JP2006278130A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of quickly removing water or the like generated at inside or surface of a catalyst layer of an oxygen electrode of a fuel cell and bi-product of battery reaction generated at inside or surface of a catalyst layer, smoothly supplying air (oxygen) to the catalyst layer, smoothing a reaction at the oxygen electrode, capable of improving power generating efficiency only by the above. <P>SOLUTION: The fuel cell system A uses a fuel cell 1 provided with a cathode chamber (liquid collection chamber) 15 installed adjacent to the oxygen electrode 13, provided with a liquid lead-out port 151 and an air supply vent hole 152; an exhaust part 15E exhausting gas in the cathode chamber 15; a liquid feeding pump MP4 connected to the liquid lead-out port 151; and a liquid reservoir 154. The pump MP4 can suck and lead out the liquid in the chamber 15 from the lead-out port 151 at forward operation, and push the liquid into the chamber 15 from the lead-out port 151 at reversed operation. Air supply from the vent hole 152 to the chamber 15, and exhaustion from the exhaust part 15E are carried out in accordance with the forward and reversed operation of the pump MP4. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体及び該電池本体の酸素極に隣設され、液導出口及び空気供給用通気孔を有する液回収室を備えた燃料電池を用いた燃料電池システム、例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)のように、高濃度燃料液を水などの希釈液で希釈した燃料液を用いる燃料電池を利用した燃料電池システムに関する。   The present invention uses a battery body having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and a fuel cell provided adjacent to the oxygen electrode of the battery body and having a liquid recovery chamber having a liquid outlet and an air supply vent. The present invention relates to a fuel cell system using a fuel cell using a fuel solution obtained by diluting a high-concentration fuel solution with a diluent such as water, such as a direct methanol fuel cell (DMFC). .

ユビキタス社会の幕開けとともに電池の長寿命化に対する要求が高まってきている。従来のリチウム電池はその理論限界に近づきつつあり、これ以上の大幅な性能向上は望めなくなりつつある。そんな中、重量(容積)あたりのエネルギー密度の高さから従来の電池に比べて大幅な長寿命化が可能な燃料電池が注目されている。   With the start of the ubiquitous society, demands for longer battery life are increasing. Conventional lithium batteries are approaching their theoretical limits and no further significant performance improvement can be expected. In the meantime, a fuel cell that can greatly extend the life of a conventional battery is attracting attention because of its high energy density per weight (volume).

燃料電池の中でも特に(1) 構造が簡単、(2) 水素スタンドなどの大規模なインフラ整備を要することなく燃料の入手が容易、(3) 低コスト、低温での動作が可能などの点から、例えば携帯機器(ノート形パーソナルコンピュータ、携帯電話機、各種携帯情報端末(PDA)機器等)向けの燃料電池として適していると言えるダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)が注目されており、盛んに研究されている。   Among fuel cells, in particular, (1) simple structure, (2) easy to obtain fuel without requiring large-scale infrastructure development such as a hydrogen station, (3) from which point can operate at low cost and low temperature For example, direct methanol fuel cells (DMFC), which can be said to be suitable as fuel cells for portable devices (notebook personal computers, mobile phones, various personal digital assistants (PDA) devices, etc.), are attracting attention and are actively researched. Has been.

DMFC型燃料電池を採用した燃料電池システムは燃料供給の方法により二つのタイプに分類される。一つはアクティブ型と呼ばれるもので、電池への燃料供給をポンプにより行うタイプであり、もう一つはパッシブ型と呼ばれるもので、ポンプを用いずに毛細管力等により燃料を供給するタイプである。   Fuel cell systems employing DMFC type fuel cells are classified into two types according to the fuel supply method. One is called an active type, which is a type that supplies fuel to the battery by a pump, and the other is a type that is called a passive type, which supplies fuel by capillary force or the like without using a pump. .

ここでDMFCの反応式を示す。
燃料極(アノード)側での反応:CH3 OH+H2 O→CO2 +6e- +6H+
酸素極(カソード)側での反応:(3/2) O2 +6H+ +6e- →3H2
全反応 :CH3 OH+(3/2) O2 →CO2 +2H2
Here, the reaction formula of DMFC is shown.
Reaction on the fuel electrode (anode) side: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6e + 6H +
Reaction on the oxygen electrode (cathode) side: (3/2) O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O
Total reaction: CH 3 OH + (3/2) O 2 → CO 2 + 2H 2 O

この反応式によればメタノールと水は燃料極において等モルで反応し、CO2 と6個の電子とプロトンを生成し、CO2 は外部に排出され、電子は外部回路を通って酸素極(空気極)に、プロトンは電界質層を通って酸素極(空気極)にそれぞれ別ルートで送られ、そこで反応し、水分子3個を生成する。全反応としてはCO2 と2分子のH2 Oを生成する。
かかるDMFCは、例えば、特開2003−132924号公報等に記載されている。
According to this reaction formula, methanol and water react equimolarly at the fuel electrode to produce CO 2 , six electrons and protons, CO 2 is discharged to the outside, and the electrons pass through an external circuit and the oxygen electrode ( Protons are sent to the oxygen electrode (air electrode) through the electrolyte layer to the oxygen electrode (air electrode), and react with each other to generate three water molecules. The total reaction produces CO 2 and 2 molecules of H 2 O.
Such DMFC is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-132924.

また、上記反応式によればメタノールと水は燃料極において等モルで反応するが、実際に燃料極に供給される燃料液には、通常、濃度が3〜5%と低濃度のメタノール水溶液が用いられる。その理由は、メタノールが燃料極で上記の反応を起こさないまま電解質膜を透過して空気極へ到達してしまうというクロスオーバーという現象を防ぐためである。クロスオーバー現象は燃料中のメタノール濃度が高いほど起こりやすい。このようなクロースオーバー現象が発生すると、DMFCの二つの極(燃料極及び酸素極)のうち燃料極で起こるべきメタノールの反応が酸素極でも起こり、燃料の無駄と酸素極側の電位低下による電池効率の著しい低下が起こる。従って、通常は、水で希釈した上記の低濃度のメタノール水溶液が用いられる。   Further, according to the above reaction formula, methanol and water react at an equimolar ratio at the fuel electrode, but the fuel solution actually supplied to the fuel electrode is usually a methanol aqueous solution having a low concentration of 3 to 5%. Used. The reason is to prevent the phenomenon of crossover, in which methanol passes through the electrolyte membrane without reaching the above reaction at the fuel electrode and reaches the air electrode. The crossover phenomenon is more likely to occur as the methanol concentration in the fuel increases. When such a close-over phenomenon occurs, the methanol reaction that should occur at the fuel electrode of the two DMFC poles (fuel electrode and oxygen electrode) also occurs at the oxygen electrode, resulting in a battery due to waste of fuel and potential drop on the oxygen electrode side. A significant reduction in efficiency occurs. Therefore, the above-mentioned low-concentration aqueous methanol solution diluted with water is usually used.

