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JP4007883B2 - Liquid fuel cell - Google Patents
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JP4007883B2 JP2002259354A JP2002259354A JP4007883B2 JP 4007883 B2 JP4007883 B2 JP 4007883B2 JP 2002259354 A JP2002259354 A JP 2002259354A JP 2002259354 A JP2002259354 A JP 2002259354A JP 4007883 B2 JP4007883 B2 JP 4007883B2
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昭二 西原
康夫 有島
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    • Y02E60/50Fuel cells

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料として液体を用いた液体燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れる二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証する程度までには至っていない。
【0003】
このような状況の中で、上記要望に応え得る電池の一例として、空気電池、燃料電池などが考えられる(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。
【0004】
【特許文献1】
米国特許第3419900号明細書
【特許文献2】
特公昭37−1054号公報
【0005】
空気電池は、空気中の酸素を正極の活物質として利用する電池であり、電池内容積の大半を負極の充填に費やすことが可能であることから、エネルギー密度を増加させるためには好適な電池であると考えられる。しかし、この空気電池には、電解液として使用するアルカリ溶液が空気中の二酸化炭素と反応して劣化してしまうために自己放電が大きいという問題がある。
【0006】
一方、従来の燃料電池では、単電池を積層して構成されているため、嵩高くなり、また酸素および燃料をそれぞれの正極および負極へ流通させて供給しなければならず、燃料供給のための補器を必要とする。その結果、リチウムイオン電池などの小型二次電池に比べ、はるかに大きくなってしまい、小型ポータブル電源として用いるには問題があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、酸素および燃料を強制的に流通させる補器を除去することで出力は低下するものの、燃料電池の小型化を図ることはできる。しかし、各電極・電解質一体化物を積み重ねていく積層構造を有する燃料電池では、小型化には限界がある。
【0008】
一方、複数の電極・電解質一体化物を正極(空気極)と負極(燃料極)とがそれぞれ平面状になるように配置すると、燃料タンクを共有でき、空気との接触も良好となり、さらに前記積層構造に比べて電池を小型化できる。しかし、その場合、各電極・電解質一体化物を電気的に直列に接続すると、各電極・電解質一体化物の間から液体燃料の漏れが発生するという問題がある。
【0009】
本発明は、小型化しても液体燃料の漏れが発生せず、かつ安定的に発電できる液体燃料電池を提供する。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の液体燃料電池は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質層とからなる電極・電解質一体化物を備えるとともに、液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部と蓋部とを備えた液体燃料電池であって、
前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部とが電気的絶縁体から形成され、
前記電極・電解質一体化物が前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部との間に平面状に複数個配置され、
集電体が前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部との内面にそれぞれ薄膜状に配置され、
前記各電極・電解質一体化物が前記集電体によって電気的に直列に接続されていることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【0012】
本発明の液体燃料電池は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質層とからなる電極・電解質一体化物を備えるとともに、液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部と蓋部とを備えている。前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部とは電気的絶縁体から形成され、前記電極・電解質一体化物は前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部との間に平面状に複数個配置されている。また、集電体が前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部との内面にそれぞれ薄膜状に配置され、前記各電極・電解質一体化物が前記集電体によって電気的に直列に接続されている。
【0013】
集電体を液体燃料貯蔵部と蓋部との内面にそれぞれ薄膜状に配置することにより、液体燃料貯蔵部および蓋部と、集電体との隙間がなくなり、液体燃料の漏れを防止できる。また、液体燃料貯蔵部および蓋部と、集電体とを一体化することにより、電池を組み立てる際に集電体がずれるという問題もなくなり、かつ部品数も減らすことができ、電池の組み立てが容易になる。また、電極・電解質一体化物を液体燃料貯蔵部と蓋部との間に平面状に複数個配置することにより、液体燃料貯蔵部を共有できるとともに、積層型電池に比べて電池を小型化できる。さらに、液体燃料貯蔵部と蓋部とを電気的絶縁体により形成することにより、電極・電解質一体化物相互間の短絡を防止できる。
【0014】
また、本発明の液体燃料電池は、前記集電体の厚みが0.5〜50μmであることが好ましく、より好ましくは5〜30μmの範囲である。これにより、液体燃料貯蔵部と蓋部との間に優れた液密性を付与できるとともに、集電体の電気抵抗を低減できる。
