JP3877516B2

JP3877516B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP3877516B2
Application number: JP2000370383A
Authority: JP
Inventors: 修一鈴木; 孝昌松林; 幸徳秋山; 義人近野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: JP2002175817A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に、メタノールなどの液体燃料をアノードに直接供給しながら発電する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ:ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ）を始めとして、メタノールなどの液体燃料を改質せずに直接アノードに供給しながら運転する燃料電池が開発されている。
【０００３】
このような燃料電池においては、メタノールなどの液体燃料を水素リッチな改質ガスに改質するための改質器を必要としないため、構成が簡単で小型軽量化するのに適しており、携帯機器用や車載用の電源などの用途に期待されている。
こうした燃料電池においては、通常、アノード側に液体燃料を供給しながらカソード側に酸化剤として空気を供給して運転している。一般的なＤＭＦＣを例に説明すると、アノード側においてメタノール水溶液が流路を通じて供給され、下記１式のように反応が起こる。
【０００４】
【化１】

そして、アノード側で発生するプロトン（Ｈ^＋）は、電解質である固体高分子膜を透過してカソード側に移動し、カソードにおいて下記２式のように空気中の酸素と反応する。
【化２】

上記固体高分子膜は、２式で発生した水、およびアノード側に供給されるメタノール水溶液中の水分により保湿されるのでプロトン伝導性は確保される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような燃料電池は、１式で示すようにアノード側において、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスが発生する。この二酸化炭素ガスは、アノード側のメタノール水溶液の流路を通じて排出される。
このメタノール水溶液の流路は、一般に、リブとリブの間に形成された狭いライン状の流路であるので、発生した二酸化炭素ガスは、流路内で次第に集合して大きな気泡となり、メタノール水溶液の一部を未使用のまま押し出して排出してしまう。このような現象は、液体を燃料とした電池全般において同様に起こり、このままでは燃料が浪費されてしまう。そのため、従来では、気液分離装置などを設け、排出される二酸化炭素ガスとメタノール水溶液の混合物を分離し、分離された燃料を再度燃料として活用するようにしているが、この場合、燃料電池のシステムが大型化、重量化してしまうという問題点がある。
【０００６】
すなわち、上記従来技術の燃料電池においては、気液分離装置を設けるとともに、分離された燃料を再度循環供給するための循環装置などを設けなくてはならず、システムが大型化、重量化してしまうので、携帯装置などの小型化、軽量化を要求される分野においては適さない。
本発明は、上記の問題に鑑み、メタノールなどの液体燃料をアノードに直接供給しながら発電する燃料電池において、システムを小型化、軽量化するのに適した燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池は、電解質膜にアノードとカソードが配されたセルと、一方の主面に形成されたリブを介して前記セルを挟持する一対のプレートとを備え、前記アノード側に液体燃料を供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池であって、前記アノード側プレートに複数の流路が形成され、当該複数の流路の中から選択された１以上からなる第１の流路に前記液体燃料を供給するとともに、前記複数の流路における前記第1の流路以外の第２の流路に発電に伴って生成する生成ガスを排出することを特徴とする。
【０００８】
これにより、第１の流路に供給された燃料が未使用のまま電池外に排出される量を抑制することができるので、気液分離装置などが不要となる。よって、携帯装置などの小型化、軽量化を要求される燃料電池に適する。
また、前記アノードは、前記アノード側のプレートと接する側に液体燃料および生成ガスを拡散させるための拡散層を備え、当該拡散層は、前記第1の流路と対向する第１領域において液体浸透性と気体難透過性とを兼ね備え、前記第２の流路と対向する第２領域において気体透過性を有することを特徴とする。
【０００９】
これにより、生成ガスは第１の流路に混入することなく第２の流路に選択的に排出されるので、第１の流路からのアノードへの燃料の供給効率が向上する。
また、前記第１の流路と前記第２の流路は、前記リブを介して隣接する位置に配されていれば、生成ガスが生じる領域から第２の流路までの距離が短くなるので生成ガスを効率よく排出することができる。
【００１０】
また、前記第１の流路および第２の流路は、当該各流路の一端が封止されるとともに他端が開放されており、前記第１の流路における開放端と前記第２の流路における開放端とが前記アノード側プレートの異なる方向に配設されていれば、燃料電池を構成した場合において液体燃料および排気ガスの配管を異なる場所に配設できるのでシステムの構成を簡略化することができる。
【００１１】
また、前記第１の領域において使用可能な具体的な材料として、吸水性高分子ゲルまたはパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂を挙げることができる。
また、前記第１の流路には、液体浸透性と気体難透過性とを兼ね備えた材料からなる燃料浸透性部材が、第1の流路の開口部を覆うように挿嵌され、かつ前記アノード側のリブ頂部と面一となるように支持されていることを特徴とする。このようにすれば、万一、燃料電池内のセルの積層位置がずれたり、前記アノード側における第１の領域の形成が不完全であったりした場合に、上記拡散層における第２の領域とアノード側プレートの第１の流路が燃料浸透部材を介して一部接する状態に陥ったとしても、生成ガスが第１の流路に排出されることはないので燃料の供給阻害を防止できる。
【００１２】
また、前記燃料浸透性部材は、液体燃料の存在下において膨潤する材料から構成されることが好ましい。このようにすれば、生成ガスの燃料流路への排出のおそれはさらに低減される。
具体的な燃料浸透性部材としては、その材料が吸水性高分子ゲルまたはパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂を含むものを用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池の実施の形態を、ＤＭＦＣに適用した場合について図面を参照しながら説明する。
