JP2006221828A - Fuel cell system - Google Patents

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Tomitaro Hara
富太郎 原
Hiroyuki Akashi
寛之 明石
Kenichi Ogawa
健一 小川
Yoshiaki Obana
良哲 尾花
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system that can be miniaturized. <P>SOLUTION: A fuel supply 30 is arranged between a power generator 10 for generating power by the reaction between hydrogen and oxygen and a storage 20 for storing liquid fuel. The fuel supply 30 vaporizes the liquid fuel by heat, and supplies it to the power generator 10 by the expansion of the volume with the liquid fuel as a jet, namely by a thermal ink jet system, thus dispensing with a pump and an actuator for conveying the liquid fuel from the storage 30 to the power generator 10 for miniaturization. The storage 30 has a fuel tank chamber 31 for storing the liquid fuel, and a pressure control mechanism 32 for controlling the internal pressure of the fuel tank chamber 31, thus preventing the leakage of the liquid fuel in stop, the backward flow of bubbles in operation, or the like. Air is supplied to the pressure control mechanism 32 as gas for pressurization by an air supply path 51A branched from an air supply pump 51. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、液体燃料を直接発電部に供給し、または液体燃料を反応させて発生した水素を発電部に供給して発電を行う燃料電池システムに係り、特に液体燃料としてメタノール水溶液を用いる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that supplies liquid fuel directly to a power generation unit, or supplies hydrogen generated by reacting liquid fuel to a power generation unit to generate power, and in particular, a fuel cell that uses an aqueous methanol solution as the liquid fuel. About the system.

近年、石油等の化石燃料に代わりうる代替クリーンエネルギー源の必要性が高まっており、例えば水素(ガス)燃料が注目されている。水素は、単位質量当たりに含まれる化学エネルギー量が大きく、また使用に際して有害物質あるいは地球温暖化ガスなどを放出しない等の理由から、クリーンでかつ無尽蔵な理想エネルギー源であると言える。   In recent years, the need for alternative clean energy sources that can replace fossil fuels such as petroleum has increased, and for example, hydrogen (gas) fuel has attracted attention. Hydrogen is a clean and inexhaustible ideal energy source because it contains a large amount of chemical energy per unit mass and does not release harmful substances or global warming gases when used.

このような水素を利用したエネルギー変換方式として、燃料電池が挙げられる。燃料電池は、水素と酸素とを化学反応させ、水を生成すると共に電流を取り出すものであり、燃料である水素の供給方式や反応機構によって直接水素固体高分子型、直接メタノール型などの直接液体燃料型、燃料改質型、りん酸型、溶融固体高分子型、固体酸化物型などに分類される。   An example of such an energy conversion method using hydrogen is a fuel cell. A fuel cell chemically reacts hydrogen and oxygen to generate water and extract current, and direct liquid such as hydrogen solid polymer type and direct methanol type depending on the supply system and reaction mechanism of hydrogen as fuel. It is classified into fuel type, fuel reforming type, phosphoric acid type, molten solid polymer type, solid oxide type and the like.

図21は、従来の燃料電池システムの一例を表すものである。この燃料電池システムは、液体燃料改質型のものであり、発電部210と、改質部270と、貯蔵部220とを有している。発電部210と改質部270とは第1燃料供給用ポンプ311および水素搬送用連結チューブ312により接続され、改質部270と貯蔵部220とは第2燃料供給用ポンプ321および液体燃料搬送用連結チューブ322により接続されている。   FIG. 21 shows an example of a conventional fuel cell system. This fuel cell system is a liquid fuel reforming type, and includes a power generation unit 210, a reforming unit 270, and a storage unit 220. The power generation unit 210 and the reforming unit 270 are connected by a first fuel supply pump 311 and a hydrogen transport connecting tube 312, and the reforming unit 270 and the storage unit 220 are connected by a second fuel supply pump 321 and a liquid fuel transport. They are connected by a connecting tube 322.

発電部210は、発電体211をアノード極212とカソード極213との間に配置した構成を有しており、発電部210から取り出された電流は整流器240を介して機器本体(図示せず)へと供給されるようになっている。アノード極212側には、改質部270からの水素が供給され、カソード極213側には、空気供給用ポンプ251により酸素が供給されると共に、気液分離装置252が接続されている。なお、発電部210は、発電部温度調節器291により温度調節されている。   The power generation unit 210 has a configuration in which a power generation body 211 is disposed between an anode electrode 212 and a cathode electrode 213, and a current extracted from the power generation unit 210 is a device main body (not shown) via a rectifier 240. To be supplied to. Hydrogen from the reforming unit 270 is supplied to the anode 212 side, oxygen is supplied from the air supply pump 251 to the cathode electrode 213 side, and a gas-liquid separator 252 is connected. The power generation unit 210 is temperature-controlled by a power generation unit temperature controller 291.

改質部270は、貯蔵部220から液体燃料としてメタノール水溶液(CH3 OH,H2 O)が供給され、このメタノール水溶液を反応させることにより水素(H2 )を発生させるようになっている。なお、改質部270は、改質部温度調節器292により温度調節されている。 The reforming unit 270 is supplied with a methanol aqueous solution (CH 3 OH, H 2 O) as a liquid fuel from the storage unit 220, and generates hydrogen (H 2 ) by reacting the methanol aqueous solution. The temperature of the reforming unit 270 is adjusted by a reforming unit temperature controller 292.

第1燃料供給用ポンプ311,第2燃料供給用ポンプ321,整流器240,空気供給用ポンプ251,気液分離装置252,発電部温度調節器291および改質部温度調節器292には、それぞれ補助電源260から電力が供給されている。   The first fuel supply pump 311, the second fuel supply pump 321, the rectifier 240, the air supply pump 251, the gas-liquid separation device 252, the power generation unit temperature controller 291 and the reforming unit temperature controller 292 are supplemented respectively. Power is supplied from the power supply 260.

このように従来の燃料電池システムでは、アノード極212側、カソード極213側ともにポンプやアクチュエータを利用して水素や酸素を発電部210に供給するのが一般的である。メタノールに代表される炭化水素系液体燃料を用いる燃料電池システムは、燃料取り扱いの容易さから携帯用機器向けの電源として期待されており、より小型化・高効率化が要求されている。にもかかわらず、現状ではポンプの小型化によって対応するにとどまっており、補機部材の削減を伴う画期的な簡素化についての報告はほとんどなかった。   As described above, in the conventional fuel cell system, hydrogen and oxygen are generally supplied to the power generation unit 210 by using a pump and an actuator on both the anode electrode 212 side and the cathode electrode 213 side. A fuel cell system using a hydrocarbon-based liquid fuel typified by methanol is expected as a power source for portable devices because of easy fuel handling, and further miniaturization and higher efficiency are required. Nevertheless, at present, only the pumps have been reduced in size, and there has been almost no report about the epoch-making simplification accompanied by the reduction of auxiliary equipment members.

従来では、例えば、改質器をMEMS(Micro Electro Mechanical Systems;微小電気機械システム)により構成することによって改質部を小型化することが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2003−45459号公報
Conventionally, for example, it has been proposed to reduce the size of the reformer by configuring the reformer with MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) (see, for example, Patent Document 1).
JP 2003-45459 A

しかしながら、特許文献1に記載された構成では、燃料供給のためには従来どおりのポンプや燃料供給管を必要としており、更なる簡素化・小型化の要請に対して十分に応えることができないという問題があった。   However, the configuration described in Patent Document 1 requires a conventional pump and fuel supply pipe for fuel supply, and cannot sufficiently meet the demand for further simplification and miniaturization. There was a problem.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、小型化が可能な燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide a fuel cell system that can be miniaturized.

本発明による第1の燃料電池システムは、液体燃料および空気の供給を受けて発電を行う発電部と、液体燃料を貯蔵する貯蔵部と、貯蔵部から供給された液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として発電部に供給する燃料供給部とを備えたものである。   A first fuel cell system according to the present invention includes a power generation unit that generates power by receiving supply of liquid fuel and air, a storage unit that stores liquid fuel, and vaporizes the liquid fuel supplied from the storage unit by heat, And a fuel supply unit that supplies liquid fuel as a jet to the power generation unit due to the expansion of the volume.

本発明による第2の燃料電池システムは、水素と酸素との反応により発電を行う発電部と、液体燃料を反応させて水素を発生させると共に、発生した水素を発電部に供給する改質部と、液体燃料を貯蔵する貯蔵部と、貯蔵部から供給された液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として改質部に供給する燃料供給部とを備えたものである。   A second fuel cell system according to the present invention includes a power generation unit that generates power by a reaction between hydrogen and oxygen, a reforming unit that reacts liquid fuel to generate hydrogen, and supplies the generated hydrogen to the power generation unit. , A storage unit that stores liquid fuel, and a fuel supply unit that vaporizes the liquid fuel supplied from the storage unit by heat and supplies the liquid fuel as a jet to the reforming unit by expanding its volume. .

本発明の第1の燃料電池システムでは、貯蔵部から燃料供給部に供給された液体燃料は熱により気化し、その体積の膨張により液体燃料が噴流として発電部に供給される。発電部では、燃料供給部からの液体燃料および空気の供給を受けて、発電が行われる。   In the first fuel cell system of the present invention, the liquid fuel supplied from the storage unit to the fuel supply unit is vaporized by heat, and the liquid fuel is supplied as a jet to the power generation unit by expansion of the volume. The power generation unit receives the supply of liquid fuel and air from the fuel supply unit and generates power.

本発明の第2の燃料電池システムでは、貯蔵部から燃料供給部に供給された液体燃料は熱により気化し、その体積の膨張により液体燃料が噴流として改質部に供給される。改質部に供給された液体燃料は反応して水素を発生する。発生した水素は発電部に供給され、発電部において水素と酸素との反応により発電が行われる。   In the second fuel cell system of the present invention, the liquid fuel supplied from the storage unit to the fuel supply unit is vaporized by heat, and the liquid fuel is supplied as a jet to the reforming unit by expansion of its volume. The liquid fuel supplied to the reforming section reacts to generate hydrogen. The generated hydrogen is supplied to the power generation unit, and power generation is performed by a reaction between hydrogen and oxygen in the power generation unit.

本発明の第1の燃料電池システムによれば、液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として発電部に供給する燃料供給部を備えたので、また本発明の第2の燃料電池システムによれば、液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として改質部に供給する燃料供給部を備えたので、液体燃料を輸送するポンプやアクチュエータを削減することができ、小型化が可能となる。特に、本発明の第1の燃料電池システムによれば、発電部に対して出力に応じて必要量の液体燃料を供給することができ、従来から問題となっていたクロスオーバーおよび炭酸ガスによる供給路の目詰まりなどを軽減することができる。よって、より高濃度の液体燃料を使用することが可能となり、高効率および高出力化が期待できる。   According to the first fuel cell system of the present invention, the liquid fuel is vaporized by heat, and the fuel supply unit that supplies the liquid fuel to the power generation unit as a jet by expansion of the volume is provided. According to the fuel cell system of the present invention, a fuel supply unit that vaporizes liquid fuel by heat and supplies the liquid fuel as a jet to the reforming unit due to the expansion of its volume is reduced, thereby reducing the number of pumps and actuators that transport the liquid fuel And can be miniaturized. In particular, according to the first fuel cell system of the present invention, the required amount of liquid fuel can be supplied to the power generation unit according to the output, and supply by crossover and carbon dioxide gas, which has been a problem in the past, Road clogging can be reduced. Therefore, it is possible to use a liquid fuel with a higher concentration, and high efficiency and high output can be expected.

また、貯蔵部に、液体燃料を収容する燃料タンク室と、燃料タンク室の内部圧力を制御する圧力制御機構とを設けるようにすれば、停止時における液体燃料漏れを防止すると共に、運転時における燃料供給部からの気泡逆流を抑制し、液体燃料を安定して発電部または改質部に供給することができる。   In addition, if the storage unit is provided with a fuel tank chamber for storing liquid fuel and a pressure control mechanism for controlling the internal pressure of the fuel tank chamber, liquid fuel leakage at the time of stopping is prevented, and at the time of operation. Bubble backflow from the fuel supply unit can be suppressed, and liquid fuel can be stably supplied to the power generation unit or the reforming unit.

更に、発電部および圧力制御機構に対して空気を供給する空気供給ポンプを設けるようにすれば、発電部および圧力制御機構の両方に対して、共通の空気供給経路を利用して空気を供給することが可能となり、いっそう小型化を図ることができる。   Furthermore, if an air supply pump that supplies air to the power generation unit and the pressure control mechanism is provided, air is supplied to both the power generation unit and the pressure control mechanism using a common air supply path. And further miniaturization can be achieved.

加えて、発電部からの排気を圧力制御機構に供給する排気供給路を設けるようにすれば、発電部からの排気を有効に利用することができる。   In addition, if an exhaust supply path for supplying the exhaust from the power generation unit to the pressure control mechanism is provided, the exhaust from the power generation unit can be used effectively.

更にまた、本発明の第2の燃料電池システムにおいて、改質部の内部圧力を発電部よりも高い状態に制御することにより、その圧力差を利用して発生した水素を発電部に供給するようにすれば、水素を輸送するポンプやアクチュエータを削減することができ、更に小型化が可能となる。   Furthermore, in the second fuel cell system of the present invention, by controlling the internal pressure of the reforming unit to be higher than that of the power generation unit, hydrogen generated using the pressure difference is supplied to the power generation unit. If so, pumps and actuators for transporting hydrogen can be reduced, and further miniaturization becomes possible.

加えてまた、改質部を、改質反応層,水素分離膜および水素供給板の積層構造とし、水素供給板の水素分離膜に接する面に導出路を設けるようにすれば、改質反応層で発生した水素を水素分離膜により分離して導出路に移動させ、一方、二酸化炭素などの副生成物の導出路への移動を抑制することができる。よって、水素の分圧制御を容易にすることができると共に発電部の効率を高めることができる。   In addition, if the reforming section has a laminated structure of a reforming reaction layer, a hydrogen separation membrane, and a hydrogen supply plate, and a lead-out path is provided on the surface of the hydrogen supply plate in contact with the hydrogen separation membrane, the reforming reaction layer The hydrogen generated in the above can be separated by the hydrogen separation membrane and moved to the lead-out path, while the movement of by-products such as carbon dioxide to the lead-out path can be suppressed. Therefore, the hydrogen partial pressure control can be facilitated and the efficiency of the power generation unit can be increased.

更にまた、発電部を、水素分離膜に並列して導出路に臨むように水素供給板に一体化すれば、改質部および発電部を組み合わせて一体化することができる。よって、簡素な構造で、更に小型化された燃料電池システムの実現が可能となる。   Furthermore, if the power generation unit is integrated with the hydrogen supply plate so as to face the lead-out path in parallel with the hydrogen separation membrane, the reforming unit and the power generation unit can be combined and integrated. Therefore, it is possible to realize a fuel cell system with a simple structure and further reduced in size.

