JP2009221072A - Cartridge for hydrogen supply and fuel cell power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、民生用コージェネレーションや自動車用などの移動体用発電器、携帯用電源として有用な固体高分子形燃料電池を有する燃料電池発電システムに用いることができる水素供給用カートリッジ、および該水素供給用カートリッジを備えた燃料電池発電システムに関するものである。 [Technical Field] The present invention relates to a hydrogen supply cartridge that can be used in a power generator for a mobile object such as a consumer cogeneration system or an automobile, a solid polymer fuel cell useful as a portable power source, and the hydrogen The present invention relates to a fuel cell power generation system including a supply cartridge.
固体高分子形燃料電池は、室温から100℃以下までの低温で動作し、迅速な起動停止、高出力密度が可能であるなどの特徴を有するため、民生用コージェネレーションや自動車用などの移動体用発電器、携帯用電源として期待されている。 Solid polymer fuel cells operate at low temperatures from room temperature to 100 ° C or less, and have features such as quick start / stop and high output density, so mobile bodies for consumer cogeneration, automobiles, etc. It is expected to be used as a power generator and portable power source.
固体高分子型燃料電池(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuell Cell)は、電解質膜層としての水素イオン伝導性高分子電解質膜と、その両面に配された触媒層と、更にその両面に配されたガス拡散層なる多孔質の電極基材で構成された電極・電解質一体化物(MEA:Membrane electrode assembly)を有している。 A polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane layer, a catalyst layer disposed on both sides thereof, and a gas disposed on both sides thereof. It has an electrode / electrolyte integrated body (MEA: Membrane electrode assembly) composed of a porous electrode base material serving as a diffusion layer.
PEMFCに使用する燃料としては、可燃性ガスである水素が挙げられるが、こうした水素を製造する方法としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ケイ素、亜鉛などの水素発生物質と水とを化学反応させて水素を発生させる方法が公知である。具体的には、例えば特許文献1に、水素発生物質と水との発熱反応を利用して、更に供給する水を制御することで発熱反応を安定に保持する方法、および水素発生物質もしくは水のいずれか、またはそれらの両者を加熱することで反応を容易に進行させることが提案されている。
The fuel used for PEMFC includes hydrogen, which is a flammable gas. As a method for producing such hydrogen, for example, a hydrogen generating substance such as aluminum, magnesium, silicon, and zinc is chemically reacted with water. Methods for generating hydrogen are known. Specifically, for example,
ところで、特許文献1の図3によると、水素発生物質への水などの供給を減少または停止した場合、水素発生が直ちに止まらず、しばらく継続する現象が確認される。これは、例えば水素発生物質としてアルミニウム粉末を使用する場合、初めにアルミニウム粉末表面に形成されている皮膜(酸化皮膜)をアルカリなどによって溶解するなどしてから、供給する水をアルミニウム粉末内部に浸透させて水素を発生させるが、水の供給を止めた後も、系内に残存している水との反応によって、水素発生がしばらく継続するためである。
By the way, according to FIG. 3 of
そのため、例えば、燃料電池などの水素を使用する機器に適用される水素供給用カートリッジにおいて、水素の確保に特許文献1に記載の方法を利用した場合、機器の運転の停止と同時に水素発生物質への水の供給を停止しても、水素供給用カートリッジ内で水素発生がしばらく継続する。よって、水素供給用カートリッジを機器から取り外す際に、系外への水素の漏出を防ぐには、水素発生物質への水の供給停止から水素供給用カートリッジの取り外しまでに、かなりの時間をおく必要がある。
Therefore, for example, in a hydrogen supply cartridge that is applied to a device that uses hydrogen, such as a fuel cell, when the method described in
前記のような問題を解決する技術として、例えば、燃料電池を格納するスタックケースに冷却液を充満して、前記冷却液内に漏れ出てくる気体を集め、気液分離後に気体を触媒燃焼する触媒燃焼器を備えた燃料電池システムが提案されている(特許文献2)。 As a technique for solving the above problems, for example, a stack case storing a fuel cell is filled with a cooling liquid, gas leaking into the cooling liquid is collected, and the gas is catalytically burned after gas-liquid separation. A fuel cell system including a catalytic combustor has been proposed (Patent Document 2).
ところが、特許文献2の技術では、燃料電池システムを格納したスタックケース内に冷却液を封入する必要があるが、特に携帯機器用途などの場合、機器が常に一定方向を向いている訳ではないため、漏れ出てくる気体を効率よく捕集することが難しい。また、水素を捕集し除去する構成を含めた燃料電池発電システムが大型化する虞がある。
However, in the technique of
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池などの水素を使用する機器に水素を供給するための水素供給用カートリッジであって、機器の運転停止時に存在する余剰水素を迅速に処理できる水素供給用カートリッジと、該水素供給用カートリッジを用いた燃料電池発電システムとを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is a hydrogen supply cartridge for supplying hydrogen to a device using hydrogen, such as a fuel cell, and is present when the operation of the device is stopped. An object of the present invention is to provide a hydrogen supply cartridge capable of quickly processing surplus hydrogen and a fuel cell power generation system using the hydrogen supply cartridge.
前記目的を達成し得た本発明の水素供給用カートリッジは、水素を用いる装置に接続が可能な水素供給用カートリッジであって、反応により水素を発生する水素発生物質を収容可能な収容容器と、発生した水素の余剰分を除去し外部への散逸を防止するための水素除去装置とを有することを特徴とするものである。 The hydrogen supply cartridge of the present invention that has achieved the above object is a hydrogen supply cartridge that can be connected to an apparatus that uses hydrogen, and a storage container that can store a hydrogen generating substance that generates hydrogen by a reaction; It has a hydrogen removing device for removing surplus generated hydrogen and preventing dissipation to the outside.
また、本発明の燃料電池発電システムは、酸素を還元する正極と、水素を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を備えた燃料電池本体、および本発明の水素供給用カートリッジを備えたことを特徴とするものである。 The fuel cell power generation system of the present invention includes an electrode / electrolyte integrated product having a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing hydrogen, and a solid electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode. The fuel cell main body and the hydrogen supply cartridge of the present invention are provided.
本発明によれば、運転停止後の機器から取り外す際に、簡単な操作で余剰水素を迅速に除去できる水素供給用カートリッジを提供できる。よって、本発明の水素供給用カートリッジを用いた本発明の燃料電池発電システムでは、例えば水素供給用カートリッジの交換時に系外への水素の漏出を防止できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when removing from the apparatus after a stop of operation, the cartridge for hydrogen supply which can remove excess hydrogen rapidly by simple operation can be provided. Therefore, in the fuel cell power generation system of the present invention using the hydrogen supply cartridge of the present invention, for example, hydrogen can be prevented from leaking out of the system when the hydrogen supply cartridge is replaced.
図1に、本発明の燃料電池発電システムの構成例の概略図を示す。1は燃料電池であり、電気的に直列に接続された複数の電極・電解質一体化物(MEA)100を有しており、外部負荷6(燃料電池発電システムが適用される電子機器など)に接続されている。2は、燃料電池1へ燃料である水素を供給するための水素製造装置であり、例えば、この水素製造装置2が、本発明の水素供給用カートリッジを有していてもよく、水素製造装置2が本発明の水素供給用カートリッジのみで構成されていてもよい。また、燃料電池1と水素製造装置2との間には、燃料流路4が形成されている。5は通気経路である。更に、燃料流路4の横の矢印は、水素の流通方向である(後記の各図面においても同じである。)
FIG. 1 shows a schematic diagram of a configuration example of a fuel cell power generation system of the present invention.
