JP4701585B2

JP4701585B2 - Direct fuel cell

Info

Publication number: JP4701585B2
Application number: JP2003128656A
Authority: JP
Inventors: 勉渡辺; 将克冨士松; 良一奥山
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2023-05-07
Also published as: CN1784804A; JP2004335236A; CN101188307A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機溶媒と水を直接供給して発電を行うことができる直接形燃料電池に関するもので、さらに詳しく言えば、その構造に関するもので、携帯電話、ノートパソコン等の携帯型の電子機器に最適な小型の直接形燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策のひとつとして直接形燃料電池の開発が活発に行われている。特に、メタノール水溶液を燃料に用い、改質やガス化を行うことなく直接発電する直接メタノール形燃料電池は、構造がシンプルで小型化、軽量化が容易であり、携帯電話やコンピューター等の小型コンシューマ用電源として有望である。
【０００３】
直接メタノール形燃料電池では、燃料供給側に３％程度の濃度のメタノール水溶液を供給すると、電池反応によって二酸化炭素が発生し、この二酸化炭素が未反応燃料とともに燃料排出側から排出される。一方、空気供給側に酸化剤として空気を供給すると、電池反応によって水が発生し、この水が未反応の空気とともに空気排出側から排出される。
【０００４】
上記のような直接メタノール燃料電池を小型コンシューマー用途に適応するためには、従来、この用途に用いられてきたリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の２次電池と同等以上の特性をもち、かつ価格においてもこれらの電池と競合できる程度であることが不可欠であった。
【０００５】
たとえば、特性においては、エネルギー密度の向上が不可欠であり、直接メタノール形燃料電池では、セルスタック、燃料タンク、燃料ポンプ、空気ポンプをはじめ、燃料排出側から排出される二酸化炭素を分離するための気液分離装置や空気排出側から排出される水を保管するための水タンクといった多くの周辺部品を必要とし、これらを少なくしてシンプルな構造にすることが重要な課題であった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−１００３１５号公報
【特許文献２】
特開２００２−３４３３７８号公報
【０００７】
前記特許文献１では、燃料タンクの表面にモノリシック形のセルを複数貼り付けた電池構造が提案され、前記特許文献２では、中空状の燃料タンクの外側に空気極を配した構造が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
直接メタノール形燃料電池のような直接形燃料電池を、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の２次電池に対して遜色ないものとするためには、前述した周辺部品を少なくして、そのエネルギー密度の向上することが課題の一つであった。
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、プロトン導電性の高分子膜からなる電解質を介して一対の空気極と燃料極とが接合された電極−膜接合体を、燃料極側に液体燃料を供給し、燃料極側から反応生成物を排出するための燃料流路を有するセパレーター板と、空気極側に空気を供給し、空気極側から反応生成物を排出するための空気流路を有するセパレーター板とで挟持して積層したセルスタックを備えるとともに、液体燃料を貯蔵した燃料タンクを備え、前記セルスタックの全部を液体燃料中に浸漬し、前記燃料流路の少なくとも一部を燃料タンク内に開放し、液体燃料がセルスタック内に導入されるように前記セルスタックを配置した直接形燃料電池であり、大気に対して開放された空気流路の開放部と燃料タンク内に開放された燃料流路の開放部とをセルスタックに独立して設けたことを特徴とする。なお、上記の直接形燃料電池において、燃料タンクがセルスタックの収納容器を兼ねることが好ましく、燃料タンクに液体燃料の補給口を設けることが好ましく、液体燃料がメタノール水溶液であることが好ましい。
