JP2018106927A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両などに搭載される燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell mounted on a vehicle or the like.
従来、車両などに搭載される燃料電池として、水素ガスなどの気体燃料や、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどの液体燃料を使用する燃料電池が知られている。 Conventionally, fuel cells using gaseous fuel such as hydrogen gas or liquid fuel such as methanol, dimethyl ether or hydrazine are known as fuel cells mounted on vehicles.
このような燃料電池として、例えば、電解質層と、電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える燃料電池が知られている。燃料側電極には燃料供給路を介して燃料が供給され、また、酸素側電極には空気供給路を介して酸素が供給される（例えば、特許文献１参照）。 As such a fuel cell, for example, a fuel cell including an electrolyte layer, and a fuel side electrode and an oxygen side electrode arranged to face each other with the electrolyte layer interposed therebetween is known. Fuel is supplied to the fuel side electrode via a fuel supply path, and oxygen is supplied to the oxygen side electrode via an air supply path (see, for example, Patent Document 1).
特許文献１に記載される燃料電池では、燃料供給路と燃料側電極との間に、ガス拡散層を備えるアノード側拡散シートが配置されている。ガス拡散層は、例えば、カーボンクロスからなる。
In the fuel cell described in
本発明の目的は、このような燃料電池において、出力を向上させることができる燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of improving the output in such a fuel cell.
本発明は、電解質膜、前記電解質膜の一方面に形成されるアノード、および、前記電解質膜の他方面に形成されるカソードを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方側に配置され、燃料を流すための燃料流路を有するアノード側セパレータと、前記アノードと前記アノード側セパレータとの間に配置されるガス拡散層とを備え、前記燃料流路は、互いに平行に延びる複数の平行部分を有し、前記ガス拡散層は、前記アノード側セパレータに向かい合う面に凸部と凹部とを有する織物であり、前記凸部および前記凹部は、前記複数の平行部分が延びる方向に対して交差する方向に延びる、燃料電池を含む。 The present invention provides a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, an anode formed on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode formed on the other surface of the electrolyte membrane, and disposed on one side of the membrane electrode assembly An anode side separator having a fuel flow path for flowing fuel, and a gas diffusion layer disposed between the anode and the anode side separator, wherein the fuel flow path includes a plurality of parallel extending The gas diffusion layer is a woven fabric having a convex portion and a concave portion on a surface facing the anode separator, and the convex portion and the concave portion are in a direction in which the plurality of parallel portions extend. It includes a fuel cell that extends in the intersecting direction.
本発明の燃料電池によれば、ガス拡散層の凸部および凹部が、燃料流路の複数の平行部分に対して交差する方向に延びている。 According to the fuel cell of the present invention, the convex portion and the concave portion of the gas diffusion layer extend in a direction intersecting with the plurality of parallel portions of the fuel flow path.
そのため、燃料流路内を流れる燃料をアノードへ効率よく供給できながら、アノードで生じたガスを効率よく排出できる。 Therefore, the gas generated in the anode can be efficiently discharged while the fuel flowing in the fuel flow path can be efficiently supplied to the anode.
その結果、燃料電池の出力を向上させることができる。 As a result, the output of the fuel cell can be improved.
１．燃料電池の構成
図１および図２を参照して、本発明の一実施形態としての燃料電池１の構成について説明する。
1. Configuration of Fuel Cell With reference to FIGS. 1 and 2, the configuration of the
図１に示すように、燃料電池１は、アニオン交換型またはカチオン交換型の燃料電池である。燃料電池１には、燃料成分と水とを含む液体燃料が直接供給される。燃料電池１は、通常、複数の燃料電池セルＳを備える。複数の燃料電池セルＳは、互いに積層される。なお、図１および図２において、図解しやすいように１つの燃料電池セルＳのみを示す。
As shown in FIG. 1, the
燃料成分としては、例えば、分子中に水素原子を含有する含水素液体燃料が挙げられ、具体的には、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのアルキル基を有するエーテル類、ヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。 Examples of the fuel component include hydrogen-containing liquid fuels containing hydrogen atoms in the molecule, and specific examples include alcohols such as methanol, ethers having an alkyl group such as dimethyl ether, and hydrazines. Preferably, alcohols and hydrazines are used, and more preferably, hydrazines are used.