【0015】
また、本発明の液体燃料電池は、前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部とがそれぞれ樹脂、および金属に電気的絶縁性物質を被覆した一体化物から選択される少なくとも1種類からなることが好ましい。さらに、この金属のヤング率は100000MPa以上であることが好ましい。これにより、液体燃料貯蔵部と蓋部の強度が大きくなるため、より大きな圧力で液体燃料貯蔵部と蓋部とを接合することができ、より確実に液体燃料の漏れを防止することができる。
【0016】
また、本発明の液体燃料電池は、前記金属が炭素鋼、合金鋼、超硬合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金およびニッケル合金からなる群から選択された少なくとも1種類であることが好ましい。これらは、耐久性および強度に優れているからである。
【0017】
また、本発明の液体燃料電池は、前記電気的絶縁性物質が高分子ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、ビニル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂および塩化ゴムからなる群から選択された少なくとも1種類であることが好ましい。これらは、強度および電気的絶縁性に優れているからである。前記電気的絶縁性物質の膜厚(層厚)は、0.1〜500μmの範囲が好ましい。
【0018】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【0019】
(実施形態1)
図1に本発明の実施形態1の液体燃料電池の分解構成図を示す。
【0020】
電極・電解質一体化物4は、正極4aと、負極(図示せず)と、正極4aと負極との間に設けられた電解質層4bとから構成されている。正極4aは、例えば、多孔性の炭素材料からなる拡散層と、触媒を担持した炭素粉末からなる触媒層とを積層して構成される。正極は酸素を還元する機能を有しており、その触媒には、例えば、白金微粒子や、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムまたは金などと白金との合金微粒子などが用いられる。また、触媒層には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂粒子やプロトン交換樹脂粒子が含まれる場合がある。プロトン交換樹脂粒子としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂やスルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などを用いることができる。拡散層の触媒層側には撥水性向上のため、PTFE樹脂粒子を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
【0021】
電解質層4bは、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成される。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜、具体的には、デュポン社製の“ナフィオン”(商品名)、旭硝子社製の“フレミオン”(商品名)、旭化成工業社製の“アシプレックス”(商品名)などにより電解質層4bを構成することができる。その他では、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂膜、スルホン化ポリイミド樹脂膜、硫酸ドープポリベンズイミダゾール膜などからも構成することができる。
【0022】
負極は、拡散層と触媒層とからなり、燃料からプロトンを生成する機能、即ち燃料を酸化する機能を有しており、例えば、正極と同様に構成することができる。
【0023】
上記正極4a、電解質層4b、負極は、ホットプレス等により接合され、電極・電解質一体化物4が形成されている。
【0024】
正極4aの電解質層4bと反対側には蓋部となるカバー板1が配置される。カバー板1は、例えば、PTFE、硬質ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアリルアミド、ポリアリルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルイミド、ポリフタルアミドなどの合成樹脂や、ガラスエポキシ樹脂などで形成できる。
【0025】
さらに、カバー板1の強度をより向上させたい場合には、カバー板1は、金属に電気的絶縁性物質を被覆したものから形成することもできる。その金属としては、例えば、ヤング率が100000MPa以上の炭素鋼、合金鋼、超硬合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、ニッケル合金などが用いられる。
【0026】
上記合金鋼としては、ニッケル鋼、マンガン鋼、クロムモリブデン鋼、ステンレス鋼などを用いることができる。上記超硬合金は、金属元素炭化物粉末と金属粉末とを焼結した焼結金属であり、周期表で4〜6族金属の炭化物と、Fe、Ni、Coなどの金属との焼結体などを用いることができる。上記アルミニウム合金としては、ジュラルミン、超ジュラルミン、超々ジュラルミンなどを用いることができる。上記マグネシウム合金としては、Mg−Al系合金、Mg−Zn系合金、Mg−希土類元素系合金などを用いることができる。上記チタン合金としては、α型、α+β型、β型のいずれも用いることができる。
【0027】
また、電気的絶縁性物質としては、例えば、高分子ポリエチレン、フェノール樹脂、アルキド樹脂、ビニル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、塩化ゴムなどが用いられる。
【0028】
カバー板1の正極4aと接する部分にそれぞれ空気孔2が設けられている。これにより、正極が空気と接することができ、酸素が正極で還元される。空気孔2の正極4aと接する部分周辺には正極集電体3が配置されている。正極集電体3は、例えば、白金、金、ステンレス、ニッケルの微粒子、または金などと白金との合金の微粒子をエポキシ樹脂やシリコーンなどを用いてカバー板1の内面に薄膜状に接着したものや、これらの金属の微粒子とエポキシ樹脂やシリコーンなどとを混合したものをカバー板1の内面に薄膜状に塗布したものや、あるいは、これらの金属の微粒子をスパッタリング、真空蒸着、化学メッキなどによりカバー板1の内面に薄膜状に付着させたものなどが用いられる。なお、正極集電体3は矩形部10を備えている。
【0029】