このように燃料にアルコールを採用する燃料電池に供給される燃料液には、高濃度燃料液を希釈液で希釈した低濃度燃料液が採用されるのであるが、この場合、予めアルコール濃度を所定濃度まで希釈した溶液を燃料液収容容器に貯蔵し、ポンプを用いて燃料電池に供給する方法も考えられるが、発電時は常に燃料液を供給し続ける必要があるため燃料液がすぐに消費され、頻繁に燃料液収容容器を交換するか、該容器に燃料液を補給しなければならない。   As described above, a low-concentration fuel liquid obtained by diluting a high-concentration fuel liquid with a diluent is adopted as the fuel liquid supplied to the fuel cell that employs alcohol as the fuel. The solution diluted to the concentration can be stored in the fuel liquid storage container and supplied to the fuel cell using a pump.However, since it is necessary to always supply the fuel liquid during power generation, the fuel liquid is consumed immediately. The fuel liquid storage container must be frequently replaced or the fuel liquid must be supplied to the container.

燃料液収容容器を大きくすれば容器交換頻度や該容器への燃料液補給頻度は少なくなるが、小型化を目的とした携帯用の燃料電池システムには不向きである。
この点、例えば、前記の特開2003−132924号公報や、特開2004−152561号公報は、酸素極から発生する水を回収し、高濃度のアルコールと混合してアルコール濃度を希釈し、燃料電池に供給する方法を提案している。
If the fuel liquid storage container is made larger, the frequency of container replacement and the frequency of fuel liquid supply to the container will decrease, but it is not suitable for a portable fuel cell system for the purpose of downsizing.
In this regard, for example, the above-mentioned JP-A-2003-132924 and JP-A-2004-152561 collect water generated from the oxygen electrode, mix it with high-concentration alcohol, dilute the alcohol concentration, A method for supplying batteries is proposed.

また、DMFC型燃料電池に限らず、一般に、燃料電池においては、既述のように、酸素極側に電池の電気化学反応により水が生成され、DMFCでは、酸素極側に水が生成されるとともに、場合によっては、燃料極側から電解質膜を通って酸素極側へ液が移動してくることもある。   In addition to DMFC type fuel cells, in general, in fuel cells, as described above, water is generated on the oxygen electrode side by the electrochemical reaction of the cell, and in DMFC, water is generated on the oxygen electrode side. In some cases, the liquid may move from the fuel electrode side to the oxygen electrode side through the electrolyte membrane.

いずれにしても、水等の液体は、酸素極から速やかに排除しないと、酸素極に十分な空気(酸素)を供給できなくなって発電状態が悪化する。
この点、特開2001−185181号公報は、燃料として水素を用いる燃料電池において、酸素極への空気(酸素)供給を、酸素極に隣設された室をブロアーで排気して負圧を発生させ、該負圧により外部から該室内へ空気を吸引するとともに該室内の液を蒸発させて排出し、或いはさらに、該室内へ空気を供給するブロアーも設けることを開示している。
In any case, unless a liquid such as water is quickly removed from the oxygen electrode, sufficient air (oxygen) cannot be supplied to the oxygen electrode, and the power generation state deteriorates.
In this regard, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-185181 discloses that in a fuel cell using hydrogen as a fuel, air (oxygen) is supplied to the oxygen electrode, and a chamber adjacent to the oxygen electrode is exhausted by a blower to generate a negative pressure. It is disclosed that a blower for sucking air from the outside into the room by the negative pressure and evaporating and discharging the liquid in the room or supplying air to the room is also provided.

特開2003−132924号公報JP 2003-132924 A 特開2004−152561号公報JP 2004-152561 A 特開2001−185181号公報JP 2001-185181 A

しかしながら、燃料電池システムにおいてはなお次のような問題がある。
すなわち、前記DMFCを利用した燃料電池システムを例にとると、電池における電気化学反応により既述のとおり、水が生成される。また、燃料極側から電解質膜を通って酸素極側へ液が移動してくることもある。
However, the fuel cell system still has the following problems.
That is, taking the fuel cell system using the DMFC as an example, water is generated as described above by the electrochemical reaction in the battery. Further, the liquid may move from the fuel electrode side through the electrolyte membrane to the oxygen electrode side.

これらの液は、酸素極に隣設された、空気(酸素)取り入れのための通気孔を有する液回収室(カソード室)で受けて、該回収室から廃棄したり、高濃度燃料液を希釈する希釈液収容容器へ回収されたりするのであるが、かかる液回収室内の液は、一部が酸素極における触媒槽の表面や内部等に付着、滞留して離れ難くなる場合がある。かかる触媒槽の表面や内部等に付着、滞留する水等の液体は電池の反応効率を低下させる。   These liquids are received in a liquid recovery chamber (cathode chamber) adjacent to the oxygen electrode and having a vent for taking in air (oxygen), and discarded from the recovery chamber, or a high-concentration fuel liquid is diluted. However, some of the liquid in the liquid recovery chamber may adhere to and stay on the surface or the inside of the catalyst tank in the oxygen electrode, making it difficult to separate. Liquid such as water adhering or staying on the surface or inside of the catalyst tank reduces the reaction efficiency of the battery.

また、液体中の不純物や反応による副生成物が酸素極の触媒層上に付着して正常な反応を阻害することもある。 DMFCでは、燃料極側から電解質膜を通過して酸素極側へ移行してくることがある液に溶存していた空気等の気体が酸素極の触媒層の表面で析出して滞留し、電池の正常な反応を阻害することもある。   In addition, impurities in the liquid and by-products due to the reaction may adhere to the catalyst layer of the oxygen electrode and inhibit a normal reaction. In the DMFC, a gas such as air dissolved in a liquid that may move from the fuel electrode side to the oxygen electrode side through the electrolyte membrane precipitates and stays on the surface of the catalyst layer of the oxygen electrode. May interfere with the normal response.

かかる触媒層の内部や表面に付着した水等の液体、不純物、副生成物等は、特開2001−185181号公報に記載されているように、液回収室内を負圧に設定するだけでは、なお、十分に除去できない場合がある。   As described in JP-A-2001-185181, the liquid such as water, impurities, by-products, etc. adhering to the inside or the surface of the catalyst layer are merely set to a negative pressure in the liquid recovery chamber. In some cases, it cannot be removed sufficiently.