また、液体燃料には、例えば、水酸化カリウムなどのアルカリ金属の水酸化物が、適宜の割合で添加される。 In addition, for example, an alkali metal hydroxide such as potassium hydroxide is added to the liquid fuel at an appropriate ratio.
燃料電池セルＳは、図１および図２に示すように、膜電極接合体２、アノード側セパレータ３、カソード側セパレータ４、ガス拡散層の一例としての燃料拡散シート５、および、空気拡散シート６を備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell S includes a
膜電極接合体２は、電解質膜７、アノード８、および、カソード９を有する。
The
電解質膜７は、アニオン交換型またはカチオン交換型の固体高分子電解質膜からなる。
The
アノード８は、電解質膜７の一方面に形成される。詳しくは、アノード８は、電解質膜７の厚み方向一方側の表面に、薄層として積層される。アノード８は、例えば、燃料酸化触媒を担持した触媒担体を含有する。なお、アノード８は、触媒担体を用いずに、燃料酸化触媒から、直接形成することもできる。
The
燃料酸化触媒としては、特に制限されず、例えば、白金族元素（ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ））、鉄族元素（鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ））などの周期表第８〜１０（ＶＩＩＩ）族元素や、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などの周期表第１１（ＩＢ）族元素などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、ニッケル、コバルト、白金が挙げられ、より好ましくは、ニッケルが挙げられる。また、これらは、単独使用または２種以上併用することができる。 The fuel oxidation catalyst is not particularly limited, and examples thereof include platinum group elements (ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt)), and iron group. Periodic table 8-10 (VIII) group elements such as elements (iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)), for example, copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), etc. Examples include Group 11 (IB) elements of the periodic table. Among these, Preferably, nickel, cobalt, and platinum are mentioned, More preferably, nickel is mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.
アノード８に用いられる触媒担体としては、例えば、カーボン粒子などが挙げられる。
Examples of the catalyst carrier used for the
アノード８において、燃料酸化触媒の担持量は、例えば、０．０５ｍｇ／ｃｍ２以上、好ましくは、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上であり、例えば、１０ｍｇ／ｃｍ２以下、好ましくは、５ｍｇ／ｃｍ２以下である。
In the
カソード９は、電解質膜７の他方面に形成される。詳しくは、カソード９は、電解質膜７に対してアノード８の反対側、すなわち、電解質膜７の厚み方向他方側の表面に、薄層として積層される。カソード９は、酸素還元触媒を含有する。
The
酸素還元触媒としては、例えば、導電性高分子とカーボンとからなる複合体（以下、この複合体を「カーボンコンポジット」という。）に、遷移金属が担持されている材料が挙げられる。 Examples of the oxygen reduction catalyst include a material in which a transition metal is supported on a composite made of a conductive polymer and carbon (hereinafter, this composite is referred to as “carbon composite”).
遷移金属としては、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ランタン（Ｌａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）などが挙げられる。これらの遷移金属は、単独使用または２種以上併用することができる。 Examples of the transition metal include scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu ), Yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), technetium (Tc), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), lanthanum (La) ), Hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), and the like. These transition metals can be used alone or in combination of two or more.
導電性高分子としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリビニルカルバゾール、ポリトリフェニルアミン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン、ポリイソチアナフテン、ポリピリジンジイル、ポリチエニレン、ポリパラフェニレン、ポリフルラン、ポリアセン、ポリフラン、ポリアズレン、ポリインドール、ポリジアミノアントラキノンなどが挙げられる。これらの導電性高分子は、単独使用または２種以上併用することができる。 Examples of the conductive polymer include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyvinylcarbazole, polytriphenylamine, polypyridine, polypyrimidine, polyquinoxaline, polyphenylquinoxaline, polyisothianaphthene, polypyridinediyl, polythienylene, polyparaylene. Examples include phenylene, polyflurane, polyacene, polyfuran, polyazulene, polyindole, and polydiaminoanthraquinone. These conductive polymers can be used alone or in combination of two or more.
