JP5272364B2 - Fuel cell cartridge - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用カートリッジに関する。   The present invention relates to a cartridge for a fuel cell.

近年、携帯電話、ＰＤＡ（携帯情報端末、Personal Digital Assistant）、ノートパソコン等の携帯電子機器の著しい進歩により、消費電力の増加、使用時間の長時間化が進み、その駆動電源である電池には更なる性能向上が求められている。しかし、現在ほとんどの携帯機器に搭載されているリチウムイオン二次電池では、材料面、構造面などの理由から性能向上がほぼ限界に近づきつつある。   In recent years, with the remarkable progress of portable electronic devices such as mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), notebook computers, etc., power consumption has increased and usage time has been prolonged. There is a need for further performance improvements. However, with lithium ion secondary batteries currently installed in almost all portable devices, the performance improvement is almost approaching the limit due to material and structural reasons.

これに対し、新規の高容量駆動電源として、燃料の理論容量が大きく、リチウムイオン電池と比較して数倍の高容量化が期待されるダイレクトメタノール型燃料電池ＤＭＦＣ（Direct Methanol Fuel Cell）に注目が集まっている。   On the other hand, as a new high-capacity drive power supply, attention is focused on the direct methanol fuel cell (DMFC), which has a large theoretical fuel capacity and is expected to have a capacity several times higher than that of lithium-ion batteries. Gathered.

これは、燃料電池の電解質に、高いイオン伝導度を有する高分子固体電解質を用い、燃料として有機燃料から改質された水素を供給することなく、直接電極上にメタノールなどの有機燃料を供給することで、エネルギー密度を向上させた燃料電池である。この方式をダイレクトメタノール方式という。この方式では、有機燃料から水素を取り出す改質器を必要としない。そのため燃料電池は小型で軽量であり、携帯機器への搭載に適している。   This is because a solid polymer electrolyte having high ionic conductivity is used as the electrolyte of the fuel cell, and an organic fuel such as methanol is directly supplied onto the electrode without supplying hydrogen reformed from the organic fuel as the fuel. Thus, the fuel cell has improved energy density. This method is called a direct methanol method. This method does not require a reformer that extracts hydrogen from the organic fuel. Therefore, the fuel cell is small and lightweight, and is suitable for mounting on a portable device.

この方式では、燃料極触媒にメタノール水溶液を液体あるいは気体の状態で供給し、触媒上でプロトンと二酸化炭素が生成される。プロトンは高分子固体電解質の膜中を透過して、酸素と化合して水を生成する。この際、燃料極、空気極を外部回路に接続することで電力が取り出せる。   In this system, an aqueous methanol solution is supplied to the fuel electrode catalyst in a liquid or gaseous state, and protons and carbon dioxide are generated on the catalyst. Protons pass through the membrane of the polymer solid electrolyte and combine with oxygen to produce water. At this time, electric power can be taken out by connecting the fuel electrode and the air electrode to an external circuit.

ＤＭＦＣにおける燃料供給方法には、燃料極表面に液体状態の燃料を直接供給する液体供給式と、液体燃料を気化させた後に燃料極へ供給する気化供給式がある。   The fuel supply method in the DMFC includes a liquid supply type in which liquid fuel is directly supplied to the surface of the fuel electrode, and a vaporization supply type in which liquid fuel is vaporized and then supplied to the fuel electrode.

気化供給式では燃料タンク内から供給する燃料を高濃度化することが可能であり、同一容積で比較すると低濃度の燃料を使用した場合に比べてエネルギー密度は向上する。従って、小型化、高エネルギー密度化が要求されている携帯型電子機器用途では、気化供給式が適した方式であると言える。   In the vaporization supply type, it is possible to increase the concentration of fuel supplied from within the fuel tank, and when compared with the same volume, the energy density is improved as compared with the case where low concentration fuel is used. Therefore, it can be said that the vaporization supply method is a suitable method for portable electronic device applications that require miniaturization and high energy density.

なお、本発明の背景技術としては、以下のようなものがある。
特開２００４−１２７６５９号公報 特許第３４１３１１１号公報 特開２００４−２３３７２６号公報 特開２００５−２０３３３５号公報 特開２０００−２６８８３６号公報 特開２００４−２８８５７４号公報 特開２００３−３０８８７１号公報 The background art of the present invention is as follows.
JP 2004-127659 A Japanese Patent No. 3413111 JP 2004-233726 A JP 2005-203335 A JP 2000-268836 A JP 2004-288574 A JP 2003-308771 A

気化供給式では、液体燃料を気化して燃料極へ供給する。このとき、液体が気化する速度を気化放出速度と言う。この気化放出速度が一定していれば、燃料極へ燃料を安定的に供給することができる。   In the vaporization supply type, liquid fuel is vaporized and supplied to the fuel electrode. At this time, the speed at which the liquid vaporizes is referred to as the vaporization release speed. If this vaporization release rate is constant, fuel can be stably supplied to the fuel electrode.

しかしながら、メタノール気化放出速度の温度による上昇率はメタノール蒸気圧に則しており、温度依存性が非常に大きいという問題があった。   However, the rate of increase of the methanol vaporization release rate with temperature is in accordance with the methanol vapor pressure, and there is a problem that the temperature dependence is very large.

このように、燃料を供給する速度が温度に大きく依存する気化供給式では、初期状態での電池の温度が低いことにより電池始動が遅くなるという問題や、電池の温度が上昇し続けることにより熱暴走を起こしやすいという問題があった。   As described above, in the vaporization supply type in which the fuel supply speed greatly depends on the temperature, the problem is that the start of the battery is delayed due to the low temperature of the battery in the initial state, and the heat is increased due to the continued increase in the temperature of the battery. There was a problem that it was prone to runaway.

本発明の目的は、燃料の気化放出速度の温度依存性を緩和し、安定的に発電す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 that can relax the temperature dependence of the vaporization release rate of fuel and stably generate power.

本発明の一観点によれば、燃料電池に燃料を供給するための燃料電池用カートリッジであって、少なくとも一方の面に複数の開口部が形成されたカートリッジケースと、前記カートリッジケース内の前記開口部が形成された面に配置され、前記燃料を内部に溶解可能な非多孔質材料と、前記カートリッジケース内に封入された前記燃料を含浸するための燃料含浸材とを有し、前記非多孔質材料からの前記燃料の気化放出速度の温度依存性が、前記燃料含浸材からの前記燃料の気化放出速度の温度依存性よりも小さい燃料電池用カートリッジが提供される。
According to one aspect of the present invention, there is provided a fuel cell cartridge for supplying fuel to a fuel cell , wherein the cartridge case has a plurality of openings formed on at least one surface thereof, and the opening in the cartridge case. parts are arranged in the formed surface, possess a non-porous material capable of dissolving the fuel therein and a fuel impregnation material for impregnating the fuel enclosed within the cartridge case, the non-porous There is provided a fuel cell cartridge in which the temperature dependency of the vaporization release rate of the fuel from the material is smaller than the temperature dependency of the vaporization release rate of the fuel from the fuel impregnated material .

本発明によれば、カートリッジケースに形成された開口部と、カートリッジケース内に封入された燃料含浸材の間に、非多孔質材料を配置することにより、温度の上昇によるメタノール気化放出速度の上昇率を低く抑えることが可能となる。   According to the present invention, the non-porous material is disposed between the opening formed in the cartridge case and the fuel-impregnated material enclosed in the cartridge case, thereby increasing the methanol vaporization release rate due to the temperature increase. The rate can be kept low.

また、本発明によれば、非多孔質材料の厚みを変えることにより、メタノール気化放出速度を制御することが可能となる。さらに、カートリッジ表面に設けられた開口部の面積を変えることによっても、メタノール気化放出速度を制御することが可能となる。そのため、例えば、非多孔質材料の厚みを大きく取ることによって、開口部の面積を大きく取ることが可能となる。従って、開口部の面積を大きく取ることにより、開口部を遮断する部分を削減し、燃料供給分布を面方向で均一にすることができ、安定的な発電を行うことが可能となる。また、開口部を大きく取ることにより、カートリッジケースの材料を少なくすることができたり、開口部を小さく取るよりも加工が容易になったりなど、大幅なコスト削減が可能となる。   Further, according to the present invention, it is possible to control the methanol vaporization release rate by changing the thickness of the non-porous material. Furthermore, it is possible to control the methanol vaporization release rate by changing the area of the opening provided on the cartridge surface. Therefore, for example, it is possible to increase the area of the opening by increasing the thickness of the non-porous material. Therefore, by taking a large area of the opening, it is possible to reduce the portion that blocks the opening, to make the fuel supply distribution uniform in the surface direction, and to perform stable power generation. Further, by taking a large opening, it is possible to significantly reduce costs such as reducing the material of the cartridge case and making the processing easier than making the opening small.

