JP2004146274A - Fuel cell power generation method and small fuel cell system device - Google Patents

Fuel cell power generation method and small fuel cell system device Download PDF

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell power generation method in which, while improving the supply form of fuel consumed for power generation and evasion of deterioration of generation capability by carbon dioxide gas, large sizing of the system unit brought about in order to measure precisely the concentration of the liquid fuel is avoided, and a small fuel cell system unit. <P>SOLUTION: The system device comprises a concentration sensor 21 for measuring concentration of the circulating liquid fuel by AC impedance, a micro gear pump 19 for circulating the liquid fuel, a microsyringe 14 for injecting the liquid fuel from the outside into the circulating liquid fuel based on the measured concentration of the concentration sensor 21, and a vent filter for exhausting the unnecessary gas such as carbon dioxide generated by keeping the circulating liquid fuel always in a pressurized state more than atmospheric pressure. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料を用いた燃料電池発電方法及びその方法の発明の実施に直接使用する小型燃料電池システム装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の液体燃料を用いた燃料電池システム装置について説明する。
図12は、その一例として、メタノールを燃料とするダイレクトメタノール型燃料電池システム装置の構成図である。
【0003】
ダイレクトメタノール型燃料電池システム装置αは、固体高分子電解膜1、空気極2、燃料極3からなる燃料電池セル4と、空気極2に空気を送り込むブロア5からなる空気供給手段6と、燃料極3に燃料を供給する燃料供給手段7とを配管結合して構成される。
【0004】
尚、燃料供給手段7は、高濃度メタノールが蓄えられたメタノールタンク8と、メタノール水溶液を希釈する水が入った水タンク9とにより構成され、燃料であるメタノール水溶液を循環させる為の送液ポンプ10と、燃料極3において発生する二酸化炭素を外部に放出する気液分離機11とを循環配管に途中介在させて接続されている。
【0005】
そして、発電によってメタノール水溶液中のメタノール及び水が消費される為、メタノール水溶液が送液ポンプ10によって循環する過程において、メタノールタンク8からの高濃度メタノールと水タンク9からの水とをメタノール水溶液に供給して、メタノール水溶液の濃度調整を行い、メタノール水溶液の濃度を一定に保つことによって、燃料電池セル4から安定した出力が得られる。
【0006】
尚、発電を行うことによって、空気極2では水蒸気が生成する為、この水蒸気を液化する凝縮機12が空気極2の出口側に設けられ、凝縮機12にて得られた水は水タンク9に供給されることにより、水の再利用を可能とする。
【0007】
以上説明した従来技術の他に、例えば、次の、非特許文献1及び2がある。
【非特許文献1】
NIKKEI MICRODEVICES 2002年4月号 第51頁
【非特許文献2】
日経メカニカル D&M 2002.2.No569 第20頁
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の燃料電池システム装置αにおいては、システム装置の小型化及び軽量化ができないという問題があった。その主要な原因としては、次の点が挙げられる。
【0009】
第1としては、メタノール水溶液の濃度は、液体クロマトグラフを用いて正確に計測できるものの、装置が大掛かりとなることから、結果として、システム装置の小型化、軽量化が困難である。この点、燃料電池の出力を積分することにより、消費したメタノール量を算出してメタノール水溶液の濃度を求めることも可能ではあるところ、未反応のメタノールが固体高分子電解膜1を燃料極3側から空気極2側に透過してしまう、所謂メタノールのクロスオーバ現象が起きる故に、濃度の算出を正確に行うことは困難であった。
【0010】
第2としては、メタノールの濃度を正確に調整する為には、メタノール水溶液中に、高濃度メタノール及び水を、所要の量それぞれ注入する必要があり、これは、マイクロシリンジポンプを使用することにより可能ではあるものの、装置が大きいことから、結果として、システム装置の小型化、軽量化が困難であった。
【0011】
第3としては、メタノール水溶液を循環させる為には液体ポンプが必要であるところ、現在広く用いられているダイアフラム式液体ポンプにあっては、偏心カム、コンロッド、ダイヤフラムなど構成部品が多く、構造が複雑であるので、システム装置の小型化、軽量化が困難であった。
【0012】
第4としては、電極反応によって燃料極3にて発生した二酸化炭素は、気泡となってメタノール水溶液中に存在し、この気泡が燃料極3付近に滞留することにより、メタノールの供給がスムーズに行われなくなり、燃料電池セル4の発電特性を低下させるので、メタノール水溶液中の二酸化炭素の気泡を取り除く必要が生じるものの、通常液体から気体を除去する為に用いられる気液分離機11は装置が大きいので、システム装置の小型化、軽量化が困難であった。
【0013】
従って、本発明は、かかる欠点に鑑みてなされたものであり、本発明の解決すべき主要な目的は、次の通りである。
【0014】
本発明の第1の目的は、発電に消費される燃料の供給形態を改善した、燃料電池発電方法及び小型燃料電池システム装置を提供することにある。
【0015】
本発明の第2の目的は、二酸化炭素ガスによる発電能力の低下の回避を改善した、燃料電池発電方法及び小型燃料電池システム装置を提供することにある。
【0016】
本発明の第3の目的は、液体燃料の濃度を正確に測定する為に生じるシステム装置の大型化を回避した、燃料電池発電方法及び小型燃料電池システム装置を提供することにある。
【0017】
本発明の他の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲における各請求項の記載から自ずと明らかとなろう。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明方法は、上記課題の解決に当たり、▲1▼液体燃料の濃度を交流インピーダンスにより測定する、という特徴的構成手法、▲2▼燃料注入を、ステッピングモータにより作動するピストンを具備したマイクロシリンジ、又はインクジェットでもって行う、という特徴的構成手法、▲3▼マイクロマシニング技術により作成された一対のギアからなるマイクロギアポンプを用いて液体燃料を循環させる、という特徴的構成手法、▲4▼液体燃料の圧力を常時大気圧以上に加圧してベントフィルタにより、燃料電池セル内で生じた不要なガスを取り除く、という特徴的構成手法をそれぞれ講じる。
【0019】
本発明システム装置は、上記課題の解決に当たり、交流インピーダンスによって液体燃料の濃度を測定する濃度センサ、液体燃料を循環させるマイクロギアポンプ、液体燃料を注入するマイクロシリンジ又はインクジェット、燃料を常に大気圧以上の加圧状態下において、発生した二酸化炭素などの不要なガスを排出するベントフィルタを具備する、という特徴的構成手段を講じる。
【0020】
更に、具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する新規な特徴的構成手法又は手段を採用することにより、上記目的を達成するようになされる。
【0021】
本発明方法の第1の特徴は、燃料電池セルに接続する燃料流路に設置された金属プローブを用いて交流インピーダンスを測定することにより、燃料の濃度を計測し、当該燃料流路に対して注入すべき燃料の量を見積もってなる、燃料電池発電方法の構成採用にある。
【0022】
本発明方法の第2の特徴は、上記本発明方法の第1の特徴における前記燃料が、前記見積もった量を、ステッピングモータにより作動するピストンを具備したマイクロシリンジでもって、前記燃料流路に注入されてなる、燃料電池発電方法の構成採用にある。
【0023】
本発明方法の第3の特徴は、上記本発明方法の第1の特徴における前記燃料が、前記見積もった量を、インクジェットでもって、前記燃料流路に注入されてなる、燃料電池発電方法の構成採用にある。
【0024】
本発明方法の第4の特徴は、燃料電池セルに対して接続された燃料流路内の液体燃料を、マイクロマシニング技術により作成された一対のギアからなるマイクロギアポンプにより、循環させてなる、燃料電池発電方法の構成採用にある。
【0025】
本発明方法の第5の特徴は、燃料電池セルに対して接続された燃料流路内の燃料を常時大気圧以上に加圧して、当該燃料流路に設けたベントフィルタにより、当該燃料電池セル内にて生じた不要な気体を排出してなる、燃料電池発電方法の構成採用にある。
【0026】
本発明システム装置の第1の特徴は、燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなるシステム装置であって、前記燃料流路に挿入された金属プローブをセンサとして、交流インピーダンスから液体燃料の濃度を検出する濃度センサを具備してなる、小型燃料電池システム装置の構成採用にある。