3はストップバルブで、燃料電池1の運転停止に合わせて閉じることで、水素製造装置2から燃料電池1への水素の供給を遮断し、また、燃料電池1の運転時に合わせて開くことで、水素製造装置2から燃料電池1への水素の供給を可能とするためのものである。
3 is a stop valve, which is closed when the
なお、本発明の燃料電池発電システムには、ストップバルブは必須ではないが、ストップバルブを設ける場合には、図1に示すように、水素製造装置2と燃料電池1との間に配置することが好ましい。更に、図1では、外部負荷6が、スイッチング可能に燃料電池1に接続された構成を示しているが、外部負荷6は燃料電池1に常時接続した状態で構成してもよい。
In the fuel cell power generation system of the present invention, a stop valve is not essential, but when a stop valve is provided, it is disposed between the
図2に、本発明の水素供給用カートリッジの一例を模式的に示している。図2では、水素供給用カートリッジ20を燃料電池発電システムから取り外し、水素除去装置20bを作動させた状況を図示しているが、各構成要素の理解を容易にするために、一部の構成要素については、断面であることを示す斜線を付していない(後記の図3においても、同様である。)。
FIG. 2 schematically shows an example of the hydrogen supply cartridge of the present invention. In FIG. 2, the
本発明の水素供給用カートリッジ20は、図2に示すように、水素発生物質を収容するための水素発生物質収容容器20aと、水素除去装置20bとを有している。なお、水素発生物質収容容器20aには、水を供給して水素発生物質と水とを反応させ、水素を発生させる。そのため、水素発生物質収容容器20aは、反応容器としての役割も担っている。
As shown in FIG. 2, the
水素除去装置20bは、燃料電池発電システムが停止時、すなわち水素供給用カートリッジ20の水素発生速度が低下した後、水素供給用カートリッジ20を燃焼電池発電システムから取り外す場合に作動させる。
The
なお、図2に示す水素供給用カートリッジ20は、燃料電池発電システムから取り外した後、水素発生物質収容容器20aの水素導出パイプ29と水素除去装置20bとを、ネジ構造により固定して、水素除去装置20bを作動させる構成を有している。このような構成を採用することで、水素発生物質収容容器20aからの水素の漏れをより確実に防止しつつ、水素発生物質収容容器20aと水素除去装置20bとを接合することができる。
The
図2に示す水素供給用カートリッジ20に係る水素除去装置20bは、正極と負極とを導通可能にしたMEA200を有している。MEA200は、酸素を還元する正極触媒層202と、水素を酸化する負極触媒層204とを有しており、更に、正極触媒層202と負極触媒層204との間に固体電解質膜203を備えている。また、正極触媒層202の固体電解質膜203側の面の反対面には、積層された正極拡散層201を有しており、負極触媒層204の固体電解質膜203側の面の反対面には、積層された負極拡散層205を有している。
A
正極拡散層201および負極拡散層205は、多孔性の電子伝導性材料などから構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。なお、正極拡散層201や負極拡散層205の触媒層側には、更なる撥水性向上および触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子[ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂粒子など]を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
The positive
負極触媒層204は、負極拡散層205を介して拡散してきた水素を酸化する機能を有している。負極触媒層204は、例えば、触媒を担持した炭素粉末(触媒担持炭素粉末)と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
The negative
負極触媒層204の含有する触媒としては、水素を酸化できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。また、前記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムおよび金よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素と白金との合金であってもよい。
The catalyst contained in the negative
また、負極触媒層204に用いる触媒を構成する金属微粒子として、白金合金を使用する場合、白金合金は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、クロム、金、鉄、モリブデンおよびスズからなる群から選択される少なくとも1種の金属と白金との合金で構成される微粒子であってもよい。
Further, when a platinum alloy is used as the metal fine particles constituting the catalyst used in the negative
更に、負極触媒層204の触媒を構成する金属微粒子の平均粒子径は、金属微粒子の表面積を大きくして、水素酸化反応活性をより高める観点から、2〜5nmであることが好ましい。
Furthermore, the average particle diameter of the metal fine particles constituting the catalyst of the negative
触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、BET比表面積が10〜2000m2/gであり、平均粒子径が20〜100nmのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への前記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行うことができる。 As the carbon powder as the catalyst carrier, for example, carbon black having a BET specific surface area of 10 to 2000 m 2 / g and an average particle diameter of 20 to 100 nm is used. The catalyst can be supported on the carbon powder by, for example, a colloid method.
前記炭素粉末と前記触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末100質量部に対して、触媒が5〜400質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。また、例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法(例えば、コロイド法)で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが前記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。 As a content ratio of the carbon powder and the catalyst, for example, the catalyst is preferably 5 to 400 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon powder. This is because such a content ratio can constitute a positive electrode catalyst layer having sufficient catalytic activity. Further, for example, when the catalyst-supported carbon powder is produced by a method of depositing the catalyst on the carbon powder (for example, a colloid method), the catalyst diameter is as long as the carbon powder and the catalyst have the above-mentioned content ratio. This is because it does not become too large and sufficient catalytic activity is obtained.
負極触媒層204に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」、旭硝子社製の「フレミオン(登録商標)」、旭化成工業社製の「アシプレックス(商品名)」などが挙げられる。
The proton conductive material contained in the negative
負極触媒層204におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末100質量部に対して、2〜200質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が前記の量で含有されていれば、負極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
The content of the proton conductive material in the negative
負極触媒層204に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、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)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(E/TFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)およびポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体およびエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などを用いることができる。
The binder for the negative
負極触媒層204におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末100質量部に対して、0.01〜100質量部であることが好ましい。バインダが前記の量で含有されていれば、負極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
The binder content in the negative
正極触媒層202は、正極拡散層201を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有している。正極触媒層202は、例えば、触媒を担持した炭素粉末(触媒担持炭素粉末)と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
The positive
正極触媒層202の含有する触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、負極触媒層に係る触媒として例示した前記の各触媒を用いることができる。正極触媒層に係る前記炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダについても、負極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダとして例示した前記の各材料を用いることができる。
The catalyst contained in the positive
固体電解質膜203は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体電解質膜203を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」、旭硝子社製の「フレミオン(登録商標)」、旭化成工業社製の「アシプレックス(商品名)」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体電解質膜203の材料として用いることができる。
The
そして、MEA200は、正極拡散層201の上部に配置された正極集電板21と、負極拡散層204の下部に配置された負極集電板22とで挟持されており、正極集電板21と負極集電板22とは、例えばボルト24とナット25により固定されている。なお、23はシリコンゴムなどからなるシール材である。
The