また、本発明によれば、カートリッジケースに形成された開口部と、カートリッジケース内に封入された燃料含浸材の間に、非多孔質材料を配置することにより、メタノール気化放出速度の温度依存性が緩和される。そのため、温度が上昇しても燃料であるメタノールの発電部への供給は比較的安定的に行われる。従って、発電部の発熱は安定し、熱暴走しにくい燃料電池システムを提供することが可能である。さらに、メタノール気化放出速度の温度依存性が緩和されることにより、電池温度が低い初期状態のメタノール放出速度が比較的大きくなる。従って、初期状態からの電流の立ち上がりが早い燃料電池システムを提供することが可能となる。   Further, according to the present invention, the non-porous material is disposed between the opening formed in the cartridge case and the fuel-impregnated material enclosed in the cartridge case, so that the temperature dependency of the methanol vaporization release rate is obtained. Is alleviated. For this reason, even if the temperature rises, methanol, which is fuel, is supplied to the power generation unit relatively stably. Therefore, it is possible to provide a fuel cell system in which heat generation in the power generation unit is stable and thermal runaway is difficult. Furthermore, since the temperature dependency of the methanol vaporization release rate is relaxed, the methanol release rate in the initial state where the battery temperature is low becomes relatively large. Therefore, it is possible to provide a fuel cell system in which the current rise from the initial state is fast.

また、本発明によれば、燃料電池用カートリッジの両面に開口部を設けたものを使用することにより、同時に２箇所の発電部へ気化燃料を供給することが可能である。   Further, according to the present invention, vaporized fuel can be supplied to two power generation units at the same time by using a fuel cell cartridge having openings on both sides.

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による燃料電池用カートリッジについて図１乃至図６を用いて説明する。 [First Embodiment]
A fuel cell cartridge according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図１は提案されている燃料電池用カートリッジを示す概略図、図２は本実施形態による燃料電池用カートリッジを示す概略図、図３は本実施形態による燃料電池システムの内部構造を示す概略図である。   1 is a schematic view showing a proposed fuel cell cartridge, FIG. 2 is a schematic view showing a fuel cell cartridge according to the present embodiment, and FIG. 3 is a schematic view showing an internal structure of the fuel cell system according to the present embodiment. is there.

（燃料電池システムの概要）
はじめに、燃料電池用カートリッジを用いた燃料電池システムの概要を説明する。 (Overview of fuel cell system)
First, an outline of a fuel cell system using a fuel cell cartridge will be described.

燃料電池の燃料は、発電部と別個に設けられた燃料電池用カートリッジ内に貯留される。燃料電池に継続的に発電を行わせるためには、燃料電池用カートリッジ内に貯留された燃料を、継続的に発電部に供給することが必要となる。   The fuel of the fuel cell is stored in a fuel cell cartridge provided separately from the power generation unit. In order for the fuel cell to continuously generate power, it is necessary to continuously supply the fuel stored in the fuel cell cartridge to the power generation unit.

本願発明者等は、燃料電池用カートリッジ内に貯留された燃料を発電部に供給する技術として、燃料電池用カートリッジにおいて気化された燃料を発電部に供給する技術を提案している。   The inventors of the present application have proposed a technique for supplying the fuel vaporized in the fuel cell cartridge to the power generation section as a technique for supplying the fuel stored in the fuel cell cartridge to the power generation section.

（本願発明者等により提案されている燃料電池用カートリッジ）
この技術に用いられる燃料電池用カートリッジについては、少なくとも一方の面に複数の孔を設けたカード形状のカートリッジ内に、メタノール水溶液を高分子材料に含浸させたものを保持する方法が提案されている。 (Fuel cell cartridge proposed by the present inventors)
Regarding the fuel cell cartridge used in this technique, a method has been proposed in which a polymer material impregnated with a methanol aqueous solution is held in a card-shaped cartridge having a plurality of holes on at least one surface. .

この提案されている燃料電池用カートリッジの詳細について、図１を用いて説明する。   The details of the proposed fuel cell cartridge will be described with reference to FIG.

図１（ａ）は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。   FIG. 1A is a plan view of the proposed fuel cell cartridge 100, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line A-A 'of FIG. 1A.

図１（ａ）において、燃料電池用カートリッジ１００の一方の面には、複数の孔１０２が設けられている。孔１０２の形状は円形であり、直径はφ０．１ｍｍ程度である。   In FIG. 1A, a plurality of holes 102 are provided on one surface of the fuel cell cartridge 100. The hole 102 has a circular shape and a diameter of about 0.1 mm.

図１（ｂ）において、カートリッジケース１０４の一方の面には複数の孔１０２が設けられている。カートリッジケース１０４内には、燃料となるメタノール水溶液を十分に含浸させた燃料含浸材１０６が封入されている。図１（ｂ）における矢印は、燃料含浸材１０６から燃料が気化して放出されていく状態を示している。   In FIG. 1B, a plurality of holes 102 are provided on one surface of the cartridge case 104. Inside the cartridge case 104, a fuel impregnated material 106 sufficiently impregnated with an aqueous methanol solution as a fuel is enclosed. The arrow in FIG. 1B indicates a state in which fuel is vaporized and released from the fuel impregnated material 106.

燃料含浸材１０６に含浸させたメタノール水溶液は、孔１０２付近の空気に直接接している。ここで、ある温度でのメタノール気化放出速度は、その温度でのメタノール蒸気圧の大きさによって決まる。温度が高いほどメタノール蒸気圧も大きくなるので、メタノール気化放出速度も大きくなる。提案されている燃料電池用カートリッジ１００では、燃料含浸材１０６に含浸させたメタノール水溶液は孔１０２に直接接しているため、孔１０２付近の温度上昇によりメタノール気化放出速度は大きく上昇する。メタノール気化放出速度は、孔１０２付近の空気の温度に大きく依存する。   The aqueous methanol solution impregnated in the fuel impregnating material 106 is in direct contact with the air near the hole 102. Here, the methanol vaporization release rate at a certain temperature is determined by the magnitude of the methanol vapor pressure at that temperature. The higher the temperature, the higher the methanol vapor pressure, and the higher the methanol vaporization release rate. In the proposed fuel cell cartridge 100, the methanol aqueous solution impregnated in the fuel impregnating material 106 is in direct contact with the hole 102, so that the methanol vaporization / release rate greatly increases as the temperature near the hole 102 rises. The methanol vaporization release rate greatly depends on the temperature of the air near the hole 102.

このように、提案されている燃料電池用カートリッジ１００を使用した場合、燃料含浸材１０６に含浸させたメタノール水溶液が孔１０２付近の空気に接しており、孔１０２付近の空気の温度によりメタノール気化放出速度が変動するため、気化した燃料を安定して放出することは困難であった。   Thus, when the proposed fuel cell cartridge 100 is used, the methanol aqueous solution impregnated in the fuel impregnating material 106 is in contact with the air in the vicinity of the hole 102, and the vaporization and release of methanol depends on the temperature of the air in the vicinity of the hole 102. Since the speed fluctuated, it was difficult to stably discharge the vaporized fuel.

（本実施形態による燃料電池用カートリッジ）
そこで本願発明者らは鋭意検討した結果、カートリッジケース内部において、孔が設けられた面と燃料含浸材との間に、非多孔質形状の燃料気化膜を配置することにより、メタノール気化放出速度の温度依存性の緩和を実現することに想到した。ここで、非多孔質材料とは、内部に微細な孔が存在しない緻密な材料のことである。非多孔質材料の特徴として、燃料が非多孔質材料を透過する際、まず燃料が非多孔質材料の内部へ溶解する。その後、燃料が非多孔質材料中を拡散し、非多孔質材料から気化放出されるという過程で、燃料の透過が進行する。 (Fuel cell cartridge according to this embodiment)
Therefore, as a result of intensive studies, the inventors of the present application have determined that the methanol vaporization release rate can be reduced by disposing a non-porous fuel vaporization film between the surface provided with the holes and the fuel impregnated material inside the cartridge case. We came up with the realization of relaxation of temperature dependence. Here, the non-porous material is a dense material having no fine pores inside. As a feature of the non-porous material, when the fuel permeates the non-porous material, the fuel first dissolves into the non-porous material. Thereafter, permeation of the fuel proceeds in a process in which the fuel diffuses in the non-porous material and is vaporized and released from the non-porous material.