【0027】
本発明システム装置の第2の特徴は、燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなるシステム装置であって、前記燃料供給手段が、燃料を密封した液体カートリッジと、当該液体カートリッジを装填するマイクロシリンジと、ステッピングモータにより作動するピストンを介して前記液体カートリッジを加圧することにより、燃料の前記燃料流路への注入量を調整する調整手段とにより構成されてなる、小型燃料電池システム装置の構成採用にある。
【0028】
本発明システム装置の第3の特徴は、燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなるシステム装置であって、前記燃料供給手段が、燃料を密封した液体カートリッジと、当該液体カートリッジを装填するマイクロシリンジと、インクジェットでもって燃料の前記燃料流路への注入量を調整する調整手段とにより構成されてなる、小型燃料電池システム装置の構成採用にある。
【0029】
本発明システム装置の第4の特徴は、燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなるシステム装置であって、前記燃料流路が、マイクロマシニング技術により作成された一対のギアからなるマイクロギアポンプを介在してなる、小型燃料電池システム装置の構成採用にある。
【0030】
本発明システム装置の第5の特徴は、上記本発明システム装置の第2の特徴における前記燃料流路が、内部で生じた不要な気体を、前記調整手段により加圧されて排出する多孔性のベントフィルタを途中介在してなる、小型燃料電池システム装置の構成採用にある。
【0031】
本発明システム装置の第6の特徴は、上記本発明システム装置の第2、第3又は第5の特徴における前記マイクロシリンジが、前記液体カートリッジが装填されることにより開封の契機となる破封供給ノズルを具備してなる、小型燃料電池システム装置の構成採用にある。
【0032】
本発明システム装置の第7の特徴は、上記本発明システム装置の第6の特徴における前記液体カートリッジが、前記マイクロシリンジに装填すると前記破封供給ノズルにより貫通孔となる箇所につき肉薄としてなる、小型燃料電池システム装置の構成採用にある。
【0033】
本発明システム装置の第8の特徴は、上記本発明システム装置の第6の特徴における前記液体カートリッジが、前記マイクロシリンジに装填すると前記破封供給ノズルにより貫通される孔を具備し、内圧を大気圧以上にすることにより当該孔を内から封する小球を内蔵してなる、小型燃料電池システム装置の構成採用にある。
【0034】
本発明システム装置の第9の特徴は、上記本発明システム装置の第2、第3、第5、第6、第7又は第8の特徴における前記液体カートリッジが、前記マイクロシリンジへの装填方向に対して伸縮自在な蛇腹構造である、小型燃料電池システム装置の構成採用にある。
【0035】
本発明システム装置の第10の特徴は、上記本発明システム装置の第2、第3、第5、第6、第7、第8又は第9の特徴における前記液体カートリッジが、その断面を、円、楕円、n角形(n≧3)、角を丸くしたn角形(n≧3)の何れかである、小型燃料電池システム装置の構成採用にある。
【0036】
かかる構成採用により、以下の各事項が実現可能となる。
第1に、循環する液体燃料中に挿入された2本のプローブ間に交流電圧を加え、交流インピーダンスを測定することによって、簡易なシステム装置によって濃度を正確に測定することが可能となる。
【0037】
第2に、ステッピングモータにおける回転軸の回転角度を正確に制御し、ステッピングモータの回転軸の回転角度に比例して移動するマイクロシリンジ内におけるピストンの移動量を正確に制御することにより、高濃度の液体燃料の注入量を正確に制御可能となる。またそれに関連して、ステッピングモータでもって回転軸の回転角を保持することにより、循環する液体燃料を加圧可能となる。
【0038】
第3に、インクジェットにより液体燃料を微小量、液滴として注入するので、液体燃料の正確な濃度調節が可能となる。
【0039】
第4に、シリコンプロセスによるマイクロマシニング技術により作成した1対の離隔噛合ギアからなるマイクロギアポンプによって液体燃料を循環させることによって、送液ポンプの小型・軽量化が可能となる。
【0040】
第5に、循環する液体燃料を常時大気圧以上に加圧することによって、連続多孔質構造のベントフィルタにより、簡易に液体燃料中の気体を除去することが可能となる。
【0041】
第6に、マイクロシリンジ内に液体カートリッジを装填することによって、マイクロシリンジの盲端に貫着し燃料流路に連通する破封供給ノズルによって液体カートリッジの密封が破られ、液体カートリッジ内の液体(燃料)が使用可能となる。
【0042】
第7に、液体カートリッジの一底面には、側面及び他の底面と比べて肉簿な構造とすることにより、通常においては良好な機械的強度を保ち漏洩することなく、必要な場合にのみ(マイクロシリンジの破封供給ノズルなどにより)肉簿部分を破ることによって、液体カートリッジの液体を放出することが可能となる。
【0043】
第8に、マイクロシリンジに設けた破封供給ノズルに対応するように、マイクロシリンジに装填される液体カートリッジに設けた孔を、内部の大気圧以上の圧力によって小球(孔より直径の大きい小球)により封止することにより、通常は内部の液体を漏洩することなく、必要な場合にはマイクロシリンジに収容しさえすれば、その小球に破封供給ノズルを介して圧力を加えることになるので、小球を孔から外して、液体カートリッジ内の液体を破封供給ノズル内に放出可能とする。
【0044】
第9に、蛇腹構造である液体カートリッジを、外部から伸縮方向に圧力を加えることにより、液体カートリッジ内の液体の量を制御しながら外部に放出することが可能となる。またそれに関連して、液体カートリッジに圧力を加えると、液体カートリッジが蛇腹構造である故に、液体カートリッジがマイクロシリンジ内部において屈曲することはなく、液体カートリッジ内の液体を使い切ることが可能となる。
【0045】
第10に、液体カートリッジの断面を自由に選択することが可能となる為、マイクロシリンジの形状に対する自由度が広がり、システム設計が容易となる。
【0046】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。
【0047】
(システム装置例1)
図1は、本発明の実施の形態例である、小型燃料電池システム装置の構成の概略図である。尚、燃料はメタノール水溶液であることを前提とする。
小型燃料電池システム装置βは、固体高分子電解膜1、空気極2、燃料極3からなる燃料電池セル4と、空気極2に空気を送り込むブロア5からなる空気供給手段6と、燃料極3に燃料を供給する燃料供給手段13とを有することにより基本的に構成される。
【0048】
燃料供給手段13は、マイクロシリンジ14と、高濃度メタノールカートリッジ15と、水カートリッジ16と、ラックロッド17a付ピストン17と、ピニオン18a付ステッピングモータ18とにより構成され、小型燃料電池システム装置βは、燃料であるメタノール水溶液を循環させる為のマイクロギアポンプ19と、燃料極3において発生する二酸化炭素を外部に放出するベントフィルタ20、メタノール水溶液の濃度センサ21と、メタノール水溶液の圧力センサ22を接続配管している。
【0049】
発電によリメタノール水溶液中のメタノール及び水が消費される為、マイクロギアポンプ19によってメタノール水溶液を循環させる過程において、高濃度メタノールカートリッジ15からの高濃度メタノールと水カートリッジ16からの水とをメタノール水溶液に供給しメタノールの濃度を調整する。
【0050】
また、ステッピングモータ18により回転するピニオン18aとラックロッド17aの噛合を介してピストン17を前進し、それぞれ高濃度メタノール及び水を加圧しながらメタノール水溶液に破封供給ノズル26から注入することにより、メタノール水溶液が(大気圧以上に)加圧され、メタノール水溶液中に存在する二酸化炭素の気泡(不要なガズ)をベントフィルタ(連続かつ多孔性のフィルタが望ましい。)20から外部に放出することが可能となる。
【0051】
[濃度センサの詳細]
図2は、図1の濃度センサについて、メタノール水溶液の交流インピーダンス測定を行う金属プローブが設置されたメタノール流路の断面図である。
図3は、2本の金属ブローブの間に印加された交流電圧の周波数(10、100、1000Hz)をパラメータとして、メタノール濃度とインピーダンスとの関係図である。
【0052】
濃度センサ21は、図2の如く、メタノール水溶液が流れるメタノール流路23内部に、2本の金属ブローブ24を挿入した構造である。
そして、図3の如く、メタノール濃度、インピーダンス、両者には良好な線形関係があることからすれば(尚、線形関係が必須ではなく、一対一対応の関係があればよい。)、予め使用する系におけるメタノール濃度とインピーダンスの関係を測定して両者の相関を数式化しておくことにより、簡易な装置によってメタノール濃度を正確に測定することが可能となる。
【0053】
[マイクロギアポンプの詳細]
図4は、図1のマイクロギアポンプの断面図である。
マイクロギアポンプ19は、その内部に一対のマイクロギア25が離隔噛み合っている。このマイクロギア25は、シリコンプロセスによるマイクロマシニング技術により作成することにより小型化・軽量化が可能であり、更には、ポンプ自身の構造が簡単な為メンテナンス性にも優れる。尚、図4は、図面上、上から下に向って(矢印の向き)、メタノール水溶液が循環して、向って左のマイクロギア25が時計回り、右のマイクロギア25が反時計回りに回転する図となっている。
【0054】
[高濃度メタノールカートリッジ、水カートリッジの詳細]
図5は、ステッピングモータにより作動するラックロッド付ピストンを介して液体カートリッジを加圧することにより、燃料のメタノール流路への注入量を調整する調整手段(図1の高濃度メタノールカートリッジ及びマイクロシリンジなどにより構成された手段)の断面図ある。
【0055】
マイクロシリンジ14は盲端中央に貫着して液体流路23の注入口27に連通する破封供給ノズル26を具備し、高濃度メタノールが満たされた高濃度メタノールカートリッジ15をマイクロシリンジ14に装填しピストン17に押圧されることによって高濃度メタノールカートリッジ15の密封が破られる構造となっている。
【0056】
