明 細 書 Specification
燃料電池 Fuel cell
技術分野 Technical field
[0001] 本発明は、携帯機器の動作に有効な平面配置直列接続の燃料電池に関する。 TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a planar arrangement series-connected fuel cell effective for the operation of a portable device.
背景技術 Background art
[0002] 携帯電話やノートパソコンなどのモパイル機器の電源として充電が不要な小型の燃 料電池が注目されている。一般的にモパイル機器の電源として使用されている二次 電池は電池容量を使!/、果たした場合に充電する必要があるが、これに対して燃料電 池は燃料を補充するだけでよぐ使い勝手が良いとされている。しかし、小型の燃料 電池は単電池の出力が低いことが一つの欠点である。このため、機器を駆動させる 出力を得るために、例えば特開 2004— 014148号公報および国際公開番号 2005 /112172A1号公報に記載されているように複数の単電池を直列に接続しなけれ ばならない。この場合に、出力の低下を抑えるために、接続部で発生する電気抵抗 を極力小さくする必要がある。 [0002] As a power source for mobile phones, notebook computers, and other mopile devices, a small fuel cell that does not require charging is drawing attention. In general, secondary batteries used as the power source for mopile equipment use battery capacity! / When they are fulfilled, they need to be recharged. On the other hand, fuel cells need only be refilled with fuel. It is said that it is easy to use. However, one of the drawbacks of small fuel cells is that the output of single cells is low. For this reason, in order to obtain an output for driving the device, a plurality of single cells must be connected in series as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-014148 and International Publication No. 2005 / 112172A1. In this case, it is necessary to reduce the electrical resistance generated at the connection as much as possible in order to suppress the decrease in output.
[0003] 単電池間の接続部の電気抵抗には多くのパラメータが関与する力 S、そのなかでも 特に集電体と拡散層の材質と構造が接続部の電気抵抗に強い影響力をもっている。 したがって、集電体と拡散層の構造を工夫することで、接続部の電気抵抗を小さくで きれば、材料選択の幅が広がり、設計の自由度が増すなどのメリットがある。 [0003] The electrical resistance at the connection between single cells is a force S involving many parameters, and in particular, the material and structure of the current collector and diffusion layer have a strong influence on the electrical resistance at the connection. Therefore, if the electrical resistance of the connecting part can be reduced by devising the structure of the current collector and the diffusion layer, there are merits such as widening the range of material selection and increasing the degree of design freedom.
発明の開示 Disclosure of the invention
[0004] 本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、単電池間を接続する接 続部の電気抵抗を小さくすることができる燃料電池を提供することを目的とする。 [0004] The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that can reduce the electrical resistance of a connecting portion that connects the cells.
[0005] 本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層と拡散層を含む電極がそれ ぞれ配置された膜電極接合体と、発電出力を取り出すために前記両電極の拡散層 にそれぞれ面接触する集電体と、を具備する燃料電池であって、前記集電体の少な くとも一部が前記拡散層のなかに侵入していることを特徴とする。 [0005] A fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly in which electrodes each including a catalyst layer and a diffusion layer are disposed on both surfaces of an electrolyte membrane, and a diffusion layer of the both electrodes in order to extract a power generation output. A fuel cell comprising current collectors in surface contact with each other, wherein at least a part of the current collector penetrates into the diffusion layer.
図面の簡単な説明 Brief Description of Drawings
[0006] [図 1]本発明の実施の形態に係る燃料電池を示す内部透視断面図。
[図 2]集電体の一例を示す平面図。 [0006] FIG. 1 is an internal perspective sectional view showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view showing an example of a current collector.
[図 3]実施の形態に係る集電体の断面図。 FIG. 3 is a cross-sectional view of a current collector according to an embodiment.
[図 4]他の実施の形態に係る集電体の断面図。 FIG. 4 is a cross-sectional view of a current collector according to another embodiment.
[図 5]他の実施の形態に係る集電体(6直)の平面図。 FIG. 5 is a plan view of a current collector (6 series) according to another embodiment.
[図 6]本発明の他の実施の形態に係る燃料電池を示す内部透視断面図。 FIG. 6 is an internal perspective sectional view showing a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
[図 7]燃料分配機構を示す斜視図。 FIG. 7 is a perspective view showing a fuel distribution mechanism.
発明を実施するための最良の形態 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0007] 集電体を拡散層に食い込ませるためには、拡散層が集電体よりも軟らかく変形しや すい材料でできていることが必要である。拡散層にはカーボンペーパーやカーボンク ロス等を用いる。集電体には白金、金などの貴金属、ニッケル、ステンレス鋼などの耐 食性金属などの金属材料力もなる多孔質層(例えば金属メッシュ)または箔体を用い ること力 S好ましく、また、金やカーボンなどの導電性材料を異種金属で表面処理した 材料、例えば、銅やステンレス鋼に金などの良導電性金属を被覆した複合材などを それぞれ使用することが可能である。カーボンペーパーはアノードに供給される燃料 や力ソードに供給されるエアーの拡散層としての役割があるため多孔体を使用する 力 均一に燃料やエアーを拡散させるために細孔分布は均一であることが望ましい。 また、カーボンペーパーは導電体としての役割も担うため体積抵抗率が小さいほうが 良ぐ例えば東レ社製の TGP (Toray Graphite Paper :商品名)やジャパンゴァテック ス社製のカーベル(商品名)などを用いることができる。集電体の厚みは 30 m以上 、 200 m以下の範囲とすることが好ましぐより好ましい範囲として 50〜; 100 mで ある。集電体の厚みが 30 m未満になると、材料種にもよるが、剛性が不足して変形 しゃすくなり、これを拡散層に食い込ませることができなくなる。一方、集電体の厚み 力 ¾00 mを超えると、燃料電池自体の厚みが不必要に厚くなり、スペース効率が悪 化してしまうからである。 [0007] In order for the current collector to bite into the diffusion layer, it is necessary that the diffusion layer be made of a material that is softer and easier to deform than the current collector. Carbon paper or carbon cross is used for the diffusion layer. It is preferable to use a porous layer (for example, a metal mesh) or a foil body that also has a metallic material force such as a precious metal such as platinum or gold, a corrosion-resistant metal such as nickel or stainless steel, etc. as a current collector. A material obtained by surface treatment of a conductive material such as carbon with a dissimilar metal, for example, a composite material obtained by coating copper or stainless steel with a good conductive metal such as gold can be used. Carbon paper has a role as a diffusion layer for the fuel supplied to the anode and the air supplied to the power sword, so the force to use the porous material is uniform and the pore distribution is uniform to diffuse the fuel and air uniformly. Is desirable. Carbon paper also plays a role as a conductor, so it is better to have a low volume resistivity. For example, TGP (Toray Graphite Paper: trade name) manufactured by Toray Industries, Inc. and Carbell (trade name) manufactured by Japan Gore-Tex. Can be used. The thickness of the current collector is preferably 30 m or more and 200 m or less, more preferably 50 to 100 m. If the thickness of the current collector is less than 30 m, depending on the type of material, the rigidity is insufficient and the deformation becomes squeezed, which cannot be absorbed into the diffusion layer. On the other hand, if the thickness force of the current collector exceeds ¾00 m, the thickness of the fuel cell itself becomes unnecessarily thick and the space efficiency deteriorates.
[0008] 集電体を拡散層のなかに侵入させる方法には、プレス加工に代表されるような圧力 により押し付ける方法が簡易な方法として挙げられる。例えば、膜電極接合体の両側 に配置される集電体で膜電極接合体を挟み込み、その状態でプレス機により押し付 けて侵入させる方法である。このとき、プレス加工は、ワークを 100°C以上(例えば 10
0~150°C)に加熱して熱間で行ってもよぐ室温より少し高い温度(例えば 40〜60 °c)に加熱して温間で行ってもよぐまた室温で行ってもよい。また、この集電体で挟 み込まれた膜電極接合体は最終的には外装材に内蔵されて燃料電池となるが、この 内蔵される過程で集電体を押し付けて侵入させても良い。具体的にはカシメゃネジ 止めなどにより外装材は固定されることになるが、このとき、集電体が膜電極接合体 の拡散層に侵入するよう、圧力が加わるようにしてぉレ、ても良レ、。 [0008] As a method of causing the current collector to enter the diffusion layer, a method of pressing with a pressure as typified by press working can be mentioned as a simple method. For example, the membrane electrode assembly is sandwiched between current collectors arranged on both sides of the membrane electrode assembly, and in this state, the membrane electrode assembly is pressed by a pressing machine to enter. At this time, the press working is performed at a temperature of 100 ° C or higher (for example, 10 ° C). Heating to 0 to 150 ° C) and heating may be performed at a temperature slightly higher than room temperature (for example, 40 to 60 ° C), or heating may be performed at room temperature. . In addition, the membrane electrode assembly sandwiched between the current collectors is finally built into the exterior material to become a fuel cell. However, the current collector may be pressed and penetrated in the process of being built in. . Specifically, the outer packaging material is fixed by caulking screws, etc., but at this time, the pressure is applied so that the current collector enters the diffusion layer of the membrane electrode assembly. Also good.
[0009] 前記のように、前記集電体は前記拡散層に押し込まれることにより前記集電体の少 なくとも一部が前記拡散層のなかに侵入している場合に、前記集電体を前記拡散層 に押し込む前の体積平均空孔率を α %とし、集電体の少なくとも一部を拡散層に押 し込んだときの前記拡散層が潰れる部分の潰れ率を/ 3 %とした場合に、 β≤ α /3 の関係を満たすことが好ましい。これから外れる /3〉 α /3の範囲では、拡散層が潰 れすぎることにより拡散が阻害されたり、また、極端なケースでは拡散層が過度に変 形して破断したりするおそれがあるからである。ここで「体積平均空孔率」とは、単位 体積当たりの平均の空孔率であり、拡散層に集電体を押し込む前の拡散層の空孔 率であるが、拡散層に集電体が押し込まれた後のものを評価する場合には、拡散層 に集電体が押し込まれてレ、なレ、部分の空孔率に置き換えて定義することができる。 体積平均空孔率は例えばポロシメーターを用いて測定することができる。また、「潰れ 率」は、集電体が押し込まれていない部分の拡散層の厚さに対する集電体を拡散層 に押し込んでいる部分の拡散層の厚さ減少分との割合 (集電体を拡散層に押し込ん でいる部分の拡散層の厚さ減少分/集電体が押し込まれていない部分の拡散層の 厚さ)である。例えば拡散層が矩形の場合には、拡散層に集電体が押し込まれてい ない部分を 5点(部分の中央部近傍と、各辺の中央近傍)測定した結果の平均を集 電体が押し込まれていない部分の拡散層の厚さとする。また、集電体を同一拡散層 上に多数直列配置した場合には、各集電体の中央近傍の集電体が存在する部分で 測定した結果の平均を集電体を拡散層に押し込んでいる部分の拡散層の厚さ減少 分とする。 [0009] As described above, when the current collector is pushed into the diffusion layer, at least a part of the current collector penetrates into the diffusion layer. When the volume average porosity before being pushed into the diffusion layer is α%, and the crushing ratio of the portion where the diffusion layer is crushed when at least a part of the current collector is pushed into the diffusion layer is 3% In addition, it is preferable to satisfy the relationship β≤α / 3. Deviating from this range / 3> In the range of α / 3, the diffusion layer may be crushed too much to inhibit diffusion, and in extreme cases, the diffusion layer may be excessively deformed and break. is there. Here, the “volume average porosity” is the average porosity per unit volume, and is the porosity of the diffusion layer before the current collector is pushed into the diffusion layer. In the case of evaluating the material after being pushed in, the current collector can be pushed into the diffusion layer and replaced with the porosity of the part. The volume average porosity can be measured using, for example, a porosimeter. In addition, the “crush rate” is the ratio of the thickness of the diffusion layer where the current collector is pushed into the diffusion layer to the thickness of the diffusion layer where the current collector is not pushed in (the current collector) Is the thickness decrease of the diffusion layer in the portion where the current is pressed into the diffusion layer / the thickness of the diffusion layer in the portion where the current collector is not pressed). For example, when the diffusion layer is rectangular, the current collector is pushed in by averaging five points (near the center of the part and near the center of each side) of the area where the current collector is not pushed into the diffusion layer. The thickness of the unexposed portion of the diffusion layer is taken. In addition, when a large number of current collectors are arranged in series on the same diffusion layer, the average of the results measured in the area where the current collector near the center of each current collector exists is pushed into the diffusion layer. It is assumed that the thickness of the diffusion layer is reduced.
