膜電極接合体及び燃料電池
【課題】フラッディング現象が生じると酸化剤がカソードに届きにくくなり、(2)式の電極反応が妨げられ、燃料電池の出力が落ちてしまうという課題がある。本発明の目的は、フラッディング現象を低減させ、安定した出力を維持できる燃料電池を提供することにある。
【解決手段】酸化剤がカソードに到達する通路と生成水が排出される通路とを分けることにより、酸化剤をカソードにスムーズに供給し、また、生成された水蒸気をスムーズに排出できる燃料電池である。
【解決手段】酸化剤がカソードに到達する通路と生成水が排出される通路とを分けることにより、酸化剤をカソードにスムーズに供給し、また、生成された水蒸気をスムーズに排出できる燃料電池である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、酸化剤を自然対流にてカソード電極層に供給する燃料電池に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、分散電源としては、リチウム二次電池鉛蓄電池に代表される二次電池が主流である。この二次電池と燃料電池とを比較した場合には、燃料電池は充電時間が要らず、原理的には燃料を燃料電池に補給するのみで半永久的に発電できるという利点がある。
【0003】
燃料電池に供給する燃料は、水素を含むガスまたは液体が主流である。例えばメタノールを燃料とし、酸素を酸化剤とした場合、以下に示す電気化学反応でメタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。アノード側では供給されたメタノール水溶液が(1)式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する。
【0004】
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
生成された水素イオンは電解質膜中をアノードからカソード側に移動し、カソード電極上で空気中から拡散してきた酸素ガスと電極上の電子と(2)式に従って反応して水を生成する。
【0005】
6H++3/2O2+6e- → 3H2O …(2)
従って発電に伴う全化学反応は(3)式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水とを生成する。
【0006】
CH3OH+3/2O2 → CO2+3H2O …(3)
また、これらの電極反応とは別に、アノード側の燃料が電解質膜を直接透過するクロスオーバ現象も生じる。クロスオーバ現象によりカソード側に到達した燃料は、(3)式に表される反応により電気化学反応に寄与せず燃焼し、熱を発生する。
【0007】
燃料電池は、燃料を供給する方式により、アクティブ型とパッシブ型に分けられる。アクティブ型は、ブロアやファン,ポンプなどの補機を用いて、強制対流により燃料または酸化剤を燃料電池に供給する。一方、パッシブ型はこれらの補機を用いず、自然拡散または自然対流により燃料または酸化剤を燃料電池に供給するものである。よって、パッシブ型の燃料電池の場合、カソードを外気に触れさせる構造とすることで、発電が可能である。パッシブ型の燃料電池として特許文献1に開示がある。
【0008】
【特許文献1】特開2000−268836号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
自然拡散または自然対流により酸化剤をカソードに供給する場合、反応(2)式で表されるカソードにおける反応により生じた生成水がカソード内または表面で凝集水となり、酸素の供給が妨げられる現象(フラッディング現象)が生じる。
【0010】
生成水は、(2)式の反応直後は水蒸気として存在し、拡散により外界へ排出されると考えられるが、燃料電池が発電を継続すると、水蒸気の拡散が水蒸気の生成にまにあわなくなり、フラッディング現象が生じる。
【0011】
フラッディング現象が生じると酸化剤がカソードに届きにくくなり、(2)式の電極反応が妨げられ、燃料電池の出力が落ちてしまうという課題がある。
【0012】
本発明の目的は、フラッディング現象を低減させ、安定した出力を維持できる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
酸化剤がカソードに到達する通路と生成水が排出される通路とを分けることにより、酸化剤をカソードにスムーズに供給し、また、生成された水蒸気をスムーズに排出できる燃料電池である。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、フラッディング現象を低減させ、安定した出力を維持できる燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
アクティブな方法は強制循環のための装置が必要になり、燃料電池の小型化に対応できない。一方、拡散のメカニズムに基づくパッシブな方法では、反応生成物の排出と電気化学反応に必要な燃料や酸化剤の供給を、拡散層を通して行っており、排出と供給の流れが相殺し、結果として反応生成物の排出が十分に実現できていない。また、触媒反応層や拡散層と接近して熱可塑性樹脂製多孔質膜層や吸水性シートを配置して、反応生成水を排出する手法は、熱可塑性樹脂製多孔質膜層や吸水性シートに反応生成水が蓄積されてしまい、吸水性が飽和した時点から触媒反応層付近の湿度が増加し、結果として反応生成水の結露による障害を本質的に解決していない。
【0016】
本実施形態によれば、燃料電池において、反応の際、生成される不要物を効率よく排出し、燃料や酸化剤の供給を的確に行うための手段を提供し、安定した出力が得られるようにすることができる。
【0017】
本実施形態は、水素イオン伝導性の高分子電解質膜と、前記高分子電解質薄膜の両面に触媒反応層を挟んで、それぞれ対向して配される導電性と拡散性を兼ね備えた一対の拡散層と、前記拡散層に酸化剤および燃料を供給し、それぞれ対向して配される一対の導電性の集電体とを備えた燃料電池において、触媒反応層に接続する酸化剤および燃料を供給するための流路を設けたことを特徴とする燃料電池である。
【0018】
酸化剤および燃料を供給するための流路を設けたことにより、拡散層で排出のみの流れが生じやすくなり、この結果、拡散層で供給と排出の流れが相殺する影響を軽減できる。また、先に示した化学反応式(3)から、触媒反応層では反応熱が生成される。酸化剤および燃料を供給するための流路は、反応熱に基づく自然対流を発生させ、自然対流により、反応性生物の排出および、酸化剤または燃料の供給の効率を向上させる。また、自然対流による反応性生物の排出および、酸化剤または燃料の供給をさらに効果的に行わせるために、触媒反応層に厚みのある部分と薄い部分とで構成し、反応熱による温度格差を生成させ、触媒反応層で薄い部分もしくは触媒反応層で触媒が存在しない部分に、前記酸化剤および燃料を供給するための流路を接続させる。こうすることで、反応熱の高いところから反応生成物が拡散層を通して流出し、反応熱の低いところから流路を通して酸化剤および燃料の流入がしやすくなる。ここで、拡散層からの排出の流れを増すために排気用のダクトをもうければさらに効果的である。また、酸化剤として空気を取り入れる場合、流路の入り口に除湿剤を置けば、乾燥した空気を供給することができ、反応生成水による弊害を軽減できる。
【0019】
ところで、触媒反応層は反応熱により相対温度が高く、気圧も高くなる。この結果、触媒反応層で生成された反応性生物は、拡散層からのみではなく、酸化剤および燃料を供給するために設けた流路からも排出される危険性がある。この場合、反応性生物が流路を塞ぎ、酸化剤および燃料が供給されなくなる可能性がある。これを防止するために、流路と触媒反応層とが接続する部分において、撥水剤または親水剤を加える。供給されるものがガスで排出されるものが水蒸気ならば、接続部分に撥水剤を加えれば、水蒸気は、撥水部分を通り抜けて流路に流れることは困難になるが、供給されるガスは影響を受けない。一方、供給されるものがメタノール水溶液で排出されるものが二酸化炭素等のガスである場合、接続部分に親水剤を加えれば、メタノール水溶液は通過しやすいが、反面、ガスは通過しにくくなる。
【0020】
図14は、カソード側(空気極)における、供給と排出の流れを説明する概念モデル図である。従来の供給と排出の流れを説明する概念モデル図141では、酸素の供給と水の排出を拡散層の面を通して行っている。その結果、供給と排出の流れが相殺し、効率に問題がある。流路を設けた場合の流れを説明する概念モデル図142と概念モデル図144とでは、供給と排出が別ルートになり、流れが生じる。また、撥水剤または親水剤を拡散層に施し、撥水領域または親水領域を設け、これらの領域を流路とした場合の流れを説明する概念モデル図143においても、供給と排出が別ルートになり、流れが生じる。
【0021】
本発明にかかる膜電極接合体80の一実施形態を図1に示す。電解質膜1は、プロトン導電性の電解質を有する膜である。機械的強度を保つために多孔質体等の芯材にプロトン導電性の電解質を含浸させたものでも良い。本実施形態にかかる膜電極接合体80は、電解質膜1の両面に略中心を厚く縁を薄くしたカソード電極層81とアノード電極層82とを形成させたものである。図1には、カソード電極層81とアノード電極層82とをそれぞれ覆うように、カソード拡散層83とアノード拡散層84とが配置される。拡散層は、燃料または酸化剤を各電極にできるだけ均一に供給するための部材である。図1の左図において、電極上に描かれている同心円は電極層の等高線を意味しており、電極の縁から略中心に向かい徐々に電極の厚みが増していることを意味している。
【0022】
本実施形態においては、電極層はカーボン粒子に触媒粒子を担持させバインダーで混練した材料を用いている。触媒粒子としては、カソード電極層81には、白金粒子を、アノード電極層82は、白金とルテニウムとの合金をそれぞれ用いている。
【0023】
本実施形態のごとく、膜電極接合体の中央近傍の厚みを縁の厚みよりも厚くすることにより、中央近傍における電極反応を活性化させ、中央近傍に比べ縁は電気化学反応を不活性にすることができる。ただし、この現象は、電極層に電気化学反応の原因である触媒粒子がほぼ均一に存在している場合に起こる。本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、電極層で行われる電気化学反応の活性度に偏りを持たせるところにある。すなわち、触媒粒子の分布を制御し触媒粒子の存在量に偏りを持たせることにより、電極反応の活性度を偏らせることができる。
