JP2005235519A - Fuel cell, fuel cell system, and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、メタノールを直接供給することにより電気エネルギを得る燃料電池、燃料電池システムおよび装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell, a fuel cell system, and an apparatus that obtain electric energy by directly supplying methanol.
燃料電池は、外部から燃料と酸素とを連続的に供給し、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)。
この高分子電解質形燃料電池のうち、特に直接メタノール形燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)は、燃料電池に直接メタノールを燃料として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。このため、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。
A fuel cell continuously supplies fuel and oxygen from the outside and reacts electrochemically to extract electric energy. 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. By supplying a fuel such as methanol or reformed hydrogen to the side electrode, an electrochemical reaction occurs and electric power is generated (for example, Patent Document 1).
Among the polymer electrolyte fuel cells, the direct methanol fuel cell (DMFC), in particular, stores hydrogen, unlike PEFC, in order to supply methanol directly to the fuel cell to obtain electrical energy. There is no need for a container or a reformer for reforming the fuel and taking out hydrogen. For this reason, direct methanol fuel cells are expected to replace 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. Has been.
直接メタノール形燃料電池では、燃料としてメタノール水溶液をアノード電極側の反応室に供給すると、アノード電極側では水とメタノールが反応して二酸化炭素、プロトン、および電子を生じる。この場合、発生した二酸化炭素が反応室に蓄積されると、アノード電極に接触するメタノールの量が減少してしまい、反応効率が低下するという問題がある。そこで、従来では、メタノール水溶液を循環させて反応室内の液体を常に交換することにより、メタノール水溶液と一緒に二酸化炭素を排出する構造のものや、反応室内壁に溝を設けて、二酸化炭素の排出を促す構造のものなどが提案されている。
しかしながら、これらのような構造を採用しても、反応室内の二酸化炭素を十分かつ確実に排出することは困難であり、したがって、メタノールの反応を十分に効率よく行うことが難しく、さらなる反応効率の向上が望まれている。
In a direct methanol fuel cell, when an aqueous methanol solution is supplied as fuel to the reaction chamber on the anode electrode side, water and methanol react on the anode electrode side to generate carbon dioxide, protons, and electrons. In this case, when the generated carbon dioxide is accumulated in the reaction chamber, there is a problem that the amount of methanol that contacts the anode electrode is reduced, and the reaction efficiency is lowered. Therefore, conventionally, by circulating an aqueous methanol solution and constantly exchanging the liquid in the reaction chamber, carbon dioxide is discharged together with the aqueous methanol solution, or a groove is provided in the reaction chamber wall to discharge the carbon dioxide. Proposals have been made for structures that encourage
However, even if such a structure is adopted, it is difficult to exhaust carbon dioxide in the reaction chamber sufficiently and reliably. Therefore, it is difficult to carry out the reaction of methanol sufficiently efficiently. Improvement is desired.
本発明の目的は、反応効率を高めることができる燃料電池および燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell system capable of increasing reaction efficiency.
本発明の燃料電池は、プロトン伝導性を有する高分子固体電解質膜と、この高分子固体電解質膜の両側にそれぞれ設けられるアノード電極およびカソード電極と、アノード電極およびカソード電極に隣接してそれぞれ設けられるアノード側反応室およびカソード側反応室と、アノード側反応室に直接メタノールを供給することによって電気エネルギを得る燃料電池であって、アノード側反応室外側には、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ることを特徴とする。
この発明によれば、アノード側反応室外側に気液分離膜が設けられているので、メタノール水溶液は気液分離膜を通過せず、アノード側反応室に残る一方、アノード側反応室で発生した二酸化炭素は気液分離膜を通過して外部に排出される。よって、メタノール水溶液中の二酸化炭素が確実に排出され、アノード電極へのメタノール水溶液の接触面積が良好に確保され、反応効率が良好となる。
また、気液分離膜によって二酸化炭素を排出するので、従来のような溝の形成やメタノール水溶液をある程度の流速で循環させるなどの対策が不要となり、燃料電池の構造が簡単になる。
The fuel cell of the present invention is provided with a polymer solid electrolyte membrane having proton conductivity, an anode electrode and a cathode electrode provided on both sides of the polymer solid electrolyte membrane, and adjacent to the anode electrode and the cathode electrode, respectively. A fuel cell that obtains electric energy by directly supplying methanol to the anode side reaction chamber, the cathode side reaction chamber, and the anode side reaction chamber, and is formed outside the anode side reaction chamber after the reaction of methanol and water. A gas-liquid separation membrane for separating carbon dioxide is provided.
According to this invention, since the gas-liquid separation membrane is provided outside the anode-side reaction chamber, the aqueous methanol solution does not pass through the gas-liquid separation membrane and remains in the anode-side reaction chamber, while it is generated in the anode-side reaction chamber. Carbon dioxide passes through the gas-liquid separation membrane and is discharged outside. Therefore, carbon dioxide in the methanol aqueous solution is surely discharged, the contact area of the methanol aqueous solution with the anode electrode is ensured, and the reaction efficiency is good.
In addition, since carbon dioxide is discharged by the gas-liquid separation membrane, conventional measures such as groove formation and circulation of aqueous methanol solution at a certain flow rate are not required, and the structure of the fuel cell is simplified.
本発明の燃料電池システムは、前述の燃料電池と、アノード側反応室にメタノールを供給するメタノール供給手段と、アノード側反応室に水を供給する水供給手段と、アノード側反応室内のメタノール濃度が所定範囲内となるようにメタノール供給手段および水供給手段を制御する供給制御手段とを備えたことを特徴とする。 The fuel cell system of the present invention includes the fuel cell described above, methanol supply means for supplying methanol to the anode reaction chamber, water supply means for supplying water to the anode reaction chamber, and methanol concentration in the anode reaction chamber. A supply control means for controlling the methanol supply means and the water supply means so as to be within a predetermined range is provided.
