JP2005317436A - Fuel cell system and equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムおよびこの燃料電池システムを備えた機器に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a device including the fuel cell system.
燃料電池は、外部から連続的に供給される燃料と酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギを取り出すものである。燃料電池は、他の発電方式に比べて高効率で二酸化炭素の排出量が少ないため、環境問題が顕著になっている近年注目されている。
例えば高分子電解質形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)は、低い温度で動作が可能で起動時間が短く、小型化も可能である。この高分子電解質形燃料電池は、高分子固体電解質膜を空気側電極と燃料側電極とで挟んだ構造のMEA(Membrane Electrode Assembly)を備え、空気側電極に空気(酸素)を供給し、燃料側電極にメタノールや改質した水素などの燃料を供給することにより、電気化学的反応が起こり電力が発生する(例えば特許文献1参照)。
A fuel cell takes out electric energy by electrochemically reacting fuel and oxygen continuously supplied from the outside. Fuel cells have been attracting attention in recent years because environmental problems have become more prominent because they are more efficient and emit less carbon dioxide than other power generation methods.
For example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can operate at a low temperature, has a short start-up time, and can be downsized. This polymer electrolyte fuel cell is equipped with a MEA (Membrane Electrode Assembly) having a structure in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between an air side electrode and a fuel side electrode, and supplies air (oxygen) to the air side electrode. When a fuel such as methanol or reformed hydrogen is supplied to the side electrode, an electrochemical reaction occurs and electric power is generated (see, for example, Patent Document 1).
このような高分子電解質形燃料電池のうち、例えば直接メタノール形燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)は、燃料電池にメタノール水溶液を燃料として直接供給し電気エネルギを得るため、PEFCとは異なり水素を収納する容器や、燃料を改質して水素を取り出す改質器などが不要となる。したがって、直接メタノール形燃料電池は、長時間連続的に使用する必要がある携帯電話やノートパソコン等の携帯機器用の携帯電源として従来型の一次電池や二次電池に取って代わるものとして注目されている。 Among such polymer electrolyte fuel cells, for example, a direct methanol fuel cell (DMFC) is different from PEFC in that it directly supplies methanol aqueous solution as fuel to obtain electric energy. And a reformer for reforming the fuel and taking out hydrogen are not required. Therefore, direct methanol fuel cells are attracting attention as a replacement for conventional primary batteries and secondary batteries as portable power sources for portable devices such as mobile phones and laptop computers that need to be used continuously for a long time. ing.
直接メタノール形燃料電池を備えた燃料電池システムとしては、メタノールと水とがそれぞれ別のタンクに貯蔵され、これらメタノールおよび水の供給量をそれぞれ調整することによって燃料電池に供給するメタノール水溶液の濃度が所定の濃度となるように調整するものがある。しかしながら、このような供給方法では、メタノールを水に均一に分散させるためにミキサなどの混合手段が必要となり、燃料電池システムの構成が複雑となる。
また、他の燃料電池システムでは、予め燃料電池に供給するのに適した濃度のメタノール水溶液を貯蔵しておき、燃料電池に常に所定量のメタノール水溶液を供給することにより、メタノール水溶液を循環させるものがある。しかしながら、このような構成の燃料電池システムにおいても、燃料電池でのメタノール水溶液の消費量に関わらず、所定濃度のメタノール水溶液を常時燃料電池に供給しなければならないため、メタノール水溶液を効率的に反応に供することができず、燃料電池システムの効率および寿命を向上させることができない。
In a fuel cell system equipped with a direct methanol fuel cell, methanol and water are stored in separate tanks, and the concentration of the aqueous methanol solution supplied to the fuel cell is adjusted by adjusting the amount of methanol and water supplied, respectively. Some are adjusted to a predetermined density. However, such a supply method requires a mixing means such as a mixer in order to uniformly disperse methanol in water, which complicates the configuration of the fuel cell system.
In another fuel cell system, a methanol aqueous solution having a concentration suitable for supply to the fuel cell is stored in advance, and the methanol aqueous solution is circulated by always supplying a predetermined amount of the methanol aqueous solution to the fuel cell. There is. However, even in such a fuel cell system, a methanol aqueous solution having a predetermined concentration must be constantly supplied to the fuel cell regardless of the amount of methanol aqueous solution consumed by the fuel cell. The efficiency and life of the fuel cell system cannot be improved.
本発明の目的は、構成を簡略化でき、長寿命化を促進できる燃料電池システムおよびこの燃料電池システムを備えた機器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of simplifying the configuration and promoting a long life, and a device including the fuel cell system.