また、酸素還元触媒としては、例えば、遷移金属に配位子が配位した遷移金属錯体の焼成体が挙げられる。 Moreover, as an oxygen reduction catalyst, the sintered body of the transition metal complex which the ligand coordinated to the transition metal is mentioned, for example.
遷移金属としては、例えば、上記したカーボンコンポジットに用いられる遷移金属と同じ遷移金属が挙げられる。遷移金属としては、好ましくは、鉄が挙げられる。すなわち、酸素還元触媒としては、好ましくは、鉄に配位子が配位したＦｅ錯体の焼成体が挙げられる。 As a transition metal, the same transition metal as the transition metal used for the above-mentioned carbon composite is mentioned, for example. The transition metal is preferably iron. That is, the oxygen reduction catalyst is preferably a fired body of an Fe complex in which a ligand is coordinated to iron.
遷移金属に配位する配位子としては、例えば、フェナントロリン（例えば、１，１０−フェナントロリン）、サルコミン、ナイカルバジン、ピロール、ポルフィリン、テトラメトキシフェニルポルフィリン、ジベンゾテトラアザアヌレン、フタロシアニン、コリン、クロリン、または、これらの誘導体が挙げられる。配位子としては、好ましくは、フェナントロリン、サルコミン、ナイカルバジン、または、これらの誘導体が挙げられ、より好ましくは、フェナントロリン、ナイカルバジンが挙げられる。 Examples of the ligand that coordinates to the transition metal include phenanthroline (eg, 1,10-phenanthroline), sarcomin, nicarbazine, pyrrole, porphyrin, tetramethoxyphenylporphyrin, dibenzotetraazaannulene, phthalocyanine, choline, chlorin, or And derivatives thereof. Preferable examples of the ligand include phenanthroline, salcomine, nicarbazine, and derivatives thereof, and more preferable examples include phenanthroline and nicarbazine.
なお、カソード９は、酸素還元触媒の他に、例えば、オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラックなどのカーボンブラック、例えば、黒鉛、炭素繊維などのカーボン粒子を含有することもできる。
In addition to the oxygen reduction catalyst, the
カソード９において、酸素還元触媒の担持量は、例えば、０．０５ｍｇ／ｃｍ２以上、好ましくは、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上であり、例えば、１０ｍｇ／ｃｍ２以下、好ましくは、５ｍｇ／ｃｍ２以下である。
In the
アノード側セパレータ３は、膜電極接合体２の一方側に配置される。詳しくは、アノード側セパレータ３は、燃料拡散シート５に接触するように、膜電極接合体２の厚み方向一方側に対向配置される。アノード側セパレータ３は、ガス不透過性の導電性材料から形成される。アノード側セパレータ３は、燃料を流すための燃料流路１２を有する。
The
燃料流路１２は、アノード側セパレータ３の厚み方向他方面に形成される。燃料流路１２は、燃料拡散シート５に向かい合う。燃料流路１２は、アノード側セパレータ３の厚み方向他方面から厚み方向一方へ凹む凹溝である。燃料流路１２は、後で詳しく説明するが、幅方向に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成される。
The