【００１０】
上記した直接形燃料電池では、セルスタックを燃料タンク内に配置して、燃料タンクをセルスタックの収納容器を兼ねるようにして、セルスタックと燃料タンクを一体化できるので、コンパクト化を図ることができる。なお、セルスタックを配置する位置は燃料タンク内の中央部だけでなく、上部または下部の任意にできるが、生成した二酸化炭素を上部の空間に蓄積する場合には、上部に配置すると、そのための空間が狭くなるので、中央部より下方に配置するのが好ましい。また、燃料極で生成した二酸化炭素を燃料タンク内に排出し、その移動による液体燃料の拡散または対流で継続的に燃料極側に液体燃料を供給するようにできるので、気液分離器を設けて液体燃料と二酸化炭素を分離する必要がなくなる。なお、燃料流路の少なくとも一部を燃料タンク内に開放する、というのは、セルスタックの全部または一部を液体燃料中に浸漬したことを言い、全部を浸漬した場合は、前述した二酸化炭素の移動による液体燃料の拡散または対流で継続的に燃料極側に液体燃料を供給することができ、一部を浸漬した場合は、前述した二酸化炭素の移動による液体燃料の拡散または対流に加えて、毛管現象による液体燃料の移動で継続的に燃料極側に液体燃料を供給することができる程度に液体燃料中に浸漬されていればよい。また、大気に対して開放された空気流路の開放部と燃料タンク内に開放された燃料流路の開放部とをセルスタックに独立して設けたことにより、各開放部から空気と液体燃料とが互いに混じり合うことなく供給することができる。また、燃料タンクに液体燃料の補給口を設けることにより、反応によって液体燃料の濃度が低下しても、新たに液体燃料を補給することによって継続的に使用することができる。
【００１１】
また、燃料流路が燃料タンク内に開放するように配置され、この開放部を通して燃料極に液体燃料を拡散もしくは対流によって供給することができるので、燃料ポンプを不要にできる。
【００１２】
また、空気流路が大気に対して開放するように配置されているので、この開放部を通して空気極に空気を拡散もしくは対流によって供給するようにすれば、ファンや空気ブロワーを不要にできる。なお、空気をファンや空気ブロワーを用いて供給することもできる。また、空気流路に空気を流通させる方法としては、大気に対して開放された開放部を燃料タンクに設けないで、外部マニホールド構造をセルスタックに設け、この外部マニホールド構造の配管を通じて燃料タンク内のセルスタックにブロワーや空気ファンで強制的に空気を流通させるようにすることもできる。また、前述した大気に対して開放されている開放部にブロワーや空気ファンを設けて、この開放部から空気を供給するようにしてもよいし、各セパレータ板に空気を流通させるための内部マニホールドを設けて、この内部マニホールドに通じる空気供給口から空気を供給するようにしてもよい。さらに、空気極で生成された水は、生成水回収路を設けて、重力または小型ポンプ等を用いて燃料タンク内に回収するようにすることもできる。
【００１３】
また、上記した直接形燃料電池では、液体燃料にメタノールを用いる直接メタノール形燃料電池だけでなく、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ジメチルエーテル等の有機溶媒と水を用いた燃料電池にも適用することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、その実施の形態に基づいて説明する。
【００１５】
図１は本発明の直接形燃料電池のセル構造の一例を示した図、図２は同セルスタックの一例を示した図である。セル構造は、図１に示した如く、プロトン導電性の高分子膜からなる電解質１１を介して一対の空気極１２（図示されていないが、燃料極１３が接合された電解質１１の反対側の面に接合されている）と燃料極１３とが接合された電極−膜接合体（以下、ＭＥＡという）１０を、燃料極１３側に液体燃料を供給し、燃料極１３側から反応生成物を排出するための燃料流路２３を有するとともに空気極１２側に空気を供給し、空気極１２側から反応生成物を排出するための空気流路２２を有した２枚のセパレーター板２０で挟持したものである。なお、前記セパレーター板２０は、図１に示した如く、燃料流路２３を設けた裏面に空気流路２２が設けられ、空気流路２２を設けた裏面に燃料流路２３が設けられており、このセパレーター板２０を介して前記ＭＥＡ１０を積層して、図２に示したようなセルスタック１としている。そして、前記セルスタック１は、その最外部に、燃料流路２１のみが設けられたセパレーター板２０ａと空気流路２４のみが設けられたセパレーター板２０ｂとが配されている。なお、前記セパレーター板２０は、セパレーター板２０ａとセパレーター板２０ｂとを、各々の流路が裏表になるように貼り合わせるようにしてもよく、このようにすれば、セパレーター板は２種類になる。