この発明によれば、燃料電池システムが前述の燃料電池を備えているので、気液分離膜によって二酸化炭素を排出可能である。このため、アノード側反応室内の二酸化炭素を排出するためにメタノール水溶液をある程度の流速で循環させる必要がない。
ここで、アノード側反応室では、メタノールと水との反応が進むとメタノール水溶液中のメタノール濃度が低下し、これを放置すると反応効率が低下する。本発明では、供給制御手段は、減少したメタノール量を補充するように、メタノール供給手段および水供給手段を制御して最適の濃度のメタノールまたはメタノール水溶液を供給する制御を行う。この制御により、アノード側反応室内のメタノール濃度が所定範囲内に保持されるので、反応効率の低下が防止され、反応効率が良好となる。
なお、燃料の供給制御手段がメタノール水溶液のメタノール濃度を調整する際には、アノード側反応室にメタノールおよび水を予め混合したメタノール水溶液を供給する場合はもちろん、メタノールおよび水をそれぞれ別々にアノード側反応室に供給する場合や、水供給手段からの水の供給を行わず、メタノールのみを供給する場合も含まれる。
According to this invention, since the fuel cell system includes the fuel cell described above, carbon dioxide can be discharged by the gas-liquid separation membrane. For this reason, it is not necessary to circulate the aqueous methanol solution at a certain flow rate in order to discharge the carbon dioxide in the anode side reaction chamber.
Here, in the anode side reaction chamber, when the reaction between methanol and water proceeds, the methanol concentration in the methanol aqueous solution decreases, and if this is left as it is, the reaction efficiency decreases. In the present invention, the supply control means controls the methanol supply means and the water supply means to supply the optimal concentration of methanol or aqueous methanol solution so as to replenish the reduced amount of methanol. By this control, the methanol concentration in the anode reaction chamber is maintained within a predetermined range, so that a reduction in reaction efficiency is prevented and the reaction efficiency is improved.
In addition, when the fuel supply control means adjusts the methanol concentration of the aqueous methanol solution, not only when supplying the methanol aqueous solution in which methanol and water are mixed in advance to the anode side reaction chamber, the methanol and water are separately supplied to the anode side. The case of supplying to the reaction chamber and the case of supplying only methanol without supplying water from the water supply means are also included.
また、供給制御手段がアノード側反応室内のメタノール濃度が所定範囲内となるようにメタノール供給手段および水供給手段を制御するので、アノード側反応室でのメタノールおよび水の反応効率が良好に維持される。そして、燃料電池システムがメタノール供給手段および水供給手段を別々に備えているので、これらの供給量の割合を変更することでアノード側反応室にメタノールのみ、水のみ、または任意の濃度のメタノール水溶液を供給可能となる。よって、アノード側反応室内のメタノール濃度の制御が柔軟になり、燃料電池システムの様々な構成や使用条件などに対応可能となる。 In addition, since the supply control unit controls the methanol supply unit and the water supply unit so that the methanol concentration in the anode side reaction chamber is within the predetermined range, the reaction efficiency of methanol and water in the anode side reaction chamber is maintained well. The And since the fuel cell system is provided with a methanol supply means and a water supply means separately, by changing the ratio of these supply amounts, only methanol, water only, or aqueous methanol solution of any concentration in the anode side reaction chamber Can be supplied. Therefore, the control of the methanol concentration in the anode side reaction chamber becomes flexible, and it becomes possible to cope with various configurations and use conditions of the fuel cell system.
本発明では、アノード側反応室内のメタノール量を検出するメタノール量検出手段を備え、供給制御手段は、メタノール量検出手段からのメタノール量の検出信号に基づいてメタノール供給手段および水供給手段を制御することが望ましい。
この発明によれば、メタノール量検出手段がアノード側反応室内のメタノール量を検出するので、供給制御手段はこの検出信号に応じたメタノール量を供給すればよく、アノード側反応室内のメタノールの量を所定範囲内に制御することが容易となる。
In the present invention, methanol amount detection means for detecting the amount of methanol in the anode side reaction chamber is provided, and the supply control means controls the methanol supply means and the water supply means based on the methanol amount detection signal from the methanol amount detection means. It is desirable.
According to this invention, since the methanol amount detection means detects the amount of methanol in the anode side reaction chamber, the supply control means may supply the amount of methanol corresponding to this detection signal, and the amount of methanol in the anode side reaction chamber can be determined. It becomes easy to control within a predetermined range.
本発明では、メタノール量検出手段は、アノード側反応室内のメタノール水溶液の濃度を検出するメタノール濃度検出手段、および燃料電池で発生する電流値を検出する電流値検出手段のいずれか一つまたは両方であることが望ましい。
この発明によれば、供給制御手段は、メタノール濃度検出手段および電流値検出手段のいずれか一方または両方で検出されたメタノール水溶液の濃度および/または電流値を監視し、これらの検出信号に基づいてメタノール供給手段および水供給手段を制御する。メタノール濃度検出手段を用いた場合では、アノード側反応室内のメタノール濃度を直接検出するので、より正確な検出信号に基づいた制御が可能となり、アノード側反応室での良好な反応効率の維持が確実となる。また、電流値検出手段を用いた場合では、燃料電池に接続される外部負荷で得られる電流値を検知すればよいので、もともと存在する構成を流用することが可能となり、燃料電池システムの構成が簡単となる。そして、これらを組み合わせた場合には、アノード側反応室内のメタノール量を複合的に検知可能となり、より正確な検出信号が得られる。
In the present invention, the methanol amount detection means is one or both of a methanol concentration detection means for detecting the concentration of the methanol aqueous solution in the anode reaction chamber and a current value detection means for detecting the current value generated in the fuel cell. It is desirable to be.
According to this invention, the supply control means monitors the concentration and / or current value of the methanol aqueous solution detected by one or both of the methanol concentration detection means and the current value detection means, and based on these detection signals. Control the methanol supply means and the water supply means. When using the methanol concentration detection means, the methanol concentration in the anode reaction chamber is directly detected, enabling control based on a more accurate detection signal, and maintaining good reaction efficiency in the anode reaction chamber. It becomes. Further, when the current value detecting means is used, it is only necessary to detect the current value obtained by the external load connected to the fuel cell, so that it is possible to divert the existing configuration, and the configuration of the fuel cell system is It will be easy. When these are combined, the amount of methanol in the anode reaction chamber can be detected in a complex manner, and a more accurate detection signal can be obtained.