そこで本発明は、電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体及び該電池本体の酸素極に隣設され、液導出口及び空気供給用通気孔を有する液回収室を備えた燃料電池を用いた燃料電池システムであって、電池酸素極の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする水等の液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去できるとともに該酸素極の触媒層に円滑に空気(酸素)を供給でき、それにより電池酸素極での反応を円滑化して、それだけ発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。   Accordingly, the present invention provides a fuel cell comprising a battery body having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and a liquid recovery chamber provided adjacent to the oxygen electrode of the battery body and having a liquid outlet and an air supply vent. The fuel cell system used is a liquid such as water or the like that adheres to or adheres to the inside or surface of the catalyst layer of the battery oxygen electrode, or further adheres to or attempts to adhere to the inside or surface of the catalyst layer. By-products etc. of the battery reaction can be quickly removed from the catalyst layer and air (oxygen) can be smoothly supplied to the catalyst layer of the oxygen electrode, thereby facilitating the reaction at the battery oxygen electrode and generating power accordingly. It is an object to provide a fuel cell system capable of improving efficiency.

本発明は前記課題を解決するため、
電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体及び該電池本体の酸素極に隣設され、液導出口及び空気供給用通気孔を有する液回収室を備えた燃料電池を用いた燃料電池システムであり、該液回収室内気体を該液回収室から排出するための排気部を備えているとともに、前記液導出口に接続された送液ポンプ及び液溜め部を備えており、該送液ポンプ及び液溜め部はこの順序で該液導出口に接続されており、該送液ポンプは、正運転により、該液回収室内液体を該液導出口から吸引導出可能であり、逆運転により、該液導出口から該液回収室内への液体押し込みが可能であり、該送液ポンプが正逆運転されるに伴い前記空気供給用通気孔から該液回収室内への空気供給と前記排気部からの排気が行われる燃料電池システムを提供する。
In order to solve the above problems, the present invention
A fuel cell system using a fuel cell including a battery body having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and a liquid recovery chamber provided adjacent to the oxygen electrode of the battery body and having a liquid outlet and an air supply vent An exhaust part for discharging the gas in the liquid recovery chamber from the liquid recovery chamber, and a liquid feed pump and a liquid reservoir connected to the liquid outlet, the liquid feed pump And the liquid reservoir are connected to the liquid outlet in this order, and the liquid feed pump can suck out the liquid in the liquid recovery chamber from the liquid outlet through a normal operation, and The liquid can be pushed into the liquid recovery chamber from the liquid outlet, and the air supply from the air supply vent to the liquid recovery chamber and the exhaust section as the liquid feed pump is operated in the forward and reverse directions. Provided is a fuel cell system in which exhaust is performed.

本発明に係る燃料電池システムによると、燃料電池の酸素極に隣り合う液回収室の液導出口に接続された送液ポンプを正運転することで、液回収室内液体を該液導出口から吸引導出でき、逆運転することで、液導出口から液回収室内へ液体を押し込むことができる。 かくして、液回収室内に液導出口へ向かう正液流、液回収室奥側へ向かう逆液流を発生させることができ、かかる液体の正逆流により、酸素極の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに電池反応により生じることがある副生成物等が揺さぶられ、液流にのせられることで、それらが該触媒層の内部や表面に滞留してしまうことが抑制される。   According to the fuel cell system of the present invention, the liquid collection chamber liquid is sucked from the liquid discharge port by normal operation of the liquid feed pump connected to the liquid discharge port of the liquid recovery chamber adjacent to the oxygen electrode of the fuel cell. The liquid can be led out, and the liquid can be pushed into the liquid recovery chamber from the liquid outlet by performing the reverse operation. Thus, it is possible to generate a normal liquid flow toward the liquid outlet and a reverse liquid flow toward the back side of the liquid recovery chamber in the liquid recovery chamber, and adhere to the inside and the surface of the catalyst layer of the oxygen electrode by the normal and reverse flow of the liquid. Or by-product that may be generated by the battery reaction, is shaken and placed in a liquid flow, and they may stay inside or on the surface of the catalyst layer. It is suppressed.

入れ替わるべき気体が、酸素極の触媒層表面やその内部、或いは、液回収室内の段差部その他の凹所や内壁面に付着することがあっても、また、付着しようとしても、かかる液体の正逆流により、揺さぶられ、或いは、液体の正逆流に伴う液回収室内の気圧変動により、該気体による気泡が圧縮膨張を繰り返して揺さぶられ、それにより気泡はかかる部位から容易に脱離し、円滑に電池外へ除去されることが可能となる。   The gas to be replaced may adhere to the surface of the catalyst layer of the oxygen electrode, the interior thereof, the stepped portion in the liquid recovery chamber, other recesses, or the inner wall surface. Due to the backflow, it is shaken, or due to the pressure fluctuations in the liquid recovery chamber due to the forward and backward flow of the liquid, the bubbles caused by the gas are repeatedly compressed and expanded, so that the bubbles are easily detached from the site and smoothly discharged. It can be removed outside.

また、前記送液ポンプが正逆運転されるに伴い前記空気供給用通気孔から該液回収室内への空気供給と前記排気部からの排気が行われるから、酸素極触媒層へ十分な空気(酸素)を供給することができる。
これらにより、電池酸素極の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去できるとともに該酸素極の触媒層に円滑に空気(酸素)を供給でき、それにより電池酸素極での反応を円滑化して、それだけ発電効率を向上させることができる。
Further, as the liquid feed pump is operated forward and reverse, air supply from the air supply vent into the liquid recovery chamber and exhaust from the exhaust section are performed, so that sufficient air ( Oxygen) can be supplied.
As a result, the liquid adhering or adhering to the inside or surface of the catalyst layer of the battery oxygen electrode, or the by-product of the cell reaction adhering or adhering to the inside or surface of the catalyst layer, etc. It can be quickly removed from the catalyst layer and air (oxygen) can be smoothly supplied to the catalyst layer of the oxygen electrode, thereby facilitating the reaction at the battery oxygen electrode and improving the power generation efficiency accordingly.