【００１６】
これにより、前記セルスタック１は、図２に示した如く、上下方向に開口を形成した、直線状の燃料流路２１、２３と、前後方向に開口を形成した、直線状の空気流路２２、２４とを有した構造となり、液体燃料は上方および下方の開口から供給され、燃料極１３側からの反応生成物は上方の開口から排出されるとともに、空気は前方または後方（図２では前方）の開口から供給され、空気極１２側からの反応生成物は後方または前方（図２では後方）の開口から排出される構造となる。なお、前記各流路は互いに直交する直線状のものとしたが、これに限るものではない。
【００１７】
前記ＭＥＡ１０は以下のように作製した。すなわち、プロトン導電性の高分子電解質膜のうち、パーフルオロスルホン酸系電解質膜として一般的な、デュポン社のナフィオン膜（商品名：ナフィオン１１７）を電解質１１として用いた。また、ＰＴＦＥ溶液を含浸させて撥水処理を行ったカーボンペーパーからなるガス拡散層に、白金微粒子をアセチレンブラックからなる炭素粉末上に担持させた空気極触媒、ＰＴＦＥ樹脂およびナフィオン溶液（イソプロパノール溶媒）を混合して得た触媒ペーストを塗布して乾燥したものを空気極１２として用いた。また、同じガス拡散層に、白金−ルテニウム微粒子をアセチレンブラックからなる炭素粉末上に担持させた燃料極触媒、ＰＴＦＥ樹脂およびナフィオン溶液（イソプロパノール溶媒）を混合して得た触媒ペーストを塗布して乾燥したものを燃料極１３として用いた。前記空気極触媒には白金微粒子の含有量が４０重量％のものを用いたが、１０〜７０重量％の範囲で適宜選択できる。また、前記燃料極触媒には白金−ルテニウム微粒子の含有量が４０重量％、白金：ルテニウムの重量比が２：１のものを用いたが、白金−ルテニウム微粒子の含有量は１０〜７０重量％の範囲で適宜選択でき、白金：ルテニウムの重量比は５：１〜１：２の範囲で適宜選択できる。なお、前記空気極触媒および燃料極触媒を分散させる溶液中の、各触媒、パーフルオロスルホン酸樹脂およびＰＴＦＥ樹脂の組成については任意に定めることができる。このようにして作製した空気極１２と燃料極１３をホットプレスによって電解質１１の両面に接合してＭＥＡを作製した。
【００１８】
本発明の直接形燃料電池は、前記セルスタック１を、燃料流路２１、２３に液体燃料が流通するようにしたものである。すなわち、図３のように、セルスタック１を、燃料流路２１、２３が液体燃料を貯蔵した燃料タンク２内に開放されるように、燃料タンク２内に配置し、燃料タンク２がセルスタック１の収納容器を兼ねるようにしたものである。これにより、図４（ａ）（図３のＡ−Ａ'部断面図）のように、燃料流路２３によって形成される空間２３ａに液体燃料が流入して、それが燃料極１３に供給され、反応生成物としての二酸化炭素が上方から排出され、その移動による液体燃料の拡散または対流で燃料極１３に液体燃料を継続的に供給することができる。また、この燃料タンク２には、液体燃料の補給口を設けておけば、反応によって液体燃料の濃度が低下しても、新たに液体燃料を補給することによって継続的に使用することができる。
【００１９】
なお、排出された二酸化炭素は、液体燃料中で気泡となり、燃料タンク２の上部に蓄積されるが、燃料タンク２の上部に排気口を設けて排気するようにしてもよい。また、この排気口にテフロン（登録商標）等の撥水性の多孔体を設けておくと、この排気口から液体燃料が漏出するのを防止する効果もある。
【００２０】
また、前記直接形燃料電池は、空気流路２２、２４に空気が流通するようにしたものである。すなわち、前記図３のように、セルスタック１を、空気流路２２、２４が大気に対して開放され、前記開放部のみが樹脂接着やパッキングシール等を施すことによって液体燃料を外部に漏洩させないようにして、燃料タンク２内に配置したものである。これにより、図４（ｂ）（図３のＢ−Ｂ'部断面図）のように、空気流路２４によって形成される空間２４ａに空気が流入して、それが空気極１２に供給され、反応生成物としての水が排出される。なお、前記開放部には、テフロン（登録商標）等の撥水性の多孔体を設けておくと、生成した水の漏出が防止できる効果もある。