（１）ＤＭＦＣのセル構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるＤＭＦＣの要部分解斜視図であって、１つのセルユニットを示している。
【００１４】
同図に示すように、セルユニットは、セル２０、アノード側プレート３０、カソード側プレート４０を備え、セル２０は両プレート３０，４０に挟持されている。
セル２０は、電解質膜２１、アノード２２、カソード２３を備え、電解質膜２１を介してアノード２２およびカソード２３が対向して設けられている。
【００１５】
電解質膜２１は、パーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂からなるイオン交換膜であり、例えばＮａｆｉｏｎ（デュポン社製）やＦｌｅｍｉｏｎ（旭硝子社製）が用いられる。
アノード２２は、貴金属触媒を担持したカーボン粉末とパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂との混合物からなるアノード触媒層２２１と、撥水化処理の施されたカーボンペーパからなるアノード拡散層２２２とを備え、アノード触媒層２２１がアノード拡散層２２２上に膜状に形成されたものである。アノード触媒層２２１の貴金属触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）（Ｐｔ担持量：１ｍｇ／ｃｍ^２、Ｐｔ／Ｒｕはモル比で１／１）が用いられる。
【００１６】
カソード２３は、アノード２２と同様、貴金属触媒を担持したカーボン粉末とパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂との混合物からなるカソード触媒層２３１と、撥水化処理されたカーボンペーパからなるカソード拡散層２３２とを備え、カソード触媒層２３１がカソード拡散層２３２上に膜状に形成されたものである。カソード触媒層２３１の貴金属触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）（Ｐｔ担持量１ｍｇ／ｃｍ^２）が用いられる。
【００１７】
アノード拡散層２２２、カソード拡散層２３２は、例えば、それぞれカーボンペーパにＦＥＰ樹脂などの熱硬化性樹脂を所定量含浸させて熱処理させたものである。この熱処理により、熱硬化性樹脂が硬化し、両拡散層は強度的に強化される。このアノード拡散層２２２の外側に対向するようにアノード側プレート３０が設けられている。
【００１８】
図２は、アノード側プレート３０の概略平面図である。
同図に示すように、アノード側プレート３０は、アノード拡散層２２２と対向する側の一主面に複数のリブがストライプ状に列設されるとともに、隣り合うリブ同士の端が連結されることにより全体としてＳ字に屈曲してつながっているリブ３０ａと、このリブ３０ａとリブ３０ａの間の凹部にそれぞれ独立して形成される袋小路状の燃料流路３０ｂおよび排気流路３０ｃと、燃料流路３０ｂを覆うように挿嵌されている燃料浸透部材３１（図１）とを備えている。燃料電池の稼動時には、アノード側プレート３０の一端側から燃料流路３０ｂと燃料浸透部材３１の間に燃料を満たすように供給し、他端側から排気流路３０ｃを通じて生成ガスを排出することができる。よって、電池のシステムを構成した場合には、燃料供給管と排気ガス管と並列した複雑な配管をする必要がなくなるので、簡易な構成を有する小型携帯装置等に適する。なお、燃料流路３０ｂと排気流路３０ｃの大きさは任意に設定することができる。
【００１９】
図３は、燃料流路３０ｂに挿嵌される燃料浸透部材３１の構成を示す斜視図である。
同図に示すように、燃料浸透部材３１は、燃料浸透板３１０と支持台３１１とを備え、燃料浸透板３１０が側面視コの字形状をした支持台３１１に載置された状態に固定支持されている。燃料浸透板３１０はアノード拡散層２２２と接するように燃料流路３０ｂ（図１）に挿嵌されている。
【００２０】
燃料浸透板３１０は、液体のみを透過させ、気体を透過しにくい、例えばポリアクリル酸からなる吸水性高分子ゲルや、パーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂などから構成される平板形状の部材であり、燃料流路３０ｂに燃料が供給されたときに燃料などの液体のみをアノード拡散層２２２側に透過させるとともに燃料流路３０ｂの開口部を蓋する働きを有し、これにより生成ガスが燃料流路３０ｂ内部に透過することを抑制する。
【００２１】
支持台３１１は、例えば、格子状、または、多孔性のテフロン（登録商標）部材からなるコの字形状に屈曲した部材であり、その頂部に燃料浸透板３１０を固定する。この支持台３１１は、燃料浸透部材３１が燃料流路３０ｂに挿嵌されたときに燃料浸透板３１０とリブ３０ａとが面一となる高さとなれば、燃料浸透板３１０と燃料浸透領域２２４とが密着するので好ましい。
【００２２】
ところで、このようなアノード側プレート３０と対向する位置に配設されるアノード拡散層２２２は、さらに以下のような構造を有している。
図４は、アノード拡散層２２２の概略平面図である。
同図に示すように、アノード拡散層２２２は、ガス透過層領域２２３、燃料浸透層領域２２４とを備え、アノード側プレート３０の排気流路３０ｃに対向する部分にガス透過層領域２２３が形成されるとともに、アノード側プレート３０の燃料流路３０ｂと対向する領域に燃料浸透層領域２２４が形成され、供給される燃料および生成ガスを拡散させる働きを有している。
【００２３】
ここで、ガス透過層領域２２３は、生成ガスを透過させる特性を有するが、燃料浸透層領域２２４は、液体燃料を透過させつつ、生成ガスである気体を透過しにくい特性を有する。燃料透過層領域２２４は、上述した燃料透過板３１０と同様の例えばポリアクリル酸からなる吸水性高分子ゲルやパーフルオロアルキル酸系樹脂からなる燃料浸透性材料を、カーボンペーパに含浸することによって形成することができる。これにより、アノード拡散層２２２においては、燃料透過層領域２２４を生成ガスが透過できないので、ガス透過層領域２２３のみに生成ガスを選択的に透過させることができる。
【００２４】
カソード側プレート４０は、図1に示すようにリブ４０ａおよび空気流路４０ｂを備え、カソード拡散層２３２と対向する側の一主面にリブ４０ａが列設されている。このリブ４０ａとリブ４０ａの間の凹部には空気流路４０ｂが形成されており、燃料電池の稼動時には、この空気流路４０ｂに沿ってたとえば空気などの酸化剤ガスが供給される。
【００２５】
（２）ＤＭＦＣの動作
次に、上記ＤＭＦＣの駆動時における動作を、図５を参照しながら説明する。
図５は、図１のＤＭＦＣの部分横断面図である。
ＤＭＦＣの駆動時においては、燃料のメタノール水溶液が燃料流路３０ｂに供給される。燃料流路３０ｂは袋小路になっている（図１、図２参照）ので、供給された燃料は燃料流路３０ｂを満たすようになる。この燃料流路３０ｂに満たされた燃料は、液体を選択的に透過する燃料浸透板３１０を矢印ａ方向に透過した後、この燃料浸透板３１０と接するアノード拡散層２２２の燃料浸透層領域２２４に達する。この燃料浸透層領域２２４も液体のみを選択的に透過するので、メタノール水溶液はアノード触媒層２２１まで到達する。
【００２６】