以下に上記本発明に係る燃料電池システムのより具体的な例を列挙する。
<第1例の燃料電池システム>
前記燃料電池システムにおいて、
前記空気供給用通気孔を開閉する弁が設けられており、前記排気部は、前記液回収室壁に設けた排気孔と該排気孔を開閉する弁とを含んでおり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されるとき、該液回収室内に発生する負圧により、前記空気供給用通気孔を開閉する弁が開く一方、前記排気部の排気孔を開閉する弁が閉じ、前記送液ポンプの逆運転により前記液回収室内へ液体が押し込まれるとき、該液回収室内に発生する正圧により、前記空気供給用通気孔を開閉する弁が閉じる一方、前記排気部の排気孔を開閉する弁が開く燃料電池システム。
More specific examples of the fuel cell system according to the present invention will be listed below.
<First Example Fuel Cell System>
In the fuel cell system,
A valve for opening and closing the air supply vent is provided, and the exhaust part includes an exhaust hole provided in the liquid recovery chamber wall and a valve for opening and closing the exhaust hole. When the liquid in the liquid recovery chamber is sucked and led out from the liquid outlet through a normal operation, the negative pressure generated in the liquid recovery chamber opens the valve for opening and closing the air supply vent, while exhausting the exhaust section When the liquid is pushed into the liquid recovery chamber by the reverse operation of the liquid feed pump, the valve for opening and closing the air supply vent is closed by the positive pressure generated in the liquid recovery chamber. On the other hand, a fuel cell system in which a valve for opening and closing the exhaust hole of the exhaust unit is opened.

<第2例の燃料電池システム>
前記燃料電池システムにおいて、
前記排気部は前記送液ポンプと前記液導出口との間に接続された気液分離器であり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されるとき、該液回収室内に発生する負圧により、前記空気供給用通気孔から該液回収室内に空気が吸引されるとともに、前記気液分離器において前記液導出口から吸引導出されてくる液体から気体が分離、排出され、前記送液ポンプの逆運転により前記液回収室内へ液体が押し込まれるとき、該液回収室内の気体が前記空気供給用通気孔から吐出される燃料電池システム。
<Fuel Cell System of Second Example>
In the fuel cell system,
The exhaust part is a gas-liquid separator connected between the liquid feed pump and the liquid outlet, and the liquid in the liquid recovery chamber is sucked out from the liquid outlet by the normal operation of the liquid pump. When the air is sucked into the liquid recovery chamber from the air supply vent due to the negative pressure generated in the liquid recovery chamber, the liquid is sucked out from the liquid outlet in the gas-liquid separator. A fuel cell system in which gas is discharged from the air supply vent when gas is separated and discharged and liquid is pushed into the liquid recovery chamber by reverse operation of the liquid feed pump.

<第3例の燃料電池システム>
前記燃料電池システムにおいて、
前記空気供給用通気孔に空気ポンプが接続されており、前記排気部は前記送液ポンプと前記液導出口との間に接続された気液分離器であり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されるとき、前記気液分離器において前記液導出口から吸引導出されてくる液体から気体が分離、排出され、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されることで空間となる該液回収室内部分に前記空気ポンプから空気が供給され、前記送液ポンプの逆運転により前記液回収室内へ液体が押し込まれるとき、該液回収室内の気体が前記空気ポンプを介して吐出される燃料電池システム。
<Fuel cell system of third example>
In the fuel cell system,
An air pump is connected to the air supply vent hole, and the exhaust part is a gas-liquid separator connected between the liquid feed pump and the liquid outlet port. When the liquid in the liquid recovery chamber is sucked and led out from the liquid outlet, gas is separated and discharged from the liquid sucked and led out from the liquid outlet in the gas-liquid separator. Air is supplied from the air pump to a portion of the liquid recovery chamber that becomes a space when the liquid recovery chamber liquid is sucked and led out from the liquid outlet, and the liquid is supplied into the liquid recovery chamber by reverse operation of the liquid feed pump. A fuel cell system in which the gas in the liquid recovery chamber is discharged through the air pump when pushed.

既述のいずれの燃料電池システムにおいても、液付着、滞留を抑制するために、また、液回収室内外間に通気が行われる孔部分から液回収室内液体が漏洩することを抑制するために、前記液回収室内面には、撥水処理を施してもよい。
かかる撥水処理は、液回収室内面のうち、少なくとも、液回収室内外間に通気が行われる孔部分がある液回収室内面部分に施すことが望ましい。
In any of the fuel cell systems described above, in order to suppress liquid adhesion and stagnation, and in order to suppress leakage of liquid in the liquid recovery chamber from the hole portion where ventilation is performed between the outside and the liquid recovery chamber, The surface of the liquid recovery chamber may be subjected to water repellent treatment.
Such water repellency treatment is desirably performed on at least a liquid recovery chamber inner surface portion having a hole portion through which air is ventilated between the liquid recovery chamber exterior and outer surfaces.

前記燃料電池としては、例えば、燃料として、高濃度燃料液を希釈液で希釈した燃料液を用いる電池を挙げることができる。このタイプの燃料電池を採用する場合、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内から吸引導出する液体を希釈液収容容器へ回収可能としてもよい。   Examples of the fuel cell include a battery using a fuel solution obtained by diluting a high-concentration fuel solution with a diluent as the fuel. When this type of fuel cell is employed, the liquid sucked out from the liquid recovery chamber may be recovered into the diluent storage container by the normal operation of the liquid feed pump.

かかる燃料電池の代表例として、DMFCを挙げることができ、その場合、「高濃度燃料液」として、メタノール、高濃度メタノール水溶液を例示でき、希釈液として水、水を主成分とする液を挙げることができる。この希釈液には、DMFCの酸素極(換言すれば、空気極或いはカソード)側で生成される水を利用できる。   A representative example of such a fuel cell is DMFC. In this case, examples of the “high concentration fuel liquid” include methanol and a high concentration methanol aqueous solution, and examples of the diluent include water and a liquid containing water as a main component. be able to. For this diluted solution, water generated on the oxygen electrode (in other words, air electrode or cathode) side of DMFC can be used.

また、各ポンプは、システムの小型化、コンパクト化のためにマイクロポンプが推奨されるが、これに限定されない。
マイクロポンプは、システムの小型化、コンパクト化のために燃料電池に一体化して形成してもよい。
In addition, each pump is recommended to be a micropump in order to reduce the size and size of the system, but is not limited thereto.
The micropump may be formed integrally with the fuel cell in order to reduce the size and size of the system.

マイクロポンプとしては、第1絞り流路、第1絞り流路より短い第2絞り流路、第1、第2の絞り流路間のポンプ室、ポンプ室容積を変動可能のポンプ室に臨むダイアフラム及び該ダイアフラムに設置された駆動アクチュエータを含み、該駆動アクチュエータにパルス電圧を印加することで該パルス電圧波形に応じて、第1絞り流路(又は第2絞り流路)からポンプ室に液体が吸引され、第2絞り流路(又は第1絞り流路)からポンプ室内液体が吐出されるポンプを例示できる。   The micro pump includes a first throttle channel, a second throttle channel shorter than the first throttle channel, a pump chamber between the first and second throttle channels, and a diaphragm facing the pump chamber whose pump chamber volume can be varied. And a drive actuator installed in the diaphragm, and applying a pulse voltage to the drive actuator allows liquid to flow from the first throttle channel (or second throttle channel) to the pump chamber in accordance with the pulse voltage waveform. An example is a pump that is sucked and the liquid in the pump chamber is discharged from the second throttle channel (or the first throttle channel).

