JP2009272060A - Fuel cell - Google Patents

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Shigeo Fukuda
栄夫 福田
Yoji Yamada
洋二 山田
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Toshiba Corp
Toshiba Development and Engineering Corp
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Toshiba Corp
Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell can suppress temperature rise at an air electrode side, heighten temperature at a fuel electrode side, and maintain temperature properly as a whole during operation. <P>SOLUTION: The fuel cell is provided with an electromotive part equipped with a membrane electrode assembly consisting of a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte film pinched between the fuel electrode and the air electrode, an upper case lid covering the electromotive part from an air electrode side and equipped with side faces covering side parts of the electromotive part, and a lower case lid covering the electromotive part from a fuel electrode side in opposition to the upper case lid, covering side parts of the electromotive part, and having side faces molded in a shape conforming to that of the upper case lid. The side faces of the upper case lid and those of the lower case lid at least partly overlap each other and are jointed to each other at overlapping points. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、携帯電子機器の動作に有効な燃料電池に係り、特に小型の内部気化型直接メタノール燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell effective for the operation of a portable electronic device, and more particularly to a small internal vaporization type direct methanol fuel cell.

近年、電子技術の進歩により、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機、ノートパソコンなどのコードレス携帯機器においては、使用される電池の高エネルギ密度化の要求が強まっている。このため、軽量で小型でありながら高容量の二次電池が要求されている。   In recent years, advances in electronic technology have led to downsizing, higher performance, and portability of electronic devices. In cordless portable devices such as mobile phones, portable audio devices, portable game consoles, and laptop computers, There is an increasing demand for higher energy density. For this reason, there is a demand for a secondary battery having a high capacity while being lightweight and small.

このような状況のもと、小型の燃料電池が注目を集めている。例えば、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（DMFC：Direct Methanol Fuel Cell）は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さや、有機燃料を改質して水素を作り出す装置などが必要なく、小型化に優れた利点を有すると考えられ、携帯電子機器の内蔵電源として有望視されている。   Under such circumstances, small fuel cells are attracting attention. For example, a direct methanol fuel cell (DMFC) that uses methanol as a fuel is more difficult to handle hydrogen gas than a fuel cell that uses hydrogen gas. There is no need for a device to produce, and it is considered that the device has excellent advantages in downsizing, and is regarded as a promising power source for portable electronic devices.

DMFCの燃料供給方式には、液体燃料を外部で気化した後にブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型DMFC、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型DMFC、および液体燃料をセル内で気化させる内部気化型DMFC等が知られている。これらのうち内部気化型DMFCは、燃料極（アノード）、空気極（カソード）、燃料極と空気極との間に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜からなる膜電極接合体（MEA；Membrane Electrode Assembly）と、液体燃料を収容する燃料収容室と、燃料極と燃料収容室との間に配置された気化室と、燃料室と気化室との間を仕切る気液分離膜とを備えている。   The DMFC fuel supply system consists of a gas supply type DMFC in which the liquid fuel is vaporized externally and then sent into the fuel cell with a blower, etc., a liquid supply type DMFC in which the liquid fuel is sent directly into the fuel cell with a pump An internal vaporization type DMFC that vaporizes in a cell is known. Among these, the internal vaporization type DMFC is a membrane electrode assembly (MEA) comprising a fuel electrode (anode), an air electrode (cathode), and a proton conductive electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode. Assembly), a fuel storage chamber for storing liquid fuel, a vaporization chamber disposed between the fuel electrode and the fuel storage chamber, and a gas-liquid separation membrane for partitioning between the fuel chamber and the vaporization chamber .

内部気化型DMFCでは、燃料室に注入された液体燃料が気化した燃料ガス（メタノール蒸気）は、気液分離膜を透過し、気化室中を拡散して燃料極に供給される。燃料極では、下式（１）の反応に従って、燃料ガスと水とが電気化学反応を生じて二酸化炭素（CO2）とプロトン（H+；水素イオンともいう）と電子（ｅ−）を生じ、燃料極で生じたプロトンはプロトン伝導性膜を透過して空気極に拡散する。空気極では下式（２）の反応に従って、大気中の酸素（O2）と、プロトン伝導性膜を透過してきたプロトンと、燃料極から外部回路を通って空気極に流れてきた電子とが電気化学反応を生じて水（H2O）を生成する。空気極で生成した水は、一部がプロトン伝導性膜を通して空気極に拡散し、式（１）の反応に使われる。このようにして、外部から水を補給することなく燃料極と空気極において継続して反応を生じさせることができる。 In the internal vaporization type DMFC, the fuel gas (methanol vapor) obtained by vaporizing the liquid fuel injected into the fuel chamber passes through the gas-liquid separation membrane, diffuses in the vaporization chamber, and is supplied to the fuel electrode. In the fuel electrode, according to the reaction of the following formula (1), the fuel gas and water cause an electrochemical reaction to generate carbon dioxide (CO 2 ), protons (H + ; also referred to as hydrogen ions), and electrons (e − ). The protons generated at the fuel electrode permeate the proton conductive membrane and diffuse to the air electrode. At the air electrode, oxygen (O 2 ) in the atmosphere, protons that have permeated the proton conducting membrane, and electrons that have flowed from the fuel electrode to the air electrode through the external circuit according to the reaction of the following formula (2) An electrochemical reaction occurs to produce water (H 2 O). A part of the water produced at the air electrode diffuses into the air electrode through the proton conductive membrane and is used for the reaction of the formula (1). In this way, it is possible to continuously cause a reaction at the fuel electrode and the air electrode without supplying water from the outside.

