JP2006244716A - Fuel cell generator, fuel cartridge, and fuel cell system using them - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池発電装置、燃料カートリッジ、および、それらを用いた燃料電池システムに関し、具体的には、燃料電池の電気化学反応により生成する水などの反応生成物の系外への排出量を低減することができる燃料電池システムに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell power generation device, a fuel cartridge, and a fuel cell system using the same, and more specifically, a discharge amount of a reaction product such as water generated by an electrochemical reaction of the fuel cell to the outside of the system. It is related with the fuel cell system which can reduce.
燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できる、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性をもっているので、21世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。 A fuel cell is a device that generates electrical energy from hydrogen and oxygen, and can achieve high power generation efficiency. The main feature of the fuel cell is direct power generation that does not go through the process of thermal energy and kinetic energy as in the conventional power generation method, so high power generation efficiency can be expected even on a small scale, and there is little emission of nitrogen compounds, etc. Noise and vibration are also small, so the environmental performance is good. In this way, fuel cells can effectively use the chemical energy of fuels and have environmentally friendly characteristics, so they are expected to be energy supply systems for the 21st century, and are used on a large scale from space use to automobiles and portable devices. It is attracting attention as a promising new power generation system that can be used in various applications from power generation to small-scale power generation, and technological development is in full swing toward practical application.
中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)が注目を集めている。DMFCは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器などの電源への利用が期待されている。 Among them, solid polymer fuel cells are characterized by low operating temperature and high power density compared to other types of fuel cells. In particular, as a form of solid polymer fuel cells, direct methanol A fuel cell (Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) is attracting attention. In DMFC, an aqueous methanol solution as a fuel is directly supplied to the anode without modification, and electric power is obtained by an electrochemical reaction between the aqueous methanol solution and oxygen, and carbon dioxide is emitted from the anode to the cathode by this electrochemical reaction. The product water is discharged as a reaction product. Aqueous methanol solution has higher energy per unit volume than hydrogen, is suitable for storage, and has a low risk of explosion, and is expected to be used as a power source for automobiles and portable devices.
これら燃料電池の電気化学反応(発電反応)により水が生成され、特に、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、PDA、MP3プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書(書籍)などの携帯機器への利用が期待される、燃料や空気の自然拡散を利用したコンパクトな燃料電池(所謂、パッシブ形燃料電池)の場合、生成された水が液体または気体として排空気と共に直接外部に排出される構造となるため、携帯機器自体やその外部が水で濡れてしまう虞がある。これに対して特許文献1では、空気取込口の外周を吸水材で覆い、水が生成するカソード電極と吸水材とを接触させることにより、水が液体の状態で外部へ排出されるのを防ぐ構造が採用されている。
しかし、特許文献1の構造では、吸水材は直接携帯機器外部と接しており、発電部から発生する熱の影響も受けて、吸水材に保水された水は温められて水蒸気となりやすく、外部へ排出されてしまう。また、特許文献1では燃料に水素を用いているが、DMFCではメタノール水溶液が電解質膜を透過してカソード電極上で反応することにより、メタノール酸化副生成物(ホルムアルデヒド、蟻酸、蟻酸メチル)が発生する虞がある。すなわち、燃料や空気の自然拡散を利用したDMFCの構造では、空気取入口が直接外部環境と接しているため、ポンプなどの空気供給手段がなくても、カソードへ空気が供給できるというメリットがある一方で、DMFCを搭載した携帯機器の周囲や接触する部分が水で濡れてしまったり、未反応メタノールやメタノール酸化副生成物が外部へ排出されたりというデメリットがある。 