加えてまた、導出路のうち発電部に対応する部分を、発電部に水素を略均等に供給可能な負極用流路とすれば、導出路を簡素化することができる。よって、水素移送時の熱損失を減少させ、燃料電池システム全体での熱効率を向上させることができる。   In addition, the lead-out path can be simplified if the part of the lead-out path that corresponds to the power generation section is a negative-electrode channel that can supply hydrogen to the power generation section substantially evenly. Therefore, heat loss at the time of hydrogen transfer can be reduced, and the thermal efficiency of the entire fuel cell system can be improved.

更にまた、改質部において、液体燃料を導入するための導入口に逆止機構を設けるようにすれば、燃料が気化により体積膨張しても導入口から逆流してしまうことを防止することができ、改質部の内部圧力を高く維持することができる。よって、燃料の反応による内部圧力の増大を有効に利用して水素を発電部に送り込むことができる。   Furthermore, if a check mechanism is provided at the inlet for introducing liquid fuel in the reforming section, it is possible to prevent the fuel from flowing back from the inlet even if the fuel expands due to vaporization. And the internal pressure of the reforming section can be kept high. Therefore, hydrogen can be sent to the power generation unit by effectively using the increase in internal pressure due to the reaction of the fuel.

加えてまた、改質部において、液体燃料の反応による副生成物を排出するための排出口に圧力制御弁を設けるようにすれば、運転条件によって導入口からガスが逆流してしまうことなどを防ぐことができ、安定した燃料供給を行うことができる。   In addition, if a pressure control valve is provided at the outlet for discharging the by-product due to the reaction of the liquid fuel in the reforming section, the gas may flow back from the inlet depending on the operating conditions. Can be prevented, and stable fuel supply can be performed.

更にまた、水素供給板の表面に断熱層を設けるようにすれば、放熱量を低減することができ、燃料電池システム全体のエネルギー変換効率を高め、安定した駆動を行うことができる。   Furthermore, if a heat insulating layer is provided on the surface of the hydrogen supply plate, the amount of heat radiation can be reduced, the energy conversion efficiency of the entire fuel cell system can be increased, and stable driving can be performed.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表したものである。この燃料電池システムは、携帯機器用電源などとして用いられる直接メタノール型のものであり、例えば、発電部10と、貯蔵部20と、燃料供給部30とを備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. This fuel cell system is of a direct methanol type used as a power source for portable devices, and includes, for example, a power generation unit 10, a storage unit 20, and a fuel supply unit 30.

発電部10は、液体燃料および空気の供給を受けて発電を行うものである。発電部10は、発電体11をアノード極12とカソード極13との間に配置した構成を有しており、発電部10から取り出された電流は、整流器40を介して、機器本体(図示せず)へと供給されるようになっている。発電体11のアノード極12側には、燃料供給部30から液体燃料として例えば50モル%メタノール水溶液が供給され、カソード極13側には、空気供給用ポンプ51により空気が供給されると共に、気液分離装置52が接続されている。アノード極12およびカソード極13は、ガス密閉性に優れた材料により構成されていることが好ましく、例えば炭素材料を配合した樹脂成形体により構成されている。なお、整流器40には、例えばリチウムイオン電池により構成された補助電源60から電力が供給される。   The power generation unit 10 generates power by receiving supply of liquid fuel and air. The power generation unit 10 has a configuration in which the power generation body 11 is disposed between the anode electrode 12 and the cathode electrode 13, and the current extracted from the power generation unit 10 is connected to a device main body (not shown) via a rectifier 40. Z)). For example, a 50 mol% aqueous methanol solution is supplied as liquid fuel from the fuel supply unit 30 to the anode electrode 12 side of the power generator 11, and air is supplied to the cathode electrode 13 side by an air supply pump 51, A liquid separator 52 is connected. The anode electrode 12 and the cathode electrode 13 are preferably made of a material excellent in gas tightness, for example, a resin molded body containing a carbon material. In addition, electric power is supplied to the rectifier 40 from the auxiliary power supply 60 comprised, for example with the lithium ion battery.

貯蔵部20は、液体燃料を貯蔵するものである。貯蔵部20は、貯蔵量が少なくなったら補給することにより恒久的に利用可能なタンク型のものでもよいが、収容された液体燃料を使い終わったら新しいものと交換するカートリッジ型のほうが小型化には有利である。また、貯蔵部20と燃料供給部30との接続は、連結チューブ(図示せず)などを介して行われてもよいが、連結チューブ(図示せず)などを用いずに貯蔵部20を直接燃料供給部30に取り付け可能であるほうが更に小型化することができる。   The storage unit 20 stores liquid fuel. The storage unit 20 may be of a tank type that can be permanently used by replenishing when the storage amount decreases, but the cartridge type that is replaced with a new one when the stored liquid fuel is used is more compact. Is advantageous. The storage unit 20 and the fuel supply unit 30 may be connected via a connection tube (not shown) or the like, but the storage unit 20 is directly connected without using a connection tube (not shown). The size can be further reduced if it can be attached to the fuel supply unit 30.

燃料供給部30は、貯蔵部20から供給された液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として、すなわちサーマルインクジェット方式により発電部10に供給する。これにより、この燃料電池システムでは、貯蔵部20から発電部10に液体燃料を輸送するポンプやアクチュエータを削減することができ、小型化が可能となっている。   The fuel supply unit 30 vaporizes the liquid fuel supplied from the storage unit 20 by heat, and supplies the liquid fuel to the power generation unit 10 as a jet by expansion of its volume, that is, by a thermal ink jet method. Thereby, in this fuel cell system, the pump and actuator which transport liquid fuel from the storage part 20 to the electric power generation part 10 can be reduced, and size reduction is possible.

燃料供給部30は、図2に示したように、複数の供給ヘッド部31を有している。これらの供給ヘッド部31は、ガラス,酸化アルミニウム(アルミナ)またはシリコン(Si)等よりなる基板(図示せず)上にマトリクス状に配置されている。   As shown in FIG. 2, the fuel supply unit 30 includes a plurality of supply head units 31. These supply head portions 31 are arranged in a matrix on a substrate (not shown) made of glass, aluminum oxide (alumina), silicon (Si), or the like.

供給ヘッド部31は、図3に示したように、液室32内に、隔壁33Aを有するオリフィス形成板33により流路34が形成されたものである。流路34内にはヒータ35が設けられ、その近傍が気化室34Aとなっている。気化室34Aには、ヒータ35に対向してノズル36が設けられている。ノズル36の形状、オリフィス形成板33により形成される流路34の大きさおよび液室32の大きさにより、1回の吐出量、吐出周波数および吐出圧が決定される。燃料電池システムの燃料供給部30では周波数は大きく関与しないが、吐出量および吐出圧は液体燃料供給に関連する事項である。   As shown in FIG. 3, the supply head unit 31 has a liquid chamber 32 in which a flow path 34 is formed by an orifice forming plate 33 having a partition wall 33 </ b> A. A heater 35 is provided in the flow path 34, and the vicinity thereof serves as a vaporization chamber 34A. A nozzle 36 is provided in the vaporizing chamber 34 </ b> A so as to face the heater 35. The discharge amount, discharge frequency, and discharge pressure for one time are determined by the shape of the nozzle 36, the size of the flow path 34 formed by the orifice forming plate 33, and the size of the liquid chamber 32. In the fuel supply system 30 of the fuel cell system, the frequency is not greatly involved, but the discharge amount and the discharge pressure are matters related to the liquid fuel supply.

ヒータ35は、例えば300℃以上まで発熱させることができる材料により構成されていることが好ましい。具体的には、シリコン(Si),タングステン(W),モリブデン(Mo),ニオブ(Nb)またはクロム(Cr)などの金属、合金またはその化合物が挙げられ、合金としてはニッケル(Ni)−クロム合金(例えばニッケル78wt%,クロム20wt%,その他2wt%),鉄−クロム合金またはタンタルニクロム合金(例えばニッケル58wt%,クロム16.5wt%,鉄23.0wt%,シリコン1.2wt%)等が挙げられる。ヒータ35は加熱制御回路37に接続されている。なお、加熱制御回路37は、オリフィス形成板33内部に形成されていてもよいし、供給ヘッド部31の外部に設置されていてもよい。   The heater 35 is preferably made of a material capable of generating heat up to, for example, 300 ° C. or higher. Specifically, a metal such as silicon (Si), tungsten (W), molybdenum (Mo), niobium (Nb), or chromium (Cr), an alloy, or a compound thereof may be used, and the alloy may be nickel (Ni) -chromium. Alloy (for example, nickel 78 wt%, chromium 20 wt%, other 2 wt%), iron-chromium alloy or tantalum nichrome alloy (for example, nickel 58 wt%, chromium 16.5 wt%, iron 23.0 wt%, silicon 1.2 wt%), etc. Can be mentioned. The heater 35 is connected to a heating control circuit 37. The heating control circuit 37 may be formed inside the orifice forming plate 33 or may be installed outside the supply head unit 31.

この供給ヘッド31では、液体燃料は毛細管現象により液室32内に導入され、流路34を通って気化室34Aへと導かれる。気化室34A内に導入された液体燃料は、ヒータ35により通常例えば300℃程度に加熱されて膜沸騰を起こし、気化燃料38となる。その体積の膨張により、気化室34A内のノズル36近傍にある液体燃料がノズル36から噴流39として吐出され、発電部10に供給される。   In the supply head 31, the liquid fuel is introduced into the liquid chamber 32 by capillary action, and is guided to the vaporization chamber 34 </ b> A through the flow path 34. The liquid fuel introduced into the vaporization chamber 34 </ b> A is usually heated to about 300 ° C., for example, by the heater 35 to cause film boiling to become the vaporized fuel 38. Due to the expansion of the volume, the liquid fuel in the vicinity of the nozzle 36 in the vaporization chamber 34 </ b> A is discharged from the nozzle 36 as a jet 39 and supplied to the power generation unit 10.

燃料供給部30による燃料供給量については、発電部10で最大出力を要する際に液体燃料が十分に供給される必要がある。一つの供給ヘッド部31から1回に吐出される液体燃料の体積を5pL(ピコリットル)、吐出周波数を30kHzとすると、一つの供給ヘッド部31からの1分間の液体燃料の吐出量は1.5*10-10 3 /s=9.0*10-4cm3 /minとなる。ここで、発電部10の最大出力が100mW(0.25V、400mA)/cm2 であると想定し、化1による触媒表面上の液体燃料の熱電変換効率が70%であった場合に必要な液体燃料を計算すると、発電部10で1分間に消費される液体燃料は3.6*10-3cm3 /minとなり、発電部10が十分な発電能力を発揮するためには、供給ヘッド部31が1cm2 あたり少なくとも4個以上必要であることになる。すなわち、発電部10における液体燃料の最大消費量Q1と燃料供給部30における液体燃料の最大吐出量Q2とは、数1を満たすことが好ましい。 Regarding the amount of fuel supplied by the fuel supply unit 30, the liquid fuel needs to be sufficiently supplied when the power generation unit 10 requires the maximum output. Assuming that the volume of liquid fuel discharged from one supply head unit 31 at a time is 5 pL (picoliter) and the discharge frequency is 30 kHz, the discharge amount of liquid fuel from one supply head unit 31 per minute is 1. 5 * 10 −10 m 3 /s=9.0*10 −4 cm 3 / min. Here, it is assumed that the maximum output of the power generation unit 10 is 100 mW (0.25 V, 400 mA) / cm 2 , and is necessary when the thermoelectric conversion efficiency of the liquid fuel on the catalyst surface according to Chemical Formula 1 is 70%. When the liquid fuel is calculated, the liquid fuel consumed in one minute in the power generation unit 10 is 3.6 * 10 −3 cm 3 / min, and in order for the power generation unit 10 to exhibit a sufficient power generation capability, the supply head unit At least 4 or more 31 is required per 1 cm 2 . That is, it is preferable that the maximum consumption amount Q1 of liquid fuel in the power generation unit 10 and the maximum discharge amount Q2 of liquid fuel in the fuel supply unit 30 satisfy Formula 1.

(化1)
CH3 OH+H2 O→3H2 +CO2
(Chemical formula 1)
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2

(数1)
Q1≦Q2
(Equation 1)
Q1 ≦ Q2

また、貯蔵部20は、液体燃料を収容する燃料タンク室21と、燃料タンク室21の内部圧力を制御する圧力制御機構22とを有している。液体燃料であるメタノール水溶液は粘度が低く、供給ヘッド部31の方向によっては停止時にノズル37から液体燃料が漏れ出してしまうおそれがあるが、圧力制御機構22を設けることによりそのような液体燃料漏れを防止することができる。また、運転時において発電部10は必ずしも大気圧ではなく、むしろ加圧の状態とされている可能性があるが、貯蔵部20に圧力制御機構22を設けることにより液室32へ安定した圧力で液体燃料を供給することができ、液室32までの液体燃料供給経路やノズル36などの各位置での圧力を適正に保ち、供給ヘッド部31からの気泡逆流を抑制することができるからである。   The storage unit 20 includes a fuel tank chamber 21 that stores liquid fuel and a pressure control mechanism 22 that controls the internal pressure of the fuel tank chamber 21. The aqueous methanol solution, which is a liquid fuel, has a low viscosity, and depending on the direction of the supply head unit 31, there is a risk that the liquid fuel leaks from the nozzle 37 when stopped. Can be prevented. In addition, during operation, the power generation unit 10 is not necessarily at atmospheric pressure, but rather may be in a pressurized state, but by providing the pressure control mechanism 22 in the storage unit 20, a stable pressure is applied to the liquid chamber 32. This is because liquid fuel can be supplied, pressure at each position such as the liquid fuel supply path to the liquid chamber 32 and the nozzle 36 can be appropriately maintained, and bubble backflow from the supply head unit 31 can be suppressed. .

圧力制御機構22は、例えば加圧用ガスにより燃料タンク室21の内部圧力を制御するものである。加圧用ガスとしては、例えば図1に示したように、空気供給ポンプ51から分岐された空気供給路51Aにより空気を供給することができる。このようにすれば、発電部10および圧力制御機構22の両方に対して、共通の空気供給経路を利用して空気を供給することが可能となり、いっそう小型化を図ることができる。   The pressure control mechanism 22 controls the internal pressure of the fuel tank chamber 21 using, for example, a pressurizing gas. As the pressurizing gas, for example, as shown in FIG. 1, air can be supplied through an air supply path 51 </ b> A branched from the air supply pump 51. If it does in this way, it will become possible to supply air to both the electric power generation part 10 and the pressure control mechanism 22 using a common air supply path | route, and can achieve further size reduction.