ラックロッド17a付ピストン17は、ピニオン18a付ステッピングモータ18によって駆動され、ステッピングモータ18における回転軸の回転角度は外部から正確に制御可能であるから、ピニオン18aとラックロッド17aの噛合を介してピストン17のマイクロシリンジ14内の前進移動距離を正確に制御でき、その移動距離に応じて高濃度メタノールカートリッジ15がその移動方向に縮み、結果として正確な量の高濃度メタノールをメタノール水溶液中に注入できる。
【0057】
また、ステッピングモータ18の回転軸は回転角を保持できることから、ラックロッド17a付ピストン17の位置を固定でき、結果として高濃度メタノールカートリッジ15及びメタノール水溶液を加圧可能となる。
【0058】
ここで、高濃度メタノールの注入口27をピンホールにしてお<ことにより、ラックロッド17a付ピストン17を作動させていない場合においては、高濃度メタノールのメタノール水溶液への流出をほぼ無視することができる。
尚、水カードリッジ16についても同様である。
【0059】
図6は、図5とは別の、ステッピングモータにより作動するピストンを介して液体カートリッジを加圧することにより、燃料のメタノール流路への注入量を調整する調整手段(高濃度メタノールカートリッジ及びマイクロシリンジなどにより構成)の断面図ある。
【0060】
マイクロシリンジ14の内部には、破封供給ノズル26によって封が破られた高濃度メタノールが満たされた高濃度メタノールカートリッジ15が装填されている。そして、ロッドピストン29外周にギアが切られかつマイクロシリンジ14の一側に延在するガイド溝14aを貫通してステッピングモータ18により回転する円筒ウォーム28との直交噛合で回転力をロッドピストン29に伝達でき、それにより、高濃度メタノールカートリッジ15の加圧を行うことができる。
【0061】
ここで、図6の構成を図5の構成と比較しすると、ステッピングモータ18の回転軸方向とマイクロシリンジ14の長手方向が平行となるよう並置することにより、更なる小型化が可能となる。
尚、水カードリッジ16についても同様である。
【0062】
[高濃度メタノールカードリッジの詳細]
図7は、一部に肉厚の薄い箇所を有する高濃度メタノールカートリッジの断面図である。高濃度メタノールカートリッジ15aは、その長手側面を蛇腹構造として伸縮が可能である。
【0063】
また、高濃度メタノールカートリッジ15aの端面の内、破封供給ノズル26により亀裂を生じさせる箇所(亀裂発生箇所30)については、肉厚を薄くし、破封供給ノズル26によって容易に封を破ることが可能な構造となっている。尚、肉厚の簿い箇所の周囲については、破封供給ノズル26により封を破る際にその亀裂を大きくしないように、補強する意味で強度を確保する為の十分な肉厚であることが望ましい。
【0064】
図8は、小球によって内から封がされている高濃度メタノールカートリッジの断面図である。高濃度メタノールカートリッジ15bは、その長手側面を蛇腹構造とし、伸縮が可能である。また高濃度メタノールカートリッジ15bの一端面には略円状の孔31があり、小球32により封がされており、外部より内側に圧力を加えることにより容易に小球32を外すことが可能となっている。尚、小球32が不意に移動しない様に、孔31に連続して内周面をテーパとするストッパー33を突設する。
【0065】
図9は、図7、8とは異なり、伸縮方向を法線方向とする面(その一面に亀裂発生箇所34)が略長方形である高濃度メタノールカートリッジ15cの斜視図である。伸縮方向を法線方向とする面の形状を、円形ではなく、略長方形とすることにより、−定体積に占めるカートリッジ15cの体積の割合が向上し、システム装置の更なる小型化が可能となる。
尚、水カートリッジ16についても、更に、一般に、液体カートリッジについても同様のことがいえる。
【0066】
(システム装置例2)
図10は、本発明の一実施形態である、小型燃料電池システム装置の構成の模式図である。尚、燃料はメタノール水溶液であることを前提とする。
【0067】
小型燃料電池システム装置γは、固体高分子電解膜1、空気極2、燃料極3からなる燃料電池セル4と、空気極2に空気を送るブロア5からなる空気供給手段6と、燃料極3に燃料を供給する燃料供給手段35を有する。
燃料供給手段35は、マイクロシリンジ14と、高濃度メタノールカートリッジ15と、水カートリッジ16と、高濃度メタノール、水を注入する為のインクジェット36から構成される。
【0068】
また、燃料であるメタノール水溶液を循環させる為のマイクロギアポンプ19と、メタノール水溶液の濃度センサ21とを、メタノール流路に介在させてある。
【0069】
発電によリメタノール水溶液中のメタノール及び水が消費される為、マイクロギアポンプ19によって循環する過程において、高濃度メタノールカートリッジ15からの高濃度メタノールと、水カートリッジ16からの水とをインクジェット36によリそれぞれメタノール水溶液に注入し濃度の調整を行う。
【0070】
図11は、インクジェットでもって燃料のメタノール流路への注入量を調整する調整手段(高濃度メタノールカートリッジ及びインクジェットを用いたマクロシリンジなどにより構成)の断面図である。
【0071】
マイクロシリンジ14の内には、盲端中央に貫着し燃料流路23の注入口27と連通し途中に加熱手段37をセットする破封供給ノズル26などによって封が破られた高濃度メタノールの満たされた高濃度メタノールカートリッジ15が装填されており、加熱手段(ヒータなど)37により加熱されることにより気泡38が発生し、気泡38が大きくなることによって高濃度メタノールが注入口27を介してメタノール水溶液中に注入される、インクジェットの構造となっている。
【0072】
(方法例)
本発明の一実施形態である、燃料電池発電方法につき、前述のシステム装置例1、2の適用を前提として説明する。
【0073】
燃料電池発電方法は、その方法を実施するのに用いられる小型燃料電池システム装置β、γの、濃度センサ21により、測定した交流インピーダンスに基いて、予め交流インピーダンスと濃度との相関関係から、燃料流路(前述では、メタノール流路23)内の濃度を測定する。
【0074】
そして、測定した濃度から、その燃料電池セル4の基準濃度となるよう、例えば、濃度センサ21からの測定結果の入力を受け、その入力に応じて、制御信号をステッピングモータ18又は加熱手段37に出力する制御手段(コンピュータなど)により、自動制御を行う。
その制御信号により、発電により消費された燃料(メタノール、水)の減少分を補うように、燃料供給手段13,35により燃料流路23にそれぞれ注入される。
【0075】
その際、小型燃料電池システム装置βの燃料供給手段13を用いる場合(図5、6)には、制御信号の伝達によりステッピングモータ18が作動し、それにより、ピストン17、29が移動して、液体メタノールカートリッジ15が加圧されて、蛇腹が縮み、結果として蛇腹が縮んだ体積分のメタノールが注入口27からメタノール流路23内のメタノール水溶液中に注入される。
【0076】
その際、小型燃料電池システム装置γの燃料供給手段35を用いる場合(図11)、制御信号の伝達により、加熱手段37が制御され、それにより加熱状態が変化して、注入口27から注入される液の量を変えることで、結果として注入量をコントロールする。
【0077】
尚、小型燃料電池システム装置β、γは、共にマイクロマシニング技術により作成された一対のギア25からなるマイクロギアポンプ19により、燃料流路(先の例では、メタノール流路23)内の燃料(メタノール水溶液)が循環される。また、燃料供給手段13により大気圧以上に加圧した状態の下において、ベントフィルタ20により、燃料電池セル4などにおいて生じた二酸化炭素などの不要な気体を排出することにより、燃料電池セル4における発電能力の低下を阻止する。
【0078】
尚、以上の説明においては、メタノールを燃料とするダイレクトメタノール型につき説明するものの、燃料をメタノールとする点、ダイレクトメタノール型とする点に、本発明を限定する趣旨ではない。
また、液体カートリッジ(例えば、先の、高濃度メタノールカートリッジ15、水カートリッジ16)の形状については、その断面が円形、楕円形、n角形(n≧3)、角を丸くしたn角形(n≧3)などが挙げられる。
【0079】
以上、本発明の実施の形態をシステム装置例、方法例として説明したが、本発明の目的を達し、下記する効果を奏する範囲において、適宜変更して実施可能とする。
【0080】
【発明の効果】
本発明によれば、液体燃料の濃度を交流インピーダンス測定により計測できるので、システム装置の軽量化、小型化を実現でき、しかも簡易な手段によって正確に濃度を計測できる。また、液体燃料の循環においてはマイクロギアポンプを用いることにより、従来の送液ポンプの小型、軽量化を実現できる。
【0081】
更に、液体燃料を蛇腹構造のカートリッジによって供給し、液体燃料の注入をステッピングモータでもって行うことにより、液体燃料の持ち運びが容易になり、延いては、小型、軽量化された手段によって、液体燃料の注入につき正確に行うことができる。しかも、加圧しながら液体燃料を注入することができることにより、連続多孔質構造を持つベントフィルタを通して燃料中の不要な気体を容易に取り除くことができる。本発明は、以上に代表される優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である小型燃料電池システム装置構成の概略図である。
【図2】図1の濃度センサの断面図である。
【図3】図1の濃度センサについてメタノール濃度とインピーダンスの関係図である。
【図4】図1のマイクロギアポンプの断面図である。
【図5】図1の高濃度メタノールカートリッジ及びマイクロシリンジの断面図である。
【図6】図5とは別の、高濃度メタノールカートリッジ及びマイクロシリンジの断面図である。
【図7】図1の高濃度メタノールカートリッジの断面図である。
【図8】図7とは別の、高濃度メタノールカートリッジの断面図である。
【図9】図7、8とは別の、高濃度メタノールカートリッジの斜視図である。
【図10】図1とは別の、小型燃料電池システム装置構成の模式図である。
【図11】高濃度メタノールカートリッジ及びインクジェットを用いたマクロシリンジの断面図である。
【図12】従来の技術の一例としての、ダイレクトメタノール型燃料電池システム装置の構成図である。
【符号の説明】
1…固体高分子電解膜
2…空気極
3…燃料極
4…燃料電池セル
5…ブロア
6…空気供給手段
7…燃料供給手段
8…メタノールタンク
9…水タンク
10…送液ポンプ
11…気液分離機
12…凝縮機
13…燃料供給手段
14…マイクロシリンジ
15…高濃度メタノールカートリッジ