カソード側セパレータ４は、膜電極接合体２の他方側に配置される。詳しくは、カソード側セパレータ４は、空気拡散シート６に接触するように、膜電極接合体２の厚み方向他方側に対向配置される。カソード側セパレータ４は、ガス不透過性の導電性材料から形成される。カソード側セパレータ４は、空気を流すための空気流路１３を有する。
The cathode side separator 4 is disposed on the other side of the
空気流路１３は、カソード側セパレータ４の厚み方向一方面に形成される。空気流路１３は、空気拡散シート６に向かい合う。空気流路１３は、カソード側セパレータ４の厚み方向一方面から厚み方向他方へ凹む凹溝である。空気流路１３は、燃料流路１２と同様に、幅方向に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成される。
The
なお、複数の燃料電池セルＳが積層されたスタック構造として構成される場合には、アノード側セパレータ３の厚み方向一方面には、隣りの膜電極接合体２のカソード９に向かい合う空気流路１３が形成される。また、カソード側セパレータ４の厚み方向他方面には、隣りの膜電極接合体２のアノード８に向かい合う燃料流路１２が形成される。
When the fuel cell S is configured as a stacked structure, the
燃料拡散シート５は、アノード８とアノード側セパレータ３との間に配置される。燃料拡散シート５は、アノード８に接触するように、膜電極接合体２の厚み方向一方側に積層される。燃料拡散シート５は、後で詳しく説明するが、複数の細孔を有する。燃料拡散シート５は、燃料流路１２を流れる液体燃料が燃料拡散シート５の細孔を通過してアノード８へ供給されることを許容するとともに、アノード８で生じたガスが燃料拡散シート５の細孔を通過して燃料流路１２へ排出されることを許容する。
The
空気拡散シート６は、カソード９とカソード側セパレータ４との間に配置される。空気拡散シート６は、カソード９に接触するように、膜電極接合体２の厚み方向他方側に積層される。空気拡散シート６は、複数の細孔を有する。空気拡散シート６は、空気流路１３を流れる空気が空気拡散シート６の細孔を通過してカソード９へ供給されることを許容するとともに、アノード８からカソード９へ液体燃料がクロスリークした場合に、クロスリークした液体燃料が空気拡散シート６の細孔を通過して空気流路１３へ排出されることを許容する。なお、空気拡散シート６は、燃料拡散シート５と同じ素材から形成することができる。
The
２．燃料流路および燃料拡散シートの詳細
図３を参照して、アノード側セパレータ３および燃料拡散シート５の詳細について説明する。
2. Details of Fuel Channel and Fuel Diffusion Sheet Details of the
（１）燃料流路の詳細
図３に示すように、燃料流路１２は、複数の平行部分１２Ａと、複数の接続部分１２Ｂとを有する。
(1) Details of Fuel Channel As shown in FIG. 3, the
複数の平行部分１２Ａは、それぞれ、アノード側セパレータ３の幅方向に延びる。複数の平行部分１２Ａは、互いに平行に延びる。複数の平行部分１２Ａは、上下方向において、互いに間隔を隔てて並ぶ。
Each of the plurality of
平行部分１２Ａの溝幅（上下方向寸法）は、例えば、０．５ｍｍ以上、好ましくは、１．０ｍｍ以上であり、例えば、２．０ｍｍ以下、好ましくは、１．５ｍｍ以下である。
The groove width (vertical dimension) of the
平行部分１２Ａの深さ（厚み方向寸法）は、例えば、０．５ｍｍ以上、好ましくは、１．０ｍｍ以上であり、例えば、２．０ｍｍ以下、好ましくは、１．５ｍｍ以下である。
The depth (dimension in the thickness direction) of the
互いに隣接する２つの平行部分１２Ａの間隔は、例えば、例えば、０．５ｍｍ以上、好ましくは、１．０ｍｍ以上であり、例えば、２．０ｍｍ以下、好ましくは、１．５ｍｍ以下である。
The interval between two
複数の接続部分１２Ｂは、それぞれ、互いに隣接する２つの平行部分１２Ａの間に配置される。複数の接続部分１２Ｂは、それぞれ、上下方向に延びる。接続部分１２Ｂは、互いに隣接する２つの平行部分１２Ａを接続する。詳しくは、接続部分１２Ｂは、燃料流路１２が上記した葛折り形状となるように、互いに隣接する２つの平行部分１２Ａの幅方向一端部同士または幅方向他端部同士を接続する。