[0010] 集電体として、燃料または空気を通流させるための複数の孔が開口する有孔平板 を用いること力 Sできる。この有孔平板の開口率を 35%以上とすることが好ましぐ 50
%以上とすること力 Sより好ましい。すなわち、複数の孔を二次元投影した合計面積を 集電体全体を二次元投影した全面積に対して 35%以上とする。開口率が 35%未満 になると、集電体の押し込みにより拡散層のつぶれる部分が増加し、かえって燃料電 池の出力特性を低下させるからである。開口率を 50%以上にすれば、更に出力特 性が向上し、安定した出力特性が得られる。 [0010] It is possible to use a perforated flat plate having a plurality of holes through which fuel or air flows as a current collector. It is preferable that the aperture ratio of this perforated flat plate be 35% or more. It is more preferable than S to be at least%. That is, the total area obtained by two-dimensionally projecting a plurality of holes is set to 35% or more of the total area obtained by projecting the entire current collector two-dimensionally. This is because if the aperture ratio is less than 35%, the portion of the diffusion layer that collapses due to the indentation of the current collector increases, which in turn reduces the output characteristics of the fuel cell. If the aperture ratio is 50% or more, the output characteristics are further improved, and stable output characteristics can be obtained.
[0011] 本発明の燃料電池では、拡散層の上に集電体を重ね合わせ、プレス等により面圧 をかけて集電体を拡散層のなかに食い込ませているので、両者の密着性が向上する とともに両者の相互接触面積が増加する。このため、集電体/拡散層間の接続部に おける接触抵抗が小さくなり、発電出力の損失が少なくなる。 [0011] In the fuel cell of the present invention, the current collector is superimposed on the diffusion layer, and the current collector is bitten into the diffusion layer by applying a surface pressure with a press or the like. As it improves, the mutual contact area between the two increases. This reduces the contact resistance at the connection between the current collector / diffusion layer and reduces the power generation output loss.
[0012] また、集電体の侵入部分が従来の構造よりも触媒層に近いところに位置するように なるので、発電部内での電流経路が短縮され、内部抵抗が小さくなる。これによつて も発電出力の損失が少なくなる。 [0012] Further, since the intruding portion of the current collector is located closer to the catalyst layer than the conventional structure, the current path in the power generation unit is shortened, and the internal resistance is reduced. This also reduces the loss of power output.
[0013] 以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の形態を説明する。 [0013] Various modes for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0014] (第 1の実施の形態) [0014] (First embodiment)
先ず、燃料電池の全体の概要について図 1を参照して説明する。 First, an overview of the entire fuel cell will be described with reference to FIG.
[0015] 燃料電池 1は、外側を外装ケース 21で覆われ、内部に平面配置 ·直列接続された 複数の単電池を有するものである。燃料電池 1は、例えば外装ケース 21の端部を燃 料収容室構造体 20の外面にかしめ加工することにより、複数の単電池を一体化した 1つのユニットとして構成してもよいし、外装ケース 21と燃料収容室構造体 20とをボ ノレトとナットで締め付けることにより、これらを一体化形成するようにしてもよい。 The fuel cell 1 has a plurality of unit cells whose outer sides are covered with an outer case 21 and are arranged in a plane and connected in series. The fuel cell 1 may be configured as a single unit in which a plurality of single cells are integrated by, for example, caulking the end portion of the outer case 21 to the outer surface of the fuel storage chamber structure 20. 21 and the fuel storage chamber structure 20 may be integrally formed by tightening them with a bolt and a nut.
[0016] 燃料電池 1は、発電部としての膜電極接合体 10、集電体としての力ソード集電体 7 及びアノード集電体 9、気化膜としての気液分離膜 13、液体燃料スペース 14を形成 する燃料収容室構造体 20を備えている。膜電極接合体 10は、プロトン伝導性の固 体電解質膜 6を間に挟んでその両側に力ソード触媒層 2とアノード触媒層 3が熱プレ ス法で一体成形され、さらにその外側に力ソードガス拡散層 4とアノードガス拡散層 5 を有している。さらに、膜電極接合体 10の力ソードガス拡散層 4には正極集電体 7が 導通し、アノードガス拡散層 5には負極集電体 9が導通している。これら正負一対の 集電体 7, 9を介して発電部で発電された電力が図示しない負荷に出力されるように
なっている。 The fuel cell 1 includes a membrane electrode assembly 10 as a power generation unit, a force sword current collector 7 and an anode current collector 9 as current collectors, a gas-liquid separation membrane 13 as a vaporized membrane, and a liquid fuel space 14 A fuel storage chamber structure 20 is formed. The membrane electrode assembly 10 includes a force sword catalyst layer 2 and an anode catalyst layer 3 integrally formed on both sides of a proton conductive solid electrolyte membrane 6 by a heat press method, and a force sword gas on the outside thereof. A diffusion layer 4 and an anode gas diffusion layer 5 are provided. Further, the positive electrode current collector 7 is electrically connected to the force sword gas diffusion layer 4 of the membrane electrode assembly 10, and the negative electrode current collector 9 is electrically connected to the anode gas diffusion layer 5. The power generated by the power generation unit through these positive and negative current collectors 7 and 9 is output to a load (not shown). It has become.
[0017] 燃料電池 1の内部にはゴムシール 8や Oリング(図示せず)によって種々のスペース や間隙が形成されている。それらのスペースや間隙のうち、例えば力ソード側のスぺ 一スは保湿板を有する空気導入部として用いられ、アノード側のスペースは気液分 離膜 13を介して液体燃料収容室 14に連通する気化室として用いられる。 [0017] Various spaces and gaps are formed in the fuel cell 1 by rubber seals 8 and O-rings (not shown). Among these spaces and gaps, for example, the space on the force sword side is used as an air introduction part having a moisture retaining plate, and the space on the anode side communicates with the liquid fuel storage chamber 14 via the gas-liquid separation membrane 13. Used as a vaporizing chamber.
[0018] 気化室(図示せず)は液体燃料収容室 14に隣接して設けられ、両室間は気液分離 膜 13により仕切られている。気液分離膜 13は、その周縁部がシール部材(図示せず )と燃料収容室構造体 20のフランジとの間に挟みこまれた状態で支持されている。気 液分離膜 13は、多数の細孔を有するポリテトラフルォロエチレン (PTFE)シートから なり、液体燃料 (メタノール液又はその水溶液など)を遮断し、気化燃料 (メタノールガ スなど)を透過させるものである。 A vaporization chamber (not shown) is provided adjacent to the liquid fuel storage chamber 14, and the two chambers are partitioned by a gas-liquid separation film 13. The gas-liquid separation membrane 13 is supported in a state where its peripheral edge is sandwiched between a seal member (not shown) and the flange of the fuel storage chamber structure 20. The gas-liquid separation membrane 13 is made of a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet having a large number of pores, blocks liquid fuel (such as methanol liquid or its aqueous solution), and permeates vaporized fuel (such as methanol gas). It is something to be made.
[0019] 外装ケース 21の主面には複数の通気孔 22が所定ピッチ間隔ごとに開口し、内部 の保湿板 19にそれぞれ連通している。これらの通気孔 22は、外気が通過する開口 を形成するが、外気の通過を阻害せずに、外部から力ソードガス拡散層 4への微小あ るいは針状の異物の浸入 ·接触を防止しうるような形状が工夫されている。 A plurality of air holes 22 are opened at predetermined pitch intervals on the main surface of the outer case 21 and communicated with the internal moisture retaining plate 19. These air holes 22 form openings through which the outside air passes, but do not hinder the passage of the outside air, and prevent the entry or contact of minute or needle-like foreign substances to the force sword gas diffusion layer 4 from the outside. The shape that can be obtained is devised.
[0020] 外装ケース 21の材料には、ステンレス鋼やニッケル合金などの耐食性に優れた金 属材料を用いることが望ましいが、金属材料に限られることなく樹脂材料を用いること もでき、例えばポリエーテルエーテルケトン(PEEK :ヴィクトレックスピーエルシー社 の商標)、ポリフエ二レンサルファイド(PPS)、ポリテトラフルォロエチレン(PTFE)な どの液体燃料で膨潤等を生じにくい硬質の樹脂を用いてもよい。 [0020] The outer case 21 is preferably made of a metal material having excellent corrosion resistance, such as stainless steel or nickel alloy, but is not limited to a metal material, and a resin material can be used. A hard resin that does not easily swell with a liquid fuel, such as ether ketone (PEEK: trademark of Victorex PLC), polyphenylene sulfide (PPS), polytetrafluoroethylene (PTFE) may be used.
[0021] シール部材には、硬質から軟質までの各種のゴム系材料、樹脂系材料または金属 材料を用いることができる力 このうちゴム系材料(例えば EPDM (エチレンプロピレ ンゴム)、 FKM (フッ素ゴム)、 NBR (二トリルブタジエンゴム)、 SBR (スチレンブタジ ェンゴム))が最も適している。 [0021] Various rubber-based materials ranging from hard to soft, resin-based materials, or metal materials can be used for the seal member. Of these, rubber-based materials (for example, EPDM (ethylene propylene rubber), FKM (fluoro rubber) ), NBR (nitrile butadiene rubber), SBR (styrene butadiene rubber)) are most suitable.
