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JP2009146864A - Fuel cell - Google Patents

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JP2009146864A
JP2009146864A JP2007325984A JP2007325984A JP2009146864A JP 2009146864 A JP2009146864 A JP 2009146864A JP 2007325984 A JP2007325984 A JP 2007325984A JP 2007325984 A JP2007325984 A JP 2007325984A JP 2009146864 A JP2009146864 A JP 2009146864A
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JP2007325984A
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Mitsuru Udatsu
満 宇田津
Hiroshi Suga
博史 菅
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of achieving increase of an output, and capable of producing water necessary for reaction at an anode (a fuel electrode) from fuel, and stably supplying water and the fuel to the anode (the fuel electrode). <P>SOLUTION: The fuel cell 1 is provided with the anode (the fuel electrode) 13 equipped with an anode catalyst layer 11 and an anode gas diffusion layer 12, a cathode (an air electrode) 16 equipped with a cathode catalyst layer 14 and a cathode gas diffusion layer 15, an electrolyte membrane 17 pinched by the anode (fuel electrode) 13 and the cathode (air electrode) 16, a fuel housing part 41 which is arranged at an anode (fuel electrode) side and houses the fuel consisting of a first fuel generating hydrogen ions and electrons and a second fuel containing peroxide, and a catalyst layer 80 for the second fuel which is arranged between the anode catalyst layer 11 and the fuel housing part 41 and mainly functions as a catalyst for the second fuel. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell using liquid fuel.

燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができるシステムである。特に、直接メタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、改質器も不要なことから小型機器用電源として有望である。   A fuel cell is a system that can generate electricity simply by supplying fuel and an oxidant. In particular, direct methanol fuel cells (DMFCs) use methanol with a high energy density as fuel, and since direct current can be taken out from methanol on the electrocatalyst, a reformer is not required, so it is for small equipment. Promising as a power source.

DMFCにおける燃料の供給方法として、液体燃料を気化させてからブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型DMFCと、50mol%以下の濃度の液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型DMFC、更に、燃料電池内部で50mol%以上の濃度の液体燃料を気化させる内部気化型DMFC等が知られている。   As a fuel supply method in the DMFC, a gas supply type DMFC in which the liquid fuel is vaporized and then fed into the fuel cell with a blower or the like, and a liquid supply type in which a liquid fuel having a concentration of 50 mol% or less is directly fed into the fuel cell with a pump or the like DMFCs and internal vaporization type DMFCs that vaporize liquid fuel having a concentration of 50 mol% or more inside the fuel cell are known.

内部気化型DMFCは、液体燃料を保持する燃料浸透層と、燃料浸透層中に保持された液体燃料のうち気化成分を拡散させるための気液分離膜とを備えるもので、気化した液体燃料が気液分離膜からアノード(燃料極)に供給される。   The internal vaporization type DMFC includes a fuel permeation layer that retains liquid fuel, and a gas-liquid separation membrane for diffusing a vaporized component of the liquid fuel retained in the fuel permeation layer. It is supplied from the gas-liquid separation membrane to the anode (fuel electrode).

アノード(燃料極)では、式(1)に示すように、気化したメタノールと水とがアノード触媒層で反応して二酸化炭素および水素イオンを生成する。
CHOH+HO → CO+6H++6e- …式(1)
In the anode (fuel electrode), as shown in Formula (1), vaporized methanol and water react with each other in the anode catalyst layer to generate carbon dioxide and hydrogen ions.
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e Formula (1)

また、カソード(空気極)では、アノード(燃料極)側からカソード(空気極)側へ拡散したメタノールが、式(2)に示すように、カソード触媒層で直接酸化されることで水を生成する。この水は、自己拡散することによってアノード(燃料極)側へ供給され、アノード(燃料極)における上記した式(1)の反応に必要な水として利用される。
CHOH+(3/2)O → CO+2HO …式(2)
In the cathode (air electrode), methanol diffused from the anode (fuel electrode) side to the cathode (air electrode) side is directly oxidized in the cathode catalyst layer as shown in formula (2) to generate water. To do. This water is supplied to the anode (fuel electrode) side by self-diffusion, and is used as water necessary for the reaction of the above formula (1) at the anode (fuel electrode).
CH 3 OH + (3/2) O 2 → CO 2 + 2H 2 O Formula (2)

また、アノード(燃料極)に水を供給する他の方法として、水を含むメタノール燃料を使用し、水と燃料とを一緒に直接アノード触媒層へ供給する方法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2007−149687号公報
Further, as another method for supplying water to the anode (fuel electrode), a method is disclosed in which methanol fuel containing water is used and water and fuel are supplied directly to the anode catalyst layer (for example, patents). Reference 1).
JP 2007-149687 A

しかしながら、従来の燃料電池のように、カソード(空気極)側で生成する水を自己拡散によってアノード(燃料極)側へ供給する場合、メタノールクロスオーバーによってカソード(空気極)側へメタノールが供給されるが、このメタノールクロスオーバーは、燃料電池の性能を減少させる原因となる。   However, when water generated on the cathode (air electrode) side is supplied to the anode (fuel electrode) side by self-diffusion as in a conventional fuel cell, methanol is supplied to the cathode (air electrode) side by methanol crossover. However, this methanol crossover causes a decrease in fuel cell performance.

また、水で希釈したメタノール燃料を使用する場合、液体燃料の単位体積当たりのエネルギー密度が減少するため、供給すべき水を含む燃料の流量を増加させなければならないという課題や、発電効率が減少するといった問題を有していた。   In addition, when using methanol fuel diluted with water, the energy density per unit volume of liquid fuel decreases, so the problem of having to increase the flow rate of fuel containing water to be supplied and the power generation efficiency decrease. Had the problem of doing.

また、アノード触媒層へはメタノールを気体の状態で供給する必要がある。そのため、液体のメタノールが気体のメタノールとなる際に蒸発熱として熱量が利用されるため、アノード(燃料極)の温度が低下し、低温時の作動に不具合を生じたり、アノード(燃料極)への十分なメタノール燃料の供給が行えない等の問題があった。   Moreover, it is necessary to supply methanol in a gaseous state to the anode catalyst layer. For this reason, when liquid methanol is converted to gaseous methanol, the amount of heat is used as the heat of vaporization, so the temperature of the anode (fuel electrode) decreases, causing problems in operation at low temperatures, or to the anode (fuel electrode). There was a problem that sufficient methanol fuel could not be supplied.

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、出力の向上が図れるとともに、アノード(燃料極)における反応に必要な水を燃料から生成し、アノード(燃料極)に安定して水および燃料を供給することができる燃料電池を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and can improve the output and generate water necessary for the reaction in the anode (fuel electrode) from the fuel, and stabilize it in the anode (fuel electrode). An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of supplying water and fuel.

本発明の一態様によれば、アノード触媒層およびアノードガス拡散層を備える燃料極と、カソード触媒層およびカソードガス拡散層を備える空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜と、前記燃料極側に配置され、水素イオンと電子を生成する第1燃料および過酸化物を含有する第2燃料からなる燃料を収容する燃料収容部と、前記アノード触媒層と前記燃料収容部との間に配置され、主として前記第2燃料の触媒として機能する第2燃料用触媒層とを具備することを特徴とする燃料電池が提供される。   According to one aspect of the present invention, a fuel electrode including an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer, an air electrode including a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer, and an electrolyte sandwiched between the fuel electrode and the air electrode A membrane, a fuel accommodating portion that is disposed on the fuel electrode side and that accommodates a fuel composed of a first fuel that generates hydrogen ions and electrons, and a second fuel that contains peroxide, the anode catalyst layer, and the fuel accommodation And a second fuel catalyst layer functioning mainly as a catalyst for the second fuel. The fuel cell is provided.

また、本発明の一態様によれば、アノード触媒層およびアノードガス拡散層を備える燃料極と、カソード触媒層およびカソードガス拡散層を備える空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜と、前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、前記燃料供給部に供給する、水素イオンと電子を生成する第1燃料および過酸化物を含有する第2燃料からなる燃料を収容する燃料収容部と、前記アノード触媒層と前記燃料供給部との間に配置され、主として前記第2燃料の触媒として機能する第2燃料用触媒層とを具備することを特徴とする燃料電池が提供される。   Further, according to one aspect of the present invention, the fuel electrode including the anode catalyst layer and the anode gas diffusion layer, the air electrode including the cathode catalyst layer and the cathode gas diffusion layer, and the fuel electrode and the air electrode are sandwiched. An electrolyte membrane, a fuel supply unit disposed on the fuel electrode side for supplying fuel to the fuel electrode, a first fuel for generating hydrogen ions and electrons supplied to the fuel supply unit, and a peroxide And a second fuel catalyst layer that is disposed between the anode catalyst layer and the fuel supply portion and mainly functions as a catalyst for the second fuel. A fuel cell is provided.

本発明に係る燃料電池によれば、出力の向上が図れるとともに、アノード(燃料極)における反応に必要な水を燃料から生成し、アノード(燃料極)に安定して水および燃料を供給することができる。   According to the fuel cell of the present invention, output can be improved, water necessary for reaction at the anode (fuel electrode) is generated from the fuel, and water and fuel are stably supplied to the anode (fuel electrode). Can do.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明に係る一実施形態の燃料電池1の構成を示す断面図である。図2は、本発明に係る一実施形態の燃料電池においてポンプ90を備えた場合の燃料電池1の構成を示す断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel cell 1 when the pump 90 is provided in the fuel cell according to the embodiment of the present invention.