アノード触媒層２２１に到達した燃料は、上記１式の反応を起こし、ＣＯ_２からなる生成ガスを発生する。ここで、燃料浸透層領域２２４および燃料浸透部材３１０は、上述したように液体のみを選択的に透過させる特性を有するため、メタノール水溶液を図中矢印ａ方向に透過させるのみであり、気体である生成ガスは、矢印ａ方向と反対方向に透過することができない。そのため、反応の進行とともに増量する生成ガスは、気体を透過することができるガス透過層領域２２３を矢印ｂ方向に透過し、排気流路３０ｃに排出される。
【００２７】
したがって、アノード側プレート３０においては、燃料のみが透過する燃料流路３０ｂと、排気ガスが主に透過する排気流路３０ｃとによって、燃料と排気の流路が完全に分離される。すなわち、生成される生成ガスである二酸化炭素ガスは、燃料流路内の燃料と従来のように混在する可能性が著しく低下するので、排気ガスと伴って排出される燃料の量が著しく低下する。そのため、排出された燃料を再利用するための気液分離装置などを設ける必要がなくなり、従来に比べてシステム全体を小型化することができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、燃料流路３０ｂと排気流路３０ｃとが隔壁を介して隣接するように構成されており、これにより生成ガスが発生する領域と排気流路３０ｃとの距離が短くなるため、排気効率の観点で好ましいが、必ずしも隣接する必要はなく、例えば、燃料流路と排気流路がアノード側セパレータで２分割されるような配置であってもかまわない。
【００２９】
（３）アノード２２の作製方法
次に、本実施の形態に特徴的なアノード２２の作製方法の一例について説明する。
まず、アノード拡散層２２２を作製する。所定の大きさの市販のカーボンペーパに対して、熱硬化性の樹脂、例えば、１０ｗｔ％のＦＥＰ樹脂を含浸させた後、熱処理を行う。これにより、カーボンペーパを高強度化させる。
【００３０】
次に、このカーボンペーパがアノード拡散層として組み立てられた場合に、燃料流路３０ｂと対向する部分のみに燃料浸透層領域２２４を形成できるように、テンプレートを用いて燃料浸透層領域２２４となる部分以外の両面をマスキングする。
ここで、燃料浸透性材料であるポリアクリル酸からなる吸水性高分子ゲル（例えば、日本純薬工業社製ジュンロンＰＷ−１５０）と、バインダとしてナフィオン（デュポン社製）を水に分散させた溶液と、結着材としてポリエチレンオキサイドとを混合し、混合物スラリーを作製する。
【００３１】
この混合物スラリーを、上記マスキングされたカーボンペーパ両面に対してガラス製のロッドを用いて刷り込みながら塗布し、その後乾燥させる。
乾燥後、マスキングを取り除くことにより、燃料浸透性材料が塗り込まれた領域には燃料浸透層領域２２４が形成されているとともに、それ以外の領域にはガス透過層領域２２３が形成されているアノード拡散層２２２を得ることができる。
【００３２】
次に、Ｐｔ、Ｒｕなどを含む貴金属触媒と水素イオン交換体とが混合された混合物ペーストを、上記アノード拡散層２２２の一方の主面全面に塗布することによりアノード触媒層２２１が形成され、アノード拡散層２２２とアノード触媒層２２１とを備えるアノード２２が得られる。
（４）アノード側プレート３０の製造方法
アノード側プレートの本体は、カーボンとフェノール樹脂の混合物を図２に示すような形となるような型に入れ、当該樹脂の融点以上に昇温して冷却する、いわゆるモールド成形を行って作製する。
【００３３】
また、燃料浸透部材３１については、まず、格子状のフッ素樹脂をコの字状に折り曲げ、支持台３１１を作製する。この支持台３１１の頂部に上記と同様の吸水性高分子ゲルと、バインダとしてのパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂、ポリエチレンオキサイドを混合したスラリーを塗布し、乾燥させて燃料浸透板３１０を形成することにより、燃料浸透部材３１を作製する。この燃料浸透部材３１をプレート本体の燃料流路３０ｂに挿嵌することにより、アノード側プレート３０を作製することができる。
【００３４】
（５）本実施の形態に係る変形例について
上記実施の形態では、アノード側にメタノールを燃料として直接供給しながら運転するＤＭＦＣについて説明したが、燃料としてエタノールなどの低級アルコールやヒドラジンなどの液体燃料を直接供給しながら運転する燃料電池においても本発明を適用することが可能であり、これらの燃料電池においても燃料の無駄を抑え、小型化できると考えられる。
【００３５】
また、上記実施の形態においては、セル２０とアノード側プレートが常に接するような形態としていたが、セル２０とアノード側プレート３０との間が離接可能となるような機構を設け、燃料電池の停止時に離間するようにしてもよい。
また、上記実施の形態においては、燃料浸透部材３１を設けていたが、燃料浸透性領域２２４が燃料流路３０ｂを正確に覆い、かつ充分緻密に形成されていれば燃料浸透部材３１を必ずしも設ける必要はなく、これによっても燃料の無駄を抑えてシステムの小型化・軽量化に適した燃料電池を得ることができる。一方、燃料浸透部材３１を設ける場合には、燃料浸透板３１０が燃料を含浸することにより膨潤する材料を用いることが好ましい。万一、燃料電池の組み立て時や運搬時の振動などによってセルの積層位置がずれたりした場合に、アノード拡散層２４におけるガス透過層領域２２３とアノード側プレートの燃料流路３０ｂとが燃料浸透部材３１を介して一部つながる状態に陥ったとしても、膨潤により燃料浸透部材３１０と燃料流路３０ｂとの密着性が向上し、生成ガスが燃料流路３０ｂに排出される現象を抑制できるので、燃料の供給阻害を防止できる。
【００３６】
〔実施例〕
上記実施の形態に基づいて、単セルのＤＭＦＣを作製した。
ここで、アノード拡散層の一方の主面に、Ｐｔ、Ｒｕ、水素イオン交換体の混合物を塗布した。Ｐｔ、Ｒｕのモル比は１：１とし、Ｐｔの担持量は２ｍｇ／ｃｍ^２とした。カソード拡散層においてもＰｔ担持量を３ｍｇ／ｃｍ^２とし、アノード拡散層と同様に作製した。アノード、カソードの各電極面積は、２５ｃｍ^２とし、電解質膜にはナフィオン１１７（デュポン社製）を用いた。
【００３７】
〔比較例〕
本比較例のＤＭＦＣは、実施例のＤＭＦＣとアノード拡散層の構成が異なるのみであり、アノード拡散層はカーボンペーパに１０ｗｔ％のＦＥＰ樹脂を含浸させた後、熱処理したものを用いた。カソードおよび担持触媒の種類、使用量については、実施例と同様のものを使用した。
【００３８】
実験
上記実施例および比較例のＤＭＦＣを用いて以下の条件で発電を行い、アノード側から排出されるメタノール量について測定をした。
運転条件
カソード側への空気供給量：５００ｍｌ／分
電池温度：７０℃
電流密度１００ｍＡ／ｃｍ^２
メタノール供給量：
１）実施例サンプル：燃料流路内に常時燃料が満ちるように供給した。
【００３９】
２）比較例サンプル：排気ガスとともに排出される燃料を極力少なくするために発電が安定する最低ラインの０．７ｃｃ／分となるように供給した。
このときの実験結果を表１に示す。なお、比較例サンプルのメタノール排出量を１００とし、実施例サンプルはその量に対する相対比を示す。
【００４０】
【表１】