[0022] 燃料電池 1の内部において、 1つの単電池の負極集電体 9を図 2に示す。負極集電 体 9には複数の開口部 16が開口している。これらの開口部 16は、アノードガス拡散 層 3の側にそれぞれ連通している。液体燃料収容室 14内の液体燃料の一部が気化 すると、気化燃料は気液分離膜 13を通って気化室内に入り、さらに気化室から集電
体 9の開口部 16を通ってアノードガス拡散層 5およびアノード触媒層 3に導入され、 発電反応に寄与する。 FIG. 2 shows the negative electrode current collector 9 of one unit cell inside the fuel cell 1. The negative electrode current collector 9 has a plurality of openings 16. These openings 16 communicate with the anode gas diffusion layer 3 side. When a part of the liquid fuel in the liquid fuel storage chamber 14 is vaporized, the vaporized fuel passes through the gas-liquid separation membrane 13 and enters the vaporization chamber, and further collects current from the vaporization chamber. It is introduced into the anode gas diffusion layer 5 and the anode catalyst layer 3 through the opening 16 of the body 9 and contributes to the power generation reaction.
[0023] 同様に、正極集電体 7にも複数の開口部 16が開口している。これらの開口部 16は 保湿板(図示せず)を介して外装ケース 21の通気孔 22に連通している。空気が通気 孔 22から導入されると、空気調整スペースの保湿板を通って加湿され、集電体 7の 開口部 16を通って力ソードガス拡散層 4および力ソード触媒層 2に導入され、発電反 応に寄与する。 Similarly, the positive electrode current collector 7 also has a plurality of openings 16. These openings 16 communicate with the vent hole 22 of the outer case 21 through a moisture retaining plate (not shown). When air is introduced from the vent hole 22, it is humidified through the moisture retaining plate in the air conditioning space, and is introduced into the force sword gas diffusion layer 4 and the force sword catalyst layer 2 through the opening 16 of the current collector 7 to generate power. Contributes to the reaction.
[0024] 集電体 7, 9は、図 2に示すように、全体の形状がほぼ正方形であり、その一辺の中 央からリード 7a, 9aが延び出ている。リード 7a, 9aは図示しない負荷の両極端子にそ れぞれ接続される。集電体の開口部 16は、実質的に同じ大きさの長方形であり、縦 5 列 X横 4列の合計 20が格子状に規則配列されて!/、る。 As shown in FIG. 2, the current collectors 7 and 9 have a substantially square shape, and leads 7a and 9a extend from the center of one side. Leads 7a and 9a are connected to the terminals of the load (not shown). The current collector opening 16 is a rectangle of substantially the same size, and a total of 20 columns in 5 rows x 4 rows is regularly arranged in a grid pattern!
[0025] 発電部 10のアノード側から負極集電体 9に電子を取り出して、発電工ネルギの効 率良い利用を可能とするために、図 3に示すように集電体 9の一部を拡散層 5のなか に食い込ませている。力ソード側においても同様に、正極集電体 7の一部を拡散層 4 のなかに食い込ませている。本実施の形態では、プレス加工機を用いて約 100°Cの 温度で温間プレスすることにより、各集電体 7, 9を厚さの半分 (tl/2)まで拡散層 4 , 5にそれぞれ食い込ませた。集電体 7, 9の厚さ tlを例えば 0· lmm dOC^ m)とす ると、拡散層 4, 5に対する集電体 7, 9の食い込み深さ dlは 50 mになる。 [0025] In order to extract electrons from the anode side of the power generation unit 10 to the negative electrode current collector 9 and to make efficient use of the power generation energy, a part of the current collector 9 is used as shown in FIG. It penetrates into the diffusion layer 5. Similarly, on the force sword side, part of the positive electrode current collector 7 is bitten into the diffusion layer 4. In the present embodiment, the current collectors 7 and 9 are formed in the diffusion layers 4 and 5 to half the thickness (tl / 2) by warm pressing using a press machine at a temperature of about 100 ° C. Each bite. If the thickness tl of the current collectors 7 and 9 is, for example, 0 · lmm dOC ^ m), the biting depth dl of the current collectors 7 and 9 with respect to the diffusion layers 4 and 5 is 50 m.
[0026] また、図 4は集電体 9Aの一部を拡散層 5Aのなかに食い込ませている例である。力 ソード側においても同様に、正極集電体 7Aの一部を拡散層 4Aのなかに食い込ませ ている。本実施の形態では、プレス加工機を用いて約 150°Cの温度でホットプレスす ることにより、各集電体 7A, 9Aをその厚さ tlまで拡散層 4, 5にそれぞれ食い込ませ た。集電体 7A, 9Aの厚さ tlを例えば 0· lmmdOC^ m)とすると、拡散層 4A, 5A に対する集電体 7A, 9Aの食い込み深さ dlは 100 mになる。 [0026] Fig. 4 shows an example in which a part of the current collector 9A is bitten into the diffusion layer 5A. Similarly, on the force sword side, a part of the positive electrode current collector 7A is bitten into the diffusion layer 4A. In the present embodiment, the current collectors 7A and 9A are bitten into the diffusion layers 4 and 5 to the thickness tl by hot pressing at a temperature of about 150 ° C. using a press machine. When the thickness tl of the current collectors 7A and 9A is, for example, 0 · lmmdOC ^ m), the biting depth dl of the current collectors 7A and 9A with respect to the diffusion layers 4A and 5A is 100 m.
[0027] 集電体 7, 9には 0. 1mm厚のステンレス鋼板に金メッキを施したものを用い、ァノー ド極に供給されることになる燃料と力ソード極で必要となる空気の取り込みを妨げない ための穴加工がそれぞれ施してある。これらの集電体 7, 9の一部は燃料電池外部に 引き出され、外部端子の役割をする。
[0028] 固体高分子膜 6の両面に白金または白金とその他の金属からなる触媒を塗布して 触媒層 2, 3を形成し、その両側に配置する拡散層 4, 5にはカーボンペーパーを使 用した。使用するカーボンペーパーの厚み t2はアノード側、力ソード側とも 0. 4mm 厚とし、発電に寄与する触媒部分及びカーボンペーパーの大きさは 40mm角の正方 形、その発電部の各辺において固体高分子膜 6が 5mm突出するように固体高分子 膜 6のサイズを 50mm X 50mm角とした。 [0027] The current collectors 7 and 9 are made of a 0.1 mm thick stainless steel plate plated with gold to capture the fuel to be supplied to the anode and the air required for the power sword. Each hole has been drilled so as not to interfere. Some of these current collectors 7 and 9 are drawn out of the fuel cell and serve as external terminals. [0028] Platinum or a catalyst made of platinum and other metals is applied to both surfaces of the solid polymer film 6 to form catalyst layers 2 and 3, and carbon paper is used for the diffusion layers 4 and 5 disposed on both sides thereof. I used it. The thickness t2 of the carbon paper used is 0.4 mm on both the anode side and the force sword side. The catalyst part contributing to power generation and the size of the carbon paper are 40 mm square, solid polymer on each side of the power generation part. The size of the solid polymer film 6 was 50 mm × 50 mm square so that the film 6 protruded 5 mm.
[0029] 液体燃料収容室 14には燃料導入口 15が開口している。燃料導入口 15には例え ばキー溝型のカプラーが取り付けられ、このカプラーに図示しない燃料カートリッジの ノズルが差し込まれ、液体燃料が液体燃料収容室 14に補給されるようになっている。 A fuel introduction port 15 is opened in the liquid fuel storage chamber 14. For example, a key groove type coupler is attached to the fuel inlet 15, and a nozzle of a fuel cartridge (not shown) is inserted into the coupler so that liquid fuel is supplied to the liquid fuel storage chamber 14.
[0030] 液体燃料収容室 14内には液体燃料含浸層(図示せず)が収容されている。液体燃 料含浸層には例えば多孔質ポリエステル繊維、多孔質ォレフイン系樹脂等多硬質繊 維や、連続気泡多孔質体樹脂を用いることが好ましい。液体燃料含浸層は、燃料タ ンク内の液体燃料が減少した場合や燃料電池本体が傾斜して載置され燃料供給が 偏った場合においても、気液分離膜に均質に燃料供給され、その結果、アノード触 媒層 3に均質に気化された液体燃料を供給することが可能となる。ポリエステル繊維 以外にも、アクリル酸系の樹脂などの各種吸水性ポリマーにより構成してもよぐスポ ンジまたは繊維の集合体など液体の浸透性を利用して液体を保持することができる 材料により構成する。本液体燃料含浸部は,本体の姿勢に関わらず適量の燃料を供 給するのに有効である。 A liquid fuel impregnation layer (not shown) is accommodated in the liquid fuel storage chamber 14. For the liquid fuel-impregnated layer, it is preferable to use, for example, a multi-rigid fiber such as porous polyester fiber or porous olefin resin, or an open-cell porous material resin. The liquid fuel impregnated layer is uniformly supplied to the gas-liquid separation membrane even when the liquid fuel in the fuel tank is reduced or even when the fuel cell body is tilted and the fuel supply is biased. Thus, it is possible to supply the vaporized liquid fuel to the anode catalyst layer 3 uniformly. In addition to polyester fiber, it is composed of a material that can hold the liquid using the permeability of the liquid, such as sponges or fiber aggregates that can be composed of various water-absorbing polymers such as acrylic resins. To do. This liquid fuel impregnation part is effective for supplying an appropriate amount of fuel regardless of the posture of the main body.
[0031] なお、液体燃料には、メタノール水溶液、純メタノール等のメタノール燃料、エタノー ル水溶液、純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール 等のプロパノール燃料、グリコール水溶液ゃ純グリコール等のダリコール燃料、ギ酸 水溶液、ギ酸ナトリウム水溶液、酢酸水溶液、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、水素化リチウム水溶液、エチレングリコール水溶液、ジメチル エーテルなどの水素を含む有機系の水溶液が用いられる。中でもメタノール水溶液 は、炭素数が 1で反応の際に発生するのが炭酸ガスであると共に、低温での発電反 応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造することができるので好ましい。 また、燃料は濃度 100%から数%までの範囲で種々の濃度のものを用いることができ
[0032] 固体電解質膜 6は、アノード触媒層 3において発生したプロトンを力ソード触媒層 2 に輸送するためのものであり、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ている。例えば、ポリパーフルォロスルホン酸系の樹脂膜、具体 的には、デュポン社製のナフイオン膜、旭硝子社製のフレミオン膜、あるいは旭化成 工業社製のァシプレックス膜などにより構成されている。なお、ポリパーフルォロスル ホン酸系の樹脂膜以外にも、トリフルォロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸 させたポリべンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは 脂肪族炭化水素系樹脂膜などプロトンを輸送可能な電解質膜 6を構成するようにし てもよい。 [0031] The liquid fuel includes methanol fuel such as methanol aqueous solution, pure methanol, ethanol aqueous solution such as ethanol aqueous solution, pure ethanol, propanol fuel such as propanol aqueous solution and pure propanol, and Daricol fuel such as glycol aqueous solution and pure glycol. Organic aqueous solutions containing hydrogen such as aqueous formic acid, aqueous sodium formate, aqueous acetic acid, aqueous sodium borohydride, aqueous potassium borohydride, aqueous lithium hydride, aqueous ethylene glycol, and dimethyl ether are used. Among these, an aqueous methanol solution is preferable because it has carbon number of 1 and carbon dioxide gas is generated during the reaction, and can generate electricity at a low temperature and can be produced relatively easily from industrial waste. . In addition, fuels with various concentrations in the range from 100% to several percent can be used. [0032] The solid electrolyte membrane 6 is for transporting protons generated in the anode catalyst layer 3 to the force sword catalyst layer 2, and is composed of a material that does not have electron conductivity and can transport protons. Has been. For example, it is composed of a polyperfluorosulfonic acid resin membrane, specifically, a naphthoion membrane manufactured by DuPont, a Flemion membrane manufactured by Asahi Glass, or an aciplex membrane manufactured by Asahi Kasei Kogyo. In addition to polyperfluorosulfonic acid-based resin films, copolymer films of trifluorostyrene derivatives, polybenzimidazole films impregnated with phosphoric acid, aromatic polyether ketone sulfonic acid films, or An electrolyte membrane 6 capable of transporting protons such as an aliphatic hydrocarbon resin membrane may be formed.