【００２１】
なお、排出された水は、吸水体に吸水させるようにしたり、別に回収カセットを設置しておいてそれに回収したり、燃料タンク２内に戻すようにするなどの方法があるが、これらを併用した形態にすることもできる。たとえば、燃料タンク２内に戻す場合であっても、燃料タンク２内の液体燃料の内容量が多い場合には燃料タンク２内に戻さずに回収カセットに戻したり、吸水体に吸水させるようにすることが考えられる。また、燃料タンク２内に戻すのみの場合は、戻す量を、燃料タンク２内の液体燃料の内容量に応じてコントロールする必要がある。
【００２２】
また、空気流路２２、２４に空気を流通させる方法としては、大気に対して開放された開放部を燃料タンク２に設けないで、外部マニホールド構造をセルスタック１に設け、この外部マニホールド構造の配管を通じて燃料タンク２内のセルスタック１にブロワーや空気ファンで強制的に空気を流通させるようにすることもできる。このようにすれば、外部マニホールドとセルスタック１の接続部のみに樹脂接着やパッキングシール等を施すだけで液体燃料の漏洩を防止することができる。
【００２３】
また、空気流路２２、２４に空気を流通させる方法としては、空気を自然拡散または自然対流によって供給するだけでなく、ブロワーや空気ファンで空気を強制的に流通させるようにすることもできる。この場合、前述した大気に対して開放されている開放部にブロワーや空気ファンを設けて、この開放部から空気を供給するようにしてもよいし、各セパレータ板２０、２０ａ、２０ｂに空気を流通させるための内部マニホールドを設けて、この内部マニホールドに通じる空気供給口から空気を供給するようにしてもよい。なお、内部マニホールドを設けた場合には、各セパレータ板２０、２０ｂに設ける空気流路の流路深さを小さくして、各セパレータ板２０、２０ｂを薄くすることができ、同一出力の直接形燃料電池では小型化が可能であり、同一寸法の直接形燃料電池では大容量化が可能である。また、前記開放部や空気供給口にテフロン（登録商標）等の撥水性の多孔体を設けておくと、反応によって生成した水の漏出を防止する効果がある。
【００２４】
また、大気に対して開放された空気流路の開放部と燃料タンク内に開放された燃料流路の開放部とをセルスタックに独立して設けたことにより、各開放部から空気と液体燃料とが互いに混じり合うことなく供給することができる。
【００２５】
【発明の効果】
上記した如く、本発明による直接形燃料電池の構造は、多様な周辺部品の多くを必要とせずに電池を構成することが可能となり、コンパクトな電池構成に寄与することができ、コストの低減にも大きく寄与することが可能となる。従って、携帯用電子機器用電源として最適な燃料電池を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の直接形燃料電池のセル構造の一例を示した図である。
【図２】同セルスタックの一例を示した図である。
【図３】本発明の直接形燃料電池の一部切り欠き斜視図である。
【図４】（ａ）は図３のＡ−Ａ部断面図、（ｂ）は図３のＢ−Ｂ部断面図である。
【符号の説明】
１セルスタック
２燃料タンク
１０電極−膜接合体（ＭＥＡ）
２０、２０ａ、２０ｂセパレータ板
２１、２３燃料流路
２２、２４空気流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a direct fuel cell capable of generating electricity by directly supplying an organic solvent and water. More specifically, the present invention relates to the structure of the portable electronic device such as a mobile phone and a laptop computer. The present invention relates to a small direct fuel cell that is most suitable for the above.