図1に示すように、燃料電池1は、起電部を構成する燃料電池セル10と、この燃料電池セル10のアノード(燃料極)側およびカソード(空気極)側にそれぞれ設けられたアノード導電層18、カソード導電層19と、このアノード導電層18に積層して設けられた気液分離膜70と、この気液分離膜70に積層して設けられた第2燃料用触媒層80と、この第2燃料用触媒層80に対向させて設けられた複数の開口部31を有する燃料分配層30と、この燃料分配層30の燃料電池セル10側とは異なる側に配置され、燃料分配層30に液体燃料Fを供給する燃料供給機構40と、カソード導電層19に積層された保湿層50と、この保湿層50に積層された、複数の空気導入口61を有する表面カバー60とを備える。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 includes a fuel cell 10 constituting an electromotive unit, and anode conductivity provided on the anode (fuel electrode) side and the cathode (air electrode) side of the fuel cell 10. A layer 18, a cathode conductive layer 19, a gas-liquid separation film 70 provided by being laminated on the anode conductive layer 18, a second fuel catalyst layer 80 provided by being laminated on the gas-liquid separation film 70, A fuel distribution layer 30 having a plurality of openings 31 provided to face the second fuel catalyst layer 80, and a fuel distribution layer disposed on a side different from the fuel cell 10 side of the fuel distribution layer 30. 30, a fuel supply mechanism 40 that supplies liquid fuel F to 30, a moisturizing layer 50 laminated on the cathode conductive layer 19, and a surface cover 60 having a plurality of air inlets 61 laminated on the moisturizing layer 50. .

燃料電池セル10は、いわゆる膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)であり、アノード触媒層11とアノードガス拡散層12とを有するアノード(燃料極)13と、カソード触媒層14とカソードガス拡散層15とを有するカソード(空気極)16と、アノード触媒層11とカソード触媒層14とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性を有する電解質膜17とから構成される。   The fuel cell 10 is a so-called membrane electrode assembly (MEA), and includes an anode (fuel electrode) 13 having an anode catalyst layer 11 and an anode gas diffusion layer 12, a cathode catalyst layer 14, and a cathode gas diffusion. A cathode (air electrode) 16 having a layer 15 and an electrolyte membrane 17 having proton (hydrogen ion) conductivity sandwiched between the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14.

アノード触媒層11やカソード触媒層14に含有される触媒としては、例えばPt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層11として、例えば、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等を用いることが好ましい。カソード触媒層14として、例えば、Pt、Pt−Ni、Pt−Co等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。   Examples of the catalyst contained in the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 include a simple substance of a platinum group element such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd, and an alloy containing the platinum group element. As the anode catalyst layer 11, for example, Pt—Ru, Pt—Mo, or the like having strong resistance to methanol, carbon monoxide, or the like is preferably used. As the cathode catalyst layer 14, for example, Pt, Pt—Ni, Pt—Co or the like is preferably used. However, the catalyst is not limited to these, and various substances having catalytic activity can be used. The catalyst may be either a supported catalyst using a conductive support such as a carbon material or an unsupported catalyst.

電解質膜17を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。電解質膜17は、具体的には、ナフィオン(商品名、デュポン社製)、フレミオン(商品名、旭硝子社製)、アシプレックス(商品名、旭化成工業社製)等により構成される。なお、プロトン伝導性の電解質膜17は、これらに限られるものではなく、例えば、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂獏などのプロトンを輸送可能な電解質膜で構成することができる。   Examples of proton conductive materials constituting the electrolyte membrane 17 include organic materials such as fluorine resins such as perfluorosulfonic acid polymers having sulfonic acid groups, hydrocarbon resins having sulfonic acid groups, or tungstic acid. And inorganic materials such as phosphotungstic acid. Specifically, the electrolyte membrane 17 includes Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (trade name, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), and the like. The proton-conducting electrolyte membrane 17 is not limited to these. For example, a copolymer membrane of a trifluorostyrene derivative, a polybenzimidazole membrane impregnated with phosphoric acid, an aromatic polyether ketone sulfonic acid membrane, Alternatively, it can be composed of an electrolyte membrane capable of transporting protons such as aliphatic hydrocarbon resin soot.

アノード触媒層11に積層されるアノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層11の集電体としても機能している。カソード触媒層14に積層されるカソードガス拡散層15は、カソード触媒層14に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層14の集電体としても機能している。また、アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15は、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンシルク等の多孔性炭素質材、チタン、チタン合金、ステンレス、金などの金属材料からなる多孔質体またはメッシュなどで構成される。   The anode gas diffusion layer 12 laminated on the anode catalyst layer 11 serves to uniformly supply fuel to the anode catalyst layer 11 and also functions as a current collector for the anode catalyst layer 11. The cathode gas diffusion layer 15 laminated on the cathode catalyst layer 14 serves to uniformly supply the oxidant to the cathode catalyst layer 14 and also functions as a current collector for the cathode catalyst layer 14. The anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 15 are porous bodies or meshes made of a porous carbonaceous material such as carbon paper, carbon cloth, or carbon silk, or a metal material such as titanium, titanium alloy, stainless steel, or gold. Etc.

アノードガス拡散層12の表面に積層されたアノード導電層18、およびカソードガス拡散層15の表面に積層されたカソード導電層19は、例えば、Au、Niなどのような電気特性および化学安定性に優れた導電金属材料からなる多孔質層(例えばメッシュ)または箔体、あるいはステンレス鋼(SUS)などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等で構成される。これらの中でも、アノード導電層18やカソード導電層19は、燃料電池セル10に対応して開口された複数の開口部を有する薄膜で構成されることが好ましく、この開口部を介して、燃料を燃料電池セル側に導く。なお、アノード導電層18およびカソード導電層19は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。また、電解質膜17とアノード導電層18およびカソード導電層19との間には、それぞれゴム製のOリング20が介在されており、これらによって燃料電池セル10からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。なお、ここでは、アノード導電層18およびカソード導電層19を備えた燃料電池2を示しているが、アノード導電層18およびカソード導電層19を設けずに、上記したようにアノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15を拡散層として機能させるとともに、導電層として機能させてもよい。   The anode conductive layer 18 laminated on the surface of the anode gas diffusion layer 12 and the cathode conductive layer 19 laminated on the surface of the cathode gas diffusion layer 15 have electrical characteristics and chemical stability such as Au and Ni. It is composed of a porous layer (for example, mesh) or a foil body made of an excellent conductive metal material, or a composite material in which a conductive metal material such as stainless steel (SUS) is coated with a good conductive metal such as gold. Among these, the anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19 are preferably formed of a thin film having a plurality of openings that correspond to the fuel cells 10, and the fuel is supplied through these openings. Lead to the fuel cell side. The anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19 are configured so that fuel and oxidant do not leak from their peripheral edges. Also, rubber O-rings 20 are interposed between the electrolyte membrane 17 and the anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19, respectively, thereby preventing fuel leakage and oxidant leakage from the fuel cell 10. is doing. Here, the fuel cell 2 including the anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19 is shown, but the anode gas diffusion layer 12 and the anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19 are not provided as described above. The cathode gas diffusion layer 15 may function as a diffusion layer and may function as a conductive layer.

保湿層50は、カソード触媒層14で生成された水の一部が含浸して、水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層14への空気の均一拡散を促進するものである。この保湿層50は、例えば、ポリエチレン多孔質膜等からなる平板で構成される。   The moisturizing layer 50 is impregnated with a part of the water generated in the cathode catalyst layer 14 to suppress the transpiration of water and promote uniform diffusion of air to the cathode catalyst layer 14. The moisturizing layer 50 is composed of a flat plate made of, for example, a polyethylene porous film.

表面カバー60は、空気の取入れ量を調整するものであり、その調整は、空気導入口61の個数や大きさ等を変更することで行われる。表面カバー60は、例えば、SUS304のような金属で構成することができるが、これに限定されるものではない。   The front cover 60 adjusts the amount of air taken in, and the adjustment is performed by changing the number and size of the air inlets 61. For example, the front cover 60 can be made of a metal such as SUS304, but is not limited thereto.

アノード導電層18の燃料供給機構40側に配置された気液分離膜70は、液体燃料Fの気化成分と液体燃料Fとを分離し、その気化成分をアノード(燃料極)側に通過させるものである。この気液分離膜70は、液体燃料Fに対して不活性で溶解しない材料でシート状に構成され、具体的には、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン(LDPE)薄膜、ポリ塩化ビニル(PVC)薄膜、ポリエチレンテレフタレート(PET)薄膜、フッ素樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)など)微多孔膜などの材料で構成される。また、気液分離膜70は、周縁から燃料などが漏れないように構成されている。   The gas-liquid separation film 70 disposed on the fuel supply mechanism 40 side of the anode conductive layer 18 separates the vaporized component of the liquid fuel F and the liquid fuel F and passes the vaporized component to the anode (fuel electrode) side. It is. The gas-liquid separation membrane 70 is formed into a sheet shape with an inert material that does not dissolve in the liquid fuel F, and specifically, silicone rubber, low-density polyethylene (LDPE) thin film, polyvinyl chloride (PVC) thin film. , Polyethylene terephthalate (PET) thin film, fluororesin (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), etc.), etc. The gas-liquid separation membrane 70 is configured so that fuel and the like do not leak from the periphery.