However, in the structure of Patent Document 1, the water-absorbing material is in direct contact with the outside of the portable device, and the water retained in the water-absorbing material is easily heated to become water vapor due to the influence of heat generated from the power generation unit. It will be discharged. In Patent Document 1, hydrogen is used as the fuel. In DMFC, methanol aqueous solution (formaldehyde, formic acid, methyl formate) is generated when methanol aqueous solution permeates the electrolyte membrane and reacts on the cathode electrode. There is a risk of doing. That is, in the structure of DMFC using natural diffusion of fuel and air, since the air intake is in direct contact with the external environment, there is an advantage that air can be supplied to the cathode without an air supply means such as a pump. On the other hand, there is a demerit that the periphery of the portable device equipped with DMFC or the contacted portion gets wet with water, or unreacted methanol or methanol oxidation by-product is discharged to the outside.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、燃料電池の電気化学反応により生成する水などの反応生成物の系外への排出量を低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a fuel cell system capable of reducing the discharge amount of reaction products such as water generated by an electrochemical reaction of the fuel cell to the outside of the system. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池発電装置は、燃料と空気中の酸素により発電する燃料電池と、燃料電池を内部に含む筐体と、筐体に設けられ、燃料電池に供給する空気を取り込む空気取込口と、筐体に設けられ、燃料電池から排出される排出物質を排出する排出物質排出口と、を備える燃料電池発電装置において、空気取込口と排出物質排出口とは、筐体の異なる部分に配置することを特徴とする。これにより、燃料電池への空気の供給を阻害せず、燃料電池からの排出物質を排出することができる。 In order to achieve the above object, a fuel cell power generator of the present invention includes a fuel cell that generates power using fuel and oxygen in the air, a housing that includes the fuel cell, and a fuel cell that is provided in the housing and is supplied to the fuel cell. An air intake port and an exhaust material discharge port provided in a fuel cell power generation device, comprising: an air intake port that takes in air to be discharged; and an exhaust material discharge port that is provided in the housing and discharges exhaust material discharged from the fuel cell Is characterized by being arranged in different parts of the housing. Thereby, the exhausted substance from the fuel cell can be discharged without hindering the supply of air to the fuel cell.
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の燃料電池発電装置において、空気取込口から排出物質排出口へ向けて空気を流通させる空気流通手段を備えることを特徴とし、請求項3記載の発明は、請求項2記載の燃料電池発電装置において、空気流通手段は、ファンであることを特徴とする。これにより、請求項1の効果に加え、空気を取り込む空気取込口と排出物質を排出する排出物質排出口との役割を可及的に分離することができ、また、この空気流通手段がファンであれば、燃料電池やその周辺部材を冷却することもできる。 The invention described in claim 2 is the fuel cell power generator according to claim 1, further comprising air circulation means for circulating air from the air intake port toward the exhaust material discharge port. The invention described is the fuel cell power generator according to claim 2, wherein the air circulation means is a fan. Thus, in addition to the effect of the first aspect, the roles of the air intake port for taking in air and the exhaust material discharge port for discharging the exhausted material can be separated as much as possible. If so, the fuel cell and its peripheral members can be cooled.
請求項4記載の発明は、請求項1記載の燃料電池発電装置において、燃料電池から排出される排出物質を凝縮させる凝縮手段を備えることを特徴とし、請求項5記載の発明は、請求項4記載の燃料電池発電装置において、凝縮手段と排出物質排出口とを接続し、凝縮手段により凝縮された排出物質を排出物質排出口へ流出させる排出物質排出流路を備えることを特徴とする。これにより、請求項1の効果に加え、排出物質が気体の状態で排空気と共に排出されることを防止することができ、また、この凝縮手段と排出物質排出口とを接続する排出物質排出流路を備えることで、凝縮された排出物質を確実に排出物質排出口より排出することができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell power generator according to the first aspect of the present invention, the fuel cell power generator further comprises a condensing means for condensing the exhaust material discharged from the fuel cell. The fuel cell power generator described above includes an exhaust material discharge passage that connects the condensing unit and the exhaust material discharge port and causes the exhaust material condensed by the condensing unit to flow out to the exhaust material discharge port. Thus, in addition to the effect of the first aspect, the exhaust material can be prevented from being discharged together with the exhaust air in the gaseous state, and the exhaust material discharge flow connecting the condensing means and the exhaust material discharge port. By providing the path, the condensed exhaust material can be reliably discharged from the exhaust material discharge port.