負極の電解質層4bと反対側には液体燃料を貯蔵する燃料タンク5が配置される。燃料タンク5は、前記カバー板1と同様の材質で形成できる。液体燃料としては、例えば、メタノール水溶液、エタノール水溶液、ジメチルエーテル、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液などが用いられる。
【0030】
また、燃料タンク5の負極と接する部分にそれぞれ燃料供給孔7が設けられている。これにより、液体燃料が負極と接することができ、液体燃料が負極で酸化される。燃料供給孔7の負極と接する部分周辺には負極集電体6が配置されている。負極集電体6は、前記正極集電体3と同様にして形成することができる。なお、負極集電体6は矩形部11を備えている。
【0031】
さらに、燃料供給孔7の周辺部には、矩形環状のパッキン8が設けられている。パッキン8を設けることによって、燃料タンク5と電極・電解質一体化物4との隙間から液体燃料が漏れることをより確実に防止することができる。パッキン8の材質としては、例えば、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴムなどのゴムや、PTFE樹脂などを用いることができる。
【0032】
また、燃料タンク5とカバー板1の周辺部には気液分離孔9が配置されている。燃料タンク5の気液分離孔9には、それぞれに気液分離膜9aが備えられている。この気液分離膜9aは細孔を持つPTFE製の薄膜からなり、放電反応で生成した二酸化炭素などを、液体燃料を漏液させることなく外部に放出させることができる。
【0033】
上記カバー板1、電極・電解質一体化物4、燃料タンク5を積層することより、負極集電体6の上に電極・電解質一体化物4と正極集電体3の矩形部10が配置され、また、その正極集電体3の下には隣接する電極・電解質一体化物4が配置される。すなわち、正極集電体3と負極集電体6とは、その矩形部10、11を介して接触し、隣接する各電極・電解質一体化物4はそれぞれ電気的に直列に接続される。なお、カバー板1と燃料タンク5との接合は、図示していないがボルト・ナット等を用いて任意の圧力で行うことができる。以上により、本発明の実施形態1の液体燃料電池が構成される。
【0034】
(実施形態2)
図2に本発明の実施形態2の液体燃料電池の分解構成図を示す。本実施形態は、正極集電体3と負極集電体6とが細帯部12、13を介して接触して接続されていること以外は、実施形態1と同様に構成されている。
【0035】
【実施例】
次に、実施例により本発明をより具体的に説明する。
【0036】
(実施例1)
以下のようにして実施形態1と同様の構成の液体燃料電池を作製した。
【0037】
カバー板1は、縦70mm、横100mm、厚さ1mmの板状のPTEFから形成した。燃料タンク5は、縦70mm、横100mm、深さ7mmの箱状のPTFE(厚さ2mm)から形成した。カバー板1と燃料タンク5とは1MPaの圧力で接合した。正極集電体3は厚さ30μmのステンレス鋼を用いた。また、負極集電体6は厚さ30μmのステンレス鋼を用いた。なお、正極集電体と負極集電体の矩形部10、11の大きさは、縦40mm、横10mmとした。
【0038】
正極は、多孔度78%、厚さ280μmのカーボンぺーパーからなる拡散層と、粒子径3nmの白金粒子を粒子径30nmのカーボン粒子に担持して形成した厚さ50μmの触媒層から形成した。負極は、多孔度78%、厚さ280μmのカーボンぺーパーからなる拡散層と、粒子径5nmの白金−ルテニウム合金粒子を粒子径30nmのカーボン粒子に担持して形成した厚さ50μmの触媒層から形成した。電解質層は、デュポン社製の“ナフィオン”(商品名)を用いた。
【0039】
液体燃料としては3質量%のメタノール水溶液を用い、パッキン8としては直径2mmの矩形環状のブタジエンゴム製パッキンを用いた。
【0040】
(実施例2)
実施例1と同様にして実施形態2と同様の構成の液体燃料電池を作製した。なお、正極集電体3と負極集電体6の細帯部12、13の長さは20mm、幅は5mmとした。
【0041】
(実施例3)
カバー板1と燃料タンク5とを、ともに硬質ポリ塩化ビニルで形成したこと以外は実施例1と同様にして液体燃料電池を作製した。
【0042】
(実施例4)
カバー板1と燃料タンク5とを、ともに硬質ポリ塩化ビニルで形成したこと以外は実施例2と同様にして液体燃料電池を作製した。
【0043】
(実施例5)
カバー板1と燃料タンク5とを、ともにポリプロピレンで形成したこと以外は実施例1と同様にして液体燃料電池を作製した。
【0044】
(実施例6)
カバー板1と燃料タンク5とを、ともにポリプロピレンで形成したこと以外は実施例2と同様にして液体燃料電池を作製した。
【0045】
(実施例7)
カバー板1と燃料タンク5とを、ともにポリエチレンで形成したこと以外は実施例1と同様にして液体燃料電池を作製した。
【0046】
(実施例8)
カバー板1と燃料タンク5とを、ともにポリエチレンで形成したこと以外は実施例2と同様にして液体燃料電池を作製した。
【0047】
(実施例9)
カバー板1と燃料タンク5とを、ともにガラスエポキシ樹脂で形成したこと以外は実施例1と同様にして液体燃料電池を作製した。
【0048】
(実施例10)
カバー板1と燃料タンク5とを、ともにガラスエポキシ樹脂で形成したこと以外は実施例2と同様にして液体燃料電池を作製した。
【0049】
(実施例11)
カバー板1と燃料タンク5とを、ともにステンレス鋼にフェノール樹脂塗料を厚さ100μmに塗布して形成し、カバー板1と燃料タンク5とを10MPaの圧力で接合したこと以外は実施例1と同様にして液体燃料電池を作製した。
【0050】
(実施例12)
カバー板1と燃料タンク5とを、ともにステンレス鋼にエポキシ樹脂塗料を厚さ100μmに塗布して形成し、カバー板1と燃料タンク5とを10MPaの圧力で接合したこと以外は実施例2と同様にして液体燃料電池を作製した。
【0051】
以上のように作製した実施例1から12の電池を空気孔2が下になるように電池を設置したところ、全ての電池で液体燃料の漏れは認められなかった。
【0052】
次に、上記設置状態の電池を100Hzの正弦波で10分間振動させたところ、実施例1から10の電池では、若干の液体燃料の漏れが認められたが、実施例11と12の電池では、全く液体燃料の漏れは認められなかった。
【0053】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、電池を小型化しても液体燃料の漏れが発生せず、かつ安定的に発電できる液体燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の液体燃料電池の分解構成図である。
【図2】本発明の実施形態2の液体燃料電池の分解構成図である。
【符号の説明】
1 カバー板
2 空気孔