なお、気液分離膜70とアノード導電層18との間に、樹脂製のフレーム(図示しない)を設けてもよい。フレームで囲まれた空間は、気液分離膜70を拡散してきた気化燃料を一時的に収容する気化燃料収容室(いわゆる蒸気だまり)として機能するとともに、燃料電池セル10とアノード導電層18を密着させる補強板としても機能する。この気化燃料収容室および気液分離膜70の透過メタノール量抑制効果により、一度に多量の気化燃料がアノード触媒層に供給されるのを回避することができる。なお、フレームは、短形のフレームで、例えばポリエーテルエーテルケトン(PEEK)等の耐薬性の高いエンジニアリングプラスチックで構成される。   A resin frame (not shown) may be provided between the gas-liquid separation membrane 70 and the anode conductive layer 18. The space surrounded by the frame functions as a vaporized fuel storage chamber (so-called vapor pool) that temporarily stores the vaporized fuel that has diffused through the gas-liquid separation membrane 70, and closely contacts the fuel cell 10 and the anode conductive layer 18. It also functions as a reinforcing plate. Due to the effect of suppressing the permeated methanol amount of the vaporized fuel storage chamber and the gas-liquid separation membrane 70, it is possible to avoid supplying a large amount of vaporized fuel to the anode catalyst layer at a time. The frame is a short frame, and is made of, for example, engineering plastic having high chemical resistance such as polyether ether ketone (PEEK).

気液分離膜70の燃料供給機構40側に配置された第2燃料用触媒層80は、燃料供給機構40によって供給される燃料のうちの、主に第2燃料の触媒として機能するものである。第2燃料用触媒層80は、少なくとも一元素以上の貴金属またはこの貴金属を含有する合金で構成されることが好ましい。使用される貴金属としては、例えば白金族元素の金属(Pt、Ir、Os、Pd等)が挙げられる。また、第2燃料用触媒層80は、炭素系担体または無機金属を含む担体に担持されることが好ましい。   The second fuel catalyst layer 80 arranged on the fuel supply mechanism 40 side of the gas-liquid separation membrane 70 mainly functions as a catalyst for the second fuel among the fuel supplied by the fuel supply mechanism 40. . The second fuel catalyst layer 80 is preferably composed of at least one element or more of a noble metal or an alloy containing the noble metal. Examples of the noble metal used include metals of platinum group elements (Pt, Ir, Os, Pd, etc.). The second fuel catalyst layer 80 is preferably supported on a carbon-based carrier or a carrier containing an inorganic metal.

燃料供給機構40は、燃料収容部41と、燃料供給部本体42と、流路44とを主に備える。   The fuel supply mechanism 40 mainly includes a fuel storage part 41, a fuel supply part main body 42, and a flow path 44.

燃料収容部41には、燃料電池セル10に対応した液体燃料Fが収容されている。この液体燃料Fは、水素イオンと電子を生成する第1燃料および過酸化物を含有する第2燃料から構成される燃料である。   The fuel storage unit 41 stores liquid fuel F corresponding to the fuel battery cell 10. The liquid fuel F is a fuel composed of a first fuel that generates hydrogen ions and electrons and a second fuel that contains peroxide.

第1燃料は、炭化水素を含むアルコール、カルボン酸およびアルデヒドからなる群から選択された一つ以上の物質の水溶液または非水溶液であることが好ましい。第1燃料として、具板的には、例えばメタノール、エタノール、ギ酸、酢酸、ホルムアルデヒドおよびアセトアルデヒドからなる群から選択された一つ以上の物質の水溶液または非水溶液であることが好ましい。これらの液体燃料の中でも、メタノール水溶液は、炭素原子数が1で反応の際に発生するのが二酸化炭素であり、低温での発電反応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造することができる。そのため、第1燃料としてメタノール水溶液を使用するのが好ましい。また、第1燃料の含有量は、0.1〜24.5Mであることが好ましい。この範囲の含有量が好ましいのは、第1燃料の含有量が0.1Mよりも小さい場合には、水素イオンと電子の生成量が少なく、燃料電池の発電性能が低下してしまうためであり、24.5Mよりも大きい場合には、第2燃料の効率が低下するからである。なお、Mは、体積モル濃度(mol/L)を意味する。   The first fuel is preferably an aqueous solution or a non-aqueous solution of one or more substances selected from the group consisting of alcohols containing hydrocarbons, carboxylic acids, and aldehydes. The first fuel is preferably an aqueous solution or non-aqueous solution of one or more substances selected from the group consisting of methanol, ethanol, formic acid, acetic acid, formaldehyde and acetaldehyde, for example. Among these liquid fuels, an aqueous methanol solution has carbon atoms of 1 and is generated by carbon dioxide during the reaction, and can generate electricity at a low temperature, and is relatively easily produced from industrial waste. be able to. Therefore, it is preferable to use a methanol aqueous solution as the first fuel. Moreover, it is preferable that content of a 1st fuel is 0.1-24.5M. The content in this range is preferable because, when the content of the first fuel is smaller than 0.1M, the generation amount of hydrogen ions and electrons is small, and the power generation performance of the fuel cell is lowered. This is because the efficiency of the second fuel is reduced when it is greater than 24.5M. In addition, M means volume molar concentration (mol / L).

また、第2燃料は、第2燃料用触媒層80において、水を生成し、熱を発生するものであり、炭素原子、水素原子および金属原子のうちの少なくとも1種を有する過酸化物からなる群から選択された一つ以上の物質の溶液で構成されることが好ましい。第2燃料における過酸化物の含有量は、過酸化物が次に示す化学式1で示され、Rが水素原子である場合、すなわち過酸化水素である場合には、0.1〜20mol%であることが好ましく、Rが炭化水素からなる化合物である場合には、0.1〜33.3mol%であることが好ましい。炭化水素からなる化合物としては、例えばアルキル基、シクロ環、ベンゼン環などを有する環状炭化水素系化合物等が挙げられる。また、アルキル基としては、例えば、メチル、エチル等が挙げられる。また、環状炭化水素系化合物としては、シクロヘキサン、ベンゼン等が挙げられる。
R−O−O−R …(化学式1)
Further, the second fuel generates water and generates heat in the second fuel catalyst layer 80, and is made of a peroxide having at least one of carbon atoms, hydrogen atoms, and metal atoms. It is preferably composed of a solution of one or more substances selected from the group. The peroxide content in the second fuel is 0.1 to 20 mol% when the peroxide is represented by the following chemical formula 1 and R is a hydrogen atom, that is, hydrogen peroxide. It is preferable that when R is a compound composed of hydrocarbon, it is preferably 0.1 to 33.3 mol%. Examples of the hydrocarbon compound include cyclic hydrocarbon compounds having an alkyl group, a cyclo ring, a benzene ring, and the like. Examples of the alkyl group include methyl and ethyl. Examples of the cyclic hydrocarbon compound include cyclohexane, benzene and the like.
R—O—O—R (Chemical Formula 1)

ここで、Rが水素原子である場合、Rが炭化水素からなる化合物である場合における過酸化物の含有量を上記各範囲とすることが好ましいのは、メタノールの内部改質反応(上記式(1)または式(5)参照)を促進させるための水の生成および熱の発生を維持できるからである。   Here, when R is a hydrogen atom, it is preferable that the peroxide content in the case where R is a hydrocarbon compound is within the above ranges, the internal reforming reaction of methanol (the above formula ( This is because the generation of water and heat generation for promoting 1) or formula (5)) can be maintained.

また、第2燃料における過酸化物は、無機金属過酸化物であってもよい。この場合には、第2燃料におけるこの過酸化物の含有量は、0.1〜50mol%であることが好ましい。無機金属過酸化物としては、例えば過酸化ナトリウム、過酸化カルシウム等が挙げられる。ここで、無機金属過酸化物の含有量を上記範囲とすることが好ましいのは、メタノールの内部改質反応(上記式(1)または式(5)参照)を促進させるための水の生成および熱の発生を維持できるからである。   Further, the peroxide in the second fuel may be an inorganic metal peroxide. In this case, the peroxide content in the second fuel is preferably 0.1 to 50 mol%. Examples of the inorganic metal peroxide include sodium peroxide and calcium peroxide. Here, it is preferable that the content of the inorganic metal peroxide is in the above range. The generation of water for promoting the internal reforming reaction of methanol (see the above formula (1) or (5)) and This is because heat generation can be maintained.

また、第2燃料は、炭素原子および水素原子のうちの少なくとも一方を有する、過カルボン酸およびペルオキソ酸からなる群から選択された一つ以上の物質の溶液で構成されてもよい。この場合、第2燃料における過カルボン酸およびペルオキソ酸の含有量は、0.1〜50mol%であることが好ましい。炭素原子または水素原子を有する過カルボン酸として、例えば過酢酸、安息香酸等が挙げられ、炭素原子または水素原子を有するペルオキソ酸として、例えばジペルオキシコハク酸等が挙げられる。ここで、過カルボン酸およびペルオキソ酸の含有量を上記範囲とすることが好ましいのは、メタノールの内部改質反応(式(1)または式(5)参照)を促進させるための水の生成および熱の発生を維持できるからである。   The second fuel may be composed of a solution of one or more substances selected from the group consisting of percarboxylic acids and peroxo acids having at least one of carbon atoms and hydrogen atoms. In this case, the content of percarboxylic acid and peroxo acid in the second fuel is preferably 0.1 to 50 mol%. Examples of the percarboxylic acid having a carbon atom or a hydrogen atom include peracetic acid and benzoic acid, and examples of the peroxo acid having a carbon atom or a hydrogen atom include diperoxysuccinic acid. Here, it is preferable that the content of the percarboxylic acid and the peroxo acid is within the above range. The generation of water for promoting the internal reforming reaction of methanol (see formula (1) or formula (5)) and This is because heat generation can be maintained.

