JP2010103014A - Fuel cell - Google Patents
Fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010103014A JP2010103014A JP2008274690A JP2008274690A JP2010103014A JP 2010103014 A JP2010103014 A JP 2010103014A JP 2008274690 A JP2008274690 A JP 2008274690A JP 2008274690 A JP2008274690 A JP 2008274690A JP 2010103014 A JP2010103014 A JP 2010103014A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- anode
- distribution plate
- electrode assembly
- membrane electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Abandoned
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。 The present invention relates to a technology of a fuel cell using a liquid fuel.
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。 In recent years, attempts have been made to use a fuel cell as a power source for portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones so that they can be used for a long time without being charged. A fuel cell is characterized in that it can generate electric power simply by supplying fuel and air, and can generate electric power continuously for a long time if fuel is replenished. For this reason, if the fuel cell can be reduced in size, it can be said that the system is extremely advantageous as a power source for portable electronic devices.
例えば、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。DMFCにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。 For example, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel can be reduced in size and can be easily handled, and thus is regarded as a promising power source for portable electronic devices. Yes. As the liquid fuel supply method in the DMFC, there are known an active method such as a gas supply type and a liquid supply type, and a passive method such as an internal vaporization type in which the liquid fuel in the fuel container is vaporized inside the cell and supplied to the fuel electrode. It has been.
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はDMFCの小型化に対して有利である。パッシブ型DMFCにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を、箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、DMFCの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することも検討されている(例えば、特許文献2及び3参照)。
燃料電池においては、膜電極接合体に対してその面内において燃料を均一に供給することが重要である。すなわち、膜電極接合体においては、燃料の供給状態に応じて、出力が変化する。例えば、供給される燃料量が過剰であってもまた不足しても、効率の良い発電反応を生起できない。また、燃料の供給割合が高い部分と、供給割合が低い部分とでは、劣化の度合いに差が生じてしまうことがある。膜電極接合体の局所的な劣化は、寿命の低下を招く。 In the fuel cell, it is important to uniformly supply the fuel to the membrane electrode assembly in the plane thereof. That is, in the membrane electrode assembly, the output changes according to the fuel supply state. For example, an efficient power generation reaction cannot occur even if the amount of fuel supplied is excessive or insufficient. In addition, there may be a difference in the degree of deterioration between the portion where the fuel supply ratio is high and the portion where the fuel supply ratio is low. The local deterioration of the membrane / electrode assembly leads to a decrease in life.
この発明の目的は、安定して高い出力を得ることが可能であるとともに、長寿命化が可能な燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of stably obtaining a high output and extending its life.
この発明の態様による燃料電池は、
アノードとカソードとに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記燃料供給機構は、前記膜電極接合体の前記アノードに対向する燃料排出口を有する燃料分配板を備え、
前記燃料分配板の前記アノードと対向する表面は、液状の燃料に対する親液性を有することを特徴とする。
A fuel cell according to an aspect of the present invention includes:
A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode;
A fuel supply mechanism for supplying fuel to the anode of the membrane electrode assembly,
The fuel supply mechanism includes a fuel distribution plate having a fuel discharge port facing the anode of the membrane electrode assembly,
The surface of the fuel distribution plate facing the anode is lyophilic with respect to liquid fuel.
この発明によれば、安定して高い出力を得ることが可能であるとともに、長寿命化が可能な燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of stably obtaining a high output and extending its life.
すなわち、この発明の燃料電池によれば、燃料供給機構を構成する燃料分配板は、膜電極接合体のアノードと対向する表面が液状の燃料に対する親液性を有している。このため、燃料分配板の燃料排出口からアノードに向かって排出された燃料が液体であっても、燃料分配板の表面において短時間で燃料を拡散させることが可能となる。このため、膜電極接合体の面内全体に均一に燃料を供給することが可能となる。 That is, according to the fuel cell of the present invention, the surface of the fuel distribution plate constituting the fuel supply mechanism that faces the anode of the membrane electrode assembly is lyophilic with respect to the liquid fuel. For this reason, even if the fuel discharged from the fuel discharge port of the fuel distribution plate toward the anode is liquid, the fuel can be diffused in a short time on the surface of the fuel distribution plate. For this reason, it becomes possible to supply a fuel uniformly to the whole surface of a membrane electrode assembly.
