JP2007214055A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体燃料を使用する燃料電池に関し、更に詳しくは、所謂、パッシブ型の燃料電池における液体燃料を発電セルに効率よく供給することができる燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell that uses liquid fuel, and more particularly to a fuel cell that can efficiently supply liquid fuel in a so-called passive fuel cell to a power generation cell.
一般に、燃料電池は、空気電極層、電解質層及び燃料電極層が積層された燃料電池セルと、燃料電極層に還元剤としての燃料を供給するための燃料供給部と、空気電極層に酸化剤としての空気を供給するための空気供給部とからなり、燃料と空気中の酸素とによって燃料電池内で電気化学反応を生じさせ、外部に電力を得るようにした電池であり種々の形式のものが開発されている。 In general, a fuel cell includes a fuel cell in which an air electrode layer, an electrolyte layer, and a fuel electrode layer are stacked, a fuel supply unit for supplying fuel as a reducing agent to the fuel electrode layer, and an oxidant for the air electrode layer. As an air supply unit for supplying air as a battery, an electrochemical reaction is generated in the fuel cell by the fuel and oxygen in the air, and electric power is obtained outside. Has been developed.
近年、環境問題や省エネルギーに対する意識の高まりにより、クリーンなエネルギー源としての燃料電池を、各種用途に用いることが検討されており、特に、メタノールと水を含む液体燃料を直接供給するだけで発電できる燃料電池が注目されてきている(例えば、特許文献1〜3参照)。
これらの中でも、液体燃料の供給に毛管力を利用した各液体燃料電池等が知られている(例えば、特許文献4及び5参照)。
これらの各特許文献に記載される液体燃料電池、所謂、パッシブ型燃料電池は、発電セルに燃料を毛管力によって供給する方式であるため、燃料供給用のポンプやバルブ等を設ける必要が無く、発電機の小型化が期待できる燃料供給方式である。
本願出願人は、液体燃料、及び、発電セルを通過した排燃料の輸送に、多孔体及び/又は繊維束体(ウィッキング材)の毛管力を利用した燃料電池用の液体燃料輸送方法等について具体的な例示を行っている(例えば、特許文献6〜11参照)。
In recent years, due to increasing awareness of environmental issues and energy conservation, the use of fuel cells as clean energy sources for various applications has been studied. In particular, power can be generated simply by supplying liquid fuel containing methanol and water directly. Fuel cells have attracted attention (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
Among these, each liquid fuel cell etc. which utilized capillary force for supply of liquid fuel are known (for example, refer to patent documents 4 and 5).
The liquid fuel cell described in each of these patent documents, so-called passive fuel cell, is a method of supplying fuel to the power generation cell by capillary force, so there is no need to provide a pump or valve for fuel supply, This is a fuel supply system that can be expected to reduce the size of the generator.
The applicant of the present application relates to a liquid fuel transportation method for a fuel cell and the like that utilizes the capillary force of a porous body and / or a fiber bundle (wicking material) for transportation of liquid fuel and exhaust fuel that has passed through a power generation cell. Specific examples are given (see, for example, Patent Documents 6 to 11).
このようなパッシブ型燃料電池の燃料を供給する部材には、布、不織布、粒子焼結体、繊維束、発泡スポンジ等の多孔質体からなるウィッキング材を用いることが一般的である。これらの材料は、気孔率と孔径を調節することで毛管力を変化させることができるものであるが、流路が狭く、複雑に入り組んでいるため、送液の抵抗となり、圧損が生じ、燃料の輸送速度が低いという点に課題がある。 Generally, a wicking material made of a porous material such as a cloth, a nonwoven fabric, a particle sintered body, a fiber bundle, or a foamed sponge is used as a member for supplying the fuel of such a passive fuel cell. These materials can change the capillary force by adjusting the porosity and the pore diameter, but the flow path is narrow and complicated, so it becomes resistance to liquid feeding, causing pressure loss, fuel loss There is a problem in that the transportation speed of is low.
また、燃料電池の発電出力が高まると、消費される燃料の量も多くなるため、より燃料輸送速度が高い材料が必要であった。ウィッキング材の厚みを増やすことで、燃料輸送量を高めることができ、燃料輸送速度が高まるが、例えば、初回使用時等、ウィッキング材に燃料が無い状態では、より多くの燃料をウィッキング材に供給しなければ、発電セル全体に燃料を供給できないという点に課題がある。 Further, when the power generation output of the fuel cell is increased, the amount of fuel consumed is increased, so that a material having a higher fuel transportation speed is required. By increasing the thickness of the wicking material, the amount of fuel transport can be increased and the fuel transport speed can be increased. For example, when there is no fuel in the wicking material, for example, during the first use, more fuel is wicked. There is a problem in that fuel cannot be supplied to the entire power generation cell unless it is supplied to the material.
更には、上記のようなウィッキング材を用いた燃料電池においては、製造に際して、ウィッキング材を配置させる工程が必要となり、ウィッキング材そのものに関する材料費が必要となる。
このようにウィッキング材を用いた燃料電池は、製造コストについての不利な条件も予想される。
As described above, the fuel cell using the wicking material is also expected to have a disadvantageous manufacturing cost.
本発明は、上記従来のパッシブ型の燃料電池における液体燃料供給システムにおける課題及び現状に鑑み、これを解消するためになされたものであり、液体燃料をカートリッジの向きによらず液体燃料を供給できる、パッシブ型燃料電池における液体燃料供給システムにおいて、ウィッキング材を用いず、毛管力により、効率的な液体燃料の供給、並びに、液体燃料や発電に供された排燃料を効率よく回収することができる流路を有する燃料供給体等を用いたパッシブ型の燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the problems and the present situation of the liquid fuel supply system in the conventional passive fuel cell, and can supply the liquid fuel regardless of the orientation of the cartridge. In a liquid fuel supply system in a passive fuel cell, an efficient supply of liquid fuel and efficient recovery of liquid fuel and exhausted fuel used for power generation can be achieved by capillary force without using a wicking material. It is an object of the present invention to provide a passive fuel cell using a fuel supply body having a flow path that can be formed.
本発明者らは、上記従来の課題等について、鋭意検討した結果、液体燃料を貯留する燃料貯留体と、該液体燃料を発電に供する発電セルと、前記燃料貯留体から前記発電セルへ連続した流路を有する燃料供給体とを備えた燃料電池において、前記燃料供給体により燃料電池の液体燃料を供給する構造を特定構造とするパッシブ型の燃料電池とすることにより、上記目的の燃料電池が得られることに成功し、本発明を完成するに至ったのである。 As a result of earnest studies on the above-described conventional problems and the like, the present inventors have continued from the fuel storage body that stores liquid fuel, the power generation cell that supplies the liquid fuel for power generation, and the fuel storage body to the power generation cell. In the fuel cell comprising a fuel supply body having a flow path, a passive fuel cell having a specific structure for supplying the liquid fuel of the fuel cell by the fuel supply body is provided. It succeeded in being obtained and came to complete this invention.