【００４１】
表１に示すように、実施例サンプルにおいては、メタノールのアノード側からの排出量が比較例サンプルに比べて約１／４まで低減している。これは、上述したように、燃料供給路とガス排出路とを完全に独立させているために、燃料と排気ガスとが混在しにくくなっているためと考えられる。
なお、上記実施例サンプルにおいても若干メタノールが排出されているのは、アノードに到達したメタノールの一部が蒸発して、排気流路に流れ込んだものと考えられると考えられるが、使用に際して問題とはならないレベルである。
【００４２】
これにより、従来のＤＭＦＣと比べて、生成ガスとともに排出される燃料の量を大幅に抑制することができるので、排出される燃料を再度利用するために気液分離装置等を設けなくとも燃料の使用効率を上げることができる。したがって、本発明に係る燃料電池は、特に携帯機器などの小型装置等の用途に有効である。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明に係る燃料電池によれば、電解質膜にアノードとカソードが配されたセルと、一方の主面に形成されたリブを介して前記セルを挟持する一対のプレートとを備え、前記アノード側に液体燃料を供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池であって、前記アノード側プレートのリブとリブの間に複数の流路が形成され、当該複数の流路の中から選択された１以上からなる第１の流路に前記液体燃料を供給するとともに、前記複数の流路における前記第1の流路以外の第２の流路に発電に伴って生成ガスを排出するようにしているので、第１の流路に供給された燃料が未使用のまま電池外に排出される量を抑制することができる。そのため、燃料電池のシステムにおいて、従来技術のような気液分離装置などが不要となるので、小型化、軽量化が要求される携帯装置などに適した燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るＤＭＦＣの要部分解斜視図である。
【図２】アノード側プレートの概略側面図である。
【図３】燃料浸透部材の概略斜視図である。
【図４】アノード拡散層の概略平面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るＤＭＦＣの一部を示す断面図である。
【符号の説明】
２０セル
２１電解質膜
２２アノード
２３カソード
２４アノード拡散層
２５カソード拡散層
３０アノード側プレート
３０ａリブ
３０ｂ燃料流路
３０ｃ排気流路
３１燃料浸透部材
４０カソード側プレート
４０ａリブ
４０ｂ空気流路
２２３ガス透過層領域
２２４燃料浸透層領域
３１０燃料浸透板
３１１支持台[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell that generates power while supplying a liquid fuel such as methanol directly to an anode.
[0002]
[Prior art]
Recently, direct methanol fuel cells: including the (DMFC Direct Methanol Fuel Cell), the fuel cell to operate while supplying directly to the anode of which liquid fuels methanol without modification have been developed.
[0003]
Such a fuel cell does not require a reformer for reforming a liquid fuel such as methanol into a hydrogen-rich reformed gas, and thus is simple in structure and suitable for reduction in size and weight. It is expected to be used for equipment and in-vehicle power supplies.
Such a fuel cell is usually operated by supplying air as an oxidant to the cathode side while supplying liquid fuel to the anode side. A general DMFC will be described as an example. A methanol aqueous solution is supplied on the anode side through a flow path, and a reaction occurs as shown in the following formula ( 1) .
[0004]
[Chemical 1]