これにより、膜電極接合体全体において効率的に発電反応を生起させ、安定して高い出力を得ることが可能である。また、膜電極接合体の局所的な劣化が抑制され、長寿命化が可能となる。 Thereby, it is possible to efficiently generate a power generation reaction in the entire membrane electrode assembly and stably obtain a high output. In addition, local deterioration of the membrane electrode assembly is suppressed, and the life can be extended.
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に関する技術について図面を参照して説明する。 A technique related to a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、この実施の形態に係る燃料電池1の構造を概略的に示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a
燃料電池1は、起電部を構成する膜電極接合体(MEA)2と、膜電極接合体2に燃料を供給する燃料供給機構3と、から主として構成されている。
The
すなわち、燃料電池1において、膜電極接合体2は、アノード触媒層11とアノードガス拡散層12とを有するアノード(燃料極)13と、カソード触媒層14とカソードガス拡散層15とを有するカソード(空気極/酸化剤極)16と、アノード触媒層11とカソード触媒層14とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜17とを備えて構成されている。
That is, in the
アノード触媒層11やカソード触媒層14に含有される触媒としては、例えば白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、パラジウム(Pd)等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層11には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等を用いることが好ましい。カソード触媒層14には、PtやPt−Ni等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。また、触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
Examples of the catalyst contained in the
電解質膜17を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)やフレミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜17は、これらに限られるものではない。
Examples of the proton conductive material constituting the
アノード触媒層11に積層されるアノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層11の集電機能を有するものである。カソード触媒層14に積層されるカソードガス拡散層15は、カソード触媒層14に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層14の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層12及びカソードガス拡散層15は、例えばカーボンペーパーなどの導電性を有する多孔質基材で構成されている。
The anode
なお、図2及び図3に示した例においては、膜電極接合体2は、膜電極接合体2は、単一の電解質膜17の一方の面において間隔をおいて配置された複数のアノード13と、電解質膜17の他方の面においてアノード13のそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された複数のカソード16と、を備えている。ここでは、アノード13及びカソード16がそれぞれ4個である場合を示している。
In the example shown in FIGS. 2 and 3, the
これらのアノード13とカソード16との各組み合わせは、それぞれ電解質膜17を挟持し、単セルCをなしている。ここでは、単セルCのそれぞれは、同一平面上において、その長手方向と直交する方向に間隔をおいて並んで配置されている。なお、膜電極接合体2の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。
Each combination of the
上述したような複数の単セルCを有する膜電極接合体2においては、各単セルCは、集電体18によって電気的に直列に接続されている。
In the
このような集電体18は、アノード集電体18A及びカソード集電体18Cを有している。図2などに示した膜電極接合体2に対応するために、集電体18は、それぞれ4個のアノード集電体18A及びカソード集電体18Cを有している。
Such a
アノード集電体18Aのそれぞれは、各単セルCにおいてアノードガス拡散層12に積層されている。また、カソード集電体18Cのそれぞれは、各単セルCにおいてカソードガス拡散層15に積層されている。アノード集電体18A及びカソード集電体18Cとしては、例えば金(Au)、ニッケル(Ni)などの金属材料からなる多孔質層(例えばメッシュ)または箔体、あるいはステンレス鋼(SUS)などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などをそれぞれ使用することができる。
Each of the anode
膜電極接合体2は、電解質膜17のアノード側及びカソード側にそれぞれ配置されたゴム製のOリング等のシール部材19によってシールされており、これにより、膜電極接合体2からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
The
膜電極接合体2のカソード16側には、絶縁材料によって形成された板状体20が配置されている。図1に示した例では、板状体20は、カソード集電体18Cの上に配置されている。
A plate-
この板状体20は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体20は、カソード触媒層14で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層14への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。この板状体20は、例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。
This plate-