また、例えば図4に示したように、発電部10からの排気を圧力制御機構22に供給する排気供給路22Aを設けるようにしてもよい。このようにすれば、発電部10からの排気を有効に利用することができる。   For example, as shown in FIG. 4, an exhaust supply path 22 </ b> A for supplying exhaust from the power generation unit 10 to the pressure control mechanism 22 may be provided. If it does in this way, the exhaust_gas | exhaustion from the electric power generation part 10 can be utilized effectively.

圧力制御機構22は、加圧用ガスを燃料タンク室21内に直接送気して加圧する方式としてもよいが、図5または図6に示したように、加圧用ガスを導入するため燃料タンク室21とは別の加圧室23を設けることが好ましい。燃料タンク室21に気泡が混入することを防止することができるからである。加圧室23は、図5に示したように、可動壁23Aにより燃料タンク室21と分画されたもの、または、図6に示したように、燃料タンク室21内に設置した袋体23Bにより構成されたものとすることができる。袋体23Bは、例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,ナイロンまたはPET等のプラスチックフィルムにより構成することができる。   The pressure control mechanism 22 may adopt a system in which the pressurizing gas is directly supplied into the fuel tank chamber 21 to pressurize, but as shown in FIG. 5 or FIG. 6, the fuel tank chamber is used to introduce the pressurizing gas. It is preferable to provide a pressure chamber 23 different from 21. This is because air bubbles can be prevented from entering the fuel tank chamber 21. The pressurizing chamber 23 is separated from the fuel tank chamber 21 by the movable wall 23A as shown in FIG. 5, or the bag body 23B installed in the fuel tank chamber 21 as shown in FIG. It can be constituted by. The bag body 23B can be made of, for example, a plastic film such as polyethylene, polypropylene, nylon, or PET.

この圧力制御機構22では、運転時にはガス導入口23Cから加圧室23に加圧用ガスを導入し、ノズル36付近の圧力が液体燃料の吐出に適切になるように加圧室23の内部圧力を予め設定された値に制御する。この圧力制御は、燃料タンク室21の燃料供給口21Aに直接背圧を付加させる方式により行ってもよいし、また、図5および図6に示したように、加圧室23に圧力制御弁23Dを設け、この圧力制御弁23Dを用いて行うようにしてもよい。圧力制御弁23Dは、スイング式,チルチング式,リフト式,ネジ締め逆止弁等により構成することができる。   In this pressure control mechanism 22, during operation, pressurization gas is introduced from the gas inlet 23 </ b> C into the pressurization chamber 23, and the internal pressure of the pressurization chamber 23 is adjusted so that the pressure in the vicinity of the nozzle 36 is appropriate for discharging liquid fuel. Control to a preset value. This pressure control may be performed by a system in which a back pressure is directly applied to the fuel supply port 21A of the fuel tank chamber 21, or, as shown in FIGS. 23D may be provided and this pressure control valve 23D may be used. The pressure control valve 23D can be configured by a swing type, a tilting type, a lift type, a screw tightening check valve or the like.

一方、停止時には空気供給ポンプ51が停止し、加圧用ガスの導入も停止する。このとき、空気供給用ポンプ51に背圧制御弁(図示せず)を設けておき、この背圧制御弁からの信号と制御用プログラムなどを組み込んだ回路(図示せず)からの信号との組み合わせにより、加圧室23の内部圧力およびノズル36付近の圧力が液体燃料漏れを防ぐために適切になるよう、空気供給路51A内の圧力を予め設定した値に制御する。これにより、空気供給路51Aを利用して、停止時のノズル36にかかる圧力と、燃料タンク室21の内部圧力との平衡状態を制御することができる。   On the other hand, when stopping, the air supply pump 51 stops and the introduction of the pressurizing gas is also stopped. At this time, a back pressure control valve (not shown) is provided in the air supply pump 51, and a signal from the back pressure control valve and a signal from a circuit (not shown) incorporating a control program or the like are provided. By the combination, the pressure in the air supply path 51A is controlled to a preset value so that the internal pressure of the pressurizing chamber 23 and the pressure in the vicinity of the nozzle 36 are appropriate for preventing liquid fuel leakage. Thus, the equilibrium state between the pressure applied to the nozzle 36 at the time of stop and the internal pressure of the fuel tank chamber 21 can be controlled using the air supply path 51A.

この燃料電池システムは、例えば、次のようにして製造することができる。   This fuel cell system can be manufactured, for example, as follows.

まず、実効面積が例えば5×5cm2 ,担持触媒量から算出される理論メタノール使用量が例えば3.6×10-3cm3 /minの発電部10を形成する。 First, the power generation unit 10 having an effective area of, for example, 5 × 5 cm 2 and a theoretical methanol usage calculated from the amount of supported catalyst of, for example, 3.6 × 10 −3 cm 3 / min is formed.

次いで、吐出量が例えば5pL、吐出周波数が例えば30kHzの図3に示した供給ヘッド部31を例えば4個/cm2 で配列し、大きさが例えば5×5cm2 の燃料供給部30を形成する。この燃料供給部30を発電部10のアノード極12側に配置する。 Next, the supply head portions 31 shown in FIG. 3 having a discharge amount of, for example, 5 pL and a discharge frequency of, for example, 30 kHz are arranged at, for example, 4 pieces / cm 2 to form the fuel supply portion 30 having a size of, for example, 5 × 5 cm 2. . The fuel supply unit 30 is disposed on the anode electrode 12 side of the power generation unit 10.

続いて、液体燃料として例えば50モル%メタノール水溶液を貯蔵し、容量が例えば100cc(内径が例えば4×5×5cm3 )の貯蔵部20を用意する。この貯蔵部20に、図6に示したような例えばポリエチレン/ポリプロピレンよりなる袋体23Bを挿入して加圧室23を形成し、ガス導入口23Cに圧力制御弁23Dを設ける。これにより、貯蔵部20に圧力制御機構22を形成する。運転時における加圧室23の内部圧力は、例えば1.5atmとなるように設定する。 Subsequently, for example, a 50 mol% methanol aqueous solution is stored as the liquid fuel, and a storage unit 20 having a capacity of, for example, 100 cc (inner diameter is, for example, 4 × 5 × 5 cm 3 ) is prepared. A bag body 23B made of, for example, polyethylene / polypropylene as shown in FIG. 6 is inserted into the storage unit 20 to form a pressurizing chamber 23, and a pressure control valve 23D is provided at the gas inlet 23C. Thereby, the pressure control mechanism 22 is formed in the storage unit 20. The internal pressure of the pressurizing chamber 23 during operation is set to be 1.5 atm, for example.

そののち、発電部10のカソード極11側および圧力制御機構22に対して、最大吐出量が例えば1NL/minである空気供給用ポンプ51を接続する。空気供給用ポンプ51には背圧制御弁(図示せず)を設け、停止時に空気供給路51Aに対して+0.3〜0.5atmの背圧がかかるよう設定する。更に、発電部10に対して整流器40および気液分離装置52をそれぞれ接続し、また、補助電源60として例えば市販のリチウムイオン二次電池(US18650、3本)を配置する。以上により、図1に示した燃料電池システムが完成する。   After that, an air supply pump 51 having a maximum discharge amount of, for example, 1 NL / min is connected to the cathode 11 side of the power generation unit 10 and the pressure control mechanism 22. The air supply pump 51 is provided with a back pressure control valve (not shown), and is set so that a back pressure of +0.3 to 0.5 atm is applied to the air supply path 51A when stopped. Further, the rectifier 40 and the gas-liquid separator 52 are connected to the power generation unit 10, and commercially available lithium ion secondary batteries (US18650, 3) are disposed as the auxiliary power source 60. Thus, the fuel cell system shown in FIG. 1 is completed.

この燃料電池システムでは、貯蔵部20に貯蔵された液体燃料が燃料供給部30により発電部10のアノード極12に供給され、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは発電体11を通ってカソード極13に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。ここでは、燃料供給部30において液体燃料が熱により気化し、その体積の膨張により液体燃料が噴流として発電部10に供給されるので、発電部10に対して出力に応じて必要量の液体燃料が供給される。よって、クロスオーバーおよび炭酸ガスによる供給路の目詰まりなどが軽減され、出力が向上する。   In this fuel cell system, the liquid fuel stored in the storage unit 20 is supplied to the anode electrode 12 of the power generation unit 10 by the fuel supply unit 30 and generates protons and electrons by the reaction. Protons move to the cathode 13 through the power generator 11 and react with electrons and oxygen to generate water. Here, since the liquid fuel is vaporized by heat in the fuel supply unit 30 and the volume of the liquid fuel is supplied as a jet to the power generation unit 10 due to the expansion of the volume, a necessary amount of liquid fuel is supplied to the power generation unit 10 according to the output. Is supplied. Therefore, crossover and clogging of the supply path due to carbon dioxide gas are reduced, and the output is improved.

このように本実施の形態では、液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として発電部10に供給する燃料供給部30を備えるようにしたので、液体燃料を輸送するポンプやアクチュエータを削減することができ、小型化が可能となる。また、発電部10に対して出力に応じて必要量の液体燃料を供給することができ、従来から問題となっていたクロスオーバーおよび炭酸ガスによる供給路の目詰まりなどを軽減することができる。よって、より高濃度の液体燃料を使用することが可能となり、高効率および高出力化が期待できる。   As described above, in the present embodiment, the liquid fuel is vaporized by heat, and the fuel supply unit 30 that supplies the liquid fuel as a jet to the power generation unit 10 by the expansion of the volume is provided. Therefore, the pump that transports the liquid fuel And the number of actuators can be reduced, and the size can be reduced. In addition, a required amount of liquid fuel can be supplied to the power generation unit 10 according to the output, and clogging of the supply path due to crossover and carbon dioxide gas, which has been a problem in the past, can be reduced. Therefore, it is possible to use a liquid fuel with a higher concentration, and high efficiency and high output can be expected.

更に、貯蔵部20に、液体燃料を収容する燃料タンク室21と、燃料タンク室21の内部圧力を制御する圧力制御機構22とを設けるようにしたので、停止時における液体燃料漏れを防止すると共に、運転時における燃料供給部30からの気泡逆流を抑制し、液体燃料を安定して発電部10に供給することができる。   Furthermore, since the storage unit 20 is provided with a fuel tank chamber 21 for storing liquid fuel and a pressure control mechanism 22 for controlling the internal pressure of the fuel tank chamber 21, liquid fuel leakage at the time of stoppage is prevented. The bubble backflow from the fuel supply unit 30 during operation can be suppressed, and the liquid fuel can be stably supplied to the power generation unit 10.

加えて、発電部10および圧力制御機構22に対して空気を供給する空気供給ポンプ51を設けるようにしたので、発電部10および圧力制御機構22の両方に対して、共通の空気供給経路を利用して空気を供給することが可能となり、いっそう小型化を図ることができる。   In addition, since the air supply pump 51 that supplies air to the power generation unit 10 and the pressure control mechanism 22 is provided, a common air supply path is used for both the power generation unit 10 and the pressure control mechanism 22. Thus, it is possible to supply air, and further downsizing can be achieved.

更にまた、発電部10からの排気を圧力制御機構22に供給する排気供給路22Aを設けるようにしたので、発電部10からの排気を有効に利用することができる。   Furthermore, since the exhaust supply path 22A for supplying the exhaust from the power generation unit 10 to the pressure control mechanism 22 is provided, the exhaust from the power generation unit 10 can be used effectively.

(第2の実施の形態)
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表したものである。この燃料電池システムは、発電部10、貯蔵部20および燃料供給部30に加えて改質部70を備えた液体燃料改質型のものである。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 7 shows the overall configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. This fuel cell system is of a liquid fuel reforming type provided with a reforming unit 70 in addition to the power generation unit 10, the storage unit 20, and the fuel supply unit 30. Accordingly, the corresponding components will be described with the same reference numerals.

発電部10は、アノード極12側に水素搬送用連結チューブ81および水素供給用ポンプ82が接続され、改質部70から水素が供給されるようになっていることを除いては、第1の実施の形態と同様の構成を有している。なお、発電部10は、第1温度調節器91により温度調節されている。   The power generation unit 10 is the first except that the hydrogen transport connecting tube 81 and the hydrogen supply pump 82 are connected to the anode electrode 12 side and hydrogen is supplied from the reforming unit 70. The configuration is the same as that of the embodiment. Note that the temperature of the power generation unit 10 is adjusted by the first temperature controller 91.

貯蔵部20は、第1の実施の形態と同様の構成を有している。圧力制御機構22に対しては、排気供給路22Aにより、発電部10からの排気が加圧用ガスとして供給され、発電部10からの排気を有効に利用することができるようになっている。なお、加圧用ガスとしては、例えば図8に示したように、空気供給ポンプ51から分岐された空気供給路51Aにより空気を供給することもできる。これにより、発電部10および圧力制御機構22の両方に対して共通の空気供給経路を利用して空気を供給し、いっそう小型化を図ることが可能となる。   The storage unit 20 has the same configuration as that of the first embodiment. Exhaust from the power generation unit 10 is supplied as a pressurizing gas to the pressure control mechanism 22 through the exhaust supply path 22A, so that the exhaust from the power generation unit 10 can be used effectively. As the pressurizing gas, for example, as shown in FIG. 8, air can be supplied through an air supply path 51 </ b> A branched from the air supply pump 51. Thereby, air can be supplied to both the power generation unit 10 and the pressure control mechanism 22 by using a common air supply path, and further miniaturization can be achieved.

燃料供給部30は、液体燃料を改質部70に供給するようになっていることを除いては、第1の実施の形態と同様の構成を有している。なお、燃料供給部30は、液体燃料を改質部70内に直接吐出するようにしてもよいし、吐出した液体燃料を連結チューブ(図示せず)などを介して改質部70内に導入するようにしてもよい。改質部70における液体燃料の反応温度と燃料供給部30のヒータ35の加熱温度とは、いずれも通常例えば300℃程度であるので、改質部70と燃料供給部30とは共通の第2温度調節器92により温度調節可能であり、これにより燃料電池システムをいっそう小型化することができる。   The fuel supply unit 30 has the same configuration as that of the first embodiment except that liquid fuel is supplied to the reforming unit 70. The fuel supply unit 30 may directly discharge the liquid fuel into the reforming unit 70, or introduce the discharged liquid fuel into the reforming unit 70 through a connection tube (not shown). You may make it do. Since both the reaction temperature of the liquid fuel in the reforming unit 70 and the heating temperature of the heater 35 of the fuel supply unit 30 are usually about 300 ° C., for example, the reforming unit 70 and the fuel supply unit 30 are common second. The temperature can be adjusted by the temperature adjuster 92, whereby the fuel cell system can be further downsized.