本発明では、供給制御手段は、メタノール量検出手段からのメタノール量の検出信号が所定値以下であるとき、メタノール供給手段および水供給手段を制御してアノード側反応室にメタノールまたはメタノール水溶液を供給する制御を行うことが望ましい。
この発明によれば、供給制御手段がメタノール量の検出信号が所定値以下である時にメタノールまたはメタノール水溶液の供給を行うので、アノード側反応室内のメタノール量が所定値以下に低下せず、良好な反応効率が維持される。
なお、アノード側反応室にメタノールのみを供給する場合には、アノード側反応室に水を供給しないように水供給手段を制御すればよい。
In the present invention, the supply control means controls the methanol supply means and the water supply means to supply methanol or an aqueous methanol solution to the anode side reaction chamber when the methanol amount detection signal from the methanol amount detection means is not more than a predetermined value. It is desirable to perform control.
According to this invention, since the supply control means supplies methanol or an aqueous methanol solution when the detection signal of the amount of methanol is equal to or less than the predetermined value, the amount of methanol in the anode reaction chamber does not decrease below the predetermined value and is good. Reaction efficiency is maintained.
In the case where only methanol is supplied to the anode side reaction chamber, the water supply means may be controlled so as not to supply water to the anode side reaction chamber.
本発明では、供給制御手段は、所定時間毎に所定濃度のメタノール水溶液を所定量供給するメタノール水溶液供給指令を出力することが望ましい。
この発明によれば、供給制御手段が所定時間毎にメタノール水溶液供給指令を出力するので、アノード側反応室内のメタノール量を監視する必要がなく、供給制御手段の構成が簡単になる。これは特に、アノード側反応室内でのメタノールの消費速度が予め予測できる場合などに有用である。
In the present invention, it is desirable that the supply control means outputs a methanol aqueous solution supply command for supplying a predetermined amount of a methanol aqueous solution having a predetermined concentration every predetermined time.
According to this invention, since the supply control means outputs a methanol aqueous solution supply command every predetermined time, it is not necessary to monitor the amount of methanol in the anode side reaction chamber, and the configuration of the supply control means is simplified. This is particularly useful when the consumption rate of methanol in the anode reaction chamber can be predicted in advance.
本発明では、供給制御手段は、所定時間毎に水供給手段からの水をアノード側反応室に供給してアノード側反応室内部の液体を水と入れ替える液体交換指令を出力することが望ましい。
この発明によれば、アノード側反応室に必要量のメタノールまたはメタノール水溶液を供給してアノード側反応室のメタノール濃度を保持すると、メタノール水溶液の循環はない、またはあってもわずかとなるため、長期間の使用に伴ってアノード側反応室に蟻酸、ホルムアルデヒド、一酸化炭素などの副生成物が蓄積される場合がある。このような場合でも、供給制御手段が所定時間毎に液体交換指令を出力するので、アノード側反応室内の副生成物が所定時間毎に排出され、メタノールと水の反応効率の低下が確実に防止される。
In the present invention, it is desirable that the supply control means outputs a liquid exchange command for supplying water from the water supply means to the anode reaction chamber every predetermined time and replacing the liquid in the anode reaction chamber with water.
According to the present invention, if the required amount of methanol or aqueous methanol solution is supplied to the anode side reaction chamber to maintain the methanol concentration in the anode side reaction chamber, the methanol aqueous solution is not circulated or even slightly circulated. As the period is used, byproducts such as formic acid, formaldehyde, and carbon monoxide may accumulate in the anode reaction chamber. Even in such a case, the supply control means outputs a liquid exchange command every predetermined time, so that by-products in the anode side reaction chamber are discharged every predetermined time, thereby reliably preventing a reduction in the reaction efficiency of methanol and water. Is done.
本発明の装置は、前述の燃料電池また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、装置が前述の燃料電池または前述の燃料電池システムを備えているので、前述の効果と同様の効果を奏することができ、気液分離膜によって二酸化炭素の排出が良好となり、メタノールと水との反応効率が向上する。
The apparatus of the present invention includes the above-described fuel cell or the above-described fuel cell system.
According to this invention, since the apparatus includes the above-described fuel cell or the above-described fuel cell system, it is possible to achieve the same effect as the above-described effect, and the gas-liquid separation membrane improves the discharge of carbon dioxide, The reaction efficiency between methanol and water is improved.
本発明の燃料電池、燃料電池システムおよび装置によれば、気液分離膜がアノード側反応室内で生成される二酸化炭素を良好に排出するので、メタノールと水との反応効率が向上する。 According to the fuel cell, fuel cell system and apparatus of the present invention, the gas-liquid separation membrane discharges carbon dioxide generated in the anode reaction chamber satisfactorily, thereby improving the reaction efficiency between methanol and water.
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第二実施形態以降で、以下に説明する第一実施形態での構成部品と同じ部品および同様な機能を有する部品には同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。 Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the second embodiment and later described below, the same reference numerals are given to the same components and components having the same functions as those in the first embodiment described below, and description thereof will be simplified or omitted.