正極集電板21および負極集電板22は、例えば、白金、金などの貴金属や、ステンレス鋼などの耐食性金属、またはカーボンなどから構成されている。また、それらの材料に耐食性向上のために、表面にメッキや塗装が施されている場合もある。
The positive electrode
正極集電板21には複数の空気孔21aが形成されており、これら空気孔21aを通じて大気中の酸素がMEA200の正極に供給されるようになっている。一方、負極集電板22には複数の水素導入孔22aが形成されており、これら水素導入孔22aを通じて水素発生物質収容容器20aの水素導出パイプ29から排出された水素がMEA200の負極に供給される。また、正極集電板21と負極集電板22には、導電板27が接続されている。
A plurality of
そして、図2に示す水素供給用カートリッジ20では、燃料電池発電システムから取り外したときに、ネジ部26によって水素発生物質収容容器20aと水素除去装置20bとを連結すると、MEA200の正極−負極間が導電板27によって導通状態となり、水素発生物質収容容器20aから水素除去装置20b内に供給された水素が消費される。よって、燃料電池発電システムから取り外した水素供給用カートリッジ20から生じる水素を完全に無くすか、またはその水素量を大幅に低減することができる。
In the
図2に示す水素除去装置20bでは、MEA200の正極と負極とを、導電板27を介して接続しているが、かかる導電板27としては、例えば、燃料電池発電システムに係る燃料電池1の停止後、MEA200の正極−負極間の電圧が0.1V以下となるのに要する時間が1分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、導電板27を用いなくても、このような時間でMEA200の正極−負極間の電圧を前記のように下げることができるのであれば、MEA200の正極と負極とは、導電板27を用いずにリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
In the
また、導電板27の表面に絶縁膜28などを設けることで、漏電を防ぐことができる。ここでの絶縁膜28は、電気伝導性のない材料であれば特に制限はなく、例えば、ポリプロピレンやネオプレンゴムなどを用いることができる。
Further, by providing the insulating
なお、水素発生物質と水とを反応させて水素を発生させる反応では発熱を伴うため、かかる反応を行う水素発生物質収容容器20a(詳しくは後述する)の内部において、水素発生反応が進行している際には、例えば容器の表面温度が上昇する。よって、図2に示すように、水素供給用カートリッジ20において、水素発生物質収容容器20a近傍に温度センサー20cを設置し、温度センサー20cにより水素発生物質収容容器20aの表面温度を計測することで、水素発生反応の進行の程度を把握することができる。例えば、燃料電池発電システムから水素供給用カートリッジ20を取り外す際には、温度センサー20cにより計測される水素発生物質収容容器20aの表面温度が、80℃以下であることが好ましく、50℃以下であることがより好ましい。水素発生物質収容容器20aの表面温度が前記温度を超えている場合には、容器内部での水素発生反応が非常に進行しているため、水素除去装置20bによる水素除去効率が低下する虞があるからである。
In addition, since the reaction of generating hydrogen by reacting the hydrogen generating substance with water is accompanied by heat generation, the hydrogen generating reaction proceeds inside the hydrogen generating
なお、燃料電池発電システムから水素供給用カートリッジを取り外す際の温度の下限については特に制限はなく、燃料電池発電システムが使用される環境の温度[通常は常温(25℃程度)]であってもよい。 In addition, there is no restriction | limiting in particular about the minimum of the temperature at the time of removing the cartridge for hydrogen supply from a fuel cell power generation system, Even if it is the temperature [usually normal temperature (about 25 degreeC)] of the environment where a fuel cell power generation system is used. Good.
水素発生物質収容容器20aの表面温度を計測する温度センサー20cの取付け位置は、容器表面の温度変化を正確に検知できる場所であれば、容器内部および表面の一部に設置してもよく、また、図1に示す燃料電池発電システムに係る燃料経路4の一部に設置するなど特に制限はないが、外部温度に左右されず計測できる位置が好ましく、例えば、容器20aの外底部または底部近傍の外側面などが望ましい。
The mounting position of the
温度センサー20cは、容器温度を正確に計測できるものであれば特に制限されず、例えば、白金測温抵抗体、サーミスタ、熱電対、IC化温度センサーなどの接触式センサー;熱を検知する放射温度計などの非接触式センサー;などが用いられるが、小型で感度の良いものとして、サーミスタや熱電対が好適に用いられる。
The
水素発生物質収容容器20aの表面温度は、その温度変化を温度センサー20cでモニタリングし、マイクロコンピューターなどの回路上で計算処理することが好ましい。また、容器20aの表面温度が、燃料電池発電システムから水素供給用カートリッジ20を取り外すのに適した温度であることを示す表示灯を設置することがより好ましい。
The surface temperature of the hydrogen generating
図2に示す水素供給用カートリッジ20では、水素除去装置20bを1個だけ有しているが、水素供給用カートリッジは水素除去装置を複数個(2個、3個、4個など)有していてもよい。水素供給用カートリッジが水素除去装置を複数個有する場合、より多くの個数を有することで、例えば触媒が劣化するなどして1つの水素除去装置の水素除去性能が低下したとしても、他の水素除去装置によって補うことができるため、水素の除去性能をより長期間にわたって保持し得る水素供給用カートリッジとすることができる。なお、水素供給用カートリッジに係る水素除去装置に使用するMEAの面積(平面視での面積)の目安は、例えば、負極触媒層におけるPt触媒の量が0.3mg/cm2である場合には、水素1ml/minに対し、好ましくは2.0mm2以上、より好ましくは3.0mm2以上であって、好ましくは10mm2以下、より好ましくは6.0mm2であればよく、これにより水素除去性能を良好に保持することができる。
The
また、図3には、本発明の水素供給用カートリッジの他の例を模式的に示している。図3中、図2と機能が共通する構成要素は、共通の符号を付して重複説明を避ける。図3中、(a)は、水素供給用カートリッジを燃料電池発電システムから取り外した直後で水素除去装置の作動前の状態を示しており、(b)は、水素除去装置が作動した状態を示している。 FIG. 3 schematically shows another example of the hydrogen supply cartridge of the present invention. In FIG. 3, components having the same functions as those in FIG. 3A shows a state immediately after the hydrogen supply cartridge is removed from the fuel cell power generation system and before the operation of the hydrogen removing device, and FIG. 3B shows a state where the hydrogen removing device is activated. ing.
図3の水素供給用カートリッジ20では、その蓋部分が水素除去装置20bとなっており、この水素除去装置20bは、水素発生物質収容容器20aを入れた外容器30と蝶番33とで固定されている。水素供給用カートリッジ20を燃料電池発電システムに取り付ける場合、ロック装置34を解除すると、板バネ31の作用で水素除去装置2bが垂直方向に開き、更に外容器30内のバネ32の作用で水素導出パイプ29がせり上がった状態となり、燃料電池発電システムに取り付けやすくなる。
In the
また、図3の水素供給用カートリッジ20では、燃料電池発電システムに取り付ける場合に、温度センサー20cが水素発生物質収容容器20aの側面に接する。
Further, in the
図3に示す水素供給用カートリッジ20を燃料電池発電システムから取り外して蓋を閉じると、水素発生物質収容容器20aが下方へ移動する。このように、図3に示す水素供給用カートリッジでは、燃料電池発電システムから取り外した後に蓋の役割を果たす部分が水素除去装置となっているため、図2に示す水素供給用カートリッジの場合と同様に、燃料電池発電システムから取り外した後にも水素発生物質収容容器20aから排出され続ける余剰水素を消費することができる。
When the
図3のように水素発生物質収容容器20aと水素除去装置20bが一体化している場合、水素除去装置20bの作動忘れや、紛失を防ぐことができる。更に、燃料電池発電システムにおいて、例えば水素供給用カートリッジ20を外すレバーと蓋が連動した機構とすることによって、水素供給用カートリッジ20の取り外しと同時に蓋を閉める機構、すなわち、水素供給用カートリッジ20の取り外しと同時に自動的に水素除去装置20bが作動する機構とすることもできる。また、水素除去装置20bは、水素供給用カートリッジ20の本体部、すなわち、水素発生物質収容容器20aや外容器30に対して完全に着脱可能な構成とすることもできる。
When the hydrogen generating
水素供給用カートリッジの有する水素発生物質収容容器20aは、水素を発生させる水素発生物質を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水素発生物質収容容器20a内の水素発生物質に水を供給するための供給口や水素の導出口以外から水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水および水素を透過しにくく、かつ120℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。なお、図2および図3では図示していないが、水素発生物質収容容器20aには、内部に水を取り入れるための水供給口も設けられる。
The material and shape of the hydrogen generating
図2および図3には、水素供給用カートリッジが有する水素除去装置として、MEAを備えた水素除去装置を示したが、このように、水素除去装置としては、水素酸化活性を有する触媒を含むものが好ましく用いられる。また、水素酸化活性を有する触媒を含む水素除去装置としては、前記のMEAを有するもの以外にも、例えば、水素酸化活性を有する触媒を含有するフィルター、筒状などの外装体に水素酸化活性を有する触媒を充填したものなどを、用いることもできる。なお、水素酸化活性を有する触媒としては、例えば、MEAの負極触媒層における触媒として先に例示した各種触媒などを用いることができる。 FIG. 2 and FIG. 3 show a hydrogen removal apparatus having an MEA as a hydrogen removal apparatus included in the hydrogen supply cartridge. As described above, the hydrogen removal apparatus includes a catalyst having hydrogen oxidation activity. Is preferably used. Further, as a hydrogen removal apparatus including a catalyst having hydrogen oxidation activity, in addition to the one having the above MEA, for example, a filter containing a catalyst having hydrogen oxidation activity, a hydrogen-oxidizing activity is applied to a cylindrical exterior body. What filled the catalyst which has can also be used. In addition, as a catalyst which has hydrogen oxidation activity, the various catalyst etc. which were illustrated previously as a catalyst in the negative electrode catalyst layer of MEA can be used, for example.