Then, protons (H ⁺ ) generated on the anode side pass through the solid polymer membrane as an electrolyte and move to the cathode side, and react with oxygen in the air as shown in the following two formulas at the cathode.
[Chemical 2]

Since the solid polymer membrane is moisturized by the water generated in the two types and the water in the aqueous methanol solution supplied to the anode side, proton conductivity is ensured.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a fuel cell, the anode side as shown by equation (1) carbon dioxide (CO ₂₎ gas is generated. This carbon dioxide gas is discharged through the flow path of the methanol aqueous solution on the anode side.
Since the flow path of this methanol aqueous solution is generally a narrow line-shaped flow path formed between ribs, the generated carbon dioxide gas gradually gathers in the flow path to form large bubbles, resulting in a methanol aqueous solution. A part of it is pushed out and discharged without being used. Such a phenomenon occurs in the same manner in all batteries using liquid as fuel, and the fuel is wasted if it is left as it is. For this reason, conventionally, a gas-liquid separation device or the like is provided to separate a mixture of discharged carbon dioxide gas and aqueous methanol solution, and the separated fuel is used again as fuel. There is a problem that the system becomes larger and heavier.
[0006]
That is, in the above prior art fuel cell, it is necessary to provide a gas-liquid separation device and a circulation device for circulating and supplying the separated fuel again, which increases the size and weight of the system. Therefore, it is not suitable in the field where downsizing and weight reduction of portable devices and the like are required.
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell that is suitable for reducing the size and weight of a fuel cell that generates power while directly supplying a liquid fuel such as methanol to an anode. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a fuel cell according to the present invention includes a cell in which an anode and a cathode are disposed on an electrolyte membrane, and a pair of plates that sandwich the cell via a rib formed on one main surface. the provided supplies the liquid fuel to the anode side, a fuel cell which generates power by supplying an oxidizing gas to the cathode side, a plurality of channels to the anode side plates are formed, the plurality The liquid fuel is supplied to a first flow path composed of one or more selected from among the flow paths, and power generation is performed in a second flow path other than the first flow path in the plurality of flow paths. The product gas produced in this way is discharged.
[0008]
As a result, the amount of fuel supplied to the first flow path that is discharged out of the battery without being used can be suppressed, so that a gas-liquid separator or the like is not required. Therefore, it is suitable for a fuel cell that requires a reduction in size and weight of a portable device or the like.
Further, the anode includes a diffusion layer for diffusing liquid fuel and generated gas on a side in contact with the anode side plate, and the diffusion layer penetrates the liquid in a first region facing the first flow path. And gas permeability in the second region facing the second flow path.
[0009]
As a result, the product gas is selectively discharged to the second flow path without being mixed into the first flow path, so that the fuel supply efficiency from the first flow path to the anode is improved.
In addition, if the first flow path and the second flow path are arranged adjacent to each other via the rib, the distance from the region where the generated gas is generated to the second flow path is shortened. The generated gas can be discharged efficiently.
[0010]
The first flow path and the second flow path have one end of each flow path sealed and the other end opened, and the open end of the first flow path and the second flow path If the open end of the flow path is arranged in a different direction of the anode side plate, the configuration of the system can be simplified because the liquid fuel and exhaust gas pipes can be arranged in different places when the fuel cell is configured. can do.
[0011]
Specific materials that can be used in the first region include a water-absorbing polymer gel or a perfluoroalkylsulfonic acid resin.
In addition, a fuel permeable member made of a material having both liquid permeability and gas permeability is inserted into the first channel so as to cover the opening of the first channel, and It is supported so as to be flush with the top of the rib on the anode side. In this way, if the stacking position of the cells in the fuel cell is shifted or the formation of the first region on the anode side is incomplete, the second region in the diffusion layer is different from the second region in the diffusion layer. Even if the first flow path of the anode side plate is partially in contact with the fuel penetrating member, the generated gas is not discharged into the first flow path, and thus fuel supply hindrance can be prevented.
[0012]
The fuel permeable member is preferably made of a material that swells in the presence of liquid fuel. In this way, the risk of the product gas being discharged into the fuel flow path is further reduced.
As a specific fuel permeable member, a material containing a water-absorbing polymer gel or a perfluoroalkylsulfonic acid resin can be used.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a case where an embodiment of a fuel cell according to the present invention is applied to a DMFC will be described with reference to the drawings.
(1) DMFC Cell Configuration FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a DMFC according to an embodiment of the present invention, and shows one cell unit.
[0014]
As shown in the figure, the cell unit includes a cell 20, an anode side plate 30, and a cathode side plate 40, and the cell 20 is sandwiched between both