改質部70は、燃料供給部30から供給された液体燃料を反応させて水素を発生させると共に、発生した水素を発電部10に供給するものである。改質部70は、例えば銅(Cu)よりなる基板に、触媒として例えば銅,亜鉛(Zn)およびアルミニウム(Al)を銅:亜鉛:アルミニウム=6:3:1のモル比で含有するCu/ZnO/Al2 3 を含む改質反応層を形成したものであり、その改質効率aは例えば90%である。なお、液体燃料の反応による副生成物である二酸化炭素は、二酸化炭素を分離・排出するための二酸化炭素分離膜(図示せず)を介して排気されるようになっている。 The reforming unit 70 reacts the liquid fuel supplied from the fuel supply unit 30 to generate hydrogen, and supplies the generated hydrogen to the power generation unit 10. The reforming unit 70 includes, for example, copper / zinc (Zn) and aluminum (Al) as a catalyst in a substrate made of copper (Cu) at a molar ratio of copper: zinc: aluminum = 6: 3: 1. A reforming reaction layer containing ZnO / Al 2 O 3 is formed, and its reforming efficiency a is, for example, 90%. Carbon dioxide, which is a byproduct due to the reaction of the liquid fuel, is exhausted through a carbon dioxide separation membrane (not shown) for separating and discharging carbon dioxide.

発電部10における液体燃料の最大消費量Q1と燃料供給部30における液体燃料の最大吐出量Q2とは、数2を満たすことが好ましい。   It is preferable that the maximum consumption amount Q1 of liquid fuel in the power generation unit 10 and the maximum discharge amount Q2 of liquid fuel in the fuel supply unit 30 satisfy Formula 2.

(数2)
Q1≦Q2*a
(数2においてaは改質部70における改質効率を表す。)
(Equation 2)
Q1 ≦ Q2 * a
(In Equation 2, a represents the reforming efficiency in the reforming unit 70.)

また、改質部70は、必要に応じて、水素加湿用の加湿層(図示せず)が設けられていてもよい。加湿層は、生成した水素ガスに水蒸気を混合することができるものであればよいが、小型かつ半固体状であることが好ましい。更に、多孔質構造体により構成されていれば、接触面積を大きくすることができるのでより好ましい。加湿層の具体的な構成としては、発泡ニッケルやポリアミド多孔質体のような耐熱性に優れ剛直な3次元多孔質構造体を骨格構造とし、その表面にポリアクリル酸,ポリビニルアルコールあるいはヒアルロン酸のような吸水性高分子を被膜形成させたものが挙げられる。このような加湿層が設けられている場合には、それに付随して、例えば、加湿用水タンクおよび水分供給経路が別途設けられていてもよい。更に、燃料電池システムにおける発電によって水蒸気が生成しているので、例えば、その水蒸気が加湿用水タンクを経由して排気されるようにすれば、生成水再利用の点で望ましい。   Further, the reforming unit 70 may be provided with a humidifying layer (not shown) for hydrogen humidification as necessary. The humidification layer may be any layer that can mix water vapor with the generated hydrogen gas, but is preferably small and semi-solid. Furthermore, it is more preferable that it is made of a porous structure because the contact area can be increased. As a specific configuration of the humidifying layer, a three-dimensional porous structure having excellent heat resistance such as foamed nickel and polyamide porous body is used as a skeleton structure, and polyacrylic acid, polyvinyl alcohol or hyaluronic acid is formed on the surface thereof. Such a film having a water-absorbing polymer formed thereon may be mentioned. In the case where such a humidifying layer is provided, for example, a humidifying water tank and a moisture supply path may be separately provided. Furthermore, since steam is generated by power generation in the fuel cell system, for example, if the steam is exhausted via a humidification water tank, it is desirable in terms of reuse of the generated water.

発電部10,改質部70,貯蔵部20および燃料供給部30は、例えば図9に示したように配置することができる。更に、例えば図10に示したように、発電部10,改質部70および燃料供給部30を複数ずつ組み合わせ、適切な大きさの貯蔵部20を配置することも可能である。これにより、燃料電池システムをカード型の構成とすることができ、携帯機器用電源に適した薄型・小型の燃料電池システムを実現することができる。   The power generation unit 10, the reforming unit 70, the storage unit 20, and the fuel supply unit 30 can be arranged as shown in FIG. 9, for example. Furthermore, for example, as shown in FIG. 10, it is possible to combine a plurality of power generation units 10, reforming units 70, and fuel supply units 30 and arrange storage units 20 of appropriate sizes. As a result, the fuel cell system can have a card type configuration, and a thin and small fuel cell system suitable for a power source for portable devices can be realized.

この燃料電池システムは、例えば、次のようにして製造することができる。   This fuel cell system can be manufactured, for example, as follows.

まず、例えば銅よりなる基板に、触媒として例えば銅,亜鉛およびアルミニウムを銅:亜鉛:アルミニウム=6:3:1のモル比で含有するCu/ZnO/Al2 3 を含む改質反応層を形成し、改質効率aが例えば90%の改質部70を形成する。 First, a reforming reaction layer containing Cu / ZnO / Al 2 O 3 containing, for example, copper, zinc and aluminum as a catalyst in a molar ratio of copper: zinc: aluminum = 6: 3: 1 on a substrate made of copper, for example. Then, the reforming portion 70 having a reforming efficiency a of 90%, for example, is formed.

また、例えば触媒担持面積10cm2 ,幅40mm,長さ40mm,厚さ1mmの発電体11と、例えば上述した材料よりなる幅40mm,長さ40mm,厚さ1mmのアノード極12およびカソード極13とを用意し、アノード極12,発電体11およびカソード極13をこの順に積層して、発電部10を形成する。 Further, for example, a power generation body 11 having a catalyst supporting area of 10 cm 2 , a width of 40 mm, a length of 40 mm, and a thickness of 1 mm, and an anode electrode 12 and a cathode electrode 13 having a width of 40 mm, a length of 40 mm, and a thickness of 1 mm made of the above-described materials, for example. Are prepared, and the anode 12, the power generator 11, and the cathode 13 are laminated in this order to form the power generation unit 10.

次いで、吐出量が例えば5.5pL、吐出周波数が例えば30kHzの図3に示した供給ヘッド部31を例えば4個/cm2 で配列し、燃料供給部30を形成する。この燃料供給部30を改質部70の改質反応層側に配置する。 Next, the supply head portions 31 shown in FIG. 3 having a discharge amount of, for example, 5.5 pL and a discharge frequency of, for example, 30 kHz are arranged at, for example, 4 pieces / cm 2 to form the fuel supply portion 30. The fuel supply unit 30 is disposed on the reforming reaction layer side of the reforming unit 70.

続いて、液体燃料として例えば50モル%メタノール水溶液を貯蔵し、容量が例えば100cc(内径例えば4×5×5cm3 )の貯蔵部20を用意する。この貯蔵部20に、図6に示したような例えばポリエチレン/ポリプロピレンよりなる袋体23Bを挿入して加圧室23を形成し、ガス導入口23Cに圧力制御弁23Dを設ける。これにより、貯蔵部20に圧力制御機構22を形成する。運転時における加圧室23の内部圧力は、例えば1.5atmとなるように設定する。 Subsequently, for example, a 50 mol% aqueous methanol solution is stored as the liquid fuel, and a storage unit 20 having a capacity of, for example, 100 cc (inner diameter, for example, 4 × 5 × 5 cm 3 ) is prepared. A bag body 23B made of, for example, polyethylene / polypropylene as shown in FIG. 6 is inserted into the storage unit 20 to form a pressurizing chamber 23, and a pressure control valve 23D is provided at the gas inlet 23C. Thereby, the pressure control mechanism 22 is formed in the storage unit 20. The internal pressure of the pressurizing chamber 23 during operation is set to be 1.5 atm, for example.

そののち、発電部10のカソード極11側および圧力制御機構22に対して、最大吐出量が例えば1NL/minである空気供給用ポンプ51を接続する。更に、発電部10に対して整流器40および気液分離装置52をそれぞれ接続し、補助電源60として例えば市販のリチウムイオン二次電池(US18650、3本)を配置する。また、図7には示していないが、容量100ccの加湿用水タンクを配置する。以上により、図7に示した燃料電池システムが完成する。   After that, an air supply pump 51 having a maximum discharge amount of, for example, 1 NL / min is connected to the cathode 11 side of the power generation unit 10 and the pressure control mechanism 22. Further, the rectifier 40 and the gas-liquid separator 52 are connected to the power generation unit 10, and a commercially available lithium ion secondary battery (US18650, 3 pieces) is disposed as the auxiliary power source 60. Although not shown in FIG. 7, a humidifying water tank having a capacity of 100 cc is disposed. Thus, the fuel cell system shown in FIG. 7 is completed.

この燃料電池システムでは、貯蔵部20に貯蔵された液体燃料が燃料供給部30により改質部70に供給され、液体燃料が反応することにより水素が発生する。発生した水素は発電部10に供給され、水素と酸素との反応により発電が行われる。ここでは、燃料供給部30において液体燃料が熱により気化し、その体積の膨張により液体燃料が噴流として改質部70に供給される。よって、液体燃料供給に伴う改質部70の温度低下が少なく、改質部70内の温度が常に触媒活性を発現できる温度に維持され、改質部70全体にわたって安定した改質効率が得られる。   In this fuel cell system, the liquid fuel stored in the storage unit 20 is supplied to the reforming unit 70 by the fuel supply unit 30, and hydrogen is generated by the reaction of the liquid fuel. The generated hydrogen is supplied to the power generation unit 10 and power is generated by the reaction between hydrogen and oxygen. Here, the liquid fuel is vaporized by heat in the fuel supply unit 30, and the liquid fuel is supplied to the reforming unit 70 as a jet due to the expansion of its volume. Therefore, the temperature drop of the reforming unit 70 due to the liquid fuel supply is small, the temperature in the reforming unit 70 is always maintained at a temperature at which the catalytic activity can be expressed, and stable reforming efficiency can be obtained over the entire reforming unit 70. .

このように本実施の形態では、液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として改質部70に供給する燃料供給部30を備えるようにしたので、液体燃料を輸送するポンプやアクチュエータを削減することができ、小型化が可能となる。   As described above, in the present embodiment, the liquid fuel is vaporized by heat, and the fuel supply unit 30 that supplies the liquid fuel as a jet to the reforming unit 70 by the expansion of the volume is provided. Pumps and actuators can be reduced, and downsizing is possible.

また、第1の実施の形態と同様に、貯蔵部20に、液体燃料を収容する燃料タンク室21と、燃料タンク室21の内部圧力を制御する圧力制御機構22とを設けるようにしたので、停止時における液体燃料漏れを防止すると共に、運転時における燃料供給部30からの気泡逆流を抑制し、液体燃料を安定して発電部10に供給することができる。   Further, as in the first embodiment, the storage unit 20 is provided with the fuel tank chamber 21 that stores the liquid fuel and the pressure control mechanism 22 that controls the internal pressure of the fuel tank chamber 21. While preventing liquid fuel leakage at the time of stopping, it is possible to suppress bubble backflow from the fuel supply unit 30 during operation and to stably supply liquid fuel to the power generation unit 10.

更に、第1の実施の形態と同様に、発電部10からの排気を圧力制御機構22に供給する排気供給路22Aを設けるようにしたので、発電部10からの排気を有効に利用することができる。   Further, as in the first embodiment, the exhaust supply path 22A for supplying the exhaust from the power generation unit 10 to the pressure control mechanism 22 is provided, so that the exhaust from the power generation unit 10 can be used effectively. it can.

加えて、第1の実施の形態と同様に、発電部10および圧力制御機構22に対して空気を供給する空気供給ポンプ51を設けるようにしたので、発電部10および圧力制御機構22の両方に対して、共通の空気供給経路を利用して空気を供給することが可能となり、いっそう小型化を図ることができる。   In addition, since the air supply pump 51 that supplies air to the power generation unit 10 and the pressure control mechanism 22 is provided as in the first embodiment, both the power generation unit 10 and the pressure control mechanism 22 are provided. On the other hand, it becomes possible to supply air using a common air supply path, and further miniaturization can be achieved.

(第3の実施の形態)
図11は、本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表したものである。この燃料電池システムは、発電部10および改質部70の構成を更に小型化・簡素化したことを除いては第2の実施の形態と同様の構成を有している。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。
(Third embodiment)
FIG. 11 shows the overall configuration of a fuel cell system according to the third embodiment of the present invention. This fuel cell system has the same configuration as that of the second embodiment except that the configurations of the power generation unit 10 and the reforming unit 70 are further downsized and simplified. Accordingly, the corresponding components will be described with the same reference numerals.

発電部10は、改質部70および燃料供給部30と共通の温度調節器90により温度調節されていることを除いては、第2の実施の形態と同様の構成を有している。貯蔵部20および燃料供給部30は、第2の実施の形態と同様の構成を有している。   The power generation unit 10 has the same configuration as that of the second embodiment except that the temperature is adjusted by a temperature controller 90 that is common to the reforming unit 70 and the fuel supply unit 30. The storage unit 20 and the fuel supply unit 30 have the same configuration as that of the second embodiment.

改質部70は、貯蔵部20から液体燃料を導入するための導入口71と、液体燃料の反応による副生成物である二酸化炭素を排出するための排出口72とを有している。なお、排出口72には、二酸化炭素を分離・排出するための二酸化炭素分離膜(図示せず)が設けられている。   The reforming unit 70 has an inlet 71 for introducing liquid fuel from the storage unit 20 and an outlet 72 for discharging carbon dioxide, which is a byproduct due to the reaction of the liquid fuel. The discharge port 72 is provided with a carbon dioxide separation membrane (not shown) for separating and discharging carbon dioxide.

図12は図11に示した発電部10および改質部70の具体的な構成を表し、図13はその断面構造を表したものである。改質部70は、液体燃料を反応させて水素を発生させるための改質反応層73と、改質反応層73で発生したガスのうち発電に必要な水素を選択的に透過させる機能(水素分離機能)を有する水素分離膜74と、水素供給板75とを順に積層した構造を有している。この水素供給板75は、水素分離膜74に接する面に、水素分離膜74を透過した水素を発電部10へ向けて送出するための導出路76を有している。これにより、この燃料電池システムでは、改質反応層73で発生した水素を水素分離膜74により分離して導出路76に移動させ、一方、二酸化炭素などの副生成物の導出路76への移動を抑制することができるようになっている。   12 shows a specific configuration of the power generation unit 10 and the reforming unit 70 shown in FIG. 11, and FIG. 13 shows a cross-sectional structure thereof. The reforming unit 70 reacts with liquid fuel to generate hydrogen, and a function of selectively permeating hydrogen necessary for power generation out of the gas generated in the reforming reaction layer 73 (hydrogen A hydrogen separation membrane 74 having a separation function and a hydrogen supply plate 75 are sequentially stacked. The hydrogen supply plate 75 has a lead-out path 76 for sending hydrogen that has permeated the hydrogen separation membrane 74 toward the power generation unit 10 on the surface in contact with the hydrogen separation membrane 74. Thereby, in this fuel cell system, the hydrogen generated in the reforming reaction layer 73 is separated by the hydrogen separation membrane 74 and moved to the outlet path 76, while the by-products such as carbon dioxide move to the outlet path 76. Can be suppressed.