本発明の燃料電池システムは、電解質膜、アノード側反応室、およびカソード側反応室を有するとともに、アノード側反応室に供給される燃料とカソード側反応室に供給される酸素とを反応させて電気エネルギを得る燃料電池と、燃料電池に供給される燃料の水溶液を収納するとともに、燃料の水溶液をアノード側反応室に供給する燃料供給手段と、アノード側反応室内の燃料の濃度を検出する燃料濃度検出手段と、燃料濃度検出手段からの濃度検出信号に基づいて、燃料供給手段の動作を制御する供給制御手段とを備え、燃料の水溶液の濃度は、アノード側反応室内の燃料の設定濃度よりも高濃度であることを特徴とする。
この発明によれば、燃料供給手段には予め燃料の水溶液が貯留されているので、燃料が水溶液中に均一に分散した状態で燃料電池に供給される。したがって、燃料電池での反応効率が良好となり、燃料電池の出力が安定する。また、燃料が予め水溶液の状態で貯留されているので、ミキサなどの混合手段が不要となり、燃料電池システムの構成が簡略化する。
さらに、燃料供給手段に貯留される燃料の水溶液の濃度は、アノード側反応室内の燃料の設定濃度よりも高濃度となっているので、貯留される燃料の水溶液の量に対する燃料電池システムの稼働時間が長くなり、燃料電池システムの長寿命化が促進される。また反対に、所定の稼働時間に対する燃料の水溶液の量が少なくなるので、燃料電池システムの小型化が促進される。
The fuel cell system of the present invention has an electrolyte membrane, an anode side reaction chamber, and a cathode side reaction chamber, and reacts fuel supplied to the anode side reaction chamber with oxygen supplied to the cathode side reaction chamber. A fuel cell for obtaining energy, a fuel supply means for storing an aqueous solution of fuel supplied to the fuel cell, and supplying an aqueous fuel solution to the anode reaction chamber, and a fuel concentration for detecting the concentration of fuel in the anode reaction chamber And a supply control means for controlling the operation of the fuel supply means based on a concentration detection signal from the fuel concentration detection means. It is characterized by high concentration.
According to this invention, since the aqueous fuel solution is stored in advance in the fuel supply means, the fuel is supplied to the fuel cell in a state of being uniformly dispersed in the aqueous solution. Therefore, the reaction efficiency in the fuel cell becomes good, and the output of the fuel cell is stabilized. In addition, since the fuel is stored in the state of an aqueous solution in advance, a mixing means such as a mixer is not necessary, and the configuration of the fuel cell system is simplified.
Further, since the concentration of the aqueous solution of fuel stored in the fuel supply means is higher than the set concentration of the fuel in the anode side reaction chamber, the operating time of the fuel cell system with respect to the amount of stored aqueous solution of fuel This increases the life of the fuel cell system. On the other hand, since the amount of the aqueous solution of the fuel for a predetermined operation time is reduced, downsizing of the fuel cell system is promoted.
本発明では、供給制御手段は、燃料濃度検出手段からの濃度検出信号が所定範囲下限未満となったときに、燃料供給手段からアノード側反応室に燃料の水溶液を供給し、濃度検出信号が所定範囲上限より大きくなったときに、燃料供給手段からの燃料の水溶液の供給を停止する構成とされていることが望ましい。
この発明によれば、供給制御手段は、アノード側反応室内の燃料濃度が所定範囲下限未満となると燃料の水溶液を供給し、所定範囲上限より大きいと燃料の水溶液の供給を停止するので、アノード側反応室内の燃料の水溶液の濃度が所定範囲内に維持される。したがって、アノード側反応室での燃料の反応効率が安定し、燃料電池の出力が安定する。また、供給制御手段が燃料供給手段を間欠的に動作させるので、燃料電池システムの省力化が促進され、これによっても燃料電池システムの長寿命化が促進される。
In the present invention, the supply control means supplies an aqueous fuel solution from the fuel supply means to the anode reaction chamber when the concentration detection signal from the fuel concentration detection means is less than the lower limit of the predetermined range. It is desirable that the supply of the aqueous fuel solution from the fuel supply means is stopped when the upper limit of the range is exceeded.
According to the present invention, the supply control means supplies the aqueous solution of the fuel when the fuel concentration in the anode side reaction chamber becomes less than the lower limit of the predetermined range, and stops the supply of the aqueous solution of fuel when it exceeds the upper limit of the predetermined range. The concentration of the aqueous fuel solution in the reaction chamber is maintained within a predetermined range. Therefore, the reaction efficiency of the fuel in the anode side reaction chamber is stabilized, and the output of the fuel cell is stabilized. Further, since the supply control means operates the fuel supply means intermittently, labor saving of the fuel cell system is promoted, and this also promotes the extension of the life of the fuel cell system.
本発明の機器は、前述の燃料電池システムを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、機器が前述の燃料電池システムを備えているので、前述の燃料電池システムの効果と同様の効果が得られ、燃料電池システムの構成が簡単になることにより、機器の構成も簡略化する。また、燃料電池システムの省力化の促進により、燃料電池システムの長寿命化が図られ、機器の長寿命化が促進される。
A device according to the present invention includes the above-described fuel cell system.