16…水カートリッジ
17…ラックロッド付ピストン
18…ピニオン付ステッピングモータ
19…マイクロギアポンプ
20…ベントフィルタ
21…濃度センサ
22…圧力センサ
23…メタノール流路(燃料流路)
24…金属プローブ
25…マイクロギア
26…破封供給ノズル
27…注入口
28…円筒ウォーム
29…ロッドピストン
30…亀裂発生箇所
31…孔
32…小球
33…ストッパー
34…亀裂発生箇所
35…燃料供給手段
36…インクジェット
37…加熱手段
38…気泡
α…ダイレクトメタノール型燃料電池システム装置
β、γ…小型燃料電池システム装置
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation method using a liquid fuel and a small fuel cell system device directly used for implementing the invention of the method.
[0002]
[Prior art]
A conventional fuel cell system using a liquid fuel will be described.
FIG. 12 is a configuration diagram of a direct methanol fuel cell system using methanol as a fuel as an example.
[0003]
The direct methanol fuel cell system device α includes a fuel cell 4 including a solid polymer electrolyte membrane 1, an air electrode 2, and a fuel electrode 3, an air supply unit 6 including a blower 5 for feeding air to the air electrode 2, A fuel supply means 7 for supplying fuel to the pole 3 is connected to a pipe.
[0004]
The fuel supply means 7 is composed of a methanol tank 8 storing high-concentration methanol and a water tank 9 containing water for diluting the methanol aqueous solution, and a liquid feed pump for circulating the methanol aqueous solution as a fuel. 10 and a gas-liquid separator 11 that discharges carbon dioxide generated at the fuel electrode 3 to the outside are connected to the circulation pipe in a way.
[0005]
Then, since methanol and water in the methanol aqueous solution are consumed by the power generation, the high-concentration methanol from the methanol tank 8 and the water from the water tank 9 are converted into the methanol aqueous solution in the process of circulating the methanol aqueous solution by the liquid sending pump 10. By supplying and adjusting the concentration of the aqueous methanol solution and keeping the concentration of the aqueous methanol solution constant, a stable output can be obtained from the fuel cell 4.
[0006]
Since water vapor is generated at the air electrode 2 by performing power generation, a condenser 12 for liquefying the water vapor is provided at the outlet side of the air electrode 2, and water obtained by the condenser 12 is supplied to a water tank 9. By supplying the water, the water can be reused.
[0007]
In addition to the above-described conventional techniques, there are, for example, the following Non-Patent Documents 1 and 2.
[Non-patent document 1]
NIKKEI MICRODEVICES April 2002 Issue p.51
[Non-patent document 2]
Nikkei Mechanical D & M 2002.2.2. No.569 Page 20
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional fuel cell system device α has a problem that the size and weight of the system device cannot be reduced. The main causes are as follows.
[0009]
First, although the concentration of the aqueous methanol solution can be measured accurately using a liquid chromatograph, the size of the system is large, and as a result, it is difficult to reduce the size and weight of the system device. In this regard, it is possible to calculate the amount of methanol consumed to obtain the concentration of the aqueous methanol solution by integrating the output of the fuel cell, but unreacted methanol causes the solid polymer electrolyte membrane 1 to move to the fuel electrode 3 side. Therefore, it is difficult to accurately calculate the concentration because a so-called methanol crossover phenomenon that is transmitted to the air electrode 2 side from the air occurs.
[0010]
Second, in order to accurately adjust the concentration of methanol, it is necessary to inject a high-concentration methanol and water into a methanol aqueous solution in a required amount, respectively, by using a micro syringe pump. Although possible, the size of the device was large, and as a result, it was difficult to reduce the size and weight of the system device.
[0011]
Thirdly, a liquid pump is required to circulate the aqueous methanol solution. However, diaphragm-type liquid pumps that are widely used at present have many components such as eccentric cams, connecting rods, and diaphragms, and the structure is large. Because of the complexity, it has been difficult to reduce the size and weight of the system device.
[0012]
Fourth, the carbon dioxide generated at the fuel electrode 3 by the electrode reaction is present as bubbles in the aqueous methanol solution, and the bubbles stay in the vicinity of the fuel electrode 3 so that the supply of methanol can be smoothly performed. The gas-liquid separator 11, which is usually used for removing gas from a liquid, is large in size. Therefore, it has been difficult to reduce the size and weight of the system device.