3 正極集電体
4 電極・電解質一体化物
4a 正極
4b 電解質層
5 燃料タンク
6 負極集電体
7 燃料供給孔
8 パッキン
9 気液分離孔
9a 気液分離膜
10 正極集電体の矩形部
11 負極集電体の矩形部
12 正極集電体の細帯部
13 負極集電体の細帯部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid fuel cell using a liquid as a fuel.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the widespread use of cordless devices such as personal computers and mobile phones, secondary batteries as power sources are increasingly required to be smaller and have higher capacities. Currently, lithium ion secondary batteries have been put into practical use as secondary batteries that have high energy density and can be reduced in size and weight, and demand for portable power sources is increasing. However, depending on the type of cordless device used, this lithium secondary battery has not yet reached a level that guarantees sufficient continuous use time.
[0003]
In such a situation, an air battery, a fuel cell, etc. can be considered as an example of a battery that can meet the above-mentioned demand (for example, see Patent Document 1 and Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 3,419,900 [Patent Document 2]
Japanese Examined Patent Publication No. 37-1054 [0005]
The air battery is a battery that uses oxygen in the air as an active material for the positive electrode, and can be used for filling the negative electrode with most of the battery internal volume. Therefore, the air battery is suitable for increasing the energy density. It is thought that. However, this air battery has a problem that self-discharge is large because an alkaline solution used as an electrolytic solution reacts with carbon dioxide in the air and deteriorates.
[0006]
On the other hand, the conventional fuel cell is configured by stacking unit cells, so that it is bulky, and oxygen and fuel must be circulated and supplied to the respective positive and negative electrodes. Requires auxiliary equipment. As a result, it is much larger than a small secondary battery such as a lithium ion battery, and there is a problem in using it as a small portable power source.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Here, although the output is reduced by removing the auxiliary device for forcibly circulating oxygen and fuel, the fuel cell can be reduced in size. However, there is a limit to miniaturization in a fuel cell having a laminated structure in which each electrode / electrolyte integrated body is stacked.
[0008]
On the other hand, when a plurality of electrode / electrolyte integrated products are arranged so that the positive electrode (air electrode) and the negative electrode (fuel electrode) are in a flat shape, the fuel tank can be shared, the contact with air is improved, and the laminate The battery can be downsized compared to the structure. However, in that case, when each electrode / electrolyte integrated product is electrically connected in series, there is a problem that liquid fuel leaks from between each electrode / electrolyte integrated product.