上述した膜電極接合体2は、燃料供給機構3とカバープレート21との間に配置されている。カバープレート21は、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼(SUS)によって形成されている。また、カバープレート21は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口部(空気導入孔)21Aを有している。
The
燃料供給機構3は、膜電極接合体2のアノード13に対して燃料を供給するように構成されており、以下に、その構成の一例について説明する。
The
燃料供給機構3は、例えば、箱状に形成された容器30を備えている。この燃料供給機構3は、液体燃料を収容する燃料収容部4と流路5を介して接続されている。容器30は、燃料導入口30Aを有しており、この燃料導入口30Aと流路5とが接続されている。この容器30は、例えば樹脂製容器によって構成される。容器30を形成する材料としては、液体燃料に対する耐性を有している材料が選択される。
The
燃料供給機構3は、膜電極接合体2のアノード13の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部31を備えている。この実施の形態においては、燃料供給部31が燃料分配板31Aを備えた構成について説明する。
The
すなわち、図4及び図5に示すように、燃料分配板31Aは、少なくとも1つの燃料注入口32と、複数の燃料排出口33とを有しており、細管34のような燃料通路を介して燃料注入口32と燃料排出口33とを接続した構成である。この燃料通路は、燃料分配板31A内に形成した細管34に代えて燃料流通溝等で構成してもよい。この場合、燃料流通溝を有する流路板を複数の燃料排出口を有する拡散板で覆うことによって、燃料分配板31Aを構成することも可能である。
That is, as shown in FIGS. 4 and 5, the
図4及び図5に示した例では、燃料注入口32は、1箇所にあり、容器30の燃料導入口30Aと連通している。これにより、燃料分配板31Aの燃料注入口32が流路5を介して燃料収容部4に接続される。燃料排出口33は、128箇所にあり、液体燃料もしくはその気化成分を排出する。
In the example shown in FIGS. 4 and 5, the
細管34の一端(始端部)には、燃料注入口32が設けられている。細管34は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管34の各終端部に燃料排出口33がそれぞれ設けられている。細管34は、例えば内径が0.05〜5mmの貫通孔であることが好ましい。
A
燃料注入口32から注入された液体燃料は、複数に分岐した細管34を介して複数の燃料排出口33にそれぞれ導かれる。このような燃料分配板31Aを使用することによって、燃料注入口32から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料排出口33に均等に分配することができる。従って、膜電極接合体2の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。
The liquid fuel injected from the
さらに、細管34で燃料注入口32と複数の燃料排出口33とを接続することによって、燃料電池の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計も可能となる。これは、膜電極接合体2の発電度合いの均一性の向上等に寄与する。
Further, by connecting the
膜電極接合体2は、そのアノード13が上述したような燃料分配板31Aの燃料排出口33に対向するように配置されている。カバープレート21は、燃料供給機構3との間に膜電極接合体2を保持した状態で容器30に対してカシメあるいはネジ止めなどの手法により固定されている。これにより、燃料電池(DMFC)1の発電ユニットが構成されている。
The
燃料供給部31は、燃料分配板31Aと膜電極接合体2との間に燃料拡散室31Bとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室31Bは、燃料排出口33から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。
The
膜電極接合体2と燃料供給部31との間には、膜電極接合体2をアノード13側から支持する支持部材を配置しても良い。特に、図1に示したような構成においては、支持部材を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、膜電極接合体2と燃料供給部31との間に支持部材を配置したことにより、燃料排出口33から膜電極接合体2までの距離を確保することができる。このため、燃料排出口33から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。
A support member that supports the
これにより、アノード13の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、膜電極接合体2での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。したがって、燃料電池1の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体2で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池1の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させない燃料電池1の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。
As a result, the fuel distribution in the plane of the
また、支持部材により膜電極接合体2を支持するとともに、支持部材とカバープレート21との間で膜電極接合体2を保持するため、膜電極接合体2の撓みなどの変形を抑制することができ、膜電極接合体2と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。
In addition, the
膜電極接合体2と燃料供給部31との間には、少なくとも1つの多孔体を配置しても良い。多孔体の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体として用いられる。このような多孔体は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体と、これに交差する(あるいは直交する)方向への拡散性が高い多孔体とを組み合わせて適用しても良い。
At least one porous body may be disposed between the