[0013]
Therefore, the present invention has been made in view of such a drawback, and the main objects to be solved by the present invention are as follows.
[0014]
A first object of the present invention is to provide a fuel cell power generation method and a small fuel cell system device in which the supply form of fuel consumed for power generation is improved.
[0015]
A second object of the present invention is to provide a fuel cell power generation method and a small-sized fuel cell system device in which the avoidance of a decrease in power generation capacity due to carbon dioxide gas is improved.
[0016]
A third object of the present invention is to provide a fuel cell power generation method and a small-sized fuel cell system device, which avoids an increase in the size of a system device required for accurately measuring the concentration of liquid fuel.
[0017]
Other objects of the present invention will become apparent from the description of the specification, drawings, and particularly from the claims.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the method of the present invention comprises: (1) a characteristic configuration method of measuring the concentration of liquid fuel by an AC impedance; (2) a micro syringe provided with a piston operated by a stepping motor for fuel injection; Or 3) a characteristic configuration method of circulating liquid fuel using a micro gear pump composed of a pair of gears created by micro machining technology, and 4) a characteristic configuration method of liquid fuel. A characteristic configuration method is adopted in which the pressure is constantly increased to the atmospheric pressure or higher and unnecessary gas generated in the fuel cell is removed by a vent filter.
[0019]
In order to solve the above problems, the system device of the present invention is a concentration sensor that measures the concentration of the liquid fuel by AC impedance, a micro gear pump that circulates the liquid fuel, a micro syringe or an ink jet that injects the liquid fuel, and the fuel is always at or above atmospheric pressure Under the pressurized condition, a characteristic filter is provided which includes a vent filter for discharging unnecessary gas such as carbon dioxide generated.
[0020]
More specifically, in solving the problem, the present invention achieves the above object by adopting the following novel characteristic configuration method or means.
[0021]
The first feature of the method of the present invention is to measure a fuel concentration by measuring an AC impedance using a metal probe installed in a fuel flow path connected to a fuel cell, and to measure the fuel concentration. The present invention resides in adopting a configuration of a fuel cell power generation method for estimating the amount of fuel to be injected.
[0022]
According to a second feature of the method of the present invention, the fuel in the first feature of the present method is injected into the fuel flow path by a micro syringe having a piston operated by a stepping motor. The present invention is to adopt a configuration of a fuel cell power generation method.
[0023]
A third feature of the method of the present invention is the configuration of a fuel cell power generation method, wherein the fuel in the first feature of the above-described method of the present invention is injected into the fuel flow path by the inkjet at the estimated amount. In hiring.
[0024]
A fourth feature of the method of the present invention is that a liquid fuel in a fuel flow path connected to a fuel cell is circulated by a micro gear pump composed of a pair of gears made by micro machining technology. It consists in adopting the configuration of the battery power generation method.
[0025]
A fifth feature of the method of the present invention is that the fuel in the fuel flow path connected to the fuel cell is constantly pressurized to the atmospheric pressure or higher, and the fuel cell is pressurized by a vent filter provided in the fuel flow path. An object of the present invention is to employ a configuration of a fuel cell power generation method for discharging unnecessary gas generated in the fuel cell.
[0026]
A first feature of the system device of the present invention is that a fuel cell, air supply means for feeding air to the air electrode of the fuel cell, and fuel supply for supplying fuel to the fuel electrode of the fuel cell Means, and a fuel flow path which connects the fuel supply means and the fuel electrode and serves as a fuel circulation path, wherein a metal probe inserted into the fuel flow path is used as a sensor to measure the AC impedance. Another object of the present invention is to provide a small fuel cell system having a concentration sensor for detecting the concentration of liquid fuel.
[0027]
A second feature of the system device of the present invention is that a fuel cell, air supply means for feeding air to the air electrode of the fuel cell, and fuel supply for supplying fuel to the fuel electrode of the fuel cell And a fuel passage connecting the fuel supply means and the fuel electrode and serving as a fuel circulation path, wherein the fuel supply means seals the fuel with a liquid cartridge and the liquid cartridge. Fuel cell comprising a micro-syringe for charging the liquid cartridge and an adjusting means for adjusting the amount of fuel injected into the fuel flow path by pressurizing the liquid cartridge via a piston operated by a stepping motor. The configuration of the system device is adopted.
[0028]
A third feature of the system device of the present invention is that a fuel cell, air supply means for feeding air to the air electrode of the fuel cell, and fuel supply for supplying fuel to the fuel electrode of the fuel cell And a fuel passage connecting the fuel supply means and the fuel electrode and serving as a fuel circulation path, wherein the fuel supply means seals the fuel with a liquid cartridge and the liquid cartridge. And a control means for adjusting the injection amount of fuel into the fuel flow path by ink jet.
[0029]
A fourth feature of the system device of the present invention is that a fuel cell, air supply means for feeding air to the air electrode of the fuel cell, and fuel supply for supplying fuel to the fuel electrode of the fuel cell And a fuel flow path that connects the fuel supply means and the fuel electrode and serves as a fuel circulation path, wherein the fuel flow path is formed from a pair of gears created by micromachining technology. Another aspect of the present invention resides in the adoption of a configuration of a small fuel cell system device including a micro gear pump.
[0030]
A fifth feature of the system device of the present invention is that the fuel passage in the second feature of the system device of the present invention has a porous structure in which unnecessary gas generated inside is pressurized and discharged by the adjusting means. Another object of the present invention is to adopt a configuration of a small fuel cell system device having a vent filter interposed therebetween.
[0031]
A sixth feature of the system device of the present invention is that the micro syringe in the second, third or fifth feature of the above-described system device of the present invention is a puncture supply that is triggered by opening the liquid cartridge when the liquid cartridge is loaded. The present invention resides in adoption of a configuration of a small fuel cell system device having a nozzle.
[0032]
A seventh feature of the system device of the present invention is that the liquid cartridge according to the sixth feature of the above-described system device of the present invention is such that when the liquid cartridge is loaded into the micro syringe, a portion that becomes a through hole by the breakage supply nozzle becomes thin. The configuration of the fuel cell system device is adopted.
[0033]
An eighth feature of the system device of the present invention is that the liquid cartridge according to the sixth feature of the above-described system device of the present invention has a hole penetrated by the puncture supply nozzle when the liquid cartridge is loaded into the micro syringe, and increases the internal pressure. Another object of the present invention is to adopt a configuration of a small fuel cell system device having a built-in small ball that seals the hole from the inside by increasing the pressure above the atmospheric pressure.
[0034]
A ninth feature of the system device of the present invention is that the liquid cartridge according to the second, third, fifth, sixth, seventh or eighth feature of the system device of the present invention is arranged such that the liquid cartridge is mounted in the micro syringe in the loading direction. On the other hand, a small fuel cell system device having a bellows structure that can expand and contract is used.
[0035]
A tenth feature of the system device of the present invention is that the liquid cartridge according to the second, third, fifth, sixth, seventh, eighth, or ninth feature of the above-described system device of the present invention has a circular cross section. , An ellipse, an n-sided polygon (n ≧ 3), or an n-sided polygon with rounded corners (n ≧ 3).
[0036]
By employing such a configuration, the following items can be realized.
First, by applying an AC voltage between two probes inserted into the circulating liquid fuel and measuring the AC impedance, the concentration can be accurately measured with a simple system device.
[0037]
Second, by precisely controlling the rotation angle of the rotation shaft of the stepping motor and accurately controlling the amount of movement of the piston in the micro syringe that moves in proportion to the rotation angle of the rotation shaft of the stepping motor, high concentration is achieved. Liquid fuel injection amount can be accurately controlled. In connection with this, the circulating liquid fuel can be pressurized by maintaining the rotation angle of the rotating shaft by the stepping motor.
[0038]
Third, since a minute amount of liquid fuel is injected as droplets by ink jet, it is possible to accurately adjust the concentration of the liquid fuel.
[0039]
Fourth, by circulating the liquid fuel by a micro gear pump composed of a pair of spaced-apart meshing gears made by micro machining technology using a silicon process, the size and weight of the liquid feed pump can be reduced.