[0009]
The present invention provides a liquid fuel cell in which liquid fuel does not leak even if it is reduced in size and can generate power stably.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A liquid fuel cell according to the present invention includes an electrode / electrolyte integrated body composed of a positive electrode that reduces oxygen, a negative electrode that oxidizes fuel, and an electrolyte layer provided between the positive electrode and the negative electrode. A liquid fuel cell comprising a liquid fuel storage unit and a lid for storing
The liquid fuel storage part and the lid part are formed of an electrical insulator;
A plurality of the electrode / electrolyte integrated products are arranged in a plane between the liquid fuel storage unit and the lid,
Current collectors are arranged in thin films on the inner surfaces of the liquid fuel storage part and the lid part,
The electrode / electrolyte integrated products are electrically connected in series by the current collector.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0012]
A liquid fuel cell according to the present invention includes an electrode / electrolyte integrated body composed of a positive electrode that reduces oxygen, a negative electrode that oxidizes fuel, and an electrolyte layer provided between the positive electrode and the negative electrode. A liquid fuel storage part for storing the fuel and a lid part. The liquid fuel storage part and the lid part are formed of an electrical insulator, and a plurality of the electrode / electrolyte integrated bodies are arranged in a plane between the liquid fuel storage part and the lid part. In addition, current collectors are arranged in a thin film on the inner surfaces of the liquid fuel storage unit and the lid unit, and the electrode / electrolyte integrated products are electrically connected in series by the current collectors.
[0013]
By disposing the current collectors on the inner surfaces of the liquid fuel storage part and the lid part in the form of a thin film, there is no gap between the liquid fuel storage part and the lid part and the current collector, and leakage of the liquid fuel can be prevented. In addition, by integrating the liquid fuel storage unit and the lid, and the current collector, there is no problem of the current collector shifting when assembling the battery, and the number of parts can be reduced. It becomes easy. Further, by arranging a plurality of electrode / electrolyte integrated products in a plane between the liquid fuel storage part and the lid part, the liquid fuel storage part can be shared and the battery can be reduced in size as compared with the stacked battery. Furthermore, by forming the liquid fuel storage part and the cover part from an electrical insulator, it is possible to prevent a short circuit between the electrode and electrolyte integrated product.
[0014]
In the liquid fuel cell of the present invention, the current collector preferably has a thickness of 0.5 to 50 μm, more preferably 5 to 30 μm. Thereby, while being able to provide the outstanding liquid-tightness between a liquid fuel storage part and a cover part, the electrical resistance of a collector can be reduced.
[0015]
In the liquid fuel cell of the present invention, it is preferable that the liquid fuel storage part and the lid part are made of at least one kind selected from a resin and an integrated material obtained by coating a metal with an electrically insulating material. Furthermore, the Young's modulus of the metal is preferably 100,000 MPa or more. Thereby, since the strength of the liquid fuel storage portion and the lid portion is increased, the liquid fuel storage portion and the lid portion can be joined with a larger pressure, and leakage of the liquid fuel can be more reliably prevented.
[0016]
In the liquid fuel cell of the present invention, the metal is preferably at least one selected from the group consisting of carbon steel, alloy steel, cemented carbide, aluminum alloy, magnesium alloy, titanium alloy and nickel alloy. This is because these are excellent in durability and strength.
[0017]
In the liquid fuel cell of the present invention, the electrically insulating substance is at least selected from the group consisting of a polymer polyester resin, a phenol resin, an alkyd resin, a vinyl resin, a urethane resin, an epoxy resin, an acrylic resin, and a chlorinated rubber. One type is preferable. This is because these are excellent in strength and electrical insulation. The thickness (layer thickness) of the electrically insulating substance is preferably in the range of 0.1 to 500 μm.
[0018]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded configuration diagram of a liquid fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.
[0020]
The electrode / electrolyte integrated body 4 includes a positive electrode 4a, a negative electrode (not shown), and an electrolyte layer 4b provided between the positive electrode 4a and the negative electrode. The positive electrode 4a is configured, for example, by laminating a diffusion layer made of a porous carbon material and a catalyst layer made of carbon powder carrying a catalyst. The positive electrode has a function of reducing oxygen, and for example, platinum fine particles, alloy fine particles of iron, nickel, cobalt, tin, ruthenium, gold or the like and platinum are used as the catalyst. The catalyst layer may contain polytetrafluoroethylene (PTFE) resin particles and proton exchange resin particles. As the proton exchange resin particles, for example, polyperfluorosulfonic acid resin, sulfonated polyether sulfonic acid resin, sulfonated polyimide resin or the like can be used. A carbon powder paste containing PTFE resin particles may be applied to the catalyst layer side of the diffusion layer in order to improve water repellency.