そして、本発明の燃料カートリッジは、燃料電池へ供給する燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、燃料貯蔵部に接続され、燃料を燃料電池に供給する燃料供給口と、を備え、燃料電池と脱着可能に設けられる燃料カートリッジにおいて、燃料電池から排出される排出物質に含まれる水を、排出物質から除去する除去手段を備えることを特徴とする。これにより、少なくとも燃料電池の電気化学反応により生成する水が系外へ排出される量を低減することができ、燃料カートリッジを交換する際に除去手段も交換することができる。 The fuel cartridge of the present invention includes a fuel storage unit that stores fuel to be supplied to the fuel cell, and a fuel supply port that is connected to the fuel storage unit and supplies fuel to the fuel cell, and is detachable from the fuel cell. The fuel cartridge provided in the apparatus includes a removing unit that removes water contained in the discharged material discharged from the fuel cell from the discharged material. As a result, at least the amount of water generated by the electrochemical reaction of the fuel cell is discharged out of the system can be reduced, and the removal means can also be replaced when the fuel cartridge is replaced.
請求項7記載の発明は、請求項6記載の燃料カートリッジにおいて、除去手段は、排出物質が燃料電池から排出される排出物質排出口に対向する位置に設けられ、排出物質を除去手段に取り込む排出物質取込口を備えることを特徴とする。これにより、請求項6の効果に加え、排出物質を確実に除去手段へ取り込むことができる。 According to a seventh aspect of the present invention, in the fuel cartridge according to the sixth aspect, the removal means is provided at a position opposite to the discharge substance discharge port from which the discharge substance is discharged from the fuel cell, and discharges the discharge substance taken into the removal means. It is provided with a substance intake. Thus, in addition to the effect of the sixth aspect, the discharged substance can be reliably taken into the removing means.
また、請求項8記載の発明は、請求項6または7記載の燃料カートリッジにおいて、除去手段と燃料貯蔵部との間に設けられ、除去手段の体積変化により位置が移動する仕切部材を備えることを特徴とする。これにより、請求項6または7の効果に加え、燃料を燃料貯蔵部から燃料電池へ押し出すことができ、しかも、この押し出す力は、除去手段の体積変化、即ち、燃料電池の電気化学反応により排出された排出物質の量に依存するので、燃料電池で消費されたメタノールに比例した量を押し出すことができる。 The invention according to claim 8 is the fuel cartridge according to claim 6 or 7, further comprising a partition member that is provided between the removing means and the fuel storage portion and whose position is moved by a volume change of the removing means. Features. Thereby, in addition to the effect of claim 6 or 7, the fuel can be pushed out from the fuel storage part to the fuel cell, and the pushing force is discharged by the volume change of the removing means, that is, the electrochemical reaction of the fuel cell. Since it depends on the amount of emitted material, an amount proportional to the methanol consumed in the fuel cell can be pushed out.
請求項9記載の発明は、請求項6〜8のいずれかに記載の燃料カートリッジにおいて、除去手段は、排出物質に含まれる成分を吸着可能な吸着剤を備えることを特徴とし、請求項10記載の発明は、請求項6〜9のいずれかに記載の燃料カートリッジにおいて、燃料はメタノールを含むことを特徴とする。これにより、請求項6〜8の効果、あるいは、請求項6〜9の効果に加え、除去手段が吸着剤を含むので、交換時に除去(吸着)された排出物質が系外へ放出されることがなく、また、貯蔵が容易なので、携帯に適している。 According to a ninth aspect of the present invention, in the fuel cartridge according to any one of the sixth to eighth aspects, the removing means includes an adsorbent capable of adsorbing a component contained in the discharged substance. According to the present invention, in the fuel cartridge according to any one of claims 6 to 9, the fuel contains methanol. Thereby, in addition to the effects of claims 6 to 8 or the effects of claims 6 to 9, since the removing means includes the adsorbent, the discharged substances removed (adsorbed) at the time of replacement are released out of the system. In addition, it is suitable for carrying because it is easy to store.
最後に、本発明の燃料電池システムは、請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池発電装置と、請求項6〜10のいずれかに記載の燃料カートリッジと、を備えることを特徴とする。これにより、燃料電池の電気化学反応により生成する水などの反応生成物の系外への排出量を低減することができる。 Finally, a fuel cell system of the present invention comprises the fuel cell power generator according to any one of claims 1 to 5 and the fuel cartridge according to any one of claims 6 to 10. . Thereby, the discharge | emission amount to the exterior of reaction products, such as water produced | generated by the electrochemical reaction of a fuel cell, can be reduced.