【0024】
一方、従来の膜電極接合体は、電極の厚さと触媒粒子の分布とはほぼ均一に作成されており電極反応も電極前面でほぼ均一に行われるため、酸化剤が供給される通路と水蒸気が排出される通路とが同じくしているため、それぞれの逆方向の流れがぶつかり合いスムーズな供給・排出が行われていないと考えられる。
【0025】
本実施形態による膜電極接合体は、電極反応が生じる領域に偏りを持たせているため、カソード側の電極反応が活性な領域では、(2)式の電気化学反応が活発に行われ、水蒸気を生成すると共に、クロスーバ現象によりカソード側に到達した燃料を燃焼させ熱を発生させる。その結果、カソード側の電極反応が活性な領域近傍では、上昇気流が生じ水蒸気が排出され易くなる。一方で、電極反応が不活性な領域は活性な領域に酸化剤を供給するための流路として働く。
【0026】
このとき、酸化剤が酸素などのガスの場合、電極反応が不活性な領域の一部または全部は、撥水処理されていることが好ましい。電極反応が不活性な領域は酸素の通り道となるためできるだけ生成水の侵入を防ぐ必要があるからである。本実施形態の場合、カソード電極層の縁に沿って撥水処理部87を設けている。
【0027】
酸化剤の供給路と生成された水蒸気の排出路をわける方法としては、図2に示す実施形態でも良い。
【0028】
すなわち、固体高分子電解質膜1の両面にカソード電極層91とアノード電極層92とを形成させ、それぞれの電極を覆うようにカソード拡散層93とアノード拡散層94とを形成する。拡散層には、複数の貫通孔を形成している。貫通孔の壁面と貫通孔と接する電極表面に撥水処理を施す。これにより生成された水蒸気は、拡散層に設けられた貫通孔からは排出されにくくなり貫通孔以外の拡散層の中を通って外界に排出される。一方、酸化剤は生成水に妨げられることなく撥水処理をされた部分を通ってカソード電極層91に供給される。
【0029】
また、拡散層に形成された孔には撥水性の材料を詰めても良い。
【0030】
以下に、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【0031】
本実施例の燃料電池は、水素やメタノールなどの燃料を酸素と電気化学的に反応させ、電力を供給するものである。その中心的な部品は図1に示す電極電解質膜接合体(MEA15)と呼ばれているものである。MEA15は、スルホン基を含んだフッ素樹脂よりなる高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を挟持する形でカソード側電極6およびアノード側電極7とで構成され、一体化したものである。またカソード側電極6およびアノード側電極7は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層2および3、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソード側拡散層4およびアノード側拡散層5で構成される。図2は、このMEA15を用いて作製した直接メタノール燃料電池セル20である。また、図3は、直接メタノール燃料電池セル20の構成および組み立て方法を説明する図である、図3に示すように、燃料電池セル20は、MEA15の固体高分子電解質膜1を、MEA15のカソード側電極6およびアノード側電極7が被らないように窓を開けた2枚のガスシール材10,11で挟み、さらにガスシール材10,11の外側をカソード側集電板8とアノード側集電板9とで挟み、アノード側集電板9の外側には燃料が漏れないためのガスシール材12を置き、MEA15,ガスシール材10,11,集電板8,9,ガスシール材12の4すみに穴を開け、4本のボルト13とナット14で締め付けて固定したものである。ガスシール材12には、燃料が供給されるためのマニホールド12aと使用済み燃料が排出されるためのマニホールド12bが設けられている。カソード側集電板8およびアノード側集電板9は、スリット8aおよび9aが設けられており、カソード側およびアノード側電極へ、酸化剤および水素やメタノール水溶液などの燃料を供給し、各電極から電気化学反応で生成された反応生成物を排出する。
【0032】
次に、図2を用いて、直接メタノール燃料電池セル20の仕組みを説明する。図2は、本実施例にかかる直接メタノール燃料電池セル20を図示した概念図であり、カソード側を上面にした平面図と、直線Aで本燃料電池セルを切断し、矢印の方向から見た場合の断面図がその下に示されている。図2において、燃料は、ガスシール材12に設けられたマニホールド12aから供給され、アノード側集電板9のスリッド9aを通過し、アノード側電極7中のアノード側触媒反応層3に達する。
【0033】
本発明にかかる実施例を以下に示す。
【0034】
(実施例1)
図4は本発明に関する第1の実施の形態を示した直接メタノール燃料電池セル30の概念図であり、図5は、直接メタノール燃料電池セル30の構成および組み立て方法を示した見取り図である。直接メタノール燃料電池セル30は、燃料にメタノール水溶液を酸化剤に空気を使用し、反応生成物としてアノード極からは二酸化炭素が、カソード極からは水が排出される。この直接メタノール燃料電池セル30は、中心的部品の電極電解質膜接合体(MEA)に、図8に示すMEA80を使用する。初めに、MEA80の作製方法について、図8を用いて説明する。
【0035】
図8において、MEA80は固体高分子電解質膜1の両側にカソード側電極85およびアノード側電極86が挟み込む形で構成されている。固体高分子電解質膜1は、プロトン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、パーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117(175μm,Du pont 社製)等を用いたフッ素系イオン交換膜が用いられる他、メタノールクロスオーバーの抑制が良好なもの、例えば、ゼオライトとスチレン−ブタジエン系ラバーからなる複合膜,炭化水素系グラフト膜なども用いることができる。ここではパーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117を使用した。
【0036】
一方、カソード側電極85およびアノード側電極86は、それぞれ触媒反応層81,
82と拡散層83,84とで形成される。カソード側拡散層83およびアノード側拡散層84は、燃料または酸素含有気体の拡散性,発電により発生した二酸化炭素および反応生成水の排出機能、および電子伝導性を併せ持つ必要があり、例えば、カーボンペーパ,カーボンクロス等の導電性多孔質材料に撥水処理を施したものを適用することができる。ここでは、導電性多孔質材料に厚さ250μmのカーボン不織布 (東レ社製TGP−H060)を用いた。カーボン不織布を3センチ角に切り取り、撥水処理を施すためフッ素系撥水剤のエマルジョン液(ダイキン製D1)に浸し、乾燥後350℃で10分間熱処理し、拡散層83,84を形成した。
【0037】
触媒反応層81,82は、触媒金属を担持した導電性炭素粒子と高分子電解質を主成分とした厚さ30〜80μm程度の薄膜である。アノード側触媒反応層82には、平均一次粒子径30nmを持つ導電性炭素粒子であるケッチェンブラック(AKZOChemie社製)に、白金とルテニウムを、それぞれ25重量%担持させたアノード用触媒担持粒子を使用した。また、カソード側触媒反応層81には、ケッチェンブラックに、白金を50重量%担持させたカソード用触媒担持粒子を使用した。カソード側触媒反応層81およびアノード側触媒反応層82は、それぞれの触媒担持粒子をイソプロパノール水溶液に分散させた溶液と、高分子電解質、例えばパーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117をエタノールに分散させた溶液とを、触媒担持粒子と高分子電解質との重量比を1:1になるように混合した後、ビーズミルで高分散させることによりカソード用とアノード用のスラリーを作製し、先に作成した拡散層83,84にスプレークオーターを用いて塗布し、これを大気中常温で6時間乾燥させることで形成させた。このようにして、拡散層83,84上にカソード側触媒反応層81およびアノード側触媒反応層82を形成させることで、カソード側電極85とアノード側電極86を作成した。
【0038】
このとき、燃料もしくは酸素含有気体(空気)の供給を効果的に行わせるために、図8に示すように、カソード側触媒反応層81とアノード側触媒反応層82に厚みのある部分と薄い部分とで構成し、反応熱による温度格差を生成させ、自然対流を起こしやすくした。たとえば、カソード側触媒反応層81において、3センチ角に切り出した拡散層の中心部の直径1センチの円領域81aに対し、厚さ80μmの触媒反応層を形成し、中心部から直径1センチから2センチのドーナツ状の領域81bには厚さ50μmの触媒反応層を、中心部から直径2センチから3センチのドーナツ状の領域81cには厚さ30μmの触媒反応層を形成した。アノード側触媒反応層82についても同様な方法で厚みのある部分と薄い部分を構成した。
【0039】
ここで、触媒反応層81,82は、他の部分より、反応熱により相対温度が高く、気圧も高くなる。この結果、触媒反応層81,82で生成された反応生成物は、拡散層83,84からのみではなく、酸化剤および燃料を供給するために設る流路からも排出される恐れがある。そこで、これを防止するために、流路と触媒反応層とが接続する部分において、撥水処理または親水処理を施す。撥水処理は、3センチ角のカソード側拡散層83を作成する際、外辺から3mmまでの撥水処理部87を再びフッ素系撥水剤のエマルジョン液
(ダイキン製D1)に浸し、乾燥後350℃で10分間熱処理する。こうすることで、カソード側拡散層83の撥水処理部87は強い撥水効果が得られる。親水処理は、3センチ角のアノード側拡散層84を作成する際、外辺から3mmまでの領域88を高分子電解質、例えばパーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117をエタノールに分散させた溶液に浸し、大気中常温で6時間乾燥させる。こうすることで、アノード側拡散層84の親水処理部88は親水効果が得られる。