plates

30 and 40.
The cell 20 includes an electrolyte membrane 21, an anode 22, and a cathode 23, and the anode 22 and the cathode 23 are provided to face each other with the electrolyte membrane 21 interposed therebetween.
[0015]
The electrolyte membrane 21 is an ion exchange membrane made of a perfluoroalkylsulfonic acid resin. For example, Nafion (manufactured by DuPont) or Flemion (manufactured by Asahi Glass) is used.
The anode 22 includes an anode catalyst layer 221 made of a mixture of a carbon powder carrying a noble metal catalyst and a perfluoroalkylsulfonic acid resin, and an anode diffusion layer 222 made of carbon paper subjected to water repellent treatment. The anode catalyst layer 221 is formed on the anode diffusion layer 222 in a film shape. As the noble metal catalyst of the anode catalyst layer 221, for example, platinum (Pt) -ruthenium (Ru) (Pt supported amount: 1 mg / cm ² , Pt / Ru is 1/1 in molar ratio) is used.
[0016]
Similarly to the anode 22, the cathode 23 includes a cathode catalyst layer 231 made of a mixture of a carbon powder carrying a noble metal catalyst and a perfluoroalkyl sulfonic acid resin, and a cathode diffusion layer 232 made of water-repellent carbon paper. The cathode catalyst layer 231 is formed in a film shape on the cathode diffusion layer 232. As the noble metal catalyst of the cathode catalyst layer 231, for example, platinum (Pt) (Pt loading 1 mg / cm ² ) is used.
[0017]
The anode diffusion layer 222 and the cathode diffusion layer 232 are obtained, for example, by impregnating carbon paper with a predetermined amount of a thermosetting resin such as FEP resin and performing heat treatment. By this heat treatment, the thermosetting resin is cured, and both diffusion layers are strengthened in strength. An anode side plate 30 is provided so as to face the outside of the anode diffusion layer 222.
[0018]
FIG. 2 is a schematic plan view of the anode side plate 30.
As shown in the figure, the anode side plate 30 has a plurality of ribs arranged in a stripe pattern on one main surface facing the anode diffusion layer 222, and the ends of adjacent ribs are connected. As a whole, the rib 30a is bent and connected in an S shape, and the fuel flow path 30b and the exhaust flow path 30c are formed in a recess between the rib 30a and the rib 30a. A fuel penetrating member 31 (FIG. 1) is provided so as to cover the passage 30b. When the fuel cell is in operation, the fuel is supplied from one end side of the anode side plate 30 so as to fill the fuel between the fuel passage 30b and the fuel permeating member 31, and the generated gas is discharged from the other end side through the exhaust passage 30c. it can. Therefore, when the battery system is configured, it is not necessary to provide a complicated pipe in parallel with the fuel supply pipe and the exhaust gas pipe, and thus it is suitable for a small portable device having a simple configuration. In addition, the magnitude | size of the fuel flow path 30b and the exhaust flow path 30c can be set arbitrarily.
[0019]
FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the fuel penetrating member 31 inserted into the fuel flow path 30b.
As shown in the figure, the fuel permeation member 31 includes a fuel permeation plate 310 and a support base 311, and is fixedly supported in a state where the fuel permeation plate 310 is placed on a support base 311 having a U-shape when viewed from the side. Has been. The fuel permeation plate 310 is fitted into the fuel flow path 30b (FIG. 1) so as to contact the anode diffusion layer 222.
[0020]
The fuel permeation plate 310 is a flat plate member made of, for example, a water-absorbing polymer gel made of polyacrylic acid, a perfluoroalkyl sulfonic acid resin, or the like that allows only liquid to pass therethrough and hardly penetrates gas. When the fuel is supplied to the fuel flow path 30b, it has a function of allowing only liquid such as fuel to pass through the anode diffusion layer 222 side and cover the opening of the fuel flow path 30b. Transmission to the inside of 30b is suppressed.
[0021]
The support 311 is a member bent into a U-shape made of, for example, a lattice or a porous Teflon (registered trademark) member, and the fuel permeation plate 310 is fixed to the top thereof. If the fuel permeation plate 310 and the rib 30a are flush with each other when the fuel permeation member 31 is inserted into the fuel flow path 30b, the support base 311 has the fuel permeation plate 310 and the fuel permeation region 224. Is preferable because it adheres.
[0022]
By the way, the anode diffusion layer 222 disposed at a position facing the anode side plate 30 further has the following structure.
FIG. 4 is a schematic plan view of the anode diffusion layer 222.
As shown in the figure, the anode diffusion layer 222 includes a gas permeable layer region 223 and a fuel permeable layer region 224, and the gas permeable layer region 223 is formed in a portion of the anode side plate 30 facing the exhaust flow path 30c. In addition, a fuel permeation layer region 224 is formed in a region facing the fuel flow path 30b of the anode side plate 30, and has a function of diffusing the supplied fuel and generated gas.
[0023]
Here, the gas permeable layer region 223 has a characteristic of allowing the generated gas to pass therethrough, while the fuel permeation layer region 224 has a characteristic of hardly transmitting the gas that is the generated gas while allowing the liquid fuel to pass through. The fuel permeable layer region 224 is formed by impregnating carbon paper with a fuel permeable material made of, for example, a water-absorbing polymer gel made of polyacrylic acid or a perfluoroalkyl acid resin, similar to the fuel permeable plate 310 described above. can do. Thereby, in the anode diffusion layer 222, the generated gas cannot permeate the fuel permeable layer region 224, so that the generated gas can be selectively permeated only to the gas permeable layer region 223.
[0024]
As shown in FIG. 1, the cathode side plate 40 includes ribs 40 a and air flow paths 40 b, and ribs 40 a are arranged in a row on one main surface facing the cathode diffusion layer 232. An air flow path 40b is formed in the recess between the rib 40a and the rib 40a, and an oxidant gas such as air is supplied along the air flow path 40b during operation of the fuel cell.
[0025]
(2) Operation of DMFC Next, the operation at the time of driving the DMFC will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the DMFC of FIG.
When the DMFC is driven, an aqueous methanol solution of fuel is supplied to the fuel flow path 30b. Since the fuel flow path 30b is a bag path (see FIGS. 1 and 2), the supplied fuel fills the fuel flow path 30b. The fuel filled in the fuel flow path 30b passes through the fuel permeation plate 310 that selectively permeates liquid in the direction of arrow a, and then enters the fuel permeation layer region 224 of the anode diffusion layer 222 that is in contact with the fuel permeation plate 310. Reach. Since this fuel permeation layer region 224 also selectively permeates only the liquid, the methanol aqueous solution reaches the anode catalyst layer 221.
[0026]
The fuel that has reached the anode catalyst layer 221 causes the above-mentioned reaction of the above-mentioned one set and generates a product gas composed of CO ₂ . Here, since the fuel permeation layer region 224 and the fuel permeation member 310 have the property of selectively transmitting only the liquid as described above, only the methanol aqueous solution is transmitted in the direction of the arrow a in FIG. The generated gas cannot permeate in the direction opposite to the arrow a direction. Therefore, the generated gas that increases with the progress of the reaction passes through the gas permeable layer region 223 that can pass through the gas in the direction of the arrow b and is discharged to the exhaust passage 30c.