CH3OH＋H2O → CO2＋6H+＋6e− …（１）
O2＋4H+＋4e− → 2H2O …（２）
上記の反応に従って発電する燃料電池のセル構造体は、燃料極、電解質膜、空気極からなる膜電極接合体（MEA)を集電体等により両側から挟み込む積層体構造をなすものである。 CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
The cell structure of a fuel cell that generates power according to the above reaction has a laminated structure in which a membrane electrode assembly (MEA) composed of a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode is sandwiched from both sides by a current collector or the like.

例えば特許文献１に記載された燃料電池では、図３に示すように燃料極３と、空気極４と、燃料極３及び空気極４の間に挟持された電解質膜２を有する膜電極接合体（MEA)５の両側に燃料極集電体６、空気極集電体７、気液分離膜１１０、保湿材１１４を配置した起電部とし、この起電部を燃料極側からの燃料収容室構造体１０９と空気極側からのカバープレート１２１とで挟み込み、所望の押圧力を印加した状態でカバープレート１２１の端部１２５を燃料収容室構造体１０９にかしめて（折り曲げて）一体化している。なお、図３において符号８は内部の燃料が外部に漏れ出さないためのMEA５の外周に配置された一対のシールリングである。
ＷＯ２００６/１２０９６６ Ａ１公報 For example, in the fuel cell described in Patent Document 1, as shown in FIG. 3, a membrane electrode assembly having a fuel electrode 3, an air electrode 4, and an electrolyte membrane 2 sandwiched between the fuel electrode 3 and the air electrode 4. (MEA) An electromotive part in which an anode current collector 6, an air electrode current collector 7, a gas-liquid separation membrane 110, and a moisturizing material 114 are arranged on both sides of the MEA 5, and this electromotive part accommodates fuel from the fuel electrode side. The chamber structure 109 and the cover plate 121 from the air electrode side are sandwiched, and the end 125 of the cover plate 121 is caulked (folded) and integrated with the fuel housing chamber structure 109 in a state where a desired pressing force is applied. Yes. In FIG. 3, reference numeral 8 denotes a pair of seal rings arranged on the outer periphery of the MEA 5 to prevent the internal fuel from leaking outside.
WO2006 / 120966 A1 publication

燃料電池の空気極側では触媒の存在下でプロトンと酸素が反応し、この反応は水と二酸化炭素を生成する発熱反応であるため、その反応熱により空気極側のセル構造体の温度が上昇する。また、燃料極での未反応のメタノールが電解質膜を介して空気極側に通り抜ける所謂クロスオーバーを生じることがあり、空気極側においてクロスオーバーによるメタノールとの反応により上記と同様に空気極側のセル構造体の温度が上昇することがある。また、高出力を出すためには燃料のメタノールをより多く、効率的に反応させるため、上記空気極側のセル構造体の温度がさらに上昇する傾向にある。このため、運転中の燃料電池においては空気極側の温度を下げる必要がある。   On the air electrode side of the fuel cell, protons and oxygen react in the presence of a catalyst, and this reaction is an exothermic reaction that produces water and carbon dioxide, so the reaction heat increases the temperature of the cell structure on the air electrode side. To do. In addition, unreacted methanol at the fuel electrode may pass through the electrolyte membrane to the air electrode side, so-called crossover may occur, and reaction with methanol by the crossover at the air electrode side may cause the air electrode side as described above. The temperature of the cell structure may increase. Further, in order to produce a high output, the amount of fuel methanol is increased, and in order to react efficiently, the temperature of the cell structure on the air electrode side tends to further increase. For this reason, in the fuel cell in operation, it is necessary to lower the temperature on the air electrode side.

一方、燃料極側においては燃料効率を良くし、多くのメタノールを反応させるためには触媒の反応を活性化する必要があり、そのためにはある程度までは燃料極側の温度を上げておく必要ある。   On the other hand, in order to improve fuel efficiency on the fuel electrode side and to react a large amount of methanol, it is necessary to activate the reaction of the catalyst. To that end, it is necessary to raise the temperature on the fuel electrode side to some extent. .

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、空気極側の温度上昇を抑えるとともに、燃料極側の温度を向上することができ、全体として運転中の温度を適正に保つことができる燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and can suppress the temperature increase on the air electrode side and improve the temperature on the fuel electrode side, and keep the temperature during operation as a whole as a whole. An object of the present invention is to provide a fuel cell that can be used.