【0040】
最後に、カソード用に作成した電極85とアノード用に作成した電極86をそれぞれ用意し、5センチ角に切り取った高分子電解質膜1(デュポン社製,パーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117,175μm)の両面に、中心を合わせて、ホットプレス
(125℃,4MPa,10分間)により一体化し、MEA80を作成した。
【0041】
次に、MEA80を用いて、本発明に関する第1の実施の形態を示した直接メタノール燃料電池セル30の作成方法を説明する。
【0042】
図5に示すようにMEA80の固体高分子電解質膜の部分を、外寸が5cm×5cmで、
MEA80のカソード側電極およびアノード側電極が被らないように3センチ角の窓を開けた厚さ250μmの2枚のガスシール材31,32で挟み、さらにガスシール材31,32の外側を、同じく外寸が5cm×5cmで厚み4mmの2枚の集電板34,35とで挟み、アノード側集電板35の外側には同じく外寸が5cm×5cmで厚み4mmの燃料が漏れないためのガスシール材36を置き、MEA80,ガスシール材31,32,集電板34,35,ガスシール材36の4すみに穴を開け、4本のボルト13とナット14で締め付けて固定する。このときの締結圧は、集電板の面積あたり10kgf/cm2とした。なお、集電板
34,35には幅1mm,長さ30.0mm のスリット34s,35sが形成されており、スリット34s,35sを通して、燃料や空気の供給または、反応生成物の排出を行う。集電板34,35は金メッキ処理を施したステンレス板を使用している。
【0043】
ガスシール材36には、燃料が供給されるためのマニホールド36a,36bと、外辺から10mmの位置に外辺と平行に一周するように幅1mm,深さ1mmの溝36dが設けられており、使用済み燃料が排出されるためのマニホールド36cが設けられている。
【0044】
集電板34,35およびガスシール材31,32には、幅1mm,長さ30.0mm のスリットが4辺に平衡して外辺から10mmの位置に設けられ、MEAの触媒反応層に燃料もしくは酸素含有気体を供給するための流路を形成した。
【0045】
次に、この流路について図4を用いて説明する。図4は、MEA80を用いて、本発明に関する第1の実施の形態を示した直接メタノール燃料電池セル30を図示した概念図である。カソード側を上面にした平面図と、直線Aで直接メタノール燃料電池セル30を切断し、矢印の方向から見た場合の断面図がその下に示されている。外辺に沿って流路38a,流路38b,流路38c,流路38dが設けられており、たとえば、流路38aは、集電板34に設けられた幅1mm,長さ30.0mm のスリット34aと、ガスシール材31に設けられた幅1mm,長さ30.0mm のスリット31aで構成されている。スリット31aは、断面図から分かるように、深さ125μm(中心付近)まで切り込まれ、その後、幅
100μmのスリットが面に沿って設けられ、MEA80のカソード側電極まで達している。
【0046】
一方、図11は、カソード側における流路の別の形式を説明する模式図である。この図にあるように、先に説明した図11aの流路802の他に、図11bや図11cにある様に、ガスケットにスリット814を設け、流路811や流路812のような形状を構成してもよい。
【0047】
同様にして、アノード側にも外辺に沿った流路が設けられており、例えば流路39aは、ガスシール材36に設けられた幅1mmの溝36dと、集電板35に設けられた幅1mm,長さ30.0mmのスリット35aと、ガスシール材32に設けられた幅1mm,長さ30.0mmのスリット32aで構成されている。スリット32aは、断面図から分かるように、深さ125μm(中心付近)まで切り込まれ、その後、幅100μmのスリットが面に沿って設けられ、MEA80のアノード側電極まで達している。各流路は、触媒反応層の外側、つまり厚さ30μm以下の触媒反応層が薄い場所で接続され、反応熱を利用した自然対流の効果を得やすいように工夫した。このような流路を設けることにより、燃料はマニホールド36a,36bから流入し、溝36dを満たし、アノード側流路、例えば流路39aを経由し、MEA80のアノード側電極に到達し、触媒反応層で消費される。触媒反応層で生じた反応生成物(二酸化炭素)は、スリット35sを経由しマニホールド36cから排出される。一方、カソード側では、空気がカソード側流路、例えば流路38a,38b,38c,38dを経由し、MEA80のカソード側電極に到達し、触媒反応層で消費される。触媒反応層で生じた反応生成物(水)は、スリット34sを経由し外界に排出される。
【0048】
ここで、カソード側において、MEA80の触媒反応層と拡散層と集電板のスリット
34sを一つの排出管として考えた場合、例えば、図12に示すダクト120を集電板
34上に排出のために設置すれば、触媒反応層からの排出の流れが向上する。また、図
13に示すように、空気を取り入れる流路38a,流路38b,流路38c,流路38dの入り口にそれぞれ除湿剤、例えばシリカゲルの粉末を通気性の良いパッケージに入れたもの130a,130b,130c,130dを置けば、乾燥した空気を供給することができ、反応生成水による弊害を軽減できる。
【0049】
以上のような方法で得られた燃料電池を電池A(ダクトおよび除湿剤は付かない)とした。
【0050】
(実施例2)
図6は本発明に関する第2の実施の形態を示した直接メタノール燃料電池セル40の概念図であり、カソード側を上面にした平面図と、直線Aで直接メタノール燃料電池セル
40を切断し、矢印の方向から見た場合の断面図がその下に示されている。図7は、直接メタノール燃料電池セル40の構成および組み立て方法示した見取り図である。
【0051】
図6に示す直接メタノール燃料電池セル40は、実施例1で示した直接メタノール燃料電池セル30を、常にカソード極を上側に、アノード極を下側にして用いた場合に、自然対流の効果が得られるように改良を加えたものである。すなわち、直接メタノール燃料電池セル30では、アノード極側において、燃料の流れが流路→触媒反応層→拡散層→排出用マニホールドであったのに対し、供給用マニホールド→拡散層→触媒反応層→流路→排出用マニホールドとした。これによって、燃料は下から上に向かって流れることになり、触媒反応層で反応熱により加熱された反応生成物が排出されやすくなり、アノード極側での自然対流の効果が得られる。
【0052】
直接メタノール燃料電池セル40の作成方法は、実施例1で示した直接メタノール燃料電池セル30の作成方法と同様であるが、使用するMEAと、ガスシール材,集電板,ガスシール材とで構成される流路が異なる。直接メタノール燃料電池セル40に使用した
MEAはMEA80において、アノード側電極86に親水処理を施した領域88に対して、カソード側電極85と同様な撥水処理を行った。こうすることで、燃料が後で説明する排出の流路に浸入するのを防ぐことができる。こうして作成したMEAをMEA80−1とする。
【0053】
次に流路の説明を図6,図7を用いて説明する。図7において、実施例1で使用したガスシール材32,集電板35,ガスシール材36の代わりにガスシール材41,集電板9,ガスシール材42を使用する。図6にあるようにガスシール材41は、各辺に排出用マニホールド41e,41f,41g,41hと、辺と平行して4本のスリットが設けられている。このスリットは、41iに示すように幅1mm,長さ30.0mm のスリットで、断面図から分かるように、深さ125μm(中心付近)まで切り込まれ、その後、幅100μmのスリットが面に沿って設けられ、MEA80−1のカソード側電極まで達している。集電板9は、従来の技術で説明した直接メタノール燃料電池セル20に使用したもので、外寸が5cm×5cm,厚み4mmの金メッキ処理を施したステンレス板を使用している。
【0054】
ガスシール材42は、同じく外寸が5cm×5cm,厚み4mmで、燃料供給用のマニホールド42zが中心に設けられている。
【0055】
以上のような方法で得られた燃料電池を電池Bとした。
【0056】
実施例1や実施例2では、集電板やガスケットにスリットを設け、流路を形成していたが、次に示す実施例3および実施例4では、MEAの中に小さな穴を開け、この穴を流路として自然対流を発生させ、触媒反応層に酸化剤および燃料を供給し、触媒反応層から反応生成物の排出を行うものである。
【0057】
(実施例3)
図9は本発明に関する第3の実施の形態を示したMEA90の概念図である。
【0058】
1は固体高分子電解質膜であり、その両側に触媒反応層91,92及び拡散層93,
94からなる電極95,96が形成されている。
【0059】
拡散層93,94は、導電性多孔質材料に厚さ250μmのカーボン不織布(東レ社製TGP−H060)を3センチ角に切り取り、撥水処理を施すためフッ素系撥水剤のエマルジョン液(ダイキン製D1)に浸し、乾燥させた後350℃で10分間熱処理した。
【0060】
図9に示すように拡散層93,94の上面から直径2mm,深さ220μmの穴を5mm間隔で開け、燃料もしくは酸素含有気体を供給するための流路93a,94bとする。
【0061】
ここで、触媒反応層は反応熱により相対温度が高く、気圧も高くなり、この結果、触媒反応層で生成された反応性生物は、拡散層からのみではなく、酸化剤および燃料を供給するために設けた流路93a,94bからも排出される恐れがある。そこで、これを防止するために、直径2mm,深さ220μmの穴の周囲93b,94bに、撥水処理または親水処理を施す。ここでは、カソード側電極95に撥水処理を、アノード側電極96に親水処理を施すが、MEAの形状や、アノード側を上にして用いる場合などは、適時使い分ける。カソード側電極95の撥水処理は、穴を作成したあと、穴の周囲93bに再びフッ素系撥水剤のエマルジョン液(ダイキン製D1)を上塗りし、フッ素系撥水剤が濃く乗るようにする。その後、乾燥させ350℃で10分間熱処理する。こうすることで、穴の周囲
93bは強い撥水効果が得られる。アノード側電極96の親水処理は、穴を作成したあと、穴の周囲94bを高分子電解質、例えばパーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117をエタノールに分散させた溶液をぬり、大気中常温で6時間乾燥させる。こうすることで、穴の周囲94bは親水効果が得られる。
