送風しながら発電した時の電圧は4.1Vであった。   It shows a voltage of 2.5 V when the operating temperature is 60 ° C. and the load current is 0.8 A, and the voltage when power is generated by blowing a fan over the entire opening of the side wall of the power supply formed by the air electrode side groove of the separator is 4 .1V.

これは電源負荷時には、セパレータの空気極側溝構造では十分な空気の拡散による酸素の供給が不足するためと考えられる。この電源の体積出力密度は通気ファンを用いないと約26W/lで、通気ファンを用いた場合には約43W/lであった。燃料タンクに10wt%メタノール水溶液を19ml充填し、送風ファンを使用し、運転温度60℃,負荷電流0.8Aで運転したところ出力電圧4.0Vで約25分間継続した後電圧が急速に低下した。従って10wt%メタノール水溶液燃料1充填での体積エネルギー密度は通気ファンを用いた時に18Wh/lであった。   It is considered that this is because the supply of oxygen due to sufficient diffusion of air is insufficient in the air electrode side groove structure of the separator at the time of power supply load. The volume output density of this power supply was about 26 W / l without using a ventilation fan, and was about 43 W / l when using a ventilation fan. The fuel tank was filled with 19 ml of a 10 wt% methanol aqueous solution, and was operated at an operating temperature of 60 ° C. and a load current of 0.8 A using a blower fan. When the output voltage was maintained at 4.0 V for about 25 minutes, the voltage rapidly decreased. . Therefore, the volume energy density of one 10 wt% methanol aqueous solution fuel was 18 Wh / l when a ventilation fan was used.

次に、比較例2としてセパレータを用いた高電圧型電源構造を図17に、セルホルダーの構造を図16示して説明する。   Next, as a comparative example 2, a high-voltage power supply structure using a separator will be described with reference to FIG. 17 and a structure of a cell holder will be described with reference to FIG.

電池の構成材であるセパレータ,吸い上げ材,ライナー,ガスケット,膜/電極接合体,拡散層は比較例1と同じ材料で同じサイズのものを用い、同一手順で単位電池が21セルになるように2組の積層電池23を作製した。   The separator, wicking material, liner, gasket, membrane / electrode assembly, and diffusion layer, which are the components of the battery, are the same materials and have the same size as in Comparative Example 1, and the unit procedure is set to 21 cells in the same procedure. Two sets of stacked batteries 23 were produced.

この2組の積層電池を図16に示したセルホルダー105の電池固定板106上に電池底面が接するように挿入して、比較例1と同様にフッ素系ゴムの締付バンド17で固定した。燃料タンク102はポリプロピレン製の外形50mm高さ×21mm長さ×35mm幅のサイズで側壁厚さ0.3mmである。   These two sets of laminated batteries were inserted into the battery fixing plate 106 of the cell holder 105 shown in FIG. 16 so that the bottom surfaces of the batteries were in contact with each other, and were fixed with the fastening band 17 made of fluorine-based rubber as in Comparative Example 1. The fuel tank 102 is made of polypropylene and has a size of 50 mm in height × 21 mm in length × 35 mm in width and 0.3 mm in side wall thickness.

図17に示すように、燃料タンク102の上面の中央部には図5に示した構造の多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜を装着したガス選択透過機能を持ったネジ蓋式の燃料補給口103を備えている。作製された積層電池は図17示すように比較例1と同じ機構で燃料タンクと結合し、2組の積層電池を直列に結合して電源を構成した。   As shown in FIG. 17, a screw-cap type fuel supply port 103 having a gas selective permeation function equipped with a porous polytetrafluoroethylene membrane having a structure shown in FIG. Have. As shown in FIG. 17, the produced stacked battery was connected to a fuel tank by the same mechanism as in Comparative Example 1, and two sets of stacked batteries were connected in series to constitute a power supply.

得られた電源は概ね110mm高さ×110mm長さ×21mm幅のサイズで単電池の発電部面積が約5cm2,容量約34cm3の燃料タンク102を2個備えている。運転温度60℃で負荷電流0.8Aの時7.4Vの電圧を示し、セパレータの空気極側溝で構成される電源の側壁の開孔部全面にファンで送風しながら発電した時の電圧は13.1V であった。これは電源負荷時には、セパレータの空気極側溝構造では十分な空気の拡散による酸素の供給が不足するためと考えられる。 The obtained power supply has a size of about 110 mm height × 110 mm length × 21 mm width, and has two fuel tanks 102 each having a unit cell power generation unit area of about 5 cm 2 and a capacity of about 34 cm 3 . It shows a voltage of 7.4 V when the operating temperature is 60 ° C. and the load current is 0.8 A, and the voltage when power is generated by blowing a fan over the entire opening of the side wall of the power supply formed by the air electrode side groove of the separator is 13 .1V. It is considered that this is because the supply of oxygen due to sufficient diffusion of air is insufficient in the air electrode side groove structure of the separator at the time of power supply load.

この電源の体積出力密度は通気ファンを用いないと約23W/lで、通気ファンを用いた場合には約41W/lであった。2個の燃料タンクに10wt%メタノール水溶液を合計150cm3 充填し、送風ファンを使用し、運転温度60℃,負荷電流0.8A で運転したところ出力電圧約13Vで約30分間継続した後電圧が急速に低下した。従って10
wt%メタノール水溶液燃料1充填での体積エネルギー密度は通気ファンを用いた時に
20Wh/lであった。
The volume output density of this power supply was about 23 W / l without a ventilation fan and about 41 W / l when a ventilation fan was used. The two fuel tanks were filled with a 10 wt% aqueous methanol solution in a total of 150 cm 3 , and were operated at an operating temperature of 60 ° C. and a load current of 0.8 A using a blower fan. Dropped rapidly. Therefore 10
The volume energy density per filling of the wt% methanol aqueous solution fuel was 20 Wh / l when a ventilation fan was used.

以下に本発明の第5の実施例を説明する。本発明の実施例による角筒型メタノール燃料電池ユニットで構成される電源システムとして実施例1の方法で作製され、内部に保液材14を充填した燃料電池ユニットを14直列で組み合わせた電源構造を図18(a)に示し、燃料タンクとの結合を説明する断面構成を図18(b)に示して説明する。   Hereinafter, a fifth embodiment of the present invention will be described. As a power supply system composed of a prismatic methanol fuel cell unit according to an embodiment of the present invention, a power supply structure produced by the method of Embodiment 1 and combining 14 fuel cell units filled with a liquid retaining material 14 in series is provided. A cross-sectional configuration illustrated in FIG. 18A and illustrating the connection with the fuel tank will be described with reference to FIG.

燃料電池ユニット101は14直列で図19に示す構造のポリエチレン製で通気性を持ったセルホルダー105に収納される。燃料タンク102はポリプロピレン製の外形50mm高さ×72mm長さ×15mm幅のサイズで側壁厚さ0.3mm である。   The fuel cell units 101 are housed in series in 14 cells made of polyethylene having the structure shown in FIG. The fuel tank 102 is made of polypropylene and has a size of 50 mm in height, 72 mm in length and 15 mm in width, and has a side wall thickness of 0.3 mm.