本発明によれば、燃料電池の電気化学反応により生成する水などの反応生成物の系外への排出量を低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, discharge | emission amount to the exterior of reaction products, such as water produced | generated by the electrochemical reaction of a fuel cell, can be reduced.
本発明に係る燃料電池発電装置10の基本構成について、図1を用いて説明する。
A basic configuration of a fuel
燃料電池発電装置10は、メタノール水溶液あるいは純メタノール(以下、「メタノール燃料」と記載する)が毛細管現象により供給されるアノード電極12と空気が供給されるカソード電極14とこのアノード電極12とカソード電極14とに挟持される電解質膜16とを備え、メタノールと空気中の酸素との電気化学反応により発電するDMFC発電部18と、集電体22、24と、各集電体をつなぎ、複数の発電部を直列に接続する配線20と、アノード電極12へ供給するメタノール燃料を貯蔵するメタノール燃料貯蔵部30と、メタノール燃料貯蔵部30からアノード電極12へメタノール燃料を供給するウィック材料34と、空気の取込口42を有する筐体40と、を備えている。メタノール燃料貯蔵部30内部にはウィック材料34が充填されており、ウィック材料34の毛細管現象により、メタノール燃料貯蔵部30からアノード電極12へメタノール燃料が供給される。
The fuel
図2は燃料カートリッジ50の基本構造であり、内部にはメタノール燃料よりも濃度の高いメタノール水溶液あるいは純メタノールが充填されている。この燃料カートリッジ燃料供給口52を図1の燃料カートリッジ接続口36に接続することにより、メタノール燃料貯蔵部30へメタノール燃料を補給することができる。
FIG. 2 shows the basic structure of the
DMFC発電部18は、メタノールを酸化する触媒及びプロトン伝導体を含有するアノード電極12、電解質膜16、酸素を還元する触媒及びプロトン伝導体を含有するカソード電極14から構成される。これらの電極12,14は、電解質膜16上に形成され、ホットプレスやその他の方法により接合されて作製される。また各電極12、14には、燃料の拡散や集電機能を向上させるために触媒やプロトン伝導体の他に、カーボンペーパーや織布などの導電性拡散層を含んでもよい。また集電体22、24は、導電性、耐食性があり、かつ燃料となるメタノールや空気が拡散できる多孔質構造を有する。
The DMFC power generation unit 18 includes an
ウィック材34は、毛細管現象で液体を吸収する材料のことを表し、一般的には多孔質材料や粒子層からなる。例えば、ウィック材34は、水分を吸収する親水性を有する吸収材料からなり、橋架ポリアクリル酸塩系、イソブチレン/マレイン酸塩系、澱粉/ポリアクリル酸塩系、PVA(ポリビニルアルコール)/ポリアクリル系、アクリル繊維の加水分解系、橋架PVA系といった高分子材料を適用することができる。また、生成水を隔離された所定の場所まで移動させて蒸発させる機能を有することが望ましく、このような材料としては、例えば、表面に凹部を有する多孔質金属や多孔質鉱物、親水性カーボン、カーボンペーパー、織布、不織布、紙、パルプ、高分子材料、天然繊維、合成繊維等が挙げられる。さらに、毛細管現象が生じる高吸水性を有する材料も適しており、例えば、長手方向に対する断面に微細な空隙領域が形成された糸状の材料を縦横に織り込んだ合成繊維であるポリエステル/ナイロン複合材やポリエステル等、合成繊維等でもよい。
The
以下、動作原理について説明する。 Hereinafter, the operation principle will be described.