【0062】
触媒反応層91,92は、アノード側用に、平均一次粒子径30nmを持つ導電性炭素粒子であるケッチェンブラック(AKZOChemie社製)に、白金とルテニウムを、それぞれ
25重量%担持させた触媒担持粒子を使用し、カソード側用には、ケッチェンブラックに、白金を50重量%担持させた触媒担持粒子を使用し、実施例1のMEA80と同様にして、カソード用とアノード用のスラリーを作製した。
【0063】
次に、拡散層93,94に先に作成したカソード用スラリーとアノード用スラリーを、スプレークオーターを用いて塗布し、これを大気中常温で6時間乾燥させることで触媒反応層91,92を形成させ、カソード用電極95とアノード用電極96を作成した。
【0064】
このとき、触媒反応層91,92の厚みが50μmになるように均一に形成した。
【0065】
次に、カソード用拡散電極95とアノード用拡散電極96をそれぞれ用意し、5センチ角に切り取った高分子電解質膜1(デュポン社製,パーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117,175μm)の両面に、中心を合わせて、ホットプレス(125℃,4MPa,10分間) により一体化し、MEA90を作成した。
【0066】
次に、MEA90を使用して直接メタノール燃料電池セルを作成する。作成方法は、従来の技術で説明した直接メタノール燃料電池セル20と同様にして、MEA90の周囲に固体高分子電解質膜1を挟んで、外寸が5cm×5cmで、MEA90の電極95と電極96が被らないように3センチ角の窓を開けた厚さ250μmの2枚のガスシール材10,
11と、外寸が5cm×5cm,厚み4mmの2枚の集電板8,9で両側から挟み込み、ボルト13およびナット14で固定した。このときの締結圧は、集電板の面積あたり10kgf/
cm2 とした。なお、集電板8,9には幅1.5mm,長さ30.0mmのスリットが形成されており、集電板8,9は金メッキ処理を施したステンレス板を使用している。燃料側には、燃料が漏れないためのガスシール材12が集電板9の外側に設置されている。ガスシール材12には、燃料となるメタノール水溶液が入る入り口12aとMEA90で消費された燃料が排出される出口12bとが設けられている。
【0067】
以上のような方法で得られた燃料電池を電池Cとした。
【0068】
(実施例4)
図10は本発明に関する第3の実施の形態を示したMEA100の概念図である。
【0069】
1は固体高分子電解質膜であり、その両側に触媒反応層101,102及び拡散層103,104からなる電極105,106が形成されている。
【0070】
拡散層103,104および触媒反応層101,102の作成方法は実施例3と同じなので説明を省略する。次に流路107および108の形成方法を説明する。
【0071】
図10に示すように拡散層103,104の上面から直径2mm,深さ220μmの穴を5mm間隔で開け、この穴に、直径2mm,長さ220μmの円筒形で、撥水処理または親水処理を施したカーボン不織布(東レ社製TGP−H060)を埋め込む。
【0072】
ここでは、カソード側電極105に撥水処理を、アノード側電極106に親水処理を施したカーボン不織布を埋め込むが、MEAの形状や、アノード側を上にして用いる場合などは、適時使い分ける。撥水処理または親水処理の方法は、実施例3と同じである。
【0073】
こうすることで、カソード側電極105の撥水処理した流路107は、カソード電極層91で生成される反応生成水が通りにくく、代わりに外界からの空気が流入しやすくなる。また、アノード側電極108の親水処理した流路108は、カソード電極層91で生成される二酸化炭層が通りにくく、代わりに燃料であるメタンノール水溶液が流入しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【0074】
【図1】従来技術のMEAを示した模式図。
【図2】従来技術のMEAを用いた直接メタノール燃料電池を示した模式図。
【図3】従来技術の直接メタノール燃料電池を示した模式図。
【図4】本発明の一実施の形態の直接メタノール燃料電池を示した模式図。
【図5】本発明の一実施の形態の直接メタノール燃料電池を示した模式図。
【図6】本発明の一実施の形態の直接メタノール燃料電池を示した模式図。
【図7】本発明の一実施の形態の直接メタノール燃料電池を示した模式図。
【図8】本発明の一実施の形態のMEAを示した模式図。
【図9】本発明の一実施の形態のMEAを示した模式図。
【図10】本発明の一実施の形態のMEAを示した模式図。
【図11】本発明の一実施の形態の流路を示した模式図。
【図12】本発明の一実施の形態の排気装置を示した模式図。
【図13】本発明の一実施の形態の乾燥させた空気を供給する例を示した模式図。
【図14】供給と排出の流れを説明する概念モデル図。
【符号の説明】
【0075】
1…固体高分子電解質膜、2,101…カソード側触媒反応層、3,102…アノード側触媒反応層、4…カソード側拡散層、5…アノード側拡散層、6,105…カソード側電極、7,106…アノード側電極、8,9…集電板、10,11,12,31,32,36,41,42…ガスシール材、13…ボルト、14…ナット、15…MEA、20,30,40…直接メタノール燃料電池セル、34,35…流路付き集電板、80…膜電極接合体、80−1…実施例2で説明するMEA、81,91…カソード電極層、82,
92…アノード電極層、83,93…カソード拡散層、84,94…アノード拡散層、
85…中心部を厚くした触媒反応層を用いたカソード側電極、86…中心部を厚くした触媒反応層を用いたアノード側電極、87…撥水処理部、88…親水処理部、90…実施例3で説明するMEA、95…カソード用拡散電極、96…アノード用拡散電極、100…実施例4で拡散層の表面に多数の小径の穴を開け、その穴に撥水または親水処理したカーボンペーパをはめ込んだMEA、103…多数の小径穴を開け、撥水処理したカーボンペーパをはめ込んだカソード側拡散層、104…多数の小径穴を開け、親水処理したカーボンペーパをはめ込んだアノード側拡散層、120…排気用ダクト、141…従来の供給と排出の流れを説明する概念モデル図、142…流路を設けた場合の流れを説明する概念モデル図、143…領域を流路とした場合の流れを説明する概念モデル図、144…流路を設けた場合の流れを説明する概念モデル図。
【技術分野】
【0001】
本発明は、酸化剤を自然対流にてカソード電極層に供給する燃料電池に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、分散電源としては、リチウム二次電池鉛蓄電池に代表される二次電池が主流である。この二次電池と燃料電池とを比較した場合には、燃料電池は充電時間が要らず、原理的には燃料を燃料電池に補給するのみで半永久的に発電できるという利点がある。
【0003】
燃料電池に供給する燃料は、水素を含むガスまたは液体が主流である。例えばメタノールを燃料とし、酸素を酸化剤とした場合、以下に示す電気化学反応でメタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。アノード側では供給されたメタノール水溶液が(1)式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する。
【0004】
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
生成された水素イオンは電解質膜中をアノードからカソード側に移動し、カソード電極上で空気中から拡散してきた酸素ガスと電極上の電子と(2)式に従って反応して水を生成する。
【0005】
6H++3/2O2+6e- → 3H2O …(2)
従って発電に伴う全化学反応は(3)式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水とを生成する。
【0006】
CH3OH+3/2O2 → CO2+3H2O …(3)
また、これらの電極反応とは別に、アノード側の燃料が電解質膜を直接透過するクロスオーバ現象も生じる。クロスオーバ現象によりカソード側に到達した燃料は、(3)式に表される反応により電気化学反応に寄与せず燃焼し、熱を発生する。
【0007】
燃料電池は、燃料を供給する方式により、アクティブ型とパッシブ型に分けられる。アクティブ型は、ブロアやファン,ポンプなどの補機を用いて、強制対流により燃料または酸化剤を燃料電池に供給する。一方、パッシブ型はこれらの補機を用いず、自然拡散または自然対流により燃料または酸化剤を燃料電池に供給するものである。よって、パッシブ型の燃料電池の場合、カソードを外気に触れさせる構造とすることで、発電が可能である。パッシブ型の燃料電池として特許文献1に開示がある。
【0008】
【特許文献1】特開2000−268836号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
自然拡散または自然対流により酸化剤をカソードに供給する場合、反応(2)式で表されるカソードにおける反応により生じた生成水がカソード内または表面で凝集水となり、酸素の供給が妨げられる現象(フラッディング現象)が生じる。
【0010】
生成水は、(2)式の反応直後は水蒸気として存在し、拡散により外界へ排出されると考えられるが、燃料電池が発電を継続すると、水蒸気の拡散が水蒸気の生成にまにあわなくなり、フラッディング現象が生じる。
【0011】
フラッディング現象が生じると酸化剤がカソードに届きにくくなり、(2)式の電極反応が妨げられ、燃料電池の出力が落ちてしまうという課題がある。
【0012】
本発明の目的は、フラッディング現象を低減させ、安定した出力を維持できる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
酸化剤がカソードに到達する通路と生成水が排出される通路とを分けることにより、酸化剤をカソードにスムーズに供給し、また、生成された水蒸気をスムーズに排出できる燃料電池である。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、フラッディング現象を低減させ、安定した出力を維持できる燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