また、水素供給用カートリッジに係る水素除去装置には、水素との反応性を有する物質を含むものも好ましく用いることができる。水素との反応性を有する物質としては、例えば、塩化ナトリウムなどの塩化物;水素吸蔵合金;などを用いることができる。 In addition, as the hydrogen removal apparatus related to the hydrogen supply cartridge, one containing a substance having reactivity with hydrogen can be preferably used. As the substance having reactivity with hydrogen, for example, a chloride such as sodium chloride; a hydrogen storage alloy;
水素吸蔵合金としては、Mm(ミッシュメタル)−Ni系、Ti−V系、Zr−Ni系、Mg−Ni系などの種々の合金が知られている。特に、Mm−Ni系合金およびTi−V系合金は、電池の電極材や水素貯蔵材として使用されている。また、水素吸蔵合金においては、更に水素吸蔵量を増加させる方策として、新合金の探索の他に、例えば、メカニカルアロイングや液体急冷凝固法による合金組織の超微細化・非晶質化など、水素吸蔵合金の作製プロセッシングの開発、材料中の微細組織の制御が試みられている。例えば、合金系は公知のMg-Ni系であるが、メカニカルアロイングにより合金を非晶質にすることにより、室温でも水素の吸放出が可能な非晶質Mg−Ni系水素吸蔵合金などを用いることで、余剰の水素を効率よく吸収させることが可能である。 As the hydrogen storage alloy, various alloys such as Mm (Misch metal) -Ni, Ti-V, Zr-Ni, and Mg-Ni are known. In particular, Mm-Ni alloys and Ti-V alloys are used as battery electrode materials and hydrogen storage materials. In addition, in hydrogen storage alloys, as a measure to further increase the amount of hydrogen storage, in addition to searching for new alloys, for example, ultra-fine / amorphization of alloy structure by mechanical alloying or liquid rapid solidification, Attempts have been made to develop processing for producing hydrogen storage alloys and to control the microstructure in the materials. For example, although the alloy system is a known Mg—Ni system, an amorphous Mg—Ni hydrogen storage alloy capable of absorbing and releasing hydrogen even at room temperature by making the alloy amorphous by mechanical alloying, etc. By using it, it is possible to absorb surplus hydrogen efficiently.
なお、水素供給用カートリッジを燃料電池発電システムに接続するには、例えば、図2に示す水素供給用カートリッジの有するネジ部26を利用して、燃料電池発電システムの所定位置(例えば、燃料電池の有する燃料流路や、後述する図4に示す水素製造装置の燃料流路)に接続する方法や、燃料電池発電システムにおける水素供給用カートリッジの取り付け位置(燃料流路や、水素発生物質収容容器への水供給部)に筒状に成形した部位(管など)を設け、これらに、水素供給用カートリッジの有する水素発生物質収容容器の水素導出口や水供給口に設けた筒状に成形した部位(管など)を挿入し、接続部分(管の挿入部分)をOリングなどのパッキングによって密閉して、水素や水の漏れを防止する方法などが採用できる。
In order to connect the hydrogen supply cartridge to the fuel cell power generation system, for example, by using the
図4に、本発明の燃料電池発電システムに適用可能な水素製造装置の構成例を模式的に示している。図4に示す水素製造装置2は、水素供給用カートリッジ20と、水素供給用カートリッジ20の有する水素発生物質収容容器20a内の水素発生物質に連続的または断続的に水を供給する手段とを備えたものである。
FIG. 4 schematically shows a configuration example of a hydrogen production apparatus applicable to the fuel cell power generation system of the present invention. The
すなわち、水素製造装置2は、水素供給用カートリッジ20と、水を収容する水収容容器42とを有しており、水素供給用カートリッジ20の有する水素発生物質収容容器20aに、水収容容器42から水を供給し、水素発生物質収容容器20a内において水素発生物質と水とを反応させて水素を製造する。水素発生物質収容容器20aで発生した水素は、水素導出パイプ29a、29bで構成される燃料流路を経て、燃料電池1に供給される。
That is, the
水収容容器42から水素供給用カートリッジ2内の水素発生物質収容容器20aに水を供給する水供給パイプ40には、水供給ポンプ43が設けられている。なお、水収容容器42に収容する水は、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液などのいずれであってもよく(すなわち、少なくとも水を含む液体であればよく)、使用する水素発生物質との反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。
A
水素供給用カートリッジ20には、例えば、図2や図3に示す構成の水素供給用カートリッジが使用できる。また、水収容容器42は脱着式とすることもできる。これにより、水素供給用カートリッジ20の有する水素発生物質収容容器20a内の水素発生物質が消費されつくしたり、容器42内の水がなくなったりした場合に、これらを取り外し、水素発生物質収容容器20a内に水素発生物質が充填された水素供給用カートリッジ20や水が充填された水収容容器42を新たに取り付けることで、再び水素製造を行うことが可能となる。
As the
水素発生物質収容容器20aに収容される水素発生物質としては、水と120℃以下の低温で反応して水素を発生し得るものであれば特に制限はない。例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属;アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金;金属水素化物;などが好適に使用できる。
The hydrogen generating substance accommodated in the hydrogen generating
アルミニウム、ケイ素、亜鉛およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金の場合には、主体となる前記の各元素以外の元素については特に限定されない。ここで、「主体」とは、合金全体に対して80質量%以上、より好ましくは90質量%以上含有されていることを意味する。 In the case of an alloy mainly composed of one or more elements selected from aluminum, silicon, zinc and magnesium, elements other than the respective elements which are the main elements are not particularly limited. Here, the “main body” means that 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more is contained with respect to the entire alloy.
アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金は、常温では水と反応しにくいが、加熱することにより水との発熱反応が容易となる物質である。なお、本明細書において常温とは、20〜30℃の範囲の温度である。 Metals such as aluminum, silicon, zinc, and magnesium, and alloys mainly composed of one or more elements of aluminum, silicon, zinc, and magnesium are less likely to react with water at room temperature. It is a substance that facilitates exothermic reaction. In this specification, normal temperature is a temperature in the range of 20 to 30 ° C.