すなわち、本発明は、次の(1)〜(11)に存する。
(1) 液体燃料を貯留する燃料貯留体と、前記液体燃料を発電に供する発電セルと、前記燃料貯留体から発電セルへ連続した流路を有する燃料供給体とを備えた燃料電池であって、前記燃料供給体の流路は、有底の断面形状の流路であって、前記液体燃料を誘導し得る毛管力を有する流路を備えてなることを特徴とする燃料電池。
(2) 前記燃料供給体の流路において、有底の断面形状の流路の断面線長をL1、有底の断面形状の流路部分の断面積をs1、液体燃料の比重をρ1、液体燃料の表面張力をγ1、液体燃料と流路表面との接触角をθ1、重力加速度をgとした場合、前記燃料供給体の流路の長さh1が下記式(I)で表される範囲の流路を備えてなる上記(1)に記載の燃料電池。
h1≦(L1×γ1×cosθ1)/(s1×ρ1×g) ………(I)
(3) 前記発電セルから、燃料電池の外部、あるいは、発電に供された後の廃燃料を貯留する廃燃料貯留体へ、連続した流路を有する廃燃料排出体を更に備えた燃料電池であって、前記廃燃料排出体の流路は、有底の断面形状の流路であって、前記排燃料を誘導し得る毛管力を有する流路を備えてなる上記(1)記載の燃料電池。
(4) 前記有底の断面形状の流路の断面線長をL2、前記有底の断面形状の流路部分の断面積をs2、前記廃燃料の比重をρ2、前記廃燃料の表面張力をγ2、前記廃燃料と前記流路表面との接触角をθ2、重力加速度をgとした場合、前記廃燃料排出体の流路の長さh2が下記式(II)で表される範囲の流路を備えてなる上記(1)に記載の燃料電池。
h2≦(L2×γ2×cosθ2)/(s2×ρ2×g) ………(II)
(5) 前記流路の断面形状が、長方形の一辺を欠いた形状の有底の断面形状の流路である上記(1)〜(4)の何れか一つに記載の燃料電池。
(6) 前記長方形の一辺の長さをa、前記欠いた一辺の長さをb、前記燃料の比重をρ1、前記燃料の表面張力をγ1、前記燃料と前記流路表面との接触角をθ1、重力加速度をgとした場合、前記流路の長さh1が下記式(III)で表される範囲の流路を備えてなる上記(5)に記載の燃料電池。
h1≦〔(2a+b)×γ1×cosθ1〕/(a×b×ρ1×g)…(III)
(7) 前記流路の一部が、管状である上記(1)〜(6)の何れか一つに記載の燃料電池。
(8) 前記流路表面を親水化処理してなる、上記(1)〜(7)の何れか一つに記載の燃料電池。
(9) 前記親水化処理がプラズマ処理、オゾン処理、フレーム処理、レーザー処理の何れか一つから選ばれる上記(8)に記載の燃料電池。
(10) 前記燃料供給体のうち、前記流路表面以外の部分を撥水処理してなる、上記(1)〜(9)の何れか一つに記載の燃料電池。
(11) 前記燃料供給体が有機高分子樹脂、炭素材料から選ばれる素材から構成される上記(1)〜(10)の何れか一つに記載の燃料電池。
That is, this invention exists in following (1)-(11).
(1) A fuel cell comprising a fuel reservoir that stores liquid fuel, a power generation cell that uses the liquid fuel for power generation, and a fuel supply body that has a continuous flow path from the fuel reservoir to the power generation cell. The fuel supply channel is a flow channel having a bottomed cross-sectional shape and having a capillary force capable of guiding the liquid fuel.
(2) In the flow path of the fuel supply body, the cross-sectional line length of the flow path having the bottomed cross-sectional shape is L1, the cross-sectional area of the flow path portion of the bottomed cross-sectional shape is s1, the specific gravity of the liquid fuel is ρ1, and the liquid When the fuel surface tension is γ1, the contact angle between the liquid fuel and the flow path surface is θ1, and the gravitational acceleration is g, the flow path length h1 of the fuel supply body is represented by the following formula (I). The fuel cell according to (1), comprising the flow path.
h1 ≦ (L1 × γ1 × cos θ1) / (s1 × ρ1 × g) (I)
(3) A fuel cell further comprising a waste fuel discharger having a continuous flow path from the power generation cell to the outside of the fuel cell or to a waste fuel reservoir for storing waste fuel after being used for power generation. The fuel cell according to (1), wherein the flow path of the waste fuel discharger is a flow path having a bottomed cross-sectional shape and having a capillary force capable of guiding the exhaust fuel. .
(4) The cross-sectional line length of the bottomed cross-sectional channel is L2, the cross-sectional area of the bottomed cross-sectional channel is s2, the specific gravity of the waste fuel is ρ2, and the surface tension of the waste fuel is When γ2, the contact angle between the waste fuel and the flow path surface is θ2, and the gravitational acceleration is g, the flow path length h2 of the waste fuel discharger is in the range represented by the following formula (II). The fuel cell according to (1) above, comprising a path.
h2 ≦ (L2 × γ2 × cos θ2) / (s2 × ρ2 × g) (II)
(5) The fuel cell according to any one of (1) to (4), wherein the cross-sectional shape of the flow channel is a flow channel having a bottomed cross-sectional shape that lacks one side of a rectangle.
(6) The length of one side of the rectangle is a, the length of the missing side is b, the specific gravity of the fuel is ρ1, the surface tension of the fuel is γ1, and the contact angle between the fuel and the flow path surface is The fuel cell according to (5), wherein the flow path length h1 includes a flow path in a range represented by the following formula (III), where θ1 and gravitational acceleration are g.
h1 ≦ [(2a + b) × γ1 × cos θ1] / (a × b × ρ1 × g) (III)
(7) The fuel cell according to any one of (1) to (6), wherein a part of the channel is tubular.
(8) The fuel cell according to any one of (1) to (7), wherein the flow path surface is subjected to a hydrophilic treatment.
(9) The fuel cell according to (8), wherein the hydrophilization treatment is selected from any one of plasma treatment, ozone treatment, flame treatment, and laser treatment.
(10) The fuel cell according to any one of (1) to (9), wherein a portion of the fuel supply body other than the flow path surface is subjected to water repellent treatment.
(11) The fuel cell according to any one of (1) to (10), wherein the fuel supply body is made of a material selected from an organic polymer resin and a carbon material.
本発明によれば、燃料電池の向きに関らず液体燃料を流通させることができると共に、多孔体あるいは繊維束体などのウィッキング材からなる流路と比較して、極めて早く液体燃料を効率よく流通させることができ、更に、ウィッキング材を配置することを省略することができる、安価で燃料電池の起動時間が早いパッシブ型の燃料電池が提供される。 According to the present invention, the liquid fuel can be circulated regardless of the direction of the fuel cell, and the liquid fuel can be efficiently used more quickly than a flow path made of a wicking material such as a porous body or a fiber bundle. There is provided a passive type fuel cell that can be distributed well and that can omit the arrangement of a wicking material and that is inexpensive and has a fast start-up time.
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら、詳しく説明する。
図1及び図2は、本発明の実施形態の一例となる燃料電池Aを示すものであり、図1(a)は、燃料電池の内部を透視態様で示す斜視図、(b)は燃料電池の外観を示す斜視図、図2(a)は、本発明の燃料電池における燃料供給体の基本形態の平面図、(b)は(a)のb−b線での横断面図である。
本実施形態の燃料電池Aは、図1(a)及び(b)に示すように、ケース部材10内に液体燃料を貯留するカートリッジ型の燃料貯留体20と、前記液体燃料を発電に供する発電セル30と、前記燃料貯留体20から前記発電セル30へ連続した流路を有する燃料供給体40とを備えたものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1 and 2 show a fuel cell A as an example of an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a perspective view showing the inside of the fuel cell in a transparent manner, and FIG. 1 (b) is a fuel cell. FIG. 2A is a plan view of a basic form of a fuel supply body in the fuel cell of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line bb in FIG.