以上説明したように本発明によると、電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体及び該電池本体の酸素極に隣設され、液導出口及び空気供給用通気孔を有する液回収室を備えた燃料電池を用いた燃料電池システムであって、電池酸素極の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする水等の液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去できるとともに該酸素極の触媒層に円滑に空気(酸素)を供給でき、それにより電池酸素極での反応を円滑化して、それだけ発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することができる。   As described above, according to the present invention, the battery body having the electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode, and the liquid recovery chamber having the liquid outlet and the air supply vent are provided adjacent to the oxygen electrode of the battery body. A fuel cell system using a provided fuel cell, which is attached to or inside a catalyst layer of a battery oxygen electrode or a liquid such as water to be attached, or further attached to the inside or surface of the catalyst layer Alternatively, by-products or the like of the battery reaction to be attached can be quickly removed from the catalyst layer and air (oxygen) can be smoothly supplied to the catalyst layer of the oxygen electrode, thereby facilitating the reaction at the battery oxygen electrode. Therefore, it is possible to provide a fuel cell system that can improve the power generation efficiency.

<図1に示す燃料電池システム>
図1の燃料電池システムAは、燃料電池としてダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)1を採用しており、この電池1に燃料液供給部Fから燃料液を供給して発電させることができる。
<Fuel cell system shown in FIG. 1>
The fuel cell system A shown in FIG. 1 employs a direct methanol fuel cell (DMFC) 1 as a fuel cell, and the fuel liquid can be supplied to the battery 1 from the fuel liquid supply unit F to generate electric power.

電池1は、電解質膜11の両面にアノード(燃料極)12とカソード(換言すれば、酸素極或いは空気極)13を接合したMEA(Membrane Electrode Assembly)構造のもので、アノード12にはセパレータを貼り合わせてアノード室(燃料供給室)14を形成してあり、カソード13にもセパレータを貼り合わせてカソード室(液回収室)15を形成してある。   The battery 1 has an MEA (Membrane Electrode Assembly) structure in which an anode (fuel electrode) 12 and a cathode (in other words, an oxygen electrode or an air electrode) 13 are joined to both surfaces of an electrolyte membrane 11. An anode chamber (fuel supply chamber) 14 is formed by bonding, and a separator is also bonded to the cathode 13 to form a cathode chamber (liquid recovery chamber) 15.

ここでは、アノード12は電解質膜11に接する触媒層(例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの)とこれに積層されたカーボンペーパ等の電極からなり、カソード13も電解質膜11に接する同様の触媒層とこれに積層された同様の電極からなっている。アノード室14は、燃料液供給口141及び燃料液回収口142を有している。   Here, the anode 12 includes a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane 11 (for example, platinum black or a platinum alloy supported on carbon black) and an electrode such as carbon paper laminated thereon, and the cathode 13 is also formed on the electrolyte membrane 11. It consists of a similar catalyst layer in contact and a similar electrode laminated thereon. The anode chamber 14 has a fuel liquid supply port 141 and a fuel liquid recovery port 142.

アノード室14はさらに、その室壁に電池1の電気化学反応によりアノード12側で発生する炭酸ガスを外部へ放出するための通気孔143を有している。通気孔143は室内から外への気体の通過は許すが、室内から外への液体の通過を阻止するように、例えばフッソ系樹脂(例えばPTFE)で撥水処理を施したものである。   The anode chamber 14 further has a vent hole 143 for releasing carbon dioxide gas generated on the anode 12 side by the electrochemical reaction of the battery 1 to the outside on the chamber wall. The vent hole 143 allows the passage of gas from the inside of the room to the outside, but has been subjected to a water repellent treatment with, for example, a fluorine-based resin (for example, PTFE) so as to prevent the passage of liquid from the inside of the room.

カソード室15は電気化学反応によりカソード側に生成される液(水)やアノード側から電解質膜11を通過してカソード側へ移動してくることがある液を、カソード13の全体から回収する液通路及び該液通路から液を導出する液導出口151を有しており、さらに、カソード13に対し外部から空気(酸素)を取り入れるための空気供給用の通気孔152及びカソード室15内気体を外部へ放出するための排気部15Eも有している。   The cathode chamber 15 collects from the entire cathode 13 a liquid (water) generated on the cathode side by an electrochemical reaction and a liquid that may move from the anode side to the cathode side through the electrolyte membrane 11. It has a passage and a liquid lead-out port 151 through which the liquid is led out from the liquid passage. Further, air supply air holes 152 for taking in air (oxygen) from the outside to the cathode 13 and the gas in the cathode chamber 15 are provided. It also has an exhaust part 15E for discharging to the outside.

カソード室15では、図5に拡大して示すように、空気供給用通気孔152のそれぞれに、該孔を開閉する弁v1を設けてある。排気部15Eは、液導出口151とは反対側の端部壁に設けてある。排気部15Eは、該端部壁に形成した排気孔153とこれを開閉する弁v2とからなっている。カソード室15の内面には、弁v1及び通気孔152の内周面、さらには、排気部の弁v2及び排気孔153の内周面を含め、室内から外への液体の通過を阻止するように、例えばフッソ系樹脂(例えばPTFE)で撥水処理fを施してある。   In the cathode chamber 15, as shown in an enlarged view in FIG. 5, each of the air supply air holes 152 is provided with a valve v <b> 1 for opening and closing the hole. The exhaust part 15E is provided on the end wall opposite to the liquid outlet 151. The exhaust part 15E includes an exhaust hole 153 formed in the end wall and a valve v2 for opening and closing the exhaust hole 153. The inner surface of the cathode chamber 15 includes the inner peripheral surfaces of the valve v1 and the vent hole 152, and further includes the inner peripheral surfaces of the valve v2 and the exhaust hole 153 of the exhaust section so as to prevent the passage of liquid from the inside to the outside. Further, for example, a water repellent treatment f is performed with a fluorine-based resin (for example, PTFE).

燃料液供給部Fは、高濃度燃料液(本例では、略100%濃度のメタノール)を収容する容器C1に接続された高濃度燃料液供給路L1を含んでいるとともに、希釈液(本例では水又は水を主成分とする液)を収容する容器C2に接続された希釈液供給路L2を含んでいる。   The fuel liquid supply unit F includes a high-concentration fuel liquid supply path L1 connected to a container C1 that stores a high-concentration fuel liquid (in this example, approximately 100% concentration methanol) and a diluent (this example). Then, a diluent supply path L2 connected to a container C2 for containing water or a liquid containing water as a main component) is included.