アクティブな方法は強制循環のための装置が必要になり、燃料電池の小型化に対応できない。一方、拡散のメカニズムに基づくパッシブな方法では、反応生成物の排出と電気化学反応に必要な燃料や酸化剤の供給を、拡散層を通して行っており、排出と供給の流れが相殺し、結果として反応生成物の排出が十分に実現できていない。また、触媒反応層や拡散層と接近して熱可塑性樹脂製多孔質膜層や吸水性シートを配置して、反応生成水を排出する手法は、熱可塑性樹脂製多孔質膜層や吸水性シートに反応生成水が蓄積されてしまい、吸水性が飽和した時点から触媒反応層付近の湿度が増加し、結果として反応生成水の結露による障害を本質的に解決していない。
【0016】
本実施形態によれば、燃料電池において、反応の際、生成される不要物を効率よく排出し、燃料や酸化剤の供給を的確に行うための手段を提供し、安定した出力が得られるようにすることができる。
【0017】
本実施形態は、水素イオン伝導性の高分子電解質膜と、前記高分子電解質薄膜の両面に触媒反応層を挟んで、それぞれ対向して配される導電性と拡散性を兼ね備えた一対の拡散層と、前記拡散層に酸化剤および燃料を供給し、それぞれ対向して配される一対の導電性の集電体とを備えた燃料電池において、触媒反応層に接続する酸化剤および燃料を供給するための流路を設けたことを特徴とする燃料電池である。
【0018】
酸化剤および燃料を供給するための流路を設けたことにより、拡散層で排出のみの流れが生じやすくなり、この結果、拡散層で供給と排出の流れが相殺する影響を軽減できる。また、先に示した化学反応式(3)から、触媒反応層では反応熱が生成される。酸化剤および燃料を供給するための流路は、反応熱に基づく自然対流を発生させ、自然対流により、反応性生物の排出および、酸化剤または燃料の供給の効率を向上させる。また、自然対流による反応性生物の排出および、酸化剤または燃料の供給をさらに効果的に行わせるために、触媒反応層に厚みのある部分と薄い部分とで構成し、反応熱による温度格差を生成させ、触媒反応層で薄い部分もしくは触媒反応層で触媒が存在しない部分に、前記酸化剤および燃料を供給するための流路を接続させる。こうすることで、反応熱の高いところから反応生成物が拡散層を通して流出し、反応熱の低いところから流路を通して酸化剤および燃料の流入がしやすくなる。ここで、拡散層からの排出の流れを増すために排気用のダクトをもうければさらに効果的である。また、酸化剤として空気を取り入れる場合、流路の入り口に除湿剤を置けば、乾燥した空気を供給することができ、反応生成水による弊害を軽減できる。
【0019】
ところで、触媒反応層は反応熱により相対温度が高く、気圧も高くなる。この結果、触媒反応層で生成された反応性生物は、拡散層からのみではなく、酸化剤および燃料を供給するために設けた流路からも排出される危険性がある。この場合、反応性生物が流路を塞ぎ、酸化剤および燃料が供給されなくなる可能性がある。これを防止するために、流路と触媒反応層とが接続する部分において、撥水剤または親水剤を加える。供給されるものがガスで排出されるものが水蒸気ならば、接続部分に撥水剤を加えれば、水蒸気は、撥水部分を通り抜けて流路に流れることは困難になるが、供給されるガスは影響を受けない。一方、供給されるものがメタノール水溶液で排出されるものが二酸化炭素等のガスである場合、接続部分に親水剤を加えれば、メタノール水溶液は通過しやすいが、反面、ガスは通過しにくくなる。
【0020】
図14は、カソード側(空気極)における、供給と排出の流れを説明する概念モデル図である。従来の供給と排出の流れを説明する概念モデル図141では、酸素の供給と水の排出を拡散層の面を通して行っている。その結果、供給と排出の流れが相殺し、効率に問題がある。流路を設けた場合の流れを説明する概念モデル図142と概念モデル図144とでは、供給と排出が別ルートになり、流れが生じる。また、撥水剤または親水剤を拡散層に施し、撥水領域または親水領域を設け、これらの領域を流路とした場合の流れを説明する概念モデル図143においても、供給と排出が別ルートになり、流れが生じる。
【0021】
本発明にかかる膜電極接合体80の一実施形態を図1に示す。電解質膜1は、プロトン導電性の電解質を有する膜である。機械的強度を保つために多孔質体等の芯材にプロトン導電性の電解質を含浸させたものでも良い。本実施形態にかかる膜電極接合体80は、電解質膜1の両面に略中心を厚く縁を薄くしたカソード電極層81とアノード電極層82とを形成させたものである。図1には、カソード電極層81とアノード電極層82とをそれぞれ覆うように、カソード拡散層83とアノード拡散層84とが配置される。拡散層は、燃料または酸化剤を各電極にできるだけ均一に供給するための部材である。図1の左図において、電極上に描かれている同心円は電極層の等高線を意味しており、電極の縁から略中心に向かい徐々に電極の厚みが増していることを意味している。
【0022】
本実施形態においては、電極層はカーボン粒子に触媒粒子を担持させバインダーで混練した材料を用いている。触媒粒子としては、カソード電極層81には、白金粒子を、アノード電極層82は、白金とルテニウムとの合金をそれぞれ用いている。
【0023】
本実施形態のごとく、膜電極接合体の中央近傍の厚みを縁の厚みよりも厚くすることにより、中央近傍における電極反応を活性化させ、中央近傍に比べ縁は電気化学反応を不活性にすることができる。ただし、この現象は、電極層に電気化学反応の原因である触媒粒子がほぼ均一に存在している場合に起こる。本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、電極層で行われる電気化学反応の活性度に偏りを持たせるところにある。すなわち、触媒粒子の分布を制御し触媒粒子の存在量に偏りを持たせることにより、電極反応の活性度を偏らせることができる。
【0024】
一方、従来の膜電極接合体は、電極の厚さと触媒粒子の分布とはほぼ均一に作成されており電極反応も電極前面でほぼ均一に行われるため、酸化剤が供給される通路と水蒸気が排出される通路とが同じくしているため、それぞれの逆方向の流れがぶつかり合いスムーズな供給・排出が行われていないと考えられる。
【0025】
本実施形態による膜電極接合体は、電極反応が生じる領域に偏りを持たせているため、カソード側の電極反応が活性な領域では、(2)式の電気化学反応が活発に行われ、水蒸気を生成すると共に、クロスーバ現象によりカソード側に到達した燃料を燃焼させ熱を発生させる。その結果、カソード側の電極反応が活性な領域近傍では、上昇気流が生じ水蒸気が排出され易くなる。一方で、電極反応が不活性な領域は活性な領域に酸化剤を供給するための流路として働く。
【0026】
このとき、酸化剤が酸素などのガスの場合、電極反応が不活性な領域の一部または全部は、撥水処理されていることが好ましい。電極反応が不活性な領域は酸素の通り道となるためできるだけ生成水の侵入を防ぐ必要があるからである。本実施形態の場合、カソード電極層の縁に沿って撥水処理部87を設けている。
【0027】
酸化剤の供給路と生成された水蒸気の排出路をわける方法としては、図2に示す実施形態でも良い。
【0028】
すなわち、固体高分子電解質膜1の両面にカソード電極層91とアノード電極層92とを形成させ、それぞれの電極を覆うようにカソード拡散層93とアノード拡散層94とを形成する。拡散層には、複数の貫通孔を形成している。貫通孔の壁面と貫通孔と接する電極表面に撥水処理を施す。これにより生成された水蒸気は、拡散層に設けられた貫通孔からは排出されにくくなり貫通孔以外の拡散層の中を通って外界に排出される。一方、酸化剤は生成水に妨げられることなく撥水処理をされた部分を通ってカソード電極層91に供給される。
【0029】
また、拡散層に形成された孔には撥水性の材料を詰めても良い。
【0030】
以下に、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【0031】
本実施例の燃料電池は、水素やメタノールなどの燃料を酸素と電気化学的に反応させ、電力を供給するものである。その中心的な部品は図1に示す電極電解質膜接合体(MEA15)と呼ばれているものである。MEA15は、スルホン基を含んだフッ素樹脂よりなる高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を挟持する形でカソード側電極6およびアノード側電極7とで構成され、一体化したものである。またカソード側電極6およびアノード側電極7は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層2および3、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソード側拡散層4およびアノード側拡散層5で構成される。図2は、このMEA15を用いて作製した直接メタノール燃料電池セル20である。また、図3は、直接メタノール燃料電池セル20の構成および組み立て方法を説明する図である、図3に示すように、燃料電池セル20は、MEA15の固体高分子電解質膜1を、MEA15のカソード側電極6およびアノード側電極7が被らないように窓を開けた2枚のガスシール材10,11で挟み、さらにガスシール材10,11の外側をカソード側集電板8とアノード側集電板9とで挟み、アノード側集電板9の外側には燃料が漏れないためのガスシール材12を置き、MEA15,ガスシール材10,11,集電板8,9,ガスシール材12の4すみに穴を開け、4本のボルト13とナット14で締め付けて固定したものである。ガスシール材12には、燃料が供給されるためのマニホールド12aと使用済み燃料が排出されるためのマニホールド12bが設けられている。カソード側集電板8およびアノード側集電板9は、スリット8aおよび9aが設けられており、カソード側およびアノード側電極へ、酸化剤および水素やメタノール水溶液などの燃料を供給し、各電極から電気化学反応で生成された反応生成物を排出する。
【0032】
次に、図2を用いて、直接メタノール燃料電池セル20の仕組みを説明する。図2は、本実施例にかかる直接メタノール燃料電池セル20を図示した概念図であり、カソード側を上面にした平面図と、直線Aで本燃料電池セルを切断し、矢印の方向から見た場合の断面図がその下に示されている。図2において、燃料は、ガスシール材12に設けられたマニホールド12aから供給され、アノード側集電板9のスリッド9aを通過し、アノード側電極7中のアノード側触媒反応層3に達する。
