JP2006236687A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般に燃料電池の技術分野に関し、特に有機燃料を使用する燃料電池に関する。 The present invention relates generally to the technical field of fuel cells, and more particularly to fuel cells using organic fuel.
近年、ノートパソコン、パーソナルディジタルアシスタント(PDA)、携帯電話をはじめとしたポータブル機器の高性能化及び多機能化は著しい。装置の軽量小型化や長時間オペレーションを可能にするため、従来のNi-Cd電池やニッケル水素電池等に代わって、高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が広く普及してきている。また、昨今の高度情報通信網の普及による携帯機器の情報通信機能強化やオペレーション時間の増加などから、電池には一層の高容量化が切望され、新規の高容量駆動電源として、昨今、リチウムイオン電池と比較して数倍の高容量化が期待される燃料電池に注目が集まっている。 In recent years, portable devices such as notebook computers, personal digital assistants (PDAs), and mobile phones have been improved in performance and functionality. Lithium ion secondary batteries having a high energy density have been widely used in place of conventional Ni—Cd batteries, nickel metal hydride batteries, and the like in order to reduce the weight and size of the apparatus and enable long-time operation. In addition, due to the recent enhancement of information communication functions of mobile devices and the increase in operation time due to the spread of advanced information communication networks, batteries have been eagerly desired to have higher capacities. Attention has been focused on fuel cells that are expected to have a capacity that is several times higher than batteries.
燃料電池は、概して、りん酸型、固体電解質型、溶融炭酸塩型、高分子固体電解質型などに分類され、携帯用小型燃料電池には室温付近での動作に有利な高分子固体電解質型燃料電池が適している。高分子固体電解質型の中でもダイレクトメタノール型燃料電池は、燃料として有機燃料から改質された水素を供給することなく、直接電極上にメタノール(CH3OH)などの有機燃料を供給することでエネルギー密度を向上させることができ、装置の軽量小型に適している。 Fuel cells are generally classified into a phosphoric acid type, a solid electrolyte type, a molten carbonate type, a polymer solid electrolyte type, etc., and a polymer solid electrolyte fuel that is advantageous for operation near room temperature for portable small fuel cells. A battery is suitable. Among the solid polymer electrolyte types, direct methanol fuel cells do not supply hydrogen reformed from organic fuel as fuel, but supply energy directly by supplying organic fuel such as methanol (CH 3 OH) onto the electrode. The density can be improved, and it is suitable for the light weight and small size of the apparatus.
図1に示されるように、ダイレクトメタノール方式では、燃料極側にメタノール水溶液が供給され、燃料極に含まれる触媒によりメタノール水溶液からプロトン(H+)と二酸化炭素(CO2)が生成される。触媒には、例えばカーボン(C)に、白金(Pt)及びルテニウム(Ru)の合金が付いたものが使用されてもよい。プロトンは高分子固体電解質膜中を透過し、空気極側で、酸素と化合して水を生成する。この際、燃料極及び空気極を外部回路に接続する(負荷に接続する)ことで電力が取り出せる。生成された水は空気極から系外へ放出される。この種の従来の燃料電池については、例えば特許文献1,2に記載されている。
しかし、このような燃料電池の発電システムでは、いくらかのメタノールが、分解されずに高分子固体電解質膜を通過し、空気極側で酸素と反応し、発熱するという問題がある(このような減少は、メタノールのクロスオーバとして知られている。)。即ち、燃料(メタノール等)が負荷への電力供給に寄与せずに消費されてしまうのである。従って、燃料電池に負荷が接続されていなかったとしても、いくらかの燃料が無駄に消費されてしまう問題がある。高分子電解質膜の材料を適切に選択することで、メタノールのクロスオーバを軽減することも研究されているが、クロスオーバを申し分なく抑制するには至っていないようである。 However, such a fuel cell power generation system has a problem that some methanol passes through the polymer solid electrolyte membrane without being decomposed, reacts with oxygen on the air electrode side, and generates heat (such a decrease). Is known as methanol crossover.) That is, fuel (methanol or the like) is consumed without contributing to power supply to the load. Therefore, even if a load is not connected to the fuel cell, there is a problem that some fuel is wasted. It has been studied to reduce the crossover of methanol by appropriately selecting the material of the polymer electrolyte membrane, but it seems that the crossover has not been suppressed sufficiently.