図12(b)に示すように、燃料タンク102をプラットホームとして側壁の上下と燃料電池ユニット101の燃料供給口10,排出口9が気密に装着され、タンク上面、中央部には図5に示した構造の多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜を装着したガス選択透過機能を持ったネジ蓋式の燃料補給口103を備え、燃料タンク内部に燃料104として
10wt%のメタノール水溶液を充填している。
As shown in FIG. 12 (b), the upper and lower sides of the side wall and the fuel supply port 10 and the discharge port 9 of the fuel cell unit 101 are hermetically mounted using the fuel tank 102 as a platform. A fuel supply port 103 of a screw cap type having a gas selective permeation function equipped with a porous polytetrafluoroethylene membrane having a structured structure is provided, and a 10 wt% methanol aqueous solution is filled as a fuel 104 in a fuel tank.

セルホルダー105に装着された燃料電池ユニットのカソード端子は隣接するアノード端子と接続され、14直列接続された両端を電源端子とする。得られた電源は概ね50mm高さ×72mm長さ×20mm幅のサイズで容量約50cm3 の燃料タンクを備えており、運転温度65℃で負荷電流0.8Aの時4.2Vの電圧を示した。この電源の体積出力密度は約47W/lであった。燃料タンクに10wt%メタノール水溶液を50cm3 充填し、運転温度60℃,負荷電流0.8A で運転したところ出力電圧約4.2V で約60分間安定に発電が継続できた。従って10wt%メタノール水溶液燃料1充填での体積エネルギー密度は47Wh/lであった。 The cathode terminal of the fuel cell unit mounted on the cell holder 105 is connected to an adjacent anode terminal, and both ends connected in series 14 are power terminals. The obtained power supply has a fuel tank of approximately 50 mm height × 72 mm length × 20 mm width and a capacity of about 50 cm 3 , and exhibits a voltage of 4.2 V at an operating temperature of 65 ° C. and a load current of 0.8 A. Was. The volume power density of this power supply was about 47 W / l. The fuel tank was filled with 50 cm 3 of a 10 wt% methanol aqueous solution and operated at an operating temperature of 60 ° C. and a load current of 0.8 A. As a result, power generation could be stably continued at an output voltage of about 4.2 V for about 60 minutes. Therefore, the volume energy density of one 10 wt% methanol aqueous solution fuel was 47 Wh / l.

本実施例によれば14個の燃料電池ユニットをコンパクトに実装できるため、従来型のセパレータを用いた電池構造でほぼ同じ体積出力密度であった比較例1に比べて燃料タンクの容量を大きくとることができ、体積エネルギー密度は約2.5 倍であった。各燃料電池ユニットは酸化剤である空気が十分に拡散できる間隔で装着されているために比較例1の電源のように空気供給補助のためのファンを用いずに発電することが可能であった。   According to the present embodiment, 14 fuel cell units can be compactly mounted, so that the capacity of the fuel tank is larger than that of Comparative Example 1 which has almost the same volume output density in the battery structure using the conventional separator. And the volumetric energy density was about 2.5 times. Since each fuel cell unit is mounted at an interval where air as an oxidant can sufficiently diffuse, it was possible to generate power without using a fan for assisting air supply unlike the power supply of Comparative Example 1. .

次に本発明の第6の実施例を説明する。本発明のもう一つの実施例によるメタノール燃料とする円筒型燃料電池ユニットで構成される電源システムとして実施例2の方法で作製した燃料電池ユニットを14直列,2並列で組み合わせた電源構造を第20図(a)に示し、燃料タンクとの結合を説明する断面構成を図20(b)に示す。   Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. As a power supply system composed of a cylindrical fuel cell unit using methanol fuel according to another embodiment of the present invention, a power supply structure obtained by combining 14 series and 2 parallel fuel cell units manufactured by the method of the second embodiment will be described. FIG. 20A shows a cross-sectional configuration for explaining the connection with the fuel tank shown in FIG.

燃料電池ユニット101は14直列で2並列に、図21に示した構造のセルホルダー
105に収納される。燃料タンク102はポリプロピレン製の外形70mm高さ×76mm長さ×22mm幅のサイズで側壁厚さ0.3mm のプラットホーム構造を持つ構造となっている。燃料タンク102のプラットホームには図20(b)に示すように保液材14が充填されており、タンクの上面には図5に示した構造の多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜を装着したガス選択透過機能を持ったネジ蓋式の燃料補給口103を備え、内部には燃料としてメタノール水溶液が充填されている。
The fuel cell unit 101 is accommodated in a cell holder 105 having a structure shown in FIG. The fuel tank 102 has a platform structure made of polypropylene and having a size of 70 mm in height × 76 mm in length × 22 mm in width and a side wall thickness of 0.3 mm. As shown in FIG. 20 (b), the platform of the fuel tank 102 is filled with a liquid retaining material 14, and the upper surface of the tank is provided with a porous polytetrafluoroethylene membrane having a structure shown in FIG. A fuel supply port 103 of a screw cap type having a permeation function is provided, and the inside is filled with an aqueous methanol solution as fuel.

図20(b)に示したように、各燃料電池ユニット101の燃料供給口10はプラットホームとなる燃料タンク102と気密に結合され、燃料電池ユニット群の上部にはポリプロピレン製で、外形が10mm高さ×76mm長さ×8mm幅のサイズで側壁厚さ0.3mm の排気タンク110が各燃料電池ユニットの排出口9と気密に装着される。排気タンク110上面には図5に示したのと同様な多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜を装着したネジ蓋式のガス選択透過口である排気口111を備えている。   As shown in FIG. 20B, the fuel supply port 10 of each fuel cell unit 101 is airtightly connected to a fuel tank 102 serving as a platform, and the upper part of the fuel cell unit group is made of polypropylene and has an outer shape of 10 mm high. An exhaust tank 110 having a size of 76 mm x 76 mm length x 8 mm width and a side wall thickness of 0.3 mm is hermetically mounted to the outlet 9 of each fuel cell unit. The upper surface of the exhaust tank 110 is provided with an exhaust port 111 which is a screw lid type gas selective transmission port equipped with a porous polytetrafluoroethylene film similar to that shown in FIG.

セルホルダー105に収納された各燃料電池ユニットのカソード端子は隣接するアノード端子と接続されて14直列で2並列に電気的に結合される。得られた電源は概ね70mm高さ×76mm長さ×22mm幅のサイズで容量約55cm3 の燃料タンクを備えており、運転温度60℃で負荷電流1.5Aの時3.6Vの電圧を示した。この電源の体積出力密度は約50W/lであった。 The cathode terminal of each fuel cell unit housed in the cell holder 105 is connected to an adjacent anode terminal and electrically connected in 14 series and 2 parallel. The obtained power supply has a fuel tank of approximately 70 mm height × 76 mm length × 22 mm width and a capacity of about 55 cm 3 , and exhibits a voltage of 3.6 V at an operating temperature of 60 ° C. and a load current of 1.5 A. Was. The volume power density of this power supply was about 50 W / l.

燃料タンクに10wt%メタノール水溶液を55cm3 充填し、運転温度60℃,負荷電流1.5A で運転したところ出力電圧約3.5V で約20分間発電が継続できた。 A fuel tank was filled with 55 cm 3 of a 10 wt% methanol aqueous solution and operated at an operating temperature of 60 ° C. and a load current of 1.5 A. As a result, power generation was continued at an output voltage of about 3.5 V for about 20 minutes.