水素供給板75は、水素分離膜74および改質反応層73の積層領域よりも長く延長されており、その延長領域において発電部10が導出路76に臨むよう一体化されている。すなわち、水素供給板75の同一面側に、水素分離膜74および改質反応層73の積層部分と共に発電部10が隣接して配置されている。このような構成により、本実施の形態では、改質部70および発電部10を組み合わせて一体化することができ、全体としてコンパクトになる。   The hydrogen supply plate 75 extends longer than the stacked region of the hydrogen separation membrane 74 and the reforming reaction layer 73, and the power generation unit 10 is integrated so as to face the lead-out path 76 in the extended region. That is, on the same surface side of the hydrogen supply plate 75, the power generation unit 10 is disposed adjacent to the laminated portion of the hydrogen separation membrane 74 and the reforming reaction layer 73. With this configuration, in the present embodiment, the reforming unit 70 and the power generation unit 10 can be combined and integrated, and the overall size is reduced.

また、水素供給板75は、発電部10におけるアノード極12(図11参照。)としての機能も有しており、導出路76のうち発電部10に対応する部分は、例えば図14に示したように、発電部10に水素を略均等に供給可能な格子状の負極用流路12Aとなっている。これにより、導出路76を簡素化することができ、水素移送時の熱損失を減少させ、燃料電池システム全体での熱効率を向上させることができる。なお、導出路76のうち水素分離膜74に対応する部分はストライプ状に形成されている。   Further, the hydrogen supply plate 75 also has a function as the anode 12 (see FIG. 11) in the power generation unit 10, and a portion of the lead-out path 76 corresponding to the power generation unit 10 is illustrated in FIG. Thus, the grid-shaped negative electrode flow path 12 </ b> A capable of supplying hydrogen substantially uniformly to the power generation unit 10 is formed. Thereby, the lead-out path 76 can be simplified, the heat loss at the time of hydrogen transfer can be reduced, and the thermal efficiency of the entire fuel cell system can be improved. A portion of the lead-out path 76 corresponding to the hydrogen separation membrane 74 is formed in a stripe shape.

改質部70は、内部圧力を発電部10よりも高い状態に制御することにより、その圧力差を利用して発生させた水素を発電部10に供給するようになっている。これにより、この燃料電池システムでは、後述するようにポンプやアクチュエータを用いずに水素を発電部10に供給することができ、小型化が可能となっている。   The reforming unit 70 supplies the hydrogen generated using the pressure difference to the power generation unit 10 by controlling the internal pressure to be higher than that of the power generation unit 10. Thereby, in this fuel cell system, as will be described later, hydrogen can be supplied to the power generation unit 10 without using a pump or an actuator, and the size can be reduced.

改質部70の内部圧力を安定して高い状態に維持するため、図11に示したように、導入口71には逆止機構71Aが設けられている。これにより、気化により体積膨張した燃料が導入口71から逆流してしまうことを防止することができ、液体燃料の反応による内部圧力の増大を有効に利用して水素を発電部10に送り込むことができる。   In order to maintain the internal pressure of the reforming unit 70 in a stable and high state, a check mechanism 71A is provided at the introduction port 71 as shown in FIG. Thereby, it is possible to prevent the fuel that has undergone volume expansion due to vaporization from flowing back from the inlet 71, and to effectively utilize the increase in internal pressure due to the reaction of the liquid fuel and to send hydrogen into the power generation unit 10. it can.

逆止機構71Aとしては、貯蔵部20の圧力制御機構22により導入口71に背圧を直接付加する方式(図4および図5参照。)、または、スイング式,チルチング式,リフト式,ネジ締め逆止弁等の逆止弁方式などが挙げられるが、燃料が逆流した場合に導入口71または逆止弁の弁体に背圧が生じ、自動的に逆流防止することができるものであればその方式を問わない。   As the check mechanism 71A, a back pressure is directly applied to the introduction port 71 by the pressure control mechanism 22 of the storage unit 20 (see FIGS. 4 and 5), or a swing type, tilting type, lift type, screw tightening A check valve system such as a check valve can be used. If fuel flows backward, back pressure is generated in the inlet 71 or the valve body of the check valve, and the check valve can be automatically prevented. Regardless of the method.

一方、改質部70の排出口72には、同じく図11に示したように、圧力制御弁72Aが設けられている。この圧力制御弁72Aを設けることにより、運転条件によって導入口21からガスが逆流してしまうことなどを防ぐことができ、安定した燃料供給を行うことができる。   On the other hand, the discharge port 72 of the reforming unit 70 is provided with a pressure control valve 72A as shown in FIG. By providing the pressure control valve 72A, it is possible to prevent the gas from flowing backward from the inlet 21 depending on the operating conditions, and to perform stable fuel supply.

逆止機構71Aによる制御圧力P1と圧力制御弁72Aによる制御圧力P2とは、数3を満たすことが好ましい。この関係が逆転すると、改質部70で発生した水素などが燃料供給部30側へと逆流してしまうおそれがあるからである。   The control pressure P1 by the check mechanism 71A and the control pressure P2 by the pressure control valve 72A preferably satisfy Equation 3. If this relationship is reversed, hydrogen generated in the reforming unit 70 may flow back to the fuel supply unit 30 side.

(数3)
P2<P1
(Equation 3)
P2 <P1

図15は図12に示した改質部70の断面構成を表すものである。改質反応層73は、液体燃料を反応させるための触媒を有する触媒担持層73Aと、この触媒担持層73Aを加熱するためのヒータ73Bと、触媒担持層73Aを覆う銅などにより構成された被覆部材73Cとを有している。被覆部材73Cは例えば銅により構成され、この被覆部材73C内にヒータ73Bが埋め込まれている。   FIG. 15 shows a cross-sectional configuration of the reforming unit 70 shown in FIG. The reforming reaction layer 73 includes a catalyst support layer 73A having a catalyst for reacting liquid fuel, a heater 73B for heating the catalyst support layer 73A, and a coating made of copper or the like covering the catalyst support layer 73A. Member 73C. The covering member 73C is made of copper, for example, and a heater 73B is embedded in the covering member 73C.

触媒担持層73Aは、液体燃料を水素ガス状態まで還元するための触媒を、多孔質材料などのガス透過性を有する材料に担持させたものである。触媒を多孔質材料に担持させるための構造は、特に限定されないが、高効率に触媒能を発揮させることができる構造とすることが望ましい。触媒としては、例えば、白金(Pt)およびその合金,金(Au)およびその合金、マンガン(Mn),鉄(Fe),亜鉛,銅,ニッケル(Ni)およびその合金,コバルト(Co)およびその合金,並びにルテニウム(Ru)が挙げられる。特に、Cu/ZnO/Al2 3 が好ましい。より低温領域で触媒能を発現するので、携帯機器用電源として好適であるからである。 The catalyst support layer 73A is obtained by supporting a catalyst for reducing liquid fuel to a hydrogen gas state on a material having gas permeability such as a porous material. The structure for supporting the catalyst on the porous material is not particularly limited, but a structure capable of exhibiting the catalytic ability with high efficiency is desirable. Examples of the catalyst include platinum (Pt) and its alloys, gold (Au) and its alloys, manganese (Mn), iron (Fe), zinc, copper, nickel (Ni) and their alloys, cobalt (Co) and its Alloys, as well as ruthenium (Ru). In particular, Cu / ZnO / Al 2 O 3 is preferable. It is because it is suitable as a power source for portable equipment because it exhibits catalytic ability in a lower temperature region.

また、触媒担持層73A内には、例えば図16に示したような格子状の燃料供給路73Dが形成されており、この燃料供給路73Dを通じて液体燃料を改質部70内に行きわたらせることができるようになっている。なお、図15では燃料供給路73Dを省略している。   Further, in the catalyst support layer 73A, for example, a grid-shaped fuel supply path 73D as shown in FIG. 16 is formed, and the liquid fuel is distributed into the reforming unit 70 through the fuel supply path 73D. Can be done. In FIG. 15, the fuel supply path 73D is omitted.

ヒータ73Bは、例えばタンタル(Ta)などの発熱量の大きな金属により構成されていることが好ましい。ヒータ73Bの構成は、触媒担持層73Aを効率良く加熱することができれば特に限定されないが、例えば、熱効率を高めるために触媒担持層73A近傍に埋めこまれていることが望ましい。   The heater 73B is preferably made of a metal having a large calorific value such as tantalum (Ta). The configuration of the heater 73B is not particularly limited as long as the catalyst support layer 73A can be efficiently heated. For example, it is desirable that the heater 73B is embedded in the vicinity of the catalyst support layer 73A in order to increase thermal efficiency.

水素分離膜74の構成材料としては、水素を分離または吸蔵/放出できる材料であれば特に制限されない。具体的には、例えば、バナジウム(V)およびその合金,パラジウム(Pd)およびその合金,Ni−Nb−Zr合金,またはランタン(La),セリウム(Ce),プラセオジム(Pr),ネオジム(Nd)などの希土類混合物であるミッシュメタルのような水素吸蔵合金を薄膜化したものが挙げられる。また、有機材料としては、ポリエチレン,ナイロンあるいはPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)などを薄膜化したものが挙げられる。なお、水素分離膜74は、被覆部材73Cおよび水素供給板75からはみ出さない寸法であることが望ましい。   The constituent material of the hydrogen separation membrane 74 is not particularly limited as long as it is a material that can separate or occlude / release hydrogen. Specifically, for example, vanadium (V) and its alloys, palladium (Pd) and its alloys, Ni—Nb—Zr alloy, or lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd) And a thin film of a hydrogen storage alloy such as misch metal, which is a rare earth mixture. Examples of the organic material include those obtained by thinning polyethylene, nylon, PTFE (polytetrafluoroethylene), or the like. It is desirable that the hydrogen separation membrane 74 has a dimension that does not protrude from the covering member 73C and the hydrogen supply plate 75.

水素分離膜74が水素を選択的に透過させる圧力Pxは、数4を満たすことが好ましい。一般に水素分離膜74が水素分離機能を発現するには、水素分離膜74の両面で差圧を生じさせて改質部70内を陽圧にする必要がある。数4が満たされないと、改質部70で発生したガスが燃料供給部30側へと逆流してしまったり、水素分離膜74の水素分離機能が十分に発揮されなくなるおそれがある。   The pressure Px at which the hydrogen separation membrane 74 selectively permeates hydrogen preferably satisfies Equation 4. In general, in order for the hydrogen separation membrane 74 to exhibit a hydrogen separation function, it is necessary to generate a differential pressure on both sides of the hydrogen separation membrane 74 to make the reforming section 70 have a positive pressure. If Equation 4 is not satisfied, the gas generated in the reforming unit 70 may flow back to the fuel supply unit 30 side, or the hydrogen separation function of the hydrogen separation membrane 74 may not be fully exhibited.

(数4)
Px<P2<P1
(数4において、P1は逆止機構71Aによる制御圧力、P2は圧力制御弁72Aによる制御圧力をそれぞれ表す)
(Equation 4)
Px <P2 <P1
(In Equation 4, P1 represents the control pressure by the check mechanism 71A, and P2 represents the control pressure by the pressure control valve 72A)

水素供給板75は、例えば炭素材料を配合した樹脂成型体により構成され、この燃料電池システムを複数組み合わせる場合におけるアノード側セパレータとしての機能も有している。更に、この水素供給板75には、水素分離膜74に接する面およびその裏面に、断熱層75Aが設けられており、水素供給板75からの放熱を抑制するようになっている。これにより、熱効率を改善して安定した駆動を行うことができる。   The hydrogen supply plate 75 is formed of, for example, a resin molded body in which a carbon material is blended, and also has a function as an anode side separator when a plurality of fuel cell systems are combined. Further, the hydrogen supply plate 75 is provided with a heat insulating layer 75A on the surface in contact with the hydrogen separation membrane 74 and on the back surface thereof, so that heat dissipation from the hydrogen supply plate 75 is suppressed. Thereby, the thermal efficiency can be improved and stable driving can be performed.

断熱層75Aの熱伝導率λは、0.001≦λ≦1であることが好ましい。断熱層75Aの熱伝導率λは、数5で表されるフーリエの熱伝導式で定義され、低ければ低いほど外部への放熱が抑制され、燃料電池システム全体のエネルギー効率が向上するからである。更に、熱伝導率λが0.1以下であれば、より好ましい。   The thermal conductivity λ of the heat insulating layer 75A is preferably 0.001 ≦ λ ≦ 1. The heat conductivity λ of the heat insulating layer 75A is defined by a Fourier heat conduction equation expressed by the equation (5). The lower the heat conductivity, the more heat radiation to the outside is suppressed and the energy efficiency of the entire fuel cell system is improved. . Furthermore, it is more preferable if the thermal conductivity λ is 0.1 or less.

(数5)
λ(W/mK)=厚さ(m)/Rs(m2 K/W)
(数5において、Rsは熱抵抗を表す。)
(Equation 5)
λ (W / mK) = Thickness (m) / Rs (m 2 K / W)
(In Equation 5, Rs represents thermal resistance.)

このような断熱層75Aの構成材料としては、例えば、酸化ケイ素(SiO2 ),ポリイミド化合物,セラミックファイバおよび多孔性セラミックスが挙げられる。 Examples of the constituent material of the heat insulating layer 75A include silicon oxide (SiO 2 ), polyimide compounds, ceramic fibers, and porous ceramics.

断熱層75Aによるエネルギー効率の向上は、熱伝導率λより算出することができる。例えば、改質部70が表面積100cm2 ,肉厚1mmのアルミニウム(Al)よりなる筐体により構成され、改質部70の温度が300℃である場合、アルミニウムの熱伝導率は236(W/mK)であるので、室温(23℃)で1hr運転すると、放熱されるエネルギーは数6で表され、3067Whとなる。これに対して、表面に熱伝導率0.1であり厚さ1mmの断熱層75Aが形成されている場合、放熱量は1.3Whまで抑制される。 The improvement in energy efficiency by the heat insulating layer 75A can be calculated from the thermal conductivity λ. For example, when the reforming part 70 is constituted by a casing made of aluminum (Al) having a surface area of 100 cm 2 and a wall thickness of 1 mm, and the temperature of the reforming part 70 is 300 ° C., the thermal conductivity of aluminum is 236 (W / mK), and when operated at room temperature (23 ° C.) for 1 hr, the heat dissipated energy is expressed by Equation 6 and becomes 3067 Wh. On the other hand, when a heat insulating layer 75A having a thermal conductivity of 0.1 and a thickness of 1 mm is formed on the surface, the heat dissipation amount is suppressed to 1.3 Wh.