[第一実施形態]
図1には本発明の第一実施形態にかかる燃料電池1の側断面図が示されている。この図1において、燃料電池1は、直接メタノール形燃料電池(DMFC)であり、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1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を、この燃料電池セル10を複数枚積層したスタック構造としてもよい。
[First embodiment]
FIG. 1 is a side sectional view of a fuel cell 1 according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a fuel cell 1 is a direct methanol fuel cell (DMFC), and a
燃料電池セル10は、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、アノード電極3側に配置される気液分離膜9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。
The
ケース11のアノード電極3側には、燃料をケース11内部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。また、ケース11のカソード電極4側には、空気をケース11内部に供給するための空気孔113が複数形成されている。ここで、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。また、空気室41への空気の供給は自然吸気となっており、空気室41が空気孔113を介して大気に開放されることで空気室41への空気の供給が行われている。なお、燃料としては、メタノール(CH3OH)水溶液が供給される。
A
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、例えばナフィオン膜(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 and porous PTFE lumps, and is a microscopic structure that connects many micronodules and three-dimensionally connects the micronodules. 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
燃料室31の外側、つまり集電体7において、燃料拡散層5が設けられた側とは反対側の面には、当該面全面にわたって気液分離膜9が配置されている。気液分離膜9は、例えばセラミックス等、その厚み方向に貫通する孔(パス)を複数(多数)有する多孔質材料で構成され、気体を通過させるが液体を通過させない性質を有する。また、ケース11において気液分離膜9に対向する位置には、燃料室31から気液分離膜9を介して排出された二酸化炭素を外部に排出するための排出孔114が複数(多数)形成されている。
On the outside of the
このような燃料電池1を稼働するにあたっては、メタノール水溶液の供給手段を含んだ燃料電池システムを構築する必要がある。
図2には、燃料電池1を組み込んだ燃料電池システム100の概略構成図が示されている。この図2において、燃料電池システム100は、前述の燃料電池1と、燃料室31に供給されるメタノールを収納するメタノールタンク101と、メタノールを所定の濃度に希釈し、燃料室31での反応に供するための水としての純水を収納する純水タンク102と、メタノールおよび純水を混合するミキサ103と、ミキサ103で混合されたメタノール水溶液を燃料室31に送液するポンプ104と、メタノールおよび純水の供給動作を制御する供給制御手段105と、燃料室31内のメタノール濃度を検出するメタノール量検出手段としてのメタノール濃度検出手段106と、燃料室31から排出される廃液を収納する廃液タンク107とを備えている。
In operating such a fuel cell 1, it is necessary to construct a fuel cell system including a methanol aqueous solution supplying means.
FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of a
メタノールタンク101および純水タンク102は、燃料室31への流路が開閉可能なバルブ101A,102Aを備えている。これらのバルブ101A,102A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からの指令によりそれぞれ個別に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。
ミキサ103はメタノールタンク101からのメタノールと、純水タンク102からの純水を混合し、メタノールが均一に分散されたメタノール水溶液を作成する混合手段となっている。なお、メタノールのみ、または純水のみを燃料室31に供給する場合には、ミキサ103は一種類の液体を混合するのみで、実質的にはその機能を発揮することなく液体が通過するのみとなる。
ポンプ104は、燃料供給口111に接続されており、ミキサ103を単に通過したメタノール、純水、またはミキサ103で混合されたメタノール水溶液を燃料室31に送液する。このポンプ104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104のON,OFFが制御される。
The
The
The
ここで、本実施形態ではメタノールタンク101、バルブ101A、およびポンプ104を備えて本発明のメタノール供給手段が構成されており、また純水タンク102、バルブ102A、およびポンプ104を備えて本発明の水供給手段が構成されている。
なお、メタノールタンク101および純水タンク102は、一体のケースの内部が仕切られて形成されている構成であることが好ましく、例えばいわゆるカートリッジ方式で、メタノールタンク101および純水タンク102が同時に簡単に交換可能な構造であることが望ましい。
Here, in the present embodiment, the methanol supply means of the present invention is configured by including the
The
供給制御手段105は、メタノール濃度検出手段からのメタノール濃度の検出信号に基づいて、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値M以上に維持するように、メタノール供給手段および水供給手段を制御する。
ここで、所定値M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、供給制御手段105は、所定時間t1毎に燃料室31内の液体を純水と交換するために、液体交換用タイマ(図示せず)を内蔵している。所定時間t1は、燃料室31内でメタノールと水との反応により生成される、例えば蟻酸、ホルムアルデヒド、一酸化炭素等の副生成物が蓄積することにより反応効率が所定値以上低下しないように設定されることが好ましく、燃料電池1や燃料室31の容量、負荷、使用時間、廃液タンク107の容量等を勘案して適宜設定され、例えば10分〜1時間の間などに設定される。
Based on the methanol concentration detection signal from the methanol concentration detection unit, the
Here, the predetermined value M is preferably set within a range in which the reaction efficiency between methanol and the catalyst in the
In addition, the supply control means 105 incorporates a liquid replacement timer (not shown) in order to replace the liquid in the
メタノール濃度検出手段106は、燃料室31内に充填されている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り、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。
廃液タンク107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107は、メタノールタンク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、予めメタノールタンク101および純水タンク102を使い切って交換する際に、廃液タンク107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 methanol concentration detection means 106 detects the methanol concentration of the aqueous methanol solution filled in the
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。
図3は、燃料電池システム100の動作を示すフローチャートである。この図3に示されるように、まず、燃料電池システム100の起動時には、ステップS11において、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。この指令信号により、バルブ101A,102Aが開き、メタノールおよび純水がそれぞれ送液される。このとき、バルブ101A,102Aの開度は、メタノール水溶液の濃度が所定値M以上となるように、あらかじめ設定されている。メタノールおよび純水は、ミキサ103によって均一に混合され、ポンプ104で燃料室31に供給される。
Next, the operation of the
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of 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、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。
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
アノード電極3側で生成された二酸化炭素CO2は、生成された直後に気液分離膜9で分離され、排出孔114を通って外部に排出される。また、カソード電極4側で生成された水は、水蒸気として空気孔113から排出される。
In the
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
Proton H + passes through the polymer
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