本実施例によれば28個の燃料電池ユニットをコンパクトに実装できるため、従来型セパレータを用いた比較例1電池構造に比べると発電面積を大きくとることができ大きな負荷電流替えられる。また、各燃料電池ユニットは酸化剤である空気が十分に拡散できる間隔で装着されているために比較例1及び比較例2の電源のように空気供給補助のためのファンを用いずに発電することが可能であった。   According to the present embodiment, 28 fuel cell units can be compactly mounted, so that the power generation area can be increased and a large load current can be changed as compared with the battery structure of Comparative Example 1 using the conventional separator. In addition, since each fuel cell unit is mounted at an interval where air as an oxidant can sufficiently diffuse, power is generated without using a fan for assisting air supply as in the power supplies of Comparative Examples 1 and 2. It was possible.

以下に、本発明の第7の実施例を示す。本発明のもう一つの実施例による円筒型で高電圧タイプのメタノール水溶液燃料を用いる燃料電池ユニットで構成される電源システムとして実施例3の方法で作製された燃料電池ユニットを14直列で組み合わせた電源の外観構造を図22(a)に示し、プラットホームとなる燃料タンクとの結合の断面構成を図
22(b)に示して説明する。
Hereinafter, a seventh embodiment of the present invention will be described. As a power supply system composed of a fuel cell unit using a cylindrical high-voltage type methanol aqueous solution fuel according to another embodiment of the present invention, a power supply in which 14 fuel cell units manufactured by the method of Embodiment 3 are combined in series FIG. 22 (a) shows the external structure of FIG. 22, and FIG. 22 (b) shows the cross-sectional structure of the connection with a fuel tank serving as a platform.

燃料電池ユニット101は実施例5で説明したのと同じような構造のポリエチレン製の通気性を持つセルホルダー105に装着されて電気的に直列に14個接続される。プラットホームとなる燃料タンク102は外形100mm高さ×120mm長さ×13mm幅で、側壁厚さ0.3mm で構成されたものを用いる。燃料タンク102の上面には図5に示した構造の多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜を装着したガス選択透過機能を持ったネジ蓋式の燃料補給口103を備え、内部には燃料としてメタノール水溶液を充填している。燃料タンク102の側壁は、図22(b)に示すように、燃料電池ユニットの燃料供給口10,排出口9を介して気密に装着している。得られた電源は概ね100mm高さ×120mm長さ×21mm幅のサイズで容量約145cm3 の燃料タンクを備えており、運転温度60℃で負荷電流0.8A の時13.3V の電圧を示した。この電源の体積出力密度は約42W/lであった。燃料タンクに10wt%メタノール水溶液を145cm3 充填し、運転温度60℃,負荷電流0.8Aで運転したところ出力電圧約13.2Vで約65分間安定に発電が継続できた。従って10wt%メタノール水溶液燃料1充填での体積エネルギー密度は45Wh/lであった。 Fourteen fuel cell units 101 are mounted on a cell holder 105 made of polyethylene having the same structure as that described in the fifth embodiment and made of polyethylene, and are electrically connected in series. The fuel tank 102 serving as a platform has an outer shape of 100 mm in height × 120 mm in length × 13 mm in width, and has a side wall thickness of 0.3 mm. On the upper surface of the fuel tank 102, there is provided a screw cap type fuel supply port 103 having a gas selective permeation function equipped with a porous polytetrafluoroethylene membrane having a structure shown in FIG. Is filling. As shown in FIG. 22B, the side wall of the fuel tank 102 is hermetically mounted via a fuel supply port 10 and a discharge port 9 of the fuel cell unit. The obtained power source has a fuel tank of approximately 100 mm height × 120 mm length × 21 mm width and a capacity of about 145 cm 3 , and exhibits a voltage of 13.3 V at an operating temperature of 60 ° C. and a load current of 0.8 A. Was. The volume power density of this power supply was about 42 W / l. When the fuel tank was filled with 145 cm 3 of a 10 wt% methanol aqueous solution and operated at an operating temperature of 60 ° C. and a load current of 0.8 A, power generation could be stably continued at an output voltage of about 13.2 V for about 65 minutes. Accordingly, the volume energy density of one 10 wt% methanol aqueous solution fuel was 45 Wh / l.

本実施例によれば14個の燃料電池ユニットをコンパクトに実装できるため、従来型のセパレータを用いた電池構造でほぼ同じ大きさの電源を作製した比較例2に比べて燃料タンクの容量を大きくとることができ、体積エネルギー密度は約2倍になった。各燃料電池ユニットは酸化剤である空気が十分に拡散できる間隔で装着されているために比較例2の電源のように空気供給補助のためのファンを用いずに発電することが可能であった。   According to the present embodiment, since 14 fuel cell units can be compactly mounted, the capacity of the fuel tank is increased as compared with Comparative Example 2 in which a power supply having substantially the same size is manufactured with a battery structure using a conventional separator. And the volumetric energy density was approximately doubled. Since each fuel cell unit was installed at an interval where air as an oxidant could sufficiently diffuse, it was possible to generate power without using a fan for assisting air supply unlike the power supply of Comparative Example 2. .

以下に、本発明の第8の実施例である角筒型で高電圧タイプのメタノール水溶液を燃料とする燃料電池ユニットで構成される電源システムとして実施例4の方法で作製された燃料電池ユニットを7直列で組み合わせた電源の外観構造を図23(a)に示し、プラットホームとなる燃料タンクとの結合を示す断面構成を図23(b)に示して説明する。   Hereinafter, a fuel cell unit manufactured by the method of Embodiment 4 will be described as a power supply system including a fuel cell unit using an aqueous methanol solution of a square cylinder type and a high voltage type as a fuel according to an eighth embodiment of the present invention. FIG. 23A shows an external structure of a power supply which is combined in seven series, and FIG. 23B shows a cross-sectional configuration showing connection with a fuel tank serving as a platform.

7個の燃料電池ユニット101は実施例5で説明したのと同じような構造のポリエチレン製の通気性を持つセルホルダー105に装着されて電気的に直列に接続される。燃料タンク102は外形130mm高さ×80長さ×22mm幅の厚さ1mmのポリプロピレン製で、電池装着するプラットホームを持った構造である。燃料タンク102のプラットホームには図23(b)に示すように保液材14が充填され、タンクの上面には図5に示した構造の多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜を装着したガス選択透過機能を持つネジ蓋式の燃料補給口103を備え、内部には燃料としてメタノール水溶液を充填している。各燃料電池ユニット101と燃料タンク102のプラットホームは実施例6と同じ機構で燃料電池ユニット101の燃料供給口10を介して気密に結合されている。燃料電池ユニット群の上部にはポリプロピレン製で、外形が10mm高さ×80mm長さ×10mm幅のサイズで側壁厚さ0.3mm の排気タンク110が各燃料電池ユニット101の燃料排出口9を介して気密に装着される。   The seven fuel cell units 101 are mounted on a polyethylene gas permeable cell holder 105 having the same structure as that described in the fifth embodiment, and are electrically connected in series. The fuel tank 102 is made of polypropylene having an outer shape of 130 mm in height × 80 length × 22 mm in width and 1 mm in thickness, and has a structure having a platform for mounting a battery. As shown in FIG. 23 (b), the platform of the fuel tank 102 is filled with the liquid retaining material 14, and the gas selective permeation function in which a porous polytetrafluoroethylene membrane having the structure shown in FIG. The fuel supply port 103 is provided with a screw cap type and has a methanol aqueous solution filled therein as fuel. The platform of each fuel cell unit 101 and the fuel tank 102 is airtightly connected via the fuel supply port 10 of the fuel cell unit 101 with the same mechanism as in the sixth embodiment. At the top of the fuel cell unit group, an exhaust tank 110 made of polypropylene and having a size of 10 mm height × 80 mm length × 10 mm width and a side wall thickness of 0.3 mm passes through the fuel outlet 9 of each fuel cell unit 101. And is mounted airtight.