[0002]
[Prior art]
In recent years, countermeasures to environmental problems and resource problems have become important, and direct fuel cells are being actively developed as one of the countermeasures. In particular, a direct methanol fuel cell that uses an aqueous methanol solution as a fuel and generates electricity directly without reforming or gasification is simple in structure, small and lightweight, and is a small consumer such as a mobile phone or computer. It is a promising power source.
[0003]
In a direct methanol fuel cell, when a methanol aqueous solution having a concentration of about 3% is supplied to the fuel supply side, carbon dioxide is generated by the cell reaction, and this carbon dioxide is discharged from the fuel discharge side together with unreacted fuel. On the other hand, when air is supplied as an oxidant to the air supply side, water is generated by a battery reaction, and this water is discharged from the air discharge side together with unreacted air.
[0004]
In order to adapt the direct methanol fuel cell as described above to small consumer applications, it has the same or better characteristics as the secondary batteries such as lithium ion batteries and nickel metal hydride batteries that have been used for this purpose. It was indispensable to compete with these batteries.
[0005]
For example, in terms of characteristics, it is essential to improve energy density. In direct methanol fuel cells, cell stacks, fuel tanks, fuel pumps, air pumps, etc., are used to separate carbon dioxide emitted from the fuel discharge side. Many peripheral parts such as a gas-liquid separator and a water tank for storing water discharged from the air discharge side are required, and it has been an important issue to reduce these to a simple structure.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2003-100315 A [Patent Document 2]
JP 2002-343378 A
Patent Document 1 proposes a battery structure in which a plurality of monolithic cells are attached to the surface of a fuel tank, and Patent Document 2 proposes a structure in which an air electrode is arranged outside a hollow fuel tank. Yes.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In order to make a direct fuel cell such as a direct methanol fuel cell inferior to a secondary battery such as a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery, the energy density is reduced by reducing the number of peripheral components described above. It was one of the issues to improve.
[0009]
In order to solve the above-mentioned problems, an invention according to claim 1 is directed to an electrode-membrane assembly in which a pair of air electrodes and a fuel electrode are joined via an electrolyte made of a proton conductive polymer membrane. A separator plate having a fuel flow path for supplying liquid fuel to the fuel electrode side and discharging reaction products from the fuel electrode side, and air for supplying air to the air electrode side and discharging reaction products from the air electrode side A cell stack sandwiched between and stacked with a separator plate having a flow path, a fuel tank storing liquid fuel, and immersing the entire cell stack in the liquid fuel, at least a part of the fuel flow path the opening into the fuel tank, is said direct fuel cell and the cell stack are arranged so that liquid fuel is introduced into the cell stack, opening the fuel tank of the open air passage with respect to atmospheric Open in Characterized by providing an open portion of the fuel flow path independently of the cell stack. In the direct fuel cell, it is preferable that the fuel tank also serves as a storage container for the cell stack, the fuel tank is provided with a liquid fuel supply port, and the liquid fuel is preferably an aqueous methanol solution.
[0010]
In the direct fuel cell described above, the cell stack can be arranged in the fuel tank, and the cell stack and the fuel tank can be integrated so that the fuel tank also serves as a storage container for the cell stack. it can. The cell stack can be placed not only at the center in the fuel tank, but also at the top or bottom. However, if the generated carbon dioxide is stored in the upper space, it can be placed at the top. Since the space becomes narrow, it is preferable to arrange the space below the central portion. In addition, carbon dioxide produced at the fuel electrode can be discharged into the fuel tank, and liquid fuel can be continuously supplied to the fuel electrode side by diffusion or convection of the liquid fuel due to its movement. This eliminates the need to separate liquid fuel and carbon dioxide. Incidentally, at least part of the fuel passage opens into the fuel tank, because, say that it has dipped all or part of the cell stack in the liquid fuel, when immersing the whole, the above-described carbon dioxide The liquid fuel can be continuously supplied to the fuel electrode side by the diffusion or convection of the liquid fuel due to the movement of the liquid. The liquid fuel may be immersed in the liquid fuel to such an extent that the liquid fuel can be continuously supplied to the fuel electrode side by the movement of the liquid fuel by capillary action. In addition, by providing the cell stack with an open portion of the air flow path that is open to the atmosphere and an open portion of the fuel flow path that is open in the fuel tank, air and liquid fuel are supplied from each open portion. Can be supplied without being mixed with each other. Further, by providing a liquid fuel supply port in the fuel tank, even if the concentration of the liquid fuel decreases due to the reaction, it can be continuously used by newly supplying the liquid fuel.