【0033】
本発明にかかる実施例を以下に示す。
【0034】
(実施例1)
図4は本発明に関する第1の実施の形態を示した直接メタノール燃料電池セル30の概念図であり、図5は、直接メタノール燃料電池セル30の構成および組み立て方法を示した見取り図である。直接メタノール燃料電池セル30は、燃料にメタノール水溶液を酸化剤に空気を使用し、反応生成物としてアノード極からは二酸化炭素が、カソード極からは水が排出される。この直接メタノール燃料電池セル30は、中心的部品の電極電解質膜接合体(MEA)に、図8に示すMEA80を使用する。初めに、MEA80の作製方法について、図8を用いて説明する。
【0035】
図8において、MEA80は固体高分子電解質膜1の両側にカソード側電極85およびアノード側電極86が挟み込む形で構成されている。固体高分子電解質膜1は、プロトン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、パーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117(175μm,Du pont 社製)等を用いたフッ素系イオン交換膜が用いられる他、メタノールクロスオーバーの抑制が良好なもの、例えば、ゼオライトとスチレン−ブタジエン系ラバーからなる複合膜,炭化水素系グラフト膜なども用いることができる。ここではパーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117を使用した。
【0036】
一方、カソード側電極85およびアノード側電極86は、それぞれ触媒反応層81,
82と拡散層83,84とで形成される。カソード側拡散層83およびアノード側拡散層84は、燃料または酸素含有気体の拡散性,発電により発生した二酸化炭素および反応生成水の排出機能、および電子伝導性を併せ持つ必要があり、例えば、カーボンペーパ,カーボンクロス等の導電性多孔質材料に撥水処理を施したものを適用することができる。ここでは、導電性多孔質材料に厚さ250μmのカーボン不織布 (東レ社製TGP−H060)を用いた。カーボン不織布を3センチ角に切り取り、撥水処理を施すためフッ素系撥水剤のエマルジョン液(ダイキン製D1)に浸し、乾燥後350℃で10分間熱処理し、拡散層83,84を形成した。
【0037】
触媒反応層81,82は、触媒金属を担持した導電性炭素粒子と高分子電解質を主成分とした厚さ30〜80μm程度の薄膜である。アノード側触媒反応層82には、平均一次粒子径30nmを持つ導電性炭素粒子であるケッチェンブラック(AKZOChemie社製)に、白金とルテニウムを、それぞれ25重量%担持させたアノード用触媒担持粒子を使用した。また、カソード側触媒反応層81には、ケッチェンブラックに、白金を50重量%担持させたカソード用触媒担持粒子を使用した。カソード側触媒反応層81およびアノード側触媒反応層82は、それぞれの触媒担持粒子をイソプロパノール水溶液に分散させた溶液と、高分子電解質、例えばパーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117をエタノールに分散させた溶液とを、触媒担持粒子と高分子電解質との重量比を1:1になるように混合した後、ビーズミルで高分散させることによりカソード用とアノード用のスラリーを作製し、先に作成した拡散層83,84にスプレークオーターを用いて塗布し、これを大気中常温で6時間乾燥させることで形成させた。このようにして、拡散層83,84上にカソード側触媒反応層81およびアノード側触媒反応層82を形成させることで、カソード側電極85とアノード側電極86を作成した。
【0038】
このとき、燃料もしくは酸素含有気体(空気)の供給を効果的に行わせるために、図8に示すように、カソード側触媒反応層81とアノード側触媒反応層82に厚みのある部分と薄い部分とで構成し、反応熱による温度格差を生成させ、自然対流を起こしやすくした。たとえば、カソード側触媒反応層81において、3センチ角に切り出した拡散層の中心部の直径1センチの円領域81aに対し、厚さ80μmの触媒反応層を形成し、中心部から直径1センチから2センチのドーナツ状の領域81bには厚さ50μmの触媒反応層を、中心部から直径2センチから3センチのドーナツ状の領域81cには厚さ30μmの触媒反応層を形成した。アノード側触媒反応層82についても同様な方法で厚みのある部分と薄い部分を構成した。
【0039】
ここで、触媒反応層81,82は、他の部分より、反応熱により相対温度が高く、気圧も高くなる。この結果、触媒反応層81,82で生成された反応生成物は、拡散層83,84からのみではなく、酸化剤および燃料を供給するために設る流路からも排出される恐れがある。そこで、これを防止するために、流路と触媒反応層とが接続する部分において、撥水処理または親水処理を施す。撥水処理は、3センチ角のカソード側拡散層83を作成する際、外辺から3mmまでの撥水処理部87を再びフッ素系撥水剤のエマルジョン液
(ダイキン製D1)に浸し、乾燥後350℃で10分間熱処理する。こうすることで、カソード側拡散層83の撥水処理部87は強い撥水効果が得られる。親水処理は、3センチ角のアノード側拡散層84を作成する際、外辺から3mmまでの領域88を高分子電解質、例えばパーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117をエタノールに分散させた溶液に浸し、大気中常温で6時間乾燥させる。こうすることで、アノード側拡散層84の親水処理部88は親水効果が得られる。
【0040】
最後に、カソード用に作成した電極85とアノード用に作成した電極86をそれぞれ用意し、5センチ角に切り取った高分子電解質膜1(デュポン社製,パーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117,175μm)の両面に、中心を合わせて、ホットプレス
(125℃,4MPa,10分間)により一体化し、MEA80を作成した。
【0041】
次に、MEA80を用いて、本発明に関する第1の実施の形態を示した直接メタノール燃料電池セル30の作成方法を説明する。
【0042】
図5に示すようにMEA80の固体高分子電解質膜の部分を、外寸が5cm×5cmで、
MEA80のカソード側電極およびアノード側電極が被らないように3センチ角の窓を開けた厚さ250μmの2枚のガスシール材31,32で挟み、さらにガスシール材31,32の外側を、同じく外寸が5cm×5cmで厚み4mmの2枚の集電板34,35とで挟み、アノード側集電板35の外側には同じく外寸が5cm×5cmで厚み4mmの燃料が漏れないためのガスシール材36を置き、MEA80,ガスシール材31,32,集電板34,35,ガスシール材36の4すみに穴を開け、4本のボルト13とナット14で締め付けて固定する。このときの締結圧は、集電板の面積あたり10kgf/cm2とした。なお、集電板
34,35には幅1mm,長さ30.0mm のスリット34s,35sが形成されており、スリット34s,35sを通して、燃料や空気の供給または、反応生成物の排出を行う。集電板34,35は金メッキ処理を施したステンレス板を使用している。
【0043】
ガスシール材36には、燃料が供給されるためのマニホールド36a,36bと、外辺から10mmの位置に外辺と平行に一周するように幅1mm,深さ1mmの溝36dが設けられており、使用済み燃料が排出されるためのマニホールド36cが設けられている。
【0044】
集電板34,35およびガスシール材31,32には、幅1mm,長さ30.0mm のスリットが4辺に平衡して外辺から10mmの位置に設けられ、MEAの触媒反応層に燃料もしくは酸素含有気体を供給するための流路を形成した。
【0045】
次に、この流路について図4を用いて説明する。図4は、MEA80を用いて、本発明に関する第1の実施の形態を示した直接メタノール燃料電池セル30を図示した概念図である。カソード側を上面にした平面図と、直線Aで直接メタノール燃料電池セル30を切断し、矢印の方向から見た場合の断面図がその下に示されている。外辺に沿って流路38a,流路38b,流路38c,流路38dが設けられており、たとえば、流路38aは、集電板34に設けられた幅1mm,長さ30.0mm のスリット34aと、ガスシール材31に設けられた幅1mm,長さ30.0mm のスリット31aで構成されている。スリット31aは、断面図から分かるように、深さ125μm(中心付近)まで切り込まれ、その後、幅
100μmのスリットが面に沿って設けられ、MEA80のカソード側電極まで達している。
【0046】
一方、図11は、カソード側における流路の別の形式を説明する模式図である。この図にあるように、先に説明した図11aの流路802の他に、図11bや図11cにある様に、ガスケットにスリット814を設け、流路811や流路812のような形状を構成してもよい。
【0047】
同様にして、アノード側にも外辺に沿った流路が設けられており、例えば流路39aは、ガスシール材36に設けられた幅1mmの溝36dと、集電板35に設けられた幅1mm,長さ30.0mmのスリット35aと、ガスシール材32に設けられた幅1mm,長さ30.0mmのスリット32aで構成されている。スリット32aは、断面図から分かるように、深さ125μm(中心付近)まで切り込まれ、その後、幅100μmのスリットが面に沿って設けられ、MEA80のアノード側電極まで達している。各流路は、触媒反応層の外側、つまり厚さ30μm以下の触媒反応層が薄い場所で接続され、反応熱を利用した自然対流の効果を得やすいように工夫した。このような流路を設けることにより、燃料はマニホールド36a,36bから流入し、溝36dを満たし、アノード側流路、例えば流路39aを経由し、MEA80のアノード側電極に到達し、触媒反応層で消費される。触媒反応層で生じた反応生成物(二酸化炭素)は、スリット35sを経由しマニホールド36cから排出される。一方、カソード側では、空気がカソード側流路、例えば流路38a,38b,38c,38dを経由し、MEA80のカソード側電極に到達し、触媒反応層で消費される。触媒反応層で生じた反応生成物(水)は、スリット34sを経由し外界に排出される。
【0048】