本発明に係る燃料電池は、燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極との間に挟持された電解質膜を有する膜電極接合体を具備する起電部と、前記起電部を前記空気極側から覆い、前記起電部の側部を覆う側面を有するケース上蓋と、前記ケース上蓋と対向して前記起電部を前記燃料極側から覆い、前記起電部の側部を覆うと共に、前記ケース上蓋の形状に適合する形状に成形された側面を有するケース下蓋と、を有し、前記ケース上蓋の側面と前記ケース下蓋の側面とは少なくとも一部が重ね合うように配置され、前記ケース上蓋の側面と前記ケース下蓋の側面とが重なり合う部分において接合されていることを特徴とする。   A fuel cell according to the present invention includes a fuel electrode, an air electrode, and an electromotive part including a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, and the electromotive part. A case upper cover having a side surface covering from the air electrode side and covering a side portion of the electromotive part; and facing the case upper cover, covering the electromotive part from the fuel electrode side; and A case lower lid having a side surface formed in a shape that fits the shape of the case upper lid, and arranged such that at least a part of the side surface of the case upper lid and the side surface of the case lower lid overlap each other. The side surface of the case upper lid and the side surface of the case lower lid are joined at an overlapping portion.

本発明の燃料電池によれば、発電反応による発熱及び／又は環境温度の上昇を生じた際に、固体間の熱伝導（伝熱）により空気極側からケース上蓋に熱が迅速に移動するため、空気極側の放熱効果が向上する。特に、放熱部材をケース上蓋の主面に接触するように設けると、この放熱部材を介して積層体で発生する反応熱をケース上蓋に固体間熱伝導で迅速に伝わるため、放熱効果がさらに向上する。また、空気極側で発生した熱を側面の重ね合された部分にてケース下蓋２２に伝熱することができ、これにより燃料極側が温度上昇し、触媒反応が活性化される。   According to the fuel cell of the present invention, when heat generation due to a power generation reaction and / or an increase in environmental temperature occur, heat is rapidly transferred from the air electrode side to the case top cover by heat conduction between the solids (heat transfer). The heat dissipation effect on the air electrode side is improved. In particular, when a heat dissipation member is provided in contact with the main surface of the case top cover, the heat of reaction is quickly transmitted to the case top cover by heat conduction between the solids through the heat dissipation member, further improving the heat dissipation effect. To do. Further, the heat generated on the air electrode side can be transferred to the case lower cover 22 at the portion where the side surfaces are overlapped, whereby the temperature of the fuel electrode side rises and the catalytic reaction is activated.

本発明のケース上蓋およびケース下蓋は、金属材料により形成されていることが好ましい。これにより上述の効果をさらに向上させることができる。   The case upper lid and the case lower lid of the present invention are preferably formed of a metal material. Thereby, the above-mentioned effect can be further improved.

このケース上蓋の側面とケース下蓋の側面との重ね合う部分をレーザ溶接で接合すると、レーザ溶接の溶け込みが深いために固体間熱伝導による熱伝達率が向上し、このレーザ溶接部を介してケース上蓋からケース下蓋に効率よく熱が伝わるようになる。これにより燃料極側が有効に保温されるので、発電反応を促進させることができる。   When the overlapping part of the side of the case upper lid and the side of the case lower lid is joined by laser welding, since the penetration of laser welding is deep, the heat transfer rate due to heat conduction between solids is improved, and the case is connected via this laser weld. Heat can be efficiently transferred from the upper lid to the case lower lid. As a result, the fuel electrode side is effectively kept warm, and the power generation reaction can be promoted.

ケース上蓋およびケース下蓋は、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金からなる群より選択される１種又は２種以上の金属からなることが望ましい。ステンレス鋼は機械的強度の点で優れ、アルミニウムまたはアルミニウム合金は熱伝導性の点で優れている。   The case upper lid and the case lower lid are preferably made of one or more metals selected from the group consisting of stainless steel, aluminum, and aluminum alloys. Stainless steel is excellent in terms of mechanical strength, and aluminum or aluminum alloy is excellent in terms of thermal conductivity.

本発明によれば、空気極側の温度上昇を抑えるとともに、燃料極側の温度を向上することができ、全体として運転中の温度を適正に保つことができる燃料電池を提供することができる。このような本発明の燃料電池は、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機、ノートパソコンなどのコードレス携帯電子機器用として好適な電源となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while suppressing the temperature rise by the side of an air electrode, the temperature by the side of a fuel electrode can be improved, and the fuel cell which can keep the temperature during driving | operation appropriately as a whole can be provided. Such a fuel cell of the present invention is a suitable power source for cordless portable electronic devices such as mobile phones, portable audio devices, portable game machines, and notebook computers.

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

先ず、燃料電池の全体概要について図１を参照して説明する。   First, an overall outline of the fuel cell will be described with reference to FIG.