[0011]
Further, since the fuel flow path is disposed so as to be opened in the fuel tank, and liquid fuel can be supplied to the fuel electrode through the open portion by diffusion or convection, the fuel pump can be dispensed with.
[0012]
Further, since the air flow path is arranged so as to be open to the atmosphere, a fan or an air blower can be dispensed with if air is supplied to the air electrode through this open part by diffusion or convection. Air can also be supplied using a fan or an air blower. In addition, as a method of circulating air through the air flow path, an external manifold structure is provided in the cell stack without providing an open portion that is open to the atmosphere in the fuel tank, and the fuel tank is connected through the piping of the external manifold structure. The air can be forced to flow through the cell stack with a blower or an air fan. In addition, a blower or an air fan may be provided in the open portion that is open to the atmosphere described above, and air may be supplied from this open portion, or an internal manifold for circulating air through each separator plate The air may be supplied from an air supply port that communicates with the internal manifold. Furthermore, the water produced | generated by the air electrode can also be made to collect | recover in a fuel tank using a gravity or a small pump etc. by providing a production | generation water collection path.
[0013]
The direct fuel cell described above is applicable not only to a direct methanol fuel cell using methanol as a liquid fuel but also to a fuel cell using an organic solvent such as ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butanol, dimethyl ether and water. Can do.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the embodiments.
[0015]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a cell structure of a direct fuel cell according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing an example of the cell stack. As shown in FIG. 1, the cell structure has a pair of air electrodes 12 (not shown, on the opposite side of the electrolyte 11 to which the fuel electrode 13 is joined) via an electrolyte 11 made of a proton conductive polymer membrane. The electrode-membrane assembly (hereinafter referred to as MEA) 10 in which the fuel electrode 13 is bonded to the fuel electrode 13 is supplied with liquid fuel to the fuel electrode 13 side, and the reaction product is supplied from the fuel electrode 13 side. The fuel flow path 23 for discharging is supplied, air is supplied to the air electrode 12 side, and sandwiched between two separator plates 20 having the air flow path 22 for discharging reaction products from the air electrode 12 side. Is. As shown in FIG. 1, the separator plate 20 is provided with an air flow path 22 on the back surface provided with the fuel flow path 23, and with a fuel flow path 23 provided on the back surface provided with the air flow path 22. The MEA 10 is laminated through the separator plate 20 to form a cell stack 1 as shown in FIG. The cell stack 1 is provided with a separator plate 20a provided with only the fuel flow path 21 and a separator plate 20b provided with only the air flow path 24 at the outermost part. Note that the separator plate 20 may be formed by bonding the separator plate 20a and the separator plate 20b so that the respective flow paths are front and back. In this way, there are two types of separator plates.
[0016]
Thereby, as shown in FIG. 2, the cell stack 1 includes straight fuel flow paths 21 and 23 having openings in the vertical direction, and straight air flow paths 22 having openings in the front-rear direction. 24, the liquid fuel is supplied from the upper and lower openings, the reaction product from the fuel electrode 13 side is discharged from the upper opening, and the air is forward or backward (in FIG. The reaction product from the air electrode 12 side is discharged from the rear or front (backward in FIG. 2) opening. In addition, although each said flow path was made into the linear form orthogonal to each other, it does not restrict to this.