図２は、本実施形態による燃料電池用カートリッジについての概略図である。図２（ａ）は、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。   FIG. 2 is a schematic view of the fuel cell cartridge according to the present embodiment. 2A is a plan view of the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line B-B ′ of FIG.

図２（ａ）において、燃料電池用カートリッジ１０の面には、開口部１２が設けられている。開口部１２の形状は、例えば長方形である。開口部１２の面積は、例えば１５×１０ｍｍ２程度である。 In FIG. 2A, an opening 12 is provided on the surface of the fuel cell cartridge 10. The shape of the opening 12 is, for example, a rectangle. The area of the opening 12 is, for example, about 15 × 10 mm 2 .

図２（ｂ）において、カートリッジケース１４の一方の面には開口部１２が設けられている。カートリッジケース１４内には、燃料となるメタノール水溶液を十分に含浸させた燃料含浸材１６が封入されている。図２（ｂ）における矢印は、燃料含浸材１６から燃料が気化して放出されていく状態を示している。   In FIG. 2B, an opening 12 is provided on one surface of the cartridge case 14. In the cartridge case 14, a fuel impregnated material 16 sufficiently impregnated with an aqueous methanol solution as a fuel is enclosed. The arrow in FIG. 2B indicates a state in which the fuel is vaporized and released from the fuel impregnated material 16.

カートリッジケース１４に設けられた開口部１２と燃料含浸材１６との間には、非多孔質材料１８が配置されている。非多孔質材料１８としては、例えば、シリコーンゴム膜を用いることができる。   A non-porous material 18 is disposed between the opening 12 provided in the cartridge case 14 and the fuel-impregnated material 16. As the non-porous material 18, for example, a silicone rubber film can be used.

開口部１２と燃料含浸材１６との間にシリコーンゴム膜のような非多孔質材料１８を配置した場合、燃料含浸材１６に含浸させたメタノール水溶液は、まず非多孔質材料１８の内部へ溶解する。そしてメタノール水溶液は非多孔質材料１８の内部を拡散した後、開口部１２から気化して放出される。   When a non-porous material 18 such as a silicone rubber film is disposed between the opening 12 and the fuel-impregnated material 16, the methanol aqueous solution impregnated in the fuel-impregnated material 16 is first dissolved into the non-porous material 18. To do. The methanol aqueous solution diffuses inside the non-porous material 18 and is then vaporized and released from the opening 12.

本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０のメタノール気化放出速度は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００と同様、開口部１２付近の温度に依存する。開口部１２付近の温度上昇に伴い、メタノール気化放出速度も大きくなる。しかし、その変化の割合は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００の場合よりも小さい。これは、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、燃料含浸材１６に含浸させたメタノール水溶液は、非多孔質材料１８の内部に十分拡散してから気化するからである。   The methanol vaporization / release rate of the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment depends on the temperature in the vicinity of the opening 12 as in the proposed fuel cell cartridge 100. As the temperature in the vicinity of the opening 12 rises, the methanol vaporization release rate also increases. However, the rate of change is smaller than that of the proposed fuel cell cartridge 100. This is because in the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, the methanol aqueous solution impregnated in the fuel impregnating material 16 is sufficiently diffused into the non-porous material 18 and then vaporized.

このようにして、開口部１２と燃料含浸材１６との間に非多孔質材料１８を配置することにより、メタノール気化放出速度の温度依存性を緩和することが可能となる。また、メタノール気化放出速度の絶対量は、非多孔質材料１８の厚みや開口部１２の面積で制御することが可能である。   In this way, by disposing the non-porous material 18 between the opening 12 and the fuel impregnating material 16, the temperature dependence of the methanol vaporization release rate can be relaxed. In addition, the absolute amount of the methanol vaporization release rate can be controlled by the thickness of the non-porous material 18 and the area of the opening 12.

（本実施形態による燃料電池用カートリッジを使用した燃料電池システム）
次に、本実施形態による燃料電池用カートリッジを使用した燃料電池システムについて、図３を用いて説明する。 (Fuel cell system using the fuel cell cartridge according to the present embodiment)
Next, the fuel cell system using the fuel cell cartridge according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

図３に示すように、燃料電池システム２０は、カソードハウジングと呼ばれる空気極側ハウジング２２と、空気極側ハウジング２２に隣接して設けられたカソード集電体と呼ばれる空気極集電体２４と、空気極集電体２４に隣接して設けられた空気極ガス拡散層２６と、空気極ガス拡散層２６に隣接して設けられ、酸素を活物質として還元反応を生じさせ、イオンを生成する正極と呼ばれる空気極触媒層２８と、空気極触媒層２８に隣接して設けられた固体電解質層３０と、固体電解質層３０に隣接して設けられ、燃料を酸化してプロトンと電子とを取り出すための負極と呼ばれる燃料極触媒層３２と、燃料極触媒層３２に隣接して設けられた燃料極ガス拡散層３４と、燃料極ガス拡散層３４に隣接して設けられたアノード集電体と呼ばれる燃料極集電体３６と、燃料極集電体３６に隣接して設けられた気化燃料拡散層３８と、気化燃料拡散層３８に隣接して設けられたアノードハウジングと呼ばれる燃料極側ハウジング４４とを有している。燃料極側ハウジング４４には、燃料電池用カートリッジ４２を装着するためのスロット４０が形成されている。スロット４０内には、燃料電池用カートリッジ４２が装着されている。燃料電池用カートリッジ４２は、スロット４０内に着脱可能に構成されている。空気極触媒層２８と固体電解質層３０と燃料極触媒層３２とを合わせて発電部（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly） という。   As shown in FIG. 3, the fuel cell system 20 includes an air electrode side housing 22 called a cathode housing, an air electrode current collector 24 called a cathode current collector provided adjacent to the air electrode side housing 22, An air electrode gas diffusion layer 26 provided adjacent to the air electrode current collector 24 and a positive electrode provided adjacent to the air electrode gas diffusion layer 26 to generate a reduction reaction using oxygen as an active material to generate ions. An air electrode catalyst layer 28, a solid electrolyte layer 30 provided adjacent to the air electrode catalyst layer 28, and provided adjacent to the solid electrolyte layer 30 to oxidize fuel and extract protons and electrons. A fuel electrode catalyst layer 32 called a negative electrode, a fuel electrode gas diffusion layer 34 provided adjacent to the fuel electrode catalyst layer 32, and an anode current collector provided adjacent to the fuel electrode gas diffusion layer 34. A current collector 36, a vaporized fuel diffusion layer 38 provided adjacent to the fuel electrode current collector 36, and a fuel electrode side housing 44 called an anode housing provided adjacent to the vaporized fuel diffusion layer 38; have. A slot 40 for mounting the fuel cell cartridge 42 is formed in the fuel electrode side housing 44. A fuel cell cartridge 42 is mounted in the slot 40. The fuel cell cartridge 42 is configured to be detachable from the slot 40. The air electrode catalyst layer 28, the solid electrolyte layer 30, and the fuel electrode catalyst layer 32 are collectively referred to as a power generation unit (MEA: Membrane Electrode Assembly).

空気極集電体２４は、導電性を有し、耐食性が高いことが必要である。このため、空気極集電体２４の材料としては、例えば、Ａｕめっきが施されたＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のステンレスが用いられている。また、空気極集電体２４は、空気中の酸素を空気極触媒層２８に導入させ得ることが必要である。このため、空気極集電体２４の構造としては、メッシュ、エキスパンドメタル、発泡体等が採用されている。   The air electrode current collector 24 is required to have conductivity and high corrosion resistance. For this reason, as the material of the air electrode current collector 24, for example, stainless steel such as SUS304, SUS316 or the like plated with Au is used. Further, the air electrode current collector 24 needs to be able to introduce oxygen in the air into the air electrode catalyst layer 28. For this reason, as the structure of the air electrode current collector 24, a mesh, an expanded metal, a foam or the like is employed.