As shown in FIGS. 1A and 1B, the fuel cell A of the present embodiment includes a cartridge-type
ケース部材10は、上面開口のケース本体11と、燃料貯留体20を挿入するための挿入口12及び空気取り入れ口となるメッシュ部13を有する蓋部14とから構成されている。上記ケース本体11と蓋部14とは、蓋部14の四隅部に取り付けられる連結部材15により連結自在となっている。また、ケース部材10には、発電セル30で発電された電流を取り出すための電流取り出しリード線部16,16が取り付けられている。
The
燃料貯留体20は、燃料カートリッジ型となっており、ケース部材10の挿入口12を介してケース部材10に取り付け自在となっている。この燃料貯留体20は、カートリッジ内の液体燃料を平板状の燃料供給体40を介して平板状の発電セル30に供給して発電するために用いられるものであり、例えば、液体燃料を吸蔵する毛管力を付与した繊維束体をシート体で被覆した液体燃料貯蔵部21を有し、該液体燃料貯蔵部21の一方の端面に設けた燃料誘導部22を介して燃料供給体40の流路41に液体燃料を供給する構成となっている。
The
液体燃料貯蔵部21の繊維束体は、繊維を収束させることで毛管力を付与したものであり、液体燃料を吸蔵するものである。用いることができる繊維としては、例えば、天然繊維、獣毛繊維、ポリアセタール系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエーテル系樹脂、ポリフェニレン系樹脂などの1種又は2種以上の組合せからなる繊維が挙げられる。
シート状多孔体は、上記繊維束体を束状態に保持して液体燃料貯蔵部21に構成し、その液体燃料貯蔵部21の端面から液体燃料を排出させるために用いるものである。
また、用いることがシート体としては、繊維束体を樹脂フィルムや溶融樹脂コートで束状態に保持し、液体燃料貯蔵部21の端面の燃料誘導部22以外から液体燃料が漏れない構造となるものであればよい。
更に、燃料誘導部22は、上記液体燃料貯蔵部21と同様の繊維束体等から構成されるものであり、液体燃料貯蔵部21に吸蔵される液体燃料を燃料供給体40の流路41に効率よく供給させる機能を有するものである。
The fiber bundle of the liquid
The sheet-like porous body is configured to hold the fiber bundle in a bundled state to form the liquid
In addition, as a sheet body to be used, the fiber bundle is held in a bundle state with a resin film or a molten resin coat, and the liquid fuel does not leak from other than the
Further, the
液体燃料貯蔵部21は、上述の液体燃料を吸蔵する毛管力を付与した繊維束体をシート体で被覆(内包)したものであり、その一方の端面から液体燃料を排出できる構成となるものである。
液体燃料貯蔵部21における液体燃料の吸蔵量は、繊維束の種類、燃料電池の構造、燃料極の構造、発電時間等により変動するが、例えば、0.5〜70mlとすることができる。
The liquid
The occlusion amount of the liquid fuel in the liquid
上記燃料貯留体20の液体燃料貯蔵部21に吸蔵せしめる液体燃料としては、メタノールと水とからなるメタノール水溶液が挙げられるが、後述する発電セルの燃料電極体において燃料として供給された化合物から効率良く水素イオン(H+)と電子(e-)が得られるものであれば、液体燃料は特に限定されず、燃料電極体の構造などにもよるが、メタノール水溶液の他に、例えば、ジメチルエーテル(DME)、エタノール水溶液、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液などの液体燃料も用いることができる。
また、これらの液体燃料の濃度は、燃料電池の構造、特性等により種々の濃度の液体燃料を用いることができ、例えば、1〜100%濃度の液体燃料を用いることができる。
Examples of the liquid fuel to be stored in the liquid
Moreover, the liquid fuel of various density | concentrations can be used for the density | concentration of these liquid fuels by the structure of a fuel cell, a characteristic, etc. For example, the liquid fuel of 1-100% density | concentration can be used.
用いる発電セル30は、後述する燃料供給体40上に配置されるものであり、下面側から燃料極、電解質膜、空気極が順次積層されたものである。燃料極(燃料電極体)は、毛管力を付与した平板状の燃料極であり、平板状の燃料供給体40の液体燃料を吸い上げる多孔質構造となるものであれば良く、例えば、三次元網目構造若しくは点焼結構造よりなり、アモルファス炭素と炭素粉末とで構成される炭素複合成形体、等方性高密度炭素成形体、炭素繊維抄紙成形体、活性炭素成形体などを用いることができる。また、この燃料極の外表面部には、白金−ルテニウム(Pt−Ru)触媒、イリジウム−ルテニウム(Ir−Ru)触媒、白金−スズ(Pt−Sn)触媒などが当該金属イオンや金属錯体などの金属微粒子前駆体を含んだ溶液を含浸や浸漬処理後還元処理する方法や金属微粒子の電析法などにより形成されている。
The
電解質膜としては、プロトン伝導性又は水酸化物イオン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン(Nafion、Du pont社製)を初めとするフッ素系イオン交換膜が挙げられる他、耐熱性、メタノールクロスオーバーの抑制が良好なもの、例えば、無機化合物をプロトン伝導材料とし、ポリマーを膜材料としたコンポジット(複合)膜、具体的には、無機化合物としてゼオライトを用い、ポリマーとしてスチレン−ブタジエン系ラバーからなる複合膜、炭化水素系グラフト膜などが挙げられる。
また、空気極としては、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)等を上述の金属微粒子前駆体を含んだ溶液等を用いた方法で担持させた多孔質構造からなる炭素多孔体が挙げられる。
Examples of the electrolyte membrane include ion exchange membranes having proton conductivity or hydroxide ion conductivity, such as fluorine ion exchange membranes such as Nafion (manufactured by Du Pont), heat resistance, methanol Good crossover suppression, for example, a composite membrane using an inorganic compound as a proton conducting material and a polymer as a membrane material, specifically, using a zeolite as the inorganic compound and a styrene-butadiene rubber as the polymer And composite membranes made of these, hydrocarbon-based graft membranes, and the like.
Further, as the air electrode, a porous carbon body having a porous structure in which platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh) or the like is supported by a method using a solution containing the above-mentioned metal fine particle precursor or the like. Is mentioned.
本実施形態の燃料供給体40は、前記燃料貯留体20から各発電セル30へ連続した流路41を有するものであり、該流路41は、有底の断面形状となるスリット溝からなる流路であって、該流路41は液体燃料を誘導し得る毛管力を有する構造となっている。具体的には、図2(a)及び(b)に示すように、燃料供給体40には、8本の流路41を有し、夫々、起点流路41a、長方形渦巻き状とした渦巻き流路41bとを有するものであり、更に、廃燃料排出流路41c、終点流路41dを有する廃燃料排出体42を一体に備えたものであり、渦巻き流路41b以外は、角部を有する直線状の流路となっている。この燃料供給体40は、前記燃料貯留体20から各発電セル30へ連続した流路41となる起点流路41a、長方形渦巻き状とした渦巻き流路41bを有すると共に、前記発電セル30から、発電に供された後の廃燃料を排出する連続した流路である廃燃料排出流路41c、終点流路41dを有する廃燃料排出体42が連続した構成となっている。
この各流路41は、起点流路41aより始められており、前記燃料供給体40の起点流路41aは、その端部で切り欠かれていない構成となっている。また、各終点流路41dにおいても行き止まりとなっており、切り欠かれていない構成となっている。本実施形態の流路41の長方形渦巻き状とした各渦巻き流路41b上には、前記発電セル30が夫々配置され、前記流路41から発電セル30の燃料極側へ液体燃料を供給することができる構成となっている。前記長方形状の渦巻き流路41b部分には、長方形の発電セル30に合わせ、長方形渦巻き状としたが、前記発電セル30の形状と同じくすることが好ましく、発電セル30の形状に合わせ適宜設定することが望ましい。
The
Each of the
前記流路41の渦巻き流路41bから、液体燃料を燃料極に移動させるために、発電セル30と渦巻き流路41bとの間に毛管力を有する多孔体を設置することが好ましく、これにより、発電セル30全面へ燃料の供給を更に効率的に供給することができる。前記多孔体の例として、カーボンペーパーなどの材料を設けることができるが、燃料極表面まで連続するスリット溝を設けてもよい。
前記燃料供給体40を構成する基板材料としては、流通させる液体燃料に浸食されず、液体燃料が浸透しない緻密体である材料であれば、特に限定されず、いろいろなものが使用できる。例えば、有機高分子樹脂(熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂など)、各種炭素材料、金属、ガラス、木材、岩石、セメント、粘土およびその焼成物などが挙げられるが、加工のしやすさ、扱いやすさなどの点から有機高分子樹脂(熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂など)、各種炭素材料、金属が好ましい。
前記炭素材料の素材としては、例えば、ガラス状炭素、等方性炭素材、黒鉛粉末〔高配向性熱分解黒鉛(HOPG)、キッシュ黒鉛、天然黒鉛、人造黒鉛、フラーレンを含む〕、炭素繊維〔気相成長炭素繊維、PAN系炭素繊維、黒鉛繊維を含む〕、カーボンナノチューブ、膨張黒鉛シート等が挙げられる。また、これらの材料を適宜組み合わせて構成してもよいものである。
In order to move the liquid fuel from the
The substrate material constituting the
Examples of the material of the carbon material include glassy carbon, isotropic carbon material, graphite powder [including highly oriented pyrolytic graphite (HOPG), quiche graphite, natural graphite, artificial graphite, fullerene], carbon fiber [ Vapor-grown carbon fibers, PAN-based carbon fibers, and graphite fibers], carbon nanotubes, expanded graphite sheets, and the like. Moreover, you may comprise combining these materials suitably.