[0040]
Fifth, by constantly pressurizing the circulating liquid fuel to a pressure higher than the atmospheric pressure, the gas in the liquid fuel can be easily removed by a vent filter having a continuous porous structure.
[0041]
Sixth, by loading the liquid cartridge into the microsyringe, the seal of the liquid cartridge is broken by the rupture supply nozzle that penetrates the blind end of the microsyringe and communicates with the fuel flow path, and the liquid in the liquid cartridge ( Fuel) can be used.
[0042]
Seventh, the bottom surface of the liquid cartridge has a solid structure compared to the side surface and the other bottom surface, so that the liquid cartridge normally has good mechanical strength and does not leak, and only when necessary ( Breaking the pad portion (such as by a micro-syringe break-through nozzle) allows the liquid in the liquid cartridge to be released.
[0043]
Eighth, the holes provided in the liquid cartridge loaded in the microsyringe are made into small spheres (small diameters larger than the holes) by the pressure higher than the internal atmospheric pressure so as to correspond to the breakage supply nozzle provided in the microsyringe. By enclosing the microspheres with a microsphere, it is possible to apply pressure to the microspheres via a breakage supply nozzle, if necessary, as long as it is contained in a micro-syringe without leaking the liquid inside. Therefore, the small ball is removed from the hole, and the liquid in the liquid cartridge can be discharged into the breakage supply nozzle.
[0044]
Ninth, it is possible to discharge the liquid cartridge having the bellows structure to the outside while controlling the amount of liquid in the liquid cartridge by applying pressure from the outside in the expansion and contraction direction. In this connection, when pressure is applied to the liquid cartridge, the liquid cartridge does not bend inside the micro syringe because the liquid cartridge has a bellows structure, and the liquid in the liquid cartridge can be used up.
[0045]
Tenth, since the cross section of the liquid cartridge can be freely selected, the degree of freedom with respect to the shape of the micro syringe is increased, and the system design is facilitated.
[0046]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Here, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0047]
(System device example 1)
FIG. 1 is a schematic diagram of a configuration of a small fuel cell system device according to an embodiment of the present invention. It is assumed that the fuel is an aqueous methanol solution.
The small fuel cell system β is composed of a fuel cell 4 composed of a solid polymer electrolyte membrane 1, an air electrode 2 and a fuel electrode 3, an air supply means 6 composed of a blower 5 for feeding air to the air electrode 2, And a fuel supply means 13 for supplying fuel to the fuel cell.
[0048]
The fuel supply means 13 includes a micro syringe 14, a high-concentration methanol cartridge 15, a water cartridge 16, a piston 17 with a rack rod 17a, and a stepping motor 18 with a pinion 18a. A micro gear pump 19 for circulating a methanol aqueous solution as a fuel, a vent filter 20 for releasing carbon dioxide generated in the fuel electrode 3 to the outside, a methanol aqueous solution concentration sensor 21 and a methanol aqueous solution pressure sensor 22 are connected and connected. ing.
[0049]
Since the methanol and water in the aqueous methanol solution are consumed by the power generation, in the process of circulating the aqueous methanol solution by the micro gear pump 19, the high-concentration methanol from the high-concentration methanol cartridge 15 and the water from the water cartridge 16 are combined with the aqueous methanol solution. To adjust the concentration of methanol.
[0050]
Further, the piston 17 is moved forward through the engagement of the pinion 18a rotated by the stepping motor 18 and the rack rod 17a, and high-concentration methanol and water are injected into the aqueous methanol solution from the breakage supply nozzle 26 while pressurizing the methanol, respectively. The aqueous solution is pressurized (at atmospheric pressure or higher), and bubbles (unnecessary gas) of carbon dioxide present in the methanol aqueous solution can be discharged from the vent filter (preferably a continuous and porous filter) 20 to the outside. It becomes.
[0051]
[Details of density sensor]
FIG. 2 is a cross-sectional view of a methanol flow channel provided with a metal probe for measuring the AC impedance of a methanol aqueous solution for the concentration sensor of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the methanol concentration and the impedance, using the frequency (10, 100, 1000 Hz) of the AC voltage applied between the two metal probes as a parameter.
[0052]
As shown in FIG. 2, the concentration sensor 21 has a structure in which two metal probes 24 are inserted inside a methanol flow path 23 through which a methanol aqueous solution flows.
Then, as shown in FIG. 3, since there is a good linear relationship between the methanol concentration and the impedance, both of them (the linear relationship is not indispensable, and a one-to-one correspondence is sufficient). By measuring the relationship between the methanol concentration and impedance in the system and formulating the correlation between the two, it becomes possible to accurately measure the methanol concentration with a simple device.
[0053]
[Details of micro gear pump]
FIG. 4 is a sectional view of the micro gear pump of FIG.
In the micro gear pump 19, a pair of micro gears 25 are separately meshed inside. The microgear 25 can be reduced in size and weight by being made by micromachining technology based on a silicon process, and is also excellent in maintainability because the structure of the pump itself is simple. In FIG. 4, the methanol aqueous solution circulates from top to bottom (in the direction of the arrow), and the left micro gear 25 rotates clockwise and the right micro gear 25 rotates counterclockwise. It is a figure to do.
[0054]
[Details of high concentration methanol cartridge and water cartridge]
FIG. 5 shows an adjusting means for adjusting the injection amount of fuel into the methanol flow path by pressurizing the liquid cartridge via a piston with a rack rod operated by a stepping motor (such as a high-concentration methanol cartridge and a micro syringe shown in FIG. 1). FIG.
[0055]
The micro syringe 14 has a breakage supply nozzle 26 that penetrates the center of the blind end and communicates with the inlet 27 of the liquid flow path 23, and loads the high concentration methanol cartridge 15 filled with high concentration methanol into the micro syringe 14. The sealing of the high-concentration methanol cartridge 15 is broken by being pressed by the piston 17.
[0056]
The piston 17 with the rack rod 17a is driven by a stepping motor 18 with a pinion 18a, and the rotation angle of the rotating shaft of the stepping motor 18 can be accurately controlled from the outside. The high-concentration methanol cartridge 15 shrinks in the direction of its movement according to the moving distance, so that a precise amount of high-concentration methanol can be injected into the aqueous methanol solution. .
[0057]
Further, since the rotation axis of the stepping motor 18 can maintain the rotation angle, the position of the piston 17 with the rack rod 17a can be fixed, and as a result, the high-concentration methanol cartridge 15 and the aqueous methanol solution can be pressurized.
[0058]
Here, since the high-concentration methanol injection port 27 is a pinhole, when the piston 17 with the rack rod 17a is not operated, the outflow of the high-concentration methanol into the methanol aqueous solution can be almost ignored. it can.
The same applies to the water cartridge 16.
[0059]
FIG. 6 shows an adjusting means (a high-concentration methanol cartridge and a micro-syringe) for adjusting the injection amount of fuel into the methanol flow path by pressurizing the liquid cartridge via a piston operated by a stepping motor, which is different from FIG. FIG.
[0060]
Inside the micro syringe 14, a high-concentration methanol cartridge 15 filled with high-concentration methanol whose seal has been broken by the puncture supply nozzle 26 is loaded. A gear is cut around the outer periphery of the rod piston 29 and penetrates a guide groove 14 a extending to one side of the micro syringe 14, and the rotational force is applied to the rod piston 29 by orthogonal engagement with the cylindrical worm 28 rotated by the stepping motor 18. The transmission can be performed, so that the high-concentration methanol cartridge 15 can be pressurized.
[0061]
Here, comparing the configuration of FIG. 6 with the configuration of FIG. 5, by further juxtaposing the rotation axis direction of the stepping motor 18 and the longitudinal direction of the micro syringe 14 to be parallel, further downsizing is possible.
The same applies to the water cartridge 16.
[0062]
[Details of high-concentration methanol cartridge]
FIG. 7 is a cross-sectional view of a high-concentration methanol cartridge partially having a thin portion. The high-concentration methanol cartridge 15a is capable of extending and contracting in a bellows structure on its longitudinal side surface.