[0017]
The MEA 10 was produced as follows. That is, among proton conductive polymer electrolyte membranes, a Nafion membrane (trade name: Nafion 117) manufactured by DuPont, which is common as a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane, was used as the electrolyte 11. In addition, an air electrode catalyst, PTFE resin and Nafion solution (isopropanol solvent) in which platinum fine particles are supported on a carbon powder made of acetylene black in a gas diffusion layer made of carbon paper impregnated with a PTFE solution and subjected to water repellency treatment A catalyst paste obtained by mixing and drying was used as the air electrode 12. In addition, a catalyst paste obtained by mixing a fuel electrode catalyst in which platinum-ruthenium fine particles are supported on a carbon powder made of acetylene black, PTFE resin, and a Nafion solution (isopropanol solvent) is applied to the same gas diffusion layer and dried. This was used as the fuel electrode 13. As the air electrode catalyst, a platinum fine particle content of 40% by weight was used, but it can be appropriately selected within the range of 10 to 70% by weight. The fuel electrode catalyst used had a platinum-ruthenium fine particle content of 40% by weight and a platinum: ruthenium weight ratio of 2: 1. The platinum-ruthenium fine particle content was 10 to 70% by weight. The weight ratio of platinum: ruthenium can be appropriately selected within the range of 5: 1 to 1: 2. The composition of each catalyst, perfluorosulfonic acid resin and PTFE resin in the solution in which the air electrode catalyst and the fuel electrode catalyst are dispersed can be arbitrarily determined. The air electrode 12 and the fuel electrode 13 thus produced were joined to both surfaces of the electrolyte 11 by hot pressing to produce an MEA.
[0018]
In the direct fuel cell of the present invention, liquid fuel is circulated through the fuel flow passages 21 and 23 in the cell stack 1. That is, as shown in FIG. 3, the cell stack 1 is arranged in the fuel tank 2 so that the fuel flow paths 21 and 23 are opened in the fuel tank 2 storing liquid fuel, and the fuel tank 2 is connected to the cell stack. 1 is also used as a storage container. As a result, liquid fuel flows into the space 23 a formed by the fuel flow path 23 and is supplied to the fuel electrode 13 as shown in FIG. Carbon dioxide as a reaction product is discharged from above, and liquid fuel can be continuously supplied to the fuel electrode 13 by diffusion or convection of the liquid fuel due to the movement. If the fuel tank 2 is provided with a liquid fuel replenishing port, it can be continuously used by replenishing the liquid fuel even if the concentration of the liquid fuel is reduced by the reaction.
[0019]
The discharged carbon dioxide becomes bubbles in the liquid fuel and is accumulated in the upper part of the fuel tank 2. However, the exhaust gas may be exhausted by providing an exhaust port in the upper part of the fuel tank 2. Further, if a water-repellent porous material such as Teflon (registered trademark) is provided at the exhaust port, there is an effect of preventing liquid fuel from leaking from the exhaust port.
[0020]
The direct fuel cell is configured such that air flows through the air passages 22 and 24. That is, as shown in FIG. 3, in the cell stack 1, the air flow paths 22 and 24 are open to the atmosphere, and only the open part does not leak liquid fuel to the outside by applying resin bonding, packing seal, or the like. In this way, the fuel tank 2 is disposed. As a result, as shown in FIG. 4B (cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 3), air flows into the space 24a formed by the air flow path 24, and is supplied to the air electrode 12, Water as a reaction product is discharged. In addition, if the water-repellent porous material such as Teflon (registered trademark) is provided in the open portion, there is an effect that leakage of generated water can be prevented.
[0021]
In addition, there are methods such as allowing the water to be absorbed by the water absorbent, collecting a separate collection cassette and collecting it, or returning it to the fuel tank 2. It can also be in the form. For example, even when returning to the fuel tank 2, if the liquid fuel in the fuel tank 2 has a large capacity, it is not returned to the fuel tank 2 but returned to the recovery cassette or absorbed by the water absorber. It is possible to do. Further, when only returning to the fuel tank 2, the amount to be returned needs to be controlled according to the content of the liquid fuel in the fuel tank 2.