燃料電池１は、起電部の外側が金属より形成されたケース上蓋２１と金属より形成されたケース下蓋２２とで覆われ、内部に膜電極接合体（MEA）５を含む起電部が上下から挟み込まれるように収納されている。起電部は、空気極側から順に保湿材１４、正極集電体７、MEA５、負極集電体６、気液分離膜１１、燃料供給機構９が重ね合わされたものである。   The fuel cell 1 is covered with a case upper lid 21 made of metal on the outside of the electromotive portion and a case lower lid 22 made of metal, and an electromotive portion including a membrane electrode assembly (MEA) 5 is provided inside. It is stored so as to be sandwiched from above and below. In the electromotive unit, the moisturizing material 14, the positive electrode current collector 7, the MEA 5, the negative electrode current collector 6, the gas-liquid separation membrane 11, and the fuel supply mechanism 9 are stacked in order from the air electrode side.

ケース上蓋２１は、多数の通気孔２３が開口する矩形状の主面と、主面から４辺を略９０°折り曲げた４つの側面とを有するカバープレートである。このケース上蓋２１により起電部の空気極４側が覆われている。これらの通気孔２３を通ってMEA５の空気極４側に酸化剤としての空気が供給されるようになっている。このようなケース上蓋２１は例えばプレス加工とパンチング加工を用いて製作される。なお、図では通気孔２３を矩形状としているが、通気孔の形状はこれのみに限られるものではなく、円形、三角形、六角形などの各種の形状にすることができる。   The case upper lid 21 is a cover plate having a rectangular main surface in which a large number of air holes 23 are opened and four side surfaces obtained by bending four sides from the main surface by approximately 90 °. The case upper lid 21 covers the air electrode 4 side of the electromotive unit. Air as an oxidant is supplied to the air electrode 4 side of the MEA 5 through these vent holes 23. Such a case upper lid 21 is manufactured using, for example, pressing and punching. In the figure, the vent hole 23 is rectangular, but the shape of the vent hole is not limited to this, and various shapes such as a circle, a triangle, and a hexagon can be used.

ケース下蓋２２は、金属板ケース上蓋２１に対応する形状となるように例えばプレス成形されたカバープレートである。ケース下蓋２２により起電部の燃料極側が覆われている。同様に、ケース下蓋２２は、主面から４辺を略９０°折り曲げた４つの側面を有する。   The case lower lid 22 is, for example, a cover plate that is press-molded so as to have a shape corresponding to the metal plate case upper lid 21. The case lower lid 22 covers the fuel electrode side of the electromotive unit. Similarly, the case lower lid 22 has four side surfaces obtained by bending four sides from the main surface by approximately 90 °.

ケース下蓋２２の主面はケース上蓋２１の主面より僅かに小さく、両部材を起電部に被せて全面を覆ったときに、図２に示すようにケース下蓋２２の側面が内側にケース上蓋２１の側面が外側になる状態で重なり合う。   The main surface of the case lower lid 22 is slightly smaller than the main surface of the case upper lid 21, and the side surface of the case lower lid 22 faces inward as shown in FIG. It overlaps in the state which the side surface of case upper lid 21 becomes an outside.

図２に示すように、相互に重なり合う側面部は溶接されている。溶接部２４はケース上蓋２１の側面とケース下蓋２２の側面の重なり合う部分のほぼ幅中央をスポット溶接したものである。本実施形態では溶接方法としてレーザ溶接法を用いた。なお、溶接方法は、レーザ溶接法に限られることなく、抵抗溶接や電子ビーム溶接などの他の溶接方法を用いるようにすることもできる。   As shown in FIG. 2, the side portions that overlap each other are welded. The welded portion 24 is a spot welded portion of the width center of the overlapping portion of the side surface of the case upper lid 21 and the side surface of the case lower lid 22. In this embodiment, a laser welding method is used as a welding method. The welding method is not limited to the laser welding method, and other welding methods such as resistance welding and electron beam welding can also be used.

MEA５は、燃料極３と、空気極４と、燃料極３及び空気極４の間に挟持された電解質膜２とを熱プレス法で一体化してなるものである。燃料極３は、アノード触媒層とアノード触媒層の電解質膜２とは反対の面に積層されたアノードガス拡散層とを組み合わせてなるものである。空気極４は、カソード触媒層とカソード触媒層の電解質膜２とは反対の面に積層されたカソードガス拡散層とを組み合わせてなるものである。アノード触媒層は、アノードガス拡散層を介して供給される燃料を酸化させ燃料から電子とプロトンとを取り出すものである。カソード触媒層は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層において発生したプロトンとを反応させて水を生成するものである。   The MEA 5 is formed by integrating the fuel electrode 3, the air electrode 4, and the electrolyte membrane 2 sandwiched between the fuel electrode 3 and the air electrode 4 by a hot press method. The fuel electrode 3 is a combination of an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer laminated on the surface of the anode catalyst layer opposite to the electrolyte membrane 2. The air electrode 4 is a combination of a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer laminated on the opposite surface of the cathode catalyst layer to the electrolyte membrane 2. The anode catalyst layer oxidizes the fuel supplied through the anode gas diffusion layer and extracts electrons and protons from the fuel. The cathode catalyst layer is a layer that reduces oxygen and reacts electrons with protons generated in the anode catalyst layer to generate water.