例えば、アルミニウムと水の場合、水素および酸化生成物を生成する反応は次式のようになる。
2Al+6H2O → Al2O3・3H2O+3H2 (1)
2Al+4H2O → Al2O3・H2O+3H2 (2)
2Al+3H2O → Al2O3+3H2 (3)
For example, in the case of aluminum and water, the reaction for producing hydrogen and oxidation products is as follows:
2Al + 6H 2 O → Al 2 O 3 .3H 2 O + 3H 2 (1)
2Al + 4H 2 O → Al 2 O 3 .H 2 O + 3H 2 (2)
2Al + 3H 2 O → Al 2 O 3 + 3H 2 (3)
なお、前記の金属や合金からなる水素発生物質は、表面に酸化皮膜を形成して安定化する。このため、水素発生物質の粒径をできるだけ小さくし、反応面積を大きくすることが好ましい。例えば、水素発生物質の形態としては、0.1〜100μmの粒径の粒状またはフレーク状であることが好ましく、粒径は、0.1〜50μmであることがより好ましい。水素発生物質の粒径が100μm以下であることにより、スムーズに水素発生が起こるからである。更に水素発生物質の粒径を小さくすると水素発生速度が増加するが、0.1μmより粒径が小さくなると、引火性が高まり取り扱いが困難になる。また、嵩密度が小さくなるため、水素発生物質の充填密度が低下し、エネルギー密度が低下しやすくなる。このため、水素発生物質の粒径は、0.1μm以上とすることが好ましい。 The hydrogen generating material made of the metal or alloy is stabilized by forming an oxide film on the surface. For this reason, it is preferable to make the particle size of the hydrogen generating material as small as possible and increase the reaction area. For example, the form of the hydrogen generating substance is preferably in the form of particles or flakes having a particle diameter of 0.1 to 100 μm, and the particle diameter is more preferably 0.1 to 50 μm. This is because hydrogen generation occurs smoothly when the particle size of the hydrogen generating substance is 100 μm or less. Further, when the particle size of the hydrogen generating material is reduced, the hydrogen generation rate is increased. However, when the particle size is smaller than 0.1 μm, the flammability is increased and handling becomes difficult. Moreover, since the bulk density is reduced, the filling density of the hydrogen generating material is lowered, and the energy density is likely to be lowered. For this reason, it is preferable that the particle size of the hydrogen generating substance is 0.1 μm or more.
なお、本明細書でいう水素発生物質の粒径は、平均粒径であり、体積基準の積算分率50%における粒子直径の値を意味している。平均粒径の測定方法としては、例えば、レーザー回折・散乱法などを用いることができる。具体的には、水などの液相に分散させた測定対象物質にレーザー光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用した粒子径分布の測定方法である。レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製の「マイクロトラックHRA」などを用いることができる。 In addition, the particle size of the hydrogen generating substance referred to in the present specification is an average particle size, and means a value of a particle diameter at a volume-based integrated fraction of 50%. As a method for measuring the average particle diameter, for example, a laser diffraction / scattering method or the like can be used. Specifically, this is a particle diameter distribution measurement method using a scattering intensity distribution detected by irradiating a measurement target substance dispersed in a liquid phase such as water with laser light. As a particle size distribution measuring apparatus using a laser diffraction / scattering method, for example, “Microtrack HRA” manufactured by Nikkiso Co., Ltd. can be used.
また、水素発生物質として用い得る金属水素化物としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウムまたは水素化ホウ素カリウムなどが挙げられる。これらの金属水素化物は、アルカリ水溶液中では比較的安定であるが、触媒が存在する場合、速やかに水と反応して水素を発生することができる。触媒としては例えばPt、Niなどの金属や酸などを用いることができる。 Examples of the metal hydride that can be used as the hydrogen generating substance include sodium borohydride and potassium borohydride. These metal hydrides are relatively stable in an aqueous alkali solution, but when a catalyst is present, they can rapidly react with water to generate hydrogen. As the catalyst, for example, metals such as Pt and Ni, acids, and the like can be used.
例えば水素化ホウ素ナトリウムの場合、次式のように反応し、水素を発生することができる。
NaBH4+2H2O → NaBO2+4H2 (4)
For example, in the case of sodium borohydride, it can react as the following formula to generate hydrogen.
NaBH 4 + 2H 2 O → NaBO 2 + 4H 2 (4)
水素発生物質は、前記例示のものを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 As the hydrogen generating substance, those exemplified above may be used alone or in combination of two or more.
また、前記の水素発生物質を、水と反応して発熱する発熱物質(水素発生物質以外の物質)と共に用いることにより、低温(例えば5℃程度)の水を供給しても、前記発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生を可能とし得る。 Further, by using the hydrogen generating material together with a heat generating material (a material other than the hydrogen generating material) that generates heat by reacting with water, even if low temperature (for example, about 5 ° C.) water is supplied, The temperature in the reaction system can be increased by exotherm, and rapid hydrogen generation can be enabled.
水と反応して発熱する発熱物質は、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなどのように、水との反応により水酸化物となったり、水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、塩化物、硫酸化合物などを例示することができる。また、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムなどの金属水素化物などのように水との反応により水素を生成するものは、前記の通り、水素発生物質として使用することが可能であるが、前記の金属や合金を水素発生物質として使用する場合の発熱物質としても用いることができる。 Exothermic substances that generate heat by reacting with water, for example, calcium oxide, magnesium oxide, calcium chloride, magnesium chloride, calcium sulfate, etc., are converted into hydroxides by reaction with water or exothermic by hydration. Examples include alkali metal or alkaline earth metal oxides, chlorides, and sulfuric acid compounds. In addition, those that generate hydrogen by reaction with water, such as metal hydrides such as sodium borohydride, potassium borohydride, and lithium hydride, can be used as a hydrogen generating substance as described above. However, it can also be used as a heat generating material when the metal or alloy is used as a hydrogen generating material.
なお、例えば発熱物質に関して、鉄粉のように酸素と反応して発熱するものも知られている。しかし、鉄粉を発熱物質として使用する場合には、反応時に酸素を導入しなければならず、前記のように水素発生物質と発熱物質が同一の反応容器内に配される場合は、発生する水素の純度が低下したり、水素発生物質が酸素によって酸化されて水素発生量が低下したりするなどの問題が生じやすくなる。そのため、発熱物質としては、水と反応して発熱する材料が好適に用いられる。 For example, a heat-generating substance that reacts with oxygen and generates heat, such as iron powder, is also known. However, when iron powder is used as the exothermic substance, oxygen must be introduced during the reaction, and it occurs when the hydrogen generating substance and the exothermic substance are arranged in the same reaction vessel as described above. Problems such as reduction in the purity of hydrogen and reduction in the amount of hydrogen generated due to oxidation of the hydrogen generating substance by oxygen are likely to occur. Therefore, as the exothermic substance, a material that generates heat by reacting with water is preferably used.
特に、水素発生物質として、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金を使用する場合には、前記発熱物質を併用することが好ましい。他方、水素発生物質として前記の金属水素化物を用いる場合には、前記発熱物質を併用しなくても、比較的良好な速度で水素を製造できるが、発熱物質を併用して、更に水素発生速度を高めてもよい。 In particular, when a metal such as aluminum, silicon, zinc, or magnesium or an alloy mainly composed of one or more elements selected from aluminum, silicon, zinc, and magnesium is used as the hydrogen generating material, the exothermic material is used. It is preferable to use together. On the other hand, when the metal hydride is used as a hydrogen generating substance, hydrogen can be produced at a relatively good rate without using the exothermic substance. May be increased.