[0021]
The electrolyte layer 4b is made of a material that does not have electronic conductivity and can transport protons. For example, polyperfluorosulfonic acid resin membranes, specifically “Nafion” (trade name) manufactured by DuPont, “Flemion” (trade name) manufactured by Asahi Glass Co., “Aciplex” manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd. (product) The electrolyte layer 4b can be constituted by the name). In addition, it can also comprise a sulfonated polyether sulfonic acid resin film, a sulfonated polyimide resin film, a sulfuric acid-doped polybenzimidazole film, or the like.
[0022]
The negative electrode includes a diffusion layer and a catalyst layer, and has a function of generating protons from the fuel, that is, a function of oxidizing the fuel. For example, the negative electrode can be configured similarly to the positive electrode.
[0023]
The positive electrode 4a, the electrolyte layer 4b, and the negative electrode are joined by hot pressing or the like to form the electrode / electrolyte integrated product 4.
[0024]
A cover plate 1 serving as a lid is disposed on the side of the positive electrode 4a opposite to the electrolyte layer 4b. The cover plate 1 is made of, for example, PTFE, hard polyvinyl chloride, polypropylene, polyethylene, polyallylamide, polyallyl ether ketone, polyether ether ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyether ketone ketone, polyether imide, polyphthal It can be formed of synthetic resin such as amide or glass epoxy resin.
[0025]
Furthermore, when it is desired to further improve the strength of the cover plate 1, the cover plate 1 can be formed from a metal coated with an electrically insulating material. As the metal, for example, carbon steel having a Young's modulus of 100000 MPa or more, alloy steel, cemented carbide, aluminum alloy, magnesium alloy, titanium alloy, nickel alloy and the like are used.
[0026]
As said alloy steel, nickel steel, manganese steel, chromium molybdenum steel, stainless steel, etc. can be used. The cemented carbide is a sintered metal obtained by sintering a metal element carbide powder and a metal powder, and a sintered body of a group 4-6 metal carbide and a metal such as Fe, Ni, and Co in the periodic table. Can be used. As the aluminum alloy, duralumin, super duralumin, super duralumin and the like can be used. As the magnesium alloy, an Mg—Al alloy, an Mg—Zn alloy, an Mg—rare earth element alloy, or the like can be used. As the titanium alloy, any of α type, α + β type, and β type can be used.
[0027]
Examples of the electrically insulating substance include high molecular polyethylene, phenol resin, alkyd resin, vinyl resin, urethane resin, epoxy resin, acrylic resin, and chlorinated rubber.
[0028]
Air holes 2 are provided in portions of the cover plate 1 that are in contact with the positive electrode 4a. Thereby, the positive electrode can come into contact with air, and oxygen is reduced at the positive electrode. A positive electrode current collector 3 is disposed around the portion of the air hole 2 that is in contact with the positive electrode 4a. The positive electrode current collector 3 is, for example, platinum, gold, stainless steel, nickel fine particles, or gold and platinum alloy fine particles adhered to the inner surface of the cover plate 1 using an epoxy resin or silicone in a thin film shape. Or a mixture of these metal fine particles and epoxy resin, silicone, etc. applied to the inner surface of the cover plate 1 as a thin film, or these metal fine particles by sputtering, vacuum deposition, chemical plating, etc. For example, a thin film attached to the inner surface of the cover plate 1 is used. The positive electrode current collector 3 includes a rectangular portion 10.
[0029]
A fuel tank 5 for storing liquid fuel is disposed on the side of the negative electrode opposite to the electrolyte layer 4b. The fuel tank 5 can be formed of the same material as the cover plate 1. As the liquid fuel, for example, methanol aqueous solution, ethanol aqueous solution, dimethyl ether, sodium borohydride aqueous solution, potassium borohydride aqueous solution, lithium borohydride aqueous solution and the like are used.
[0030]
In addition, fuel supply holes 7 are provided in portions of the fuel tank 5 that are in contact with the negative electrode. Thereby, the liquid fuel can come into contact with the negative electrode, and the liquid fuel is oxidized at the negative electrode. A negative electrode current collector 6 is disposed around the portion of the fuel supply hole 7 in contact with the negative electrode. The negative electrode current collector 6 can be formed in the same manner as the positive electrode current collector 3. The negative electrode current collector 6 has a rectangular portion 11.