[0033] アノード触媒層 3は、ガス拡散層 5を介して供給される気化燃料を酸化して燃料から 電子とプロトンとを取り出すものである。アノード触媒層 3は、例えば、触媒を含む炭 素粉末により構成されている。触媒には、例えば、白金 (Pt)の微粒子、鉄 (Fe)、ニッ ケル(Ni)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)あるいはモリブデン(Mo)などの遷移金 属あるいはその酸化物あるいはそれらの合金などの微粒子が用いられる。但し、触媒 をルテニウムと白金との合金により構成するようにすれば、一酸化炭素(CO)の吸着 による触媒の不活性化を防止することができるので好ましい。 [0033] The anode catalyst layer 3 oxidizes vaporized fuel supplied via the gas diffusion layer 5 to extract electrons and protons from the fuel. The anode catalyst layer 3 is made of, for example, carbon powder containing a catalyst. Examples of the catalyst include platinum (Pt) fine particles, iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), molybdenum (Mo), and other transition metals or oxides thereof or their oxides. Fine particles such as alloys are used. However, it is preferable that the catalyst is made of an alloy of ruthenium and platinum, since inactivation of the catalyst due to adsorption of carbon monoxide (CO) can be prevented.
[0034] また、アノード触媒層 3は、電解質膜 6に用いられる樹脂の微粒子を含むほうがより 望ましい。発生させたプロトンの移動を容易とするためである。アノードガス拡散層 5 は、例えば多孔質の炭素材料よりなる薄膜で構成され、具体的にはカーボンぺーパ 一または炭素繊維などで構成されて!/、る。 [0034] Further, it is more desirable that the anode catalyst layer 3 contains fine particles of resin used for the electrolyte membrane 6. This is to facilitate the movement of the generated protons. The anode gas diffusion layer 5 is made of, for example, a thin film made of a porous carbon material, specifically made of carbon paper or carbon fiber.
[0035] 力ソード触媒層 2は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層 3において発生したプ 口トンとを反応させて水を生成するものであり、例えば上述のアノード触媒層 3及びァ ノードガス拡散層 5と同様に構成されている。すなわち、力ソードは、固体電解質膜 1 1の側から順に触媒を含む炭素粉末よりなる力ソード触媒層 3と多孔質の炭素材料よ りなる力ソードガス拡散層 5とが積み重ねられた積層構造をなしている。力ソード触媒 層 2に用いられる触媒はアノード触媒層 3のそれと同様であり、アノード触媒層 3が固 体電解質膜 6に用いられる樹脂の微粒子を含む場合があることもアノード触媒層 3と
同様である。ちなみに、電解質膜6の厚さは10〜250 111、力ソード触媒層 2、ァノー ド触媒層 3の厚さは 50〜; 100 m、力ソード拡散層 4、アノード拡散層 5の厚さは 250 〜500 H m、正極集電体 7、負極集電体 9の厚さは 30〜200 μ mの範囲からそれぞ れ最適値を選択することができる。 [0035] The force sword catalyst layer 2 reduces oxygen and reacts electrons with the proton generated in the anode catalyst layer 3 to generate water. For example, the above-mentioned anode catalyst layer 3 and The configuration is the same as that of the node gas diffusion layer 5. That is, the force sword has a laminated structure in which a force sword catalyst layer 3 made of carbon powder containing a catalyst and a force sword gas diffusion layer 5 made of a porous carbon material are stacked in order from the solid electrolyte membrane 11 1 side. ing. The catalyst used for the force sword catalyst layer 2 is the same as that of the anode catalyst layer 3, and the anode catalyst layer 3 may contain fine particles of resin used for the solid electrolyte membrane 6. It is the same. Incidentally, the thickness of the electrolyte membrane 6 is 10 to 250 111, the thickness of the force sword catalyst layer 2 and the anode catalyst layer 3 is 50 to; 100 m, the thickness of the force sword diffusion layer 4 and the anode diffusion layer 5 is 250. The optimum values for the thicknesses of ~ 500 Hm, positive electrode current collector 7 and negative electrode current collector 9 can be selected from the range of 30 to 200 μm.
[0036] 外装ケース 21および燃料収容室構造体 20は、ステンレス鋼やニッケル金属などの 耐食性に優れた金属材料でつくることができる。この場合、金属イオンの溶出を防ぐ ために樹脂コーティングを施すことが望ましい。これらをポリエーテルエーテルケトン( PEEK :ヴィクトレックスピーエルシー社の商標)、ポリフエ二レンサルファイド(PPS) 、ポリテトラフルォロエチレン (PTFE)、などの液体燃料で膨潤等を生じいくい硬質の [0036] The outer case 21 and the fuel storage chamber structure 20 can be made of a metal material having excellent corrosion resistance, such as stainless steel or nickel metal. In this case, it is desirable to apply a resin coating to prevent elution of metal ions. Polyetheretherketone (PEEK: trademark of Victorex PLC), polyphenylene sulfide (PPS), polytetrafluoroethylene (PTFE), etc.
[0037] (第 2の実施の形態) [0037] (Second Embodiment)
次に、図 5を参照して本発明の第 2の実施の形態を説明する。なお、本実施の形態 が上記第 1の実施の形態と重複する部分の説明は省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Note that description of portions in which the present embodiment overlaps with the first embodiment is omitted.
[0038] 燃料電池 1Aは、実質的に同一の平面上に配置された複数の単電池を内部に有し ている。これら同一平面に平置き配置された複数の単電池は正負両極の集電体 7A , 9Aを介して直列に接続されている。携帯機器では厚みサイズが厳しく制限される ため、それに内蔵される燃料電池にも同様の要求があり、複数の単電池を積み重ね るスタック構造を採用することが困難であるため、同一平面上に並べて配置する平置 き配置構造を採用する。このように平置き配置する複数の単電池を直列に接続する ことにより、組電池を形成する。 [0038] The fuel cell 1A has therein a plurality of single cells arranged on substantially the same plane. The plurality of single cells arranged horizontally on the same plane are connected in series via positive and negative current collectors 7A and 9A. Since the thickness size of mobile devices is severely limited, the same requirements apply to the fuel cells built into them, and it is difficult to adopt a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. Adopt a flat arrangement structure. A battery pack is formed by connecting a plurality of cells arranged flat in this way in series.
[0039] 本実施形態の燃料電池 1Aでは、集電体 7A, 9Aは、図 5に示すように、略長方形 の集電体 7A, 9Aを 6列配置したものであり、その一辺の中央からリード 7a, 9aが延 び出ている。リード 7a, 9aは図示しない負荷の両極端子にそれぞれ接続される。 [0039] In the fuel cell 1A of the present embodiment, the current collectors 7A, 9A are, as shown in Fig. 5, six rows of substantially rectangular current collectors 7A, 9A arranged, from the center of one side thereof. Leads 7a and 9a are extended. The leads 7a and 9a are respectively connected to the bipolar terminals of a load (not shown).
[0040] 集電体 7A, 9Aには 0. 1mm厚のステンレス鋼板に金メッキを施したものを用い、ァ ノード極に供給されることになる燃料と力ソード極で必要となる空気の取り込みを妨げ ないための穴加工がそれぞれ施してある。これらの集電体 7A, 9Aの一部は燃料電 池外部に引き出され、外部端子の役割をする。 [0040] The current collectors 7A and 9A are made by using a 0.1 mm thick stainless steel plate plated with gold to capture the fuel to be supplied to the anode and the air required for the power sword. Each hole has been drilled so as not to interfere. A part of these current collectors 7A, 9A is drawn out of the fuel cell and serves as an external terminal.
[0041] 集電体 7A, 9Aの開口部 16は、実質的に同じ大きさの長方形であり、縦 8個で規則
配列されている。 [0041] The openings 16 of the current collectors 7A and 9A are substantially the same size rectangle, and are vertically arranged with 8 pieces. It is arranged.
[0042] 発電部 10のアノード側から負極集電体 9Aに電子を取り出して、発電工ネルギの効 率良い利用を可能とするために、第 1の実施形態と同様に図 3あるいは図 4に示すよ うに集電体の一部を拡散層のなかに食!、込ませて!/、る。 [0042] In order to take out electrons from the anode side of the power generation unit 10 to the negative electrode current collector 9A and to make efficient use of the power generation energy, FIG. 3 or FIG. 4 shows the same as in the first embodiment. As shown, eat a part of the current collector in the diffusion layer!
[0043] [実施例;!〜 5] [0043] [Examples !! ~ 5]
一般的な燃料電池では、複数の単電池を直列に接続した組電池で出力電圧を確 保することになる力 以下に述べる実施例;!〜 5では本発明の効果を確認する目的の ために、単電池で燃料電池を構成することとした。 In a general fuel cell, the power to secure the output voltage with an assembled battery in which a plurality of single cells are connected in series. Examples described below;! To 5 are used for the purpose of confirming the effect of the present invention. The fuel cell is composed of single cells.
[0044] 固体高分子膜 6の両面に白金または白金とその他の金属からなる触媒を塗布して 触媒層 2, 3を形成し、その両側に配置する拡散層 4, 5にはカーボンペーパーを使 用した。使用するカーボンペーパーの厚み t2はアノード側、力ソード側とも 0. 4mm 厚とし、発電に寄与する触媒部分及びカーボンペーパーの大きさは 40mm角の正方 形、その発電部の各辺において固体高分子膜 6が 5mm突出するように固体高分子 膜 6のサイズを 50mm X 50mm角とした。 [0044] The solid polymer film 6 is coated with a catalyst made of platinum or platinum and other metals on both sides to form catalyst layers 2 and 3, and carbon paper is used for the diffusion layers 4 and 5 disposed on both sides thereof. I used it. The thickness t2 of the carbon paper used is 0.4 mm on both the anode side and the force sword side. The catalyst part contributing to power generation and the size of the carbon paper are 40 mm square, solid polymer on each side of the power generation part. The size of the solid polymer film 6 was 50 mm × 50 mm square so that the film 6 protruded 5 mm.