特に、図1に示したような構成においては、多孔体を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、多孔体を配置することによって、アノード13に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料供給部31の燃料排出口33から供給された液体燃料は一旦多孔体に吸収され、多孔体の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体からアノード13に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。
In particular, in the configuration shown in FIG. 1, the following effects can be obtained by applying a porous body. That is, the fuel supply amount to the
燃料収容部4には、膜電極接合体2に応じた液体燃料が収容されている。
Liquid fuel corresponding to the
液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料は、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部4には、膜電極接合体2に応じた液体燃料が収容される。
Examples of the liquid fuel include methanol fuels such as aqueous methanol solutions of various concentrations and pure methanol. The liquid fuel is not necessarily limited to methanol fuel. The liquid fuel may be, for example, an ethanol fuel such as an ethanol aqueous solution or pure ethanol, a propanol fuel such as a propanol aqueous solution or pure propanol, a glycol fuel such as a glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel. In any case, liquid fuel corresponding to the
さらに、流路5には、ポンプ6が介在していても良い。ポンプ6は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部4から燃料供給部31に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部31から膜電極接合体2に供給された燃料は、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部4に戻されることはない。
Further, a
この実施の形態の燃料電池1は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ6を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図1に示す燃料電池1は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
The
ポンプ6の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。
The type of the
ロータリーベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。 The rotary vane pump feeds liquid by rotating wings with a motor. The electroosmotic flow pump uses a sintered porous body such as silica that causes an electroosmotic flow phenomenon. A diaphragm pump drives a diaphragm with an electromagnet or piezoelectric ceramics to send liquid. The squeezing pump presses a part of a flexible fuel flow path and squeezes the fuel. Among these, it is more preferable to use an electroosmotic pump or a diaphragm pump having piezoelectric ceramics from the viewpoint of driving power, size, and the like.
なお、ポンプ6と燃料供給部31との間にリザーバを設けてもよい。
A reservoir may be provided between the
また、燃料電池1の安定性や信頼性を高めるために、ポンプ6と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。燃料遮断バルブには、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが適用される。燃料遮断バルブは、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブであることが好ましい。
Further, in order to improve the stability and reliability of the
また、燃料収容部4や流路5には、燃料収容部4内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。燃料収容部4から燃料供給機構3で膜電極接合体2に燃料を供給する場合、ポンプ6に代えて燃料遮断バルブのみを配置した構成とすることも可能である。この際の燃料遮断バルブは、流路5による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
Further, a balance valve that balances the pressure in the
この実施の形態の燃料電池1においては、ポンプ6を用いて燃料収容部4から燃料供給部31に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ6で送液された液体燃料は、燃料供給部31を経て膜電極接合体2のアノード13の全面に対して均一に供給される。
In the
すなわち、複数の単セルCの各アノード13の平面方向に対して均一に燃料が供給され、これにより発電反応が生起される。燃料供給用(送液用)のポンプ6の運転動作は、燃料電池1の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することが好ましい。
That is, the fuel is uniformly supplied to the planar direction of each