[0031]
Further, a rectangular annular packing 8 is provided around the fuel supply hole 7. Providing the packing 8 can more reliably prevent liquid fuel from leaking from the gap between the fuel tank 5 and the electrode / electrolyte integrated body 4. As the material of the packing 8, for example, natural rubber, butadiene rubber, styrene rubber, butyl rubber, ethylene / propylene rubber, nitrile rubber, acrylic rubber, urethane rubber, silicone rubber, fluorine rubber, or PTFE resin is used. Can do.
[0032]
A gas-liquid separation hole 9 is disposed in the periphery of the fuel tank 5 and the cover plate 1. Each gas-liquid separation hole 9 of the fuel tank 5 is provided with a gas-liquid separation film 9a. The gas-liquid separation membrane 9a is made of a PTFE thin film having pores, and can discharge carbon dioxide and the like generated by the discharge reaction to the outside without causing liquid fuel to leak.
[0033]
By laminating the cover plate 1, the electrode / electrolyte integrated body 4 and the fuel tank 5, the electrode / electrolyte integrated body 4 and the rectangular portion 10 of the positive electrode current collector 3 are disposed on the negative electrode current collector 6. The adjacent electrode / electrolyte integrated body 4 is disposed under the positive electrode current collector 3. That is, the positive electrode current collector 3 and the negative electrode current collector 6 are in contact with each other through the rectangular portions 10 and 11, and the adjacent electrode / electrolyte integrated products 4 are electrically connected in series. Note that the cover plate 1 and the fuel tank 5 can be joined to each other at an arbitrary pressure using bolts, nuts or the like, although not shown. The liquid fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention is configured as described above.
[0034]
(Embodiment 2)
FIG. 2 shows an exploded configuration diagram of the liquid fuel cell according to the second embodiment of the present invention. The present embodiment is configured in the same manner as in the first embodiment except that the positive electrode current collector 3 and the negative electrode current collector 6 are in contact with each other via the narrow strips 12 and 13.
[0035]
【Example】
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[0036]
Example 1
A liquid fuel cell having the same configuration as that of Embodiment 1 was produced as follows.
[0037]
The cover plate 1 was formed from plate-like PTEF having a length of 70 mm, a width of 100 mm, and a thickness of 1 mm. The fuel tank 5 was formed from box-like PTFE (thickness 2 mm) having a length of 70 mm, a width of 100 mm, and a depth of 7 mm. The cover plate 1 and the fuel tank 5 were joined at a pressure of 1 MPa. The positive electrode current collector 3 was made of stainless steel having a thickness of 30 μm. The negative electrode current collector 6 was made of stainless steel having a thickness of 30 μm. The rectangular portions 10 and 11 of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector were 40 mm long and 10 mm wide.
[0038]
The positive electrode was formed from a diffusion layer made of carbon paper having a porosity of 78% and a thickness of 280 μm, and a catalyst layer having a thickness of 50 μm formed by supporting platinum particles having a particle diameter of 3 nm on carbon particles having a particle diameter of 30 nm. The negative electrode is composed of a diffusion layer made of carbon paper having a porosity of 78% and a thickness of 280 μm, and a catalyst layer having a thickness of 50 μm formed by supporting platinum-ruthenium alloy particles having a particle diameter of 5 nm on carbon particles having a particle diameter of 30 nm. Formed. As the electrolyte layer, “Nafion” (trade name) manufactured by DuPont was used.
[0039]
A 3% by mass aqueous methanol solution was used as the liquid fuel, and a rectangular annular butadiene rubber packing having a diameter of 2 mm was used as the packing 8.
[0040]
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, a liquid fuel cell having the same configuration as that of Embodiment 2 was produced. The lengths 12 and 13 of the positive electrode current collector 3 and the negative electrode current collector 6 were 20 mm and the width was 5 mm.
[0041]
(Example 3)
A liquid fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the cover plate 1 and the fuel tank 5 were both made of hard polyvinyl chloride.
[0042]
(Example 4)
A liquid fuel cell was produced in the same manner as in Example 2 except that both the cover plate 1 and the fuel tank 5 were made of hard polyvinyl chloride.
[0043]
(Example 5)
A liquid fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that both the cover plate 1 and the fuel tank 5 were made of polypropylene.
[0044]
(Example 6)
A liquid fuel cell was produced in the same manner as in Example 2 except that both the cover plate 1 and the fuel tank 5 were made of polypropylene.
[0045]
(Example 7)
A liquid fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the cover plate 1 and the fuel tank 5 were both formed of polyethylene.
[0046]
(Example 8)
A liquid fuel cell was produced in the same manner as in Example 2 except that both the cover plate 1 and the fuel tank 5 were made of polyethylene.
[0047]
Example 9
A liquid fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the cover plate 1 and the fuel tank 5 were both formed of glass epoxy resin.