[0045] 集電体 7, 9には 0. 1mm厚のステンレス鋼板に金メッキを施したものを用い、ァノー ド極に供給されることになる燃料と力ソード極で必要となる空気の取り込みを妨げない ための穴加工がそれぞれ施してある。これらの集電体 7, 9の一部は燃料電池外部に 引き出され、外部端子の役割をする。 [0045] The current collectors 7 and 9 are 0.1 mm thick stainless steel plates plated with gold to capture the fuel to be supplied to the anode and the air required for the power sword. Each hole has been drilled so as not to interfere. Some of these current collectors 7 and 9 are drawn out of the fuel cell and serve as external terminals.
[0046] これらの積層体を外装材となるプラスチック部品によりゴムシール 8を介して挟み込 み、ネジ止めすることにより封止して燃料電池とする力 S、ゴムシール 8はカーボンぺー パー 4, 5からの固体高分子膜 6のはみ出し部分に当たるように設置し、その部分で シールした。 [0046] These laminates are sandwiched by plastic parts as exterior materials via rubber seals 8 and sealed by screwing to form a fuel cell S, rubber seals 8 from carbon papers 4 and 5 The solid polymer membrane 6 was placed so as to contact the protruding portion of the polymer film 6 and sealed at that portion.
[0047] 挟み込むアノード側外装材 20の材質は PPSとした。外装材 20の内側がアノード極 に隣接することにより液体燃料収容室 14を形成し、外部からの燃料供給口 15が設置 されることとなる。また、力ソード極側外装材 21にも PPSを使用し、外部から空気を取 り入れられるよう複数の通気孔 22が開口している。 [0047] The material of the anode side exterior member 20 to be sandwiched was PPS. The inside of the exterior material 20 is adjacent to the anode electrode to form a liquid fuel storage chamber 14 and an external fuel supply port 15 is installed. Also, PPS is used for the force sword pole side exterior material 21 and a plurality of air holes 22 are opened so that air can be taken in from the outside.
[0048] さらに、本実施例ではアノード極への均一な燃料供給を補助する目的で燃料保持 部とアノード側集電体の間に燃料を吸収 ·保持できる不織布 13を配置した。
[0049] ただし、アノード極への燃料供給および力ソード電極へのエアー供給については、 ポンプなどの補機を使用して供給しても構わず、また、その場合に流路を形成した部 品を利用して燃料およびエアーを供給しても構わない。 [0048] Further, in this embodiment, the nonwoven fabric 13 capable of absorbing and holding the fuel is disposed between the fuel holding portion and the anode current collector for the purpose of assisting the uniform fuel supply to the anode electrode. [0049] However, the fuel supply to the anode electrode and the air supply to the force sword electrode may be supplied by using an auxiliary machine such as a pump, and in that case, a part in which a flow path is formed The fuel and air may be supplied using
[0050] [実施例 1] [0050] [Example 1]
実施例 1として、以下の燃料電池を 50個作成した。 As Example 1, 50 fuel cells were prepared as follows.
[0051] 上述した通り、アノード側、力ソード側とも膜電極構造体の拡散層 4, 5には厚さ 0. 4 mmのカーボンペーパーを使用しているが、このカーボンペーパーは空孔率 75%の ものを選択した。その外側に配置される集電体の厚みは 0. 1mmとしているが、実施 例 1の燃料電池では電極膜構造体を集電体で挟み込んだ状態でプレスし、集電体 の厚み全体をカーボンペーパーに埋設させ、カーボンペーパーと集電体を合わせた 厚みが 0. 4mmとなるようにした。 [0051] As described above, carbon paper having a thickness of 0.4 mm is used for the diffusion layers 4 and 5 of the membrane electrode structure on both the anode side and the force sword side. % Selected. The thickness of the current collector disposed on the outer side is 0.1 mm. However, in the fuel cell of Example 1, the electrode membrane structure was pressed between the current collectors, and the entire current collector was carbonized. The thickness of the carbon paper and current collector combined in the paper was 0.4 mm.
[0052] この場合の潰れ率 /3は、集電体が押し込まれていない部分の拡散層の厚さ 0. 4m mと、集電体を拡散層に押し込んでいる部分の拡散層の厚さ減少分 0. 1mmとの割 合(0. 1/0. 4)となり 25%である。したがって、空孔率 α力 S75%であるため、 0≤ a /3の関係となる。なお、集電体を拡散層に押し込んでいる部分の拡散層の厚さ減 少分は、(プレス前のカーボンペーパーと集電体を合わせた厚み)一 (プレス後の力 一ボンペーパーと集電体を合わせた厚み)である。 [0052] In this case, the collapse rate / 3 is the thickness of the diffusion layer in the portion where the current collector is not pushed in, 0.4 mm, and the thickness of the diffusion layer in the portion where the current collector is pushed into the diffusion layer. The decrease is 0.1% (0.1 / 0.4) and 25%. Therefore, since the porosity α force is S75%, the relationship is 0≤a / 3. Note that the thickness reduction of the diffusion layer where the current collector is pushed into the diffusion layer is (the combined thickness of the carbon paper before the press and the current collector). Thickness).
[0053] 集電体の形状については、カーボンペーパーのサイズと同じ 40mm角の部分に外 部端子となる端子部を延出させるが、アノード極への燃料と力ソード極への空気を供 給するための穴として、 5 X 8mmサイズの穴を図 2の通り 20箇所開けた。このときの 穴の間隔は Dx= l . 6mm、 Dy= 2. 5mmとなり、集電体の開口率は 50%となる。 [0053] Regarding the shape of the current collector, a terminal portion serving as an external terminal is extended to a 40 mm square portion that is the same as the size of carbon paper, but fuel is supplied to the anode electrode and air is supplied to the force sword electrode. As shown in Fig. 2, 20 holes of 5 x 8mm size were drilled. In this case, the hole spacing is Dx = l. 6 mm, Dy = 2.5 mm, and the aperture ratio of the current collector is 50%.
[0054] [実施例 2] [0054] [Example 2]
実施例 2として、集電体をプレスによりカーボンペーパーに埋設させる際、カーボン ペーパーに食い込ませる集電体の厚みを 0. 05mmとし、アノード側、力ソード側それ ぞれのカーボンペーパーと集電体を合わせた厚みが 0· 45mmになる点のみ実施例 1と異なる燃料電池を 50個作成した。 As Example 2, when the current collector was embedded in carbon paper by pressing, the thickness of the current collector to be cut into the carbon paper was set to 0.05 mm, and the carbon paper and current collector on the anode side and the power sword side, respectively. 50 fuel cells different from Example 1 were produced only in that the combined thickness was 0 · 45 mm.
[0055] 電極膜構造体と集電体を合わせた厚みは実施例 1より厚くなる力 外装材を締め込 むネジのトルクを同じにし、締め付けは実施例と同じにした。後述する厚みの違う例
につ!/、ても同様の処置を施して!/、る。 [0055] The combined thickness of the electrode film structure and the current collector is greater than that of Example 1. The torque of the screw for tightening the exterior material was the same, and the tightening was the same as in the example. Examples of different thicknesses described below Nitsu! /, But take the same action! /
[0056] この場合の潰れ率 /3は、集電体が押し込まれていない部分の拡散層の厚さ 0. 4m mと、集電体を拡散層に押し込んでいる部分の拡散層の厚さ減少分 0. 05mmとの 割合(0. 05/0. 4)となり 12. 5%である。したがって、空孔率 αが 75%であるため、[0056] In this case, the crush rate / 3 is the thickness of the diffusion layer in the portion where the current collector is not pushed in, 0.4 mm, and the thickness of the diffusion layer in the portion where the current collector is pushed into the diffusion layer. The ratio of decrease to 0.05 mm (0.05 / 0.4) is 12.5%. Therefore, since the porosity α is 75%,
/3≤ « /3の関係となる。 / 3≤ «/ 3.
[0057] [実施例 3] [0057] [Example 3]
実施例 3として、集電体の穴の大きさを 5 X 6mmとし、穴の間隔は Dx = 3. 2mm、 As Example 3, the current collector hole size is 5 X 6 mm, the hole spacing is Dx = 3.2 mm,
Dy= 2. 5mm、集電体の開口率を 37. 5%に変更した以外は実施例 1と同じ燃料電 池を 50個製作した。 Fifty fuel cells were manufactured in the same manner as in Example 1 except that Dy = 2.5 mm and the aperture ratio of the current collector was changed to 37.5%.
[0058] [実施例 4] [Example 4]
実施例 4として、集電体の穴の大きさを 5 X 5mmとし、穴の間隔は Dx = 4. Omm、 As Example 4, the current collector hole size is 5 X 5 mm, the hole spacing is Dx = 4. Omm,
Dy= 2. 5mm、集電体の開口率を 31. 2%に変更した以外は実施例 1と同じ燃料電 池を 50個製作した。 Fifty fuel cells were manufactured in the same manner as in Example 1 except that Dy = 2.5 mm and the aperture ratio of the current collector was changed to 31.2%.
[0059] [実施例 5] [0059] [Example 5]
実施例 5として、集電体の厚みを 0. 15mmに変更し実施例 1と同じくプレス加工に より集電体の厚みを全体をカーボンペーパーに埋設させ、カーボンペーパーと集電 体を合わせた厚みが 0. 4mmとなるようにした燃料電池を 50個作成した。 In Example 5, the thickness of the current collector was changed to 0.15 mm, and the thickness of the current collector was embedded in carbon paper by pressing as in Example 1, and the thickness of the carbon paper and current collector combined. Fifty fuel cells were made with a thickness of 0.4 mm.
[0060] この場合の潰れ率 βは、集電体が押し込まれていない部分の拡散層の厚さ 0. 4m mと、集電体を拡散層に押し込んでいる部分の拡散層の厚さ減少分 0. 15mmとの 害 IJ合(0. 15/0. 4)となり 37. 5%である。 /3≥ α /3の関係となる。 [0060] The crushing ratio β in this case is 0.4 mm in the thickness of the diffusion layer where the current collector is not pushed, and the thickness reduction of the diffusion layer where the current collector is pushed into the diffusion layer. Damage 0.15mm and IJ combined (0.15 / 0.4), 37.5%. / 3≥ α / 3.