The carbon dioxide CO 2 generated on the
図3のステップS12において、供給制御手段105は、内蔵される液体交換用タイマで所定時間t1を経過したか否かを判断する。所定時間t1を経過していない場合には、ステップS13に進み、メタノール濃度検出手段106を測定する。メタノール濃度検出手段106は、燃料室31内のメタノール水溶液の濃度を測定し、その検出信号を供給制御手段105に出力する。
供給制御手段105は、図3のステップS14において、メタノール濃度検出手段106からのメタノール濃度の検出信号が所定値M以上あるか否かを判断する。メタノール濃度の検出信号が所定値M以上である場合には、ステップS12に戻る。
In step S12 of FIG. 3, the supply control means 105 determines whether or not a predetermined time t1 has elapsed with a built-in liquid replacement timer. If the predetermined time t1 has not elapsed, the process proceeds to step S13, and the methanol concentration detecting means 106 is measured. The
In step S14 of FIG. 3, the
一方、ステップS14において、メタノール濃度の検出信号が所定値Mより小さい場合には、ステップS15に進み、供給制御手段105は、バルブ101Aおよびポンプ104にメタノール供給指令を出力する。このメタノール供給指令により、バルブ101Aが開き、ポンプ104が駆動し、メタノールタンク101からメタノールがミキサ103およびポンプ104を介して燃料室31に供給される。供給制御手段105は、ステップS16およびステップS17で燃料室31内のメタノール濃度を監視し、メタノール濃度の検出信号が所定値M以上となったときに、ステップS18に進みメタノール供給停止指令を出力することで、バルブ101Aを閉じ、ポンプ104を停止してステップS12に戻る。この動作により、燃料室31へのメタノールの供給が停止し、燃料室31内のメタノール水溶液のメタノール濃度は、所定値M前後の所定範囲内に維持される。
On the other hand, if the methanol concentration detection signal is smaller than the predetermined value M in step S14, the process proceeds to step S15, and the supply control means 105 outputs a methanol supply command to the
図4には、時間tに対する燃料室31内のメタノール水溶液の濃度を示した概念図である。この図4に示されるように、燃料室31では反応によってメタノールが消費されるため、時間tに伴って燃料室31内のメタノール濃度が減少して、水リッチな条件となってくる。ところが、メタノール濃度が所定値M以下となると、供給制御手段105がメタノール供給手段を制御してメタノールを燃料室31に供給するので、メタノール濃度は上昇し、これを繰り返すことにより、燃料室31内のメタノール水溶液のメタノール濃度が適切に維持される。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing the concentration of the aqueous methanol solution in the
ここで、本実施形態では、燃料室31内のメタノール水溶液を循環させていないため、メタノールと水とを長時間反応させると、蟻酸、ホルムアルデヒド、一酸化炭素などの中間生成物が蓄積する。これらの中間生成物は、水溶液中に溶解している場合が多く、気液分離膜9では分離されない。
そこでステップS12において、所定時間t1が経過したと判断された場合には、ステップS19に進み、供給制御手段105は液体交換指令信号をバルブ102Aおよびポンプ104に出力する。この液体交換指令信号により、純水タンク102から純水がミキサ103およびポンプ104を介して燃料室31に供給される。燃料室31に充填されているメタノール水溶液および微量の中間生成物は、純水に押し出されて排出され、廃液として廃液タンク107に収納される。
所定量の純水の供給が終了すると、供給制御手段105はステップS20において、内蔵された液体交換用タイマをリセットし、ステップS13に進む。
Here, in this embodiment, since the methanol aqueous solution in the
Therefore, when it is determined in step S12 that the predetermined time t1 has elapsed, the process proceeds to step S19, and the supply control means 105 outputs a liquid exchange command signal to the
When the supply of the predetermined amount of pure water is completed, the supply control means 105 resets the built-in liquid replacement timer in step S20, and proceeds to step S13.
以上のサイクルを繰り返すことにより、燃料室31に必要なメタノールおよび/または純水を供給し、燃料室31内のメタノール濃度を所定範囲内に維持する。また、メタノールタンク101内のメタノールおよび純水タンク102内の純水がなくなった場合には、メタノールタンク101および純水タンク102にそれぞれメタノールおよび純水を追加するか、またはメタノールタンク101および純水タンク102ごと交換すればよい。同様に、廃液タンク107に所定量以上の廃液が収納された場合には、廃液タンク107内の廃液を廃棄するか、または廃液タンク107ごと交換すればよい。
By repeating the above cycle, the required methanol and / or pure water is supplied to the
このような第一実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(1) 集電体7外側に気液分離膜9が対向して配置されることにより、気液分離膜9が燃料室31外側に配置される。このため、燃料室31で反応により発生した直後の二酸化炭素を気液分離膜9によって排出できる。したがって、燃料室31内においてメタノール水溶液のアノード電極3への接触面積を十分に確保でき、燃料電池1の反応効率を向上させることができる。これにより、長期間にわたって良好な発電量を確保できる。
また、気液分離膜9で二酸化炭素を排出するので、従来とは異なり、メタノール水溶液を循環させる必要がない。従って、供給したメタノールのほぼ全量を反応に使用することができ、燃料電池システム100の使用可能時間を長くできる。反対に、所定時間発電するために必要なメタノールの量が少なくてすむため、燃料電池システム100の小型化、軽量化を図ることができる。
According to such a first embodiment, the following effects can be obtained.
(1) The gas-
Further, since carbon dioxide is discharged by the gas-
(2) 供給制御手段105が、メタノール濃度が所定値M以下となったときにメタノールタンク101からメタノールを供給するように制御するので、燃料室31内のメタノール濃度が常に適切な濃度に維持できる。これにより、長時間にわたって燃料電池システム100を使用した場合でも、良好な反応効率を維持できる。
(3) 供給制御手段105が燃料室31内のメタノール濃度を調整するために、メタノール水溶液ではなくメタノールのみを供給するので、純水の使用量を最小限に抑制できる。したがって、純水タンク102の小型化を促進でき、燃料電池システム100の小型化、軽量化を促進できる。
(2) Since the supply control means 105 controls to supply methanol from the
(3) Since the supply control means 105 adjusts the methanol concentration in the
(4) 所定時間t1毎に燃料室31内のメタノール水溶液を純水と交換するので、メタノールと水との反応の途中で生成された副生成物を排除でき、反応効率を長時間にわたって良好に保持できる。また、このような純水の供給制御を行うことにより、純水が必要となるのは、最初にメタノール水溶液を充満させるときと、この水交換の時のみとなるので、メタノール水溶液を循環させる場合に比べてはるかに純水の必要量を少なくできる。よって純水タンク102および廃液タンク107を小型化することができ、燃料電池システム100の小型化、軽量化をより一層促進できる。反対に、同じ純水の量でより長時間燃料電池システム100を使用できる。
(4) Since the methanol aqueous solution in the
(5) メタノール濃度検出手段106が設けられ、供給制御手段105は燃料室31のメタノール濃度を直接監視してメタノール供給手段および水供給手段を制御するので、燃料室31内のメタノール濃度を直接検出して得たより正確な検出信号に基づいて制御を行え、より正確かつ確実な制御が行える。
(5) The methanol concentration detection means 106 is provided, and the supply control means 105 directly monitors the methanol concentration in the
[第二実施形態]
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態は、所定時間t2毎に所定量のメタノールを供給するものである。
図5には、第二実施形態にかかる燃料電池システム100の概略構成図が示されている。この図5において、供給制御手段105は、第一実施形態と同様の水交換用タイマを内蔵しているほか、メタノールを所定時間t2毎に供給するための、メタノール供給用タイマ(図示せず)も内蔵している。
ここで、所定時間t2は、燃料電池1の使用により、燃料室31内のメタノール濃度が稼働開始時の値から所定値M以下となるまでの時間に設定されることが好ましく、燃料電池1の外部負荷や、燃料電池1の容量、燃料室31内の稼働開始時のメタノール濃度の設定、メタノールの消費速度などを勘案して適宜設定され、例えば5分〜10分の間などに設定される。
また、第二実施形態の燃料電池システム100は、第一実施形態と異なりメタノール濃度検出手段を備えていない。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, a predetermined amount of methanol is supplied every predetermined time t2.