According to the present invention, since the device includes the above-described fuel cell system, the same effect as that of the above-described fuel cell system can be obtained, and the configuration of the device can be simplified by simplifying the configuration of the fuel cell system. Simplify. Further, by promoting the labor saving of the fuel cell system, the life of the fuel cell system can be extended and the life of the device can be extended.
本発明の燃料電池システムおよび機器によれば、燃料電池および機器の構成を簡略化できるとともに、長寿命化を促進できるという効果が得られる。 According to the fuel cell system and the device of the present invention, it is possible to simplify the configurations of the fuel cell and the device and to promote the extension of the life.
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1には本実施形態の燃料電池システム100の概略図が示されている。この図1において、燃料電池システム100は、燃料電池1と、この燃料電池1に供給されるメタノール水溶液(燃料の水溶液)が収納されるメタノール水溶液タンク(燃料収納手段)101と、燃料電池1の起動初期に燃料電池1内のメタノール水溶液の濃度を調整するための純水が収納される純水タンク102と、メタノール水溶液タンク101および純水タンク102からメタノール水溶液を送液するポンプ103と、燃料電池1内のメタノール水溶液のメタノール濃度を検出するメタノールセンサ(燃料濃度検出手段)104と、メタノール水溶液の供給動作を制御する供給制御手段105と、燃料電池1内での反応が終了した液体を廃液として収納する廃液タンク106とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a schematic diagram of a
図2には燃料電池1の側断面図が示されている。燃料電池1は、直接メタノール形燃料電池(DMFC)であり、図2に示されるように、燃料電池セル10がケース11に収納されて構成されている。なお、本実施形態では、説明を簡略化するため、図2に示すように単一の燃料電池セル10で構成した燃料電池1を図示するが、もちろん燃料電池1が、この燃料電池セル10を複数枚積層したスタック構造とされていてもよい。
FIG. 2 shows a side sectional view of the fuel cell 1. The fuel cell 1 is a direct methanol fuel cell (DMFC). As shown in FIG. 2, the
燃料電池セル10は、電解質膜としての高分子固体電解質膜2と、この高分子固体電解質膜2の両面に一体的に形成されるアノード電極3およびカソード電極4と、アノード電極3側に配置される燃料拡散層5と、カソード電極4側に配置される空気拡散層6と、これら燃料拡散層5および空気拡散層6の外側にそれぞれ設けられるとともに、アノード電極3およびカソード電極4の間に発生した電気エネルギを取り出す集電体7,8とを備えている。この燃料電池セル10は、ケース11に収納され、ガスケット12によって高分子固体電解質膜2の両側から挟持されている。これにより、ケース11内部は、高分子固体電解質膜2を挟んでアノード電極3側とカソード電極4側とに封止されて分離されている。
すなわち、ケース11内壁とアノード電極3との間の領域は、液密に構成され、燃料が供給されるアノード側反応室としての燃料室31となっている。また、ケース11内壁とカソード電極4との間の領域は、空気が供給されるカソード側反応室としての空気室41となっている。なお、燃料としては、メタノール(CH3OH)水溶液が供給される。
The
That is, the region between the inner wall of the
ケース11のアノード電極3側には、燃料を燃料室31に供給するための燃料供給口111と、アノード電極3での反応が終了した燃料を外部に排出するための燃料排出口112とが形成されている。この燃料排出口112には、廃液タンク106が接続されている。
ケース11のカソード電極4側には、空気を空気室41に供給するための複数の空気供給口113が形成されている。この空気供給口113は、大気に開放されることで、空気室41への空気の供給を自然吸気とする構造となっている。なお。空気室41への空気供給は、エアポンプなどによって空気室41に強制的に空気を供給する構造であってもよい。
On the
A plurality of
高分子固体電解質膜2の両面には、外縁から所定幅寸法を隔てた所定範囲内に略矩形状のアノード電極3およびカソード電極4が一体的に形成されている。高分子固体電解質膜2は、プロトン伝導性高分子で構成される高分子固体電解質樹脂が、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(Poly Tetra Fluoro Ethylene, PTFE)フィルムの多孔空隙部に含浸されることにより構成されている。高分子固体電解質樹脂としては、例えばナフィオン(デュポン社商標)等のパーフルオロスルホン酸系ポリマー、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマーなどが採用できる。また場合によってはこの高分子固体電解質樹脂に、電子導電性の生じない範囲で白金などの触媒やカーボン粉末、各種セラミックス粉末などを加えてもよい。
A substantially