水素発生物質と前記発熱物質を併用する場合には、水素発生物質収容容器に導入する水素発生物質と発熱物質の合計100質量%中、水素発生物質の量を85質量%以上とすることが好ましい。水素発生物質と発熱物質の合計中の水素発生物質量が少なすぎると、水素発生量が低下したり、発熱物質量が多すぎることによって発熱が激しくなり水素発生反応を制御し難くなる虞がある。 When the hydrogen generating substance and the exothermic substance are used in combination, the amount of the hydrogen generating substance is preferably 85% by mass or more in a total of 100 mass% of the hydrogen generating substance and the exothermic substance introduced into the hydrogen generating substance storage container. . If the amount of hydrogen generating material in the total of the hydrogen generating material and the exothermic material is too small, the hydrogen generating amount may decrease, or if the amount of the exothermic material is too large, the heat generation may become intense and the hydrogen generating reaction may be difficult to control. .
なお、前記の発熱物質は、水素発生物質と均一または不均一に混合してなる混合物として水素発生物質収容容器に入れてもよく、水素発生物質と別に水素発生物質収容容器に入れてもよい。後者の場合には、例えば、発熱物質を、水素発生物質収容容器に係る水供給パイプ(図6中、40)の管口部近傍に偏在させて配置することが好ましい。このように発熱物質を配置することにより、より効率的に反応系内を加熱することができる。 The exothermic substance may be put into the hydrogen generating substance storage container as a mixture obtained by uniformly or non-uniformly mixing with the hydrogen generating substance, or may be put into the hydrogen generating substance storage container separately from the hydrogen generating substance. In the latter case, for example, it is preferable to dispose the exothermic material in the vicinity of the mouth portion of the water supply pipe (40 in FIG. 6) related to the hydrogen generating material storage container. By arranging the exothermic material in this way, the inside of the reaction system can be heated more efficiently.
水収容容器42については特に制限はなく、例えば、従来の水素製造装置2と同様の水を収容するタンクなどが採用できる。
There is no restriction | limiting in particular about the
水収容容器42中の水が、水供給パイプ40を通じて水素供給用カートリッジ20の有する水素発生物質収容容器20aに供給されることで、容器20a内の水素発生物質と反応して水素を発生するが、水素発生物質収容容器20a内に存在する未反応の水が、発生した水素中に混入し、これらの混合物が水素導出パイプ29bを通じて水素製造装置2外に排出される場合がある。
The water in the
よって、図4に示すように、水素製造装置2には、燃料電池1と水素製造装置2とを連結する燃料流路内に、凝縮水分離器44を設けることが好ましい。凝縮水分離器44は、水素導出パイプ29aを介して水素発生物質収容容器20aと連結されており、また、水素導出パイプ29bが取り付けられている。水素発生物質収容容器20aから排出された水素との混合物中の水は、水素導出パイプ29a内で冷却されることで凝縮水となる。この凝縮水を伴う水素が凝縮水分離器44に導入されると、凝縮水が重力によって凝縮水分離器44の下部に落下して分離される。
Therefore, as shown in FIG. 4, the
そして、図4に示しているように、凝縮水分離器44と水収容容器42とを水回収パイプ41で連結しておくことで、凝縮水分離器44で分離した水を水収容容器42に回収することができる。このように、凝縮水分離器44で分離した水を回収することにより、水素発生のために使用する水の実質的な供給量を少なくすることが可能となり、水収容容器42をよりコンパクトにすることができる。
Then, as shown in FIG. 4, the
なお、図4では、水収容容器が水素供給用カートリッジと別体の水素製造装置を示したが、水素供給用カートリッジが、水素発生物質収容容器および水素除去装置と共に、水収容容器を有していてもよく、例えば、前記の通り、水素供給用カートリッジのみで水素製造装置を構成していても構わない。すなわち、前記の凝縮水分離器も、水素供給用カートリッジが有していてもよいが、その場合、水素供給用カートリッジの構造が複雑になって、水素供給用カートリッジをコンパクトにすることが難しくなることから、凝縮水分離器は、水素供給用カートリッジの外部に設けることが好ましい。 In FIG. 4, the water storage container is a separate hydrogen production apparatus from the hydrogen supply cartridge. However, the hydrogen supply cartridge has a water storage container together with a hydrogen generating substance storage container and a hydrogen removal apparatus. For example, as described above, the hydrogen production apparatus may be configured by only the hydrogen supply cartridge. That is, the condensate separator may also have a hydrogen supply cartridge. In this case, however, the structure of the hydrogen supply cartridge becomes complicated, and it is difficult to make the hydrogen supply cartridge compact. Therefore, the condensate separator is preferably provided outside the hydrogen supply cartridge.
図5に、本発明の燃料電池発電システムに係る燃料電池の構成例を模式的に示す。なお、図5は断面図であるが、各構成要素の理解を容易にするために、一部の構成要素については、断面であることを示す斜線を付していない。また、図5では、後述する図6や図7に示す燃料電池発電システムに係る燃料電池1におけるMEAの正極と負極とを導通可能にするための構成については示していない。
FIG. 5 schematically shows a configuration example of a fuel cell according to the fuel cell power generation system of the present invention. Although FIG. 5 is a cross-sectional view, in order to facilitate understanding of each component, some components are not hatched to indicate a cross section. Further, FIG. 5 does not show a configuration for enabling conduction between the positive electrode and the negative electrode of the MEA in the
図5の燃料電池1では、正極拡散層101および正極触媒層102からなる正極と、固体電解質膜103と、負極拡散層105および負極触媒層104からなる負極とが、順次積層されてなるMEA100を3個有しており、これらのMEA100が平面状に配置されている。
In the
それぞれのMEA100の正極側には、正極集電プレート57a、57b、正極絶縁プレート53、および正極パネルプレート51が順次配置されている。また、それぞれのMEA100の負極側には、負極集電プレート58a、58b、負極絶縁プレート54、および負極パネルプレート52が順次配置されている。
On the positive electrode side of each
そして、全てのMEA100が、正極パネルプレート51と負極パネルプレート52とに挟持されて一体化している。また、図5では明らかにしていないが、隣り合うMEA100同士は、正極集電プレート57a、57bと負極集電プレート58a、58bとの電気的接続によって、直列に接続されている。
All the
正極集電プレート57a、57b、正極絶縁プレート53および正極パネルプレート51には、燃料電池1外の酸素を空気として正極に導入するための酸素導入孔が複数設けられている。そして、正極集電プレート57a、57bの酸素導入孔、正極絶縁プレート53の酸素導入孔、および正極パネルプレート51の酸素導入孔により、正極パネルプレート51の外表面からMEA100の正極拡散層101にまで到達する開口部が複数形成されており、これら開口部から、燃料電池外の酸素(空気)が拡散により正極拡散層101に供給される構造となっている。
The positive electrode
また、図5の燃料電池1では、負極集電プレート58a、58b、負極絶縁プレート54および負極パネルプレート52に、燃料タンク部60内の燃料(水素)を負極に導入するための燃料導入孔が複数設けられている。そして、負極集電プレート58a、58bの燃料導入孔、負極絶縁プレート54の燃料導入孔、および負極パネルプレート52の燃料導入孔により、負極パネルプレート52の燃料タンク部60側表面からMEA100の負極拡散層105にまで到達する開口部が複数形成されており、これら開口部から、燃料タンク部60内の燃料が負極拡散層105に供給される構造となっている。
Further, in the
図5の燃料電池1では、正極パネルプレート51と負極パネルプレート52(更には燃料タンク部60)は、ボルト63とナット64によって固定されている。図5中、59aおよび59bはシールである。
In the
正極拡散層101、正極触媒層102、固体電解質膜103、負極触媒層104および負極拡散層105は、それぞれ、図2で説明したMEA200に係る正極拡散層201、正極触媒層202、固体電解質膜203、負極触媒層204および負極拡散層205と同様の材料で構成することができる。
The positive