上述したように、燃料供給部31から放出された燃料は、膜電極接合体2のアノード13に供給される。膜電極接合体2内において、燃料は、アノードガス拡散層12を拡散してアノード触媒層11に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層11で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
As described above, the fuel released from the
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
この反応で生成した電子(e-)は、集電体18を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体18を経由してカソード16に導かれる。(1)式の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は、電解質膜17を経てカソード16に導かれる。カソード16には、酸化剤として空気が供給される。カソード16に到達した電子(e-)とプロトン(H+)は、カソード触媒層14で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
The electrons (e − ) generated by this reaction are guided to the outside via the
6e-+6H++(3/2)O2 → 3H2O …(2)
上述した燃料電池1の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体2の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
6e − + 6H + + (3/2) O 2 → 3H 2 O (2)
In the power generation reaction of the
上述したように、この実施の形態においては、燃料供給機構3を構成する燃料分配板31Aは、燃料排出口33を有しており、この燃料排出口33が膜電極接合体2のアノード13に対向するように配置されている。燃料分配板31Aのアノード13に対向する表面31Sは、燃料供給機構3によって供給される液状の燃料に対して親液性を有している。
As described above, in this embodiment, the
膜電極接合体2のアノード13に対しては、燃料を全面に均一に供給することが極めて重要である。燃料分配板31Aを適用した構成によれば、燃料排出口33から気化した燃料が排出される場合には、アノード13に至る間に拡散し、燃料供給量の均一化を図ることができる。一方、燃料排出口33から液体の燃料が排出される場合には、燃料供給量の均一化を図る上で、単位面積当たりの燃料排出口33の数を多くすることが一手法として挙げられる。しかしながら、製造上の問題、機械的強度上の問題などにより、燃料排出口33の数をさらに増やすことは困難である。
For the
そこで、この実施の形態においては、燃料分配板31Aの表面31Sが、液体の燃料に対して親液化されている。このため、燃料分配板31Aの表面31Sにおいて、X−Y面内で液体の燃料を迅速に拡散させることが可能となる。
Therefore, in this embodiment, the
図6のモデルに示すように、表面31Sが親液性を有していない場合、Aで示したように、燃料排出口33から排出された液体の燃料は、燃料排出口33の付近で広がらず、半球状をなすように溜まる。一方、表面31Sが親液性を有している場合には、Bで示したように、燃料排出口33から排出された液体の燃料は、表面31Sを伝わって短時間で拡散する。
As shown in the model of FIG. 6, when the
このため、燃料排出口33から液体の燃料が排出されても、膜電極接合体2のアノード13に向けて面内全体に均一に燃料を供給することが可能となる。また、少量の燃料であっても、面内全体に均一に燃料を配分することができ、燃料の気化を促進しつつ、アノード13に対して安定的に均一な燃料供給が可能となる。
For this reason, even if liquid fuel is discharged from the
これにより、膜電極接合体2の全体において、適量の燃料を供給して効率的に発電反応を生起させることができ、高い出力を安定して得ることが可能となる。また、膜電極接合体2の局所的な劣化を抑制することができ、燃料電池の長寿命化が可能となる。さらに、膜電極接合体2と燃料供給部31との間に、燃料の拡散を促進するための多孔体などの燃料拡散シートが不要となり、燃料電池の薄型化が可能となる。
Thereby, in the whole
ここで、表面31Sの親液性について、より具体的に説明する。
Here, the lyophilicity of the
表面31Sの燃料に対する接触角は、発明者による種々の検討の結果、90°以下であることが望ましい。また、別の観点から検証したところ、表面31Sの表面粗さは、中心線平均粗さ(Ra)で、0.1μm以上1.0μm以下であることが望ましい。
The contact angle of the
このような燃料分配板31Aは、例えば、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンサルファイド(PES)、ポリフェニルサルファイド(PPS)、環状オレフィン共重合体(COC)のいずれかによって形成されている。
Such a
燃料分配板31Aの表面31Sには、例えば、コロナ放電処理、プラズマ重合処理、電子線処理などの方法によって表面処理(改質処理)がなされることにより、親液性が付与される。例えば、ポリエチレンによって形成された燃料分配板31Aについて、コロナ放電処理を施すことにより、ポリエチレンの表面が活性化され、極性基が生成されるため、濡れ性が向上する。このようにして表面31Sに親液性が付与される。
The
ここで、図9に示すように、燃料分配板31Aに対する水からなる液滴DRの接触角θは、液滴DRと燃料分配板31Aとが接触する点Pにおける液滴DRの表面カーブに対する接線と燃料分配板31Aの表面31Sとが成す角である。
Here, as shown in FIG. 9, the contact angle θ of the droplet DR made of water with respect to the
この接触角θは以下のように測定する。測定装置は、協和界面科学株式会社製の、接触角計(DropMaster 100)、固液界面解析装置(DropMaster 500)、測定解析統合システムソフトウェア(FAMAS:2004/7)を使用した。 This contact angle θ is measured as follows. As a measuring device, a contact angle meter (DropMaster 100), a solid-liquid interface analyzer (DropMaster 500), and a measurement / analysis integrated system software (FAMAS: 2004/7) manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd. were used.