[0061] [比較例 1] [0061] [Comparative Example 1]
比較例 1として、実施例 1と燃料電池を構成する部品は同じだが、電極膜構造体の みプレスしてカーボンペーパーの厚みを 0· 3mmとなるようにし、その両側に集電体 を配置して、カーボンペーパーと集電体を合わせた厚みが 0. 4mmとなるようにした 点のみ実施例 1と異なる燃料電池を 50個作成した。 As Comparative Example 1, the components that make up the fuel cell are the same as in Example 1, but only the electrode membrane structure is pressed so that the thickness of the carbon paper is 0.3 mm, and current collectors are placed on both sides. Thus, 50 fuel cells different from Example 1 were produced only in that the combined thickness of the carbon paper and the current collector was 0.4 mm.
[0062] [比較例 2] [0062] [Comparative Example 2]
比較例 2として、実施例 1と燃料電池を構成する部品は同じだが、カーボンぺーパ 一に集電体を食い込ませることをせず、カーボンペーパーと集電体を合わせた厚み
が 0. 5mmになる点のみ実施例 1と異なる燃料電池を 50個作成した。 As Comparative Example 2, the components that make up the fuel cell are the same as in Example 1, but the thickness of the carbon paper and the current collector combined without causing the current collector to bite into the carbon paper. 50 fuel cells different from Example 1 were produced only in that the value became 0.5 mm.
[0063] 各実施例および比較例の燃料電池を 50個ずつ作成して出力を確認した。出力を 確認する条件は、燃料に 5質量%のメタノール水溶液を使用し、 0. 2Vの定電圧出 力を確認した。 [0063] 50 fuel cells of each of the examples and comparative examples were prepared and the output was confirmed. The conditions for confirming the output were 5% by weight methanol aqueous solution, and a constant voltage output of 0.2V was confirmed.
[0064] 比較例 1の出力平均値を 100とした場合の、実施例 1〜5および比較例 1 , 2による 燃料電池の出力平均値を表 1に示した。 [0064] The average output values of the fuel cells according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 when the average output value of Comparative Example 1 is 100 are shown in Table 1.
[表 1] [table 1]
表 1 table 1
[0065] 表 1の結果から明らかなように、実施例 1〜5では比較例 1、 2よりも良好な出力が確 認できた。その中で、集電体の開口率が 31. 2%と小さい実施例 4については拡散 層の潰れる部分が多ぐ出力平均値 105. 0%とやや効果が小さい結果となっており 、本発明による燃料電池で使用する集電体の開口率は 35%以上が望ましぐより好 ましくは 50%以上である。 As is apparent from the results in Table 1, in Examples 1 to 5, outputs better than those in Comparative Examples 1 and 2 were confirmed. Among them, in Example 4 in which the aperture ratio of the current collector is as small as 31.2%, the output average value 105.0% in which the diffusion layer is largely crushed is a little small result, and the present invention The aperture ratio of the current collector used in the fuel cell is 35% or more, more preferably 50% or more.
[0066] また、空孔率 75%のカーボンペーパーを使用しているが、集電体が該当する部分 のカーボンペーパーの潰れる割合が 37. 5%である実施例 5の燃料電池も出力平均 値が 106. 5%と効果がやや小さい結果となり、カーボンペーパーの潰し過ぎにより 効果が薄れることが確認できた。 [0066] Although carbon paper with a porosity of 75% is used, the average output value of the fuel cell of Example 5 in which the proportion of the carbon paper where the current collector falls is 37.5% However, the effect was slightly small at 106.5%, and it was confirmed that the effect diminished by crushing the carbon paper too much.
[0067] [実施例 6〜; 10] [0067] [Examples 6 to 10]
以下に述べる実施例 6〜; 10では複数の単電池を直列に接続した組電池の例であ る。組電池である以外は、基本的な燃料電池としての構成は実施例 1〜 5と同様であ Examples 6 to 10 described below are examples of assembled batteries in which a plurality of single cells are connected in series. Except for the assembled battery, the basic fuel cell configuration is the same as in Examples 1 to 5.
[0068] 実施例 6として、図 5に示すような発電部を持つ燃料電池を 50個作成した。
[0069] 集電体 7, 9は、全体の形状が短冊状に細長い長方形であり、その一辺の中央から リード 7a, 9aが延び出ている。リード 7a, 9aは図示しない負荷の両極端子にそれぞ れ接続される。集電体の開口部 16は、実質的に同じ大きさの長方形であり、縦 8列 X横 6列の合計 48が格子状に規則配列されている。 As Example 6, 50 fuel cells having a power generation unit as shown in FIG. 5 were prepared. [0069] The current collectors 7 and 9 are in the form of strips and elongated rectangles as a whole, and leads 7a and 9a extend from the center of one side. The leads 7a and 9a are connected to the pole terminals of the load (not shown). The openings 16 of the current collector are substantially the same size rectangles, and a total of 48 columns of 8 vertical rows and 6 horizontal rows are regularly arranged in a grid pattern.
[0070] 使用する膜電極複合体は同一平面に配置された 6つの発電部からなる力 固体電 解質膜は共通のものを使用している。固体電解質膜の大きさは 106mm X l l lmm の大きさで、そこに長さ Gy= 100mm、幅 Gx= 15mmの電極を 6個配置する力 電 極間の距離 Mxや電極からの固体電解質膜のハミ出し Myは全て 3mmとした。 [0070] The membrane electrode assembly to be used is a common force solid electrolyte membrane composed of six power generation units arranged on the same plane. The size of the solid electrolyte membrane is 106mm x ll lmm, and there are six electrodes with length Gy = 100mm and width Gx = 15mm. The distance between the electrodes Mx and the solid electrolyte membrane from the electrode Hami out My was all 3mm.
[0071] 各電極のアノード側、力ソード側それぞれに対し、長さ Ey= 100mm、幅 Ex= l lm mの集電体を配置する。配置された集電体、電極外部に引き出される端子部(リード ) 7a, 9aを介して隣接する電極のアノードと力ソードが電気的に接続され、 6個の電極 が直列に接続される。本実施例では集電体の幅 Exは電極の幅より狭くなつているが 、集電体の幅方向の中心が電極の幅方向の中心に一致するように集電体を配置し た。それぞれの集電体には燃料やエアーを取り入れるための孔 16を開口しており、 本実施例で長さ Hy= 8mm、幅 Hx= 5mmの孔を長さ方向 1列に 8箇所空けた。孔 の長さ方向の間隔 Dy=4mm、幅方向は集電体の中央に孔が位置するようにし、枠 部分の幅 Dx = 3mmとした。 A current collector having a length Ey = 100 mm and a width Ex = l lm m is disposed on each of the anode side and the force sword side of each electrode. The anode of the adjacent electrode and the force sword are electrically connected through the arranged current collector and terminal portions (leads) 7a and 9a drawn out of the electrode, and the six electrodes are connected in series. In this example, the current collector width Ex was narrower than the electrode width, but the current collector was arranged so that the center in the width direction of the current collector coincided with the center in the width direction of the electrode. Each current collector has holes 16 for taking in fuel and air. In this example, eight holes with a length Hy = 8 mm and a width Hx = 5 mm were formed in one row in the length direction. The distance in the length direction of the holes was Dy = 4mm, the width direction was set so that the holes were located in the center of the current collector, and the width of the frame part was Dx = 3mm.
[0072] 各電極の面積に占める集電体の面積は 52%となり、開口率は 48%である。 [0072] The area of the current collector in the area of each electrode is 52%, and the aperture ratio is 48%.
[0073] アノード側、力ソード側の拡散層にはそれぞれ厚さ 0. 4mm、空孔率 75%のカーボ ンペーパーを使用した。集電体にはステンレスの表面に金メッキを施した材料を使用 し、メツキ後の材料厚みは 0. 1mmとした。これらの電極膜構造体を集電体で挟み込 んだ状態でプレスし、集電体の厚み全体をカーボンペーパーに埋設させ、アノード 側、力ソード側それぞれのカーボンペーパーと集電体を合わせた厚みが 0. 4mmと なるようにした。 [0073] Carbon paper having a thickness of 0.4 mm and a porosity of 75% was used for the diffusion layers on the anode side and the force sword side, respectively. The current collector was made of a gold-plated material on the stainless steel surface, and the material thickness after plating was 0.1 mm. These electrode membrane structures were pressed with the current collector sandwiched between them, and the entire thickness of the current collector was embedded in carbon paper, and the carbon paper and current collector on each of the anode side and the force sword side were combined. The thickness was set to 0.4 mm.
[0074] この場合の潰れ率 /3は、集電体が押し込まれていない部分の拡散層の厚さ 0. 4m mと、集電体を拡散層に押し込んでいる部分の拡散層の厚さ減少分 0. 1mmとの割 合(0. 1/0. 4)となり 25%である。したがって、空孔率 α力 S75%であるため、 0≤ a /3の関係となる。なお、集電体を拡散層に押し込んでいる部分の拡散層の厚さ減
少分は、(プレス前のカーボンペーパーと集電体を合わせた厚み)一 (プレス後の力 一ボンペーパーと集電体を合わせた厚み)である。 [0074] In this case, the crush rate / 3 is the thickness of the diffusion layer 0.4 mm where the current collector is not pushed in, and the thickness of the diffusion layer where the current collector is pushed into the diffusion layer The decrease is 0.1% (0.1 / 0.4) and 25%. Therefore, since the porosity α force is S75%, the relationship is 0≤a / 3. Note that the thickness of the diffusion layer where the current collector is pushed into the diffusion layer is reduced. A small amount is (the thickness of the carbon paper and the current collector before pressing) one (the thickness after the pressing of the paper and the current collector).
[0075] [実施例 7] [0075] [Example 7]
実施例 7として、集電体をプレスによりカーボンペーパーに埋設させる際、カーボン ペーパーに食い込ませる集電体の厚みを 0. 05mmとし、アノード側、力ソード側それ ぞれのカーボンペーパーと集電体を合わせた厚みが 0· 45mmになる点のみ実施例 6と異なる燃料電池を 50個作成した。 As Example 7, when the current collector was embedded in carbon paper by pressing, the thickness of the current collector to be cut into the carbon paper was set to 0.05 mm, and the carbon paper and current collector on the anode side and the power sword side, respectively. 50 fuel cells different from Example 6 were produced only in that the combined thickness was 0 · 45 mm.
[0076] 電極膜構造体と集電体を合わせた厚みは実施例 6より厚くなる力 外装材を締め込 むネジのトルクを同じにし、締め付けは実施例と同じにした。後述する厚みの違う例 につ!/、ても同様の処置を施して!/、る。 [0076] The combined thickness of the electrode film structure and the current collector is thicker than in Example 6. The torque of the screw for tightening the exterior material was the same, and the tightening was the same as in the example. For the examples with different thicknesses described later! /, Do the same!
[0077] [実施例 8] [0077] [Example 8]
実施例 8として、各電極のアノード側、力ソード側それぞれに配置する集電体の大き さを以下の通り変更した以外は実施例 6と同じ燃料電池を 50個製作した。 As Example 8, 50 fuel cells were manufactured in the same manner as in Example 6 except that the size of the current collector disposed on the anode side and the force sword side of each electrode was changed as follows.