Each of the plurality of connecting
接続部分１２Ｂの溝幅（幅方向寸法）は、平行部分１２Ａの溝幅と同じであり、例えば、０．５ｍｍ以上、好ましくは、１．０ｍｍ以上であり、例えば、２．０ｍｍ以下、好ましくは、１．５ｍｍ以下である。
The groove width (dimension in the width direction) of the connecting
接続部分１２Ｂの深さ（厚み方向寸法）は、平行部分１２Ａの深さと同じであり、例えば、０．５ｍｍ以上、好ましくは、１．０ｍｍ以上であり、例えば、２．０ｍｍ以下、好ましくは、１．５ｍｍ以下である。
The depth (thickness direction dimension) of the connecting
（２）燃料拡散シートの詳細
燃料拡散シート５は、互いに直交する縦糸５Ａと横糸５Ｂとからなる織物である。縦糸５Ａは、縦糸方向に延びる。横糸５Ｂは、横糸方向に延びる。縦糸方向と横糸方向は直交する。縦糸方向および横糸方向は、複数の平行部分１２Ａが延びる方向に対して交差する。すなわち、縦糸５Ａおよび横糸５Ｂは、複数の平行部分１２Ａが延びる方向に対して交差する方向に延びる。
(2) Details of Fuel Diffusion Sheet The
縦糸５Ａの太さは、例えば、２０μｍ以上、好ましくは、５０μｍ以上であり、例えば、３００μｍ以下、好ましくは、２００μｍ以下である。
The thickness of the
横糸５Ｂの太さは、縦糸５Ａの太さと同じであり、例えば、２０μｍ以上、好ましくは、５０μｍ以上であり、例えば、３００μｍ以下、好ましくは、２００μｍ以下である。
The thickness of the
燃料拡散シート５において、互いに隣接する２つの縦糸５Ａと、互いに隣接する２つの横糸５Ｂとによって囲まれる隙間が、細孔Ｈとして機能する。
In the
燃料拡散シート５の織り方は、特に限定されず、例えば、平織り、綾織り、朱子織りなどの公知の織り方を採用することができる。燃料拡散シート５の織り方は、好ましくは、平織りである。
The weaving method of the
縦糸５Ａおよび横糸５Ｂは、例えば、カーボン繊維からなる。言い換えると、燃料拡散シート５は、例えば、カーボン繊維からなる織物（カーボンクロス）である。
The
そして、図４に示すように、燃料拡散シート５は、アノード側セパレータ３と接触する面に、複数の凸部５Ｃと、複数の凹部５Ｄとを有する。この実施形態では、複数の凸部５Ｃは、縦糸方向（図３参照）に沿って延びる。凹部５Ｄは、互いに隣接する２つの凸部５Ｃの間に形成される。すなわち、凸部５Ｃおよび凹部５Ｄは、複数の平行部分１２Ａが延びる方向に対して交差する方向に延びる。なお、凸部５Ｃおよび凹部５Ｄが延びる方向は特に限定されず、横糸方向に延びてもよいし、縦糸方向および横糸方向の両方と交差する方向に延びてもよい。
As shown in FIG. 4, the
燃料拡散シート５がアノード側セパレータ３と接触する面に凸部５Ｃと凹部５Ｄとを有することにより、燃料拡散シート５がアノード側セパレータ３に積層されたときには、燃料拡散シート５のうち、アノード側セパレータ３の燃料流路１２以外の部分に向かい合っている部分においても、凹部５Ｄ内を液体燃料が流れる。そのため、燃料流路１２内を流れる液体燃料をアノード８へ効率よく供給できながら、アノード８で生じたガス（Ｎ２またはＣＯ２）を効率よく排出できる。
When the
凸部５Ｃおよび凹部５Ｄは、平行部分１２Ａに対して、例えば、０°超過、好ましくは、３０°以上、より好ましくは、４０°以上、例えば、９０°未満、好ましくは、６０°以下、より好ましくは、５０°以下の角度で交差する。
The
燃料拡散シート５の厚みは、例えば、５０μｍ以上、好ましくは、１００μｍ以上であり、例えば、６００μｍ以下、好ましくは、４００μｍ以下である。
The thickness of the
凸部５Ｃの幅は、例えば、０．５ｍｍ以上、好ましくは、１ｍｍ以上であり、例えば、３ｍｍ以下、好ましくは、２ｍｍ以下である。
The width of the
なお、燃料拡散シート５の総面積を１００％としたときに、凸部５Ｃの面積は、例えば、２０％以上、好ましくは、４０％以上であり、例えば、８０％以下、好ましくは、６０％以下である。
When the total area of the
凹部５Ｄの深さは、例えば、２０μｍ以上、好ましくは、５０μｍ以上であり、例えば、２００μｍ以下、好ましくは、１５０μｍ以下である。
The depth of the
３．発電