図2は、燃料の無駄な供給を停止することのできる従来例を示す。概略断面図で示される図示の燃料電池では、発電部21の燃料供給部23に燃料カートリッジ25が接続されている。燃料カートリッジ25及び燃料供給部23は、金属や樹脂のような材料から構成される。燃料カートリッジ25にはカートリッジ側コネクタが設けられ、燃料供給部23にも供給側コネクタが設けられ、それらのコネクタは必要に応じて接続及び分離することができる。燃料カートリッジ25は必要に応じて交換される。図2は、双方のコネクタが接続されている様子に加えて、円内に、それらが分離された様子を示す。各コネクタは、可動ロッドと、可動ロッドに一部に設けられたフランジと、可動ロッドを包囲するコイルバネとを有する。フランジは、燃料封止弁として機能する。
FIG. 2 shows a conventional example in which useless supply of fuel can be stopped. In the illustrated fuel cell shown in a schematic cross-sectional view, a
燃料カートリッジに蓄えられているメタノール液は、カートリッジ側コネクタに供給される。燃料カートリッジ25が燃料供給部23に取り付けられていない場合は、円内に別途示されているように、バネの弾性力によって、フランジが燃料の流路を塞ぐ。これにより、燃料の供給は停止される。燃料カートリッジ25が燃料供給部23に取り付けられると、各コネクタの外部に突出した可動ロッドの先端が接触し、互いに押圧することで、バネが縮み、フランジもコネクタの奥に押し込まれる。これにより、流路が開通し、燃料が、各コネクタを通じて発電部21に流れる。そして、説明済みの化学反応が起こることで、負荷に電力が与えられる。
The methanol liquid stored in the fuel cartridge is supplied to the cartridge side connector. When the
しかしながら、このようなコネクタを利用して燃料の漏洩を防止する機構は、その構造自体が複雑であり、コストの増加を招いてしまうという問題点がある。また、発電部をOFFにする度に燃料カートリッジを切り離す必要があるので、機構が大掛かりになるだけでなく操作する手間も多くなる。 However, the mechanism for preventing the leakage of fuel using such a connector has a problem that the structure itself is complicated and the cost is increased. Further, since it is necessary to disconnect the fuel cartridge every time the power generation unit is turned OFF, not only the mechanism becomes large, but also the labor for operation increases.
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、有機燃料を電極に直接供給する燃料電池において、燃料の消費効率を向上させることである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to improve fuel consumption efficiency in a fuel cell that directly supplies an organic fuel to an electrode.
本発明によれば、燃料極及び空気極の間に固体電解質膜を挟む発電部と、燃料極に有機燃料液を供給する供給路と、前記有機燃料液の供給量を調整する調整部とを備える燃料電池が使用される。前記供給路の少なくとも一部は、管状の弾性部材より成る。前記調整部は、前記管状の弾性部材を押圧し、前記有機燃料液の供給量を減らす。 According to the present invention, the power generation unit that sandwiches the solid electrolyte membrane between the fuel electrode and the air electrode, the supply path that supplies the organic fuel liquid to the fuel electrode, and the adjustment unit that adjusts the supply amount of the organic fuel liquid The fuel cell provided is used. At least a part of the supply path is made of a tubular elastic member. The adjustment unit presses the tubular elastic member to reduce the supply amount of the organic fuel liquid.
本発明によれば、有機燃料を電極に直接供給する燃料電池において、燃料の消費効率を従来よりも簡便に向上させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the fuel cell which supplies an organic fuel directly to an electrode, the fuel consumption efficiency can be improved more simply than before.
本発明の一態様によれば、燃料極に有機燃料液を供給する供給路の少なくとも一部が、管状の弾性部材より成り、その管状の弾性部材を押圧することで、有機燃料液の供給が抑制される。調整部で弾性部材を適切に押圧することで、燃料の供給及び停止を簡易に制御することができる。燃料電池の不使用時に燃料の供給を止めることで、燃料が無駄に消費されることを防ぎ、燃料の使用効率を向上させることができる。有機燃料液は、例えばメタノール水溶液より成る。管状の弾性部材は、シリコーンゴムや、塩化ビニルから構成されてもよい。 According to one aspect of the present invention, at least a part of the supply path for supplying the organic fuel liquid to the fuel electrode is formed of a tubular elastic member, and the organic fuel liquid is supplied by pressing the tubular elastic member. It is suppressed. By appropriately pressing the elastic member with the adjustment unit, the supply and stop of the fuel can be easily controlled. By stopping the supply of fuel when the fuel cell is not used, it is possible to prevent the fuel from being wasted and to improve the fuel usage efficiency. An organic fuel liquid consists of methanol aqueous solution, for example. The tubular elastic member may be made of silicone rubber or vinyl chloride.