なお、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルムは、PTFEの塊を延伸多孔化して得られる、多数の微小結節とそれらの微小結節から延出して微小結節相互を三次元的に連結する微細繊維とからなる構造を有する多孔質PTFEフィルムであり、このフィルムには、厚み方向に貫通する多数の孔が形成される。本実施形態においてこの延伸多孔質PTFEフィルムの膜厚は、1〜100μm、好ましくは3〜30μmで、孔径は0.05〜5μm、好ましくは0.5〜2μmで、空隙率は60%〜98%、好ましくは80〜92%である。膜厚が薄すぎると短絡やガス漏れ(クロスリーク)が発生しやすくなり、厚すぎると電気抵抗が高くなる。また孔径が小さすぎると高分子固体電解質樹脂の含浸が困難となり、大きすぎると高分子固体電解質樹脂の保持力が弱くなり、また補強効果も弱くなる。そして、空隙率が小さすぎると高分子固体電解質膜としての抵抗が大きくなり、大きすぎると一般にPTFE自体の強度が弱くなり補強効果が得られない。 In addition, a stretched porous polytetrafluoroethylene (PTFE) film is obtained by stretching a porous PTFE mass to obtain a microscopic structure that connects a number of micronodules and those micronodules that are three-dimensionally connected to each other. It is a porous PTFE film having a structure composed of fibers, and a large number of holes penetrating in the thickness direction are formed in this film. In the present embodiment, the stretched porous PTFE film has a thickness of 1 to 100 μm, preferably 3 to 30 μm, a pore diameter of 0.05 to 5 μm, preferably 0.5 to 2 μm, and a porosity of 60% to 98. %, Preferably 80 to 92%. If the film thickness is too thin, short circuits and gas leaks (cross leaks) are likely to occur, and if it is too thick, the electrical resistance increases. If the pore size is too small, it is difficult to impregnate the polymer solid electrolyte resin. If it is too large, the holding power of the polymer solid electrolyte resin is weakened, and the reinforcing effect is also weakened. If the porosity is too small, the resistance of the polymer solid electrolyte membrane is increased. If it is too large, the strength of PTFE itself is generally weakened and a reinforcing effect cannot be obtained.
アノード電極3およびカソード電極4は、メタノールの分解のための触媒を担持したカーボン触媒電極膜から構成される。ここで、触媒としては、例えば白金等が採用できる。なお、アノード電極3側では、メタノールと触媒との反応により発生する中間生成物である一酸化炭素COの被毒を防止するため、少なくともアノード電極3側の触媒には、白金およびルテニウムの合金等を採用することがより好ましい。
ここで、高分子固体電解質膜2、アノード電極3、およびカソード電極4は、一体的に形成されて膜電極接合体20が構成されている。
燃料拡散層5および空気拡散層6は、メッシュの金属フォーム(例えばスチールウール等)からなる多孔性膜であり、供給される燃料および酸素をそれぞれ拡散してアノード電極3およびカソード電極4に導く。なお、これら燃料拡散層5および空気拡散層6は、それぞれ、アルミニウム、ステンレス鋼等であってもよく、またスポンジチタン等の多孔性金属材料、カーボンペーパ紙にカーボンを担持したものやカーボンクロス等であってもよい。
また、集電体7,8には、それぞれ図示しないリード線が接続されており、外部の負荷に接続されている。
The
Here, the polymer
The
Further, lead wires (not shown) are connected to the
メタノール水溶液タンク101は、所定濃度のメタノール水溶液が収納されており、燃料室31への流路が開閉可能なバルブ101Aを備えている。このバルブ101Aは、供給制御手段105に電気的に接続されており、供給制御手段105からの指令により開閉可能となっており、その開度も調整可能となっている。なお、メタノール水溶液タンク101は、いわゆるカートリッジ方式で、燃料電池システム100から着脱可能で、簡単に交換可能な構造であることが望ましい。
純水タンク102には、燃料電池1の起動時に燃料室31内のメタノール水溶液の濃度を所定範囲内に調整するために、燃料電池1の起動時に必要な量の純水が収納されている。この純水タンク102は、バルブ102Aを備えるとともに、純水タンク102からの配管は、メタノール水溶液タンク101とポンプ103との間の配管に接続されている。したがって、バルブ102Aの開度が調整されることにより、純水がメタノール水溶液に混合可能となっている。バルブ102Aは、供給制御手段105に電気的に接続され、供給制御手段105からの指令により、開閉可能となっており、その開度も調整可能となっている。なお、純水タンク102とバルブ102Aとの間に別のポンプを設けて、純水タンク102の純水を積極的にメタノール水溶液に供給する構成としてもよい。また、純水タンク102は、メタノール水溶液タンク101と同様に、燃料電池システム100に対して着脱可能な、いわゆるカートリッジ式に構成されていることが望ましく、また、メタノール水溶液タンク101と一体で形成されていることが望ましい。純水タンク102がメタノール水溶液タンク101と一体で形成される場合には、メタノール水溶液タンク101を交換する際に純水タンク102も交換できるので、交換作業を簡略化できる。
The methanol
The