FIG. 5 shows a schematic configuration diagram of a
Here, the predetermined time t2 is preferably set to a time until the methanol concentration in the
Further, unlike the first embodiment, the
このような燃料電池システムは、次のように動作する。
図6は、第二実施形態にかかる燃料電池システム100の動作を示すフローチャートである。この図6において、供給制御手段105は、ステップS21で第一実施形態と同様に燃料室31にメタノール水溶液を供給して燃料室31内に充満させる制御を行う。
次に、ステップS22で所定時間t1を経過していない場合には、ステップS23において、供給制御手段105は、内蔵されたメタノール供給用タイマによって所定時間t2を経過したか否かを判断する。所定時間t2を経過していない場合には、ステップS22に戻る。ステップS23で所定時間t2を経過した場合には、ステップS24において、供給制御手段105はバルブ101Aおよびポンプ104にメタノール供給指令信号を出力する。この信号により、バルブ101Aが開き、ポンプ104が駆動することにより、燃料室31にメタノールが供給される。供給制御手段105は、所定時間バルブ101Aを開いて所定量のメタノールを供給した後、バルブ101Aを閉じ、ポンプ104を停止させて、メタノールの供給を停止する。
そして、ステップS25において、メタノール供給用タイマをリセットし、ステップS22に戻る。この制御により、燃料室31内には、所定時間t2毎に所定量のメタノールが供給される。
ステップS22,S26,S27では、第一実施形態と同様に、燃料電池1の使用時間が所定時間t1を経過した場合には、燃料室31内のメタノール溶液を純水と交換する。
Such a fuel cell system operates as follows.
FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the
Next, when the predetermined time t1 has not elapsed in step S22, in step S23, the supply control means 105 determines whether or not the predetermined time t2 has elapsed with the built-in methanol supply timer. If the predetermined time t2 has not elapsed, the process returns to step S22. When the predetermined time t2 has elapsed in step S23, the supply control means 105 outputs a methanol supply command signal to the
In step S25, the methanol supply timer is reset, and the process returns to step S22. By this control, a predetermined amount of methanol is supplied into the
In steps S22, S26, and S27, as in the first embodiment, when the usage time of the fuel cell 1 has passed the predetermined time t1, the methanol solution in the
このような第二実施形態によれば、第一実施形態の(1)、(3)および(4)の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
(6) 供給制御手段105が、所定時間t2毎にメタノールを所定量供給する制御を行うので、第一実施形態とは異なり、メタノール濃度検出手段106のような検出手段が不要となる。したがって供給制御手段105の構成を簡略化でき、部品点数も減少するので、燃料電池システム100の製造コストを低減できる。
また、測定値に応じてメタノール供給量を調整する必要もないので、応答性を向上させることができる。このような制御は特に、燃料電池システム100を外部負荷が一定の条件下で使用する場合など、メタノールの消費速度があらかじめわかっている場合などに有効である。
According to such a second embodiment, in addition to the same effects as the effects (1), (3) and (4) of the first embodiment, the following effects can be obtained.
(6) Since the
Moreover, since it is not necessary to adjust the methanol supply amount according to the measured value, the responsiveness can be improved. Such control is particularly effective when the consumption rate of methanol is known in advance, such as when 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。
水供給手段は、純水タンクに収納された純水のみを使用するものに限らない。つまり、例えば燃料電池のカソード側では反応により純水が生成されるので、これを再利用してもよい。この場合には、図7に示されるように、カソード側の空気室41と純水タンク102とを接続して、空気室41で水蒸気の状態で生成される純水を回収して純水タンク102に戻し、燃料室31に供給する純水として再利用すればよい。このような構成によれば、より純水タンクに収納する純水をより少なくすることができ、また反対に、所定量の純水でより長時間稼働でき、燃料電池システム100の寿命が長くなる。
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 water supply means is not limited to one using only pure water stored in the pure water tank. That is, for example, pure water is generated by the reaction on the cathode side of the fuel cell, and this may be reused. In this case, as shown in FIG. 7, the cathode-
アノード側で反応が終わった液体は、殆どが水であるので、図7に示されるように、この液体を廃液タンクに収納せず純水タンクに戻してもよい。この場合には、反応が終わった液体には若干の副生成物や未反応のメタノールなどが含まれているが、ごく微量であるので、これらの副生成物等による燃料室31での反応効率に悪影響がない範囲であれば純水のリサイクルを可能にできる。これにより、純水タンク102の全体の容量をさらに小さくすることができ、燃料電池システム100の寿命をより長くできる。
Since the liquid that has been reacted on the anode side is mostly water, as shown in FIG. 7, this liquid may be returned to the pure water tank without being stored in the waste liquid tank. In this case, the reaction-finished liquid contains some by-products and unreacted methanol, but since the amount is very small, the reaction efficiency in the
供給制御手段は、アノード側反応室にメタノールの原液を供給する制御を行うものに限らず、例えばアノード側反応室に所定濃度のメタノール水溶液を供給してアノード側反応室内のメタノール水溶液の濃度を所定範囲内に保持する制御を行うように構成してもよい。この場合には、メタノールが予め水にある程度分散されているため、燃料室内でメタノールがより均一に分散し易く、アノード電極での反応が良好となる。 The supply control means is not limited to controlling the supply of the methanol stock solution to the anode side reaction chamber. You may comprise so that the control hold | maintained within the range may be performed. In this case, since methanol is dispersed in water to some extent in advance, methanol is more easily dispersed more uniformly in the fuel chamber, and the reaction at the anode electrode is improved.