(数6)
1hr*236(W/mK)*1(mm)/(100(cm2 )*(300−23)(℃)
=3600(s)*236(W/mK)*0.01(m)/(0.01(m2 )*277(K))
=3067Wh
(Equation 6)
1 hr * 236 (W / mK) * 1 (mm) / (100 (cm 2 ) * (300-23) (° C.)
= 3600 (s) * 236 ( W / mK) * 0.01 (m) / (0.01 (m 2) * 277 (K))
= 3067 Wh

水素供給板75には、必要に応じて、第2の実施の形態で説明した水素加湿用の加湿層が設けられていてもよく、この加湿層に付随して、加湿用水タンクおよび水分供給経路が別途設けられていてもよい。   The hydrogen supply plate 75 may be provided with the humidification layer for hydrogen humidification described in the second embodiment as necessary, and the humidification water tank and the moisture supply path are attached to the humidification layer. May be provided separately.

図17は、図12に示した発電部10の断面構成を表すものである。発電体11は、アノード極12としての機能を有する水素供給板75とカソード極13との間に配置されている。水素供給板75と発電体11との間、およびカソード極13と発電体11との間には、シリコーンゴム,スチレン−ブタジエン共重合体ゴム,軟質ポリ塩化ビニル,フッ化ビニリデンゴム,ニトリルゴム,エチレンプロピレンゴムまたはブチルゴムなどよりなるシーリング層14が設けられている。なお、図17では水素供給板75の断熱層75Aは省略している。   FIG. 17 illustrates a cross-sectional configuration of the power generation unit 10 illustrated in FIG. 12. The power generator 11 is disposed between the hydrogen supply plate 75 that functions as the anode electrode 12 and the cathode electrode 13. Between the hydrogen supply plate 75 and the power generator 11, and between the cathode 13 and the power generator 11, silicone rubber, styrene-butadiene copolymer rubber, soft polyvinyl chloride, vinylidene fluoride rubber, nitrile rubber, A sealing layer 14 made of ethylene propylene rubber or butyl rubber is provided. In FIG. 17, the heat insulating layer 75A of the hydrogen supply plate 75 is omitted.

カソード極13は、発電体11側の表面に、例えば図18に示したような折れ線状の正極用流路13Aを有し、この正極用流路13Aを通じて酸素を発電部10に略均等に供給することができるようになっている。また、このカソード極13は、図12に示した発電部10および改質部70を複数組み合わせる場合におけるカソード側セパレータとしての機能も有している。   The cathode electrode 13 has, for example, a polygonal positive electrode flow path 13A as shown in FIG. 18 on the surface on the power generation body 11 side, and supplies oxygen to the power generation unit 10 through the positive electrode flow path 13A substantially evenly. Can be done. Further, the cathode electrode 13 also has a function as a cathode-side separator when a plurality of the power generation unit 10 and the reforming unit 70 shown in FIG. 12 are combined.

図19は、図11に示した燃料電池システムの外観の一例を模式的に表したものである。この燃料電池システムでは、例えば、カソード集電体100Aとアノード集電体100Bとの間に、図12に示した発電部10および改質部70が例えば4個ずつ挟み込まれ、改質部70上には貯蔵部20、カソード集電体100A上には空気供給用ポンプ51がそれぞれ配置されている。改質部70の側方には、整流器40などを含むシステム制御基板やセンサ類などにより構成された制御部110と、補助電源60とが配置されている。なお、図19では、温度調節器90,気液分離装置52(いずれも図11参照。)または加湿用水タンク等は省略している。発電部10および改質部70の個数は4個ずつに限定されず、また、各構成要素の配置関係は図19に示したものに限られない。   FIG. 19 schematically shows an example of the appearance of the fuel cell system shown in FIG. In this fuel cell system, for example, four power generation units 10 and four reforming units 70 shown in FIG. 12 are sandwiched between the cathode current collector 100A and the anode current collector 100B, for example. The air supply pump 51 is disposed on the storage unit 20 and the cathode current collector 100A. On the side of the reforming unit 70, a control unit 110 configured by a system control board including the rectifier 40 and the like, sensors, and the like, and an auxiliary power source 60 are disposed. In FIG. 19, the temperature controller 90, the gas-liquid separator 52 (see FIG. 11) or the humidifying water tank are omitted. The number of power generation units 10 and reforming units 70 is not limited to four, and the arrangement relationship of each component is not limited to that shown in FIG.

この燃料電池システムは、例えば、次のようにして製造することができる。   This fuel cell system can be manufactured, for example, as follows.

まず、上述した触媒を多孔質材料に担持させた触媒担持層73Aを作製する。次いで、ヒータ73Bを内蔵すると共に逆止機構71Aおよび圧力制御弁72Aを有する被覆部材73Cを用意し、この被覆部材73C内に触媒担持層73Aを収容する。これにより、例えば幅40mm,長さ110mm,厚さ2mmの改質反応層73を作製する。   First, a catalyst support layer 73A in which the above-described catalyst is supported on a porous material is produced. Next, a covering member 73C having a heater 73B and a check mechanism 71A and a pressure control valve 72A is prepared, and the catalyst support layer 73A is accommodated in the covering member 73C. Thereby, for example, the reforming reaction layer 73 having a width of 40 mm, a length of 110 mm, and a thickness of 2 mm is produced.

続いて、上述した材料よりなる例えば幅40mm,長さ110mm,厚さ100μmの水素分離膜74と、図14に示したような導出路76および負極用流路12Aが形成された例えば幅40mm,長さ150mm,厚さ1mmの水素供給板75とを用意し、改質反応層73と、水素分離膜74と、水素供給板75とをこの順に積層して、図12および図15に示した改質部70を形成する。水素供給板75には、上述した材料よりなる断熱層75Aを設け、断熱層75Aの熱伝導率λが0.001≦λ≦1となるようにする。   Subsequently, the hydrogen separation membrane 74 made of the above-mentioned material, for example, having a width of 40 mm, a length of 110 mm, and a thickness of 100 μm, and the lead-out path 76 and the negative electrode flow path 12A as shown in FIG. A hydrogen supply plate 75 having a length of 150 mm and a thickness of 1 mm is prepared, and a reforming reaction layer 73, a hydrogen separation membrane 74, and a hydrogen supply plate 75 are laminated in this order, and are shown in FIGS. A reforming unit 70 is formed. The hydrogen supply plate 75 is provided with a heat insulating layer 75A made of the above-described material so that the heat conductivity λ of the heat insulating layer 75A satisfies 0.001 ≦ λ ≦ 1.

また、例えば触媒担持面積10cm2 ,幅40mm,長さ40mm,厚さ1mmの発電体11と、図18に示したような正極用流路13Aが形成された例えば幅40mm,長さ40mm,厚さ1mmのカソード極13とを用意し、水素供給板75の残りの領域上に、発電体11と、カソード極13とをこの順に積層して、図12および図17に示した発電部10を形成する。 Further, for example, a power generation body 11 having a catalyst supporting area of 10 cm 2 , a width of 40 mm, a length of 40 mm, and a thickness of 1 mm and a positive electrode channel 13A as shown in FIG. 18 is formed, for example, a width of 40 mm, a length of 40 mm, and a thickness. A cathode electrode 13 having a thickness of 1 mm is prepared, and the power generator 11 and the cathode electrode 13 are stacked in this order on the remaining region of the hydrogen supply plate 75, and the power generator 10 shown in FIGS. Form.

そののち、発電部10および改質部70を各4個ずつ積層して、カソード集電体100Aとアノード集電体100Bとの間に挟み込み、改質部70上に貯蔵部20、カソード集電体100A上に空気供給用ポンプ51をそれぞれ配置する。また、改質部70の側方に、整流器40(図1参照。)などを含むシステム制御基板やセンサ類などにより構成された制御部110と、補助電源60とを配置する。以上により、図19に示した燃料電池システムが完成する。   Thereafter, four power generation units 10 and four reforming units 70 are stacked and sandwiched between the cathode current collector 100A and the anode current collector 100B, and the storage unit 20 and the cathode current collector are placed on the reforming unit 70. Air supply pumps 51 are respectively disposed on the body 100A. In addition, a control unit 110 configured by a system control board including the rectifier 40 (see FIG. 1), sensors, and the like, and an auxiliary power source 60 are disposed on the side of the reforming unit 70. Thus, the fuel cell system shown in FIG. 19 is completed.

この燃料電池システムでは、貯蔵部20に貯蔵された液体燃料が燃料供給部30により改質部70に供給され、液体燃料が反応することにより水素が発生する。発生した水素は発電部10に供給され、水素と酸素との反応により発電が行われる。ここでは、燃料供給部30において液体燃料が熱により気化し、その体積の膨張により噴流として吐出され、改質部70に供給される。よって、液体燃料供給に伴う改質部70の温度低下が少なく、改質部70内の温度が常に触媒活性を発現できる温度に維持され、改質部70全体にわたって安定した改質効率が得られる。   In this fuel cell system, the liquid fuel stored in the storage unit 20 is supplied to the reforming unit 70 by the fuel supply unit 30, and hydrogen is generated by the reaction of the liquid fuel. The generated hydrogen is supplied to the power generation unit 10 and power is generated by the reaction between hydrogen and oxygen. Here, the liquid fuel is vaporized by heat in the fuel supply unit 30, and is discharged as a jet flow by the expansion of the volume, and is supplied to the reforming unit 70. Therefore, the temperature drop of the reforming unit 70 due to the liquid fuel supply is small, the temperature in the reforming unit 70 is always maintained at a temperature at which the catalytic activity can be expressed, and stable reforming efficiency can be obtained over the entire reforming unit 70. .

また、改質部70は触媒作用を高めるため例えば約300℃以上の温度まで加熱されており、燃料は気化により体積膨張する。その結果、改質部70の内部圧力が増大し、改質部70の内部圧力が発電部10よりも高い状態となり、その圧力差により、図13に示したように、発生した水素は水素分離膜74により分離され、導出路76を経由して発電部10に供給される。更に、逆止機構71Aおよび圧力制御弁72Aにより、改質70の内部圧力を発電部10よりも高い状態に維持するように制御され、水素が発電部10に対して安定的に供給される。   Further, the reforming section 70 is heated to a temperature of, for example, about 300 ° C. or higher in order to enhance the catalytic action, and the fuel expands in volume by vaporization. As a result, the internal pressure of the reforming unit 70 increases, and the internal pressure of the reforming unit 70 becomes higher than that of the power generation unit 10. Due to the pressure difference, as shown in FIG. It is separated by the membrane 74 and supplied to the power generation unit 10 via the outlet path 76. Further, the check mechanism 71 </ b> A and the pressure control valve 72 </ b> A control the internal pressure of the reforming 70 to be higher than that of the power generation unit 10, and hydrogen is stably supplied to the power generation unit 10.

このように本実施の形態では、改質部70の内部圧力を発電部10よりも高い状態に制御することにより、その圧力差を利用して水素を発電部10に対して供給するようにしたので、水素を輸送するポンプやアクチュエータを削減することができる。よって、小型で安定した駆動が可能な燃料電池システムを実現することができる。   As described above, in the present embodiment, by controlling the internal pressure of the reforming unit 70 to be higher than that of the power generation unit 10, hydrogen is supplied to the power generation unit 10 using the pressure difference. Therefore, pumps and actuators that transport hydrogen can be reduced. Therefore, a small and stable fuel cell system capable of driving can be realized.

また、改質部70を、改質反応層73,水素分離膜74および水素供給板75の積層構造とし、水素供給板75の水素分離膜74に接する面に導出路76を設けるようにしたので、改質反応層73で発生した水素を水素分離膜74により分離して導出路76に移動させ、一方、二酸化炭素などの副生成物の導出路76への移動を抑制することができる。よって、水素の分圧制御を容易にすることができると共に発電部10の効率を高めることができる。   In addition, the reforming unit 70 has a stacked structure of the reforming reaction layer 73, the hydrogen separation membrane 74, and the hydrogen supply plate 75, and the lead-out path 76 is provided on the surface of the hydrogen supply plate 75 in contact with the hydrogen separation membrane 74. The hydrogen generated in the reforming reaction layer 73 is separated by the hydrogen separation membrane 74 and moved to the outlet path 76, while the movement of by-products such as carbon dioxide to the outlet path 76 can be suppressed. Therefore, the hydrogen partial pressure control can be facilitated and the efficiency of the power generation unit 10 can be increased.

更に、発電部10を、水素分離膜74に並列して導出路76に臨むように水素供給板75に一体化したので、改質部70および発電部10を組み合わせて一体化することができる。よって、簡素な構造で、更に小型化された燃料電池システムの実現が可能となる。   Furthermore, since the power generation unit 10 is integrated with the hydrogen supply plate 75 so as to face the lead-out path 76 in parallel with the hydrogen separation membrane 74, the reforming unit 70 and the power generation unit 10 can be combined and integrated. Therefore, it is possible to realize a fuel cell system with a simple structure and further reduced in size.

加えて、導出路76のうち発電部10に対応する部分を、発電部10に水素を略均等に供給可能な負極用流路12Aとしたので、導出路76を簡素化することができる。よって、水素移送時の熱損失を減少させ、燃料電池システム全体での熱効率を向上させることができる。   In addition, since the portion of the lead-out path 76 corresponding to the power generation unit 10 is the negative-electrode channel 12A that can supply hydrogen to the power generation unit 10 substantially evenly, the lead-out path 76 can be simplified. Therefore, heat loss at the time of hydrogen transfer can be reduced, and the thermal efficiency of the entire fuel cell system can be improved.

更にまた、改質部70において、液体燃料を導入するための導入口71に逆止機構71Aを設けたので、燃料が気化により体積膨張しても導入口71から逆流してしまうことを防止することができ、改質部70の内部圧力を高く維持することができる。よって、燃料の反応による内部圧力の増大を有効に利用して水素を発電部10に送り込むことができる。   Furthermore, in the reforming unit 70, the check mechanism 71A is provided at the inlet 71 for introducing the liquid fuel, so that it is prevented that the fuel flows back from the inlet 71 even if volumetric expansion occurs due to vaporization. The internal pressure of the reforming unit 70 can be kept high. Therefore, hydrogen can be sent to the power generation unit 10 by effectively using the increase in internal pressure due to the reaction of the fuel.