MEA５は、MEA５の外縁形に対応した形状を有する一対のフレーム（図示せず）によってMEA５を含む積層体が挟持されている。そして、電解質膜２と燃料極３側のフレームとの間および電解質膜２と空気極４側のフレームとの間のMEA５の外周には一対のシールリング８が設けられ、MEA５から燃料あるいは酸化剤が外部に漏れ出さないようにされている。   MEA 5 includes a laminate including MEA 5 sandwiched between a pair of frames (not shown) having a shape corresponding to the outer edge of MEA 5. A pair of seal rings 8 are provided on the outer periphery of the MEA 5 between the electrolyte membrane 2 and the frame on the fuel electrode 3 side and between the electrolyte membrane 2 and the frame on the air electrode 4 side. Is not leaked to the outside.

MEA５は、例えば矩形状の複数の単電極（単位セル）を有する多極構造の発電要素である。複数の単電極は、ほぼ同一平面上に並んで配置され、正極集電体７および負極集電体６により直列に電気接続されている。これら正負両極の集電体６，７は、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などをそれぞれ使用することができる。   The MEA 5 is a power generation element having a multipolar structure having, for example, a plurality of rectangular single electrodes (unit cells). The plurality of single electrodes are arranged side by side on substantially the same plane, and are electrically connected in series by the positive electrode current collector 7 and the negative electrode current collector 6. These positive and negative current collectors 6 and 7 are, for example, a porous layer (for example, a mesh) or a foil body made of a metal material such as gold or nickel, or a conductive metal material such as stainless steel (SUS) such as gold. A composite material coated with a highly conductive metal can be used.

ケース上蓋２１の直下には放熱部材としてのヒートスプレッダ１３が設けられ、ケース上蓋２１と接触している。ヒートスプレッダ１３はケース上蓋２１と同材料としてもよいし異なる材料としてもよいが、熱伝導性に優れた金属で作製することが望ましい。ヒートスプレッダ１３はケース上蓋２１とは別部品としてもよいし、ケース上蓋２１と一体化部品としてもよい。ヒートスプレッダ１３をケース上蓋２１と一体化した部品とする場合は、溶接または接着剤で接合してもよいし、プレス折り曲げ加工としてもよい。ヒートスプレッダ１３は、フィン形状や鋸歯形状などのように突起状の形状とすることが好ましい。このようなヒートスプレッダ１３によりMEA５、特に空気極４側で発生した熱による温度上昇を放熱およびケースにより抑える。また、空気極４側で発生した熱を側面の重ね合された部分にてケース下蓋２２に伝熱することができ、これにより燃料極側が温度上昇し、触媒反応が活性化される。   A heat spreader 13 as a heat radiating member is provided directly below the case upper lid 21 and is in contact with the case upper lid 21. The heat spreader 13 may be made of the same material as or different from that of the case upper lid 21, but is preferably made of a metal having excellent heat conductivity. The heat spreader 13 may be a separate component from the case upper lid 21 or may be an integrated component with the case upper lid 21. When the heat spreader 13 is a component integrated with the case upper lid 21, the heat spreader 13 may be joined by welding or an adhesive, or may be a press bending process. It is preferable that the heat spreader 13 has a protruding shape such as a fin shape or a sawtooth shape. Such a heat spreader 13 suppresses temperature rise due to heat generated on the MEA 5, particularly the air electrode 4 side, by heat radiation and the case. Further, the heat generated on the air electrode 4 side can be transferred to the case lower lid 22 at the portion where the side surfaces are overlapped, whereby the temperature of the fuel electrode side rises and the catalytic reaction is activated.

MEA５のケース上蓋２１の側には保湿材１４が配置されている。保湿材１４は、空気極４のカソード触媒層において生成された水の一部を吸収して水の蒸散を抑制し、かつ、カソードガス拡散層に空気を均一に導入することによりカソード触媒層への空気の均一拡散を促す機能を有するものである。保湿材１４には好ましくは所定の気孔率をもつポリエチレン製などの多孔性フィルムが用いられる。   A moisturizing material 14 is disposed on the case upper lid 21 side of the MEA 5. The moisturizing material 14 absorbs a part of the water generated in the cathode catalyst layer of the air electrode 4 to suppress water evaporation, and uniformly introduces air into the cathode gas diffusion layer to the cathode catalyst layer. It has a function of promoting uniform diffusion of air. The moisturizing material 14 is preferably a porous film made of polyethylene having a predetermined porosity.