前記各流路41の毛管力は、始点流路41aから終点流路41dに向かうにつれ、大きくなるように設定することで、液体燃料の流れを始点流路41aから終点流路41dの方向へ流れるようにすることができる。本実施形態の場合、流路の断面線長Lを41a>41b>41c>41dと徐々に小さくするように成形させることによって、毛管力を始点流路41a部分から終点流路41d部分へ大きくなるように成形したものである。本発明において、「流路41の断面線長L」とは、前記燃料供給体40を流路41に直角な断面図、例えば、図2(b)の場合、流路を構成する壁面、底面と前記断面との交線の長さを合計したものである。
The capillary force of each
この流路41の断面形状としては、図2(b)に図示したような長方形の一辺を欠いた「コの字」型はもちろんのこと、「U字型」、「V字型」、台形の一辺を欠いた形状など、毛管力を有する「有底の形状」であれば何ら制限されるものではない。
As a cross-sectional shape of the
本実施形態では、流路41の毛管力を流路の断面線長Lによって制御しているが、毛管力を流路壁面の液体燃料に対する濡れ性(接触角:θ)などを適宜設定して制御することもできる。実際の流路の設計においては、これらの制御方法を適宜組合せながら、毛管力を制御することができる。
例えば、液体燃料の流れの「上流」の流路(即ち始点流路41a近傍)に撥水処理を施し、「下流」の流路(即ち終点流路41d近傍)に親水化処理を施すことなどによって、適宜液体燃料の流れを制御することができる。
流路41内及び燃料供給体40表面は、上記したような理由に応じて、親水化処理、撥水処理を施すことができる。流路41内部へ親水化処理を施すことで、流路41の毛管力を高め、燃料輸送速度を更に高めることができる。
In this embodiment, the capillary force of the
For example, a water repellent process is performed on the “upstream” flow path (that is, in the vicinity of the start-
The inside of the
親水化処理の方法としては、例えば、プラズマ処理、オゾン処理、フレーム処理、レーザー処理、電子線による処理、イオン注入法による処理、イオンビームによる処理、イオン照射による処理等を、加工を施す場所や希望する親水化度に応じて適宜採用することができる。
特に、レーザー処理、電子線による処理、イオン注入法による処理、イオンビームによる処理、イオン照射による処理としては、出力調整されたレーザー光や電子ビーム等を流路41内を走査させる要領で照射して処理することが挙げることができるが、特に限定されない。
Examples of hydrophilic treatment methods include plasma treatment, ozone treatment, flame treatment, laser treatment, electron beam treatment, ion implantation method, ion beam treatment, ion irradiation treatment, and the like. It can employ | adopt suitably according to the desired degree of hydrophilicity.
In particular, laser processing, electron beam processing, ion implantation processing, ion beam processing, and ion irradiation processing are performed by irradiating the
好ましい親水化処理の方法としては、作業効率性、確実な親水化処理の点から、レーザー処理が望ましい。用いるレーザー照射処理としては、流路41の所定の表面部、例えば、レーザー処理部が少なくとも流路面の一部又は全部に、親水性官能基形成増加と表面の粗さRaが50μm未満となる凹凸部、好ましくは、表面の平均粗さRaが30μm未満となる凹凸部、更に好ましくは、表面の粗さ平均Raが0.3〜7μmとなる凹凸部を形成できるレーザー照射であれば、特に限定されず、例えば、YAGレーザー、炭酸ガスレーザー、エキシマレーザー、アルゴンレーザー、ルビーレーザー、ガラスレーザーなどが挙げられる。好ましくは、発振波長、汎用性の点からYAGレーザーが望ましい。
レーザー照射処理は、流路41の所定の表面部、例えば、少なくとも流路面の一部又は全部に、−OH基,−COOH基、>C=O基などの少なくとも1つ以上の親水性官能基を効率良く形成増加せせる点、経済性の点から、室温下(25℃)空気雰囲気中、若しくは、少なくとも酸素を含むガス雰囲気中で行うことが好ましい。また、室温下以上の加湿状態で行ってもよいものである。
As a preferred hydrophilic treatment method, laser treatment is desirable from the viewpoint of work efficiency and reliable hydrophilic treatment. As the laser irradiation treatment to be used, a predetermined surface portion of the
The laser irradiation treatment is performed on a predetermined surface portion of the
レーザー照射条件は、流路41の所定の表面部に、例えば、少なくとも流路面の一部又は全部に、親水性官能基の形成増加と表面の平均粗さRaが50μm未満となる凹凸部が形成できる照射量であれば、特に限定されるものではなく、燃料供給体の原材料種、大きさ、形状等により変動するものであるが、YAGレーザーなどを用いた場合、3〜15Wの間での出力調整、レーザースキャン速度の調整、レーザーパルス幅の調整、焦点距離によるレーザースポット径若しくはエネルギー密度の調整(およそ、103〜106W/cm2)、レーザー照射パターンの調整等の任意の条件調整を行うことで、目的の親水性官能基の形成増加と表面の平均粗さRaが50μm未満となる凹凸部が形成できるものとなる。
なお、上記3〜15Wの間での出力調整は、レーザーの仕様、照射条件等により変動し一概には言えないが、出力が3W未満であると、親水官能基の形成増加が困難となり、また、処理に要する時間が増大したり、経時的にも親水性官能基の固定機能を発揮できないことがある。一方、出力が15Wを超える照射であると、照射量が多大となり、照射部を深く削ることとなるので、目的の親水性官能基の形成増加と凹凸部を形成することができず、しかも、流路表面、あるいは、流路面の寸法精度が問題となり、燃料電池の性能が不安定となる。
The laser irradiation condition is that a predetermined surface portion of the
The output adjustment between 3 to 15 W varies depending on the laser specifications, irradiation conditions, etc., and cannot be generally stated. However, if the output is less than 3 W, it is difficult to increase the formation of hydrophilic functional groups. In some cases, the time required for the treatment increases, or the hydrophilic functional group fixing function cannot be exhibited over time. On the other hand, if the output is more than 15 W, the irradiation amount becomes large and the irradiated part is deeply cut, so that it is not possible to form the target hydrophilic functional group and increase the uneven part, The dimensional accuracy of the flow path surface or flow path surface becomes a problem, and the performance of the fuel cell becomes unstable.