図6に、本発明の燃料電池発電システムの他の構成例の概略図を示している。図6中、図1と機能が共通する構成要素は、共通の符号を付して重複説明を避ける(後記の図7および図8においても、同じである)。図6の燃料電池発電システムでは、燃料電池1の有する個々のMEA100において、その正極と負極とが、導通可能となるように抵抗7を介してリード体などにより接続されている。
FIG. 6 shows a schematic diagram of another configuration example of the fuel cell power generation system of the present invention. In FIG. 6, components having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by common reference numerals to avoid redundant description (the same applies to FIGS. 7 and 8 described later). In the fuel cell power generation system of FIG. 6, in each
燃料電池発電システムに係る燃料電池においては、その運転が停止した後においても、燃料電池内に水素が残留し、これによってMEAの正極および負極が劣化し、燃料電池の寿命が損なわれることがある。しかし、図6に示す燃料電池発電システムでは、外部負荷6がオフとなり、燃料電池1の運転が停止した際に、個々のMEA100において、例えば、正極−負極間を繋ぐリード体に設けたスイッチをオンにするなどして正極と負極とを導通させることにより、燃料電池1内に残留している水素を消費することができる。このように、図2に示す燃料電池発電システムでは、燃料電池1内に残留する水素による燃料電池1の劣化を抑制して、燃料電池を長寿命化することができる。
In a fuel cell according to a fuel cell power generation system, even after the operation is stopped, hydrogen remains in the fuel cell, which may deteriorate the positive electrode and the negative electrode of the MEA and impair the life of the fuel cell. . However, in the fuel cell power generation system shown in FIG. 6, when the
図6の燃料電池発電システムでは、燃料電池1の有する各MEA100における正極と負極とを、抵抗7を介して接続しているが、かかる抵抗7としては、例えば、燃料電池発電システムに係る燃料電池1の停止後、MEA100の正極−負極間の電圧が0.1V以下となるのに要する時間が1分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、抵抗7を用いなくても、このような時間でMEA100の正極−負極間の電圧を前記のように下げることができるのであれば、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
In the fuel cell power generation system of FIG. 6, the positive electrode and the negative electrode of each
更に、図7には、本発明の水素供給用カートリッジに係る燃料電池発電システムの他の構成例の概略図を示している。図7に示す燃料電池発電システムでは、燃料電池1と水素製造装置2との間に、モニタリング装置8が配置されている。モニタリング装置8は、特に漏れなどのない水素専用の装置であれば、限定されるものではないが、例えば、流速をモニタリングするデジタルマスフローメーターや送気圧力をモニタリングするデジタルマノメーターなどを用いることができる。こうしたモニタリング装置を用いることで、直接ガスの挙動を把握でき、水素供給用カートリッジの取り外しの可否判断に反映させることができる。
Furthermore, FIG. 7 shows a schematic diagram of another configuration example of the fuel cell power generation system according to the hydrogen supply cartridge of the present invention. In the fuel cell power generation system shown in FIG. 7, a monitoring device 8 is disposed between the
これまで図1〜図7を用いて本発明を説明したが、図1〜図7は、本発明の一例を示したものに過ぎず、本発明の水素供給用カートリッジおよび本発明の燃料電池発電システムは、図1〜図7に示すものに限定される訳ではない。 Although the present invention has been described above with reference to FIGS. 1 to 7, FIGS. 1 to 7 are only examples of the present invention, and the hydrogen supply cartridge of the present invention and the fuel cell power generation of the present invention. The system is not limited to that shown in FIGS.
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.
実施例1
<燃料電池の作製>
図8に示す構成の燃料電池発電システムを作製した。燃料電池1には、図5に示す構成のもの(MEA100を3個直列に接続して構成したもの)を2個直列に接続して用いた。MEA100の正極および負極には、カーボンクロス上にPt担持カーボンを塗布した電極(E-TEK社製「LT140E−W」、Pt量:0.5mg/cm2)を用いた。また、固体電解質膜にはデュポン社製「ナフィオン112」を用いた。各電極は25mm×92mm、固体電解質膜は29mm×96mmとした。
Example 1
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell power generation system having the configuration shown in FIG. 8 was produced. As the
正極パネルプレート51には、ステンレス304製で厚みが2mmのものを用いた。正極開口部21は1×13mmの長方形型の穴を、図5に示すように各MEA100の正極拡散層101上部に当たる部分全域にわたり、合計72個配置した。負極パネルプレート52も同様の材質、形状とした。すなわち、負極パネルプレートにおいては、正極パネルプレートに係る酸素導入孔が、負極開口部(図5中、62)を形成するための燃料導入孔となる。
A positive
正極集電プレート57a、57bには、ニッケルに金メッキを施した厚み0.3mmのものを用いた。また、正極絶縁プレート53には、ガラスエポキシ樹脂製で厚みが0.5mmのものを用いた。正極集電プレート57a、57b、および正極絶縁プレート53の酸素導入孔の配置は、正極パネルプレート51の酸素導入孔と共に正極開口部61が形成できるような配置とした。
As the positive electrode
また、負極集電プレート58a、58bは、正極集電プレート57a、57bと同様の材質、形状とし、負極絶縁プレート54も、正極絶縁プレート53と同様の材質、形状とした。
The negative electrode
燃料タンク部60には、ガラスエポキシ樹脂製で厚み3mmのものを用いた。中央のタンク内部の深さは2mmである。また、シール59a、59bには、シリコン製で厚み0.2mmのものを用いた。電極の納まる部分に空いた穴のサイズは26m×93mmとした。
The
以上の各部材を、図5に示す順序で積層し、ボルト63とナット64とを用いて締め込んで、MEA100を3個有する燃料電池1を2個作製した。
The above members were stacked in the order shown in FIG. 5 and tightened with
<水素供給用カートリッジの作製>
水素供給用カートリッジには、図2に示す構成のものを用いた。水素供給用カートリッジ20に係る水素除去装置20bの有するMEA200の構成部材は、前記の燃料電池のMEAと同様のものを用いた。電極は30mm四方とし、固体電解質膜は35mm四方とした。正極集電板21には、 ステンレス304に金メッキを施した厚み2mmのものを用いた。空気孔21aは、1×30mmの長方形型の穴をMEA200の正極拡散層201上部に当たる部分全域にわたり配置した。負極集電板22も、正極集電板21と同様の形状、材質とした。シール23には、シリコンゴム製で厚み0.2mmのものを用いた。電極の納まる部分に空いた穴のサイズは31mm四方とした。
<Production of cartridge for supplying hydrogen>
A hydrogen supply cartridge having the structure shown in FIG. 2 was used. The constituent members of the
以上の各部材を、図2に示す順序で積層し、ボルト24とナット25とを用いて締め込んで、MEA200を作製した。また、MEA200の正極と負極とを導電させるための導電板27と漏電防止用の絶縁膜28とを、図2に示す位置に設けた。更に水素発生収容容器20aとネジにより固定できるようにして水素除去装置20bを作製した。
The above members were stacked in the order shown in FIG. 2 and tightened with
また、水素発生物質収容容器20aには、内容積50cm3のポリプロピレン製角柱状の容器の上部に、図2に示すネジ部26と水素導出パイプ29とを設けたものを用い、その中に、平均粒径6μmのアルミニウム粉末(水素発生物質)20.7gと、酸化カルシウム(発熱物質)3.5gとを入れた。そして、この水素発生物質収容容器20aと、前記の水素除去装置20bとで、水素供給用カートリッジを構成した。
Further, as the hydrogen generating
<水素製造装置の作製>
水素製造装置には、図4に示す構成のものを用いた。水供給パイプ43、水素導出パイプ29a、29bおよび水回収パイプ41には、内径2mm、外径3mmのポリプロピレン製のパイプを用いた。また、水収容容器42には、内容積50cm3のポリプロピレン製角柱状の容器を用い、その中に水を30g入れた。更に、凝縮水分離器44には、内容積30cm3のポリプロピレン製角柱状の容器を用いた。これらの部材と、前記の水素供給用カートリッジとを、図4に示す構成となるように接続して、水素製造装置を組み立てた。
<Production of hydrogen production equipment>
A hydrogen production apparatus having the configuration shown in FIG. 4 was used. Polypropylene pipes having an inner diameter of 2 mm and an outer diameter of 3 mm were used for the
<燃料電池発電システムの組み立て>
前記の燃料電池と水素製造装置とを図8に示すように配置して、燃料電池発電システムを組み立てた。
<Assembly of fuel cell power generation system>
The fuel cell and the hydrogen production apparatus were arranged as shown in FIG. 8 to assemble a fuel cell power generation system.