排気タンク110上面には図5に示した多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜を装着したネジ蓋式のガス選択透過口である排気口111を備えている。得られた電源は概ね130
mm高さ×80mm長さ×22mm幅のサイズで容量約110cm3 の燃料タンクを備えており、運転温度60℃の時に負荷電流0.8Aで8.5Vの電圧を示した。この電源の体積出力密度は約30W/lであった。燃料タンクに10wt%メタノール水溶液を110cm3 充填し、運転温度60℃,負荷電流0.8A で運転したところ出力電圧約8.5V で約75分間安定に発電が継続できた。
On the upper surface of the exhaust tank 110, there is provided an exhaust port 111 which is a screw lid type gas selective transmission port equipped with the porous polytetrafluoroethylene film shown in FIG. The power supply obtained is approximately 130
It has a fuel tank of about 110 cm 3 in size with a size of mm height × 80 mm length × 22 mm width, and showed a voltage of 8.5 V at a load current of 0.8 A at an operating temperature of 60 ° C. The volume power density of this power supply was about 30 W / l. The fuel tank was filled with 110 cm 3 of a 10 wt% methanol aqueous solution and operated at an operating temperature of 60 ° C. and a load current of 0.8 A. As a result, power generation could be stably continued at an output voltage of about 8.5 V for about 75 minutes.

従って10wt%メタノール水溶液燃料1充填での体積エネルギー密度は37Wh/lであった。本実施例によれば単電池が4個直列になった燃料電池ユニット7個をコンパクトに実装できるため、従来型のセパレータを用いた電池構造で電源を作製した場合に比べて燃料タンクの容量を大きくとることができ、体積エネルギー密度は約2倍であった。各燃料電池ユニットは酸化剤である空気が十分に拡散できる間隔で装着されているために比較例1,比較例2の電源のように空気供給補助のためのファンを用いずに発電することが可能であった。   Therefore, the volume energy density of one 10 wt% methanol aqueous solution fuel was 37 Wh / l. According to the present embodiment, since seven fuel cell units in which four cells are connected in series can be compactly mounted, the capacity of the fuel tank can be reduced as compared with a case where a power source is manufactured using a battery structure using a conventional separator. The volume energy density was about twice as large. Since each fuel cell unit is mounted at an interval where air as an oxidant can sufficiently diffuse, power generation can be performed without using a fan for assisting air supply as in the power supplies of Comparative Examples 1 and 2. It was possible.

本発明の第9の実施例であるメタノール水溶液を燃料とする円筒型の燃料電池ユニットで構成される電源システムとして図24(a)に燃料電池ユニットの外観構造を示し、図24(b)にその断面構成を示して説明する。   FIG. 24A shows an external structure of a fuel cell unit as a power supply system composed of a cylindrical fuel cell unit using a methanol aqueous solution as a fuel according to a ninth embodiment of the present invention, and FIG. The cross-sectional configuration will be described.

ステンレス鋼SUS316製の外径5.6mm,内径5.3mm,長さ47mmの底部が閉じた円筒で、その上部5mmにネジ式のコネクター部24を備えたものを中空円筒支持体1とする。この円筒の外壁に36mm幅にわたって径が約0.5mm の貫通孔を開口率が約70%となるよう多孔質部8を設けた。一方、電解質膜2として17.5mm×42mm のナフィオン117膜を用い、実施例2と同じ方法で炭素担体付き白金/ルテニウム触媒を16mm×
36mmのサイズで厚さが20μmとなるように一方の電解質膜面に塗布してアノード3の電極とし、アノード塗布部に対応する反対側の面に炭素担体付き白金触媒にこの触媒重量の60%のポリテトラフルオロエチレン粉末を撥水剤として添加,混合したものを16mm×36mmのサイズで厚さが15μmとなるように塗布してカソード電極4として電解質膜/電極接合体を作製した。得られた電解質膜/電極接合体の長辺部の両端に露出している電解質膜の幅3mm部分にシリコーン系液状ガスケット16を塗布し、中空支持体1の多孔質部8にカソード面が重なるように巻き付けて外周部から締め付けながら短辺部の両端に露出している電解質膜2が円筒支持体長手方向に接触しているつなぎ目部分に予め30
wt%に濃縮されたナフィオンアルコール溶液を塗布,乾燥し接合した。
A hollow cylindrical support 1 made of stainless steel SUS316 and having a closed bottom with an outer diameter of 5.6 mm, an inner diameter of 5.3 mm, and a length of 47 mm and provided with a screw-type connector 24 in the upper 5 mm. A porous portion 8 having a through hole having a diameter of about 0.5 mm over a width of 36 mm was provided on the outer wall of the cylinder so that the opening ratio was about 70%. On the other hand, a 17.5 mm × 42 mm Nafion 117 membrane was used as the electrolyte membrane 2, and a platinum / ruthenium catalyst with a carbon carrier was applied to a 16 mm ×
It is coated on one of the electrolyte membrane surfaces so as to have a size of 36 mm and a thickness of 20 μm to form an electrode of the anode 3, and a platinum catalyst with a carbon carrier is provided on the opposite surface corresponding to the anode application portion by 60% of the weight of this catalyst. The polytetrafluoroethylene powder was added as a water repellent and mixed, and the mixture was applied so as to have a size of 16 mm × 36 mm and a thickness of 15 μm to prepare an electrolyte membrane / electrode assembly as the cathode electrode 4. A silicone liquid gasket 16 is applied to a 3 mm wide portion of the electrolyte membrane exposed at both ends of the long side of the obtained electrolyte membrane / electrode assembly, and the cathode surface overlaps the porous portion 8 of the hollow support 1. The electrolyte membrane 2 exposed at both ends of the short side portion while being wound and tightened from the outer peripheral portion is preliminarily formed at a joint portion in contact with the cylindrical support in the longitudinal direction.
A Nafion alcohol solution concentrated to wt% was applied, dried and joined.