空気極ガス拡散層２６は、空気中の酸素を空気極触媒層２８に導入させ得ることが必要である。また、空気極ガス拡散層２６は、空気極集電体２４と空気極触媒層２８との電気的な導通を確保する必要がある。このため、空気極ガス拡散層２６の材料として、例えばカーボンペーパー等の多孔質導電体が用いられている。このカーボンペーパーとしては、例えば東レ株式会社製のカーボンペーパーを用いることができる。   The air electrode gas diffusion layer 26 needs to be able to introduce oxygen in the air to the air electrode catalyst layer 28. Further, the air electrode gas diffusion layer 26 needs to ensure electrical conduction between the air electrode current collector 24 and the air electrode catalyst layer 28. For this reason, as a material for the air electrode gas diffusion layer 26, for example, a porous conductor such as carbon paper is used. As this carbon paper, for example, carbon paper manufactured by Toray Industries, Inc. can be used.

空気極触媒層２８は、プロトン（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）とから水を生成する電気化学反応を生じさせることを可能とする材料が用いられている。具体的には、空気極触媒層２８は、触媒又は触媒担持体とプロトン伝導性高分子固体電解質とを混合し、こうして形成された混合物を空気極ガス拡散層２６又は固体電解質層３０に塗布することにより形成されている。空気極触媒層２８としては、例えば、田中貴金属工業株式会社製の白金担持触媒であるＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅを用いることができる。 The air electrode catalyst layer 28 is made of a material capable of causing an electrochemical reaction that generates water from protons (H + ) and oxygen (O 2 ). Specifically, the air electrode catalyst layer 28 is a mixture of a catalyst or a catalyst carrier and a proton conductive polymer solid electrolyte, and the mixture thus formed is applied to the air electrode gas diffusion layer 26 or the solid electrolyte layer 30. It is formed by. As the air electrode catalyst layer 28, for example, TEC10E50E, which is a platinum-supported catalyst manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., can be used.

固体電解質層３０は、燃料極側において生成されたプロトンを空気極側に輸送するための経路であり、電子伝導性を有しないイオン導電体により構成されている。固体電解質層３０の材料としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系ポリマ等を用いることができる。このパーフルオロスルホン酸系ポリマとしては、例えば、デュポン社製のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ：登録商標）を用いることができる。より具体的には、固体電解質層３０として、Ｎａｆｉｏｎ Ｎ１１２を用いることができる。   The solid electrolyte layer 30 is a path for transporting protons generated on the fuel electrode side to the air electrode side, and is made of an ionic conductor having no electronic conductivity. As a material of the solid electrolyte layer 30, for example, a perfluorosulfonic acid polymer can be used. As this perfluorosulfonic acid polymer, for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont can be used. More specifically, Nafion N112 can be used as the solid electrolyte layer 30.

燃料極触媒層３２は、例えば、白金等より成る微粒子と、炭素粉末と、電解質層を形成する高分子とを、燃料極ガス拡散層３４又は固体電解質層３０に塗布することにより構成されている。なお、塗布する微粒子としては、白金等に限定されるものではなく、例えば、白金とルテニウム等とからなる合金の微粒子を用いてもよい。燃料極触媒層３２としては、例えば、田中貴金属工業株式会社の白金−ルテニウム合金担持触媒であるＴＥＣ６１Ｅ５４を用いることができる。   The fuel electrode catalyst layer 32 is configured, for example, by applying fine particles made of platinum or the like, carbon powder, and a polymer forming the electrolyte layer to the fuel electrode gas diffusion layer 34 or the solid electrolyte layer 30. . The fine particles to be applied are not limited to platinum or the like, and for example, alloy fine particles made of platinum and ruthenium may be used. As the fuel electrode catalyst layer 32, for example, TEC61E54 which is a platinum-ruthenium alloy supported catalyst of Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. can be used.

燃料極ガス拡散層３４は、気化された燃料を燃料極触媒層３２に導入させ得ることが必要である。また、燃料極ガス拡散層３４は、燃料極集電体３６と燃料極触媒層３２との電気的な導通を確保する必要がある。このため、燃料極ガス拡散層３４の材料として、例えばカーボンペーパー等の多孔質導電体が用いられている。このカーボンペーパーとしては、例えば東レ株式会社製のカーボンペーパーを用いることができる。   The anode gas diffusion layer 34 needs to be able to introduce vaporized fuel into the anode catalyst layer 32. Further, the fuel electrode gas diffusion layer 34 needs to ensure electrical continuity between the fuel electrode current collector 36 and the fuel electrode catalyst layer 32. For this reason, as a material of the fuel electrode gas diffusion layer 34, for example, a porous conductor such as carbon paper is used. As this carbon paper, for example, carbon paper manufactured by Toray Industries, Inc. can be used.

燃料極集電体３６は、導電性を有し、耐食性が高いことが必要である。このため、燃料極集電体３６の材料としては、例えば、Ａｕめっきが施されたＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のステンレスが用いられている。また、燃料極集電体３６は、気化された燃料を燃料極触媒層３２に導入させ得ることが必要である。このため、燃料極集電体３６の構造としては、メッシュ、エキスパンドメタル、発泡体等が採用されている。   The anode current collector 36 needs to have conductivity and high corrosion resistance. For this reason, as the material of the fuel electrode current collector 36, for example, stainless steel such as SUS304, SUS316 or the like plated with Au is used. The anode current collector 36 needs to be able to introduce vaporized fuel into the anode catalyst layer 32. For this reason, as the structure of the fuel electrode current collector 36, a mesh, an expanded metal, a foam or the like is employed.

気化燃料拡散層３８は、燃料電池用カートリッジ４２から放出される気化された燃料を拡散するためのものである。気化燃料拡散層３８の上端部は、燃料電池システム２０のハウジング２２、４４から外部に一部露出している。ハウジング２２、４４から露出している気化燃料拡散層３８の上端部は、炭酸ガスを排出する炭酸ガス排出口として機能する。   The vaporized fuel diffusion layer 38 is for diffusing the vaporized fuel released from the fuel cell cartridge 42. A part of the upper end portion of the vaporized fuel diffusion layer 38 is exposed to the outside from the housings 22 and 44 of the fuel cell system 20. The upper end portion of the vaporized fuel diffusion layer 38 exposed from the housings 22 and 44 functions as a carbon dioxide discharge port for discharging carbon dioxide.

燃料電池用カートリッジ４２内に封入する燃料含浸材としては、例えば、カルボキシル基又はスルホン基を含む高分子材料を用いることが可能である。燃料含浸材は、高濃度のメタノール水溶液に対して溶解しないことが必要である。このような観点から、燃料含浸材としては、カルボキシル基又はスルホン基を含むパーフルオロ系の高分子材料が特に望ましい。このような材料としては、具体的には、デュポン社製のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ：登録商標）膜を用いることができる。また、燃料含浸材は、デュポン社製のナフィオン膜に限定されるものではない。例えば、旭硝子株式会社製のフレミオン（ｆｌｅｍｉｏｎ：登録商標）膜を燃料含浸材として用いてもよい。また、旭化成株式会社製のアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ：登録商標）膜を燃料含浸材として用いてもよい。   As the fuel impregnating material sealed in the fuel cell cartridge 42, for example, a polymer material containing a carboxyl group or a sulfone group can be used. The fuel-impregnated material must not be dissolved in a high-concentration aqueous methanol solution. From such a viewpoint, as the fuel-impregnated material, a perfluoro polymer material containing a carboxyl group or a sulfone group is particularly desirable. As such a material, specifically, a Nafion (registered trademark) membrane manufactured by DuPont can be used. Further, the fuel impregnating material is not limited to the Nafion membrane manufactured by DuPont. For example, a Flemion (registered trademark) film manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. may be used as the fuel impregnation material. Further, an Aciplex (registered trademark) membrane manufactured by Asahi Kasei Corporation may be used as a fuel impregnation material.

（温度によるメタノール気化放出速度の変化）
次に、提案されている燃料電池用カートリッジ１００と本実施形態の燃料電池用カートリッジ１０において、温度に対するメタノール気化放出速度を測定した結果について説明する。 (Change in vaporization rate of methanol with temperature)
Next, the results of measuring the methanol vaporization release rate with respect to temperature in the proposed fuel cell cartridge 100 and the fuel cell cartridge 10 of the present embodiment will be described.