次いで、燃料電池１における発電について説明する。
3. Next, power generation in the
図１に示すように、燃料電池１の燃料流路１２に液体燃料が供給されると、燃料流路１２に供給された液体燃料は、燃料拡散シート５と接触しながら燃料流路１２内を下側から上側へ流れる。このとき、燃料流路１２内を流れる液体燃料は、燃料拡散シート５の細孔Ｈ（図３参照）を通過して、アノード８に供給される。
As shown in FIG. 1, when liquid fuel is supplied to the
なお、アノード８に供給された液体燃料の一部は、電解質膜７を透過し、カソード９に漏出する（クロスリーク）。これにより、液体燃料に含まれる水がカソード９に供給される。
A part of the liquid fuel supplied to the
また、外部からの空気は、燃料電池１の空気流路１３に供給される。
Air from the outside is supplied to the
空気流路１３に供給された空気は、空気流路１３内を上側から下側へ流れる。このとき、空気流路１３内を流れる空気は、空気拡散シート６の細孔を通過して、カソード９に供給される。
The air supplied to the
これにより、燃料電池１では、アニオン交換型の燃料電池であり、燃料成分がヒドラジンである場合には、下記反応式（１）〜（３）で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
（１）Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ− （アノード８での反応）
（２）Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ− （カソード９での反応）
（３）Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ （燃料電池１全体での反応）
また、燃料成分がメタノールである場合には、下記反応式（４）〜（６）で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
（４）ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ− （アノード８での反応）
（５）Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ− （カソード９での反応）
（６）ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ （燃料電池１全体での反応）
これらの反応により、燃料成分（Ｎ２Ｈ４またはＣＨ３ＯＨ）が消費されるとともに、水（Ｈ２Ｏ）およびガス（Ｎ２またはＣＯ２）が生成され、起電力（ｅ−）が発生する。
As a result, the
(1) N 2 H 4 + 4OH − → N 2 + 4H 2 O + 4e − (reaction at anode 8)
(2) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at cathode 9)
(3) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 1)
Further, when the fuel component is methanol, an electrochemical reaction represented by the following reaction formulas (4) to (6) occurs, and power generation is performed.
(4) CH 3 OH + 6OH − → CO 2 + 5H 2 O + 6e − (reaction at anode 8)
(5) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at cathode 9)
(6) CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 1)
By these reactions, fuel components (N 2 H 4 or CH 3 OH) are consumed, and water (H 2 O) and gas (N 2 or CO 2 ) are generated, and electromotive force (e − ) is generated. To do.