中空円筒支持体に実装された電解質膜/電極接合体の上下両端のガスケット16塗布部に対応する電解質膜2露出面をゴム系の締付バンド17で固定し、カソード4の外周面は銅製のメッシュにポリフッ化ビニリデンをバインダーとする導電性炭素塗料で被覆した多孔質カソード集電体7締め付け固定した。固定したカソード集電体17をカソード端子,金属製中空円筒支持体をアノード端子として用いた。得られた燃料電池ユニットは発電部面積が約5.7cm2で中空円筒の容積は約0.8cm3であった。中空円筒内に10wt%メタノール水溶液を充填し約60℃の温度で燃料電池ユニットの性能を評価したところ負荷電流0.8A で出力電圧は0.36Vであった。 The exposed surfaces of the electrolyte membrane 2 corresponding to the gasket 16 application portions at the upper and lower ends of the electrolyte membrane / electrode assembly mounted on the hollow cylindrical support are fixed with rubber-based fastening bands 17, and the outer peripheral surface of the cathode 4 is made of copper. The porous cathode current collector 7 covered with a conductive carbon paint using polyvinylidene fluoride as a binder was fastened and fixed to the mesh. The fixed cathode current collector 17 was used as a cathode terminal, and a metal hollow cylindrical support was used as an anode terminal. The resulting fuel cell unit had a power generation area of about 5.7 cm 2 and a hollow cylinder volume of about 0.8 cm 3 . A hollow cylinder was filled with a 10 wt% methanol aqueous solution, and the performance of the fuel cell unit was evaluated at a temperature of about 60 ° C. As a result, the load voltage was 0.8 A and the output voltage was 0.36 V.

本実施例による燃料電池ユニットは単電池で構成されているため、中空支持体は耐食性の金属材料で構成できる。従って、中空支持体はアノード集電体及びアノード端子の機能をもつことになり、燃料電池ユニットの構成を簡単にすることができる。   Since the fuel cell unit according to the present embodiment is composed of a single cell, the hollow support can be composed of a corrosion-resistant metal material. Accordingly, the hollow support has the functions of an anode current collector and an anode terminal, and the configuration of the fuel cell unit can be simplified.

本実施例で作製された円筒型燃料電池ユニットを42直列にした電源の外観構造を図
25(a)に示し、プラットホームとなる燃料タンクとの結合を示す断面構造を図25
(b)に示し電源構成を説明する。燃料タンク102は塩化ビニル製で、65mm高さ×
43mm幅×50mm長さの外形で、底面の厚さが5mmでその他の壁厚みは1mmの構造とした。燃料タンク上面には図5に示した構造の多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜を装着したガス選択透過機能を持ったネジ蓋式の燃料補給口103を2個備え、内部には燃料104としてメタノール水溶液が充填される。燃料タンク102の底面にはネジ式装着口が設けられて燃料電池ユニット101のコネクター部24と気密に結合される。
FIG. 25A shows the external structure of a power supply in which 42 cylindrical fuel cell units manufactured in this example are connected in series, and FIG. 25A shows a cross-sectional structure showing connection with a fuel tank serving as a platform.
The power supply configuration shown in FIG. The fuel tank 102 is made of vinyl chloride and has a height of 65 mm ×
The outer dimensions were 43 mm width x 50 mm length, the bottom thickness was 5 mm, and the other wall thickness was 1 mm. On the upper surface of the fuel tank are provided two screw cap type fuel supply ports 103 having a gas selective permeation function equipped with a porous polytetrafluoroethylene membrane having a structure shown in FIG. Is filled. A screw-type mounting port is provided on the bottom surface of the fuel tank 102 and is air-tightly connected to the connector 24 of the fuel cell unit 101.

電源は燃料タンク102に装着された燃料電池ユニット101群と外形が43mm幅×
50mm長さ×3mm厚さの基板112を支持具113で固定した構造とした。得られた電源はサイズが概ね111mm高さ×43mm幅×50mm長さであり、最大燃料充填容積は約150
cm3 ,発電面積5.7cm2,42直列である。この電源に10wt%メタノール水溶液を燃料として150cm3 充填し、温度約60℃,負荷電流1Aで運転したところ出力電圧約
13Vで50分間発電を継続した。従ってこの電源の体積出力密度は54W/lであり、10wt%メタノール水溶液燃料1充填での体積エネルギー密度は45Wh/lであった。
The power source is a group of fuel cell units 101 mounted on the fuel tank 102 and the outer dimensions are 43 mm width x
A substrate 112 having a length of 50 mm and a thickness of 3 mm was fixed by a support 113. The obtained power source is approximately 111 mm high x 43 mm wide x 50 mm long, and the maximum fuel filling volume is about 150 mm.
cm 3 , power generation area 5.7 cm 2 , 42 in series. This power supply was filled with 150 cm 3 of a 10 wt% methanol aqueous solution as a fuel and operated at a temperature of about 60 ° C. and a load current of 1 A, and continued to generate power at an output voltage of about 13 V for 50 minutes. Therefore, the volume output density of this power source was 54 W / l, and the volume energy density per charge of one 10 wt% methanol aqueous solution fuel was 45 Wh / l.

この電源は燃料タンクを上部に持つため、燃料は常時燃料電池ユニット筒内に満たされる構造となっているので実施例5〜6で示したような燃料の保液材を充填する必要が無いという特徴を持っている。また、本実施例においても比較例2の電池と比較して体積エネルギー密度は約2倍以上にできた。各燃料電池ユニットは酸化剤である空気が十分に拡散できる間隔で装着されているために比較例1,比較例2の電源のように空気供給補助のためのファンを用いずに発電することが可能であった。   Since this power supply has a fuel tank in the upper part, the fuel is always filled in the fuel cell unit cylinder, so that it is not necessary to fill the liquid retaining material of the fuel as shown in Examples 5 to 6. Has features. Also, in this example, the volume energy density was about twice or more as compared with the battery of Comparative Example 2. Since each fuel cell unit is mounted at an interval where air as an oxidant can sufficiently diffuse, power generation can be performed without using a fan for assisting air supply as in the power supplies of Comparative Examples 1 and 2. It was possible.

次に、本発明の第10の実施例となるメタノール水溶液を燃料とする円筒型の燃料電池ユニットで構成される電源システムとして図26(a)に示し、図26(b)にその断面構成を示し、図27に燃料タンクと補助燃料タンクの結合断面を示して説明する。   Next, FIG. 26A shows a power supply system composed of a cylindrical fuel cell unit using an aqueous methanol solution as a fuel according to a tenth embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 27 shows a cross section in which the fuel tank and the auxiliary fuel tank are joined.

燃料電池ユニット101は14直列で2並列に、図21に示した構造のセルホルダー
105に収納される。燃料タンク102はポリプロピレン製の外形20mm高さ×76mm長さ×30mm幅のサイズで側壁厚さ1mmのプラットホームを構成している。燃料タンク102のプラットホームには図26(b)に示すように保液材14が充填されており、補助燃料タンク107のプラットホーム部には図27に示すように着脱可能な構造のコネクター部24を備えている。補助燃料タンク107はポリプロピレン製の外形49mm高さ×76mm長さ×22mm幅のサイズで側壁厚さ1mmの構成であり、その上面には図5に示した構造の多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜を装着したガス選択透過機能を持ったネジ蓋式の燃料補給口103を備え、内部には燃料としてメタノール水溶液が充填されている。
The fuel cell unit 101 is accommodated in a cell holder 105 having a structure shown in FIG. The fuel tank 102 has a size of 20 mm in height × 76 mm in length × 30 mm in width and has a side wall thickness of 1 mm made of polypropylene. As shown in FIG. 26 (b), the platform of the fuel tank 102 is filled with a liquid retaining material 14, and the platform portion of the auxiliary fuel tank 107 is provided with a detachable connector 24 as shown in FIG. Have. The auxiliary fuel tank 107 is made of polypropylene and has a 49 mm height × 76 mm length × 22 mm width, side wall thickness of 1 mm, and a porous polytetrafluoroethylene film having the structure shown in FIG. The fuel supply port 103 is provided with a screw lid type having a gas selective permeation function, and is filled with a methanol aqueous solution as fuel.