加えてまた、改質部70において、液体燃料の反応による副生成物を排出するための排出口72に圧力制御弁72Aを設けたので、運転条件によって導入口71からガスが逆流してしまうことなどを防ぐことができ、安定した燃料供給を行うことができる。   In addition, in the reforming unit 70, the pressure control valve 72A is provided at the discharge port 72 for discharging the by-product due to the reaction of the liquid fuel, so that the gas flows backward from the introduction port 71 depending on the operating conditions. Etc., and stable fuel supply can be performed.

更にまた、水素供給板75の表面に断熱層75Aを設けるようにしたので、放熱量を低減することができ、燃料電池システム全体のエネルギー変換効率を高め、安定した駆動を行うことができる。   Furthermore, since the heat insulating layer 75A is provided on the surface of the hydrogen supply plate 75, the heat radiation amount can be reduced, the energy conversion efficiency of the entire fuel cell system can be increased, and stable driving can be performed.

更に、本発明の具体的な実施例について説明する。   Furthermore, specific examples of the present invention will be described.

(実施例1−1)
第1の実施の形態と同様にして、図1に示した燃料電池システムを作製した。まず、実効面積が5×5cm2 ,担持触媒量から算出される理論メタノール使用量が3.6×10-3cm3 /minの発電部10を形成した。
(Example 1-1)
The fuel cell system shown in FIG. 1 was produced in the same manner as in the first embodiment. First, the power generation unit 10 having an effective area of 5 × 5 cm 2 and a theoretical methanol usage calculated from the amount of supported catalyst of 3.6 × 10 −3 cm 3 / min was formed.

次いで、吐出量5pL、吐出周波数30kHzのサーマルインクジェット方式による供給ヘッド部31を4個/cm2 で配列し、大きさが5×5cm2 の燃料供給部30を形成した。すなわち、本実施例では、発電部10における液体燃料の最大消費量Q1と燃料供給部30における液体燃料の最大吐出量Q2とが、Q1≦Q2となるようにした。この燃料供給部30を発電部10のアノード極12側に配置した。 Next, the supply head portions 31 by a thermal ink jet method having a discharge amount of 5 pL and a discharge frequency of 30 kHz were arranged at 4 pieces / cm 2 to form a fuel supply portion 30 having a size of 5 × 5 cm 2 . That is, in this embodiment, the maximum liquid fuel consumption Q1 in the power generation unit 10 and the maximum liquid fuel discharge amount Q2 in the fuel supply unit 30 are set to satisfy Q1 ≦ Q2. The fuel supply unit 30 is disposed on the anode electrode 12 side of the power generation unit 10.

続いて、液体燃料として50モル%メタノール水溶液を貯蔵し、容量100cc(内径4×5×5cm3 )の貯蔵部20を用意した。この貯蔵部20に、図6に示したようなポリエチレン/ポリプロピレンよりなる袋体23Bを挿入して加圧室23を形成し、ガス導入口23Cに圧力制御弁23Dを設けた。これにより、貯蔵部20に圧力制御機構22を形成した。運転時における加圧室23の内部圧力は、1.5atmとなるように設定した。 Subsequently, a 50 mol% aqueous methanol solution was stored as the liquid fuel, and a storage unit 20 having a capacity of 100 cc (inner diameter: 4 × 5 × 5 cm 3 ) was prepared. A bag 23B made of polyethylene / polypropylene as shown in FIG. 6 was inserted into the storage unit 20 to form a pressurizing chamber 23, and a pressure control valve 23D was provided at the gas inlet 23C. Thereby, the pressure control mechanism 22 was formed in the storage unit 20. The internal pressure of the pressurizing chamber 23 during operation was set to 1.5 atm.

そののち、発電部10のカソード極11側および圧力制御機構22に対して、最大吐出量が1NL/minである空気供給用ポンプ51を接続した。空気供給用ポンプ51には背圧制御弁(図示せず)を設け、停止時に空気供給路51Aに対して+0.3〜0.5atmの背圧がかかるよう設定した。更に、発電部10に対して整流器40および気液分離装置52をそれぞれ接続し、補助電源60として市販のリチウムイオン二次電池(US18650、3本)を配置した。以上により、図1に示した燃料電池システムを形成した。   After that, an air supply pump 51 having a maximum discharge amount of 1 NL / min was connected to the cathode 11 side of the power generation unit 10 and the pressure control mechanism 22. The air supply pump 51 is provided with a back pressure control valve (not shown), and is set so that a back pressure of +0.3 to 0.5 atm is applied to the air supply path 51A when stopped. Furthermore, the rectifier 40 and the gas-liquid separator 52 were connected to the power generation unit 10, and commercially available lithium ion secondary batteries (US18650, 3) were disposed as the auxiliary power source 60. Thus, the fuel cell system shown in FIG. 1 was formed.

得られた燃料電池システムについて、発電部10の温度を80℃として発電体11当たりの最大出力を調べたところ、2.6W(110mW/cm2 )であった。 With respect to the obtained fuel cell system, when the temperature of the power generation unit 10 was set to 80 ° C. and the maximum output per power generation body 11 was examined, it was 2.6 W (110 mW / cm 2 ).

このように実施例1−1では、液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として、すなわちサーマルインクジェット方式により発電部10に供給する燃料供給部30を、直接メタノール型燃料電池システムに適用した場合にも、出力が得られることが確認された。   As described above, in Example 1-1, the liquid fuel is vaporized by heat, and the liquid supply is supplied as a jet by the expansion of the volume, that is, the fuel supply unit 30 to be supplied to the power generation unit 10 by the thermal ink jet method. It was confirmed that an output could be obtained even when applied to a battery system.

(実施例1−2)
供給ヘッド部31を2個/cm2 で配列した燃料供給部30を用いたことを除いては、実施例1−1と同様にして燃料電池システムを作製した。すなわち、本実施例では、燃料供給部30における液体燃料の最大吐出量Q2を実施例1−1の2分の1に減らし、Q1>Q2となるようにした。この燃料電池システムについても、実施例1−1と同様にして発電体11当たりの最大出力を調べたところ、1.35W(52mW/cm2 )であった。
(Example 1-2)
A fuel cell system was fabricated in the same manner as in Example 1-1, except that the fuel supply unit 30 in which the supply head units 31 were arranged at 2 pieces / cm 2 was used. In other words, in the present embodiment, the maximum discharge amount Q2 of the liquid fuel in the fuel supply unit 30 is reduced to one-half that of the embodiment 1-1 so that Q1> Q2. Also for this fuel cell system, when the maximum output per generator 11 was examined in the same manner as in Example 1-1, it was 1.35 W (52 mW / cm 2 ).

このように、Q1>Q2とした実施例1−2では、Q1≦Q2とした実施例1−1に比べて最大出力が低く、2分の1程度しか得られなかった。すなわち、発電部10における液体燃料の最大消費量Q1と燃料供給部30における液体燃料の最大吐出量Q2とが、Q1≦Q2を満たすようにすれば、最大出力を増大させることができることが分かった。   As described above, in Example 1-2 in which Q1> Q2, the maximum output was lower than that in Example 1-1 in which Q1 ≦ Q2, and only about a half was obtained. That is, it was found that the maximum output can be increased if the maximum consumption Q1 of liquid fuel in the power generation unit 10 and the maximum discharge amount Q2 of liquid fuel in the fuel supply unit 30 satisfy Q1 ≦ Q2. .

(実施例2−1)
第2の実施の形態と同様にして、図7に示した燃料電池システムを作製した。まず、銅よりなる基板に、触媒として銅,亜鉛およびアルミニウムを銅:亜鉛:アルミニウム=6:3:1のモル比で含有するCu/ZnO/Al2 3 を含む改質反応層を形成し、改質効率aが90%の改質部70を形成した。
(Example 2-1)
The fuel cell system shown in FIG. 7 was produced in the same manner as in the second embodiment. First, a reforming reaction layer containing Cu / ZnO / Al 2 O 3 containing copper, zinc and aluminum as a catalyst in a molar ratio of copper: zinc: aluminum = 6: 3: 1 is formed on a substrate made of copper. The reforming part 70 having a reforming efficiency a of 90% was formed.

また、触媒担持面積10cm2 ,幅40mm,長さ40mm,厚さ1mmの発電体11と、上述した材料よりなる幅40mm,長さ40mm,厚さ1mmのアノード極12およびカソード極13とを用意し、アノード極12,発電体11およびカソード極13をこの順に積層して、発電部10を形成した。担持触媒量から算出される理論水素使用量は、供給される液体燃料に換算すると3.0×10-3cm3 /minとなる量であった。 In addition, a power generation body 11 having a catalyst supporting area of 10 cm 2 , a width of 40 mm, a length of 40 mm, and a thickness of 1 mm, and an anode electrode 12 and a cathode electrode 13 made of the above-mentioned materials and having a width of 40 mm, a length of 40 mm, and a thickness of 1 mm are prepared. Then, the anode electrode 12, the power generation body 11, and the cathode electrode 13 were laminated in this order to form the power generation unit 10. The theoretical hydrogen usage calculated from the amount of supported catalyst was 3.0 × 10 −3 cm 3 / min in terms of the supplied liquid fuel.

次いで、吐出量5.5pL、吐出周波数30kHzのサーマルインクジェット方式による供給ヘッド部31を4個/cm2 で配列し、燃料供給部30を形成した。すなわち、本実施例では、Q1≦Q2*aとなるようにした。この燃料供給部30を改質部70の改質反応層側に配置した。 Next, the supply head portions 31 by a thermal ink jet method with a discharge amount of 5.5 pL and a discharge frequency of 30 kHz were arranged at 4 pieces / cm 2 to form the fuel supply portion 30. That is, in this embodiment, Q1 ≦ Q2 * a. The fuel supply unit 30 is disposed on the reforming reaction layer side of the reforming unit 70.

続いて、液体燃料として50モル%メタノール水溶液を貯蔵し、容量が100cc(内径4×5×5cm3 )の貯蔵部20を用意した。この貯蔵部20に、図6に示したようなポリエチレン/ポリプロピレンよりなる袋体23Bを挿入して加圧室23を形成し、ガス導入口23Cに圧力制御弁23Dを設けた。これにより、貯蔵部20に圧力制御機構22を形成した。運転時における加圧室23の内部圧力は、1.5atmとなるように設定した。 Subsequently, a 50 mol% aqueous methanol solution was stored as a liquid fuel, and a storage unit 20 having a capacity of 100 cc (inner diameter: 4 × 5 × 5 cm 3 ) was prepared. A bag 23B made of polyethylene / polypropylene as shown in FIG. 6 was inserted into the storage unit 20 to form a pressurizing chamber 23, and a pressure control valve 23D was provided at the gas inlet 23C. Thereby, the pressure control mechanism 22 was formed in the storage unit 20. The internal pressure of the pressurizing chamber 23 during operation was set to 1.5 atm.

そののち、発電部10のカソード極11側および圧力制御機構22に対して、最大吐出量が1NL/minである空気供給用ポンプ51を接続した。更に、発電部10に対して整流器40および気液分離装置52をそれぞれ接続し、補助電源60として市販のリチウムイオン二次電池(US18650、3本)を配置する。また、図7には示していないが、容量100ccの加湿用水タンクを配置した。以上により、図7に示した燃料電池システムが完成した。   After that, an air supply pump 51 having a maximum discharge amount of 1 NL / min was connected to the cathode 11 side of the power generation unit 10 and the pressure control mechanism 22. Furthermore, the rectifier 40 and the gas-liquid separator 52 are connected to the power generation unit 10, and commercially available lithium ion secondary batteries (US18650, 3) are disposed as the auxiliary power source 60. Although not shown in FIG. 7, a humidifying water tank having a capacity of 100 cc was disposed. Thus, the fuel cell system shown in FIG. 7 was completed.

得られた燃料電池システムについて、改質部70の温度を300℃、発電部10の温度を80℃として発電体11当たりの最大出力を調べたところ、4.0W(400mW/cm2 )であった。 With respect to the obtained fuel cell system, when the temperature of the reforming unit 70 was set to 300 ° C. and the temperature of the power generation unit 10 was set to 80 ° C., the maximum output per power generator 11 was examined, and the result was 4.0 W (400 mW / cm 2 ). It was.

このように実施例2−1では、液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として、すなわちサーマルインクジェット方式により発電部10に供給する燃料供給部30を、液体燃料改質型燃料電池システムに適用した場合にも、出力が得られることが確認された。   As described above, in Example 2-1, the liquid fuel is vaporized by heat, and the fuel supply unit 30 supplied to the power generation unit 10 by the thermal ink jet method as the liquid fuel is jetted by the expansion of the volume. It was confirmed that the output could be obtained even when applied to the type fuel cell system.

(実施例2−2,2−3)
実施例2−2では供給ヘッド部31を2個/cm2 で配列した燃料供給部30を用い、実施例2−3では吐出量4pLの供給ヘッド部31を用いて燃料供給部30を構成したことを除いては、実施例2−1と同様にして燃料電池システムを作製した。すなわち、実施例2−2,2−3では、いずれもQ1>Q2*a(aは改質効率)となるようにした。これらの燃料電池システムについても、実施例2−1と同様にして発電体11当たりの最大出力を調べたところ、実施例2−2では2.0W(200mW/cm2 )、実施例2−3では3.1W(310mW/cm2 )であった。
(Examples 2-2 and 2-3)
In Example 2-2, the fuel supply unit 30 in which the supply head units 31 are arranged at 2 pieces / cm 2 is used, and in Example 2-3, the fuel supply unit 30 is configured by using the supply head unit 31 having a discharge amount of 4 pL. Except for this, a fuel cell system was fabricated in the same manner as in Example 2-1. That is, in Examples 2-2 and 2-3, both were set to satisfy Q1> Q2 * a (a is the reforming efficiency). Regarding these fuel cell systems, when the maximum output per power generator 11 was examined in the same manner as in Example 2-1, 2.0 W (200 mW / cm 2 ) was obtained in Example 2-2, and Example 2-3. Then, it was 3.1 W (310 mW / cm 2 ).

このように、Q1>Q2*aとした実施例2−2,2−3では、Q1≦Q2*aとした実施例2−1に比べて最大出力が低かった。すなわち、発電部10における液体燃料の最大消費量Q1と燃料供給部30における液体燃料の最大吐出量Q2とが、Q1≦Q2*aを満たすようにすれば、最大出力を増大させることができることが分かった。   Thus, in Examples 2-2 and 2-3 in which Q1> Q2 * a, the maximum output was lower than that in Example 2-1 in which Q1 ≦ Q2 * a. That is, if the maximum consumption Q1 of liquid fuel in the power generation unit 10 and the maximum discharge amount Q2 of liquid fuel in the fuel supply unit 30 satisfy Q1 ≦ Q2 * a, the maximum output can be increased. I understood.