ここで、カソード側において、MEA80の触媒反応層と拡散層と集電板のスリット
34sを一つの排出管として考えた場合、例えば、図12に示すダクト120を集電板
34上に排出のために設置すれば、触媒反応層からの排出の流れが向上する。また、図
13に示すように、空気を取り入れる流路38a,流路38b,流路38c,流路38dの入り口にそれぞれ除湿剤、例えばシリカゲルの粉末を通気性の良いパッケージに入れたもの130a,130b,130c,130dを置けば、乾燥した空気を供給することができ、反応生成水による弊害を軽減できる。
【0049】
以上のような方法で得られた燃料電池を電池A(ダクトおよび除湿剤は付かない)とした。
【0050】
(実施例2)
図6は本発明に関する第2の実施の形態を示した直接メタノール燃料電池セル40の概念図であり、カソード側を上面にした平面図と、直線Aで直接メタノール燃料電池セル
40を切断し、矢印の方向から見た場合の断面図がその下に示されている。図7は、直接メタノール燃料電池セル40の構成および組み立て方法示した見取り図である。
【0051】
図6に示す直接メタノール燃料電池セル40は、実施例1で示した直接メタノール燃料電池セル30を、常にカソード極を上側に、アノード極を下側にして用いた場合に、自然対流の効果が得られるように改良を加えたものである。すなわち、直接メタノール燃料電池セル30では、アノード極側において、燃料の流れが流路→触媒反応層→拡散層→排出用マニホールドであったのに対し、供給用マニホールド→拡散層→触媒反応層→流路→排出用マニホールドとした。これによって、燃料は下から上に向かって流れることになり、触媒反応層で反応熱により加熱された反応生成物が排出されやすくなり、アノード極側での自然対流の効果が得られる。
【0052】
直接メタノール燃料電池セル40の作成方法は、実施例1で示した直接メタノール燃料電池セル30の作成方法と同様であるが、使用するMEAと、ガスシール材,集電板,ガスシール材とで構成される流路が異なる。直接メタノール燃料電池セル40に使用した
MEAはMEA80において、アノード側電極86に親水処理を施した領域88に対して、カソード側電極85と同様な撥水処理を行った。こうすることで、燃料が後で説明する排出の流路に浸入するのを防ぐことができる。こうして作成したMEAをMEA80−1とする。
【0053】
次に流路の説明を図6,図7を用いて説明する。図7において、実施例1で使用したガスシール材32,集電板35,ガスシール材36の代わりにガスシール材41,集電板9,ガスシール材42を使用する。図6にあるようにガスシール材41は、各辺に排出用マニホールド41e,41f,41g,41hと、辺と平行して4本のスリットが設けられている。このスリットは、41iに示すように幅1mm,長さ30.0mm のスリットで、断面図から分かるように、深さ125μm(中心付近)まで切り込まれ、その後、幅100μmのスリットが面に沿って設けられ、MEA80−1のカソード側電極まで達している。集電板9は、従来の技術で説明した直接メタノール燃料電池セル20に使用したもので、外寸が5cm×5cm,厚み4mmの金メッキ処理を施したステンレス板を使用している。
【0054】
ガスシール材42は、同じく外寸が5cm×5cm,厚み4mmで、燃料供給用のマニホールド42zが中心に設けられている。
【0055】
以上のような方法で得られた燃料電池を電池Bとした。
【0056】
実施例1や実施例2では、集電板やガスケットにスリットを設け、流路を形成していたが、次に示す実施例3および実施例4では、MEAの中に小さな穴を開け、この穴を流路として自然対流を発生させ、触媒反応層に酸化剤および燃料を供給し、触媒反応層から反応生成物の排出を行うものである。
【0057】
(実施例3)
図9は本発明に関する第3の実施の形態を示したMEA90の概念図である。
【0058】
1は固体高分子電解質膜であり、その両側に触媒反応層91,92及び拡散層93,
94からなる電極95,96が形成されている。
【0059】
拡散層93,94は、導電性多孔質材料に厚さ250μmのカーボン不織布(東レ社製TGP−H060)を3センチ角に切り取り、撥水処理を施すためフッ素系撥水剤のエマルジョン液(ダイキン製D1)に浸し、乾燥させた後350℃で10分間熱処理した。
【0060】
図9に示すように拡散層93,94の上面から直径2mm,深さ220μmの穴を5mm間隔で開け、燃料もしくは酸素含有気体を供給するための流路93a,94bとする。
【0061】
ここで、触媒反応層は反応熱により相対温度が高く、気圧も高くなり、この結果、触媒反応層で生成された反応性生物は、拡散層からのみではなく、酸化剤および燃料を供給するために設けた流路93a,94bからも排出される恐れがある。そこで、これを防止するために、直径2mm,深さ220μmの穴の周囲93b,94bに、撥水処理または親水処理を施す。ここでは、カソード側電極95に撥水処理を、アノード側電極96に親水処理を施すが、MEAの形状や、アノード側を上にして用いる場合などは、適時使い分ける。カソード側電極95の撥水処理は、穴を作成したあと、穴の周囲93bに再びフッ素系撥水剤のエマルジョン液(ダイキン製D1)を上塗りし、フッ素系撥水剤が濃く乗るようにする。その後、乾燥させ350℃で10分間熱処理する。こうすることで、穴の周囲
93bは強い撥水効果が得られる。アノード側電極96の親水処理は、穴を作成したあと、穴の周囲94bを高分子電解質、例えばパーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117をエタノールに分散させた溶液をぬり、大気中常温で6時間乾燥させる。こうすることで、穴の周囲94bは親水効果が得られる。
【0062】
触媒反応層91,92は、アノード側用に、平均一次粒子径30nmを持つ導電性炭素粒子であるケッチェンブラック(AKZOChemie社製)に、白金とルテニウムを、それぞれ
25重量%担持させた触媒担持粒子を使用し、カソード側用には、ケッチェンブラックに、白金を50重量%担持させた触媒担持粒子を使用し、実施例1のMEA80と同様にして、カソード用とアノード用のスラリーを作製した。
【0063】
次に、拡散層93,94に先に作成したカソード用スラリーとアノード用スラリーを、スプレークオーターを用いて塗布し、これを大気中常温で6時間乾燥させることで触媒反応層91,92を形成させ、カソード用電極95とアノード用電極96を作成した。
【0064】
このとき、触媒反応層91,92の厚みが50μmになるように均一に形成した。
【0065】
次に、カソード用拡散電極95とアノード用拡散電極96をそれぞれ用意し、5センチ角に切り取った高分子電解質膜1(デュポン社製,パーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117,175μm)の両面に、中心を合わせて、ホットプレス(125℃,4MPa,10分間) により一体化し、MEA90を作成した。
【0066】
次に、MEA90を使用して直接メタノール燃料電池セルを作成する。作成方法は、従来の技術で説明した直接メタノール燃料電池セル20と同様にして、MEA90の周囲に固体高分子電解質膜1を挟んで、外寸が5cm×5cmで、MEA90の電極95と電極96が被らないように3センチ角の窓を開けた厚さ250μmの2枚のガスシール材10,
11と、外寸が5cm×5cm,厚み4mmの2枚の集電板8,9で両側から挟み込み、ボルト13およびナット14で固定した。このときの締結圧は、集電板の面積あたり10kgf/
cm2 とした。なお、集電板8,9には幅1.5mm,長さ30.0mmのスリットが形成されており、集電板8,9は金メッキ処理を施したステンレス板を使用している。燃料側には、燃料が漏れないためのガスシール材12が集電板9の外側に設置されている。ガスシール材12には、燃料となるメタノール水溶液が入る入り口12aとMEA90で消費された燃料が排出される出口12bとが設けられている。
【0067】
以上のような方法で得られた燃料電池を電池Cとした。
【0068】
(実施例4)
図10は本発明に関する第3の実施の形態を示したMEA100の概念図である。
【0069】
1は固体高分子電解質膜であり、その両側に触媒反応層101,102及び拡散層103,104からなる電極105,106が形成されている。
【0070】
拡散層103,104および触媒反応層101,102の作成方法は実施例3と同じなので説明を省略する。次に流路107および108の形成方法を説明する。
【0071】
図10に示すように拡散層103,104の上面から直径2mm,深さ220μmの穴を5mm間隔で開け、この穴に、直径2mm,長さ220μmの円筒形で、撥水処理または親水処理を施したカーボン不織布(東レ社製TGP−H060)を埋め込む。
【0072】
ここでは、カソード側電極105に撥水処理を、アノード側電極106に親水処理を施したカーボン不織布を埋め込むが、MEAの形状や、アノード側を上にして用いる場合などは、適時使い分ける。撥水処理または親水処理の方法は、実施例3と同じである。
【0073】
こうすることで、カソード側電極105の撥水処理した流路107は、カソード電極層91で生成される反応生成水が通りにくく、代わりに外界からの空気が流入しやすくなる。また、アノード側電極108の親水処理した流路108は、カソード電極層91で生成される二酸化炭層が通りにくく、代わりに燃料であるメタンノール水溶液が流入しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【0074】
【図1】従来技術のMEAを示した模式図。
【図2】従来技術のMEAを用いた直接メタノール燃料電池を示した模式図。
【図3】従来技術の直接メタノール燃料電池を示した模式図。
【図4】本発明の一実施の形態の直接メタノール燃料電池を示した模式図。
【図5】本発明の一実施の形態の直接メタノール燃料電池を示した模式図。
【図6】本発明の一実施の形態の直接メタノール燃料電池を示した模式図。
【図7】本発明の一実施の形態の直接メタノール燃料電池を示した模式図。
【図8】本発明の一実施の形態のMEAを示した模式図。
【図9】本発明の一実施の形態のMEAを示した模式図。
【図10】本発明の一実施の形態のMEAを示した模式図。
【図11】本発明の一実施の形態の流路を示した模式図。