最初に、図10に示すように、マイクロシリンジM(テフロン(登録商標)コート針 28G(φ0.1mm))で、純水の液滴DRを形成する。本実施形態に係る燃料電池の場合、液滴DRは約0.5マイクロリットルである。 First, as shown in FIG. 10, pure water droplets DR are formed with a microsyringe M (Teflon (registered trademark) coated needle 28G (φ0.1 mm)). In the case of the fuel cell according to the present embodiment, the droplet DR is about 0.5 microliter.
次に、図11に示すように、液滴DRの底を測定対象である燃料分配板31Aの表面31Sに接触させる。そして、マイクロシリンジMを燃料分配板31Aから離すと、燃料分配板31Aの表面31Sに図12に示すような液滴DRが付着する。この状態で、3000ms後に、液滴DRの高さhと、液滴DRの半径r(あるいは図9に示した液滴DRの両端間の距離もしくは液滴DRの直径2r)を測定する。
Next, as shown in FIG. 11, the bottom of the droplet DR is brought into contact with the
接触角θは、図9に示すθ1(=arctan(r/h))の2倍に等しいことから、測定された液滴DRの高さh及び半径rから、下記の式(A)を用いて接触角θの値が算出される。 Since the contact angle θ is equal to twice θ1 (= arctan (r / h)) shown in FIG. 9, the following formula (A) is used from the measured height h and radius r of the droplet DR. Thus, the value of the contact angle θ is calculated.
θ= 2 arctan(r/h) ・・・式(A)
上記のように算出された接触角θは、その値が大きいほど、測定対象の疎水性が高いことを示し、その値が小さいほど測定対象の疎水性が低いことを示している。
θ = 2 arctan (r / h) Formula (A)
The contact angle θ calculated as described above indicates that the larger the value, the higher the hydrophobicity of the measurement object, and the smaller the value, the lower the hydrophobicity of the measurement object.