[0078] 使用した集電体は長さ Ey= 100mm、幅 Ex= 13mmとし、孔の大きさは長さ Hy= 4mm、幅 Hx= 5mmとした。孔は実施例 6同様長さ方向 1列に配置する力 孔の数 は 12箇所とし、孔の長さ方向の間隔 Dy=4mm、幅方向は集電体の中央に孔が位 置するようにし、枠部分の幅 Dx= 3mmとした。 The current collector used had a length Ey = 100 mm, a width Ex = 13 mm, and the hole size was a length Hy = 4 mm and a width Hx = 5 mm. As in Example 6, the number of holes arranged in one row in the length direction is 12. The distance in the length direction of the holes is Dy = 4 mm, and the width direction is set so that the holes are located in the center of the current collector. The width of the frame portion was Dx = 3 mm.
[0079] 各電極に占める集電体の面積は約 64. 3%となり、開口率は 35. 7%である。 [0079] The area of the current collector in each electrode is about 64.3%, and the aperture ratio is 35.7%.
[0080] [実施例 9] [0080] [Example 9]
各電極のアノード側、力ソード側それぞれに配置する集電体の大きさを以下の通り 変更した以外は実施例 6と同じ燃料電池を 50個製作した。 Fifty fuel cells were manufactured in the same manner as in Example 6 except that the size of the current collector disposed on the anode side and the force sword side of each electrode was changed as follows.
[0081] 使用した集電体は長さ Ey= 100mm、幅 Ex= 13mmとし、孔の大きさは長さ Hy= 2mm、幅 Hx= 5mmとした。孔は実施例 1同様長さ方向 1列に配置する力 孔の数 は 16箇所とし、孔の長さ方向の間隔 Dy=4mm、幅方向は集電体の中央に孔が位 置するようにし、枠部分の幅 Dx= 3mmとした。 The current collector used had a length Ey = 100 mm, a width Ex = 13 mm, and the hole size was a length Hy = 2 mm and a width Hx = 5 mm. The number of holes arranged in one row in the length direction is the same as in Example 1. The number of holes is 16 and the distance in the length direction of the holes is Dy = 4mm. In the width direction, the holes are positioned at the center of the current collector. The width of the frame portion was Dx = 3 mm.
[0082] 各電極に占める集電体の面積は約 71. 8 %となり、開口率は 28. 2%である。 [0082] The area of the current collector in each electrode is about 71.8%, and the aperture ratio is 28.2%.
[0083] [実施例 10] [0083] [Example 10]
実施例 10として、集電体の厚みを 0. 15mmとする以外は実施例 6と同じとし、プレ
ス加工により集電体の厚み全体をカーボンペーパーに埋設させ、アノード側、カソー ド側それぞれでカーボンペーパーと集電体を合わせた厚みが 0. 4mmとなるようにし た燃料電池を 50個作成した。 Example 10 is the same as Example 6 except that the thickness of the current collector is 0.15 mm. The entire thickness of the current collector was embedded in carbon paper by machining, and 50 fuel cells were prepared so that the combined thickness of carbon paper and current collector on the anode side and cathode side was 0.4 mm. .
[0084] [比較例 3] [0084] [Comparative Example 3]
比較例 3として、実施例 6と燃料電池を構成する部品は同じだが、電極膜構造体の みプレスしてカーボンペーパーの厚みを 0. 3mmとなるようにし、その両側に集電体 を配置して、カーボンペーパーと集電体を合わせた厚みが 0. 4mmとなるようにした 点のみ実施例 1と異なる燃料電池を 50個作成した。 As Comparative Example 3, the components constituting the fuel cell are the same as in Example 6, but only the electrode membrane structure is pressed so that the thickness of the carbon paper is 0.3 mm, and current collectors are arranged on both sides thereof. Thus, 50 fuel cells different from Example 1 were produced only in that the combined thickness of the carbon paper and the current collector was 0.4 mm.
[0085] [比較例 4] [0085] [Comparative Example 4]
比較例 4として、実施例 6と燃料電池を構成する部品は同じだが、カーボンぺーパ 一に集電体を食い込ませることをせず、カーボンペーパーと集電体を合わせた厚み が 0· 5mmになる点のみ実施例 6と異なる燃料電池を 50個作成した。 As Comparative Example 4, the components that make up the fuel cell are the same as in Example 6, but the current collector is not digged into the carbon paper, and the combined thickness of the carbon paper and the current collector is 0.5 mm. Only 50 fuel cells different from Example 6 were produced.
[0086] 上記の実施例 6〜; 10および比較例 3, 4の集電体 7, 9の各部サイズを表 2にまとめ て示した。 [0086] Table 2 summarizes the size of each part of current collectors 7 and 9 of Examples 6 to 10 and Comparative Examples 3 and 4 described above.
[表 2] [Table 2]
表 2 各例の寸法表 Table 2 Dimensions table for each example
[0087] 各実施例および比較例の燃料電池を 50個ずつ作成して出力を確認した。出力を
確認する条件は、燃料に 5質量%のメタノール水溶液を使用し、 0. 2Vの定電圧出 力を確認した。 [0087] 50 fuel cells of each Example and Comparative Example were prepared and the output was confirmed. Output The conditions for confirmation were 5% by weight methanol aqueous solution, and a constant voltage output of 0.2V was confirmed.
従来例の一つである比較例 3の出力平均値を 100とした場合の、実施例 6〜; 10お よび比較例 4による燃料電池の出力平均値を表 3に示した。 Table 3 shows the average output values of the fuel cells according to Examples 6 to 10 and Comparative Example 4 when the average output value of Comparative Example 3 which is one of the conventional examples is 100.
[表 3] 表 3 [Table 3] Table 3
[0089] 表 3の結果から明らかなように、実施例 6〜; 10では比較例 3, 4よりも良好な出力が 確認できた。その中で、集電体の開口率が 28. 3%と小さい実施例 9については拡 散層の潰れる部分が多ぐ出力平均値 101 %とやや効果が小さい結果となっており、 本発明による燃料電池で使用する集電体の開口率は 35%以上が望ましぐより好ま しくは 50%以上である。 As is clear from the results in Table 3, in Examples 6 to 10, a better output than Comparative Examples 3 and 4 was confirmed. Among them, in Example 9 where the aperture ratio of the current collector is as small as 28.3%, the output average value 101% in which the diffused layer is crushed in many parts is a little smaller result, and according to the present invention. The aperture ratio of the current collector used in the fuel cell is 35% or more, more preferably 50% or more.
[0090] また、空孔率 75%のカーボンペーパーを使用しているが、集電体が該当する部分 のカーボンペーパーの潰れる割合が 37. 5%である実施例 10の燃料電池も出力平 均値が 106. 5%と効果がやや小さい結果となり、カーボンペーパーの潰し過ぎによ り効果が薄れることが確認できた。 [0090] Although the carbon paper with a porosity of 75% is used, the fuel cell of Example 10 in which the proportion of the carbon paper where the current collector falls is 37.5% is also the output average. The value was 106.5%, indicating that the effect was slightly small, and it was confirmed that the effect diminished due to excessive crushing of the carbon paper.
[0091] 以上の実施例 1〜; 10および比較例 1〜4より、電解質膜の両面に触媒層および多 孔質の拡散層からなる電極が配置された膜電極接合体を発電部に持ち、前記膜電 極接合体の両側に配置された集電体を通じて電気工ネルギを取り出す燃料電池に あって、集電体を拡散層に侵入させ、カーボンペーパーを潰す割合ゃ集電体の開 孔率をコントロールすることで燃料や空気の供給を良好に保つ本発明の燃料電池が 良好な特性を示すことが確認できた。 [0091] From the above Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 4, the power generation unit has a membrane electrode assembly in which electrodes composed of a catalyst layer and a porous diffusion layer are arranged on both sides of the electrolyte membrane, In the fuel cell in which electric energy is taken out through current collectors arranged on both sides of the membrane electrode assembly, the ratio of crushing the carbon paper by allowing the current collector to penetrate into the diffusion layer is the porosity of the current collector It was confirmed that the fuel cell of the present invention that maintains a good supply of fuel and air by controlling the above shows good characteristics.
[0092] 上記の実施の形態では、燃料電池の構造として膜電極接合体 (MEA) 10の下部
に液体燃料収容室 14を有するパッシブ方式の燃料電池につ!/、て説明したが、本発 明を他の構造の燃料電池に適用することもできる。例えば図 6に示すようなセミパッシ ブ方式の燃料電池 301に本発明を用いるようにしてもよい。 In the above embodiment, the lower part of the membrane electrode assembly (MEA) 10 is used as the structure of the fuel cell. Although the present invention has been described with respect to a passive type fuel cell having a liquid fuel storage chamber 14, the present invention can also be applied to fuel cells of other structures. For example, the present invention may be used in a semi-passive fuel cell 301 as shown in FIG.
[0093] (第 3の実施の形態) [0093] (Third embodiment)
本実施形態に係る燃料電池の発電部 301aは、膜電極接合体 10と、集電体として の力ソード集電体 7及びアノード集電体 9とを備えている。膜電極接合体 10は、プロト ン伝導性の電解質膜 6を間に挟んでその両側に力ソード触媒層 2とアノード触媒層 3 が熱プレス法で一体成形され、さらにその外側に力ソードガス拡散層 4とアノードガス 拡散層 5を有している。さらに、膜電極接合体 10の力ソードガス拡散層 4には正極集 電体 7が導通し、アノードガス拡散層 5には負極集電体 9が導通している。正極集電 体 7は、その一部が図 3に示すように力ソードガス拡散層 4のなかに侵入している。同 様に、負極集電体 9は、その一部が図 3に示すようにアノードガス拡散層 5のなかに 侵入している。これら正負一対の集電体 7, 9を介して発電部で発電された電力が図 示しなレ、負荷に出力されるようになってレ、る。 The power generation unit 301a of the fuel cell according to the present embodiment includes a membrane electrode assembly 10, a force sword current collector 7 and an anode current collector 9 as current collectors. The membrane electrode assembly 10 is formed by integrally forming a force sword catalyst layer 2 and an anode catalyst layer 3 on both sides of a proton conductive electrolyte membrane 6 by a hot press method, and further forming a force sword gas diffusion layer on the outside thereof. 4 and an anode gas diffusion layer 5. Further, the positive electrode current collector 7 is electrically connected to the force sword gas diffusion layer 4 of the membrane electrode assembly 10, and the negative electrode current collector 9 is electrically connected to the anode gas diffusion layer 5. A part of the positive electrode current collector 7 penetrates into the force sword gas diffusion layer 4 as shown in FIG. Similarly, a part of the negative electrode current collector 9 penetrates into the anode gas diffusion layer 5 as shown in FIG. The power generated by the power generation unit through the pair of positive and negative current collectors 7 and 9 is output to the load (not shown).