燃料供給部本体42は、供給された液体燃料Fを燃料分配層30に対して均一に供給するために、液体燃料Fを平坦に分散させるための凹部からなる燃料供給部43を備えている。この燃料供給部43は、配管等で構成される液体燃料Fの流路44を介して燃料収容部41と接続されている。燃料供給部43には、燃料収容部41から流路44を介して液体燃料Fが導入される。流路44は、燃料供給部43や燃料収容部41と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部43や燃料収容部41を積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Fの流路であってもよい。すなわち、燃料供給部43は、流路等を介して燃料収容部41と連通されていればよい。   The fuel supply unit main body 42 includes a fuel supply unit 43 including recesses for uniformly dispersing the liquid fuel F in order to uniformly supply the supplied liquid fuel F to the fuel distribution layer 30. The fuel supply unit 43 is connected to the fuel storage unit 41 via a flow path 44 of the liquid fuel F configured by piping or the like. Liquid fuel F is introduced into the fuel supply unit 43 from the fuel storage unit 41 via the flow path 44. The flow path 44 is not limited to piping independent of the fuel supply unit 43 and the fuel storage unit 41. For example, when the fuel supply unit 43 and the fuel storage unit 41 are stacked and integrated, a flow path of the liquid fuel F that connects them may be used. That is, the fuel supply part 43 should just be connected with the fuel accommodating part 41 via the flow path.

燃料収容部41に収容された液体燃料Fは、重力を利用して流路44を介して燃料供給部43まで落下させて送液することができる。また、流路44に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部41に収容された液体燃料Fを燃料供給部43まで送液してもよい。さらに、図2に示すように、流路44の一部に、ポンプ90を介在させて、燃料収容部41に収容された液体燃料Fを燃料供給部43まで強制的に送液してもよい。   The liquid fuel F stored in the fuel storage part 41 can be dropped and sent to the fuel supply part 43 via the flow path 44 using gravity. Alternatively, the flow path 44 may be filled with a porous body or the like, and the liquid fuel F stored in the fuel storage unit 41 may be fed to the fuel supply unit 43 by capillary action. Further, as shown in FIG. 2, the liquid fuel F stored in the fuel storage unit 41 may be forcibly sent to the fuel supply unit 43 by interposing a pump 90 in a part of the flow path 44. .

このポンプ90は、燃料収容部41から燃料供給部43に液体燃料Fを単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、燃料電池セル10に供給された過剰な液体燃料Fを循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このポンプ90を備えた燃料電池1は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは構成が異なり、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なる、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、ポンプ90の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料Fを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。上記したようにポンプ90を設ける場合、ポンプ90は、制御手段(図示しない)と電気的に接続され、この制御手段によって、燃料供給部43に供給される液体燃料Fの供給量が制御される。   The pump 90 functions as a supply pump that simply supplies the liquid fuel F from the fuel storage unit 41 to the fuel supply unit 43, and is a circulation pump that circulates excess liquid fuel F supplied to the fuel cells 10. It does not have the function as. The fuel cell 1 provided with the pump 90 is called a so-called semi-passive type, which does not circulate fuel, and therefore has a different configuration from the conventional active method and a different configuration from a pure passive method such as a conventional internal vaporization type. Applicable to the method. The type of the pump 90 is not particularly limited, but a rotary vane pump and an electroosmotic flow pump can be used from the viewpoint that a small amount of liquid fuel F can be fed with good controllability and can be reduced in size and weight. It is preferable to use a diaphragm pump, a squeezing pump or the like. The rotary vane pump feeds liquid by rotating wings with a motor. The electroosmotic flow pump uses a sintered porous body such as silica that causes an electroosmotic flow phenomenon. A diaphragm pump drives a diaphragm with an electromagnet or piezoelectric ceramics to send liquid. The squeezing pump presses a part of the flexible fuel flow path and squeezes the fuel. Among these, it is more preferable to use an electroosmotic pump or a diaphragm pump having piezoelectric ceramics from the viewpoint of driving power, size, and the like. When the pump 90 is provided as described above, the pump 90 is electrically connected to control means (not shown), and the supply amount of the liquid fuel F supplied to the fuel supply unit 43 is controlled by the control means. .

ここで、ポンプ90の送液量は、燃料電池1の主たる対象物が小型電子機器であることから、10μL/分〜1mL/分の範囲とすることが好ましい。送液量が1mL/分を超えると一度に送液される液体燃料Fの量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ90の停止時間が長くなる。このため、燃料電池セル10への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。これを防止するためのリザーバをポンプ90の下流側に設けてもよいが、そのような構成を適用しても燃料供給量の変動を十分に抑制することはできず、さらに装置サイズの大型化等を招いてしまう。   Here, since the main target object of the fuel cell 1 is a small electronic device, it is preferable that the liquid supply amount of the pump 90 be in the range of 10 μL / min to 1 mL / min. When the amount of liquid delivery exceeds 1 mL / min, the amount of liquid fuel F that is fed at a time becomes too large, and the stop time of the pump 90 that occupies the entire operation period becomes long. For this reason, the fluctuation of the amount of fuel supplied to the fuel battery cell 10 becomes large, and as a result, the fluctuation of the output becomes large. A reservoir for preventing this may be provided on the downstream side of the pump 90. However, even if such a configuration is applied, fluctuations in the fuel supply amount cannot be sufficiently suppressed, and the size of the apparatus is further increased. Etc. will be invited.

一方、ポンプ90の送液量が10μL/分未満であると、装置立ち上げ時のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。これによって、燃料電池1の起動特性等が低下する。このような点から、10μL/分〜1mL/分の範囲の送液能力を有するポンプ90を使用することが好ましい。ポンプ90の送液量は10〜200μL/分の範囲とすることがより好ましい。このような送液量を安定して実現する上でも、ポンプ90には電気浸透流ポンプやダイアフラムポンプを適用することが好ましい。   On the other hand, if the amount of liquid delivered by the pump 90 is less than 10 μL / min, there is a risk of insufficient supply capacity when the amount of fuel consumption increases when the apparatus is started up. As a result, the starting characteristics of the fuel cell 1 are deteriorated. From such a point, it is preferable to use a pump 90 having a liquid feeding capacity in the range of 10 μL / min to 1 mL / min. It is more preferable that the liquid feeding amount of the pump 90 be in the range of 10 to 200 μL / min. In order to stably realize such a liquid feeding amount, it is preferable to apply an electroosmotic flow pump or a diaphragm pump to the pump 90.

燃料分配層30は、例えば、複数の開口部31が形成された平板で構成され、第2燃料用触媒層80と燃料供給部43との間に挟持される。この燃料分配層30は、液体燃料Fの気化成分や液体燃料Fを透過させない材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリエチレンナフタレート(PEN)樹脂、ポリイミド系樹脂等で構成される。ここで、燃料電池1において、燃料供給部43に導入された液体燃料は、燃料分配層30の複数の開口部31から第2燃料用触媒層80に導かれ、気液分離膜70を介して液体燃料Fの気化成分がアノード(燃料極)13の全面に対して供給される。このように、燃料分配層30によって、アノード(燃料極)13に供給される燃料供給量を均一化することが可能となる。   The fuel distribution layer 30 is formed of, for example, a flat plate in which a plurality of openings 31 are formed, and is sandwiched between the second fuel catalyst layer 80 and the fuel supply unit 43. The fuel distribution layer 30 is made of a material that does not allow the vaporized component of the liquid fuel F or the liquid fuel F to permeate. Specifically, for example, a polyethylene terephthalate (PET) resin, a polyethylene naphthalate (PEN) resin, or a polyimide resin. Etc. Here, in the fuel cell 1, the liquid fuel introduced into the fuel supply unit 43 is guided to the second fuel catalyst layer 80 from the plurality of openings 31 of the fuel distribution layer 30, via the gas-liquid separation membrane 70. The vaporized component of the liquid fuel F is supplied to the entire surface of the anode (fuel electrode) 13. In this way, the fuel distribution layer 30 can make the amount of fuel supplied to the anode (fuel electrode) 13 uniform.

次に、上記した燃料電池1における作用について説明する。   Next, the operation of the fuel cell 1 described above will be described.

燃料収容部41から流路44を介して燃料供給部43に供給された液体燃料Fは、燃料分配層30で均一に分配され、第2燃料用触媒層80に導かれる。なお、ここでは、第1燃料としてメタノール、第2燃料として過酸化水素を用いた場合について説明する。   The liquid fuel F supplied from the fuel storage unit 41 to the fuel supply unit 43 via the flow path 44 is uniformly distributed in the fuel distribution layer 30 and guided to the second fuel catalyst layer 80. Here, the case where methanol is used as the first fuel and hydrogen peroxide is used as the second fuel will be described.