図1に示した例では、燃料供給機構3は、膜電極接合体2と燃料分配板31Aとの間にギャップを有し、燃料供給部31を構成する燃料拡散室31Bを形成している。このため、燃料排出口33から液体の燃料が排出されたとしても、燃料分配板31Aの表面で拡散された後に、気化を促進するためのパスを確保することができる。
In the example shown in FIG. 1, the
上述した燃料電池1においては、さらに、膜電極接合体2のアノード13と燃料供給機構3の燃料分配板31Aとの間に配置された拡散板40を備えて構成しても良い。
The
すなわち、図7に示すように、拡散板40は、燃料分配板31Aとの間に液状の燃料または気体状の燃料が通過可能なわずかなギャップをもって重ね合わせられている。この拡散板40は、燃料分配板31Aから膜電極接合体2に至る貫通孔41を有している。これにより、燃料排出口33から排出された燃料を貫通孔41からアノード13に向けて排出される。
That is, as shown in FIG. 7, the
また、この拡散板40は、少なくともアノード13と対向する面42が液状の燃料に対する親液性を有している。このような拡散板40としては、フィルム状であってもよいし、板状であってもよい。また、拡散板40は、親液性を有する材料によって形成されても良いし、少なくとも表面42が親液性を有するように表面処理されたものであっても良い。
Further, the
このような拡散板40を適用したことにより、拡散板40の貫通孔41からアノード13に向かって排出された燃料が液体であっても、拡散板40の表面42において短時間で燃料を拡散させることが可能となる。このため、膜電極接合体2の面内全体に均一に燃料を供給することが可能となる。
By applying such a
また、燃料排出口33からアノード13までの間に液体燃料の気化を促進するためのパスを確保できる。
In addition, a path for promoting the vaporization of the liquid fuel can be secured between the
特に、図7に示したように、拡散板40の貫通孔41は、燃料分配板31Aの燃料排出口33に重なることなく配置されることがより望ましい。つまり、燃料排出口33と貫通孔41とは同軸上に位置していない。これにより、燃料排出口33から液体燃料が排出されたとしても、液体燃料の気化を促進するためのパスをさらに長く確保できる。
In particular, as shown in FIG. 7, it is more desirable that the through
この場合、拡散板40の燃料分配板31Aと対向する面43も、液状の燃料に対する親液性を有していることが望ましい。つまり、燃料分配板31Aと拡散板40との間のギャップが親液性を有する面によって囲まれている。このため、燃料排出口33から排出された液体の燃料をさらに迅速に拡散することが可能となる。
In this case, it is desirable that the
また、拡散板40に形成される貫通孔41は、燃料分配板31Aに形成される燃料排出口33よりも密に配置されることが望ましい。すなわち、図8に示すように、燃料排出口33と貫通孔41とは同軸上に位置しておらず、燃料分配板31Aに拡散板40を重ねて配置した際、1個の燃料排出口33の周辺に複数の貫通孔41が近接している。
Further, it is desirable that the through
つまり、1個の燃料排出口33から排出された燃料は、複数の貫通孔41を経てアノード13に向けて供給される。このため、液体燃料の拡散が促進されるとともに気化が促進され、膜電極接合体2の面内全体に均一に燃料を供給することが可能となる。
That is, the fuel discharged from one
以上説明したように、この実施の形態によれば、安定して高い出力を得ることが可能であるとともに長寿命化が可能な燃料電池を提供できる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to provide a fuel cell capable of stably obtaining a high output and extending its life.
上述した各実施形態の燃料電池1は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部31は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、各実施形態の燃料電池1は、濃度が80wt%以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、メタノール濃度が80wt%以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池1に好適である。
The
さらに、上述した各実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池1に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。
Furthermore, although each embodiment mentioned above demonstrated the case where this invention was applied to the semi-passive
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、MEAに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。 The present invention can be applied to various fuel cells using liquid fuel. In addition, the specific configuration of the fuel cell, the supply state of the fuel, and the like are not particularly limited, and all of the fuel supplied to the MEA is liquid fuel vapor, all is liquid fuel, or part is liquid state. The present invention can be applied to various forms such as a vapor of supplied liquid fuel. In the implementation stage, the constituent elements can be modified and embodied without departing from the technical idea of the present invention. Furthermore, various modifications are possible, such as appropriately combining a plurality of constituent elements shown in the above embodiment, or deleting some constituent elements from all the constituent elements shown in the embodiment. Embodiments of the present invention can be expanded or modified within the scope of the technical idea of the present invention, and these expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
1…燃料電池 2…膜電極接合体
11…アノード触媒層 12…アノードガス拡散層 13…アノード
14…カソード触媒層 15…カソードガス拡散層 16…カソード