ポンプ103は、供給制御手段105に電気的に接続されており、供給制御手段105からの送液指令信号によりポンプ103のON,OFFが制御される。この送液指令信号により、ポンプ103は、所定量のメタノール水溶液を燃料室31に送液する。
ここで、本実施形態ではメタノール水溶液タンク101、バルブ101A、およびポンプ103を備えて燃料供給手段が構成されている。
メタノールセンサ104は、燃料室31と廃液タンク106とを連通する配管や、燃料室31内に取り付けられ、燃料室31から排出される廃液中のメタノール水溶液のメタノール濃度、または燃料室31内に充填されたメタノール水溶液のメタノール濃度を検出するものである。このメタノールセンサ104としては、例えば赤外線透過吸収式の光式メタノール濃度センサ等、任意の方式のものが採用できる。
The
Here, in the present embodiment, the fuel supply means is configured to include the methanol
The
供給制御手段105は、燃料室31内のメタノール水溶液の濃度を予め設定された所定範囲内に維持するように、メタノール水溶液および水の供給量を制御する。つまり、供給制御手段105は、バルブ101A,102Aの開度を調整することにより、所定濃度のメタノール水溶液を供給するとともに、メタノールセンサ104からのメタノール濃度検出信号(燃料濃度検出信号)に基づいて、バルブ101Aの開閉動作およびその開度を制御し、燃料室31に供給されるメタノール水溶液の濃度を所定濃度範囲内に制御する。
具体的には、供給制御手段105は、燃料電池システム100の起動時には、燃料電池1内に所定濃度範囲内のメタノール水溶液を充填するために、バルブ101A,102Aを予め設定された開度に調整するとともに、通常運転時には、メタノールセンサ104からのメタノール濃度検出信号に基づいて、燃料室31内のメタノール濃度が所定濃度範囲下限未満であった場合には、バルブ101Aを開き、メタノール濃度が所定濃度範囲上限より大きい場合には、バルブ101Aを閉じる制御を行う。
ここで、燃料室31内におけるメタノール水溶液の濃度の所定範囲は、燃料室31内でのメタノールと触媒との反応効率が良好となり、かつ高分子固体電解質膜2のクロスオーバーが良好に防止される範囲で設定されることが好ましく、燃料電池1の容量、高分子固体電解質膜2の材質、性能などを勘案して適宜設定され、例えば3%〜5%または1mol/l〜8mol/lの範囲内で設定される。また、メタノール水溶液タンク101に収納されるメタノール水溶液の濃度は、1%〜50%の間で設定されており、燃料室31内のメタノール水溶液濃度の所定範囲下限よりも高濃度に設定されている。
The supply control means 105 controls the supply amount of the aqueous methanol solution and water so as to maintain the concentration of the aqueous methanol solution in the
Specifically, when the
Here, the predetermined range of the concentration of the methanol aqueous solution in the
廃液タンク106は、燃料排出口112に接続されており、燃料室31から排出された廃液を収納する。この廃液タンク106は、メタノール水溶液タンク101および純水タンク102とは別に設けられて個別に交換可能に設けられていてもよい。また、メタノール水溶液タンク101および純水タンク102に一体的に形成されていてもよい。この場合には、メタノール水溶液タンク101および純水タンク102内のメタノール水溶液または純水を使い切ってメタノール水溶液タンク101および純水タンク102を交換する際に、廃液タンク106も同時に交換可能となるので、交換操作が簡便となり取扱性が向上する。
The
次に、このような燃料電池システム100の動作について説明する。
まず、燃料電池システム100の起動時には、供給制御手段105から出力される初期メタノール水溶液供給指令により、燃料室31にメタノール水溶液を充満させる。この際、メタノール水溶液タンク101内のメタノール水溶液は、燃料室31に供給される適切な濃度よりも高濃度となっているので、純水で適切な濃度に希釈する必要がある。そこで、供給制御手段105は、メタノール水溶液供給指令信号により、バルブ101A,102Aを予め設定された開度に調整するとともに、ポンプ103を駆動し、メタノール水溶液および純水を所定比で送液する。これにより、メタノール水溶液および純水が均一に混合されて所定範囲内の濃度となり、ポンプ103によって燃料室31に供給される。所定量のメタノール水溶液が燃料室31に供給されると、供給制御手段105は、バルブ101A,102Aを閉じ、ポンプ103を停止する。なお、燃料室31へのメタノール水溶液の供給量は、燃料室31に供給されるメタノール水溶液の流量を測定する方法や、ポンプ103での送液速度を予め設定しておき、所定時間経過後に送液を停止する方法など、任意の方法が採用できる。
Next, the operation of the
First, when the
燃料室31では、メタノール水溶液がアノード電極3の触媒によって下記の式(1)の酸化反応を生じ、この反応により二酸化炭素CO2とプロトンH+と電子e−とを生成する。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e− …(1)
プロトンH+は、高分子固体電解質膜2を透過してカソード電極4側に移動することにより、集電体7,8の両端に電圧が生じる。プロトンH+がカソード電極4側に到達すると、このプロトンH+と、外部負荷を通って仕事をした後にカソード電極4に到達した電子e−とがカソード電極4の触媒によって空気室41内の空気中の酸素O2と反応して式(2)の還元反応が生じる。
3/2O2+6H++6e−→3H2O …(2)
アノード電極3側で反応が終了した溶液は、廃液として廃液タンク106に収納される。また、カソード電極4側で生成された水は、水蒸気の状態で空気供給口113を通って大気に開放される。
In the
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
Proton H + passes through the polymer
3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (2)