[0063]
In the end surface of the high-concentration methanol cartridge 15a, a portion (a crack generation portion 30) where a crack is generated by the puncture supply nozzle 26 is thinned, and the seal is easily broken by the puncture supply nozzle 26. Is possible. In addition, the periphery of the thick register portion should be thick enough to secure strength in the sense of reinforcement so as not to increase the crack when the seal is broken by the breakage supply nozzle 26. desirable.
[0064]
FIG. 8 is a cross-sectional view of a high-concentration methanol cartridge sealed from inside by small balls. The high-concentration methanol cartridge 15b has a bellows structure on its longitudinal side surface and can be expanded and contracted. A substantially circular hole 31 is provided at one end surface of the high-concentration methanol cartridge 15b and is sealed by a small ball 32, so that the small ball 32 can be easily removed by applying pressure from the outside to the inside. Has become. In order to prevent the small ball 32 from accidentally moving, a stopper 33 having a tapered inner peripheral surface is provided so as to be continuous with the hole 31.
[0065]
FIG. 9 is a perspective view of the high-concentration methanol cartridge 15c having a substantially rectangular surface (a crack occurrence location 34 on one surface thereof) whose expansion direction is the normal direction, unlike FIGS. By making the shape of the surface having the expansion / contraction direction as the normal direction not a circle but a substantially rectangle, the ratio of the volume of the cartridge 15c to the constant volume is improved, and the size of the system device can be further reduced. .
The same applies to the water cartridge 16 and, in general, to the liquid cartridge.
[0066]
(System device example 2)
FIG. 10 is a schematic diagram of a configuration of a small fuel cell system device according to one embodiment of the present invention. It is assumed that the fuel is an aqueous methanol solution.
[0067]
The small fuel cell system device γ includes a fuel cell 4 composed of a solid polymer electrolyte membrane 1, an air electrode 2 and a fuel electrode 3, an air supply means 6 composed of a blower 5 for sending air to the air electrode 2, Fuel supply means 35 for supplying fuel to the fuel cell.
The fuel supply means 35 includes the micro syringe 14, a high-concentration methanol cartridge 15, a water cartridge 16, and an inkjet 36 for injecting high-concentration methanol and water.
[0068]
In addition, a micro gear pump 19 for circulating a methanol aqueous solution as a fuel and a methanol aqueous solution concentration sensor 21 are interposed in a methanol flow path.
[0069]
Since methanol and water in the aqueous methanol solution are consumed by the power generation, the high-concentration methanol from the high-concentration methanol cartridge 15 and the water from the water cartridge 16 are supplied to the inkjet 36 in the process of circulation by the micro gear pump 19. Each of them is poured into an aqueous methanol solution to adjust the concentration.
[0070]
FIG. 11 is a cross-sectional view of an adjusting means (constituted by a high-concentration methanol cartridge, a macro syringe using an ink jet, or the like) for adjusting the amount of fuel injected into the methanol flow path by ink jet.
[0071]
Inside the micro syringe 14, high-concentration methanol which has been broken by the puncture supply nozzle 26, which penetrates the center of the blind end, communicates with the inlet 27 of the fuel channel 23, and sets the heating means 37 on the way, is set. A filled high-concentration methanol cartridge 15 is loaded, and heated by a heating means (heater or the like) 37 to generate bubbles 38. When the bubbles 38 become large, high-concentration methanol is supplied through the inlet 27. It has an inkjet structure that is injected into an aqueous methanol solution.
[0072]
(Example of method)
A fuel cell power generation method according to an embodiment of the present invention will be described on the assumption that the above-described system device examples 1 and 2 are applied.
[0073]
The fuel cell power generation method uses the correlation between the AC impedance and the concentration in advance based on the AC impedance measured by the concentration sensor 21 of the small fuel cell system devices β and γ used to execute the method. The concentration in the flow path (the methanol flow path 23 in the above description) is measured.
[0074]
Then, an input of a measurement result from the concentration sensor 21 is received so that the measured concentration becomes the reference concentration of the fuel cell 4, and a control signal is sent to the stepping motor 18 or the heating means 37 in accordance with the input. Automatic control is performed by a control means (such as a computer) for outputting.
According to the control signal, the fuel supply means 13 and 35 inject the fuel (methanol, water) into the fuel passage 23 so as to compensate for the decrease in the fuel consumed by the power generation.
[0075]
At this time, when the fuel supply means 13 of the small fuel cell system device β is used (FIGS. 5 and 6), the stepping motor 18 is operated by transmitting the control signal, whereby the pistons 17 and 29 are moved, When the liquid methanol cartridge 15 is pressurized, the bellows shrinks, and as a result, methanol of a volume corresponding to the shrinkage of the bellows is injected into the methanol aqueous solution in the methanol channel 23 from the inlet 27.
[0076]
At this time, when the fuel supply means 35 of the small fuel cell system device γ is used (FIG. 11), the heating means 37 is controlled by the transmission of the control signal, whereby the heating state changes and the fuel is injected from the inlet 27. By changing the volume of the solution, the injection volume is controlled as a result.
[0077]
The small fuel cell system devices β and γ are connected to a fuel (methanol flow path 23 in the previous example) in a fuel flow path (methanol flow path 23 in the above example) by a micro gear pump 19 including a pair of gears 25 formed by a micromachining technique. Aqueous solution) is circulated. Further, under a state where the pressure is increased to the atmospheric pressure or more by the fuel supply means 13, unnecessary gas such as carbon dioxide generated in the fuel cell 4 or the like is discharged by the vent filter 20, so that the fuel cell 4 Prevents decline in power generation capacity.
[0078]
In the above description, the direct methanol type using methanol as a fuel will be described, but the present invention is not limited to the point that the fuel is methanol or the direct methanol type.
As for the shape of the liquid cartridge (for example, the high-concentration methanol cartridge 15 and the water cartridge 16), the cross section is circular, elliptical, n-sided (n ≧ 3), and n-sided with rounded corners (n ≧ 3). 3) and the like.
[0079]
The embodiment of the present invention has been described above as an example of a system device and an example of a method. However, the object of the present invention is achieved, and the present invention can be implemented with appropriate modifications as long as the following effects are obtained.
[0080]
【The invention's effect】
According to the present invention, the concentration of the liquid fuel can be measured by AC impedance measurement, so that the weight and size of the system device can be reduced, and the concentration can be accurately measured by simple means. Further, by using a micro gear pump in the circulation of the liquid fuel, it is possible to reduce the size and weight of the conventional liquid feed pump.
[0081]
Further, the liquid fuel is supplied by a bellows structure cartridge, and the liquid fuel is injected by a stepping motor, so that the liquid fuel can be easily carried. Injection can be performed accurately. Moreover, since the liquid fuel can be injected while being pressurized, unnecessary gas in the fuel can be easily removed through a vent filter having a continuous porous structure. The present invention has excellent effects represented by the above.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a configuration of a small fuel cell system device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of the concentration sensor of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between methanol concentration and impedance for the concentration sensor of FIG. 1;
FIG. 4 is a sectional view of the micro gear pump of FIG. 1;
FIG. 5 is a sectional view of the high-concentration methanol cartridge and the microsyringe of FIG. 1;
FIG. 6 is a cross-sectional view of a high-concentration methanol cartridge and a micro syringe, which is different from FIG.
FIG. 7 is a sectional view of the high-concentration methanol cartridge of FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a high-concentration methanol cartridge different from FIG.
FIG. 9 is a perspective view of a high-concentration methanol cartridge different from FIGS.
FIG. 10 is a schematic diagram of a small fuel cell system device configuration different from FIG. 1;
FIG. 11 is a cross-sectional view of a macro syringe using a high-concentration methanol cartridge and ink jet.
FIG. 12 is a configuration diagram of a direct methanol fuel cell system device as an example of a conventional technique.