図26(b)に示したように、各燃料電池ユニット101の燃料供給口10はプラットホームとなる燃料タンク102と気密に結合され、燃料電池ユニット群の上部にはポリプロピレン製で、外形が10mm高さ×76mm長さ×8mm幅のサイズで側壁厚さ0.3mm の排気タンク110が各燃料電池ユニットの排出口9と気密に装着される。排気タンク110上面には図5に示したのと同様な多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜を装着したネジ蓋式のガス選択透過口である排気口111を備えている。セルホルダー105に収納された各燃料電池ユニットのカソード端子は隣接するアノード端子と接続されて28直列に電気的に結合される。得られた電源は概ね70mm高さ×76mm長さ×30mm幅のサイズで容量約31cm3の燃料タンクを備えており、補助燃料タンクの容量は約69cm3であった。運転温度60℃で発電試験をしたところ負荷電流0.8Aの時8.4Vの電圧を示した。補助燃料タンク107に10wt%メタノール水溶液を65cm3 充填し、運転温度60℃,負荷電流1.5Aで運転したところ出力電圧約3.6Vで約80分間発電が継続できた。この後、10wt%メタノール水溶液を65cm3 充填した補助燃料タンクを新たに取り替えて発電をしたところ運転温度60℃,負荷電流1.5Aで運転したところ出力電圧約3.6Vで約80分間継続できた。直接形メタノール燃料電池にはメタノール水溶液が燃料として使用されるが、発電で燃料が消費される量に加えて電解質膜を透過して消費される。 As shown in FIG. 26 (b), the fuel supply port 10 of each fuel cell unit 101 is air-tightly connected to a fuel tank 102 serving as a platform, and the upper part of the fuel cell unit group is made of polypropylene and has a height of 10 mm. An exhaust tank 110 having a size of 76 mm x 76 mm length x 8 mm width and a side wall thickness of 0.3 mm is hermetically mounted to the outlet 9 of each fuel cell unit. The upper surface of the exhaust tank 110 is provided with an exhaust port 111 which is a screw lid type gas selective transmission port equipped with a porous polytetrafluoroethylene film similar to that shown in FIG. The cathode terminal of each fuel cell unit housed in the cell holder 105 is connected to an adjacent anode terminal and is electrically connected in 28 series. The obtained power source had a size of about 70 mm height × 76 mm length × 30 mm width and was equipped with a fuel tank having a capacity of about 31 cm 3 , and the capacity of the auxiliary fuel tank was about 69 cm 3 . A power generation test at an operating temperature of 60 ° C. showed a voltage of 8.4 V at a load current of 0.8 A. When the auxiliary fuel tank 107 was filled with 65 cm 3 of a 10 wt% methanol aqueous solution and operated at an operating temperature of 60 ° C. and a load current of 1.5 A, power generation was continued at an output voltage of about 3.6 V for about 80 minutes. After this, the auxiliary fuel tank filled with 65 cm 3 of 10 wt% methanol aqueous solution was newly replaced and the power was generated. When the power was operated at an operating temperature of 60 ° C. and a load current of 1.5 A, the output voltage was about 3.6 V and could be continued for about 80 minutes. Was. In the direct methanol fuel cell, an aqueous methanol solution is used as a fuel. In addition to the amount of fuel consumed in power generation, the fuel is permeated through the electrolyte membrane and consumed.

メタノール及び水の電解質膜透過量の比は運転状態によって異なるために、新たに燃料をタンクに補充する時にはメタノールが所定範囲の濃度になるよう調整する必要がある。   Since the ratio of the permeation amount of methanol and water permeates the electrolyte membrane depending on the operation state, it is necessary to adjust the concentration of methanol to fall within a predetermined range when fuel is newly refilled into the tank.

しかしながら、本実施例のように電源に接続した燃料タンクの容量を比較的小さくしておき補助タンクを結合して運転すると、燃料の消費に伴って一定濃度の燃料を充填した補助タンクを取り替えるのみでメタノール濃度を調整することなく長時間の使用が可能である。   However, if the capacity of the fuel tank connected to the power supply is made relatively small as in the present embodiment and the auxiliary tank is connected and operated, only the auxiliary tank filled with a certain concentration of fuel is replaced with the consumption of fuel. It can be used for a long time without adjusting the methanol concentration.