The solution that has been reacted on the
燃料室31内での反応が進むと、メタノール水溶液内のメタノールが消費され、水リッチな状態となってくる。メタノールセンサ104では、燃料室31内のメタノール水溶液のメタノール濃度を検出し、供給制御手段105に送信する。供給制御手段105は、メタノールセンサ104からのメタノール濃度検出信号を監視し、メタノール濃度が所定範囲下限未満となったとき、バルブ101Aおよびポンプ103に送液指令信号を出力する。この送液指令信号により、バルブ101Aが開くとともに、ポンプ103が駆動し、メタノール水溶液タンク101から高濃度のメタノール水溶液が燃料室31に供給される。
供給制御手段105は、メタノール水溶液供給中もメタノールセンサ104からのメタノール濃度検出信号を監視し、メタノール濃度が所定範囲上限より大きくなったとき、バルブ101Aおよびポンプ103に送液停止指令信号を出力する。この送液停止指令信号により、バルブ101Aが閉じるとともに、ポンプ103が停止し、メタノール水溶液の送液が停止される。
燃料電池システム100の通常稼働時には、以上の動作が繰り返し行われる。
As the reaction in the
The supply control means 105 monitors the methanol concentration detection signal from the
During the normal operation of the
メタノール水溶液タンク101内のメタノール水溶液がなくなった場合には、メタノール水溶液タンク101にメタノール水溶液を追加するか、またはメタノール水溶液タンク101を交換すればよい。このとき、純水タンク102がメタノール水溶液タンク101と一体で設けられている場合には、メタノール水溶液タンク101の交換と同時に純水タンク102も交換すればよい。同様に、廃液タンク106に所定量以上の廃液が収納された場合には、廃液タンク106内の廃液を廃棄するか、または廃液タンク106ごと交換すればよい。
When the methanol aqueous solution in the methanol
このような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(1) メタノール水溶液タンク101に予め所定濃度のメタノール水溶液が収納されているので、メタノールをある程度水に分散させた状態で燃料室31に供給できる。したがって、燃料室31内でメタノールを均一に分散させることができ、アノード電極3での反応効率を良好にできる。よって、燃料電池1の出力を安定させることができ、燃料電池システム100の動作を安定させることができる。
また、メタノール水溶液タンク101に予めメタノール水溶液が収納されているので、通常運転時にメタノールと純水とを混合して供給する必要がなく、ミキサなどの混合手段が不要となる。したがって、燃料電池システム100の構成を簡単にでき、製造コストを低減できる。燃料電池システム100の構成が簡単になることにより、供給制御手段105での制御の構成も簡単になるから、燃料電池システム100の省力化を促進できる。
さらに、メタノール水溶液タンク101に高濃度のメタノール水溶液が収納されているので、メタノール水溶液タンク101内のメタノール水溶液の量に対する燃料電池1の稼働時間を長くできる。したがって、燃料電池システム100の長寿命化を促進できる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Since a methanol aqueous solution having a predetermined concentration is stored in advance in the methanol
In addition, since the methanol aqueous solution is stored in advance in the methanol
Further, since the methanol
(2) メタノール水溶液タンク101内に収納されるメタノール水溶液のメタノール濃度が、燃料室31内の所定濃度範囲の下限より高濃度に設定されているので、メタノール水溶液を間欠的に供給することで、燃料室31内のメタノール水溶液を所定濃度範囲内に維持できる。したがって、ポンプ103やバルブ101Aの動作を連続的に行う必要がないので、燃料電池システム100の消費電力を削減でき、これによっても燃料電池システム100の省力化を促進できる。
(2) Since the methanol concentration of the methanol aqueous solution stored in the methanol
(3) 燃料電池システム100の通常運転時には、メタノール水溶液タンク101から高濃度のメタノール水溶液を供給するので、メタノール水溶液を希釈するための純水が不要となる。したがって、純水タンク102に収納される純水の量を、燃料電池システム100の起動時に必要な量のみに抑制できるから、純水タンク102の小型化、軽量化を促進できる。
(3) During normal operation of the
(4) 供給制御手段105が、メタノールセンサ104からのメタノール濃度検出信号に基づいて、メタノール濃度が所定範囲下限未満であるときにバルブ101Aを開き、所定範囲上限より大きいときにバルブ101Aを閉じる制御を行うので、燃料室31内のメタノール水溶液の濃度を所定範囲内に制御できる。したがって、燃料室31での反応効率を安定させることができ、燃料電池1から安定した発電量が得られる。
また、供給制御手段105が、燃料室31内のメタノール水溶液のメタノール濃度が所定範囲下限未満でメタノール水溶液を供給し、所定範囲上限より大きいときにメタノール水溶液の供給を停止するので、ある程度の濃度幅を有して燃料室31内のメタノール濃度を制御できる。したがって、ポンプ103やバルブ101Aを頻繁にON,OFFするのを防止でき、これによっても燃料電池システム100の消費電力を削減でき、省力化を促進できる。
(4) Based on the methanol concentration detection signal from the
Further, since the supply control means 105 supplies the methanol aqueous solution when the methanol concentration of the aqueous methanol solution in the