本発明の一態様によれば、調整部は、ネジ山を有する回動部材と、該ネジ山に対応する溝を有するネジ受け部材とを有する。回動部材を回すことで、回動部材が軸方向に進み、その先端がフレキシブルチューブをつぶすことで、燃料の供給が止まる。本発明の一態様によれば、調整部が、押しボタンスイッチより成る。本発明によれば、様々な機械的な操作によって、燃料の供給量を適切に調整することができる。 According to one aspect of the present invention, the adjustment unit includes a rotating member having a thread and a screw receiving member having a groove corresponding to the thread. By turning the turning member, the turning member advances in the axial direction, and the tip of the turning member crushes the flexible tube, thereby stopping the supply of fuel. According to an aspect of the present invention, the adjustment unit includes a push button switch. According to the present invention, the amount of fuel supply can be appropriately adjusted by various mechanical operations.
本発明の一態様によれば、調整部は、管状の弾性部材を電磁力で押圧するソレノイド手段より成る。これにより、機械的な操作でなく、電磁作用を利用して、燃料の供給量を調整することができる。調整部は、機械的に、電気的に、磁気的に又はそれらの組み合わせにより様々に構成することができる。 According to one aspect of the present invention, the adjustment portion is composed of solenoid means for pressing the tubular elastic member with electromagnetic force. As a result, the amount of fuel supply can be adjusted using electromagnetic action rather than mechanical operation. The adjusting unit can be variously configured mechanically, electrically, magnetically, or a combination thereof.
本発明の一態様によれば、発電部及び負荷の間の電気経路に設けられたスイッチが、例えばソレノイド手段により、調整部の押圧動作に連動して切り替えられる。燃料電池のON/OFF動作に連動して有機燃料の無駄な供給を止めることができ、燃料電池のON/OFF動作の制御と、燃料の供給開始及び停止の制御とを一括して行える(両者を別々に行わずに済む。)。即ち、手間を増やさずに、燃料の使用効率を向上させることができる。 According to one aspect of the present invention, the switch provided in the electrical path between the power generation unit and the load is switched in conjunction with the pressing operation of the adjustment unit, for example, by a solenoid means. The wasteful supply of organic fuel can be stopped in conjunction with the ON / OFF operation of the fuel cell, and the control of the ON / OFF operation of the fuel cell and the start and stop of the fuel supply can be performed collectively (both Do not have to be done separately.) That is, fuel use efficiency can be improved without increasing labor.
図3は、本発明の一実施例による燃料電池の概念図を示す。燃料電池は、図2の例と同様に、発電部21と、燃料供給部23と、燃料カートリッジ25とを有する。本実施例では、発電部21及び燃料供給部23はフレキシブルチューブ31により接続され、フレキシブルチューブ31の途中に調整部32が設けられている。
FIG. 3 is a conceptual diagram of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. As in the example of FIG. 2, the fuel cell includes a power generation unit 21, a
発電部21は、図1に示されるような、燃料極と、空気極と、燃料極及び空気極の間に挟まれた固体電解質膜とを有する。空気極用に多数の空気穴が形成されている様子が図示されている。発電部21自体の構成及び動作は、説明済みであるので、重複的な説明は省略される。 The power generation unit 21 includes a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode as shown in FIG. A state in which a large number of air holes are formed for the air electrode is illustrated. Since the configuration and operation of the power generation unit 21 itself have been described, redundant description is omitted.