燃料カートリッジ50から燃料カートリッジ供給口52を通して図1のメタノール燃料貯蔵部30へメタノール燃料より濃度の高いメタノール水溶液あるいは純メタノールが供給される。メタノール燃料貯蔵部30内はウィック材料34が充填されており、メタノール燃料はウィック材料34の毛細管現象により吸い上げられ、燃料供給口32、集電体22を通過してアノード電極12に拡散し、触媒上でメタノールが酸化される。メタノールが酸化されて得られるプロトンは、アノード電極12中のプロトン伝導体及び電解質膜16中を拡散し、カソード電極14へ到達する。また、アノード電極12で発生した電気は、集電体22を介してカソード電極14側の集電体24へ到達する。
A methanol aqueous solution or pure methanol having a higher concentration than methanol fuel is supplied from the
一方、筐体40の空気取込口42から供給された空気中の酸素は集電体24を介してカソード電極14の触媒上へ到達し、アノード電極12から得られたプロトンと電子を受領することにより酸素を還元し、水を生成する。このようにDMFC発電部18により取り出される電気を、携帯機器と接続することにより携帯機器を直接駆動することや、二次電池等の充電に使用することができる。
On the other hand, oxygen in the air supplied from the
図3は本実施例の燃料電池発電装置110の断面図、図4は燃料カートリッジ150の断面図、図5は燃料電池発電装置110に燃料カートリッジ150を装着した燃料電池発電システム100の斜視図であり、図3、4、5は、図6のA−A’断面における断面図である。ウィック材134、DMFC発電部118の構成や機能については、前述と同様である。
3 is a cross-sectional view of the fuel cell
図3に示す燃料電池発電装置110は、メタノール燃料が毛細管現象により自然供給されるアノード電極112と空気が供給されるカソード電極114とこのアノード電極112とカソード電極114とに挟持される電解質膜116とを備え、メタノールと空気中の酸素との電気化学反応により発電するDMFC発電部118と、集電体122、124と、アノード電極112へ供給するメタノール燃料を貯蔵するメタノール燃料貯蔵部130と、メタノール燃料貯蔵部130からアノード電極112へメタノール燃料を供給するウィック材料134と、空気の取込口142を有する筐体140と、を備えており、この筐体140の燃料カートリッジ150接続側にファン144を備えていることが本実施例の特徴である。
The fuel
図4は燃料カートリッジ150の構造であり、燃料貯蔵部154と反応生成物除去部156とから構成されている。燃料貯蔵部154の内部にはメタノール燃料よりも濃度の高いメタノール水溶液あるいは純メタノールが充填され、燃料カートリッジ燃料供給口152を図3の燃料カートリッジ接続口136に接続することにより、メタノール燃料貯蔵部130へ濃度の高いメタノール水溶液あるいは純メタノールを補給することができる。
FIG. 4 shows the structure of the
DMFC発電部118での電気化学反応によってカソード電極114で生成した水やメタノール酸化副生成物(ホルムアルデヒド、蟻酸、蟻酸メチル)、また未反応メタノールを含む排空気は、ファン144により筐体140内が負圧になるため、空気取込口142から外部へは排出されにくくなり、ファン144から排出される。ファン144から排出された排空気は、燃料カートリッジ150の反応生成物除去部156に排出物質取入口157から入り、メタノール酸化副生成物などの反応生成物を吸着することができる吸着剤が充填された吸着部158を拡散した後、燃料カートリッジ150の排空気出口159から外部へ排出される。このとき、反応生成物除去部156に充填された吸着部158上で反応生成物を吸着して排出される。これにより、外部に放出される排空気中の生成物含有量を低減できる。
Exhaust air containing water, methanol oxidation by-products (formaldehyde, formic acid, methyl formate), and unreacted methanol generated at the
図5は別の形態の燃料カートリッジ160であり、燃料貯蔵部164と反応生成物除去部156の間に変形可能または可動式の仕切材163を設けていることが図4の燃料カートリッジ150との主な相違点である。この仕切材163により、反応生成物除去部166に充填されている吸着部168が吸着に伴い膨張変形し、仕切材163を燃料貯蔵部154側へ押し出す作用により、メタノール燃料をメタノール燃料貯蔵部130へ送り出すことができる。また、ファン144から排出された排空気は、燃料カートリッジ160の反応生成物除去部166に排出物質取入口167から入り、メタノール酸化副生成物などの反応生成物を吸着することができる吸着剤が充填された吸着部168を拡散した後、燃料カートリッジ160の排空気出口159から外部へ排出される。このとき、反応生成物除去部166に充填された吸着部168上で反応生成物を吸着して排出される。これにより、外部に放出される排空気中の生成物含有量を低減できる。