また、上記親水化処理とは別に、流路41以外の燃料供給体40の表面を撥水化処理、例えば、フッ化ポリビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン(FEP)や、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂でコーティングする方法が挙げられる。このような処理をすることで、燃料の流路41からの漏れを防止することができる。
In addition to the hydrophilization treatment, the surface of the
更に、図2(b)に示すように、本実施形態の流路41は、有底の断面形状となるスリット溝から構成されている。本実施形態の液体燃料供給体40では、流路41が開放されている面のみに発電セル30を配置でき、液体燃料を供給することができる。このため、閉じられた側から、液体燃料の漏洩や蒸発の蒸発が無く、燃料の流通が管理しやすい。また、本実施形態では、流路41は前記液体燃料供給体40の端部に達しておらず、発電セル30を配置する側(片側)からの燃料供給及び排燃料排出に適している。
Further, as shown in FIG. 2 (b), the
本実施形態では、図2(a)及び(b)において、流路の幅a、流路の深さb(合わせて流路の断面線長Lによって代表する)は、燃料供給体40を直立させた時でも燃料を供給できる毛管力を付与できるように制御することができる。
即ち、前記燃料供給体40の流路41において、有底の断面形状の流路の断面線長をL1、有底の断面形状の流路部分の断面積(スリットのすりきり断面積)をs1、液体燃料の比重をρ1、液体燃料の表面張力をγ1、液体燃料と流路表面との接触角をθ1、重力加速度をgとした場合、流路の長さ(スリット入り口と発電セルまでの距離)hが下記式(I)で表される範囲の流路を備えていることが好ましい。
h≦(L1×γ1×cosθ1)/(s1×ρ1×g) ………(I)
In this embodiment, in FIGS. 2A and 2B, the width a of the flow channel and the depth b of the flow channel (represented by the cross-sectional line length L of the flow channel together) stand the
That is, in the
h ≦ (L1 × γ1 × cos θ1) / (s1 × ρ1 × g) (I)
本実施形態の液体燃料として、例えば、メタノール水溶液を使用した場合、メタノール濃度別の表面張力及び比重と、計算上の流路41の幅を下記表1に示す。
ここでは、燃料電池を利用する電子機器との高低差を10cmとし、液体燃料の貯蔵部を床に置いたものとした(即ちh=0.1m)。また、接触角の測定には、協和界面科学株式会社製接触角計CA−Xを用いて、親水化処理を施したものを用いた場合、全ての測定値が20°以下であったことをから、cosθ≒1とした。更に、スリットの断面形状を図2(b)に示すような「幅」=「深さ」の「コの字型」であると仮定して、L1=3a,s1=a2で近似的な計算を行った。
h≧0.1mより、
h=(3a×γ1×cosθ1)/(a2×ρ1×g)から、
a=3γ1/0.98ρ1
メタノール濃度0%(即ち水)を記載したのは、発電時、燃料電池の燃料極を予め水で湿潤させる必要があるなど、水用のスリット溝を作らねばならない場合があるからである。
For example, when an aqueous methanol solution is used as the liquid fuel of the present embodiment, the surface tension and specific gravity for each methanol concentration and the calculated width of the
Here, the height difference from the electronic device using the fuel cell is 10 cm, and the liquid fuel storage part is placed on the floor (ie, h = 0.1 m). In addition, when the contact angle was measured using a contact angle meter CA-X manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd. and subjected to hydrophilic treatment, all measured values were 20 ° or less. Therefore, cos θ≈1 was set. Furthermore, assuming that the as shown in FIG. 2 (b) the cross-sectional shape of the slit "width" = "depth" of the "U-shaped", approximate in L1 = 3a, s1 = a 2 Calculated.
From h ≧ 0.1m
From h = (3a × γ1 × cos θ1) / (a 2 × ρ1 × g),
a = 3γ1 / 0.98ρ1
The reason for describing the methanol concentration of 0% (that is, water) is that it is sometimes necessary to make a slit groove for water, such as when it is necessary to previously wet the fuel electrode of the fuel cell with water during power generation.
逆に、スリットが毛管力で吸い上げることができる高さH(H≧h)は、
H×a×b×ρ1×g=〔2(a+b)〕×γ1×cosθ1より
H=〔2(a+b)×γ1×cosθ1〕/(a×b×ρ1×g)
と、スリットの幅及び深さ等の数値から吸い上げのできる高さが計算することができる。ここでは試算は省略する。なお、液体燃料として、メタノール水溶液以外の燃料、例えば、ジメチルエーテル(DME)、エタノール水溶液、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液などを使用した場合も、各燃料の濃度別の表面張力及び比重を算出すれば、同様に、最適となる流路41の幅を上記表1のメタノール水溶液と同様に示すことができる。
Conversely, the height H (H ≧ h) that the slit can suck up by capillary force is:
From H × a × b × ρ1 × g = [2 (a + b)] × γ1 × cos θ1, H = [2 (a + b) × γ1 × cos θ1] / (a × b × ρ1 × g)
From the numerical values such as the width and depth of the slit, the height that can be sucked can be calculated. Here, the trial calculation is omitted. In addition, when a fuel other than methanol aqueous solution, for example, dimethyl ether (DME), ethanol aqueous solution, formic acid, hydrazine, ammonia solution, ethylene glycol, sodium borohydride aqueous solution or the like is used as the liquid fuel, If the surface tension and specific gravity are calculated, similarly, the optimum width of the
より実施的には、液体燃料の貯留部20は、電子機器(燃料電池本体)の、さらに近傍に置かれることが多いと考えられ、貯留部20と発電セル30の高低差がほとんど無い場合も考えられるから、上記表1に記載したよりも大きなスリットとすることが可能である。例えば、h=5mmとして純メタノールを燃料として使用する場合を考えると、スリット溝幅は1.74×10-3mと計算できる。
More practically, it is considered that the
上記の計算値に加え、様々な要素を加味して、実際のスリット溝幅を検討すると、0.01〜2.00mmが好ましく、発電部の大きさによって最適値を設計できる。スリット溝の幅が0.01mm未満であると、輸送できる燃料の絶対量が少なくなり、2.00mmよりも大きいと、必要な毛管力を付与できない可能性がある。 In consideration of the actual slit groove width in consideration of various factors in addition to the above calculated values, 0.01 to 2.00 mm is preferable, and an optimum value can be designed according to the size of the power generation unit. If the width of the slit groove is less than 0.01 mm, the absolute amount of fuel that can be transported decreases, and if it is greater than 2.00 mm, the necessary capillary force may not be applied.
また、スリット溝の深さについても、発電部となる発電セル30の大きさによる等、様々な要素を加味して最適値を設計検討できる。実際のスリット溝深さは、0.01〜5.00mmが好ましい。スリット溝の深さが0.01mm未満であると、輸送できる燃料の絶対量が少なくなり、5.00mmよりも大きいと、燃料供給部材の厚みを大きくしなければならなくなり、燃料電池の小型化に適さなくなる。
In addition, regarding the depth of the slit groove, an optimum value can be designed and studied in consideration of various factors such as the size of the
更には、スリット溝の断面線長Lを検討すると、上記好ましい「幅」の3倍程度、0.03〜6.00mmが好ましいことが推察される。実際的にも0.03mm未満であると、輸送できる燃料の絶対量が少なくなり、6.00mmよりも大きいと、燃料供給部材自体を大きくしなければならなくなり、燃料電池の小型化に適さなくなる。 Furthermore, when the cross-sectional line length L of the slit groove is examined, it is presumed that 0.03 to 6.00 mm, which is about three times the preferable “width”, is preferable. Actually, if it is less than 0.03 mm, the absolute amount of fuel that can be transported decreases, and if it exceeds 6.00 mm, the fuel supply member itself must be enlarged, which is not suitable for miniaturization of the fuel cell. .