燃料カートリッジ25は、メタノールのような有機燃料の水溶液を蓄えている。燃料供給部23は、燃料カートリッジ25からの燃料を発電部21側に供給する。燃料カートリッジ25及び燃料供給部23の構成及び動作は、図2に関連して説明済みであるため、重複的な説明は省略される。
The
フレキシブルチューブ31は、管状の弾性部材より成り、例えばシリコーンゴムや塩化ビニルのような材料から構成されてもよい。フレキシブルチューブ31は、適切ないかなる弾性材料から構成されてもよいが、有機燃料液に溶解しない耐性を備える必要がある。
The
調整部32は、必要に応じて、フレキシブルチューブ31に外圧を加えることで、発電部21への燃料液の供給量を減らす或いは供給を止める。調整部32の具体的な機構には、様々なものが考えられる。
The
図4は、調整部32の一例を示す。この例では、調整部32は、ネジ山を有する回動部材と、そのネジ山に応じて設けられた溝を有するネジ受け部材とを有する。ネジ受け部材の一端はフレキシブルチューブ31に接している。回動部材を回転軸の回りに(例えば右回りに)回すと、回動部材が軸方向に前進し、その先端がフレキシブルチューブに接する(図4(A))。更に回動部材を回すと更に進み、回動部材の先端がフレキシブルチューブを押圧し、チューブ内の燃料の流れを少なくし、最終的には燃料の流れが止められる(図4(B))。回動部材を軸の回りに逆向きに(例えば左回りに)回すと、回動部材が後退し、先端部によるチューブの押圧が解除され、フレキシブルチューブの供給路が再び開通する(図4(A))。このように、回動部材を適切に回転させることで、燃料の供給量を簡易に制御することができる。図示の例ではネジ山が1巻しか描かれていないが、ネジ山の数及びネジ山のピッチ(溝のピッチ)に様々な値が採用されてもよい。燃料の供給及び停止を制御する際に、回動部材の回転角を少なくする観点からは、溝のピッチを大きくすることが好ましい。例えば、180度回すだけで燃料の供給及び停止を制御できるように、ピッチを大きくとってもよい。
FIG. 4 shows an example of the
図5は、調整部32の一例を示す。この例では、調整部32は、ある軸方向に進退可能であって磁性を有する可動スロットと、コイルと、バネとを有する。可動スロットにはフランジが設けられている。コイルに電流が流れていない状態では、バネの弾性力がフランジに作用することで、可動スロットの先端がフレキシブルチューブ31に押圧される。このため、フレキシブルチューブ31内の燃料の供給は止められる。コイルに電流が供給されると、コイルの近辺に磁場が発生し、その磁場に応答して、可動スロットが(図示の例では左側に)引き寄せられ、フランジがバネを押し縮め、可動スロットがフレキシブルチューブから離れる方向に動く。これにより、供給路の押圧が解除され、燃料の供給路が開通する。この例は、電磁作用で可動スロットを動かすので、先の例のようなネジの回転動作等を要しない。
FIG. 5 shows an example of the
図6は、本発明の一実施例による燃料電池の概略図を示す。説明済みの要素には、同一の参照番号が付され、重複的な説明は省略される。図6には、発電部21に負荷61が接続されている。発電部21と負荷61との間の電気経路の途中に、スイッチ62が設けられている。スイッチ62を開閉することで、負荷への電力供給及び電力の供給停止が制御される。本実施例では、調整部32におけるフレキシブルチューブ31への押圧動作は、スイッチ62の開閉動作に連動している。より具体的には、調整部32でフレキシブルチューブ31が押圧され、燃料の供給が止められることと、スイッチ62が開放されることとが連動している。図示の例では、電気的な制御線63により、双方の動作内容が電気的に通知されるが、他の実施例では双方の動作を機械的に連動させる機構が設けられてもよい。調整部32の動作とスイッチ62の動作は、特定の一方(例えば、スイッチ62)の制御動作が常に先に行われもよいし、そのような先後関係が設定されず、双方が単に連動するだけでもよい。
FIG. 6 shows a schematic diagram of a fuel cell according to one embodiment of the present invention. The already described elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In FIG. 6, a
スイッチ62の位置は、図6では調整部32の外部に描かれているが、適切ないかなる場所に設けられてもよい。例えば、図7に示されるように、スイッチ62が調整部32内の押圧機構に隣接して設けられもよい。図7の例では、回動部材が進行すると、フレキシブルチューブ内の燃料の供給が抑制されることに加えて、進行するフランジによりスイッチ62の状態が切り替わるように制御できる。このようなスイッチは、例えばマイクロスイッチで構成することができる。
The position of the
以下、本発明により教示される手段を例示的に列挙する。 Hereinafter, the means taught by the present invention will be listed as an example.