燃料極３および空気極４に含有される触媒としては、例えば、白金族元素の単体金属（Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等）、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。アノード触媒には、メタノールや一酸化炭素に対する耐性の強いＰｔ−Ｒｕ、カソード触媒には、白金を用いることが望ましいが、これに限定されるものでは無い。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒を使用しても、あるいは無担持触媒を使用してもよい。   Examples of the catalyst contained in the fuel electrode 3 and the air electrode 4 include platinum group elemental metals (Pt, Ru, Rh, Ir, Os, Pd, etc.), alloys containing platinum group elements, and the like. it can. Although it is desirable to use Pt-Ru which has strong resistance to methanol and carbon monoxide as the anode catalyst and platinum as the cathode catalyst, it is not limited to this. Also, a supported catalyst using a conductive support such as a carbon material may be used, or an unsupported catalyst may be used.

電解質膜２は、燃料極３において発生したプロトンを空気極４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、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂（例えば、パーフルオロスルホン酸重合体）、スルホン酸基を有するハイドロカーボン系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などがあげられるが、具体的には、デュポン社製のナフィオン膜（登録商標）、旭硝子社製のフレミオン膜（登録商標）、あるいは旭化成工業社製のアシプレックス膜（登録商標）などにより構成されている。なお、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜以外にも、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベ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獏などプロトンを輸送できる電解質膜２を用いるようにしてもよい。   The electrolyte membrane 2 is for transporting protons generated in the fuel electrode 3 to the air electrode 4 and is made of a material that does not have electron conductivity and can transport protons. For example, fluorinated resins having a sulfonic acid group (for example, perfluorosulfonic acid polymer), hydrocarbon-based resins having a sulfonic acid group, tungstic acid, phosphotungstic acid, and the like can be mentioned. Nafion membrane (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Flemion membrane (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex membrane (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd., or the like. 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 aliphatic hydrocarbon-based films An electrolyte membrane 2 that can transport protons such as a resin soot may be used.

MEA５の燃料極３の側には燃料供給機構９および気液分離膜１１が配置されている。燃料供給機構９は、図示しない流路を介して燃料タンクに接続されている。燃料供給機構９の燃料分配部１１には所定の燃料供給方式により燃料タンク（図示せず）から流路を介して液体燃料が導入されるようになっている。そしてこの燃料分配部１０により燃料タンクから導入された燃料を気液分離膜１１、ひいてはMEA５へ燃料が均一に供給すＲ。この燃料分配部１０は、多孔質の拡散シート、あるいは液体燃料が流路を介して流入する燃料注入口と、前記燃料注入口と燃料通路を介して接続された複数の燃料排出口とを有する燃料分配板であってもよい。   A fuel supply mechanism 9 and a gas-liquid separation membrane 11 are disposed on the fuel electrode 3 side of the MEA 5. The fuel supply mechanism 9 is connected to the fuel tank via a flow path (not shown). Liquid fuel is introduced into the fuel distributor 11 of the fuel supply mechanism 9 from a fuel tank (not shown) through a flow path by a predetermined fuel supply method. Then, the fuel introduced from the fuel tank by the fuel distribution unit 10 is supplied uniformly to the gas-liquid separation membrane 11 and thus to the MEA 5 R. The fuel distributor 10 includes a porous diffusion sheet or a fuel inlet through which liquid fuel flows through a flow path, and a plurality of fuel outlets connected to the fuel inlet through a fuel passage. It may be a fuel distribution plate.

燃料供給機構９への燃料供給方式として純パッシブ方式またはセミパッシブ方式を採用することができる。   As a fuel supply system to the fuel supply mechanism 9, a pure passive system or a semi-passive system can be adopted.

気液分離膜１１は、燃料の気化成分と液体成分とを分離し、さらに液体燃料を気化させるもので、具体的には、例えば、シリコーンゴムなどの材料で構成することができる。   The gas-liquid separation film 11 separates the vaporized component and the liquid component of the fuel and further vaporizes the liquid fuel. Specifically, the gas-liquid separation membrane 11 can be made of a material such as silicone rubber.

気液分離膜１１とMEA５との間に気化スペース１２が形成され、この気化スペース１２において気化された燃料はMEAへさらに均一に供給される。   A vaporization space 12 is formed between the gas-liquid separation membrane 11 and the MEA 5, and the fuel vaporized in the vaporization space 12 is supplied more uniformly to the MEA.

液体燃料として濃度８０質量％以上のメタノール溶液が用いられる。メタノール蒸気は気液分離膜１１を透過してMEA５に供給され、発電反応に費消され、その後に循環して燃料供給部９に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、本実施の形態の燃料電池では、燃料の供給に小型のポンプを兼用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。このような燃料電池はセミパッシブ方式と呼称される。   A methanol solution having a concentration of 80% by mass or more is used as the liquid fuel. Methanol vapor passes through the gas-liquid separation membrane 11 and is supplied to the MEA 5 to be consumed for the power generation reaction, and thereafter circulates and is not returned to the fuel supply unit 9. The semi-passive type fuel cell is different from the conventional active method because it does not circulate the fuel, and does not impair the downsizing of the device. Further, the fuel cell according to the present embodiment also serves as a small pump for supplying fuel, and is different from a pure passive system such as a conventional internal vaporization type. Such a fuel cell is called a semi-passive system.