第2燃料用触媒層80に導かれた液体燃料Fは、次に示す式(3)および式(4)の反応を生じる。
2H → 2HO+O …式(3)
CHOH+3/2O → 2HO+CO …式(4)
The liquid fuel F guided to the second fuel catalyst layer 80 undergoes reactions of the following formulas (3) and (4).
2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 Formula (3)
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → 2H 2 O + CO 2 Formula (4)

過酸化水素は、第2燃料用触媒層80の存在下で、容易に上記した式(3)の反応を生じ、水と酸素を生成し、さらにこの反応に伴って熱を発生する。この発生した熱は、液体燃料Fのメタノールと式(3)の反応において生成した水の気化熱として用いられ、自発的な気化を促進させる。なお、副産物である酸素は、液体燃料Fの気化成分とともに気液分離膜70を介して燃料電池セル10に供給される、もしくは第一燃料であるメタノールと、上記した式(4)の反応によって水と熱を発生するが、少量である場合には性能に大きな影響を与えない。また、酸素が燃料電池1の出力などに影響を及ぼす場合には、例えば酸素を除去する酸素除去膜等を備えればよい。   In the presence of the second fuel catalyst layer 80, the hydrogen peroxide easily generates the reaction of the above-described formula (3), generates water and oxygen, and further generates heat along with this reaction. The generated heat is used as the heat of vaporization of water generated in the reaction of methanol of the liquid fuel F and the formula (3), and promotes spontaneous vaporization. Incidentally, oxygen as a by-product is supplied to the fuel cell 10 through the gas-liquid separation membrane 70 together with the vaporized component of the liquid fuel F, or by the reaction of the above formula (4) with methanol as the first fuel. It generates water and heat, but if it is a small amount, it does not significantly affect performance. Moreover, when oxygen affects the output of the fuel cell 1, etc., for example, an oxygen removing film for removing oxygen may be provided.

なお、過酸化物として、例えば、過メタノールを用いた場合には、上記式(3)に相当する反応式は「CHOOH → CO+HO+H」となる。また、過酸化物として、例えば、過酸化マグネシウムを用いた場合には、上記式(3)に相当する反応式は「MgO → Mg+O」となる。また、過酸化物として、例えば、過ギ酸を用いた場合には、上記式(3)に相当する反応式は「HC(=O)OOH → CO+HO」となる。上記したいずれの過酸化物を使用した場合においても、水が生成され、各反応に伴って熱が発生する。 For example, when permethanol is used as the peroxide, the reaction formula corresponding to the above formula (3) is “CH 3 OOH → CO + H 2 O + H 2 ”. For example, when magnesium peroxide is used as the peroxide, the reaction formula corresponding to the above formula (3) is “MgO 2 → Mg + O 2 ”. For example, when formic acid is used as the peroxide, the reaction formula corresponding to the above formula (3) is “HC (═O) OOH → CO 2 + H 2 O”. Even when any of the above-described peroxides is used, water is generated and heat is generated with each reaction.

第2燃料用触媒層80で気化したメタノールと水は、気液分離膜70を通過し、アノードガス拡散層12を拡散してアノード触媒層11に供給され、次の式(5)に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
CHOH+HO → CO+6H++6e- …式(5)
Methanol and water vaporized in the second fuel catalyst layer 80 pass through the gas-liquid separation membrane 70, diffuse through the anode gas diffusion layer 12 and are supplied to the anode catalyst layer 11, and methanol represented by the following formula (5) Internal reforming reaction occurs.
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e Formula (5)

この反応で生成した電子(e-)は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード(空気極)16に導かれる。また、式(5)の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は、電解質膜17を経てカソード(空気極)16に導かれる。カソード(空気極)16には酸化剤として空気が供給される。カソード(空気極)16に到達した電子(e-)とプロトン(H+)は、カソード触媒層14で空気中の酸素と次の式(6)に示す反応を生じ、この発電反応に伴って水が生成する。
(3/2)O+6e-+6H+ → 3HO …式(6)
Electrons (e ) generated by this reaction are guided to the outside through a current collector, and are operated to a cathode (air electrode) 16 after operating a portable electronic device or the like as so-called electricity. The proton (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (5) is guided to the cathode (air electrode) 16 through the electrolyte membrane 17. Air is supplied to the cathode (air electrode) 16 as an oxidant. The electrons (e ) and protons (H + ) that have reached the cathode (air electrode) 16 cause a reaction shown in the following formula (6) with oxygen in the air in the cathode catalyst layer 14, and accompanying this power generation reaction Water is produced.
(3/2) O 2 + 6e + 6H + → 3H 2 O Formula (6)

このように燃料電池1では、上記した内部改質反応が円滑に行なわれ、高出力で安定した出力が得られる。   Thus, in the fuel cell 1, the internal reforming reaction described above is performed smoothly, and a high output and a stable output can be obtained.

上記した本発明に係る一実施の形態の燃料電池1によれば、液体燃料Fを、水素イオンと電子を生成する第1燃料および過酸化物を含有する第2燃料からなる燃料で構成し、主として第2燃料の触媒として機能する第2燃料用触媒層80を備えることで、第2燃料用触媒層80における過酸化物の反応によって、水が得られ、それに伴って熱が得られる。この水をアノード触媒層11におけるメタノールの内部改質反応に利用することができ、さらに、発生した熱を、液体燃料Fのメタノールと過酸化物の反応において生成した水の気化熱として利用することができる。また、この発生した熱によって、液体燃料Fのメタノールと過酸化物の反応において生成した水の気化を促進することができる。これによって、燃料電池1の出力を向上させることができ、特に、発電開始初期における出力の向上および出力の安定を図ることができる。   According to the fuel cell 1 of the embodiment of the present invention described above, the liquid fuel F is constituted by a fuel composed of a first fuel that generates hydrogen ions and electrons and a second fuel that contains peroxide, By providing the second fuel catalyst layer 80 that mainly functions as a catalyst for the second fuel, water is obtained by the reaction of the peroxide in the second fuel catalyst layer 80, and heat is accordingly obtained. This water can be used for the internal reforming reaction of methanol in the anode catalyst layer 11, and the generated heat is used as the heat of vaporization of the water generated in the reaction of methanol and peroxide of the liquid fuel F. Can do. Further, the generated heat can promote the vaporization of the water generated in the reaction of methanol and peroxide of the liquid fuel F. Thereby, the output of the fuel cell 1 can be improved, and in particular, the output can be improved and the output can be stabilized at the initial stage of power generation.

例えば、純メタノールを燃料として用いた従来の内部気化形燃料電池では、次の式(7)で示される、クロスオーバーしてきたメタノールの燃焼反応によって生成する水をアノード(燃料極)に移動し、メタノールの内部改質反応に利用していた。
CHOH+3/2O → CO+2HO …式(7)
For example, in a conventional internal vaporization fuel cell using pure methanol as fuel, water generated by the combustion reaction of methanol crossing over, represented by the following formula (7), is moved to the anode (fuel electrode), It was used for the internal reforming reaction of methanol.
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (7)

しかしながら、この式(7)における反応が促進されると燃料電池における出力が低下し、さらに、式(7)における反応は、発熱反応であるため、燃料電池において放熱性を向上させる対策を施さなければならなかった。   However, when the reaction in the equation (7) is promoted, the output in the fuel cell is reduced. Further, since the reaction in the equation (7) is an exothermic reaction, measures to improve the heat dissipation in the fuel cell must be taken. I had to.

これに対して、本発明に係る一実施の形態の燃料電池1によれば、アノード触媒層11におけるメタノールの内部改質反応に必要な水を液体燃料Fに第2燃料を含有することで得られる。これによって、上記した従来の燃料電池とは異なる方法でアノード(燃料極)に水を供給できるため、上記した従来の燃料電池における問題が生じることなく、燃料電池1の出力を向上させることができる。   On the other hand, according to the fuel cell 1 of one embodiment of the present invention, the water required for the internal reforming reaction of methanol in the anode catalyst layer 11 is obtained by containing the second fuel in the liquid fuel F. It is done. As a result, water can be supplied to the anode (fuel electrode) by a method different from that of the above-described conventional fuel cell, so that the output of the fuel cell 1 can be improved without causing problems in the above-described conventional fuel cell. .

なお、本発明に係る一実施の形態の燃料電池1の構成は、上記した構成に特に限定されるものではなく、例えば、燃料電池1において気液分離膜70を備えずに燃料電池1を構成してもよい。また、上記した燃料電池1において、第2燃料用触媒層80の配置位置はこれに限定されるものではなく、例えば、アノード導電層18と気液分離膜70との間に配置されてもよい。また、第2燃料用触媒層80は、アノード触媒層11の燃料供給機構側に面して、すなわちアノード触媒層11とアノードガス拡散層12との間に配置されてもよい。この第2燃料用触媒層80をアノード触媒層11とアノードガス拡散層12との間に配置する場合においても、燃料分配層30とアノード導電層18との間に気液分離膜70を備えずに燃料電池1を構成してもよい。なお、これらの燃料電池の構成においても、上記した一実施の形態の燃料電池1における作用効果と同様の作用効果が得られる。   The configuration of the fuel cell 1 according to the embodiment of the present invention is not particularly limited to the above-described configuration. For example, the fuel cell 1 is configured without the gas-liquid separation film 70 in the fuel cell 1. May be. In the fuel cell 1 described above, the arrangement position of the second fuel catalyst layer 80 is not limited to this, and may be arranged, for example, between the anode conductive layer 18 and the gas-liquid separation film 70. . The second fuel catalyst layer 80 may be disposed facing the fuel supply mechanism side of the anode catalyst layer 11, that is, between the anode catalyst layer 11 and the anode gas diffusion layer 12. Even when the second fuel catalyst layer 80 is disposed between the anode catalyst layer 11 and the anode gas diffusion layer 12, the gas-liquid separation membrane 70 is not provided between the fuel distribution layer 30 and the anode conductive layer 18. Alternatively, the fuel cell 1 may be configured. In addition, also in the structure of these fuel cells, the same effect as the effect in the fuel cell 1 of one embodiment mentioned above is acquired.

次に、本発明に係る燃料電池が優れた出力特性を有することを実施例および比較例に基づいて説明する。   Next, the fact that the fuel cell according to the present invention has excellent output characteristics will be described based on Examples and Comparative Examples.