図４は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００と本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０について、温度とメタノール気化放出速度の関係を示すグラフである。横軸は温度である。縦軸は、温度が２５℃のときのメタノール気化放出速度に対する各温度でのメタノール気化放出速度の比を示している。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the temperature and the vaporization rate of methanol for the proposed fuel cell cartridge 100 and the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment. The horizontal axis is temperature. The vertical axis represents the ratio of the methanol vaporization release rate at each temperature to the methanol vaporization release rate when the temperature is 25 ° C.

図４に示すように、提案されている燃料電池用カートリッジ１００では、温度が６０℃のときのメタノール気化放出速度は、２５℃のときのメタノール気化放出速度の約５．５倍となる。本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、温度が６０℃のときのメタノール気化放出速度は、２５℃のときのメタノール気化放出速度の約２．５倍となる。   As shown in FIG. 4, in the proposed fuel cell cartridge 100, the methanol vaporization release rate when the temperature is 60 ° C. is about 5.5 times the methanol vaporization release rate when the temperature is 25 ° C. In the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, the methanol vaporization / release rate when the temperature is 60 ° C. is about 2.5 times the methanol vaporization / release rate when the temperature is 25 ° C.

図４からわかるように、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０を用いることにより、温度の上昇によるメタノール気化放出速度の上昇率を低く抑えることが可能となる。   As can be seen from FIG. 4, by using the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, it is possible to keep the rate of increase of the methanol vaporization release rate due to temperature rise low.

（本実施形態でのシリコーンゴム膜の厚みとメタノール気化放出速度の関係）
本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、開口部１２と燃料含浸材１６との間に配置した非多孔質材料１８であるシリコーンゴム膜の厚みを変えることにより、メタノール気化放出速度を制御することができる。 (Relationship between thickness of silicone rubber film and methanol vaporization release rate in this embodiment)
In the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, the methanol vaporization / release rate is controlled by changing the thickness of the silicone rubber film that is the non-porous material 18 disposed between the opening 12 and the fuel-impregnated material 16. Can do.

図５は、シリコーンゴム膜の厚みとメタノール気化放出速度の関係を示すグラフである。横軸は、シリコーンゴム膜の厚みである。縦軸は、シリコーンゴム膜の厚みが５０μｍのときのメタノール気化放出速度の大きさに対する各厚みでのメタノール気化放出速度の比を示している。   FIG. 5 is a graph showing the relationship between the thickness of the silicone rubber film and the methanol vaporization release rate. The horizontal axis is the thickness of the silicone rubber film. The vertical axis represents the ratio of methanol vaporization / release rate at each thickness to the magnitude of methanol vaporization / release rate when the thickness of the silicone rubber film is 50 μm.

図５に示すように、本実施形態の燃料電池用カートリッジ１０では、シリコーンゴム膜の厚みが大きいほど、メタノール気化放出速度は小さくなる。シリコーンゴム膜の厚みが２００μｍのときのメタノール気化放出速度は、シリコーンゴム膜の厚みが５０μｍのときのメタノール気化放出速度の約４分の１となる。   As shown in FIG. 5, in the fuel cell cartridge 10 of the present embodiment, the methanol vaporization release rate decreases as the thickness of the silicone rubber film increases. The methanol vaporization release rate when the thickness of the silicone rubber film is 200 μm is about one-fourth of the methanol vaporization release rate when the thickness of the silicone rubber film is 50 μm.

図５からわかるように、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、非多孔質材料１８であるシリコーンゴム膜の厚みを変えることにより、メタノール気化放出速度を制御することが可能となる。   As can be seen from FIG. 5, in the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, the methanol vaporization release rate can be controlled by changing the thickness of the silicone rubber film that is the non-porous material 18.

また、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、カートリッジ表面に設けられた開口部１２の面積を変えることによっても、メタノール気化放出速度を制御することが可能となる。本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、メタノール気化放出速度は開口部１２の面積に比例する。   In the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, the methanol vaporization release rate can be controlled also by changing the area of the opening 12 provided on the cartridge surface. In the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, the methanol vaporization release rate is proportional to the area of the opening 12.

従って、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、非多孔質材料１８であるシリコーンゴム膜の厚みと、開口部１２の面積の取り方を変えることにより、メタノール気化放出速度を自由に制御することが可能となる。   Therefore, in the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, the methanol vaporization release rate can be freely controlled by changing the thickness of the silicone rubber film which is the non-porous material 18 and the method of taking the area of the opening 12. Is possible.

そのため、例えば、非多孔質材料１８であるシリコーンゴム膜の厚みを大きく取ることによって、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０の開口部１２の面積を大きく取ることが可能となる。   Therefore, for example, by increasing the thickness of the silicone rubber film that is the non-porous material 18, the area of the opening 12 of the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment can be increased.

本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０の開口部１２を大きく取ることにより、開口部１２を遮断する部分を削減し、燃料供給分布を面方向で均一にすることができ、安定的な発電を行うことが可能となる。また、開口部１２を大きく取ることにより、カートリッジケース１４の材料を少なくすることができたり、開口部１２を小さく取るよりも加工が容易になったりなど、大幅なコスト削減が可能となる。     By enlarging the opening 12 of the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, the portion that blocks the opening 12 can be reduced, the fuel supply distribution can be made uniform in the surface direction, and stable power generation is performed. It becomes possible. Further, by making the opening 12 large, the material of the cartridge case 14 can be reduced, and the cost can be greatly reduced, such as easier processing than making the opening 12 small.

（発電実験の結果）
次に、提案されている燃料電池用カートリッジ１００と本実施形態の燃料電池用カートリッジ１０を燃料電池システム２０に適用して行った発電実験の結果について説明する。 (Results of power generation experiment)
Next, the results of a power generation experiment performed by applying the proposed fuel cell cartridge 100 and the fuel cell cartridge 10 of the present embodiment to the fuel cell system 20 will be described.

図６（ａ）は、０．３Ｖの定電圧での連続放電を行った際の経過時間と出力電流を示すグラフ、図６（ｂ）は、０．３Ｖの定電圧での連続放電を行った際の経過時間と燃料電池システム２の温度の変化の関係を示すグラフである。   Fig. 6 (a) is a graph showing the elapsed time and output current when performing continuous discharge at a constant voltage of 0.3V, and Fig. 6 (b) shows continuous discharge at a constant voltage of 0.3V. 6 is a graph showing the relationship between the elapsed time at the time of change and the change in temperature of the fuel cell system 2.

なお、実験を行うにあたり、これら２つの燃料電池用カートリッジが、約５０℃でのメタノール気化放出速度がほぼ同じ大きさとなるように、提案されている燃料電池用カートリッジ１００では孔１０２の大きさと孔数を、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では開口部１２の大きさ及びシリコーンゴム膜の厚みをそれぞれ調整している。具体的には、提案されている燃料電池用カートリッジ１００では、孔１０２の大きさはφ０．０６ｍｍであり、孔１０２が２８０個設けられているものを使用した。カートリッジ表面の全面積に対する開口率は０．０５％であった。本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、開口部１２の大きさは１６×１２ｍｍ２であり、開口部１２が４個設けられているものを使用した。カートリッジ表面の全面積に対する開口率は４８％であった。非多孔質材料１８として、三菱樹脂株式会社製のシリコーンゴム珪樹を使用した。膜の厚みは２００μｍであった。 In conducting the experiment, in the proposed fuel cell cartridge 100, the size of the hole 102 and the hole are such that these two fuel cell cartridges have substantially the same methanol vaporization release rate at about 50 ° C. In the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, the size of the opening 12 and the thickness of the silicone rubber film are respectively adjusted. Specifically, in the proposed fuel cell cartridge 100, a hole 102 having a diameter of 0.06 mm and 280 holes 102 was used. The aperture ratio relative to the total area of the cartridge surface was 0.05%. In the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, the opening 12 has a size of 16 × 12 mm 2 and has four openings 12. The aperture ratio relative to the total area of the cartridge surface was 48%. As the non-porous material 18, silicone rubber silicon manufactured by Mitsubishi Plastics Co., Ltd. was used. The thickness of the film was 200 μm.

図６（ａ）において、横軸は経過時間、縦軸は出力電流である。   In FIG. 6A, the horizontal axis represents elapsed time, and the vertical axis represents output current.

本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０を使用した場合は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００を使用した場合と比較して、初期状態からの電流の立ち上がりが早い。例えば、出力電流が２００ｍＡに達するまでに要する時間は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００を使用した場合の約４０分に対し、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０を使用した場合では約１０分となっている。   When the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment is used, the current rise from the initial state is quicker than when the proposed fuel cell cartridge 100 is used. For example, the time required for the output current to reach 200 mA is about 10 minutes when the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment is used, compared to about 40 minutes when the proposed fuel cell cartridge 100 is used. It has become minutes.