上記したように、本実施形態の直接メタノール型の燃料電池１によれば、周囲温度あるいは空気極側の温度が上昇したとしても、空気極側の放熱・燃料極側への伝熱が適正に行われることにより空気極側と燃料極側の温度が平均化することで温度上昇が抑制される。このような燃料電池は、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機、ノートパソコンなどのコードレス携帯電子機器用として好適な電源となる。   As described above, according to the direct methanol fuel cell 1 of the present embodiment, even if the ambient temperature or the temperature on the air electrode side rises, the heat dissipation on the air electrode side and the heat transfer to the fuel electrode side are properly performed. As a result, the temperature on the air electrode side and the fuel electrode side is averaged to suppress the temperature rise. Such a fuel cell is a suitable power source for cordless portable electronic devices such as a mobile phone, a portable audio, a portable game machine, and a notebook computer.

なお、上記した各実施の形態では、液体燃料に、メタノール水溶液、または純メタノールを使用した直接メタノール型の燃料電池について説明したが、液体燃料は、これらに限られるものではない。例えば、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料を用いた液体燃料直接供給型の燃料電池にも応用することができる。   In each of the above embodiments, a direct methanol fuel cell using a methanol aqueous solution or pure methanol as the liquid fuel has been described. However, the liquid fuel is not limited to these. For example, ethanol fuel such as ethanol aqueous solution or pure ethanol, propanol fuel such as propanol aqueous solution or pure propanol, glycol fuel such as glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel may be used. In any case, the present invention can be applied to a liquid fuel direct supply type fuel cell using a liquid fuel corresponding to the fuel cell.

次に、本発明の構造を有する燃料電池では優れた熱分布が得られることを以下の実施例で説明する。   Next, the following example demonstrates that an excellent heat distribution can be obtained in the fuel cell having the structure of the present invention.

（実施例）
ケース上蓋２１およびケース下蓋２２に板厚１．２ｍｍのステンレス鋼板（ＪＩＳ ＳＵＳ３０４）を用い、両者の側面の重なり合う部分をレーザ溶接して図２に示す構造の実施例の燃料電池を作製した。ケース上蓋２１には、空気取り入れのための通気孔２３（口径４ｍｍ、口数６４個）を開口形成した。 (Example)
A stainless steel plate (JIS SUS304) having a thickness of 1.2 mm was used for the case upper lid 21 and the case lower lid 22, and the overlapping portions of both side surfaces were laser-welded to produce a fuel cell having the structure shown in FIG. The case upper lid 21 was formed with air holes 23 (4 mm in diameter and 64 in number) for taking in air.

（比較例）
ケース上蓋１２１に板厚１．２ｍｍのステンレス鋼板（ＪＩＳ ＳＵＳ３０４）を用い、この端部１２５を樹脂製の燃料収容室構造体１０９にかしめて図３に示す構造の比較例の燃料電池を作製した。 (Comparative example)
A stainless steel plate (JIS SUS304) having a plate thickness of 1.2 mm was used for the case upper lid 121, and this end 125 was caulked to a resin fuel housing chamber structure 109 to produce a comparative fuel cell having the structure shown in FIG. .

（評価試験結果）
上記の実施例と比較例の燃料電池を、温度２５℃、３５℃、４０℃、４５℃の各温度の恒温槽にそれぞれ１時間入れ、その後、燃料電池に、純メタノール液を５ｍｌ注入し発電した。そのまま恒温槽内で発電を行い、電流値と電圧値を測定して、それらの値から最大出力値を算出した。 (Evaluation test results)
The fuel cells of the above examples and comparative examples are placed in a thermostatic bath at temperatures of 25 ° C., 35 ° C., 40 ° C., and 45 ° C. for 1 hour, respectively, and then 5 ml of pure methanol solution is injected into the fuel cell to generate power. did. Electricity was generated in the thermostat as it was, current values and voltage values were measured, and the maximum output value was calculated from these values.

測定結果から得られた燃料電池のピーク出力を実施例と比較例とで比べたところ、実施例のほうが比較例よりも最大出力が向上しており、空気極側の温度上昇を抑えるとともに、燃料極側の温度を向上することができ、全体として運転中の温度を適正に保つことができる燃料電池を得ることができた。   When the peak output of the fuel cell obtained from the measurement results was compared between the example and the comparative example, the maximum output was improved in the example compared with the comparative example, and the temperature increase on the air electrode side was suppressed and the fuel was reduced. The temperature on the pole side can be improved, and a fuel cell capable of maintaining the temperature during operation as a whole can be obtained.

以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、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。   Although various embodiments have been described above, the present invention is not limited only to the above-described embodiments, and the constituent elements can be modified and embodied without departing from the spirit of the invention in the implementation stage. . In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. 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.