FIG. 5 shows another embodiment of the
吸着部168を構成する材料としては、発電によって生じる排空気中の生成物(水、ホルムアルデヒド、蟻酸、蟻酸メチル、メタノール)を吸着又は保持する材料であればいずれでもよく、例えば、ウィック材と同様の吸水性材料のほか、ゼオライト、活性炭、シリカゲルなどの表面積の大きい吸着材料や、セピオライト、アルデヒドと反応して安定化させる2、4−ジニトロフェニルヒドラジン、水酸化カルシウム等が挙げられる。
The material constituting the adsorbing
図7B−B’、図7C−C’は本実施例の燃料電池発電装置210の断面図、図8は燃料カートリッジ250の断面図、図9は燃料電池発電装置210に燃料カートリッジ250を装着した燃料電池発電システム200の斜視図であり、図7B−B’、図7C−C'、図8は、図9のB−B’ C−C'断面における断面図である。本実施例のウィック材料234の構造、燃料カートリッジ250の構造は実施例1、DMFC発電部218は前述のDMFC発電部18と同一の構成又は機能を有する。
7B-B ′ and FIG. 7C-C ′ are cross-sectional views of the fuel
図7B−B’、図7C−C’に示す燃料電池発電装置210は、メタノール燃料が毛細管現象により供給されるアノード電極212と空気が供給されるカソード電極214とこのアノード電極212とカソード電極214とに挟持される電解質膜216とを備え、メタノールと空気中の酸素との電気化学反応により発電するDMFC発電部218と、集電体222、224と、アノード電極212へ供給するメタノール燃料を貯蔵するメタノール燃料貯蔵部230と、メタノール燃料貯蔵部230からアノード電極212へメタノール燃料を供給するウィック材料234と、筐体240と、を備えており、この筐体240の内側(発電部218側)に筐体240の外側と連結された放熱部246、及び放熱部246の液溜め部247に接続する管状の流路(排出物質排出流路)248を備えていることが本実施例の特徴である。
The fuel
図8は燃料カートリッジ250の構造であり、燃料貯蔵部254と反応生成物除去部256とから構成されている。燃料貯蔵部254の内部にはメタノール燃料よりも濃度の高いメタノール水溶液あるいは純メタノールが充填され、燃料カートリッジ燃料供給口252を図7B−B’、図7C−C’の燃料カートリッジ接続口236に接続することにより、メタノール燃料貯蔵部230へ濃度の高いメタノール水溶液あるいは純メタノールを補給することができる。
FIG. 8 shows the structure of the
DMFC発電部218での電気化学反応によってカソード電極214で生成した水やメタノール酸化副生成物(ホルムアルデヒド、蟻酸、蟻酸メチル)、また未反応メタノールを含む排空気は、筐体240の外部と連結して形成された放熱部246の内側(発電部218側)で凝縮し、放熱部246上を重力により液体として落下し、放熱板246の液溜め部に集められた後、接続する管状の流路247から筐体外へ排出される。排出された液体は、燃料カートリッジ250の排出物質取入口257から反応生成物除去部256へ入り、メタノール酸化副生成物などの反応生成物を吸着することができる吸着剤が充填された吸着部258に吸着される。凝縮しなかった排気は、空気取込口242を通して外部を排出される。これにより、外部に放出される排空気中の生成物含有量を低減できる。
Exhaust air containing water, methanol oxidation byproducts (formaldehyde, formic acid, methyl formate), and unreacted methanol generated at the
また、本実施例では、放熱板246で凝縮させた液体を回収する手段としては、燃料カートリッジ250の排出物質取入口257へ液体を誘導する方法であればいずれでもよく、例えば吸水性材料を放熱部246と燃料カートリッジ250の排出物質取入口257の間に配置する構造や液溜め部がなく放熱部がそのまま燃料カートリッジ250の排出物質取入口257に連続する構造も可能である。
In the present embodiment, any means for collecting the liquid condensed by the
吸着部258を構成する材料は、実施例1と同様に、発電によって生じる排空気中の生成物(水、ホルムアルデヒド、蟻酸、蟻酸メチル、メタノール)を吸着又は保持する材料であればいずれでもよく、例えば、ウィック材と同様の吸水性材料のほか、ゼオライト、活性炭、シリカゲルなどの表面積の大きい吸着材料や、セピオライト、アルデヒドと反応して安定化させる2、4−ジニトロフェニルヒドラジン、水酸化カルシウム等が挙げられる。
The material constituting the adsorbing
図10は本実施例の燃料電池発電装置310の断面図、図11は燃料カートリッジ350の断面図である。本実施例のウィック材料334、DMFC発電部318は、前述のDMFC発電部18と同一の構成又は機能を有する。
FIG. 10 is a cross-sectional view of the fuel