本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、提案されている燃料電池用カートリッジ１００と比較して、メタノール気化放出速度の温度依存性が小さい。そのため、初期状態の室温付近でのメタノール気化放出速度が提案例よりも大きく、電流の立ち上がりが早くなったと考えられる。   In the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, the temperature dependency of the methanol vaporization release rate is smaller than that of the proposed fuel cell cartridge 100. Therefore, it is considered that the methanol vaporization / release rate near the room temperature in the initial state was larger than that in the proposed example, and the rise of current was accelerated.

また、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０を使用した場合は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００を使用した場合と比較して、時間の経過に伴い出力電流の大きさが約３００ｍＡに安定する。   Further, when the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment is used, the magnitude of the output current is stabilized to about 300 mA over time as compared with the case where the proposed fuel cell cartridge 100 is used. To do.

このことから、本実施形態によれば、初期状態からの電流の立ち上がりが早く、その後も安定的な発電を行うことができる燃料電池システム２０を提供することが可能となる。   From this, according to the present embodiment, it is possible to provide the fuel cell system 20 in which the current rises quickly from the initial state, and stable power generation can be performed thereafter.

図６（ｂ）において、横軸は経過時間、縦軸は燃料電池システム２０の温度である。   In FIG. 6B, the horizontal axis is the elapsed time, and the vertical axis is the temperature of the fuel cell system 20.

本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０を使用した場合、燃料電池システム２０の温度は約５０℃付近に安定する。提案された燃料電池用カートリッジ１００を使用した場合、経過時間に伴って温度が上昇し続け、最終的には熱暴走を引き起こしている。   When the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment is used, the temperature of the fuel cell system 20 is stabilized at about 50 ° C. When the proposed fuel cell cartridge 100 is used, the temperature continues to rise with the lapse of time, and eventually causes thermal runaway.

提案されている燃料電池用カートリッジ１００は、メタノール気化放出速度の温度依存性が大きい。そのため、温度の上昇に伴い、燃料であるメタノールの発電部への供給量が増える。それに伴い、発電部からの発熱量も増え、さらに温度が上昇する。こうして燃料電池システム２０の温度は上昇を続け、放熱が間に合わなくなって熱暴走を起こしたものと考えられる。   The proposed fuel cell cartridge 100 has a large temperature dependency of the methanol vaporization release rate. Therefore, as the temperature rises, the supply amount of methanol, which is fuel, to the power generation unit increases. Along with this, the amount of heat generated from the power generation unit also increases, and the temperature further increases. Thus, it is considered that the temperature of the fuel cell system 20 continued to rise, and heat runaway occurred due to the lack of heat dissipation.

本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０は、メタノール気化放出速度の温度依存性が緩和されている。そのため、温度が上昇しても燃料であるメタノールの発電部への供給量の増加が、提案例よりも抑えられている。そして、発電部での発熱速度と燃料電池システム２０からの放熱速度が等しくなる温度で安定すると考えられる。   In the fuel cell cartridge 10 according to the present embodiment, the temperature dependency of the methanol vaporization release rate is relaxed. Therefore, even if the temperature rises, an increase in the supply amount of methanol, which is fuel, to the power generation unit is suppressed as compared with the proposed example. Then, it is considered that the heat generation rate in the power generation unit and the heat release rate from the fuel cell system 20 are stable at a temperature that is equal.

このことから、本実施形態によれば、熱的に安定し、熱暴走しにくい燃料電池システム２０を提供することが可能である。   Thus, according to the present embodiment, it is possible to provide the fuel cell system 20 that is thermally stable and is unlikely to run out of heat.

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による燃料電池用カートリッジについて図７及び図８を用いて説明する。 [Second Embodiment]
A fuel cell cartridge according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本発明の第１実施形態による燃料電池システムでは、使用する燃料電池用カートリッジの一方の面に開口部を設けたものを使用している。   In the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, a fuel cell cartridge to be used is provided with an opening on one surface.

これに対し本実施形態では、燃料電池用カートリッジの両面に開口部を設けたものを使用し、同時に２箇所の発電部へ気化燃料を供給することを可能としている。   On the other hand, in this embodiment, the fuel cell cartridge having openings on both sides is used, and vaporized fuel can be supplied to two power generation units at the same time.

図７は、本実施形態による燃料電池用カートリッジの断面図である。   FIG. 7 is a cross-sectional view of the fuel cell cartridge according to the present embodiment.

カートリッジケース１４の両面には開口部１２及び開口部１３が設けられている。カートリッジケース１４内には、燃料となるメタノール水溶液を十分に含浸させた燃料含浸材１６が封入されている。図７における矢印は、燃料含浸材１６から燃料が気化して放出されていく状態を示している。本実施形態によれば、カートリッジケース１４の両面には開口部１２及び開口部１３が設けられており、燃料含浸材１６から気化した燃料は開口部１２及び開口部１３から両面へ放出される。   An opening 12 and an opening 13 are provided on both surfaces of the cartridge case 14. In the cartridge case 14, a fuel impregnated material 16 sufficiently impregnated with an aqueous methanol solution as a fuel is enclosed. The arrows in FIG. 7 indicate the state in which the fuel is vaporized and released from the fuel impregnated material 16. According to the present embodiment, the opening 12 and the opening 13 are provided on both surfaces of the cartridge case 14, and the fuel vaporized from the fuel impregnating material 16 is discharged from the opening 12 and the opening 13 to both surfaces.

カートリッジケース１４の一方の面に設けられた開口部１２と燃料含浸材１６との間には、非多孔質材料１８が配置されている。さらに、もう一方の面に設けられた開口部１３と燃料含浸材１６との間には、非多孔質材料１９が配置されている。非多孔質材料１８及び非多孔質材料１９としては、例えば、シリコーンゴム膜を用いることができる。   A non-porous material 18 is disposed between the opening 12 provided on one surface of the cartridge case 14 and the fuel-impregnated material 16. Furthermore, a non-porous material 19 is disposed between the opening 13 provided on the other surface and the fuel-impregnated material 16. As the non-porous material 18 and the non-porous material 19, for example, a silicone rubber film can be used.

図８は本実施形態による燃料電池システムの内部構造を示す概略図である。   FIG. 8 is a schematic view showing the internal structure of the fuel cell system according to the present embodiment.

図８に示すように、燃料電池システム５０は、カソードハウジングと呼ばれる空気極側ハウジング５２と、空気極側ハウジング５２に隣接して設けられたカソード集電体と呼ばれる空気極集電体５４と、空気極集電体５４に隣接して設けられた空気極ガス拡散層５６と、空気極ガス拡散層５６に隣接して設けられ、酸素を活物質として還元反応を生じさせ、イオンを生成する正極と呼ばれる空気極触媒層５８と、空気極触媒層５８に隣接して設けられた固体電解質層６０と、固体電解質層６０に隣接して設けられ、燃料を酸化してプロトンと電子とを取り出すための負極と呼ばれる燃料極触媒層６２と、燃料極触媒層６２に隣接して設けられた燃料極ガス拡散層６４と、燃料極ガス拡散層６４に隣接して設けられたアノード集電体と呼ばれる燃料極集電体６６と、燃料極集電体６６に隣接して設けられた気化燃料拡散層６８とを有している。気化燃料拡散層６８の内側には、燃料電池用カートリッジ７２を装着するためのスロット７０が形成されている。スロット７０内には、燃料電池用カートリッジ７２が装着されている。燃料電池用カートリッジ７２は、スロット７０内に着脱可能に構成されている。   As shown in FIG. 8, the fuel cell system 50 includes an air electrode side housing 52 called a cathode housing, an air electrode current collector 54 called a cathode current collector provided adjacent to the air electrode side housing 52, An air electrode gas diffusion layer 56 provided adjacent to the air electrode current collector 54 and a positive electrode provided adjacent to the air electrode gas diffusion layer 56 to generate a reduction reaction using oxygen as an active material to generate ions. An air electrode catalyst layer 58, a solid electrolyte layer 60 provided adjacent to the air electrode catalyst layer 58, and provided adjacent to the solid electrolyte layer 60 to oxidize fuel and extract protons and electrons. A fuel electrode catalyst layer 62 called a negative electrode, a fuel electrode gas diffusion layer 64 provided adjacent to the fuel electrode catalyst layer 62, and an anode current collector provided adjacent to the fuel electrode gas diffusion layer 64. A charge electrode current collector 66, and a vaporized fuel diffusion layer 68 which is provided adjacent to the fuel electrode current collector 66. Inside the vaporized fuel diffusion layer 68, a slot 70 for mounting the fuel cell cartridge 72 is formed. A fuel cell cartridge 72 is mounted in the slot 70. The fuel cell cartridge 72 is configured to be detachable from the slot 70.