(実施例1〜実施例3)
実施例1〜実施例3で使用した燃料電池は、図2に示した燃料電池1と同一の構成を備えるものであるので、図2を参照して説明する。
(Example 1 to Example 3)
The fuel cells used in Examples 1 to 3 have the same configuration as the fuel cell 1 shown in FIG. 2 and will be described with reference to FIG.

まず、燃料電池セル10の作製方法について説明する。   First, a method for producing the fuel battery cell 10 will be described.

アノード用触媒粒子(Pt:Ru=1:1)を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層12としての多孔質カーボンペーパ(30mm×40mmの長方形)に塗布することにより、厚さが100μmのアノード触媒層11を得た。   To the carbon black supporting the anode catalyst particles (Pt: Ru = 1: 1), a perfluorocarbon sulfonic acid solution as a proton conductive resin and water and methoxypropanol as a dispersion medium were added to support the anode catalyst particles. A paste was prepared by dispersing carbon black. The obtained paste was applied to porous carbon paper (30 mm × 40 mm rectangle) as the anode gas diffusion layer 12 to obtain an anode catalyst layer 11 having a thickness of 100 μm.

カソード用触媒粒子(Pt)を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層15としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが100μmのカソード触媒層14を得た。なお、アノードガス拡散層12と、カソードガス拡散層15とは、同形同大であり、これらのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層11およびカソード触媒層14も同形同大である。   To the carbon black carrying the cathode catalyst particles (Pt), a perfluorocarbon sulfonic acid solution as a proton conductive resin and water and methoxypropanol as a dispersion medium are added to disperse the carbon black carrying the cathode catalyst particles. A paste was prepared. The obtained paste was applied to porous carbon paper as the cathode gas diffusion layer 15 to obtain a cathode catalyst layer 14 having a thickness of 100 μm. The anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 15 have the same shape and size, and the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 applied to these gas diffusion layers have the same shape and size.

また、第2燃料用触媒粒子(Pt)を担持したカーボンブラックに、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、第2燃料用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストを多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが100μmの第2燃料用触媒層80を得た。なお、第2燃料用触媒層80は、アノード触媒層11と同形同大とした。   Further, water and methoxypropanol were added as a dispersion medium to carbon black carrying the second fuel catalyst particles (Pt), and the carbon black carrying the second fuel catalyst particles was dispersed to prepare a paste. The obtained paste was applied to porous carbon paper to obtain a second fuel catalyst layer 80 having a thickness of 100 μm. The second fuel catalyst layer 80 has the same shape and size as the anode catalyst layer 11.

上記したように作製したアノード触媒層11とカソード触媒層14との間に、電解質膜17として厚さが30μmで、含水率が10〜20重量%のパーフルオロカーボンスルホン酸膜(商品名:nafion膜、デュポン社製)を配置し、アノード触媒層11とカソード触媒層14とが対向するように位置を合わせた状態でホットプレスを施すことにより、燃料電池セル10を得た。なお、電極面積は、アノード(燃料極)13、カソード(空気極)16ともに12cmとした。 A perfluorocarbon sulfonic acid membrane (trade name: nafion membrane) having a thickness of 30 μm and a water content of 10 to 20% by weight as the electrolyte membrane 17 between the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 produced as described above. The fuel cell 10 was obtained by performing hot pressing in a state where the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 face each other. The electrode area was 12 cm 2 for both the anode (fuel electrode) 13 and the cathode (air electrode) 16.

続いて、この燃料電池セル10を、複数の開孔を有する金箔で挟み、アノード導電層18およびカソード導電層19を形成した。なお、電解質膜17とアノード導電層18との間、電解質膜17とカソード導電層19との間には、それぞれゴム製のOリング20を挟持してシールを施した。さらに、アノード導電層18と燃料供給機構40である燃料供給部本体42との間に、アノード導電層18側からポリエーテルエーテルケトン(PEEK)からなるフレーム、気液分離膜70および第2燃料用触媒層80の順に積層したものを挟持した。   Subsequently, the fuel battery cell 10 was sandwiched between gold foils having a plurality of openings to form an anode conductive layer 18 and a cathode conductive layer 19. A rubber O-ring 20 was sandwiched between the electrolyte membrane 17 and the anode conductive layer 18 and between the electrolyte membrane 17 and the cathode conductive layer 19 for sealing. Further, a frame made of polyetheretherketone (PEEK) from the anode conductive layer 18 side, the gas-liquid separation membrane 70, and the second fuel-use space between the anode conductive layer 18 and the fuel supply unit body 42 as the fuel supply mechanism 40. A stack of catalyst layers 80 in this order was sandwiched.

また、保湿層50として、厚さが500μmで、透気度が2秒/100cm(JIS P−8117に規定の測定方法による)で、透湿度が4000g/(m・24h)(JIS L−1099 A−1に規定の測定方法による)のポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。 Further, as the moisture retaining layer 50, the thickness is 500 μm, the air permeability is 2 seconds / 100 cm 3 (according to the measurement method specified in JIS P-8117), and the moisture permeability is 4000 g / (m 2 · 24 h) (JIS L -1099 A-1 polyethylene porous film (by the measurement method specified in A-1) was used.

この保湿層50の上に、空気取り入れのための空気導入口61(直径3mm、口数60個)が形成された厚さが2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー60とした。   A stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 2 mm on which an air introduction port 61 (diameter 3 mm, number of ports 60) for taking in air was formed on the moisture retaining layer 50 was used as the surface cover 60.

また、ポンプ90としてしごきポンプを使用し、流路44の一部を一定方向にしごいて、圧力を生じさせて、燃料収容部41に収容された液体燃料Fを燃料供給部43に送液した。ここで、しごきポンプの回転数を、燃料電池1に流れる電流によって制御する制御回路を構成し、燃料電池1で電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量(電流1Aにつき、1分間当りのメタノールの供給量3.3mg)の1.2倍の燃料が常に供給されるように制御した。   Further, an ironing pump is used as the pump 90, a part of the flow path 44 is squeezed in a certain direction to generate pressure, and the liquid fuel F stored in the fuel storage unit 41 is sent to the fuel supply unit 43. . Here, a control circuit for controlling the rotational speed of the ironing pump by the current flowing through the fuel cell 1 is configured, and the fuel supply amount necessary for causing an electrochemical reaction in the fuel cell 1 (per 1 A of current per minute) The fuel was controlled so as to be always supplied at 1.2 times the methanol supply amount (3.3 mg).

また、液体燃料Fとして、純メタノールに過酸化水素を添加し、過酸化水素のモル濃度が1mol%、10mol%、20mol%となる3種類の燃料を用意し、それぞれの液体燃料Fを上記した燃料電池の燃料収容部41に収容し、出力特性の測定を行った。なお、過酸化水素のモル濃度が1mol%の場合が実施例1、10mol%の場合が実施例2、20mol%の場合が実施例3である。   Further, as liquid fuel F, hydrogen peroxide was added to pure methanol, and three types of fuels having a hydrogen peroxide molar concentration of 1 mol%, 10 mol%, and 20 mol% were prepared, and each liquid fuel F was described above. It was accommodated in the fuel accommodating part 41 of the fuel cell, and the output characteristics were measured. In addition, the case where the molar concentration of hydrogen peroxide is 1 mol% is Example 1, the case where it is 10 mol% is Example 2, and the case where it is 20 mol% is Example 3.

出力特性の測定では、温度が25℃、相対湿度が50%の環境の下、発電開始から10分後および50時間後の出力を測定した。測定結果を表1に示す。なお、表1では、後述する比較例1における発電開始から10分後および50時間後の出力をそれぞれ100とし、その100に対する出力の割合、すなわち出力率で各測定結果を示している。   In measuring the output characteristics, the output was measured 10 minutes and 50 hours after the start of power generation in an environment where the temperature was 25 ° C. and the relative humidity was 50%. The measurement results are shown in Table 1. In Table 1, the output after 10 minutes and 50 hours after the start of power generation in Comparative Example 1 described later is 100, and each measurement result is shown as a ratio of output to 100, that is, an output rate.

Figure 2009146864
Figure 2009146864

また、実施例1においては、発電時間に対する出力の変化を測定した。図3には、実施例1における発電時間に対する出力の変化を示している。   Moreover, in Example 1, the change of the output with respect to the power generation time was measured. In FIG. 3, the change of the output with respect to the electric power generation time in Example 1 is shown.

(実施例4〜実施例6)
実施例4〜実施例6で使用した燃料電池は、実施例1〜実施例3で使用した燃料電池と第2燃料用触媒層80の配置位置が異なる以外は、実施例1〜実施例3で使用した燃料電池の構成と同じとした。実施例4〜実施例6で使用した燃料電池では、第2燃料用触媒層80をアノード導電層18と気液分離膜70との間に配置した。
(Example 4 to Example 6)
The fuel cells used in Examples 4 to 6 are the same as those in Examples 1 to 3, except that the positions of the fuel cells used in Examples 1 to 3 and the second fuel catalyst layer 80 are different. The configuration of the fuel cell used was the same. In the fuel cells used in Examples 4 to 6, the second fuel catalyst layer 80 was disposed between the anode conductive layer 18 and the gas-liquid separation membrane 70.