本発明に関る燃料電池ユニットの外観構造(a),断面構成(b)図。FIG. 2A is an external view of a fuel cell unit according to the present invention, and FIG. 本発明に関る燃料電池電源の外観構造(a),断面構成(b)図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an external view of a fuel cell power supply according to the present invention, and FIG. 本発明に関る高電圧型燃料電池ユニットの外観構造(a),断面構成(b)図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The external structure (a) and sectional structure (b) figure of the high voltage fuel cell unit concerning this invention. 本発明に関る燃料供給口の断面構成図。FIG. 2 is a sectional configuration diagram of a fuel supply port according to the present invention. 本発明に関る角筒型燃料電池ユニットの外観構造(a),断面構成(b)図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The external structure (a) and sectional structure (b) figure of the prismatic fuel cell unit concerning this invention. 実施例1及び実施例2に関る燃料電池ユニットの電流/電圧特性図。FIG. 4 is a current / voltage characteristic diagram of the fuel cell unit according to the first and second embodiments. 本発明に関る円筒型燃料電池ユニットの外観構造(a),断面構成(b)図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The external structure (a) and sectional structure (b) figure of the cylindrical fuel cell unit concerning this invention. 本発明に関る高電圧円筒型燃料電池ユニットの外観構造(a),断面構成 (b)図。FIG. 2A is an external view of a high-voltage cylindrical fuel cell unit according to the present invention, and FIG. 本発明に関る高電圧角筒型燃料電池ユニットの外観構造(a),(b)図。The external structure (a), (b) figure of the high voltage square cylinder type fuel cell unit concerning this invention. 本発明に関る高電圧角筒型燃料電池ユニットの断面構成(a),(b)図。1A and 1B are cross-sectional views of a high-voltage prismatic fuel cell unit according to the present invention. 実施例3及び実施例4に関る高電圧型燃料電池ユニットの電流/電圧特性図。FIG. 13 is a current / voltage characteristic diagram of the high-voltage fuel cell unit according to the third and fourth embodiments. 比較例に関るセパレータの外観構造と断面構造(a),(b)図。FIG. 7A is a diagram showing the external structure of a separator according to a comparative example, and FIG. 比較例に関る電池の積層構成を示す図。The figure which shows the lamination structure of the battery concerning a comparative example. 比較例に関る電池のセルホルダーと締め付けバンドの構造図。FIG. 4 is a structural diagram of a cell holder and a tightening band of a battery according to a comparative example. 比較例に関る電源外観構造(a)図と電源と燃料タンク結合断面(b)図。The power supply appearance structure (a) figure and the power supply and fuel tank coupling cross section (b) figure concerning a comparative example. 比較例に関る電池のセルホルダーと締め付けバンドの構造図。FIG. 4 is a structural diagram of a cell holder and a tightening band of a battery according to a comparative example. 比較例に関る電源外観構造図。FIG. 4 is a power supply appearance structure diagram according to a comparative example. 本発明に関る角筒型燃料電池ユニットで構成された電源の外観構造(a),燃料電池ユニットと燃料タンクの結合断面(b)図。FIG. 1A is an external view of a power supply constituted by a prismatic fuel cell unit according to the present invention, and FIG. 本発明に関る角筒型燃料電池ユニット収納用セルホルダーの構造図。FIG. 1 is a structural view of a cell holder for storing a square tubular fuel cell unit according to the present invention. 本発明に関る円筒型燃料電池ユニットで構成された電源の外観構造(a),燃料電池ユニットと燃料タンク結合断面(b)図。FIG. 2A is an external view of a power supply constituted by a cylindrical fuel cell unit according to the present invention, and FIG. 本発明に関る円筒型燃料電池ユニット収納用セルホルダーの構造図。FIG. 2 is a structural view of a cylindrical fuel cell unit storage cell holder according to the present invention. 本発明に関る高電圧円筒型燃料電池ユニットで構成された電源の外観構造(a),燃料電池ユニットと燃料タンク結合断面(b)図。FIG. 2A is an external view of a power supply including a high-voltage cylindrical fuel cell unit according to the present invention, and FIG. 本発明に関る高電圧角筒型燃料電池ユニットで構成された電源の外観構造(a),燃料電池ユニットと燃料タンク結合断面(b)図。FIG. 2A is an external view of a power supply including a high-voltage prismatic fuel cell unit according to the present invention, and FIG. 本発明に関る円筒型燃料電池ユニットの外観構造(a),断面構成(b)図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The external structure (a) and sectional structure (b) figure of the cylindrical fuel cell unit concerning this invention. 本発明に関る高電圧角筒型燃料電池ユニットで構成された電源の外観構造(a),燃料電池ユニットと燃料タンク結合断面(b)図。FIG. 2A is an external view of a power supply including a high-voltage prismatic fuel cell unit according to the present invention, and FIG. 本発明に関る円筒型燃料電池ユニットで構成された電源の外観構造(a),燃料電池ユニットと燃料タンク結合断面(b)図。FIG. 2A is an external view of a power supply constituted by a cylindrical fuel cell unit according to the present invention, and FIG. 本発明に関る円筒型燃料電池ユニットで構成された電源の燃料タンクと補助燃料タンクの結合断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view of a fuel tank and an auxiliary fuel tank of a power supply constituted by a cylindrical fuel cell unit according to the present invention.

符号の説明Explanation of reference numerals

1…中空支持体、2…電解質膜、3…アノード電極、4,22…カソード電極、5…拡散層、6…アノード集電板,アノード集電体、7,7a…カソード集電板,カソード集電体、7b…カソード端子板タブ、8…多孔質層,多孔質部、9…燃料排出口、10…燃料供給口、11…インターコネクター、12…上蓋、13…下蓋、14…保液材、15…アノード端子板、16…ガスケット、17…締付バンド、18…アノード端子、19…カソード端子、20…締付メッシュ、21…リブ、23…積層電池、24…コネクター部、
51…蓋部又はガス選択透過膜、61…実施例1で製作されたユニットの電池性能、62…実施例2で製作されたユニットの電池性能、71…実施例3で製作されたユニットの電池性能、72…実施例4で製作されたユニットの電池性能、81…セパレータ、82…マニフォルド、83…セパレータ縦断面図、84…セパレータ横断面図、85…通電開孔部,発電部開孔部、86…マニフォルド開孔部、87…マニフォルド埋込部、88…溝埋込部、91…電解質膜/電極接合体、92…ライナー、93…ガスケット、94…吸上材、101…燃料電池ユニット,燃料電池モジュール、102…燃料タンク、103…燃料補給口、104…燃料、105…セルホルダー、106…電池固定板、107…補助燃料タンク、110…排気タンク、111…排気口。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... hollow support, 2 ... electrolyte membrane, 3 ... anode electrode, 4, 22 ... cathode electrode, 5 ... diffusion layer, 6 ... anode current collector, anode current collector, 7, 7a ... cathode current collector, cathode Current collector, 7b: cathode terminal plate tab, 8: porous layer, porous portion, 9: fuel outlet, 10: fuel supply port, 11: interconnector, 12: upper lid, 13: lower lid, 14: retaining Liquid material, 15: anode terminal plate, 16: gasket, 17: fastening band, 18: anode terminal, 19: cathode terminal, 20: fastening mesh, 21: rib, 23: laminated battery, 24: connector part,
51: Lid or gas-permeable membrane; 61: Battery performance of the unit manufactured in Example 1; 62: Battery performance of the unit manufactured in Example 2; 71: Battery of the unit manufactured in Example 3 Performance, 72: Battery performance of the unit manufactured in Example 4, 81: Separator, 82: Manifold, 83: Separator longitudinal sectional view, 84: Separator transverse sectional view, 85: Current-carrying aperture, power generation section aperture , 86: manifold opening, 87: manifold embedding, 88: groove embedding, 91: electrolyte membrane / electrode assembly, 92: liner, 93: gasket, 94: wicking material, 101: fuel cell unit , Fuel cell module, 102: fuel tank, 103: fuel supply port, 104: fuel, 105: cell holder, 106: battery fixing plate, 107: auxiliary fuel tank, 110: exhaust tank, 11 ... exhaust port.

Claims (12)