<発電試験>
水供給ポンプ43によって、水収容容器42内の水を水素供給用カートリッジ20の有する水素発生物質収容容器20aへ供給して水素を発生させ、外部負荷6によって燃料電池1の発電試験を4.0Vの定電圧で2時間行った。なお、後述する燃料電池1の運転停止時には、抵抗7を作動させて、燃料電池発電システム内の残留水素を除去した。
<Power generation test>
The
燃料電池1の運転を停止すると同時に、水素供給用カートリッジ20の有する水素発生物質収容容器2aへの水の供給を停止し、発電システムを停止後、水素発生物質収容容器20aに設置した温度センサー20cにより計測された温度が50℃以下になったところで水素供給用カートリッジ20を取り外し、水素除去装置20bを作動させて、余剰水素を除去した。このとき、余剰水素が除去されているか確認するため、水素供給用カートリッジ20にモニタリング装置(KOFLOC社製「マスフロー3660」)を取り付け、水素発生物質収容容器20aからの水素発生速度、および水素供給用カートリッジの取り外しから1時間後までの、外部に排出される水素の総量を計測した。その結果を表1に示す。
At the same time as the operation of the
比較例1
水素除去装置を設置しない以外は、実施例1と同様にして水素供給用カートリッジを作製し、この水素供給用カートリッジを用いた以外は、実施例1と同様にして燃料電池発電システムを作製した。そして、実施例1と同様の発電試験を行い、燃料電池発電システムの停止後に水素供給用カートリッジを取り外して、水素発生物質収容容器からの水素発生速度、および水素供給用カートリッジの取り外しから1時間後までの、外部に排出される水素の総量を、実施例1と同様にして計測した。その結果を表1に併記する。
Comparative Example 1
A hydrogen supply cartridge was produced in the same manner as in Example 1 except that no hydrogen removal device was installed, and a fuel cell power generation system was produced in the same manner as in Example 1 except that this hydrogen supply cartridge was used. Then, a power generation test similar to that in Example 1 was performed, and after the fuel cell power generation system was stopped, the hydrogen supply cartridge was removed, and the hydrogen generation rate from the hydrogen generating substance storage container and one hour after the removal of the hydrogen supply cartridge were removed. The total amount of hydrogen discharged to the outside was measured in the same manner as in Example 1. The results are also shown in Table 1.
表1に示すように、水素除去装置を持たない水素供給用カートリッジを用いて構成した比較例1の燃料電池発電システムでは、システムの停止後に取り外した水素供給用カートリッジから137mlの水素が5.0ml/minの速度で排出されており、比較的長時間水素の排出が継続したが、水素除去装置を備えた水素供給用カートリッジを用いて構成した実施例1の燃料電池発電システムは、システムの停止後に取り外した水素供給用カートリッジから排出される水素が、水素除去装置に内蔵されたMEAの正極と負極とを導通状態としたことで、負極の触媒反応によって迅速に酸化されたため、水素供給用カートリッジから排出される水素量が極めて少ない。よって、実施例1の水素供給用カートリッジ(燃料電池発電システム)であれば、水素供給用カートリッジの取り外し後において余剰水素を迅速に処理でき、系外への排出量を低減できる。 As shown in Table 1, in the fuel cell power generation system of Comparative Example 1 configured using a hydrogen supply cartridge that does not have a hydrogen removal device, 137 ml of hydrogen is 5.0 ml from the hydrogen supply cartridge that is removed after the system is stopped. The fuel cell power generation system of Example 1 configured using a hydrogen supply cartridge equipped with a hydrogen removal device was stopped while the hydrogen was discharged at a rate of / min and continued to be discharged for a relatively long time. Since the hydrogen discharged from the hydrogen supply cartridge removed later was quickly oxidized by the catalytic reaction of the negative electrode because the positive electrode and the negative electrode of the MEA incorporated in the hydrogen removal device were in a conductive state, the hydrogen supply cartridge The amount of hydrogen discharged from the plant is extremely small. Therefore, with the hydrogen supply cartridge (fuel cell power generation system) of Example 1, surplus hydrogen can be quickly processed after the removal of the hydrogen supply cartridge, and the amount discharged outside the system can be reduced.
本発明の水素供給用カートリッジでは、燃料電池などの機器の運転停止後、水素供給用カートリッジの取り外し時における水素の系外への排出を抑制できる。そのため、本発明の水素供給用カートリッジを適用した機器(例えば、本発明の燃料電池発電システム)は、屋内使用などに好適である。また、前記の水素の系外への排出抑制を、比較的簡易な機構で達成できるため、燃料電池発電システムを始めとする各種水素利用機器の小型化も容易である。よって、本発明の水素供給用カートリッジは、高機能のポータブル型電子機器の電源用途を始めとして、例えば、従来の燃料電池が適用されている各種用途の燃料カートリッジとして好ましく用いることができる。 With the hydrogen supply cartridge of the present invention, it is possible to suppress discharge of hydrogen out of the system when the hydrogen supply cartridge is removed after the operation of the device such as the fuel cell is stopped. Therefore, a device to which the hydrogen supply cartridge of the present invention is applied (for example, the fuel cell power generation system of the present invention) is suitable for indoor use. In addition, since the suppression of the discharge of hydrogen to the outside of the system can be achieved with a relatively simple mechanism, it is easy to reduce the size of various hydrogen utilizing devices such as a fuel cell power generation system. Therefore, the hydrogen supply cartridge of the present invention can be preferably used as a fuel cartridge for various uses to which a conventional fuel cell is applied, for example, for use as a power source for high-performance portable electronic devices.
1 燃料電池
2 水素製造装置
20 水素供給用カートリッジ
20a 水素発生物質収容容器
20b 水素除去装置
100、200 電極・電解質一体化物(MEA)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
反応により水素を発生する水素発生物質を収容可能な収容容器と、発生した水素の余剰分を除去し外部への散逸を防止するための水素除去装置とを有することを特徴とする水素供給用カートリッジ。 A cartridge for supplying hydrogen that can be connected to an apparatus using hydrogen,
A hydrogen supply cartridge comprising: a storage container capable of storing a hydrogen generating substance that generates hydrogen by a reaction; and a hydrogen removing device for removing surplus generated hydrogen to prevent dissipating to the outside. .
前記水素発生物質に対して連続的または断続的に水を供給する手段を有する請求項1〜4のいずれかに記載の水素供給用カートリッジ。 Contains a material that generates hydrogen by reacting with water as a hydrogen generator,
The hydrogen supply cartridge according to any one of claims 1 to 4, further comprising means for continuously or intermittently supplying water to the hydrogen generating substance.
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