本発明において、図1(a)では、発電セル30の数は8個であるが、流路となるスリット溝の数は、1つないしそれ以上で、発電セル30の数に応じて、それぞれ独立したスリット溝を設けてもよい。独立したスリット溝とするのは、ある発電セル30を経由した燃料が他の発電セル30に供給されることを防ぐためのレイアウトで、使用済み燃料を他の発電セル30に供給することを防ぐことが目的である。また、単一の発電セル30に燃料を供給するスリット溝の数は1つないしそれ以上であってもよい。
In the present invention, in FIG. 1A, the number of
また、本実施形態の燃料電池において、燃料供給体40は、図1及び2に示したとおり、流路41となるスリット溝は、燃料を輸送するための発電セル30より「上流」のスリット溝となる、起点流路41a、長方形渦巻き状とした渦巻き流路41bを有するものであり、それと連結し燃料輸送によって排出する必要ある空気を排出するための発電セル30より「下流」の排出スリット溝となる廃燃料排出流路41c、終点流路41dを有する構成となっている。排出スリット溝は、スリット溝内に燃料がないときにあった空気を排出するためのものであるが、それ以外にも発電により生じた二酸化炭素ガス、もしくは使用済み燃料を発電セル30から排出するためのスリット溝で、外界若しくは、廃燃料回収部材に連結している。
Further, in the fuel cell of the present embodiment, the
排出スリット溝の断面線長L2は、燃料供給のためのスリット溝41a,41bよりも、大きいものも小さいものも、空気排出、二酸化炭素ガス排出、廃燃料排出の必要に応じて任意に設計される。燃料供給に伴う空気排出の観点からは、空気の方が輸送速度が高いため、排出スリット溝は細くても充分である。
特に、二酸化炭素ガス、廃燃料排出の観点においては、排燃料または燃料に二酸化炭素が溶解しない、あるいは、溶解し切らない場合、二酸化炭素ガスの気泡が発生し、排出スリット溝を含むスリット溝内に二酸化炭素ガス−廃燃料、または、燃料の気−液界面が発生する。すると、排出スリット溝である廃燃料排出流路41c、終点流路41dには、二酸化炭素ガス/廃燃料/スリット壁面のメニスカスができ、そこでは、排出したい方向とは逆の毛管力が発生し、燃料供給を妨げることがあるため、燃料供給スリットよりも太く設計し毛管力を下げることを必要とする場合がある。
The sectional line length L2 of the discharge slit groove is arbitrarily designed according to the needs of air discharge, carbon dioxide gas discharge and waste fuel discharge, both larger and smaller than the
In particular, from the viewpoint of carbon dioxide gas and waste fuel discharge, if carbon dioxide does not dissolve or does not completely dissolve in the exhaust fuel or fuel, bubbles of carbon dioxide gas are generated, and the inside of the slit groove including the discharge slit groove A carbon dioxide gas-waste fuel or a gas-liquid interface of fuel is generated. Then, a meniscus of carbon dioxide gas / waste fuel / slit wall surface is generated in the waste fuel
このような理由から、排出スリット溝となる廃燃料排出流路41c、終点流路41dは、毛管力を下げることが必要な場合がある。毛管力を下げる方法としては、スリット溝幅を広くする他に、撥水化処理することで、空気、二酸化炭素ガス、廃燃料の排出効率を高めることができる。
このように、排出スリットの毛管力を下げた場合には、排出スリット溝出口側に、この燃料供給体40の、いずれのスリット溝よりも強い毛管力を持つ、廃燃料回収体を設けてよいものである。
For this reason, it may be necessary to reduce the capillary force of the waste fuel
Thus, when the capillary force of the discharge slit is lowered, a waste fuel recovery body having a capillary force stronger than any of the slit grooves of the
本実施形態では、図2(a)及び(b)において、流路の幅a、流路の深さb(合わせて流路の断面線長Lによって代表する)は、燃料排出体を一体に有する燃料供給体40を直立させた時でも廃燃料を排出できる毛管力を付与できるように制御することができる。
即ち、前記廃燃料排出流路41c、終点流路41dにおいて、有底の断面形状の流路の断面線長をL2、有底の断面形状の流路部分の断面積(スリットのすりきり断面積)をs2、廃燃料の比重をρ2、廃燃料の表面張力をγ2、廃燃料と流路表面との接触角をθ2、重力加速度をgとした場合、流路の長さ(発電セルから終点流路セルまでの距離)h2が下記式(II)で表される範囲の流路を備えてなることが望ましい。
h2≦(L2×γ2×cosθ2)/(s2×ρ2×g) ………(II)
In this embodiment, in FIGS. 2A and 2B, the width a of the flow path and the depth b of the flow path (represented by the cross-sectional line length L of the flow path together) Control can be performed so that a capillary force capable of discharging the waste fuel can be applied even when the
That is, in the waste fuel
h2 ≦ (L2 × γ2 × cos θ2) / (s2 × ρ2 × g) (II)
このように本実施形態の燃料電池Aにおいては、パッシブ型燃料電池の発電セル30に液体燃料を輸送する部材に、多孔体のように細かく湾曲した流路を持つ毛管体ではなく、断面線長などを制御した流路41となるスリット溝から構成される燃料供給体を使用する。流路となるスリット溝は燃料を貯蔵した燃料貯留体20に連結し、燃料が供給される構造となっている。前記スリット溝の幅などを制御することで必要となる最適な毛管力を付与することができ、更に、流路が太く遮蔽物が無いため、流動抵抗が少なく、燃料の輸送速度を高めることができる。
従って、燃料電池の向きに関らず液体燃料を流通させることができると共に、多孔体あるいは繊維束体などのウィッキング材からなる流路と比較して、極めて早く液体燃料を効率よく流通させることができ、更に、ウィッキング材を配置することを省略することができる、安価で燃料電池の起動時間が早いパッシブ型の燃料電池が得られるものとなる。
また、流路となるスリット溝を燃料電池の構造、燃料種及びその濃度等に応じて、好適な毛管力となるように切削できるため、燃料の効率的な供給、分配、回収が可能となる燃料電池が得られることとなる。
As described above, in the fuel cell A of the present embodiment, the member for transporting the liquid fuel to the
Therefore, the liquid fuel can be circulated regardless of the direction of the fuel cell, and the liquid fuel can be circulated very quickly and efficiently compared to a flow path made of a wicking material such as a porous body or a fiber bundle. In addition, it is possible to obtain a passive type fuel cell that can omit the disposition of the wicking material and that is inexpensive and has a fast start-up time of the fuel cell.
In addition, since the slit groove serving as the flow path can be cut to have a suitable capillary force according to the structure of the fuel cell, the fuel type and its concentration, etc., fuel can be efficiently supplied, distributed, and recovered. A fuel cell will be obtained.
図3は、本発明の燃料電池における燃料供給体40の別の基本形態(第2実施形態)を示すものである。なお、本実施形態(図3)は、燃料供給体40の構成が異なる点でのみ上記実施形態の燃料電池Aと異なるものであり、図1に示す燃料電池と同様に使用に供され、同様に機能を発揮するものであり、また、上記実施形態と同様の構成は、同一符号を付けてその説明を省略する(以下の図4〜図6の各実施形態も同様)。
本実施形態では、図3に示すように、複数の各有底スリット溝が燃料供給体40の始点流路41a、終点流路41dの各端部が燃料供給体40の端部まで達している点で異なるものである。
この実施形態では、燃料供給体の端部に燃料貯留体、廃燃料回収体を設けようとする場合に都合の良い構成となる。
FIG. 3 shows another basic form (second embodiment) of the
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, each of the plurality of bottomed slit grooves reaches the end of the
In this embodiment, the configuration is convenient when it is intended to provide a fuel storage body and a waste fuel recovery body at the end of the fuel supply body.
図4は、本発明の燃料電池における燃料供給体40の別の基本形態(第3実施形態)を示すものである。
本実施形態では、各有底スリットの断面線長を14a<14dと第1実施形態(図2)とは逆に広くするように成形させることによって、断面線長により発生する毛管力を14aから14dへ小さくなるように成形したものである。
上述したとおり、廃燃料又は燃料に二酸化炭素が溶解しない、あるいは、溶解し切らない場合、二酸化炭素ガスの気泡が発生し、廃燃料排出流路41c、終点流路41dの排出スリット溝を含むスリット溝内に二酸化炭素ガス−廃燃料または燃料の気−液界面が発生する。この場合、排出スリット溝には、二酸化炭素ガス/廃燃料/スリット壁面のメニスカスができ、そこでは、排出したい方向とは逆の毛管力が発生し、燃料供給を妨げることがあるため、燃料供給スリット溝である起点流路41a、長方形渦巻き状とした渦巻き流路41bよりも断面線長を大きく設計し毛管力を下げることを必要とする場合があるためである。
FIG. 4 shows another basic form (third embodiment) of the
In the present embodiment, the capillary force generated by the cross-sectional line length is increased from 14a by forming the bottomed slits so that the cross-sectional line length is 14a <14d, which is opposite to that of the first embodiment (FIG. 2). It is molded so as to be reduced to 14d.