[0027]
Therefore, in the anode side plate 30, the fuel and exhaust passages are completely separated by the fuel passage 30b through which only fuel passes and the exhaust passage 30c through which exhaust gas mainly passes. That is, carbon dioxide gas, which is a generated gas, is significantly reduced in the possibility of being mixed with the fuel in the fuel flow path as in the conventional case, so the amount of fuel discharged along with the exhaust gas is significantly reduced. . Therefore, it is not necessary to provide a gas-liquid separator for reusing the discharged fuel, and the entire system can be downsized compared to the conventional system.
[0028]
In this embodiment, the fuel passage 30 b and the discharge channel 30c is configured so as to be adjacent via the partition wall, the distance between Accordingly region produced gas is generated and the exhaust passage 30c Although it is preferable from the viewpoint of exhaust efficiency because it becomes shorter, it is not always necessary to be adjacent to each other. For example, the fuel flow path and the exhaust flow path may be divided into two parts by the anode separator.
[0029]
(3) Manufacturing Method of Anode 22 Next, an example of a manufacturing method of the anode 22 that is characteristic of the present embodiment will be described.
First, the anode diffusion layer 222 is produced. A commercially available carbon paper having a predetermined size is impregnated with a thermosetting resin, for example, 10 wt% FEP resin, and then heat treatment is performed. This increases the strength of the carbon paper.
[0030]
Next, when this carbon paper is assembled as an anode diffusion layer, a portion that becomes the fuel permeation layer region 224 using a template is formed so that the fuel permeation layer region 224 can be formed only in the portion facing the fuel flow path 30b. Mask both sides except for.
Here, a water-absorbing polymer gel (for example, Junron PW-150 manufactured by Nippon Pure Chemical Industries, Ltd.) made of polyacrylic acid, which is a fuel-permeable material, and Nafion (manufactured by DuPont) as a binder are dispersed in water. And polyethylene oxide as a binder are mixed to prepare a mixture slurry.
[0031]
The mixture slurry is applied to both sides of the masked carbon paper while printing using glass rods, and then dried.
After drying, by removing the masking, the anode in which the fuel permeable layer region 224 is formed in the region coated with the fuel permeable material and the gas permeable layer region 223 is formed in the other region The diffusion layer 222 can be obtained.
[0032]
Next, an anode catalyst layer 221 is formed by applying a mixture paste in which a noble metal catalyst containing Pt, Ru, etc. and a hydrogen ion exchanger are mixed to the entire main surface of one of the anode diffusion layers 222. The anode 22 including the diffusion layer 222 and the anode catalyst layer 221 is obtained.
(4) Manufacturing Method of Anode Side Plate 30 The main body of the anode side plate 30 is cooled by putting a mixture of carbon and phenol resin into a mold having a shape as shown in FIG. It is produced by performing so-called mold forming.
[0033]
Also, the fuel penetrating member 31, first, bending the grid fluororesin U shape, to produce a support table 31 1. And the same water-absorbing polymer gel on top of the support table 31 1, sulfonic acid-based resin as a binder, a slurry obtained by mixing polyethylene oxide was applied to form a fuel penetration plate 310 dried Thus, the fuel penetrating member 31 is produced. By inserting the fuel penetrating member 31 into the fuel flow path 30b of the plate body, the anode side plate 30 can be manufactured.
[0034]
(5) Modification according to this embodiment In the above embodiment, a DMFC that operates while supplying methanol directly as fuel to the anode side has been described. However, a liquid fuel such as a lower alcohol such as ethanol or hydrazine is used as the fuel. The present invention can also be applied to fuel cells that are operated while directly supplying the fuel, and it is considered that even in these fuel cells, waste of fuel can be suppressed and the size can be reduced.
[0035]
In the above embodiment, the cell 20 and the anode side plate are always in contact with each other. However, a mechanism is provided so that the cell 20 and the anode side plate 30 can be separated from each other. You may make it isolate | separate at the time of a stop.
In the above embodiment, the fuel penetrating member 31 is provided. However, the fuel penetrating member 31 is not necessarily provided if the fuel permeable region 224 accurately covers the fuel flow path 30b and is sufficiently dense. This is not necessary, and it is possible to obtain a fuel cell suitable for reducing the size and weight of the system while suppressing waste of fuel. On the other hand, when the fuel permeation member 31 is provided, it is preferable to use a material that swells when the fuel permeation plate 310 is impregnated with fuel. Should the cell stack position shift due to vibration during assembly or transportation of the fuel cell, the gas permeable layer region 223 in the anode diffusion layer 24 and the fuel flow path 30b in the anode side plate serve as a fuel penetrating member. Even if it falls into a state where it is partially connected through the fuel cell 31, the adhesion between the fuel penetrating member 310 and the fuel flow path 30 b is improved by swelling, and the phenomenon that the generated gas is discharged to the fuel flow path 30 b can be suppressed. It is possible to prevent fuel supply from being hindered.
[0036]
〔Example〕
Based on the above embodiment, a single-cell DMFC was fabricated.
Here, a mixture of Pt, Ru, and a hydrogen ion exchanger was applied to one main surface of the anode diffusion layer. The molar ratio of Pt and Ru was 1: 1, and the supported amount of Pt was 2 mg / cm ² . Also in the cathode diffusion layer, the amount of Pt supported was 3 mg / cm ² and was produced in the same manner as the anode diffusion layer. The anode and cathode electrode areas were 25 cm ^2, and Nafion 117 (manufactured by DuPont) was used as the electrolyte membrane.
[0037]
[Comparative Example]
The DMFC of this comparative example differs from the DMFC of the example only in the configuration of the anode diffusion layer, and the anode diffusion layer used was a carbon paper impregnated with 10 wt% FEP resin and then heat-treated. About the kind and usage-amount of a cathode and a supported catalyst, the thing similar to an Example was used.
[0038]
Experiment Electric power was generated under the following conditions using the DMFCs of the above examples and comparative examples, and the amount of methanol discharged from the anode side was measured.
Operating conditions Air supply rate to the cathode side: 500 ml / min Battery temperature: 70 ° C
Current density 100 mA / cm ²
Methanol supply:
1) Example sample: The fuel flow path was always filled with fuel.
[0039]
2) Comparative example sample: In order to reduce the fuel discharged together with the exhaust gas as much as possible, the fuel was supplied at 0.7 cc / min, which is the lowest line at which power generation is stable.
The experimental results at this time are shown in Table 1. In addition, the methanol discharge amount of a comparative example sample is set to 100, and an example sample shows a relative ratio to the amount.
[0040]
[Table 1]