17…電解質膜 18…集電体 19…シール部材
20…板状体 21…カバープレート
3…燃料供給機構 4…燃料収容部 5…流路 6…ポンプ
31…燃料供給部 31A…燃料分配板 31B…燃料拡散室
31S…表面
32…燃料注入口 33…燃料排出口
40…拡散板 41…貫通孔
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記燃料供給機構は、前記膜電極接合体の前記アノードに対向する燃料排出口を有する燃料分配板を備え、
前記燃料分配板の前記アノードと対向する表面は、液状の燃料に対する親液性を有することを特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode;
A fuel supply mechanism for supplying fuel to the anode of the membrane electrode assembly,
The fuel supply mechanism includes a fuel distribution plate having a fuel discharge port facing the anode of the membrane electrode assembly,
The fuel cell according to claim 1, wherein a surface of the fuel distribution plate facing the anode is lyophilic with respect to a liquid fuel.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008274690A JP2010103014A (en) | 2008-10-24 | 2008-10-24 | Fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008274690A JP2010103014A (en) | 2008-10-24 | 2008-10-24 | Fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010103014A true JP2010103014A (en) | 2010-05-06 |
Family
ID=42293485
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008274690A Abandoned JP2010103014A (en) | 2008-10-24 | 2008-10-24 | Fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010103014A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012035872A1 (en) * | 2010-09-15 | 2012-03-22 | セイコーインスツル株式会社 | Fuel cell and fuel cell device |
KR101162008B1 (en) | 2010-12-28 | 2012-07-03 | 주식회사 포스코 | Fuel cell with distribute plate |
CN110386700A (en) * | 2018-04-23 | 2019-10-29 | 中南大学 | A kind of combination treatment method of old and useless battery electric discharge and sulfur-containing waste water desulfurization |
-
2008
- 2008-10-24 JP JP2008274690A patent/JP2010103014A/en not_active Abandoned
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012035872A1 (en) * | 2010-09-15 | 2012-03-22 | セイコーインスツル株式会社 | Fuel cell and fuel cell device |
JP2012064385A (en) * | 2010-09-15 | 2012-03-29 | Seiko Instruments Inc | Fuel cell and fuel cell system |
KR101162008B1 (en) | 2010-12-28 | 2012-07-03 | 주식회사 포스코 | Fuel cell with distribute plate |
CN110386700A (en) * | 2018-04-23 | 2019-10-29 | 中南大学 | A kind of combination treatment method of old and useless battery electric discharge and sulfur-containing waste water desulfurization |
CN110386700B (en) * | 2018-04-23 | 2020-07-31 | 中南大学 | Combined treatment method for waste battery discharge and sulfur-containing wastewater desulfurization |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2010157390A (en) | Fuel cell | |
JP2010103014A (en) | Fuel cell | |
WO2009119766A1 (en) | Fuel cell | |
JP2009021113A (en) | Fuel cell | |
JP2011070852A (en) | Fuel cell | |
JP2008218046A (en) | Fuel cell | |
JP2008218058A (en) | Fuel cell | |
JP2008210679A (en) | Fuel cell | |
JP2009016311A (en) | Fuel cell | |
JP2014096381A (en) | Fuel cell | |
JP2009158411A (en) | Fuel cell | |
JP2009295338A (en) | Fuel cell | |
JP2009158420A (en) | Fuel cell | |
JP2009295439A (en) | Fuel cell | |
JP2010044943A (en) | Fuel cell | |
JP2010182451A (en) | Fuel cell | |
JP5222481B2 (en) | Fuel cell and fuel cell | |
JP2009158421A (en) | Fuel cell | |
JP2008218048A (en) | Cell for fuel cell and the fuel cell | |
JP2008218049A (en) | Fuel battery cell and fuel cell | |
JP2009283361A (en) | Fuel cell | |
JP2009043720A (en) | Fuel cell | |
JP2009238647A (en) | Fuel cell | |
JP2011071056A (en) | Fuel cell | |
JP2012059628A (en) | Fuel cell and fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20111013 |
|
A762 | Written abandonment of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A762 Effective date: 20130212 |