As described above, when carbon dioxide does not dissolve or does not completely dissolve in the waste fuel or fuel, bubbles of carbon dioxide gas are generated, and the slit including the exhaust slit grooves of the waste
本実施形態の場合も、流路となるスリット溝の毛管力をスリットの断面線長によって制御しているが、他の実施形態同様、毛管力をスリット溝壁面の液体燃料に対する濡れ性(接触角)などを適宜設定して制御することもできる。実際の流路の設計においては、これらの制御方法を適宜組合せながら、燃料貯貯対20から発電セル30までの流路は、毛管力を14a<14bとなるように、発電セル30から廃燃料排出部までは、14c>14dとなるように毛管力を、各々制御できる。
Also in this embodiment, the capillary force of the slit groove serving as the flow path is controlled by the cross-sectional line length of the slit. However, as in other embodiments, the capillary force is controlled by the wettability (contact angle) of the slit groove wall surface with liquid fuel. ) Etc. can be appropriately set and controlled. In the actual flow path design, these control methods are combined as appropriate, and the flow path from the
図5は、本発明の燃料電池における液体燃料供給体40の別の基本形態(第4実施形態)を示すものである。
本実施形態では、複数の各有底スリット溝が燃料供給体の端部まで達している点のみで、上記第3実施形態(図4)と異なるものである。
FIG. 5 shows another basic form (fourth embodiment) of the liquid
This embodiment is different from the third embodiment (FIG. 4) only in that each of the plurality of bottomed slit grooves reaches the end of the fuel supply body.
図6は、本発明の燃料電池における液体燃料供給体40の別の基本形態(第5実施形態)を示すものである。
図6は、各起点流路41a又は廃燃料排出流路41cとなるスリット溝は、それぞれ、合流するレイアウトであっても構わなく、且つ分岐するレイアウトでも構わなく、効率的な燃料供給及び使用済み燃料の除去に応じて設計できる。図6に示すように、使用済み燃料を輸送するスリット溝である廃燃料排出流路41c、終点流路41dは合流するレイアウトとすることで単一の廃燃料回収材等に使用済み燃料を輸送することができる。また、前記した二酸化炭素ガス、廃燃料排出用の太いスリット溝と、空気排出用の細いスリット溝を分岐させて設けることができる。一方、燃料を供給するスリット溝となる起点流路41aは1つから分岐したレイアウトとすることで、燃料貯貯体20との接触部分を単純にすることができる。なお、本実施形態では、燃料供給体40の各端部まで起点流路41a及び終点流路41dまで達する構成としたが、図3に示すように、切り欠く構成としてもよい。
FIG. 6 shows another basic form (fifth embodiment) of the liquid
In FIG. 6, the slit grooves serving as the starting
図7(a)及び(b)は、本発明の実施形態の他例となる燃料電池Bを示すものであり、(a)は、燃料電池の内部を透視態様で示す斜視図、(b)は燃料電池の外観を示す斜視図である。
なお、本実施形態は、廃燃料回収体50を更に取り付けた点でのみ上記図1の燃料電池A等と異なるものである。また、上記実施形態と同様の構成は、同一符号を付けてその説明を省略する。
本実施形態の燃料電池Bは、図7(a)及び(b)に示すように、ケース部材10内に液体燃料を貯留するカートリッジ型の燃料貯留体20と、前記液体燃料を発電に供する発電セル30と、前記燃料貯留体20から前記発電セル30へ連続した流路を有する燃料供給体40と、廃燃料を回収するカートリッジ型の兵燃料回収60とを備えたものである。
7A and 7B show a fuel cell B which is another example of the embodiment of the present invention. FIG. 7A is a perspective view showing the inside of the fuel cell in a transparent manner. FIG. FIG. 2 is a perspective view showing an appearance of a fuel cell.
This embodiment is different from the fuel cell A of FIG. 1 and the like only in that a waste fuel recovery body 50 is further attached. The same configurations as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
As shown in FIGS. 7A and 7B, the fuel cell B of the present embodiment includes a cartridge-type
ケース部材10は、上面開口のケース本体11と、燃料貯留体20を挿入するための挿入口12、空気取り入れ口となるメッシュ部13を有する蓋部14と、廃燃料回収体60を挿入するための挿入口17とから構成されている。
廃燃料回収体60は、カートリッジ型となっており、ケース部材10の挿入口17を介してケース部材10に取り付け自在となっている。この廃燃料回収体60は、発電により生じた二酸化炭素ガスもしくは使用済み燃料またはこれらの混合物などを回収するために用いられるものであり、例えば、廃燃料を吸蔵する毛管力を付与した繊維束体をシート体で被覆した廃燃料貯蔵部61を有し、該廃燃料貯蔵部61の一方の端面に設けた廃燃料誘導部62を介して燃料供給体40の終点流路41dから廃燃料を回収する構成となっている。
廃燃料貯蔵部61の繊維束体は、上述の燃料貯蔵部21と同様に繊維を収束させることで毛管力を付与したものであり、廃燃料を吸蔵するものである。廃燃料誘導部62は、上記廃燃料貯蔵部61と同様の繊維束体等から構成されるものである。
この実施形態の燃料電池Bでは、上記図1の燃料電池Aに較べ、更に、液体燃料の効率的な供給、分配、廃燃料などの効率的な回収を行うことができるものとなる。なお、燃料供給体40としては、図2の形態の他、図3〜図6の各形態の燃料供給体40を使用してもよいものである。
The
The waste
The fiber bundle of the waste
In the fuel cell B of this embodiment, compared to the fuel cell A of FIG. 1, the liquid fuel can be efficiently supplied, distributed, and efficiently recovered such as waste fuel. In addition, as the
本発明の燃料電池は、上述の如く構成されるものであるが、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で更に種々の変更をすることができる。例えば、上記各実施形態においては、流路41として片側が閉じられたスリット溝(有底のスリット溝)を挙げて説明をしたが、これらの「スリット溝」に限らず、発電セル30などと接触する部分41b以外の流路412,41c,41dにおいては、燃料の蒸発または廃燃料などの漏洩を防止したい部分に、管状の流路を採用することもできる。この場合、上記した流路についての条件に合致させるため、管状流路の流路断面積や管状流路壁面の接触角を制御することで、全体の整合をとることができる。
The fuel cell of the present invention is configured as described above, but is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention. For example, in each of the above embodiments, the slit 41 (bottomed slit groove) closed on one side has been described as the
次に、本発明を実施例及び比較例により、更に詳述するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in full detail, this invention is not limited to the following Example.
次に、本発明を実施例及び比較例により更に詳しく説明するが、本発明は、下記実施例によってなんら限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, this invention is not limited at all by the following Example.
〔実施例1及び比較例1〕
下記調整法、処理方法により、燃料電池用燃料供給体を得た後、それを用いて燃料電池を組み立て、燃料貯蔵体から廃燃料貯留体まで液体燃料が移動する速度を測定し、発電の様子も観察した。
[Example 1 and Comparative Example 1]
After obtaining the fuel supply for the fuel cell by the following adjustment method and processing method, the fuel cell is assembled using the fuel supply, and the speed at which the liquid fuel moves from the fuel reservoir to the waste fuel reservoir is measured. Also observed.