高濃度燃料液供給路L1には、その途中に、容器C1の高濃度燃料液を送り出すためのポンプMP1を接続してあり、希釈液供給路L2には、その途中に、容器C2内の希釈液を送りだすポンプMP2を接続してある。
供給路L1、L2は合流部L3で合流しており、該合流部L3からアノード室14の燃料供給口141へ混合流路L4が延びており、気液分離器F2を介して燃料供給室14の燃料供給口141に接続さている。
A pump MP1 for sending out the high-concentration fuel liquid in the container C1 is connected to the high-concentration fuel liquid supply path L1, and the dilution in the container C2 is connected to the dilution liquid supply path L2 in the middle. A pump MP2 for feeding out the liquid is connected.
The supply paths L1 and L2 merge at the junction L3, and the mixing channel L4 extends from the junction L3 to the fuel supply port 141 of the anode chamber 14, and the fuel supply chamber 14 passes through the gas-liquid separator F2. The fuel supply port 141 is connected.

気液分離器F2は、アノード側で発生するガスが燃料供給口141から混合流路L4の方へ入り込むことを防止するためのもので、ここで気液を分離して気体を外部へ放出する。
アノード室14の液回収口142は、回収路L5で希釈液収容容器C2に連通している。回収路5は、アノード側で使用され、メタノール濃度が低下した余剰の燃料液等の液体を容器C2へ導くものであるが、その途中にはポンプMP3を接続してある。
また、液回収口142とポンプMP3との間との間に、液回収口142から流出してくる液体からガスを分離して外部へ放出する気液分離器F1を接続してある。
The gas-liquid separator F2 is for preventing gas generated on the anode side from entering the mixing flow path L4 from the fuel supply port 141. Here, the gas-liquid separator F2 is separated to release the gas to the outside. .
The liquid recovery port 142 of the anode chamber 14 communicates with the diluent storage container C2 through the recovery path L5. The recovery path 5 is used on the anode side, and guides a surplus liquid such as a fuel liquid having a reduced methanol concentration to the container C2, and a pump MP3 is connected in the middle thereof.
Further, a gas-liquid separator F1 for separating gas from the liquid flowing out from the liquid recovery port 142 and releasing it to the outside is connected between the liquid recovery port 142 and the pump MP3.

燃料電池1のカソード室15の液導出口151は気液分離器F3を介して液回収路L6にて希釈液収容容器C2へ配管接続されており、その途中にポンプMP4及び液溜め部154がこの順序で接続されている。気液分離器F3は液導出口151から出てくる液体から気体を分離、排出するためのものである。
かかるポンプMP4等は、カソード室15内の液体を希釈液として用いことができるように、該液体を容器C2へ回収する液回収部REを形成している。
A liquid outlet 151 of the cathode chamber 15 of the fuel cell 1 is connected to a diluent storage container C2 through a gas recovery unit L3 through a gas / liquid separator F3, and a pump MP4 and a liquid reservoir 154 are provided in the middle thereof. They are connected in this order. The gas-liquid separator F3 is for separating and discharging gas from the liquid coming out from the liquid outlet 151.
The pump MP4 and the like form a liquid recovery unit RE that recovers the liquid into the container C2 so that the liquid in the cathode chamber 15 can be used as a diluent.

前記の気液分離器F1、F2及びF3は、気液を分離して気体を外部へ放出可能なものであればよく、例えば、それ自体知られている気液分離膜を利用した気液分離器を採用できる。
図1の燃料電池システムAは、さらに、ポンプMP1、MP2、MP3及びMP4の駆動回路D及びポンプ駆動回路Dを制御する制御部Contを含んでいる。
The gas-liquid separators F1, F2, and F3 may be any one that can separate gas-liquid and release the gas to the outside. For example, gas-liquid separation using a gas-liquid separation membrane known per se Can be used.
The fuel cell system A of FIG. 1 further includes a drive circuit D for the pumps MP1, MP2, MP3, and MP4 and a controller Cont that controls the pump drive circuit D.

燃料供給部FにおけるポンプMP1、ポンプMP2及びポンプMP3並びにカソード側のポンプMP4は、送液可能なものであればよいが、ここでは、基本構成が図2(A)及び図2(B)に示すもので、図2(C)や図2(D)に示す駆動波形信号が印加されることで送液動作を行うマイクロポンプ(図2上「MC」と総称する。)である。   The pump MP1, the pump MP2, the pump MP3, and the cathode-side pump MP4 in the fuel supply unit F may be any pumps that can send liquid, but here, the basic configuration is shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B). This is a micropump (collectively referred to as “MC” in FIG. 2) that performs a liquid feeding operation by applying the drive waveform signal shown in FIG. 2C or FIG. 2D.

先ず、構成について説明すると、マイクロポンプMCは、液通路L1、L2、L5或いはL6内に設定されたポンプ室PC、上流側液流路部分Liとポンプ室PCとの間に形成された絞り流路f1、下流側液流路部分Loとポンプ室PCとの間に形成された絞り流路f2、ポンプ室PCに臨設されたダイアフラムDF及び該ダイアフラムDFに貼設された、アクチュエータの1例である圧電素子PZTを含んでいる。絞り流路f1とf2は断面積は略同じであるが、下流側流路f2の方が上流側流路f1より長い。   First, the configuration will be described. The micropump MC includes a pump chamber PC set in the liquid passage L1, L2, L5, or L6, a throttle flow formed between the upstream liquid flow path portion Li and the pump chamber PC. An example of a path f1, a throttle flow path f2 formed between the downstream liquid flow path portion Lo and the pump chamber PC, a diaphragm DF provided adjacent to the pump chamber PC, and an actuator attached to the diaphragm DF A certain piezoelectric element PZT is included. The throttle channels f1 and f2 have substantially the same cross-sectional area, but the downstream channel f2 is longer than the upstream channel f1.

ポンプMCは、圧電素子PZTにパルス電圧を印加してポンプ室壁(ダイアフラム)DFを振動させることで、印加パルス電圧波形に応じてポンプ室PCを収縮膨張させ、第1絞り流路f1(又は第2絞り流路f2)からポンプ室PC内へ液体を吸引し、第2絞り流路f2(又は第1絞り流路f1)からポンプ室内液体を吐出できる。   The pump MC applies a pulse voltage to the piezoelectric element PZT to vibrate the pump chamber wall (diaphragm) DF, thereby contracting and expanding the pump chamber PC according to the applied pulse voltage waveform, and the first throttle channel f1 (or The liquid can be sucked into the pump chamber PC from the second throttle channel f2), and the pump chamber liquid can be discharged from the second throttle channel f2 (or the first throttle channel f1).