さらに別の発電部側には、カソードハウジングと呼ばれる空気極側ハウジング７４と、空気極側ハウジング７４に隣接して設けられたカソード集電体と呼ばれる空気極集電体７６と、空気極集電体７６に隣接して設けられた空気極ガス拡散層７８と、空気極ガス拡散層７８に隣接して設けられ、酸素を活物質として還元反応を生じさせ、イオンを生成する正極と呼ばれる空気極触媒層８０と、空気極触媒層８０に隣接して設けられた固体電解質層８２と、固体電解質層８２に隣接して設けられ、燃料を酸化してプロトンと電子とを取り出すための負極と呼ばれる燃料極触媒層８４と、燃料極触媒層８４に隣接して設けられた燃料極ガス拡散層８６と、燃料極ガス拡散層８６に隣接して設けられたアノード集電体と呼ばれる燃料極集電体８８と、燃料極集電体８８に隣接して設けられた気化燃料拡散層９０とを有している。   Further, on the other power generation unit side, an air electrode side housing 74 called a cathode housing, an air electrode current collector 76 called a cathode current collector provided adjacent to the air electrode side housing 74, and an air electrode current collector. An air electrode gas diffusion layer 78 provided adjacent to the body 76 and an air electrode called a positive electrode provided adjacent to the air electrode gas diffusion layer 78 and causing a reduction reaction using oxygen as an active material to generate ions. The catalyst layer 80, the solid electrolyte layer 82 provided adjacent to the air electrode catalyst layer 80, and the negative electrode provided adjacent to the solid electrolyte layer 82 to oxidize fuel and extract protons and electrons A fuel electrode catalyst layer 84, a fuel electrode gas diffusion layer 86 provided adjacent to the fuel electrode catalyst layer 84, and a fuel electrode current collector called an anode current collector provided adjacent to the fuel electrode gas diffusion layer 86 Body 88 and The anode current collector 88 and a vaporized fuel diffusion layer 90 provided adjacent.

このように本実施形態によれば、燃料電池用カートリッジの両面に開口部を設けたものを使用し、同時に２箇所の発電部へ気化燃料を供給することが可能である。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to supply vaporized fuel to two power generation units at the same time using a fuel cell cartridge having openings on both sides.

［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。 [Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.

例えば、上記実施形態では、燃料電池用カートリッジ１０の開口部１２と燃料含浸材１６との間に配置する非多孔質材料１８として、シリコーンゴム膜を用いる場合を例に説明したが、この非多孔質材料１８はシリコーンゴム膜に限定されるものではない。   For example, in the above embodiment, the case where a silicone rubber film is used as the non-porous material 18 disposed between the opening 12 of the fuel cell cartridge 10 and the fuel-impregnated material 16 has been described as an example. The material 18 is not limited to a silicone rubber film.

例えば、燃料電池用カートリッジ１０の開口部１２と燃料含浸材１６との間に配置する非多孔質材料１８として、カルボキシル基を有するパーフルオロ系高分子膜、又はスルホン基を有するパーフルオロ系高分子膜、又はポリスルホンを主材料とする高分子膜、又はポリイミドを主材料とする高分子膜、又はポリエーテルケトンを主材料とする高分子膜、又はポリアミドを主材料とする高分子膜を使用してもよい。   For example, as the non-porous material 18 disposed between the opening 12 of the fuel cell cartridge 10 and the fuel impregnation material 16, a perfluoro polymer film having a carboxyl group or a perfluoro polymer having a sulfone group is used. Use a membrane, or a polymer membrane mainly made of polysulfone, a polymer membrane mainly made of polyimide, a polymer membrane mainly made of polyetherketone, or a polymer membrane mainly made of polyamide. May be.

また、上記実施形態では、燃料電池用カートリッジ１０の開口部１２の形状を長方形としたが、この開口部１２の形状は長方形に限定されるものではなく、いかなる形状であってもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the shape of the opening part 12 of the cartridge 10 for fuel cells was made into the rectangle, the shape of this opening part 12 is not limited to a rectangle, What kind of shape may be sufficient.

また、上記実施形態では、燃料含浸材１６に含浸させる燃料として、メタノール水溶液を用いる場合を例に説明したが、この燃料含浸材１６に含浸させる燃料はメタノール水溶液に限定されるものではない。   In the above-described embodiment, the case where an aqueous methanol solution is used as the fuel impregnated in the fuel impregnating material 16 has been described as an example. However, the fuel impregnated in the fuel impregnating material 16 is not limited to the methanol aqueous solution.

例えば、燃料含浸材１６に含浸させる燃料として、エタノールまたはジメチルエーテルのうち少なくとも１種と水とを含むもの、あるいは、多価アルコールとアルカリ水溶液とを含むものであってもよい。   For example, the fuel impregnated in the fuel impregnating material 16 may be one containing at least one of ethanol and dimethyl ether and water, or one containing polyhydric alcohol and an aqueous alkali solution.

また、上記実施形態では、燃料電池用カートリッジ１０を用いた燃料電池システム２０に本発明を適用した例を示したが、燃料電池システム２０は、必ずしも燃料電池用カートリッジ１０を用いるものでなくてもよい。   In the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to the fuel cell system 20 using the fuel cell cartridge 10 has been described. However, the fuel cell system 20 does not necessarily use the fuel cell cartridge 10. Good.

例えば、燃料電池システムに、発電部と一体化された燃料室を設け、この燃料室内に液体燃料を貯留し、燃料室と発電部との間の開口部に非多孔質材料を配置するようにしてもよい。   For example, a fuel cell system is provided with a fuel chamber integrated with a power generation unit, liquid fuel is stored in the fuel chamber, and a non-porous material is disposed in an opening between the fuel chamber and the power generation unit. May be.

以上詳述したように、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。   As described above in detail, the features of the present invention are summarized as follows.

（付記１） 燃料電池に燃料を供給するための燃料電池用カートリッジであって、
少なくとも一方の面に複数の開口部が形成されたカートリッジケースと、
前記カートリッジケース内の前記開口部が形成された面に配置され、前記燃料を内部に溶解可能な非多孔質材料と、
前記カートリッジケース内に封入された前記燃料を含浸するための燃料含浸材と
を有することを特徴とする燃料電池用カートリッジ。 (Appendix 1) A fuel cell cartridge for supplying fuel to a fuel cell,
A cartridge case having a plurality of openings formed on at least one surface;
A non-porous material disposed on the surface of the cartridge case where the opening is formed and capable of dissolving the fuel therein;
And a fuel impregnating material for impregnating the fuel sealed in the cartridge case.

（付記２） 付記１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記開口部に配置される前記非多孔質材料を透過する前記燃料の気化放出速度の温度による上昇率が、前記開口部に何も配置されないもしくは多孔質材料が配置された場合における前記燃料の気化放出速度の温度による上昇率よりも小さい
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。 (Appendix 2) In the fuel cell cartridge according to Appendix 1,
Vaporization of the fuel when the rate of increase in the vaporization release rate of the fuel that permeates the non-porous material disposed in the opening due to temperature is nothing or the porous material is disposed in the opening. A cartridge for a fuel cell, characterized in that the rate of increase of the release rate with temperature is smaller.

（付記３） 付記１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記非多孔質材料は、シリコーンゴムである
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。 (Appendix 3) In the fuel cell cartridge according to Appendix 1,
The fuel cell cartridge, wherein the non-porous material is silicone rubber.

（付記４） 付記１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記非多孔質材料は、カルボキシル基又はスルホン基を有するパーフルオロ系高分子材料より成る
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。 (Appendix 4) In the fuel cell cartridge according to Appendix 1,
The non-porous material is made of a perfluoro-based polymer material having a carboxyl group or a sulfone group.