(実施例1)
フラン樹脂〔日立化成工業(株)製 ヒタフランVF−303〕10重量部と、ポリ塩化ビニル−ポリ酢酸ビニル共重合体(新第一塩ビ社製 ZEST−C150S)40重量部との混合樹脂に、天然鱗状黒鉛(日本黒鉛工業社製、平均粒径5μm)50重量部を加え、更に可塑剤としてジアリルフタレート20重量部添加した材料をヘンシェルミキサーで混合、分散し、ミキシング用二本ロールを用いて十分に混練を繰り返して燃料電池用セパレータ組成物を調整し、更に粉砕、篩いをかけて粉末を得た。
得られた粉末を図3に準拠する所定の溝パターンを持つ成形用金型でプレス成形した後、有酸素ガス雰囲気中で300℃の温度で乾燥固化させ、不活性ガス雰囲気中で1500℃の加熱処理を行い、炭素製燃料供給体を得た。
得られた燃料供給体の寸法は60mm×100mm×1.2mm(流路面の幅0.05mm、深さ0.2mm)であった。
更に、得られた燃料供給体の流路面に下記方法により、レーザー処理を施し、親水性官能基を形成し、液体燃料に対する毛管力を調整した後、燃料供給体とした。
レーザー処理は、得られた炭素製燃料供給体の流路面に、YAGレーザー装置を用いて、室温空気雰囲気下で、出力12W、パルス幅50μsの条件で流路面にレーザー処理を行い、親水性官能基と凹凸部を形成した。
Example 1
To a mixed resin of 10 parts by weight of a furan resin [Hitafuran VF-303 manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.] and 40 parts by weight of a polyvinyl chloride-polyvinyl acetate copolymer (ZEST-C150S manufactured by Shin-Daiichi PVC Co., Ltd.) 50 parts by weight of natural scale graphite (manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., average particle size 5 μm), and further mixed with 20 parts by weight of diallyl phthalate as a plasticizer are mixed and dispersed with a Henschel mixer, using a two-roll mixing roll The kneading was sufficiently repeated to prepare a fuel cell separator composition, which was further pulverized and sieved to obtain a powder.
The obtained powder was press-molded with a molding die having a predetermined groove pattern conforming to FIG. 3, and then dried and solidified at a temperature of 300 ° C. in an aerobic gas atmosphere, and 1500 ° C. in an inert gas atmosphere. Heat treatment was performed to obtain a carbon fuel supply body.
The dimensions of the obtained fuel supply body were 60 mm × 100 mm × 1.2 mm (flow path surface width 0.05 mm, depth 0.2 mm).
Further, the flow path surface of the obtained fuel supply body was subjected to laser treatment by the following method to form a hydrophilic functional group, and after adjusting the capillary force against the liquid fuel, a fuel supply body was obtained.
Laser treatment is performed on the flow path surface of the obtained carbon fuel supply body using a YAG laser device in a room temperature air atmosphere under conditions of an output of 12 W and a pulse width of 50 μs to perform hydrophilic treatment. A base and an uneven part were formed.
(比較例1)
実施例1で得られたレーザー処理しない燃料供給体の流路面に、更に、ポリプロピレン製の樹脂粒子を焼結させ、連続多孔質体としたものを前記流路面の形状に合わせて切断したものを、前記流路面に詰め、燃料供給体とした。
(Comparative Example 1)
What was obtained by further sintering the resin particles made of polypropylene to the flow path surface of the fuel supply body not subjected to laser treatment obtained in Example 1 and cutting it in accordance with the shape of the flow path surface. The fuel was supplied to the flow path surface.
上記実施例1に燃料供給体について、流路面の親水官能基を、島津製作所社製 X線光電子分光分析装置(ESCA−3400)で行ったところ、C−O、C=Oの結合エネルギーピークの成長があり、新たにカルボキシル基(COOH基)の結合が生成、更に酸素の結合エネルギーピークの成長があることが判った。また、平均粗さRaを、東京精密社製 平均粗さ形状測定器 サーフコムを用い、駆動速度0.3mm/分で行ったところ、平均粗さRa1.1μmであることが判った。
上記実施例1及び比較例1の燃料供給体について、流路面の接触角を、共和界面化学社製 接触角計 CA−X型を用い、液滴を1μl滴下し、接触角を測定したところ、実施例1は20°以下であり、親水化度に優れていることが判明したが、比較例1では、110°であった。
また、燃料流路に、50wt%メタノール水溶液を含浸させた気孔率90%の繊維束多孔体からなる貯留体を毛管連結させたところ、実施例1では、10sec以内にすべて燃料流路に燃料が供給されたが、比較例1では、すべての燃料流路に燃料が供給されるのに5minかかった。
When the hydrophilic functional group on the flow path surface of the fuel supply body in Example 1 was measured with an X-ray photoelectron spectrometer (ESCA-3400) manufactured by Shimadzu Corporation, the binding energy peaks of C—O and C═O were measured. It was found that there was growth, a new bond of a carboxyl group (COOH group) was generated, and there was further growth of the binding energy peak of oxygen. Further, when the average roughness Ra was measured at a driving speed of 0.3 mm / min using an average roughness shape measuring device Surfcom manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd., it was found that the average roughness Ra was 1.1 μm.
For the fuel supply bodies of Example 1 and Comparative Example 1 above, the contact angle of the flow path surface was measured by using a contact angle meter CA-X manufactured by Kyowa Interface Chemical Co., Ltd. In Example 1, it was found to be 20 ° or less and excellent in the degree of hydrophilicity, but in Comparative Example 1, it was 110 °.
In addition, when a reservoir made of a fiber bundle porous body with a porosity of 90% impregnated with a 50 wt% aqueous methanol solution was connected to the fuel flow path by capillary connection, in Example 1, all the fuel flowed within 10 seconds. Although it was supplied, in Comparative Example 1, it took 5 minutes to supply the fuel to all the fuel flow paths.
上記の結果から明らかなように、本発明範囲となる多孔質体によらない実施例1の燃料供給体は、本発明の範囲外となる比較例1の多孔質体を用いた燃料供給体に較べて、優れた燃料の輸送速度、並びに、安定した燃料の輸送力を有することが判明した。 As is clear from the above results, the fuel supply body of Example 1 that does not depend on the porous body that falls within the scope of the present invention is a fuel supply body that uses the porous body of Comparative Example 1 that falls outside the scope of the present invention. By comparison, it was found that the fuel has an excellent fuel transportation speed and a stable fuel transportation capacity.
固体高分子型などの燃料電池において、液体燃料を発電セルに効率よく供給することができる燃料供給体等を備えた燃料電池が得られる。 In a fuel cell of a solid polymer type or the like, a fuel cell including a fuel supply body that can efficiently supply liquid fuel to a power generation cell can be obtained.
10 ケース部材
20 燃料貯留体
30 発電セル
40 燃料供給体
DESCRIPTION OF
Claims (11)
h1≦(L1×γ1×cosθ1)/(s1×ρ1×g) ………(I) In the flow path of the fuel supply body, the cross-sectional line length of the flow path having the bottomed cross-sectional shape is L1, the cross-sectional area of the flow path portion having the bottomed cross-sectional shape is s1, the specific gravity of the liquid fuel is ρ1, and the surface of the liquid fuel When the tension is γ1, the contact angle between the liquid fuel and the channel surface is θ1, and the gravitational acceleration is g, the channel length h1 of the fuel supply body is in the range represented by the following formula (I). The fuel cell according to claim 1, comprising:
h1 ≦ (L1 × γ1 × cos θ1) / (s1 × ρ1 × g) (I)
h2≦(L2×γ2×cosθ2)/(s2×ρ2×g) ………(II) The cross-sectional line length of the bottomed cross-sectional flow path is L2, the cross-sectional area of the bottomed cross-sectional flow path portion is s2, the specific gravity of the waste fuel is ρ2, the surface tension of the waste fuel is γ2, When the contact angle between the waste fuel and the flow path surface is θ2 and the gravitational acceleration is g, the length h2 of the flow path of the waste fuel discharger is provided in a range represented by the following formula (II). The fuel cell according to claim 1.
h2 ≦ (L2 × γ2 × cos θ2) / (s2 × ρ2 × g) (II)
h1≦〔(2a+b)×γ1×cosθ1〕/(a×b×ρ1×g)…(III) The length of one side of the rectangle is a, the length of the missing side is b, the specific gravity of the fuel is ρ1, the surface tension of the fuel is γ1, the contact angle between the fuel and the flow path surface is θ1, and gravity 6. The fuel cell according to claim 5, wherein when the acceleration is g, the flow path has a flow path having a length h <b> 1 in a range represented by the following formula (III).
h1 ≦ [(2a + b) × γ1 × cos θ1] / (a × b × ρ1 × g) (III)
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