図10に示す燃料電池発電装置310は、メタノール燃料が毛細管現象により供給されるアノード電極312とファン344により空気が供給されるカソード電極314とこのアノード電極312とカソード電極314とに挟持される電解質膜316とを備え、メタノールと空気中の酸素との電気化学反応により発電するDMFC発電部318と、集電体322、324と、アノード電極312へ供給するメタノール燃料を貯蔵するメタノール燃料貯蔵部330と、メタノール燃料貯蔵部330からアノード電極312へメタノール燃料を供給するウィック材料334と、筐体340と、を備えており、この筐体340の内側(発電部318側)にほぼ全電極を覆う大きさの放熱部346、及び放熱部346の液溜め部347に接続する管状の流路(排出物質排出流路)348a、さらに空気供給を促進するファン344が放熱部346と筐体340との間に配置されることが本実施例の特徴である。
A fuel
図11は燃料カートリッジ350の構造であり、燃料貯蔵部354と反応生成物除去部356とから構成されている。燃料貯蔵部354の内部にはメタノール燃料よりも濃度の高いメタノール水溶液あるいは純メタノールが充填され、燃料カートリッジ燃料供給口352を図10の燃料カートリッジ接続口336に接続することにより、メタノール燃料貯蔵部330へ濃度の高いメタノール水溶液あるいは純メタノールを補給することができる。
FIG. 11 shows the structure of the
DMFC発電部318での電気化学反応によってカソード電極314で生成した水やメタノール酸化副生成物(ホルムアルデヒド、蟻酸、蟻酸メチル)、また未反応メタノールを含む排空気は、ファン344の風により十分に冷却された放熱板346の内側(発電部318側)で凝縮し、放熱部346上を重力により液体として落下し、放熱部346の液溜め部347に集められた後、接続する排出物質排出流路348aを通過し、筐体外の排出口に排出される。排出された排液は、燃料カートリッジ350の排液取込口355から燃料カートリッジ排液貯蔵部354bへ貯蔵され、メタノール燃料貯蔵部354aとは変形可能な仕切膜353で隔離されている。その仕切膜353の変形の動力により燃料カートリッジ内のメタノール燃料をメタノール燃料貯蔵部330へ送り出すことができる。
Exhaust air containing water, methanol oxidation by-products (formaldehyde, formic acid, methyl formate), and unreacted methanol generated at the
一方、凝縮しなかった排気は排気口(排出物質排出流路)348bを経て、排出物質取入口357より反応生成物除去部356へ入り、メタノール酸化副生成物などの反応生成物を吸着する材料が充填された吸着部358を拡散し、燃料カートリッジ排気排出口359より排出される。これにより、外部に放出される排空気中の生成物含有量を低減できる。
On the other hand, the exhaust gas that has not condensed passes through the exhaust port (exhaust material discharge channel) 348b, enters the reaction
また、本実施例では、放熱板346で凝縮させた液体を回収する手段としては、燃料カートリッジ350の排液取入口355へ液体を誘導する方法であればいずれでもよく、例えば吸水性材料を放熱部346と燃料カートリッジ350の排液取入口355の間に配置する構造や液溜め部がなく放熱部がそのまま燃料カートリッジ350の排出物質取入口357に連続する構造も可能である。
In the present embodiment, any means for collecting the liquid condensed by the
吸着部358を構成する材料は、実施例1および2と同様に、発電によって生じる排空気中の生成物(水、ホルムアルデヒド、蟻酸、蟻酸メチル、メタノール)を吸着又は保持する材料であればいずれでもよく、例えば、ウィック材と同様の吸水性材料のほか、ゼオライト、活性炭、シリカゲルなどの表面積の大きい吸着材料や、セピオライト、アルデヒドと反応して安定化させる2、4−ジニトロフェニルヒドラジン、水酸化カルシウム等が挙げられる。
The material constituting the adsorbing
発明を実施するための最良の形態では、燃料にメタノールを直接供給するDMFCを用いて説明したが、本発明はこれに限らず、水素ボンベや水素吸蔵合金などにより水素ガスを供給するポータブルな燃料電池や、車載用の燃料電池でも利用可能である。 In the best mode for carrying out the invention, a DMFC that directly supplies methanol to the fuel has been described. However, the present invention is not limited to this, and a portable fuel that supplies hydrogen gas by a hydrogen cylinder, a hydrogen storage alloy, or the like. It can also be used for batteries and fuel cells for vehicles.