【図12】本発明の一実施の形態の排気装置を示した模式図。
【図13】本発明の一実施の形態の乾燥させた空気を供給する例を示した模式図。
【図14】供給と排出の流れを説明する概念モデル図。
【符号の説明】
【0075】
1…固体高分子電解質膜、2,101…カソード側触媒反応層、3,102…アノード側触媒反応層、4…カソード側拡散層、5…アノード側拡散層、6,105…カソード側電極、7,106…アノード側電極、8,9…集電板、10,11,12,31,32,36,41,42…ガスシール材、13…ボルト、14…ナット、15…MEA、20,30,40…直接メタノール燃料電池セル、34,35…流路付き集電板、80…膜電極接合体、80−1…実施例2で説明するMEA、81,91…カソード電極層、82,
92…アノード電極層、83,93…カソード拡散層、84,94…アノード拡散層、
85…中心部を厚くした触媒反応層を用いたカソード側電極、86…中心部を厚くした触媒反応層を用いたアノード側電極、87…撥水処理部、88…親水処理部、90…実施例3で説明するMEA、95…カソード用拡散電極、96…アノード用拡散電極、100…実施例4で拡散層の表面に多数の小径の穴を開け、その穴に撥水または親水処理したカーボンペーパをはめ込んだMEA、103…多数の小径穴を開け、撥水処理したカーボンペーパをはめ込んだカソード側拡散層、104…多数の小径穴を開け、親水処理したカーボンペーパをはめ込んだアノード側拡散層、120…排気用ダクト、141…従来の供給と排出の流れを説明する概念モデル図、142…流路を設けた場合の流れを説明する概念モデル図、143…領域を流路とした場合の流れを説明する概念モデル図、144…流路を設けた場合の流れを説明する概念モデル図。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に触媒反応層を挟んで、それぞれ対向して配される導電性と拡散性を兼ね備えた一対の拡散層と、それぞれ対向して配される一対の導電性の集電体とを備えた燃料電池において、前記触媒反応層に接続し、酸化剤および燃料を供給するための流路を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項2】
前記燃料電池において、前記触媒反応層に接続し、前記触媒反応層で生じた反応生成物を排出するための流路を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項3】
前記触媒反応層において、触媒の厚みのある部分と薄い部分もしくは触媒が存在しない部分とで構成し、前記触媒の薄い部分もしくは触媒が存在しない部分に、前記流路を接続させたことを特徴とする燃料電池。
【請求項4】
前記流路と前記触媒反応層とが接続する部分において、撥水剤または親水剤を加えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項5】
前記反応生成物を排出するための流路において、排気ダクトを設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項6】
前記酸化剤を供給する流路において、除湿剤を設置したことを特徴とする燃料電池。
【請求項7】
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に触媒反応層を挟んで、それぞれ対向して配される導電性と拡散性を兼ね備えた一対の拡散層とを備えたMEAにおいて、前記拡散層に多数の穴を開け、穴の周囲を撥水処理もしくは親水処理をし、前記穴を、前記触媒反応層に接続する流路としたことを特徴とするMEA。
【請求項8】
前記MEAにおいて、前記拡散層に撥水処理領域もしくは親水処理領域とを設け、前記撥水処理領域もしくは前記親水処理領域を、前記触媒反応層に接続する流路としたことを特徴とするMEA。
【請求項9】
前記電解質膜を、
電極反応が活性な第1の領域と前記第1の領域よりも電極反応が不活性な第2の領域とを有するカソード電極層と
アノード電極層と、
前記カソード電極層と前記アノード電極層との間に形成されるプロトン導電性を有する電解質を有する電解質膜とを有する膜電極接合体。
【請求項10】
前記第1の領域は、前記第2の領域よりも厚い請求項9記載の膜電極接合体。
【請求項11】
前記第1の領域は、前記第2の領域よりも触媒粒子の密度が高い請求項9記載の膜電極接合体。
【請求項12】
前記第2の領域は、前記第1の領域よりも撥水性が高い請求項9記載の膜電極接合体。
【請求項13】
前記電解質膜を、
電極反応が活性な第1の領域と前記第1の領域よりも電極反応が不活性な第2の領域とを有するカソード電極層と
アノード電極層と、
前記カソード電極層と前記アノード電極層との間に形成されるプロトン導電性を有する電解質を有する電解質膜とを有する燃料電池。
【請求項14】
前記燃料電池の筐体は、孔が形成されたカソード端板と燃料を保持する燃料容器とを有し、
前記カソード電極層は、前記カソード端板と対向して設置されることを特徴とする請求項13記載の燃料電池。
【請求項15】
前記燃料電池の筐体が、前記第2の領域に通じる流路を有する請求項13記載の燃料電池。
【請求項16】
前記流路は、除湿剤を有することを特徴とする請求項13記載の燃料電池。
【請求項17】
前記カソード電極層は多孔質の拡散層で覆われ、前記拡散層は前記第13の領域に通じる貫通孔を有する請求項5記載の燃料電池。
【請求項18】
前記貫通孔の壁面は撥水処理がされていることを特徴とする請求項13記載の燃料電池。
【請求項1】
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に触媒反応層を挟んで、それぞれ対向して配される導電性と拡散性を兼ね備えた一対の拡散層と、それぞれ対向して配される一対の導電性の集電体とを備えた燃料電池において、前記触媒反応層に接続し、酸化剤および燃料を供給するための流路を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項2】
前記燃料電池において、前記触媒反応層に接続し、前記触媒反応層で生じた反応生成物を排出するための流路を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項3】
前記触媒反応層において、触媒の厚みのある部分と薄い部分もしくは触媒が存在しない部分とで構成し、前記触媒の薄い部分もしくは触媒が存在しない部分に、前記流路を接続させたことを特徴とする燃料電池。
【請求項4】
前記流路と前記触媒反応層とが接続する部分において、撥水剤または親水剤を加えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項5】
前記反応生成物を排出するための流路において、排気ダクトを設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項6】
前記酸化剤を供給する流路において、除湿剤を設置したことを特徴とする燃料電池。
【請求項7】
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に触媒反応層を挟んで、それぞれ対向して配される導電性と拡散性を兼ね備えた一対の拡散層とを備えたMEAにおいて、前記拡散層に多数の穴を開け、穴の周囲を撥水処理もしくは親水処理をし、前記穴を、前記触媒反応層に接続する流路としたことを特徴とするMEA。
【請求項8】
前記MEAにおいて、前記拡散層に撥水処理領域もしくは親水処理領域とを設け、前記撥水処理領域もしくは前記親水処理領域を、前記触媒反応層に接続する流路としたことを特徴とするMEA。
【請求項9】
前記電解質膜を、
電極反応が活性な第1の領域と前記第1の領域よりも電極反応が不活性な第2の領域とを有するカソード電極層と
アノード電極層と、
前記カソード電極層と前記アノード電極層との間に形成されるプロトン導電性を有する電解質を有する電解質膜とを有する膜電極接合体。
【請求項10】
前記第1の領域は、前記第2の領域よりも厚い請求項9記載の膜電極接合体。
【請求項11】
前記第1の領域は、前記第2の領域よりも触媒粒子の密度が高い請求項9記載の膜電極接合体。
【請求項12】
前記第2の領域は、前記第1の領域よりも撥水性が高い請求項9記載の膜電極接合体。
【請求項13】
前記電解質膜を、
電極反応が活性な第1の領域と前記第1の領域よりも電極反応が不活性な第2の領域とを有するカソード電極層と
アノード電極層と、
前記カソード電極層と前記アノード電極層との間に形成されるプロトン導電性を有する電解質を有する電解質膜とを有する燃料電池。
【請求項14】
前記燃料電池の筐体は、孔が形成されたカソード端板と燃料を保持する燃料容器とを有し、
前記カソード電極層は、前記カソード端板と対向して設置されることを特徴とする請求項13記載の燃料電池。
【請求項15】
前記燃料電池の筐体が、前記第2の領域に通じる流路を有する請求項13記載の燃料電池。
【請求項16】
前記流路は、除湿剤を有することを特徴とする請求項13記載の燃料電池。
【請求項17】
前記カソード電極層は多孔質の拡散層で覆われ、前記拡散層は前記第13の領域に通じる貫通孔を有する請求項5記載の燃料電池。
【請求項18】
前記貫通孔の壁面は撥水処理がされていることを特徴とする請求項13記載の燃料電池。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公開番号】特開2007−280860(P2007−280860A)
【公開日】平成19年10月25日(2007.10.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−108203(P2006−108203)
【出願日】平成18年4月11日(2006.4.11)
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成19年10月25日(2007.10.25)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年4月11日(2006.4.11)
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】
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