４．作用効果
この燃料電池１によれば、図３および図４に示すように、燃料拡散シート５の凸部５Ｃおよび凹部５Ｄが、燃料流路１２の複数の平行部分１２Ａに対して交差する方向に延びている。
4). Operation and Effect According to the
そのため、燃料流路１２内を流れる液体燃料をアノード８へ効率よく供給できながら、アノード８で生じたガス（Ｎ２またはＣＯ２）を効率よく排出できる。
Therefore, the gas (N 2 or CO 2 ) generated at the
その結果、燃料電池１の出力を向上させることができる。
As a result, the output of the
５．変形例
上記した実施形態では、膜電極接合体２は、液体燃料が用いられる燃料電池１に備えられているが、膜電極接合体２は、水素ガスなどの気体の燃料成分を含む気体燃料が用いられる燃料電池に備えられてもよい。
5. In the above-described embodiment, the
上記した実施形態では、１つの燃料流路１２のみを示しているが、燃料流路１２は、通常、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、複数、平行して形成される。この場合、平行部分１２Ａは、他の燃料流路１２と平行する部分であればよい。また、燃料流路１２は、図７Ｂに示すように、直線形状を有し、幅方向に折り返されていなくてもよい。すなわち、燃料流路１２は、接続部分１２Ｂを有さなくてもよい。
In the embodiment described above, only one
次に、本発明を、実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は、下記の実施例によって限定されるものではない。なお、「部」および「％」は、特に言及がない限り、質量基準である。また、以下の記載において用いられる配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなど該当記載の上限値(「以下」、「未満」として定義されている数値）または下限値(「以上」、「超過」として定義されている数値）に代替することができる。 Next, although this invention is demonstrated based on an Example and a comparative example, this invention is not limited by the following Example. “Part” and “%” are based on mass unless otherwise specified. In addition, specific numerical values such as a blending ratio (content ratio), physical property values, and parameters used in the following description are described in the above-mentioned “Mode for Carrying Out the Invention”, and a blending ratio corresponding to them ( Substituting the upper limit value (numerical value defined as “less than” or “less than”) or the lower limit value (number defined as “greater than” or “exceeded”) such as content ratio), physical property values, parameters, etc. be able to.
（１）燃料電池セルの作製
アノード、電解質層およびカソードを順に備える膜電極接合体のアノードに、カーボンクロス（平織り、縦糸および横糸の太さ：１５０μｍ）からなる燃料拡散シートを積層した。この燃料拡散シートは、一方の表面に凸部と凹部とを有するものであり、凸部および凹部は、縦糸が延びる方向に沿って延びている。また、このとき、凸部および凹部が後述のアノード側セパレータに対向するように、燃料拡散シートを積層した。また、カソードに空気拡散シートを積層した。
(1) Production of Fuel Battery Cell A fuel diffusion sheet made of carbon cloth (plain weave, warp and weft thickness: 150 μm) was laminated on the anode of a membrane electrode assembly comprising an anode, an electrolyte layer, and a cathode in this order. This fuel diffusion sheet has a convex part and a concave part on one surface, and the convex part and the concave part extend along the direction in which the warp extends. At this time, the fuel diffusion sheet was laminated so that the convex portion and the concave portion faced the anode separator described later. An air diffusion sheet was laminated on the cathode.
次いで、それらを、アノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟むことにより、燃料電池セルＳを作製した。アノード側セパレータの燃料流路は、葛折り形状（図３参照）を有する。 Subsequently, the fuel cell S was produced by sandwiching them between the anode side separator and the cathode side separator. The fuel flow path of the anode side separator has a twisted shape (see FIG. 3).
なお、実施例では、凸部および凹部と、燃料流路の平行部分とが、４５°の角度を形成するように、燃料拡散シートを積層した。 In the example, the fuel diffusion sheet was laminated so that the convex part and the concave part and the parallel part of the fuel flow path formed an angle of 45 °.
また、比較例では、凸部および凹部と、燃料流路の平行部分とが、平行するように、すなわち、凸部および凹部と、燃料流路の平行部分とが形成する角度が０°となるように、燃料拡散シートを積層した。 In the comparative example, the convex portion and the concave portion and the parallel portion of the fuel flow path are parallel to each other, that is, the angle formed by the convex portion and the concave portion and the parallel portion of the fuel flow path is 0 °. Thus, the fuel diffusion sheet was laminated.