[0022]
Further, as a method of circulating air through the air flow paths 22 and 24, an external manifold structure is provided in the cell stack 1 without providing an open portion opened to the atmosphere in the fuel tank 2, and the external manifold structure It is also possible to force air to flow through the piping to the cell stack 1 in the fuel tank 2 with a blower or an air fan. In this way, it is possible to prevent the liquid fuel from leaking only by applying resin bonding, packing seal, or the like only to the connection portion between the external manifold and the cell stack 1.
[0023]
Further, as a method of circulating air through the air flow paths 22 and 24, not only air is supplied by natural diffusion or natural convection, but also air can be forced to flow by a blower or an air fan. In this case, a blower or an air fan may be provided in the opening portion that is open to the atmosphere described above, and air may be supplied from the opening portion, or air may be supplied to each separator plate 20, 20a, 20b. An internal manifold for circulation may be provided, and air may be supplied from an air supply port that communicates with the internal manifold. In the case where an internal manifold is provided, the flow path depth of the air flow path provided in each separator plate 20, 20b can be reduced so that each separator plate 20, 20b can be thinned. A fuel cell can be miniaturized, and a direct fuel cell of the same size can have a large capacity. Further, if a water-repellent porous material such as Teflon (registered trademark) is provided in the open part or the air supply port, there is an effect of preventing leakage of water generated by the reaction.
[0024]
In addition, by providing the cell stack with an open portion of the air flow path that is open to the atmosphere and an open portion of the fuel flow path that is open in the fuel tank, air and liquid fuel are supplied from each open portion. Can be supplied without being mixed with each other.
[0025]
【The invention's effect】
As described above, the structure of the direct fuel cell according to the present invention makes it possible to configure a battery without requiring many of various peripheral parts, which can contribute to a compact battery configuration and reduce the cost. Can also contribute greatly. Therefore, it is possible to obtain an optimal fuel cell as a power source for portable electronic devices.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a cell structure of a direct fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of the cell stack.
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of the direct fuel cell of the present invention.
4A is a cross-sectional view taken along a line AA in FIG. 3, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along a line BB in FIG.
[Explanation of symbols]
1 Cell stack 2 Fuel tank 10 Electrode-membrane assembly (MEA)
20, 20a, 20b Separator plates 21, 23 Fuel flow path 22, 24 Air flow path

Claims

プロトン導電性の高分子膜からなる電解質を介して一対の空気極と燃料極とが接合された電極−膜接合体を、燃料極側に液体燃料を供給し、燃料極側から反応生成物を排出するための燃料流路を有するセパレーター板と、空気極側に空気を供給し、空気極側から反応生成物を排出するための空気流路を有するセパレーター板とで挟持して積層したセルスタックを備えるとともに、液体燃料を貯蔵した燃料タンクを備え、前記セルスタックの全部を液体燃料中に浸漬し、前記燃料流路の少なくとも一部を燃料タンク内に開放し、液体燃料がセルスタック内に導入されるように前記セルスタックを配置し、大気に対して開放された空気流路の開放部と燃料タンク内に開放された燃料流路の開放部とをセルスタックに独立して設けたことを特徴とする直接形燃料電池。An electrode-membrane assembly in which a pair of air electrodes and a fuel electrode are joined via an electrolyte made of a proton conductive polymer membrane is supplied with liquid fuel to the fuel electrode side, and a reaction product is supplied from the fuel electrode side. A cell stack in which a separator plate having a fuel channel for discharging and a separator plate having an air channel for supplying air to the air electrode side and discharging reaction products from the air electrode side are stacked A fuel tank storing liquid fuel, immersing the entire cell stack in the liquid fuel, opening at least a part of the fuel flow path into the fuel tank, and the liquid fuel in the cell stack. The cell stack is disposed so as to be introduced, and an open portion of an air flow path that is open to the atmosphere and an open portion of a fuel flow path that is open in the fuel tank are provided independently in the cell stack. Features Direct fuel cell.