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
供給制御手段は、メタノール濃度が所定範囲下限未満となったときに燃料の水溶液を供給し、所定範囲上限より大きくなったときに供給を停止する制御を行うものに限らず、例えば前述の実施形態において、供給制御手段105が、メタノール濃度検出信号に基づいてバルブ101Aの開度を演算する演算手段を備えていてもよい。この場合には、演算手段がメタノール濃度検出信号からバルブ101Aの開度およびポンプ103の駆動時間(送液時間)などを演算し、供給制御手段105がその演算結果に基づいてバルブ101Aおよびポンプ103を制御すればよい。このような構成によれば、演算手段によりメタノール水溶液の供給停止のタイミングが予めわかるので、メタノール水溶液の供給中にメタノールセンサ104でメタノール濃度を監視する必要がなく、さらなる省力化を図ることができる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
The supply control means is not limited to the control that supplies the aqueous solution of the fuel when the methanol concentration becomes lower than the lower limit of the predetermined range and stops the supply when the methanol concentration becomes higher than the upper limit of the predetermined range. The supply control means 105 may include a calculation means for calculating the opening degree of the
また、供給制御手段は、例えば燃料濃度検出信号に対する適切な燃料供給量(前述の実施形態ではバルブ101Aの開度)をテーブルやマップとして記憶する記憶手段を備えていてもよい。この場合には、供給制御手段は、記憶手段に記憶されたテーブル等で、検出された燃料濃度検出信号に対応する燃料供給量(バルブの開度)を読み込み、燃料供給量を制御すればよい。この場合には、記憶手段に予め燃料濃度検出信号に対する燃料供給量が記憶されているので、供給制御手段で演算等する必要がなく、制御が簡略化するとともに、燃料電池システム100の省力化を促進できる。
さらに、供給制御手段は、メタノール水溶液を間欠的にアノード側反応室に供給するものに限らず、例えばメタノール水溶液を連続的に供給し、その供給量を連続的あるいは間欠的に制御するものであってもよい。
燃料濃度検出手段による濃度検出は、連続的に行うものに限らず、例えば所定時間毎に検出してもよい。このように構成すれば、燃料濃度検出のために必要な電力を節約できるので、省力化を促進できる。
Further, the supply control unit may include a storage unit that stores, for example, an appropriate fuel supply amount with respect to the fuel concentration detection signal (the opening degree of the
Furthermore, the supply control means is not limited to intermittently supplying the methanol aqueous solution to the anode side reaction chamber, and for example, continuously supplies the methanol aqueous solution and controls the supply amount continuously or intermittently. May be.
The concentration detection by the fuel concentration detection means is not limited to being performed continuously, but may be detected, for example, every predetermined time. With this configuration, it is possible to save electric power necessary for detecting the fuel concentration, so that labor saving can be promoted.
燃料電池に供給されるメタノール水溶液の濃度は、所定範囲下限より高濃度に設定されている場合に限らず、例えば所定範囲上限より高濃度に設定されていてもよく、要するに、燃料電池内におけるメタノール水溶液の適切な濃度より高濃度に設定されていればよい。
ポンプは必ずしも必要なく、例えば燃料電池内の燃料が消費されると、体積が減少することにより、燃料電池内が負圧となるから、この負圧の作用によってメタノール水溶液タンクから自動的にメタノール水溶液が供給されるように構成してもよい。
The concentration of the aqueous methanol solution supplied to the fuel cell is not limited to the case where the concentration is set higher than the lower limit of the predetermined range, and may be set higher than the upper limit of the predetermined range. It is only necessary to set the concentration higher than the appropriate concentration of the aqueous solution.
The pump is not always necessary. For example, when the fuel in the fuel cell is consumed, the volume is reduced and the pressure in the fuel cell becomes negative. May be supplied.