（２）評価装置
図５に示すように、上記のようにして作製した燃料電池セルＳを、２つの集電体２１の間に配置した。なお、一方の集電体２１を、アノード側セパレータ３に接触させ、他方の集電体２１を、カソード側セパレータ４に接触させた。そして、燃料電池セルＳ、および、２つの集電体２１を、２つのエンドプレート２２で挟むことにより、固定した。
(2) Evaluation Device As shown in FIG. 5, the fuel cell S produced as described above was disposed between the two
２つの集電体２１は、図示しないポテンショスタット(ｓｏｌａｒｔｒｏｎ社製、１４７０型)に接続される。また、アノード側セパレータ３の燃料流路１２には、燃料タンク２３内の液体燃料が供給される。液体燃料は、水加ヒドラジンと１ｍｏｌ／Ｌ水酸化カリウムとの混合物である。カソード側セパレータ４の空気流路１３には、電解液タンク２４内の電解液が供給される。電解液は、１ｍｏｌ／Ｌ水酸化カリウム水溶液である。また、燃料タンク２３とアノード側セパレータ３の燃料流路１２とを接続する配管の途中には、参照極ＲＥが介在される。参照極ＲＥとして、Ｈｇ／ＨｇＯ電極を用いた。
The two
（３）評価方法
アノード側セパレータ３の燃料流路１２に、液体燃料を、２ｍｌ／分の速度で供給した。また、カソード側セパレータ４の空気流路１３に、電解液を、２ｍｌ／分の速度で供給した。このとき、燃料電池セルＳの温度は６０℃とした。
(3) Evaluation Method Liquid fuel was supplied to the
性能評価は、アノード８を作用極とし、カソード９を対極として、アノード８の電位を−０．９Ｖ〜−０．６Ｖ(ｖｓ．Ｈｇ／ＨｇＯ)まで１ｍＶ／秒で変化させ、水加ヒドラジンの酸化電流を測定した。
In the performance evaluation, the
−０．６Ｖでの水加ヒドラジンの酸化電流値をアノード８の面積で割ることで、水加ヒドラジンの酸化電流密度を算出した。
The oxidation current density of hydrazine hydrate was calculated by dividing the oxidation current value of hydrazine hydrate at −0.6 V by the area of the
なお、水加ヒドラジンの濃度を、１質量％、５質量％および１０質量％のそれぞれに変更し、各実施例および比較例の膜電極接合体２について、評価した。結果を図６に示す。水加ヒドラジンの濃度が、１質量％、５質量％および１０質量％のいずれの場合においても、実施例では、比較例と比べて、水加ヒドラジンの酸化電流密度が増加する傾向にあった。
In addition, the density | concentration of hydrazine hydrazine was changed into 1 mass%, 5 mass%, and 10 mass%, respectively, and the
１ 燃料電池
２ 膜電極接合体
３ アノード側セパレータ
５ 燃料拡散シート
５Ｃ 凸部
５Ｄ 凹部
７ 電解質膜
８ アノード
９ カソード
１２ 燃料流路
１２Ａ 平行部分
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記膜電極接合体の一方側に配置され、燃料を流すための燃料流路を有するアノード側セパレータと、
前記アノードと前記アノード側セパレータとの間に配置されるガス拡散層と
を備え、
前記燃料流路は、互いに平行に延びる複数の平行部分を有し、
前記ガス拡散層は、前記アノード側セパレータに向かい合う面に凸部と凹部とを有する織物であり、
前記凸部および前記凹部は、前記複数の平行部分が延びる方向に対して交差する方向に延びることを特徴とする、燃料電池。 A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, an anode formed on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode formed on the other surface of the electrolyte membrane;
An anode-side separator disposed on one side of the membrane electrode assembly and having a fuel flow path for flowing fuel;
A gas diffusion layer disposed between the anode and the anode separator,
The fuel flow path has a plurality of parallel portions extending in parallel to each other,
The gas diffusion layer is a woven fabric having a convex portion and a concave portion on a surface facing the anode-side separator,
The said convex part and the said recessed part are extended in the direction which cross | intersects with the direction where these parallel parts are extended, The fuel cell characterized by the above-mentioned.
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