[0048]
(Example 10)
A liquid fuel cell was produced in the same manner as in Example 2 except that the cover plate 1 and the fuel tank 5 were both formed of glass epoxy resin.
[0049]
(Example 11)
The cover plate 1 and the fuel tank 5 are both formed by applying phenol resin paint to stainless steel to a thickness of 100 μm, and the cover plate 1 and the fuel tank 5 are joined at a pressure of 10 MPa. Similarly, a liquid fuel cell was produced.
[0050]
(Example 12)
The cover plate 1 and the fuel tank 5 are both formed of stainless steel by applying an epoxy resin paint to a thickness of 100 μm, and the cover plate 1 and the fuel tank 5 are joined at a pressure of 10 MPa, as in Example 2. Similarly, a liquid fuel cell was produced.
[0051]
When the batteries of Examples 1 to 12 manufactured as described above were installed so that the air holes 2 faced down, no leakage of liquid fuel was observed in all the batteries.
[0052]
Next, when the battery in the above installed state was vibrated with a sine wave of 100 Hz for 10 minutes, in the batteries of Examples 1 to 10, some liquid fuel leakage was observed, but in the batteries of Examples 11 and 12, No liquid fuel leakage was observed.
[0053]
【The invention's effect】
As described above, the present invention can provide a liquid fuel cell that does not leak liquid fuel and can stably generate power even if the battery is downsized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded configuration diagram of a liquid fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is an exploded configuration diagram of a liquid fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cover plate 2 Air hole 3 Positive electrode collector 4 Electrode / electrolyte integrated body 4a Positive electrode 4b Electrolyte layer 5 Fuel tank 6 Negative electrode collector 7 Fuel supply hole 8 Packing 9 Gas-liquid separation hole 9a Gas-liquid separation membrane 10 Positive electrode current collection Rectangular portion 11 of the body Rectangular portion 12 of the negative electrode current collector Thin band portion 13 of the positive electrode current collector Thin band portion of the negative electrode current collector

Claims (6)

酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質層とからなる電極・電解質一体化物を備えるとともに、液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部と蓋部とを備えた液体燃料電池であって、
前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部とが電気的絶縁体から形成され、
前記電極・電解質一体化物が前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部との間に平面状に複数個配置され、
集電体が前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部との内面にそれぞれ薄膜状に配置され、
前記各電極・電解質一体化物が前記集電体によって電気的に直列に接続されていることを特徴とする液体燃料電池。
A liquid fuel storage unit that includes a positive electrode that reduces oxygen, a negative electrode that oxidizes fuel, and an electrode / electrolyte integrated body that includes an electrolyte layer provided between the positive electrode and the negative electrode; A liquid fuel cell comprising a lid,
The liquid fuel storage part and the lid part are formed of an electrical insulator;
A plurality of the electrode / electrolyte integrated products are arranged in a plane between the liquid fuel storage unit and the lid,
Current collectors are arranged in thin films on the inner surfaces of the liquid fuel storage part and the lid part,
The liquid fuel cell, wherein the electrode / electrolyte integrated product is electrically connected in series by the current collector.
前記集電体の厚みが、0.5〜50μmである請求項1に記載の液体燃料電池。The liquid fuel cell according to claim 1, wherein the current collector has a thickness of 0.5 to 50 μm. 前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部とは、それぞれ樹脂、および金属に電気的絶縁性物質を被覆した一体化物から選択される少なくとも1種類からなる請求項1または2に記載の液体燃料電池。3. The liquid fuel cell according to claim 1, wherein the liquid fuel storage part and the lid part are each made of at least one selected from a resin and a single product obtained by coating a metal with an electrically insulating material. 前記金属のヤング率が、100000MPa以上である請求項3に記載の液体燃料電池。The liquid fuel cell according to claim 3, wherein the metal has a Young's modulus of 100,000 MPa or more. 前記金属が、炭素鋼、合金鋼、超硬合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金およびニッケル合金からなる群から選択された少なくとも1種類である請求項3または4に記載の液体燃料電池。5. The liquid fuel cell according to claim 3, wherein the metal is at least one selected from the group consisting of carbon steel, alloy steel, cemented carbide, aluminum alloy, magnesium alloy, titanium alloy, and nickel alloy. 前記電気的絶縁性物質が、高分子ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、ビニル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂および塩化ゴムからなる群から選択された少なくとも1種類である請求項3に記載の液体燃料電池。The electrical insulating material is at least one selected from the group consisting of a high molecular polyester resin, a phenol resin, an alkyd resin, a vinyl resin, a urethane resin, an epoxy resin, an acrylic resin, and a chlorinated rubber. Liquid fuel cell.
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