上記した以外の構成や設定値については、実施例1で使用された燃料電池と同様とした。また、液体燃料Fとして、純メタノールに過酸化水素を添加し、過酸化水素のモル濃度が1mol%、10mol%、20mol%となる3種類の燃料を用意し、それぞれの液体燃料Fを燃料電池の燃料収容部41に収容し、出力特性の測定を行った。なお、過酸化水素のモル濃度が1mol%の場合が実施例4、10mol%の場合が実施例5、20mol%の場合が実施例6である。また、出力特性の測定方法および測定条件等は、実施例1におけるものと同じとした。測定結果を表1に示す。   The configuration and set values other than those described above were the same as those of the fuel cell used in Example 1. Further, as the liquid fuel F, hydrogen peroxide is added to pure methanol, and three types of fuel having a hydrogen peroxide molar concentration of 1 mol%, 10 mol%, and 20 mol% are prepared, and each liquid fuel F is used as a fuel cell. And was measured in the output characteristics. In addition, the case where the molar concentration of hydrogen peroxide is 1 mol% is Example 4, the case of 10 mol% is Example 5, and the case of 20 mol% is Example 6. The output characteristic measurement method and measurement conditions were the same as those in Example 1. The measurement results are shown in Table 1.

(実施例7〜実施例9)
実施例7〜実施例9で使用した燃料電池は、実施例1〜実施例3で使用した燃料電池と第2燃料用触媒層80の配置位置が異なる以外は、実施例1〜実施例3で使用した燃料電池の構成と同じとした。実施例7〜実施例9で使用した燃料電池では、第2燃料用触媒層80をアノード触媒層11とアノードガス拡散層12との間に配置した。
(Example 7 to Example 9)
The fuel cells used in Examples 7 to 9 are the same as those in Examples 1 to 3, except that the positions of the fuel cells used in Examples 1 to 3 and the second fuel catalyst layer 80 are different. The configuration of the fuel cell used was the same. In the fuel cells used in Examples 7 to 9, the second fuel catalyst layer 80 was disposed between the anode catalyst layer 11 and the anode gas diffusion layer 12.

上記した以外の構成や設定値については、実施例1で使用された燃料電池と同様とした。また、液体燃料Fとして、純メタノールに過酸化水素を添加し、過酸化水素のモル濃度が1mol%、10mol%、20mol%となる3種類の燃料を用意し、それぞれの液体燃料Fを燃料電池の燃料収容部41に収容し、出力特性の測定を行った。なお、過酸化水素のモル濃度が1mol%の場合が実施例7、10mol%の場合が実施例8、20mol%の場合が実施例9である。また、出力特性の測定方法および測定条件等は、実施例1におけるものと同じとした。測定結果を表1に示す。   The configuration and set values other than those described above were the same as those of the fuel cell used in Example 1. Further, as the liquid fuel F, hydrogen peroxide is added to pure methanol, and three types of fuel having a hydrogen peroxide molar concentration of 1 mol%, 10 mol%, and 20 mol% are prepared, and each liquid fuel F is used as a fuel cell. And was measured in the output characteristics. In addition, the case where the molar concentration of hydrogen peroxide is 1 mol% is Example 7, the case where it is 10 mol% is Example 8, and the case where it is 20 mol% is Example 9. The output characteristic measurement method and measurement conditions were the same as those in Example 1. The measurement results are shown in Table 1.

(比較例1)
比較例1で使用した燃料電池は、実施例1〜実施例3で使用した燃料電池において第2燃料用触媒層80を設けない構成である以外は、実施例1〜実施例3で使用した燃料電池の構成と同じとした。すなわち、比較例1で使用した燃料電池では、第2燃料用触媒層80を備えない構成とした。
(Comparative Example 1)
The fuel cell used in Comparative Example 1 is the fuel used in Examples 1 to 3 except that the fuel cell used in Examples 1 to 3 is not provided with the second fuel catalyst layer 80. The battery configuration was the same. That is, the fuel cell used in Comparative Example 1 is configured not to include the second fuel catalyst layer 80.

上記した以外の構成や設定値については、実施例1で使用された燃料電池と同様とした。また、液体燃料Fとして、純メタノールを使用した。また、出力特性の測定方法および測定条件等は、実施例1におけるものと同じとした。測定結果を表1に示す。なお、上記したように、表1では、この比較例1における発電開始から10分後および50時間後の出力をそれぞれ100として示している。   The configuration and set values other than those described above were the same as those of the fuel cell used in Example 1. Further, pure methanol was used as the liquid fuel F. The output characteristic measurement method and measurement conditions were the same as those in Example 1. The measurement results are shown in Table 1. As described above, in Table 1, the outputs after 10 minutes and 50 hours from the start of power generation in Comparative Example 1 are shown as 100, respectively.

また、比較例1においては、発電時間に対する出力の変化を測定した。図3には、比較例1における発電時間に対する出力の変化を示している。   Moreover, in the comparative example 1, the change of the output with respect to power generation time was measured. In FIG. 3, the change of the output with respect to the electric power generation time in the comparative example 1 is shown.

(比較例2〜比較例4)
比較例2〜比較例4で使用した燃料電池は、比較例1で使用した燃料電池と同じ構成とした。また、液体燃料Fとして、純メタノールに過酸化水素を添加し、過酸化水素のモル濃度が1mol%、10mol%、20mol%となる3種類の燃料を用意し、それぞれの液体燃料Fを燃料電池の燃料収容部41に収容し、出力特性の測定を行った。なお、過酸化水素のモル濃度が1mol%の場合が比較例2、10mol%の場合が比較例3、20mol%の場合が比較例4である。また、出力特性の測定方法および測定条件等は、実施例1におけるものと同じとした。測定結果を表1に示す。
(Comparative Example 2 to Comparative Example 4)
The fuel cells used in Comparative Examples 2 to 4 have the same configuration as the fuel cell used in Comparative Example 1. Further, as the liquid fuel F, hydrogen peroxide is added to pure methanol, and three types of fuel having a hydrogen peroxide molar concentration of 1 mol%, 10 mol%, and 20 mol% are prepared, and each liquid fuel F is used as a fuel cell. And was measured in the output characteristics. In addition, the case where the molar concentration of hydrogen peroxide is 1 mol% is Comparative Example 2, the case of 10 mol% is Comparative Example 3, and the case of 20 mol% is Comparative Example 4. The output characteristic measurement method and measurement conditions were the same as those in Example 1. The measurement results are shown in Table 1.

(比較例5)
比較例5で使用した燃料電池は、実施例1で使用した燃料電池と同じ構成とした。また、液体燃料Fとして、純メタノールを使用した。また、出力特性の測定方法および測定条件等は、実施例1におけるものと同じとした。測定結果を表1に示す。
(Comparative Example 5)
The fuel cell used in Comparative Example 5 had the same configuration as the fuel cell used in Example 1. Further, pure methanol was used as the liquid fuel F. The output characteristic measurement method and measurement conditions were the same as those in Example 1. The measurement results are shown in Table 1.

(実施例1〜実施例9、比較例1〜比較例5のまとめ)
表1に示す、実施例1〜実施例3、比較例1における燃料電池の発電開始から10分後および50時間後の出力を比較すると、実施例1〜実施例3の方が両出力とも高かった。また、実施例1〜実施例3における燃料電池は、比較例1における燃料電池に比べて、特に、発電開始から10分後の出力が向上されることがわかった。また、このことは図1に示した測定結果からも明らかであり、実施例1における燃料電池は、比較例1における燃料電池に比べて、発電開始後の出力の立ち上がりが早く、その値も高いことがわかった。
(Summary of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 5)
Comparing the outputs 10 minutes and 50 hours after the start of power generation of the fuel cells in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 shown in Table 1, both the outputs of Examples 1 to 3 are higher. It was. In addition, the fuel cells in Examples 1 to 3 were found to have an output that was improved 10 minutes after the start of power generation, as compared with the fuel cell in Comparative Example 1. This is also apparent from the measurement results shown in FIG. 1. The fuel cell in Example 1 has a faster output rise after the start of power generation and a higher value than the fuel cell in Comparative Example 1. I understood it.

この発電開始後の出力の立ち上がりが向上した理由として、実施例1〜実施例3の燃料電池が、第2燃料用触媒層80を備え、燃料に過酸化水素を含有し、前述した式(3)の反応によって、水を生成し、熱を発生することで、液体燃料Fの気化が促進され、さらに式(5)に示すメタノールの内部改質反応に必要な水が供給されたためであると考えられる。   The reason why the rise in output after the start of power generation is improved is that the fuel cells of Examples 1 to 3 include the second fuel catalyst layer 80, the fuel contains hydrogen peroxide, and the above-described formula (3 ) By generating water and generating heat, the vaporization of the liquid fuel F is promoted, and the water necessary for the internal reforming reaction of methanol shown in Formula (5) is supplied. Conceivable.

また、実施例4〜実施例6における燃料電池においても、比較例1における燃料電池に比べて、発電開始から10分後および50時間後の出力が双方とも高いことがわかった。   Also, in the fuel cells in Examples 4 to 6, it was found that both the outputs after 10 minutes and 50 hours from the start of power generation were higher than those of the fuel cell in Comparative Example 1.

次に、実施例1〜実施例3、比較例2〜比較例3における燃料電池の発電開始から10分後および50時間後の出力を比較すると、実施例1〜実施例3の方が両出力とも高かった。比較例2〜比較例3における燃料電池では、燃料に過酸化水素を含有しているが、第2燃料用触媒層80を備えていないので、出力の向上が図れなかったものと考えられる。   Next, when the outputs after 10 minutes and 50 hours from the start of power generation of the fuel cells in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 2 to 3 are compared, the outputs of Examples 1 to 3 are both outputs. Both were high. In the fuel cells in Comparative Examples 2 to 3, it is considered that although the fuel contains hydrogen peroxide, the second fuel catalyst layer 80 is not provided, so that the output cannot be improved.