[0094] 電解質膜 6と後述する燃料分配機構 301eおよびカバープレート 21との間には、そ れぞれゴム製の Oリング 8が揷入され、これら一対の Oリング 8によって燃料電池発電 部 301aからの燃料漏れや酸化剤漏れを防止するようにしている。 [0094] A rubber O-ring 8 is inserted between the electrolyte membrane 6 and a fuel distribution mechanism 301e and a cover plate 21 to be described later, and the fuel cell power generation unit 301a is inserted by the pair of O-rings 8. To prevent fuel leaks and oxidizer leaks.
[0095] カバープレート 21は酸化剤(空気)を取入れるための複数の開口(図示せず)を有 している。カバープレート 21と発電部 301aの力ソードとの間には、必要に応じて保湿 層や表面層が配置される。保湿層(図示せず)は、力ソード触媒層 2で生成された水 の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、力ソード触媒層 2への空気の均 一拡散を促進するものである。表面層(図示せず)は、空気の取入れ量を調整するも のであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口 を有している。 [0095] The cover plate 21 has a plurality of openings (not shown) for taking in the oxidant (air). Between the cover plate 21 and the power sword of the power generation unit 301a, a moisture retaining layer and a surface layer are disposed as necessary. The moisturizing layer (not shown) is impregnated with a part of the water generated in the force sword catalyst layer 2 to suppress the transpiration of water and promote the uniform diffusion of air to the force sword catalyst layer 2. Is. The surface layer (not shown) is for adjusting the amount of air taken in, and has a plurality of air inlets whose number and size are adjusted according to the amount of air taken in.
[0096] 発電部 301aのアノード側には燃料分配機構 301eが配置されている。燃料分配機 構 301eには配管のような燃料の流路 301cを介して燃料収容部 301bが接続されて いる。燃料収容部 301bには、発電部 301aに対応するタイプの液体燃料が収容され ている。
[0097] 燃料分配機構 301eには燃料収容部 301bから流路 301cを介して燃料が導入され る。流路 301cは燃料分配機構 301eや燃料収容部 301bと独立した配管に限られる ものではない。例えば、燃料分配機構 301eと燃料収容部 301bとを積層して一体化 する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構 301eは流路 301cを介して燃料収容部 301bと接続されて!/、ればよ!/、。 [0096] A fuel distribution mechanism 301e is disposed on the anode side of the power generation unit 301a. A fuel container 301b is connected to the fuel distribution mechanism 301e via a fuel flow path 301c such as a pipe. The fuel storage unit 301b stores liquid fuel of a type corresponding to the power generation unit 301a. [0097] Fuel is introduced into the fuel distribution mechanism 301e from the fuel storage portion 301b via the flow path 301c. The flow path 301c is not limited to piping independent of the fuel distribution mechanism 301e and the fuel storage portion 301b. For example, when the fuel distribution mechanism 301e and the fuel storage portion 301b are stacked and integrated, a liquid fuel flow path connecting them may be used. The fuel distribution mechanism 301e is connected to the fuel storage part 301b via the flow path 301c!
[0098] ここで、燃料分配機構 301eは図 7に示すように、燃料が流路 301cを介して流入す る少なくとも 1個の燃料注入口 25と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の 燃料排出口 26とを有する燃料分配板 23を備えている。燃料分配板 23の内部には 図 6に示すように空隙部 24が形成されている。空隙部 24は、燃料注入口 25から導 入された燃料が通流する一方で一時的に滞留する流路の機能とヘッダの機能を兼 ね備えたものである。複数の燃料排出口 26は空隙部 24にそれぞれ直接連通してい Here, as shown in FIG. 7, the fuel distribution mechanism 301e includes at least one fuel inlet 25 through which fuel flows in through the flow path 301c, and a plurality of liquid fuel and its vaporized components. And a fuel distribution plate 23 having a fuel discharge port 26. A gap 24 is formed in the fuel distribution plate 23 as shown in FIG. The gap 24 combines the function of a flow path where the fuel introduced from the fuel injection port 25 flows and temporarily retains it, and the function of the header. The plurality of fuel discharge ports 26 communicate directly with the gap 24.
[0099] 燃料は、燃料注入口 25から燃料分配機構 301eに導入され、空隙部 24に入り、空 隙部 24から複数の燃料排出口 22にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口 22には 、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体(図示 せず)を配置してもよい。これによつて、発電部 301aのアノード 3, 5には燃料の気化 成分が供給される。なお、気液分離膜(図示せず)を燃料分配機構 301eと発電部 30 laのアノード 3, 5との間に揷入するようにしてもよい。液体燃料の気化成分は複数の 燃料排出口 26から発電部 301aのアノード 3, 5の複数個所に向けて排出される。 [0099] The fuel is introduced into the fuel distribution mechanism 301e from the fuel inlet 25, enters the gap 24, and is guided from the gap 24 to the plurality of fuel outlets 22, respectively. For example, a gas-liquid separator (not shown) that transmits only the vaporized component of the fuel and does not transmit the liquid component may be disposed in the plurality of fuel discharge ports 22. As a result, the vaporized component of the fuel is supplied to the anodes 3 and 5 of the power generation unit 301a. A gas-liquid separation membrane (not shown) may be inserted between the fuel distribution mechanism 301e and the anodes 3 and 5 of the power generation unit 30la. The vaporized component of the liquid fuel is discharged from a plurality of fuel discharge ports 26 toward a plurality of anodes 3 and 5 of the power generation unit 301a.
[0100] 燃料排出口 26は発電部 301aの全体に燃料を供給することが可能なように、燃料 分配板 23が発電部 301aのアノード 3, 5と接する面に複数設けられている。燃料排 出口 26の個数は 2個以上であればよいが、燃料電池発電部 301aの面内における燃 料供給量を均一化する上で、 0.;!〜 10個/ cm2の燃料排出口 26が存在するように 形成することが好ましい。 [0100] The fuel outlet 26 is provided with a plurality of fuel distribution plates 23 on the surface in contact with the anodes 3, 5 of the power generation unit 301a so that fuel can be supplied to the entire power generation unit 301a. The number of the fuel outlets 26 may be two or more. However, in order to equalize the fuel supply amount in the plane of the fuel cell power generation unit 301a, 0.;! ~ 10 / cm 2 fuel outlets It is preferable to form so that 26 exists.
[0101] 燃料分配機構 301eと燃料収容部 301bの間を接続する流路 301cには、ポンプ 30 Idが揷入されている。このポンプ 30 Idは燃料を循環される循環ポンプではなぐあく までも燃料収容部 301bから燃料分配機構 301eに燃料を移送する燃料供給ポンプ である。このようなポンプ 301dで必要時に燃料を送液することによって、燃料供給量
の制御性を高めるものである。この場合、ポンプ 301dとしては、少量の燃料を制御性 よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーン ポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好 ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気 浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである 。ダイアフラムポンプは電磁石ゃ圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液 するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をし ごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ボン プゃ圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。 [0101] A pump 30 Id is inserted into the flow path 301c connecting the fuel distribution mechanism 301e and the fuel storage portion 301b. The pump 30 Id is a fuel supply pump that transfers fuel from the fuel storage portion 301b to the fuel distribution mechanism 301e even if it is not a circulating pump through which fuel is circulated. By supplying fuel with such a pump 301d when necessary, the amount of fuel supply This improves the controllability. In this case, as the pump 301d, a rotary vane pump, an electroosmotic pump, a diaphragm pump, a squeezing pump, or the like is used from the viewpoint that a small amount of fuel can be fed with good controllability and that further reduction in size and weight is possible. It is preferable. A rotary vane pump feeds liquid by rotating a wing with a motor. The electroosmotic pump uses a sintered porous material such as silica that causes an electroosmotic flow phenomenon. The diaphragm pump feeds liquid by driving the diaphragm with an electromagnet or piezoelectric ceramic. The squeezing pump presses a part of the flexible fuel flow path and squeezes the fuel. Among these, it is more preferable to use an electroosmotic pump or a diaphragm pump having piezoelectric ceramics from the viewpoints of driving power and size.
[0102] このような構成において、燃料収容部 301bに収容された液体燃料は、ポンプ 301 dにより流路 301cを移送され、燃料分配機構 301eに供給される。そして、燃料分配 機構 301eから放出された燃料は、発電部 301aのアノード 3, 5に供給される。発電 部 301a内において、燃料はアノードガス拡散層 5を拡散してアノード触媒層 3に供給 される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層 3で所定のメタ ノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した 場合には、力ソード触媒層 2で生成した水や電解質膜 6中の水をメタノールと反応さ せる内部改質反応が生じる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改 質反応を生じさせる。 [0102] In such a configuration, the liquid fuel stored in the fuel storage portion 301b is transferred through the flow path 301c by the pump 301d and supplied to the fuel distribution mechanism 301e. The fuel released from the fuel distribution mechanism 301e is supplied to the anodes 3 and 5 of the power generation unit 301a. In the power generation unit 301a, the fuel diffuses through the anode gas diffusion layer 5 and is supplied to the anode catalyst layer 3. When methanol fuel is used as the liquid fuel, a predetermined internal reforming reaction of methanol occurs in the anode catalyst layer 3. When pure methanol is used as the methanol fuel, an internal reforming reaction occurs in which the water generated in the force sword catalyst layer 2 or the water in the electrolyte membrane 6 reacts with methanol. Alternatively, the internal reforming reaction is caused by another reaction mechanism that does not require water.
[0103] なお、燃料分配機構 301eから MEAへの燃料供給が行われる構成であればボン プ 301dに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合 には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられる ものである。 [0103] It should be noted that if the fuel supply mechanism 301e supplies fuel to the MEA, a fuel cutoff valve may be arranged instead of the pump 301d. In this case, the fuel cutoff valve is provided to control the supply of liquid fuel through the flow path.
[0104] 本発明によれば、単電池間を接続する接続部の電気抵抗の小さい燃料電池が提 供される。本発明によれば、良好な電池性能が安定して得られるようになり、携帯電 話、ノートパソコン、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などのモパイル機器の電源として ばらつきの少ない出力特性を得ることができる。 [0104] According to the present invention, there is provided a fuel cell having a small electrical resistance at a connecting portion for connecting the cells. According to the present invention, good battery performance can be stably obtained, and output characteristics with little variation can be obtained as a power source of a mobile device such as a mobile phone, a notebook computer, a portable audio device, and a portable game machine. .
[0105] なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなぐ実施段階ではそ の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態
に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成で きる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても よい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, but can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the spirit of the invention in the implementation stage. In addition, the above embodiment Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
また、 MEAへ供給される液体燃料の蒸気にお!/、ても、全て液体燃料の蒸気を供 給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用すること ができる。
In addition, the liquid fuel vapor supplied to the MEA may be supplied entirely with liquid fuel vapor, or the present invention may be applied even when part of the liquid fuel is supplied in a liquid state. Can be applied.