例えば、上記した説明では、燃料電池の構成としてセミパッシブ型の燃料電池を簡略化して説明したが、燃料電池本体の構成としてはポンプなどを使用しない純パッシブ型の燃料電池に対しても本発明を適用することができる。   For example, in the above description, the semi-passive type fuel cell is simplified as the configuration of the fuel cell, but the present invention is also applied to a pure passive type fuel cell that does not use a pump or the like as the configuration of the fuel cell body. Can be applied.

セミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であればポンプ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。   In the semi-passive type fuel cell, a fuel cutoff valve may be arranged instead of the pump as long as fuel is supplied from the fuel storage portion to the membrane electrode assembly. In this case, the fuel cutoff valve is provided to control the supply of liquid fuel through the flow path.

さらに、MEAへ供給される液体燃料の蒸気においても、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。   Furthermore, the liquid fuel vapor supplied to the MEA may be all supplied as a liquid fuel vapor, but the present invention can be applied even when a part of the liquid fuel vapor is supplied in a liquid state.

本発明の実施の形態に係る燃料電池を示す分解斜視図。1 is an exploded perspective view showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係る燃料電池を示す部分断面図。1 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 従来の燃料電池の部分断面図。The fragmentary sectional view of the conventional fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池、２…電解質膜（プロトン伝導膜）、３…燃料極、４…空気極、
５…膜電極接合体（MEA）、６…負極集電体、７…正極集電体、８…シールリング、
９…燃料供給機構、１０…燃料分配部、１１…気液分離膜、１２…気化スペース、
１３…ヒートスプレッダ（放熱部材）、１４…保湿材、
２１…ケース上蓋（カバープレート）、
２２…ケース下蓋（カバープレート）、２３…通気孔、
２４…溶接部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Electrolyte membrane (proton conductive membrane), 3 ... Fuel electrode, 4 ... Air electrode,
5 ... Membrane electrode assembly (MEA), 6 ... Negative electrode current collector, 7 ... Positive electrode current collector, 8 ... Seal ring,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Fuel supply mechanism, 10 ... Fuel distribution part, 11 ... Gas-liquid separation membrane, 12 ... Vaporization space,
13 ... Heat spreader (heat radiating member), 14 ... Moisturizing material,
21 ... Case upper lid (cover plate),
22 ... Case lower lid (cover plate), 23 ... Vent hole,
24 ... welded part.

Claims (5)

燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極との間に挟持された電解質膜を有する膜電極接合体を具備する起電部と、
前記起電部を前記空気極側から覆い、前記起電部の側部を覆う側面を有するケース上蓋と、
前記ケース上蓋と対向して前記起電部を前記燃料極側から覆い、前記起電部の側部を覆うと共に、前記ケース上蓋の形状に適合する形状に成形された側面を有するケース下蓋と、を有し、
前記ケース上蓋の側面と前記ケース下蓋の側面とは少なくとも一部が重ね合うように配置され、前記ケース上蓋の側面と前記ケース下蓋の側面とが重なり合う部分において接合されていることを特徴とする燃料電池。 An electromotive unit comprising a fuel electrode, an air electrode, and a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A case upper lid having a side surface covering the electromotive portion from the air electrode side and covering a side portion of the electromotive portion;
A case lower lid having a side surface that is shaped to match the shape of the case upper lid, covering the electromotive portion from the fuel electrode side facing the case upper lid, covering the side portion of the electromotive portion, and Have
The side surface of the case upper lid and the side surface of the case lower lid are arranged so that at least a part thereof overlaps, and the side surface of the case upper lid and the side surface of the case lower lid are joined at an overlapping portion. Fuel cell. 前記ケース上蓋および前記ケース下蓋は、金属材料により形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the case upper lid and the case lower lid are made of a metal material. 前記ケース上蓋の主面には複数の通気孔が開口し、前記ケース上蓋の主面に接触するように設けられ、前記起電部において発生する反応熱を前記ケース上蓋に熱伝導で伝熱する伝熱部材をさらに有することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の燃料電池。 A plurality of air holes are formed in the main surface of the case upper lid so as to be in contact with the main surface of the case upper lid, and the reaction heat generated in the electromotive portion is transferred to the case upper lid by heat conduction. The fuel cell according to claim 1, further comprising a heat transfer member. 前記ケース上蓋の側面と前記ケース下蓋の側面との重なり合う部分はレーザ溶接により接合され、前記レーザ溶接部を介して前記ケース上蓋から前記ケース下蓋に熱伝導で伝熱することにより前記起電部の燃料極側を保温することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。 The overlapping portion of the side surface of the case upper lid and the side surface of the case lower lid is joined by laser welding, and the electromotive force is transferred from the case upper lid to the case lower lid through the laser welding portion by heat conduction. The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the temperature of the fuel electrode side of the portion is kept warm. 前記ケース上蓋および前記ケース下蓋は、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金からなる群より選択される１種又は２種以上の金属からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池。 The case upper lid and the case lower lid are made of one or more metals selected from the group consisting of stainless steel, aluminum, and an aluminum alloy. Fuel cell.
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