[Explanation of symbols]
1: Solid polymer electrolyte membrane
2 ... Air electrode
3. Fuel electrode
4: Fuel cell
5… Blower
6. Air supply means
7. Fuel supply means
8… Methanol tank
9 ... Water tank
10 ... Liquid sending pump
11 ... gas-liquid separator
12 ... Condenser
13. Fuel supply means
14 ... Micro syringe
15 High concentration methanol cartridge
16 ... Water cartridge
17 ... Piston with rack rod
18 ... Stepping motor with pinion
19 ... Micro gear pump
20… Vent filter
21: concentration sensor
22 ... Pressure sensor
23: methanol flow path (fuel flow path)
24 ... Metal probe
25 ... Micro gear
26 ... Opening supply nozzle
27 ... Injection port
28 ... Cylindrical worm
29 ... Rod piston
30: crack occurrence location
31 ... hole
32 ... Small ball
33 ... Stopper
34: Crack occurrence location
35 ... Fuel supply means
36 ... Inkjet
37 ... heating means
38 ... air bubbles
α: Direct methanol fuel cell system
β, γ… Small fuel cell system equipment

Claims (15)

燃料電池セルに接続する燃料流路に設置された金属プローブを用いて交流インピーダンスを測定することにより、燃料の濃度を計測し、当該燃料流路に対して注入すべき燃料の量を見積もる、
ことを特徴とする燃料電池発電方法。
By measuring the AC impedance using a metal probe installed in the fuel flow path connected to the fuel cell, measure the concentration of the fuel, and estimate the amount of fuel to be injected into the fuel flow path,
A fuel cell power generation method comprising:
前記燃料は、
前記見積もった量を、ステッピングモータにより作動するピストンを具備したマイクロシリンジでもって、前記燃料流路に注入される、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電方法。
The fuel is
The estimated amount is injected into the fuel flow path by a micro syringe having a piston operated by a stepping motor,
The fuel cell power generation method according to claim 1, wherein:
前記燃料は、
前記見積もった量を、インクジェットでもって、前記燃料流路に注入される、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電方法。
The fuel is
The estimated amount is injected into the fuel flow path with an inkjet,
The fuel cell power generation method according to claim 1, wherein:
燃料電池セルに対して接続された燃料流路内の液体燃料を、マイクロマシニング技術により作成された一対のギアからなるマイクロギアポンプにより、循環させる、
ことを特徴とする燃料電池発電方法。
The liquid fuel in the fuel flow path connected to the fuel cell is circulated by a micro gear pump composed of a pair of gears created by micro machining technology.
A fuel cell power generation method comprising:
燃料電池セルに対して接続された燃料流路内の燃料を常時大気圧以上に加圧して、当該燃料流路に設けたベントフィルタにより、当該燃料電池セル内にて生じた不要な気体を排出する、
ことを特徴とする燃料電池発電方法。
The fuel in the fuel flow path connected to the fuel cell is constantly pressurized to a pressure higher than the atmospheric pressure, and unnecessary gas generated in the fuel cell is discharged by the vent filter provided in the fuel flow path. Do
A fuel cell power generation method comprising:
燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなるシステム装置であって、
前記燃料流路に挿入された金属プローブをセンサとして、交流インピーダンスから液体燃料の濃度を検出する濃度センサを具備した、
ことを特徴とする小型燃料電池システム装置。
Fuel cell, air supply means for sending air to the air electrode of the fuel cell, fuel supply means for supplying fuel to the fuel electrode of the fuel cell, fuel supply means and the fuel electrode And a fuel flow path serving as a fuel circulation path.
A metal probe inserted into the fuel flow path as a sensor, comprising a concentration sensor for detecting the concentration of the liquid fuel from the AC impedance,
A small fuel cell system device characterized by the above-mentioned.
燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなるシステム装置であって、
前記燃料供給手段は、
燃料を密封した液体カートリッジと、
当該液体カートリッジを装填するマイクロシリンジと、
ステッピングモータにより作動するピストンを介して前記液体カートリッジを加圧することにより、燃料の前記燃料流路への注入量を調整する調整手段とにより構成される、
ことを特徴とする小型燃料電池システム装置。
Fuel cell, air supply means for sending air to the air electrode of the fuel cell, fuel supply means for supplying fuel to the fuel electrode of the fuel cell, fuel supply means and the fuel electrode And a fuel flow path serving as a fuel circulation path.
The fuel supply means,
A liquid cartridge containing the fuel,
A micro syringe for loading the liquid cartridge,
Pressure means for pressurizing the liquid cartridge via a piston operated by a stepping motor, thereby comprising adjusting means for adjusting the amount of fuel injected into the fuel flow path,
A small fuel cell system device characterized by the above-mentioned.
燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなるシステム装置であって、
前記燃料供給手段は、
燃料を密封した液体カートリッジと、
当該液体カートリッジを装填するマイクロシリンジと、
インクジェットでもって燃料の前記燃料流路への注入量を調整する調整手段とにより構成される、
ことを特徴とする小型燃料電池システム装置。
Fuel cell, air supply means for sending air to the air electrode of the fuel cell, fuel supply means for supplying fuel to the fuel electrode of the fuel cell, fuel supply means and the fuel electrode And a fuel flow path serving as a fuel circulation path.
The fuel supply means,
A liquid cartridge containing the fuel,
A micro syringe for loading the liquid cartridge,
Adjusting means for adjusting the injection amount of the fuel into the fuel flow path by inkjet,
A small fuel cell system device characterized by the above-mentioned.
燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなるシステム装置であって、
前記燃料流路は、マイクロマシニング技術により作成された一対のギアからなるマイクロギアポンプを介在した、
ことを特徴とする小型燃料電池システム装置。
Fuel cell, air supply means for sending air to the air electrode of the fuel cell, fuel supply means for supplying fuel to the fuel electrode of the fuel cell, fuel supply means and the fuel electrode And a fuel flow path serving as a fuel circulation path.
The fuel flow path is interposed by a micro gear pump consisting of a pair of gears created by micro machining technology.
A small fuel cell system device characterized by the above-mentioned.
前記燃料流路は、
内部で生じた不要な気体を、前記調整手段により加圧されて排出する多孔性のベントフィルタを途中介在した、
ことを特徴とする請求項7に記載の小型燃料電池システム装置。
The fuel flow path,
Unnecessary gas generated inside was interposed in the middle of a porous vent filter that was pressurized and discharged by the adjusting means.
The small fuel cell system device according to claim 7, wherein:
前記マイクロシリンジは、
前記液体カートリッジが装填されることにより開封の契機となる破封供給ノズルを具備した、
ことを特徴とする請求項7、8又は10に記載の小型燃料電池システム装置。
The micro syringe is
The liquid cartridge was provided with a puncture supply nozzle which is a trigger for opening by being loaded.
11. The small fuel cell system device according to claim 7, 8 or 10.
前記液体カートリッジは、
前記マイクロシリンジに装填すると前記破封供給ノズルにより貫通孔となる箇所につき肉薄とする、
ことを特徴とする請求項11に記載の小型燃料電池システム装置。
The liquid cartridge includes:
When the micro-syringe is loaded, the opening portion is made thin by the puncture supply nozzle,
The small fuel cell system device according to claim 11, wherein:
前記液体カートリッジは、
前記マイクロシリンジに装填すると前記破封供給ノズルにより貫通される孔を具備し、内圧を大気圧以上にすることにより当該孔を内から封する小球を内蔵する、
ことを特徴とする請求項11に記載の小型燃料電池システム装置。
The liquid cartridge includes:
It has a hole that is penetrated by the breakage supply nozzle when loaded into the micro syringe, and incorporates a small ball that seals the hole from the inside by increasing the internal pressure to atmospheric pressure or higher.
The small fuel cell system device according to claim 11, wherein:
前記液体カートリッジは、
前記マイクロシリンジへの装填方向に対して伸縮自在な蛇腹構造である、
ことを特徴とする請求項7、8、10、11、12又は13に記載の小型燃料電池システム装置。
The liquid cartridge includes:
It is a bellows structure that can expand and contract with respect to the loading direction of the micro syringe.
The small fuel cell system device according to claim 7, 8, 10, 11, 12, or 13.
前記液体カートリッジは、
その断面を、円、楕円、n角形(n≧3)、角を丸くしたn角形(n≧3)の何れかである、
ことを特徴とする請求項7、8、10、11、12、13又は14に記載の小型燃料電池システム装置。
The liquid cartridge includes:
The cross section is any one of a circle, an ellipse, an n-sided polygon (n ≧ 3), and an n-sided polygon with rounded corners (n ≧ 3).
15. The small fuel cell system device according to claim 7, 8, 10, 11, 11, 12, 13 or 14.
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