また、アノード側反応室に供給するメタノール原液またはメタノール水溶液は、一定濃度のものに限らず、例えば燃料電池システムを、メタノール水溶液の濃度を調節可能に構成して、アノード側反応室内のメタノール濃度に応じた濃度のメタノール水溶液を供給してもよい。この場合には、メタノールタンクのバルブおよび純水タンクのバルブを開度調整可能にし、供給制御手段によってこれらのバルブの開度をそれぞれ調整すればよい。 Further, the methanol stock solution or aqueous methanol solution supplied to the anode side reaction chamber is not limited to a constant concentration. For example, the fuel cell system is configured so that the concentration of the methanol aqueous solution can be adjusted, so that the methanol concentration in the anode side reaction chamber is adjusted. A methanol aqueous solution having a corresponding concentration may be supplied. In this case, the opening of the valves of the methanol tank and the pure water tank can be adjusted, and the opening of these valves may be adjusted by the supply control means.
さらに、供給制御手段は、アノード側反応室内のメタノール濃度が所定値以下となった場合にメタノールまたはメタノール水溶液を供給する制御を行うほか、例えばメタノール濃度が所定値以上となった場合には、水のみを供給して希釈する制御を行ってもよい。
供給制御手段は、アノード側反応室のメタノール濃度が所定値以下となった場合のみにメタノールまたはメタノール水溶液を供給するものに限らず、例えばメタノール水溶液を常に一定量ずつ供給し、アノード側反応室内にメタノール水溶液を常に交換させる、いわゆる循環制御を行ってもよい。この場合には、メタノール水溶液の循環量が十分に多ければ、循環するメタノール水溶液と一緒に副生成物も排出されるため、所定時間毎に燃料室内の液体を水と交換する水交換作業が不要となる場合がある。
Further, the supply control means performs control to supply methanol or an aqueous methanol solution when the methanol concentration in the anode reaction chamber becomes a predetermined value or less. For example, when the methanol concentration becomes a predetermined value or more, You may control to supply only and dilute.
The supply control means is not limited to supplying methanol or an aqueous methanol solution only when the methanol concentration in the anode side reaction chamber becomes a predetermined value or less. For example, the supply aqueous solution always supplies a constant amount of methanol aqueous solution into the anode side reaction chamber. You may perform what is called circulation control which always replaces methanol aqueous solution. In this case, if the circulation amount of the aqueous methanol solution is sufficiently large, by-products are also discharged together with the circulating aqueous methanol solution, so water exchange work for exchanging the liquid in the fuel chamber with water every predetermined time is unnecessary. It may become.
供給制御手段は、メタノール濃度が予め設定された所定値以下である場合にメタノールを供給する、下限値としての設定値のみを有するものに限らず、例えばメタノール濃度の設定値を上限値および下限値を有する所定範囲とし、アノード側反応室内のメタノール濃度がこの所定範囲内となるようにメタノール原液またはメタノール水溶液の供給量を制御してもよい。この場合には、例えばメタノール濃度が所定範囲の下限値以下となったときにメタノールの供給を開始し、所定範囲の上限値以上となったときにメタノールの供給を停止すればよい。このような制御によれば、メタノール濃度の設定に幅があるので、メタノール供給の頻度が少なくなり、制御が安定する。 The supply control means is not limited to having only a set value as a lower limit value for supplying methanol when the methanol concentration is equal to or lower than a predetermined value set in advance. For example, the set value of the methanol concentration is set to an upper limit value and a lower limit value. The supply amount of the methanol stock solution or aqueous methanol solution may be controlled so that the methanol concentration in the anode reaction chamber is within this predetermined range. In this case, for example, the supply of methanol may be started when the methanol concentration becomes equal to or lower than the lower limit value of the predetermined range, and the supply of methanol may be stopped when the methanol concentration becomes equal to or higher than the upper limit value of the predetermined range. According to such control, since there is a range in the setting of the methanol concentration, the frequency of methanol supply is reduced and the control is stabilized.
さらに、供給制御手段は、メタノールを供給している間メタノール濃度を監視し、メタノール濃度が所定値以上となったときに供給を停止する、いわゆるフィードバック制御を行うものに限らず、例えばメタノール濃度が所定値以下となった場合には、予め設定された所定量のメタノールまたはメタノール水溶液を供給するフィードフォワード制御を行ってもよい。この場合には、メタノールの供給中にメタノール濃度を監視する必要がないので、供給制御手段による制御がより簡単になる。 Furthermore, the supply control means is not limited to the so-called feedback control that monitors the methanol concentration while supplying methanol and stops the supply when the methanol concentration exceeds a predetermined value. When the value is less than or equal to a predetermined value, feedforward control for supplying a predetermined amount of methanol or aqueous methanol solution may be performed. In this case, since it is not necessary to monitor the methanol concentration during the supply of methanol, the control by the supply control means becomes easier.
メタノール濃度検出手段によるメタノール濃度の検出は、常時行うものに限らず、例えば所定時間毎に検出してもよい。この場合には、常にメタノール濃度の検出を行う場合に比べて検出のために消費される電力を削減でき、燃料電池システムの省電力化を促進できる。 The detection of the methanol concentration by the methanol concentration detection means is not limited to the constant detection, and may be detected, for example, every predetermined time. In this case, compared with the case where the methanol concentration is always detected, the power consumed for detection can be reduced, and the power saving of the fuel cell system can be promoted.