燃料がメタノールである場合には、アノード側反応室外側に、メタノールと水との反応後に生成される二酸化炭素を分離する気液分離膜が設けられていてもよい。この場合には、アノード側反応室での反応によって生成された二酸化炭素が気液分離膜によって分離されて外部に排出されるので、アノード側反応室内に二酸化炭素が滞留するのを確実に防止できる。また、気液分離膜によってアノード側反応室内の二酸化炭素が除去されるので、燃料が良好にアノード側反応室内の触媒に接触するから、燃料電池の反応効率を向上させることができる。
燃料は、メタノールに限らず、任意の材料が採用できる。また、燃料電池システムが改質器を含む場合では、燃料はメタノールなどのアルコール系燃料の他、例えばデカリンなどの有機ハイドライド燃料や、水素化ホウ素ナトリウムなどのボロハイドライド燃料などの任意の材料が採用されている。
本発明の燃料電池システムは、軽量化、小型化を促進できるので、例えば携帯電話やノートパソコンなどの携帯機器、車、その他任意の機器に適用できる。
When the fuel is methanol, a gas-liquid separation membrane for separating carbon dioxide generated after the reaction between methanol and water may be provided outside the anode side reaction chamber. In this case, carbon dioxide generated by the reaction in the anode side reaction chamber is separated by the gas-liquid separation membrane and discharged to the outside, so that it is possible to reliably prevent carbon dioxide from staying in the anode side reaction chamber. . In addition, since the carbon dioxide in the anode side reaction chamber is removed by the gas-liquid separation membrane, the fuel comes into good contact with the catalyst in the anode side reaction chamber, so that the reaction efficiency of the fuel cell can be improved.
The fuel is not limited to methanol, and any material can be adopted. In addition, when the fuel cell system includes a reformer, any material such as organic hydride fuel such as decalin or borohydride fuel such as sodium borohydride is adopted as the fuel, in addition to alcohol fuel such as methanol. Has been.
Since the fuel cell system of the present invention can promote weight reduction and downsizing, it can be applied to portable devices such as mobile phones and notebook computers, cars, and other arbitrary devices.
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
The best configuration, method and the like for carrying out the present invention have been disclosed in the above description, but the present invention is not limited to this. That is, the invention has been illustrated and described primarily with respect to particular embodiments, but may be configured for the above-described embodiments without departing from the scope and spirit of the invention. Various modifications can be made by those skilled in the art in terms of materials, quantity, and other detailed configurations.
Therefore, the description limited to the shape, material, etc. disclosed above is an example for easy understanding of the present invention, and does not limit the present invention. The description by the name of the member which remove | excluded the limitation of one part or all of such restrictions is included in this invention.
1…燃料電池、2…高分子固体電解質膜(電解質膜)、3…アノード電極、4…カソード電極、31…燃料室(アノード側反応室)、41…空気室(カソード側反応室)、100…燃料電池システム、101…メタノール水溶液タンク、102…純水タンク、104…メタノールセンサ(燃料濃度検出手段)、105…供給制御手段。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Polymer solid electrolyte membrane (electrolyte membrane), 3 ... Anode electrode, 4 ... Cathode electrode, 31 ... Fuel chamber (anode side reaction chamber), 41 ... Air chamber (cathode side reaction chamber), 100 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Fuel cell system, 101 ... Methanol aqueous solution tank, 102 ... Pure water tank, 104 ... Methanol sensor (fuel concentration detection means), 105 ... Supply control means.
Claims (3)
前記燃料電池に供給される前記燃料の水溶液を収納するとともに、前記燃料の水溶液を前記アノード側反応室に供給する燃料供給手段と、
前記アノード側反応室内の前記燃料の濃度を検出する燃料濃度検出手段と、
前記燃料濃度検出手段からの濃度検出信号に基づいて、前記燃料供給手段の動作を制御する供給制御手段とを備え、
前記燃料の水溶液の濃度は、前記アノード側反応室内の前記燃料の設定濃度よりも高濃度である
ことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having an electrolyte membrane, an anode-side reaction chamber, and a cathode-side reaction chamber, and obtaining electric energy by reacting a fuel supplied to the anode-side reaction chamber and oxygen supplied to the cathode-side reaction chamber; ,
A fuel supply means for storing an aqueous solution of the fuel supplied to the fuel cell and supplying the aqueous solution of the fuel to the anode reaction chamber;
Fuel concentration detection means for detecting the concentration of the fuel in the anode reaction chamber;
Supply control means for controlling the operation of the fuel supply means based on a concentration detection signal from the fuel concentration detection means,
The concentration of the aqueous solution of the fuel is higher than the set concentration of the fuel in the anode-side reaction chamber.
前記供給制御手段は、前記燃料濃度検出手段からの濃度検出信号が所定範囲下限未満となったときに、前記燃料供給手段から前記アノード側反応室に前記燃料の水溶液を供給し、前記濃度検出信号が所定範囲上限より大きくなったときに、前記燃料供給手段からの前記燃料の水溶液の供給を停止する構成とされている
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The supply control means supplies the aqueous solution of the fuel from the fuel supply means to the anode reaction chamber when the concentration detection signal from the fuel concentration detection means is less than a predetermined range lower limit, and the concentration detection signal The fuel cell system is configured to stop the supply of the aqueous solution of the fuel from the fuel supply means when the value exceeds a predetermined range upper limit.
An apparatus comprising the fuel cell system according to claim 1.
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