（付記５） 付記１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記非多孔質材料は、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルケトン及びポリアミドのうち一種を主材料とする高分子膜より成る
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。 (Supplementary Note 5) In the fuel cell cartridge according to Supplementary Note 1,
The fuel cell cartridge according to claim 1, wherein the non-porous material is made of a polymer film mainly composed of one of polysulfone, polyimide, polyetherketone and polyamide.

（付記６） 付記１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記燃料含浸材は、カルボキシル基又はスルホン基を有するパーフルオロ系高分子材料より成る
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。 (Appendix 6) In the fuel cell cartridge according to Appendix 1,
The fuel-impregnated material is made of a perfluoro-based polymer material having a carboxyl group or a sulfone group.

（付記７） 燃料極と固体電解質と空気極とを有する発電部を有し、
前記発電部の前記燃料極側に設けられたスロット内に、気化した燃料を放出する燃料電池用カートリッジを装脱着可能な燃料電池であって、
前記燃料電池用カートリッジは付記１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池用カートリッジである
ことを特徴とする燃料電池。 (Additional remark 7) It has a power generation part which has a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode,
A fuel cell in which a cartridge for a fuel cell that discharges vaporized fuel is detachable in a slot provided on the fuel electrode side of the power generation unit,
The fuel cell cartridge according to any one of appendices 1 to 6, wherein the fuel cell cartridge is the fuel cell cartridge.

提案されている燃料電池用カートリッジの平面図及びＡ−Ａ’線断面図である。It is the top view and A-A 'sectional view of the cartridge for fuel cells proposed. 本発明の第１実施形態による燃料電池用カートリッジの平面図及びＢ−Ｂ’線断面図である。2A is a plan view of the fuel cell cartridge according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 本発明の第１実施形態による燃料電池システムの構造を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing the structure of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 提案されている燃料電池用カートリッジと本発明の第１実施形態による燃料電池用カートリッジについて、温度とメタノール気化放出速度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between temperature and methanol vaporization discharge | release rate about the cartridge for fuel cells proposed and the cartridge for fuel cells by 1st Embodiment of this invention. シリコーンゴム膜の厚みとメタノール気化放出速度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness of a silicone rubber film, and methanol vaporization discharge | release rate. 提案されている燃料電池用カートリッジと本発明の第１実施形態による燃料電池用カートリッジを燃料電池システムに適用して行った発電実験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the electric power generation experiment performed by applying the cartridge for fuel cells proposed and the cartridge for fuel cells by 1st Embodiment of this invention to a fuel cell system. 本発明の第２実施形態による燃料電池用カートリッジの断面図である。It is sectional drawing of the cartridge for fuel cells by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態による燃料電池システムの構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the fuel cell system by 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池用カートリッジ
１２、１３…開口部
１４…カートリッジケース
１６…燃料含浸材
１８、１９…非多孔質材料
２０…燃料電池システム
２２…空気極側ハウジング、カソードハウジング
２４…空気極集電体、カソード集電体
２６…空気極ガス拡散層
２８…空気極触媒層
３０…固体電解質層
３２…燃料極触媒層
３４…燃料極ガス拡散層
３６…燃料極集電体、アノード集電体
３８…気化燃料拡散層
４０…スロット
４２…燃料電池用カートリッジ
４４…燃料極側ハウジング、アノードハウジング
５０…燃料電池システム
５２…空気極側ハウジング、カソードハウジング
５４…空気極集電体、カソード集電体
５６…空気極ガス拡散層
５８…空気極触媒層
６０…固体電解質層
６２…燃料極触媒層
６４…燃料極ガス拡散層
６６…燃料極集電体、アノード集電体
６８…気化燃料拡散層
７０…スロット
７２…燃料電池用カートリッジ
７４…空気極側ハウジング、カソードハウジング
７６…空気極集電体、カソード集電体
７８…空気極ガス拡散層
８０…空気極触媒層
８２…固体電解質層
８４…燃料極触媒層
８６…燃料極ガス拡散層
８８…燃料極集電体、アノード集電体
９０…気化燃料拡散層
１００…燃料電池用カートリッジ
１０２…孔
１０４…カートリッジケース
１０６…燃料含浸材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell cartridge 12, 13 ... Opening part 14 ... Cartridge case 16 ... Fuel impregnation material 18, 19 ... Non-porous material 20 ... Fuel cell system 22 ... Air electrode side housing, cathode housing 24 ... Air electrode current collector , Cathode current collector 26 ... air electrode gas diffusion layer 28 ... air electrode catalyst layer 30 ... solid electrolyte layer 32 ... fuel electrode catalyst layer 34 ... fuel electrode gas diffusion layer 36 ... fuel electrode current collector, anode current collector 38 ... Vaporized fuel diffusion layer 40 ... slot 42 ... fuel cell cartridge 44 ... fuel electrode side housing, anode housing 50 ... fuel cell system 52 ... air electrode side housing, cathode housing 54 ... air electrode current collector, cathode current collector 56 ... Air electrode gas diffusion layer 58 ... Air electrode catalyst layer 60 ... Solid electrolyte layer 62 ... Fuel electrode catalyst layer 64 ... Fuel electrode gas diffusion layer 66 ... Fuel electrode current collector, Node current collector 68 ... vaporized fuel diffusion layer 70 ... slot 72 ... fuel cell cartridge 74 ... air electrode side housing, cathode housing 76 ... air electrode current collector, cathode current collector 78 ... air electrode gas diffusion layer 80 ... air Electrode catalyst layer 82 ... Solid electrolyte layer 84 ... Fuel electrode catalyst layer 86 ... Fuel electrode gas diffusion layer 88 ... Fuel electrode current collector, anode current collector 90 ... Vaporized fuel diffusion layer 100 ... Fuel cell cartridge 102 ... Hole 104 ... Cartridge case 106 ... fuel impregnating material

Claims (5)

燃料電池に燃料を供給するための燃料電池用カートリッジであって、
少なくとも一方の面に複数の開口部が形成されたカートリッジケースと、
前記カートリッジケース内の前記開口部が形成された面に配置され、前記燃料を内部に溶解可能な非多孔質材料と、
前記カートリッジケース内に封入された前記燃料を含浸するための燃料含浸材とを有し、
前記非多孔質材料からの前記燃料の気化放出速度の温度依存性が、前記燃料含浸材からの前記燃料の気化放出速度の温度依存性よりも小さい
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。 A fuel cell cartridge for supplying fuel to a fuel cell,
A cartridge case having a plurality of openings formed on at least one surface;
A non-porous material disposed on the surface of the cartridge case where the opening is formed and capable of dissolving the fuel therein;
Have a fuel impregnation material for impregnating the fuel enclosed within the cartridge case,
The fuel cell cartridge , wherein the temperature dependency of the vaporization release rate of the fuel from the non-porous material is smaller than the temperature dependency of the vaporization release rate of the fuel from the fuel impregnated material . 請求項１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記開口部に配置される前記非多孔質材料を透過する前記燃料の気化放出速度の温度による上昇率が、前記開口部に何も配置されないもしくは多孔質材料が配置された場合における前記燃料の気化放出速度の温度による上昇率よりも小さい
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。 The fuel cell cartridge according to claim 1, wherein
Vaporization of the fuel when the rate of increase in the vaporization release rate of the fuel that permeates the non-porous material disposed in the opening due to temperature is nothing or the porous material is disposed in the opening. A cartridge for a fuel cell, characterized in that the rate of increase of the release rate with temperature is smaller. 請求項１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記非多孔質材料は、シリコーンゴムである
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。 The fuel cell cartridge according to claim 1, wherein
The fuel cell cartridge, wherein the non-porous material is silicone rubber. 請求項１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記非多孔質材料は、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルケトン及びポリアミドのうち一種を主材料とする高分子膜より成る
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。 The fuel cell cartridge according to claim 1, wherein
The fuel cell cartridge according to claim 1, wherein the non-porous material is made of a polymer film mainly composed of one of polysulfone, polyimide, polyetherketone and polyamide. 燃料極と固体電解質と空気極とを有する発電部を有し、
前記発電部の前記燃料極側に設けられたスロット内に、気化した燃料を放出する燃料電池用カートリッジを装脱着可能な燃料電池であって、
前記燃料電池用カートリッジは請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池用カートリッジである
ことを特徴とする燃料電池。 A power generation unit having a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode;
A fuel cell in which a cartridge for a fuel cell that discharges vaporized fuel is detachable in a slot provided on the fuel electrode side of the power generation unit,
The fuel cell cartridge according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell cartridge is a fuel cell cartridge.
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