(付記1)
燃料極及び空気極の間に固体電解質膜を挟む発電部と、
燃料極に有機燃料液を供給する供給路と、
前記有機燃料液の供給量を調整する調整部と
を備え、前記供給路の少なくとも一部は、管状の弾性部材より成り、
前記調整部は、前記管状の弾性部材を押圧し、前記有機燃料液の供給量を減らす
ことを特徴とする燃料電池。
(Appendix 1)
A power generation unit that sandwiches a solid electrolyte membrane between a fuel electrode and an air electrode;
A supply path for supplying an organic fuel liquid to the fuel electrode;
An adjustment unit that adjusts the supply amount of the organic fuel liquid, and at least a part of the supply path is formed of a tubular elastic member,
The adjustment unit presses the tubular elastic member to reduce the supply amount of the organic fuel liquid.
(付記2)
前記有機燃料液が、メタノールより成る
ことを特徴とする付記1記載の燃料電池。
(Appendix 2)
The fuel cell according to appendix 1, wherein the organic fuel liquid is methanol.
(付記3)
前記調整部が、機械的又は電磁気的な力学作用を通じて、前記管状の弾性部材の押圧動作を行う
ことを特徴とする付記1記載の燃料電池。
(Appendix 3)
The fuel cell according to appendix 1, wherein the adjustment unit performs a pressing operation of the tubular elastic member through mechanical or electromagnetic mechanical action.
(付記4)
前記調整部が、ネジ山を有する回動部材と、該ネジ山に対応する溝を有するネジ受け部材とを有する
ことを特徴とする付記1記載の燃料電池。
(Appendix 4)
The fuel cell according to appendix 1, wherein the adjustment portion includes a rotating member having a thread and a screw receiving member having a groove corresponding to the thread.
(付記5)
前記調整部が、前記管状の弾性部材を電磁力で押圧するソレノイド手段より成る
ことを特徴とする付記1記載の燃料電池。
(Appendix 5)
The fuel cell according to appendix 1, wherein the adjustment unit includes solenoid means for pressing the tubular elastic member with electromagnetic force.
(付記6)
前記調整部が、押しボタンスイッチより成る
ことを特徴とする付記1記載の燃料電池。
(Appendix 6)
The fuel cell according to appendix 1, wherein the adjustment unit is formed of a push button switch.
(付記7)
前記発電部及び負荷の間の電気経路に設けられたスイッチが、前記調整部の押圧動作に連動して切り替えられる
ことを特徴とする付記1記載の燃料電池。
(Appendix 7)
The fuel cell according to claim 1, wherein a switch provided in an electric path between the power generation unit and the load is switched in conjunction with a pressing operation of the adjustment unit.
(付記8)
前記管状の弾性部材が、シリコーンゴム又は塩化ビニルより成る
ことを特徴とする付記1記載の燃料電池。
(Appendix 8)
The fuel cell according to appendix 1, wherein the tubular elastic member is made of silicone rubber or vinyl chloride.
21 発電部
23 燃料供給部
25 燃料カートリッジ
31 フレキシブルチューブ
32 調整部
61 負荷
62 ON/OFFスイッチ
63 制御線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21
Claims (5)
燃料極に有機燃料液を供給する供給路と、
前記有機燃料液の供給量を調整する調整部と
を備え、前記供給路の少なくとも一部は、管状の弾性部材より成り、
前記調整部は、前記管状の弾性部材を押圧し、前記有機燃料液の供給量を減らす
ことを特徴とする燃料電池。 A power generation unit that sandwiches a solid electrolyte membrane between a fuel electrode and an air electrode;
A supply path for supplying an organic fuel liquid to the fuel electrode;
An adjustment unit that adjusts the supply amount of the organic fuel liquid, and at least a part of the supply path is formed of a tubular elastic member,
The adjustment unit presses the tubular elastic member to reduce the supply amount of the organic fuel liquid.
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the organic fuel liquid is made of methanol.
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the adjustment unit performs a pressing operation of the tubular elastic member through a mechanical or electromagnetic mechanical action.
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein a switch provided in an electric path between the power generation unit and the load is switched in conjunction with a pressing operation of the adjustment unit.
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein the tubular elastic member is made of silicone rubber or vinyl chloride.
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