[0041]
As shown in Table 1, in the example sample, the discharge amount of methanol from the anode side is reduced to about ¼ compared to the comparative example sample. As described above, this is considered because the fuel supply path and the gas discharge path are completely independent, so that it is difficult for the fuel and the exhaust gas to be mixed.
In addition, it is considered that a small amount of methanol was also discharged in the above-described example samples, but it was considered that a part of the methanol that reached the anode evaporated and flowed into the exhaust passage. It is a level that should not be.
[0042]
As a result, the amount of fuel discharged together with the product gas can be greatly reduced as compared with the conventional DMFC, so that it is possible to recycle the discharged fuel without using a gas-liquid separator or the like to reuse the discharged fuel. Use efficiency can be increased. Therefore, the fuel cell according to the present invention is particularly effective for applications such as small devices such as portable devices.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell of the present invention, a cell in which an anode and a cathode are arranged on an electrolyte membrane, and a pair of plates that sandwich the cell via a rib formed on one main surface. A fuel cell that generates liquid power by supplying liquid fuel to the anode side and supplying an oxidant gas to the cathode side, and a plurality of flow paths between ribs of the anode side plate Is formed, and the liquid fuel is supplied to a first flow path composed of one or more selected from the plurality of flow paths, and a second of the plurality of flow paths other than the first flow path is formed. Since the generated gas is discharged to the flow path along with power generation, the amount of fuel supplied to the first flow path that is discharged out of the battery without being used can be suppressed. This eliminates the need for a gas-liquid separator as in the prior art in the fuel cell system, so that it is possible to provide a fuel cell suitable for portable devices that are required to be smaller and lighter.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a DMFC according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic side view of an anode side plate.
FIG. 3 is a schematic perspective view of a fuel penetrating member.
FIG. 4 is a schematic plan view of an anode diffusion layer.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a part of the DMFC according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
20 cell 21 electrolyte membrane 22 anode 23 cathode 24 anode diffusion layer 25 cathode diffusion layer 30 anode side plate 30a rib 30b fuel flow path 30c exhaust flow path 31 fuel penetration member 40 cathode side plate 40a rib 40b air flow path 223 gas permeable layer region 224 Fuel Penetration Layer Area 310 Fuel Penetration Plate 311 Supporting Base

Claims

A cell in which an anode and a cathode are arranged on an electrolyte membrane; and a pair of plates for sandwiching the cell via a rib formed on one main surface, supplying liquid fuel to the anode side; A fuel cell that generates electricity by supplying an oxidant gas to the side,
A plurality of flow paths formed in the anode side plates,
The plurality of channels include a first channel consisting of one or more selected from the plurality of channels and a second channel other than the first channel,
The anode comprises a diffusion layer for diffusing the liquid fuel and the product gas on the side in contact with the anode side plate, the diffusion layer, a liquid permeable in the first region facing the first flow path Combined with gas permeability, has gas permeability in the second region facing the second flow path,
Supplies the liquid fuel prior Symbol first flow path, the fuel cell, characterized by discharging the pre-Symbol product gas generated along with the electric power generation in the second channel.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the first flow path and the second flow path are arranged at positions adjacent to each other through the rib.

The first flow path and the second flow path have one end of each flow path sealed and the other open, and the open end of the first flow path and the second flow path the fuel cell according to claim 1 or 2 and the open end, characterized in that it is arranged in different directions of said anode plate in.

2. The fuel cell according to claim 1 , wherein the first region in the diffusion layer includes a water-absorbing polymer gel or a perfluoroalkylsulfonic acid resin.

A fuel permeable member made of a material having both liquid permeability and gas permeability is inserted into the first flow path so as to cover the opening of the first flow path, and the anode side. the fuel cell according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the are supported such that the rib top is flush.

The fuel cell according to claim 5 , wherein the fuel permeable member is made of a material that swells in the presence of liquid fuel.

The fuel cell according to claim 6 , wherein the fuel permeable member includes a water-absorbing polymer gel or a perfluoroalkyl sulfonic acid resin.