さらに説明すると、圧電素子PZTを駆動するパルス電圧として、駆動回路Dから例えば図2(C)に示すように急峻な立ち上がり、緩やかな立ち下がりを示すパルス電圧波形を採用することで、印加電圧の急峻な立ち上がり時に圧電素子によりダイアフラムDFを急激に変形させてポンプ室PCを急激に収縮させると、長い流路f2では流路抵抗により液体が層流状に流れる一方、短い流路f1では液体が乱流となり、流路f1からの液体の流出が抑制される。これにより、流路f2からポンプ室内液体を吐出することができる。   More specifically, as a pulse voltage for driving the piezoelectric element PZT, a pulse voltage waveform showing a steep rise and a gradual fall as shown in FIG. When the diaphragm DF is suddenly deformed by the piezoelectric element at the time of steep rise and the pump chamber PC is rapidly contracted, the liquid flows in a laminar flow due to the flow resistance in the long flow path f2, whereas the liquid flows in the short flow path f1. It becomes a turbulent flow and the outflow of the liquid from the flow path f1 is suppressed. Thereby, the pump chamber liquid can be discharged from the flow path f2.

また、印加電圧の緩やかな立ち下がり時に圧電素子によりダイアフラムDFを緩やかに復帰動作させてポンプ室PCを緩やかに膨張させると、短い流路f1からはポンプ室PC内へ液体が流入する一方、このとき流路f1より流路抵抗が大きい長い流路f2からの液体吐出が抑制される。これにより、流路f1からポンプ室PC内へ液体を吸引できる。
ポンプMP1、MP2、MP3、MP4のそれぞれは、かかる基本構造を有し、かかる動作原理で送液を行うものである。
Further, when the diaphragm DF is gently returned by the piezoelectric element when the applied voltage gradually falls, and the pump chamber PC is gently expanded, the liquid flows into the pump chamber PC from the short flow path f1. When the flow path f1 is larger than the flow path f1, the liquid discharge from the long flow path f2 is suppressed. Thereby, the liquid can be sucked from the flow path f1 into the pump chamber PC.
Each of the pumps MP1, MP2, MP3, and MP4 has such a basic structure, and performs liquid feeding according to such an operating principle.

そこで、図1の燃料電池システムAにおいて、ポンプMP1、MP2のそれぞれにおいて、上流側(容器C1、C2側)に流路f1を下流側(電池1側)に流路f2を配置することで、ポンプMP1、MP2を交互に或いは同時に駆動して希釈された燃料液を順方向の流れ(正流)で電池1のアノード室14へ供給できる。
また、ポンプMP3については、上流側(電池1側)に流路f1を下流側(容器C2側)に流路f2を配置することで、ポンプMP3駆動して、アノード室14から使用済燃料液を容器C2へ回収できる。
さらに、ポンプMP4については、上流側(電池1側)に流路f1を下流側(容器C2側)に流路f2を配置することで、ポンプMP4駆動して、電池のカソード室15から容器C2へ液回収を行える。
Therefore, in the fuel cell system A of FIG. 1, in each of the pumps MP1 and MP2, by arranging the flow path f1 on the upstream side (containers C1 and C2 side) and the flow path f2 on the downstream side (battery 1 side), The diluted fuel liquid can be supplied to the anode chamber 14 of the battery 1 in a forward flow (positive flow) by driving the pumps MP1 and MP2 alternately or simultaneously.
In addition, with respect to the pump MP3, the flow path f1 is arranged on the upstream side (battery 1 side) and the flow path f2 is arranged on the downstream side (container C2 side), so that the pump MP3 is driven and the spent fuel liquid is supplied from the anode chamber 14. Can be collected in the container C2.
Further, with respect to the pump MP4, the flow path f1 is disposed on the upstream side (battery 1 side) and the flow path f2 is disposed on the downstream side (container C2 side), so that the pump MP4 is driven and the container C2 from the cathode chamber 15 of the battery. Capable of liquid recovery.

図3は、マイクロポンプMP1、MP2を交互に駆動して高濃度燃料液と希釈液とを交互に混合流路L4へ送り込む様子を例示しており、交互に送り込まれた高濃度燃料液と希釈液は混合流路を進む間に相互に拡散、混合して希釈された燃料液となり、カソード室14へ供給される。
マイクロポンプMP1、MP2を同時に駆動して高濃度燃料液と希釈液と同時に混合流路L4へ送り込んでも、それら両液が混合流路を進む間に混合され、希釈された燃料液が得られる。
FIG. 3 illustrates a state in which the micropumps MP1 and MP2 are alternately driven to alternately send the high concentration fuel liquid and the dilution liquid to the mixing flow path L4. The liquid diffuses and mixes with each other while proceeding through the mixing flow path to become a diluted fuel liquid, which is supplied to the cathode chamber 14.
Even if the micropumps MP1 and MP2 are driven simultaneously and sent to the mixing flow path L4 simultaneously with the high-concentration fuel liquid and the diluting liquid, both liquids are mixed while traveling through the mixing flow path to obtain a diluted fuel liquid.

また、駆動回路Dから図2(D)に示す緩やかな立ち上がり、急峻な立ち下がりを示すパルス電圧を印加すると、流路f2からポンプ室PC内へ液体を吸引し、流路f1からポンプ室内液体を吐出できる。このように、ポンプMP1、MP2、MP3及びMP4のそれぞれは、逆方向流を発生させるようにも駆動でき、これにより、必要に応じ、アノード室14内やカソード室15内に逆流を発生させることもできる。
なお、マイクロポンプは、システムのコンパクト化のためにアノード室14、カソード室15と一体的に形成してもよい。
When a pulse voltage indicating a gradual rise and a steep fall shown in FIG. 2D is applied from the drive circuit D, the liquid is sucked into the pump chamber PC from the flow path f2, and the pump chamber liquid is flowed from the flow path f1. Can be discharged. Thus, each of the pumps MP1, MP2, MP3, and MP4 can be driven to generate a reverse flow, thereby generating a reverse flow in the anode chamber 14 or the cathode chamber 15 as necessary. You can also.
The micropump may be formed integrally with the anode chamber 14 and the cathode chamber 15 in order to make the system compact.

この燃料電池システムAによると、制御部Contの指示のもとにポンプ駆動回路Dが各ポンプの圧電素子に駆動信号を入力することで、ポンプMP1により容器C1から高濃度燃料液を合流部L3へ送るとともに、ポンプMP2により容器C2から希釈用液を合流部L3へ送り、これら液体をひき続き混合流路L4において混合し、かくして得られる希釈された燃料液(例えば約3%のメタノール水溶液)を燃料電池1に供給し、発電に供し、負荷LDに電力を供給できる。   According to this fuel cell system A, the pump drive circuit D inputs a drive signal to the piezoelectric element of each pump under the instruction of the controller Cont, so that the high-concentration fuel liquid is merged from the container C1 by the pump MP1. And the liquid for dilution is sent from the container C2 to the merging section L3 by the pump MP2, and these liquids are continuously mixed in the mixing flow path L4. The diluted fuel liquid thus obtained (for example, about 3% aqueous methanol solution) Can be supplied to the fuel cell 1 for power generation and power can be supplied to the load LD.