液体の燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードと上記アノードと上記カソードとを絶縁する電解質膜を有する燃料電池であって、上記燃料電池は中空支持体構造であって、上記中空支持体の外周面にアノード,電解質膜,カソードを配して発電部が構成され、上記中空支持体内部で上記燃料が上記発電部外部で上記酸素を含む気体が接触することを特徴とする燃料電池。   A fuel cell having an anode for oxidizing a liquid fuel, a cathode for reducing oxygen, and an electrolyte membrane for insulating the anode and the cathode, wherein the fuel cell has a hollow support structure, and has a hollow support structure. A fuel cell, wherein a power generation unit is formed by arranging an anode, an electrolyte membrane, and a cathode on an outer peripheral surface, and the fuel contacts the gas containing oxygen outside the power generation unit inside the hollow support. 液体の燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードと上記アノードと上記カソードとを絶縁する電解質膜を有する燃料電池であって、上記燃料電池は、中空支持体構造であって、上記中空支持体の外周面にアノード,電解質膜,カソードを配して構成される発電部を持つ燃料電池を複数連結した燃料電池ユニットと、上記液体の燃料を貯蔵する容器とを含み、それぞれの上記発電部は電気的に接続され、上記容器から上記液体の燃料が上記中空支持体構造内部に供給されて発電することを特徴とする燃料電池発電装置。   A fuel cell having an anode for oxidizing a liquid fuel, a cathode for reducing oxygen, and an electrolyte membrane for insulating the anode and the cathode, wherein the fuel cell has a hollow support structure, and the hollow support A fuel cell unit in which a plurality of fuel cells each having a power generation unit configured by arranging an anode, an electrolyte membrane, and a cathode on the outer peripheral surface of the fuel cell unit; and a container for storing the liquid fuel, A fuel cell power generator, which is electrically connected, wherein the liquid fuel is supplied from the container to the inside of the hollow support structure to generate power. 請求項1または2のいずれか1項において、上記カソード外周部に拡散層が配置されていることを特徴とする燃料電池発電装置。   3. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein a diffusion layer is arranged on an outer peripheral portion of the cathode. 請求項1,2または3のいずれか1項において、上記中空支持体は電子伝導性を有することを特徴とする燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 1, wherein the hollow support has electron conductivity. 請求項1乃至4のいずれか1項において、上記中空支持体の内部には上記液体の燃料を保持する保持材が充填されていることを特徴とする燃料電池。   5. The fuel cell according to claim 1, wherein the hollow support is filled with a holding material for holding the liquid fuel. 請求項1乃至5のいずれか1項において、上記中空支持体には、その外周面内に上記アノード,上記電解質膜,上記カソードからなる発電部を複数配し、上記発電部はそれぞれ電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池。   The power generation unit according to any one of claims 1 to 5, wherein the hollow support is provided with a plurality of power generation units including the anode, the electrolyte membrane, and the cathode on an outer peripheral surface thereof, and the power generation units are electrically connected to each other. A fuel cell, wherein the fuel cell is connected. 請求項2乃至6のいずれか1項において、上記液体の燃料を収納する上記容器は、気液分離型の排気孔を有することを特徴とする燃料電池。   7. The fuel cell according to claim 2, wherein the container for storing the liquid fuel has a gas-liquid separation type exhaust hole. 中空支持体構造を有する燃料電池であって、液体の燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードと上記アノードと上記カソードとを絶縁する電解質膜を上記中空支持体の外周面に上記アノード,上記電解質膜及び上記カソードの順に形成し、上記カソードの外周に拡散層を配して構成される発電部を少なくとも1つ有し、上記発電部はそれぞれが電気的に結合されて燃料電池ユニットを複数有し、上記燃料電池ユニットは上記燃料を収納する上記燃料容器と結合されて、上記燃料が上記燃料容器からそれぞれの燃料電池ユニットへ供給され、上記燃料電池ユニットそれぞれは電気的に結合されていることを特徴とする燃料電池発電装置。   A fuel cell having a hollow support structure, comprising: an anode for oxidizing a liquid fuel, a cathode for reducing oxygen, and an electrolyte membrane for insulating the anode and the cathode on the outer peripheral surface of the hollow support. An electrolyte membrane and the cathode are formed in this order, and at least one power generation unit configured by disposing a diffusion layer on the outer periphery of the cathode is provided. Wherein the fuel cell unit is coupled to the fuel container storing the fuel, the fuel is supplied from the fuel container to each fuel cell unit, and the fuel cell units are electrically coupled. A fuel cell power generator characterized by the above-mentioned. 請求項8において、上記燃料はメタノール水溶液であることを特徴とする燃料電池発電装置。   9. The fuel cell power generator according to claim 8, wherein the fuel is an aqueous methanol solution. メタノールを酸化するアノードと酸素を還元するカソードと上記アノードと上記カソードとを絶縁する電解質膜を有する燃料電池であって、上記燃料電池は、中空支持体構造であって、上記中空支持体の外周面にアノード,電解質膜,カソードおよび拡散層からなる複数の発電部を有し、上記発電部は電気的に結合されて燃料電池ユニットを構成し、複数の上記燃料電池ユニットは上記液体の燃料を収納する上記容器に結合され、上記複数の燃料電池ユニットはそれぞれ電気的に結合されてなる燃料電池発電装置を含んで構成されることを特徴とする携帯用電源。   A fuel cell having an anode for oxidizing methanol, a cathode for reducing oxygen, and an electrolyte membrane for insulating the anode and the cathode, wherein the fuel cell has a hollow support structure and an outer periphery of the hollow support. The surface has a plurality of power generation units including an anode, an electrolyte membrane, a cathode, and a diffusion layer, and the power generation units are electrically coupled to form a fuel cell unit. The plurality of fuel cell units supply the liquid fuel. A portable power supply, comprising: a fuel cell power generation device coupled to the container to be accommodated, wherein the plurality of fuel cell units are electrically coupled to each other. メタノールを酸化するアノードと酸素を還元するカソードと上記アノードと上記カソードとを絶縁する電解質膜を有する燃料電池であって、上記燃料電池は、中空支持体構造であって、上記中空支持体の外周面にアノード,電解質膜,カソードおよび拡散層からなる複数の発電部を有し、上記発電部は電気的に結合されて燃料電池ユニットを構成し、複数の上記燃料電池ユニットは上記液体の燃料を収納する上記容器に結合され、上記複数の燃料電池ユニットはそれぞれ電気的に結合されてなる燃料電池発電装置を含んで構成される充電器によって充電される二次電池とを少なくとも有することを特徴とする携帯用電子機器。   A fuel cell having an anode for oxidizing methanol, a cathode for reducing oxygen, and an electrolyte membrane for insulating the anode and the cathode, wherein the fuel cell has a hollow support structure and an outer periphery of the hollow support. The surface has a plurality of power generation units including an anode, an electrolyte membrane, a cathode, and a diffusion layer, and the power generation units are electrically coupled to form a fuel cell unit. The plurality of fuel cell units supply the liquid fuel. The plurality of fuel cell units are coupled to the container to be housed, and the plurality of fuel cell units have at least a secondary battery charged by a charger including a fuel cell power generation device electrically coupled to each other. Portable electronic devices. メタノールを酸化するアノードと酸素を還元するカソードと上記アノードと上記カソードとを絶縁する電解質膜を有する燃料電池であって、上記燃料電池は、中空支持体構造であって、上記中空支持体の外周面にアノード,電解質膜,カソードおよび拡散層からなる複数の発電部を有し、上記発電部は電気的に結合されて燃料電池ユニットを構成し、複数の上記燃料電池ユニットは上記液体の燃料を収納する上記容器に結合され、上記複数の燃料電池ユニットはそれぞれ電気的に結合されてなる燃料電池発電装置を含んで構成される燃料電池発電装置で駆動することを特徴とする携帯用電子機器。
A fuel cell having an anode for oxidizing methanol, a cathode for reducing oxygen, and an electrolyte membrane for insulating the anode and the cathode, wherein the fuel cell has a hollow support structure and an outer periphery of the hollow support. The surface has a plurality of power generation units including an anode, an electrolyte membrane, a cathode, and a diffusion layer, and the power generation units are electrically coupled to form a fuel cell unit. The plurality of fuel cell units supply the liquid fuel. A portable electronic device coupled to the container to be housed, wherein the plurality of fuel cell units are driven by a fuel cell power generation device including a fuel cell power generation device electrically connected to each other.
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