10、110、210、310 燃料電池発電装置
12、112、212、312 アノード電極
14、114、214、314 カソード電極
16、116、216、316 電解質膜
18、118、218、318 発電部(MEA)
20 配線(導線)
22、122、222、322 アノード集電体
24、124、224、324 カソード集電体
30、130、230、330 メタノール燃料貯蔵部
32、132、232、332 メタノール燃料供給口
34、134、234、334 ウィック材
36、136、236、336 燃料カートリッジ接続口
40、140、240、340 筐体
42、142、242、342 空気取入口
50、150、160、250、350 燃料カートリッジ
52、152、162、252、352 燃料供給口
100、200 燃料電池システム
144、344 ファン
154、164、254、354 燃料貯蔵部
156、166、256、356 反応生成物除去部
157、167、257、357 排出物質取入口
158、168、258、358 反応生成物吸着部
159、169、259、359 排気排出口
163 仕切材
246、346 放熱部
247、347 液溜め部
248、348 排出物質排出流路
353 仕切膜
355 排液取入口
10, 110, 210, 310 Fuel
20 Wiring (conductive wire)
22, 122, 222, 322 Anode
Claims (11)
前記空気取込口と前記排出物質排出口とは、前記筐体の異なる部分に配置することを特徴とする燃料電池発電装置。 A fuel cell that generates power using fuel and oxygen in the air; a housing that includes the fuel cell; an air intake port that is provided in the housing and takes in air to be supplied to the fuel cell; and the housing In a fuel cell power generation device, comprising: an exhaust discharge port for discharging exhaust material discharged from the fuel cell,
The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the air intake port and the exhaust material discharge port are arranged in different parts of the casing.
前記空気取込口から前記排出物質排出口へ向けて空気を流通させる空気流通手段を備えることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generator according to claim 1, wherein
2. The fuel cell power generator according to claim 1, further comprising air circulation means for circulating air from the air intake port toward the exhaust material discharge port.
前記燃料電池から排出される排出物質を凝縮させる凝縮手段を備えることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generator according to claim 1, wherein
2. The fuel cell power generator according to claim 1, further comprising condensing means for condensing the exhaust material discharged from the fuel cell.
前記凝縮手段と前記排出物質排出口とを接続し、前記凝縮手段により凝縮された排出物質を前記排出物質排出口へ流出させる排出物質排出流路を備えることを特徴とする請求項4記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generator according to claim 4, wherein
The fuel according to claim 4, further comprising an exhaust material discharge passage that connects the condensing unit and the exhaust material discharge port and allows the exhaust material condensed by the condensing unit to flow out to the exhaust material discharge port. Battery power generator.
前記燃料電池から排出される排出物質に含まれる水を、前記排出物質から除去する除去手段を備えることを特徴とする燃料カートリッジ。 A fuel cartridge, comprising: a fuel storage unit that stores fuel to be supplied to the fuel cell; and a fuel supply port that is connected to the fuel storage unit and supplies the fuel to the fuel cell, and is detachable from the fuel cell. In
A fuel cartridge, comprising: removal means for removing water contained in an exhaust material discharged from the fuel cell from the exhaust material.
A fuel cell system comprising: the fuel cell power generator according to any one of claims 1 to 5; and the fuel cartridge according to any one of claims 6 to 10.
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