次に、実施例1および比較例5における燃料電池の発電開始から10分後および50時間後の出力を比較すると、実施例1の方が両出力とも高かった。比較例5における燃料電池では、第2燃料用触媒層80を備えているが、燃料に過酸化水素を含有していないので、出力の向上が図れなかったものと考えられる。   Next, when the outputs after 10 minutes and 50 hours from the start of power generation of the fuel cell in Example 1 and Comparative Example 5 were compared, Example 1 was higher in both outputs. Although the fuel cell in Comparative Example 5 includes the second fuel catalyst layer 80, it is considered that the output cannot be improved because the fuel does not contain hydrogen peroxide.

なお、上記した実施例では、液体燃料Fとして純メタノールに過酸化水素を添加した一例について示したが、前述した第1燃料および第2燃料からなる他の液体燃料Fを用いた場合においても、第2燃料用触媒層80を備えた燃料電池においては、第2燃料用触媒層80を備えず、液体燃料Fに第2燃料を含まない燃料電池よりも出力の向上し、特に発電開始初期における出力が向上した。   In the above-described embodiment, an example in which hydrogen peroxide is added to pure methanol as the liquid fuel F has been described. However, even when the above-described other liquid fuel F including the first fuel and the second fuel is used, In the fuel cell provided with the second fuel catalyst layer 80, the output is improved as compared with the fuel cell not including the second fuel catalyst layer 80, and the liquid fuel F does not contain the second fuel. The output has improved.

なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではない。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。   The present invention can be applied to various fuel cells using liquid fuel. Further, the specific configuration of the fuel cell, the supply state of the fuel, and the like are not particularly limited. In the implementation stage, the constituent elements can be modified and embodied without departing from the technical idea of the present invention. Furthermore, various modifications are possible, such as appropriately combining a plurality of components shown in the above embodiment, or deleting some components from all the components shown in the embodiment. Embodiments of the present invention can be expanded or modified within the scope of the technical idea of the present invention, and these expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.

本発明に係る一実施形態の燃料電池の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the fuel cell of one Embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る一実施形態の燃料電池においてポンプを備えた場合の燃料電池1の構成を示す断面図。1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a fuel cell 1 when a pump is provided in a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 実施例1および比較例1における発電時間に対する出力の変化を示す図。The figure which shows the change of the output with respect to the power generation time in Example 1 and Comparative Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池、10…燃料電池セル、11…アノード触媒層、12…アノードガス拡散層、13…アノード(燃料極)、14…カソード触媒層、15…カソードガス拡散層、16…カソード(空気極)、17…電解質膜、18…アノード導電層、19…カソード導電層、20…Oリング、30…燃料分配層、31…開口部、40…燃料供給機構、41…燃料収容部、42…燃料供給部本体、43…燃料供給部、44…流路、50…保湿層、60…表面カバー、61…空気導入口、70…気液分離膜、80…第2燃料用触媒層、F…液体燃料。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 10 ... Fuel cell, 11 ... Anode catalyst layer, 12 ... Anode gas diffusion layer, 13 ... Anode (fuel electrode), 14 ... Cathode catalyst layer, 15 ... Cathode gas diffusion layer, 16 ... Cathode (air) Electrode), 17 ... electrolyte membrane, 18 ... anode conductive layer, 19 ... cathode conductive layer, 20 ... O-ring, 30 ... fuel distribution layer, 31 ... opening, 40 ... fuel supply mechanism, 41 ... fuel storage, 42 ... Fuel supply unit main body, 43 ... Fuel supply unit, 44 ... Channel, 50 ... Moisturizing layer, 60 ... Surface cover, 61 ... Air inlet, 70 ... Gas-liquid separation membrane, 80 ... Catalyst layer for second fuel, F ... Liquid fuel.

Claims (13)

アノード触媒層およびアノードガス拡散層を備える燃料極と、
カソード触媒層およびカソードガス拡散層を備える空気極と、
前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜と、
前記燃料極側に配置され、水素イオンと電子を生成する第1燃料および過酸化物を含有する第2燃料からなる燃料を収容する燃料収容部と、
前記アノード触媒層と前記燃料収容部との間に配置され、主として前記第2燃料の触媒として機能する第2燃料用触媒層と
を具備することを特徴とする燃料電池。
A fuel electrode comprising an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer;
An air electrode comprising a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer;
An electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A fuel storage unit that is disposed on the fuel electrode side and stores a fuel composed of a first fuel that generates hydrogen ions and electrons and a second fuel that contains peroxide;
A fuel cell comprising: a second fuel catalyst layer which is disposed between the anode catalyst layer and the fuel storage portion and mainly functions as a catalyst for the second fuel.
アノード触媒層およびアノードガス拡散層を備える燃料極と、
カソード触媒層およびカソードガス拡散層を備える空気極と、
前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜と、
前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、
前記燃料供給部に供給する、水素イオンと電子を生成する第1燃料および過酸化物を含有する第2燃料からなる燃料を収容する燃料収容部と、
前記アノード触媒層と前記燃料供給部との間に配置され、主として前記第2燃料の触媒として機能する第2燃料用触媒層と
を具備することを特徴とする燃料電池。
A fuel electrode comprising an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer;
An air electrode comprising a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer;
An electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A fuel supply unit disposed on the fuel electrode side and supplying fuel to the fuel electrode;
A fuel storage section for storing fuel comprising a first fuel for generating hydrogen ions and electrons and a second fuel containing peroxide, which are supplied to the fuel supply section;
A fuel cell comprising: a second fuel catalyst layer which is disposed between the anode catalyst layer and the fuel supply unit and functions mainly as a catalyst for the second fuel.
前記第2燃料用触媒層の前記燃料極側に、燃料の気化成分を前記燃料極側に通過させる気液分離膜が配置されていることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein a gas-liquid separation membrane that allows a vaporized component of the fuel to pass to the fuel electrode side is disposed on the fuel electrode side of the second fuel catalyst layer. 前記第2燃料は、炭素原子、水素原子および金属原子のうちの少なくとも1種を有する過酸化物からなる群から選択された一つ以上の物質の溶液であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の燃料電池。   The said 2nd fuel is a solution of the 1 or more substance selected from the group which consists of a peroxide which has at least 1 sort (s) of a carbon atom, a hydrogen atom, and a metal atom. 4. The fuel cell according to any one of 3 above. 前記第2燃料における過酸化物の含有量は、前記過酸化物が下記化学式1で示され、Rが水素原子である場合には、0.1〜20mol%であり、Rが炭化水素からなる化合物である場合には、0.1〜33.3mol%であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の燃料電池。
R−O−O−R …(化学式1)
The peroxide content in the second fuel is 0.1 to 20 mol% when the peroxide is represented by the following chemical formula 1 and R is a hydrogen atom, and R is composed of a hydrocarbon. The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein in the case of a compound, the content is 0.1 to 33.3 mol%.
R—O—O—R (Chemical Formula 1)
前記第2燃料における過酸化物の含有量は、前記過酸化物が無機金属過酸化物である場合には、0.1〜50mol%であること特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の燃料電池。   The content of the peroxide in the second fuel is 0.1 to 50 mol% when the peroxide is an inorganic metal peroxide. The fuel cell according to item. 前記第2燃料は、炭素原子および水素原子のうちの少なくとも一方を有する、過カルボン酸およびペルオキソ酸からなる群から選択された一つ以上の物質の溶液であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の燃料電池。   2. The second fuel is a solution of one or more substances selected from the group consisting of a percarboxylic acid and a peroxo acid having at least one of a carbon atom and a hydrogen atom. 4. The fuel cell according to any one of 3 above. 前記第2燃料における過カルボン酸およびペルオキソ酸の含有量は、0.1〜50mol%であることを特徴とする請求項7記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 7, wherein the content of percarboxylic acid and peroxo acid in the second fuel is 0.1 to 50 mol%. 前記第1燃料は、炭化水素を含むアルコール、カルボン酸およびアルデヒドからなる群から選択された一つ以上の物質の水溶液または非水溶液であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項記載の燃料電池。   9. The first fuel according to claim 1, wherein the first fuel is an aqueous solution or a non-aqueous solution of one or more substances selected from the group consisting of hydrocarbon-containing alcohols, carboxylic acids, and aldehydes. The fuel cell as described. 前記第1燃料は、メタノール、エタノール、ギ酸、酢酸、ホルムアルデヒドおよびアセトアルデヒドからなる群から選択された一つ以上の物質の水溶液または非水溶液であることを特徴とする請求項9記載の燃料電池。   10. The fuel cell according to claim 9, wherein the first fuel is an aqueous solution or a non-aqueous solution of one or more substances selected from the group consisting of methanol, ethanol, formic acid, acetic acid, formaldehyde, and acetaldehyde. 前記第1燃料の含有量は、0.1〜24.5Mであることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 10, wherein the content of the first fuel is 0.1 to 24.5M. 前記第2燃料用触媒層における触媒は、少なくとも一元素以上の貴金属または該貴金属の合金であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項記載の燃料電池。   12. The fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst in the second fuel catalyst layer is a noble metal of at least one element or an alloy of the noble metal. 前記第2燃料用触媒層における触媒は、炭素系担体または無機金属を含む担体に担持されることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 12, wherein the catalyst in the second fuel catalyst layer is supported on a carbon-based support or a support containing an inorganic metal.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011129431A (en) * 2009-12-18 2011-06-30 Fujikura Ltd Fuel supply device for direct methanol fuel cell
JP2011146224A (en) * 2010-01-14 2011-07-28 Sharp Corp Fuel cell

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