メタノール量検出手段は、アノード側反応室内のメタノール濃度を直接測定するものに限らず、例えば燃料電池で発生する電流値を検出する電流値検出手段であってもよい。この場合には、アノード側反応室内のメタノール濃度が低下すると反応効率も低下するため、発生する電流値も低下する。したがって、供給制御手段では、電流値検出手段で検出される電流値を監視し、この電流値が所定値または所定範囲以下となった場合に、メタノール原液またはメタノール水溶液の供給を行えばよい。このような構成によれば、外部負荷を流れる電流値を測定すればよいので、もともと存在する構成を流用でき、メタノール量検出手段の構成が簡単になり、燃料電池システムを安価に製造できる。
また、メタノール量検出手段は、例えばメタノール濃度検出手段および電流値検出手段など、複数の検出手段を組み合わせて構成してもよい。この場合には、複数の検出信号から複合的にメタノールの量を検知できるので、より正確なメタノール量の制御を行える。
なお、メタノール量検出手段は、メタノール濃度を検出するメタノール濃度検出手段や、燃料電池で発生する電流値を検出する電流値検出手段に限らず、その他任意の方式を採用できる。
The methanol amount detecting means is not limited to directly measuring the methanol concentration in the anode side reaction chamber, and may be, for example, a current value detecting means for detecting a current value generated in the fuel cell. In this case, when the methanol concentration in the anode side reaction chamber is lowered, the reaction efficiency is also lowered, so that the generated current value is also lowered. Therefore, the supply control means may monitor the current value detected by the current value detection means, and supply the methanol stock solution or aqueous methanol solution when the current value falls below a predetermined value or a predetermined range. According to such a configuration, it is only necessary to measure the value of the current flowing through the external load, so that the configuration that originally exists can be used, the configuration of the methanol amount detection means becomes simple, and the fuel cell system can be manufactured at low cost.
The methanol amount detection means may be configured by combining a plurality of detection means such as a methanol concentration detection means and a current value detection means. In this case, since the amount of methanol can be detected in combination from a plurality of detection signals, more accurate control of the amount of methanol can be performed.
The methanol amount detecting means is not limited to the methanol concentration detecting means for detecting the methanol concentration and the current value detecting means for detecting the current value generated in the fuel cell, and any other method can be adopted.
本発明の燃料電池または燃料電池システムは、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、その他任意の装置に適用できる。 Since the fuel cell or fuel cell system of the present invention can promote downsizing, it can be applied to portable devices such as mobile phones and notebook computers, cars, and any other 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、3…アノード電極、4…カソード電極、5…燃料拡散層、6…空気拡散層、7,8…集電体、9…気液分離膜、31…燃料室(アノード側反応室)、41…空気室、100…燃料電池システム、101…メタノールタンク(メタノール供給手段)、101A,102A…バルブ、102…純水タンク(水供給手段)、103…ミキサ、104…ポンプ、105…供給制御手段、106…メタノール濃度検出手段(メタノール量検出手段)。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Polymer solid electrolyte membrane, 3 ... Anode electrode, 4 ... Cathode electrode, 5 ... Fuel diffusion layer, 6 ... Air diffusion layer, 7, 8 ... Current collector, 9 ... Gas-liquid separation membrane, DESCRIPTION OF
Claims (8)
この高分子固体電解質膜の両側にそれぞれ設けられるアノード電極およびカソード電極と、
前記アノード電極および前記カソード電極に隣接してそれぞれ設けられるアノード側反応室およびカソード側反応室と、
前記アノード側反応室に直接メタノールを供給することによって電気エネルギを得る燃料電池であって、
前記アノード側反応室外側には、前記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る
ことを特徴とする燃料電池。 A polymer solid electrolyte membrane having proton conductivity;
An anode electrode and a cathode electrode respectively provided on both sides of the polymer solid electrolyte membrane;
An anode side reaction chamber and a cathode side reaction chamber respectively provided adjacent to the anode electrode and the cathode electrode;
A fuel cell that obtains electric energy by directly supplying methanol to the anode reaction chamber,
A fuel cell, characterized in that a gas-liquid separation membrane for separating carbon dioxide produced after the reaction between methanol and water is provided outside the anode side reaction chamber.
前記アノード側反応室にメタノールを供給するメタノール供給手段と、
前記アノード側反応室に水を供給する水供給手段と、
前記アノード側反応室内のメタノール濃度が所定範囲内となるように前記メタノール供給手段および前記水供給手段を制御する供給制御手段とを備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell according to claim 1;
Methanol supply means for supplying methanol to the anode reaction chamber;
Water supply means for supplying water to the anode reaction chamber;
A fuel cell system comprising: a supply control means for controlling the methanol supply means and the water supply means so that the methanol concentration in the anode reaction chamber is within a predetermined range.
前記アノード側反応室内のメタノール量を検出するメタノール量検出手段を備え、
前記供給制御手段は、前記メタノール量検出手段からのメタノール量の検出信号に基づいて前記メタノール供給手段および前記水供給手段を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
A methanol amount detecting means for detecting the amount of methanol in the anode reaction chamber;
The fuel cell system, wherein the supply control means controls the methanol supply means and the water supply means based on a methanol amount detection signal from the methanol amount detection means.
前記メタノール量検出手段は、前記アノード側反応室内のメタノール水溶液の濃度を検出するメタノール濃度検出手段、および前記燃料電池で発生する電流値を検出する電流値検出手段のいずれか一つまたは両方である
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2 or 3,
The methanol amount detection means is one or both of a methanol concentration detection means for detecting the concentration of the aqueous methanol solution in the anode reaction chamber and a current value detection means for detecting a current value generated in the fuel cell. A fuel cell system.
前記供給制御手段は、前記メタノール量検出手段からのメタノール量の検出信号が所定値以下であるとき、前記メタノール供給手段および前記水供給手段を制御して前記アノード側反応室にメタノールまたはメタノール水溶液を供給する制御を行う
ことを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 3 or 4,
The supply control means controls the methanol supply means and the water supply means to supply methanol or an aqueous methanol solution to the anode reaction chamber when a detection signal of the methanol amount from the methanol quantity detection means is a predetermined value or less. A fuel cell system characterized by performing supply control.
前記供給制御手段は、所定時間毎にメタノールまたは所定濃度のメタノール水溶液を所定量供給するメタノール供給指令を出力する
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 2 to 5,
The fuel supply system is characterized in that the supply control means outputs a methanol supply command for supplying a predetermined amount of methanol or a methanol aqueous solution having a predetermined concentration every predetermined time.
前記供給制御手段は、所定時間毎に前記水供給手段からの水を前記アノード側反応室に供給して前記アノード側反応室内部の液体を水と入れ替える液体交換指令を出力する
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 2 to 6,
The supply control means supplies water from the water supply means to the anode side reaction chamber every predetermined time and outputs a liquid exchange command for replacing the liquid in the anode side reaction chamber with water. Fuel cell system.
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