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態および実施例では、発電部10,貯蔵部20,燃料供給部30および改質部70の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。   The present invention has been described with reference to the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, the configurations of the power generation unit 10, the storage unit 20, the fuel supply unit 30, and the reforming unit 70 have been specifically described, but may be configured by other structures or other materials. May be.

また、例えば、第3の実施の形態において、例えば図20に示したように、空気供給ポンプ51から分岐された空気供給路51Aにより、空気を加圧用ガスとして供給することもできる。これにより、発電部10および圧力制御機構22の両方に対して共通の空気供給経路を利用して空気を供給し、いっそう小型化を図ることが可能となる。   Further, for example, in the third embodiment, as shown in FIG. 20, for example, air can be supplied as the pressurizing gas through the air supply path 51 </ b> A branched from the air supply pump 51. Thereby, air can be supplied to both the power generation unit 10 and the pressure control mechanism 22 by using a common air supply path, and further miniaturization can be achieved.

更に、上記実施の形態および実施例では、発電部10への空気の供給を空気供給用ポンプ51を利用して強制的に行うようにしたが、自然換気としてもよい。また、空気に変えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。   Furthermore, in the said embodiment and Example, although the supply of the air to the electric power generation part 10 was forcedly performed using the air supply pump 51, it is good also as natural ventilation. Further, oxygen or a gas containing oxygen may be supplied instead of air.

加えて、第3の実施の形態では、図19に示したように発電部10および改質部70を複数積層した積層型の燃料電池システムについて説明したが、第3の実施の形態は、単セル型のものについても適用することができる。   In addition, in the third embodiment, a stacked fuel cell system in which a plurality of power generation units 10 and reforming units 70 are stacked as illustrated in FIG. 19 has been described. However, the third embodiment is a simple example. The present invention can also be applied to a cell type.

本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表すブロック図である。1 is a block diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 図1に示した燃料供給部の構成を表す図である。It is a figure showing the structure of the fuel supply part shown in FIG. 図2に示した供給ヘッド部の構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure of the supply head part shown in FIG. 図1に示した燃料電池システムの他の構成例を表すブロック図である。It is a block diagram showing the other structural example of the fuel cell system shown in FIG. 図1に示した貯蔵部の内部構成の一例を表す断面図である。It is sectional drawing showing an example of an internal structure of the storage part shown in FIG. 図1に示した貯蔵部の内部構成の他の例を表す断面図である。It is sectional drawing showing the other example of the internal structure of the storage part shown in FIG. 本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the whole structure of the fuel cell system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図7に示した燃料電池システムの他の構成例を表すブロック図である。It is a block diagram showing the other structural example of the fuel cell system shown in FIG. 図7に示した発電部,改質部および貯蔵部の配置例を表す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view illustrating an arrangement example of a power generation unit, a reforming unit, and a storage unit illustrated in FIG. 7. 図7に示した発電部,改質部および貯蔵部の他の配置例を表す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view illustrating another arrangement example of the power generation unit, the reforming unit, and the storage unit illustrated in FIG. 7. 本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the whole structure of the fuel cell system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 図1に示した発電部および改質部の構成を表す斜視図である。It is a perspective view showing the structure of the electric power generation part and modification | reformation part which were shown in FIG. 図12に示した発電部および改質部における水素の移動経路を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically the movement path | route of hydrogen in the electric power generation part and reforming part shown in FIG. 図12に示した水素供給板を導出路側から見た構成を表す平面図である。It is a top view showing the structure which looked at the hydrogen supply board shown in FIG. 12 from the outlet path side. 図12に示した改質部の構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure of the modification part shown in FIG. 図15に示した触媒担持層を燃料供給路側から見た構成を表す平面図である。FIG. 16 is a plan view illustrating a configuration of the catalyst support layer illustrated in FIG. 15 as viewed from the fuel supply path side. 図12に示した発電部の構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure of the electric power generation part shown in FIG. 図17に示したカソード極を正極用流路側から見た構成を表す平面図である。FIG. 18 is a plan view illustrating a configuration of the cathode electrode illustrated in FIG. 17 as viewed from the positive electrode channel side. 図11に示した燃料電池システムの外観の一例を模式的に表した斜視図である。It is the perspective view which represented typically an example of the external appearance of the fuel cell system shown in FIG. 図11に示した燃料電池システムの他の構成例を表すブロック図である。FIG. 12 is a block diagram illustrating another configuration example of the fuel cell system illustrated in FIG. 11. 従来の燃料改質型の燃料電池システムの一例を表すブロック図である。It is a block diagram showing an example of the conventional fuel reforming type fuel cell system.

符号の説明Explanation of symbols

10…発電部、11…発電体、12…アノード極、12A…負極用流路、13…カソード極、13A…正極用流路、14…シーリング層、20…貯蔵部、21…燃料タンク室、22…圧力制御機構、22A…排気供給路、23…加圧室、23A…可動壁、23B…袋体、30…燃料供給部、31…供給ヘッド部、32…液室、33…オリフィス形成板、33A…隔壁、34…流路、35…ヒータ、36…ノズル、37…加熱制御回路、38…気化燃料、39…噴流、40…整流器、51…空気供給用ポンプ、51A…空気供給路、52…気液分離装置、60…補助電源、70…改質部、71…導入口、71A…逆止機構、72…排出口、72A…圧力制御弁、73…改質反応層、74…水素分離膜、75…水素供給板、75A…断熱層、76…導出路   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Electric power generation part, 11 ... Electric power generation body, 12 ... Anode electrode, 12A ... Negative electrode flow path, 13 ... Cathode electrode, 13A ... Positive electrode flow path, 14 ... Sealing layer, 20 ... Storage part, 21 ... Fuel tank chamber, DESCRIPTION OF SYMBOLS 22 ... Pressure control mechanism, 22A ... Exhaust supply path, 23 ... Pressurization chamber, 23A ... Movable wall, 23B ... Bag body, 30 ... Fuel supply part, 31 ... Supply head part, 32 ... Liquid chamber, 33 ... Orifice formation board 33A ... partition wall, 34 ... flow path, 35 ... heater, 36 ... nozzle, 37 ... heating control circuit, 38 ... vaporized fuel, 39 ... jet, 40 ... rectifier, 51 ... air supply pump, 51A ... air supply path, 52 ... Gas-liquid separator, 60 ... Auxiliary power supply, 70 ... Reformer, 71 ... Inlet port, 71A ... Check mechanism, 72 ... Discharge port, 72A ... Pressure control valve, 73 ... Reforming reaction layer, 74 ... Hydrogen Separation membrane, 75 ... hydrogen supply plate, 75A ... heat insulation layer, 76 Outlet passage

Claims (22)

液体燃料および空気の供給を受けて発電を行う発電部と、
前記液体燃料を貯蔵する貯蔵部と、
前記貯蔵部から供給された液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により前記液体燃料を噴流として前記発電部に供給する燃料供給部と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A power generation unit that generates power by receiving supply of liquid fuel and air;
A reservoir for storing the liquid fuel;
A fuel cell system comprising: a fuel supply unit that vaporizes the liquid fuel supplied from the storage unit by heat and supplies the liquid fuel to the power generation unit as a jet by expansion of its volume.
前記貯蔵部は、前記液体燃料を収容する燃料タンク室と、前記燃料タンク室の内部圧力を制御する圧力制御機構とを有することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the storage unit includes a fuel tank chamber that stores the liquid fuel, and a pressure control mechanism that controls an internal pressure of the fuel tank chamber. 前記発電部および前記圧力制御機構に対して空気を供給する空気供給ポンプを備えたことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, further comprising an air supply pump that supplies air to the power generation unit and the pressure control mechanism. 前記発電部からの排気を前記圧力制御機構に供給する排気供給路を備えたことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, further comprising an exhaust supply path for supplying exhaust from the power generation unit to the pressure control mechanism. 前記発電部における液体燃料の最大消費量Q1と前記燃料供給部における液体燃料の最大吐出量Q2とは、数1を満たすことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
(数1)
Q1≦Q2
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a maximum consumption amount Q1 of liquid fuel in the power generation unit and a maximum discharge amount Q2 of liquid fuel in the fuel supply unit satisfy Formula 1. 3.
(Equation 1)
Q1 ≦ Q2
前記液体燃料としてメタノール水溶液を用いることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein an aqueous methanol solution is used as the liquid fuel. 水素と酸素との反応により発電を行う発電部と、
液体燃料を反応させて水素を発生させると共に、発生した水素を前記発電部に供給する改質部と、
前記液体燃料を貯蔵する貯蔵部と、
前記貯蔵部から供給された液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により前記液体燃料を噴流として前記改質部に供給する燃料供給部と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A power generation unit that generates power by reaction of hydrogen and oxygen;
A reforming unit that reacts liquid fuel to generate hydrogen, and supplies the generated hydrogen to the power generation unit;
A reservoir for storing the liquid fuel;
A fuel cell system comprising: a fuel supply unit that vaporizes the liquid fuel supplied from the storage unit by heat and supplies the liquid fuel as a jet to the reforming unit by expansion of its volume.
前記貯蔵部は、前記液体燃料を収容する燃料タンク室と、前記燃料タンク室の内部圧力を制御する圧力制御機構とを有することを特徴とする請求項7記載の燃料電池システム。   8. The fuel cell system according to claim 7, wherein the storage unit includes a fuel tank chamber that stores the liquid fuel, and a pressure control mechanism that controls an internal pressure of the fuel tank chamber. 前記発電部および前記圧力制御機構に対して空気を供給する空気供給ポンプを備えたことを特徴とする請求項8記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 8, further comprising an air supply pump that supplies air to the power generation unit and the pressure control mechanism. 前記発電部からの排気を前記圧力制御機構に供給する排気供給路を備えたことを特徴とする請求項8記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 8, further comprising an exhaust supply path that supplies exhaust from the power generation unit to the pressure control mechanism. 前記発電部における液体燃料の最大消費量Q1と前記燃料供給部における液体燃料の最大吐出量Q2とは、数2を満たすことを特徴とする請求項7記載の燃料電池システム。
(数2)
Q1≦Q2*a
(数2においてaは前記改質部における改質効率を表す。)
8. The fuel cell system according to claim 7, wherein the maximum consumption amount Q1 of liquid fuel in the power generation unit and the maximum discharge amount Q2 of liquid fuel in the fuel supply unit satisfy Formula 2.
(Equation 2)
Q1 ≦ Q2 * a
(In Equation 2, a represents the reforming efficiency in the reforming section.)
前記液体燃料としてメタノール水溶液を用いることを特徴とする請求項7記載の燃料電池システム。   8. The fuel cell system according to claim 7, wherein an aqueous methanol solution is used as the liquid fuel. 前記改質部は、内部圧力を前記発電部よりも高い状態に制御することにより、その圧力差を利用して発生した水素を前記発電部に供給することを特徴とする請求項7記載の燃料電池システム。   The fuel according to claim 7, wherein the reforming unit controls the internal pressure to be higher than that of the power generation unit, and supplies hydrogen generated using the pressure difference to the power generation unit. Battery system. 前記改質部は、
前記液体燃料を反応させて水素を発生させる改質反応層と、
前記改質反応層に接して配置され、前記改質反応層で発生した水素を選択的に透過させる水素分離膜と、
前記水素分離膜に接すると共に前記水素分離膜側に導出路を有し、前記水素分離膜を透過した水素を前記発電部へ供給する水素供給板と
を備えたことを特徴とする請求項13記載の燃料電池システム。
The reformer is
A reforming reaction layer that reacts the liquid fuel to generate hydrogen;
A hydrogen separation membrane that is disposed in contact with the reforming reaction layer and selectively permeates hydrogen generated in the reforming reaction layer;
14. A hydrogen supply plate that is in contact with the hydrogen separation membrane and has a lead-out path on the hydrogen separation membrane side, and supplies hydrogen that has passed through the hydrogen separation membrane to the power generation unit. Fuel cell system.
前記発電部は、前記水素分離膜に並列して前記導出路に臨むよう前記水素供給板に一体化されていることを特徴とする請求項14記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 14, wherein the power generation unit is integrated with the hydrogen supply plate so as to face the lead-out path in parallel with the hydrogen separation membrane. 前記導出路のうち前記発電部に対応する部分は、前記発電部に水素を略均等に供給可能な負極用流路となっていることを特徴とする請求項15記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 15, wherein a portion of the lead-out path corresponding to the power generation unit is a negative electrode channel capable of supplying hydrogen to the power generation unit substantially evenly. 前記改質部は、前記液体燃料を導入するための導入口と、前記導入口に設けられた逆止機構とを有することを特徴とする請求項13記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 13, wherein the reforming unit includes an introduction port for introducing the liquid fuel and a check mechanism provided in the introduction port. 前記改質部は、前記液体燃料の反応による副生成物を排出するための排出口と、前記排出口に設けられた圧力制御弁とを有することを特徴とする請求項17記載の燃料電池システム。   18. The fuel cell system according to claim 17, wherein the reforming unit includes a discharge port for discharging a by-product due to the reaction of the liquid fuel, and a pressure control valve provided in the discharge port. . 前記逆止機構による制御圧力P1と前記圧力制御弁による制御圧力P2とは、数3を満たすことを特徴とする請求項18記載の燃料電池システム。
(数3)
P2<P1
19. The fuel cell system according to claim 18, wherein the control pressure P1 by the check mechanism and the control pressure P2 by the pressure control valve satisfy Equation 3.
(Equation 3)
P2 <P1
前記水素分離膜が水素を選択的に透過させる圧力Pxは、数4を満たすことを特徴とする請求項18記載の燃料電池システム。
(数4)
Px<P2<P1
(数4において、P1は前記逆止機構による制御圧力、P2は前記圧力制御弁による制御圧力をそれぞれ表す。)
19. The fuel cell system according to claim 18, wherein the pressure Px at which the hydrogen separation membrane selectively permeates hydrogen satisfies Formula 4.
(Equation 4)
Px <P2 <P1
(In Equation 4, P1 represents the control pressure by the check mechanism, and P2 represents the control pressure by the pressure control valve.)
前記水素供給板は、表面に断熱層を有することを特徴とする請求項14記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 14, wherein the hydrogen supply plate has a heat insulating layer on a surface thereof. 前記断熱層の熱伝導率λは、0.001≦λ≦1であることを特徴とする請求項21記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 21, wherein the thermal conductivity λ of the heat insulating layer is 0.001 ≦ λ ≦ 1.
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