また、ポンプMP3の働きにより、アノード室14内の使用済燃料液を容器C2へ回収することができる。
さらに、燃料電池1における電気化学反応によりカソード13側に生成される水や、アノード12側から電解質膜11を通過してカソード13側へ到来することがある液体は、ポンプMP4の働きでカソード室15から容器C2へ回収できる。なお、燃料電池システムの使用開始当初には、容器C2に初期水を収容しておけばよい。
Further, the spent fuel liquid in the anode chamber 14 can be recovered into the container C2 by the action of the pump MP3.
Further, the water generated on the cathode 13 side by the electrochemical reaction in the fuel cell 1 and the liquid that may arrive at the cathode 13 side through the electrolyte membrane 11 from the anode 12 side are brought into the cathode chamber by the action of the pump MP4. 15 to the container C2. At the beginning of use of the fuel cell system, initial water may be stored in the container C2.

図1に示す燃料電池システムAは基本的には上記のようにして発電させることができるのであるが、電池1における電気化学反応によりアノード(燃料極)12側に発生する炭酸ガスや燃料液中の不純物、反応に伴う副生成物等を円滑に除去して、発電効率を上げるために、ポンプMP1〜MP3を例えば次の〔例1〕又は〔例2〕の如く動作するように、制御部Contにポンプ駆動回路Dを制御させる。なお、〔例1〕、〔例2〕では燃料液供給にあたりポンプMP1、MP2を交互に駆動する。   The fuel cell system A shown in FIG. 1 can basically generate electric power as described above, but in the carbon dioxide gas or fuel liquid generated on the anode (fuel electrode) 12 side by the electrochemical reaction in the battery 1. In order to smoothly remove impurities, by-products associated with the reaction, etc., and increase power generation efficiency, the control unit is configured so that the pumps MP1 to MP3 operate as in the following [Example 1] or [Example 2], for example. Let Cont control the pump drive circuit D. In [Example 1] and [Example 2], the pumps MP1 and MP2 are alternately driven to supply the fuel liquid.

〔例1〕
図4(A)に示すように、ポンプ群MP1、MP2と、ポンプMP3とを交互に正運転する。ポンプMP1とMP2とを交互に正運転するとき、アノード室14内は、大気圧に対して加圧状態となる。ポンプ群MP1、MP2が停止され、代わりにポンプMP3が正運転されるときアノード室14内は、大気圧に対して減圧(負圧)状態となる。
なお、ポンプMP3は、既述のポンプ構造のとおり絞り流路f1、f2があるものの、圧電素子PZTで駆動されていないときは、液の流通が可能である。しかし、その液流通の程度では、ポンプMP1とMP2とを交互に正運転するとき、アノード室14内は、大気圧に対して加圧状態となる。
[Example 1]
As shown in FIG. 4A, the pump groups MP1 and MP2 and the pump MP3 are alternately operated in the positive direction. When the pumps MP1 and MP2 are alternately operated in the positive direction, the inside of the anode chamber 14 is pressurized with respect to the atmospheric pressure. When the pump groups MP1 and MP2 are stopped and the pump MP3 is operated positively, the anode chamber 14 is in a reduced pressure (negative pressure) state with respect to the atmospheric pressure.
Although the pump MP3 has the throttle channels f1 and f2 as in the pump structure described above, the liquid can be circulated when the pump MP3 is not driven by the piezoelectric element PZT. However, at the level of the liquid circulation, when the pumps MP1 and MP2 are alternately operated in the positive direction, the inside of the anode chamber 14 is pressurized with respect to the atmospheric pressure.

かかるアノード室14内の加圧、減圧を繰り返すことで、アノード14への燃料液供給を行いつつ、炭酸ガスを圧縮膨張させて移動し易くし、通気孔143から排出させる。液回収口142から流出する液に混じった炭酸ガスは気液分離器F1により除去され、燃料供給口141から逆流することがあり得る液に混じった炭酸ガスは気液分離器F2にて除去される。また、燃料液中の不純物や反応に伴う副生成物も動きやすくなり、アノード室外へ円滑に排出される。
このように、炭酸ガスを効率よく排出させながら燃料液を供給する。
By repeating the pressurization and decompression in the anode chamber 14, the carbon dioxide gas is compressed and expanded to facilitate movement while supplying the fuel liquid to the anode 14, and is discharged from the vent hole 143. Carbon dioxide mixed with liquid flowing out from the liquid recovery port 142 is removed by the gas-liquid separator F1, and carbon dioxide mixed with liquid that may flow backward from the fuel supply port 141 is removed by the gas-liquid separator F2. The In addition, impurities in the fuel liquid and by-products accompanying the reaction also easily move and are smoothly discharged out of the anode chamber.
As described above, the fuel liquid is supplied while efficiently discharging the carbon dioxide gas.

〔例2〕
図4(B)に示すように、ポンプMP1、MP2をそれらの間においては交互に、しかし、ポンプ群MP1、MP2として見た場合は該ポンプ群を連続的に正運転しながら、ポンプMP3を間欠的に逆運転する。ポンプMP3の逆運転時、アノード室14内圧を上げることができ、その加圧状態に対し、ポンプMP3の停止時にはアノード室14内を相対的に減圧できる。
[Example 2]
As shown in FIG. 4B, the pumps MP1 and MP2 are alternately arranged between them, but when viewed as the pump groups MP1 and MP2, the pump MP3 is operated while continuously operating the pump groups. Reverse operation intermittently. During the reverse operation of the pump MP3, the internal pressure of the anode chamber 14 can be increased, and when the pump MP3 is stopped, the internal pressure of the anode chamber 14 can be relatively reduced.

かかるアノード室14内の加圧減圧により、アノード14への燃料液供給を行いつつ、炭酸ガスを圧縮膨張させて移動し易くし、通気孔143から排出させる。液回収口142から流出する液に混じった炭酸ガスは気液分離器F1により除去され、燃料供給口141から流出することがあり得る液に混じった炭酸ガスは気液分離器F2にて除去される。また、燃料液中の不純物や反応に伴う副生成物も動きやすくなり、カソード室外へ円滑に排出される。
このように、炭酸ガスを効率よく排出させながら燃料液を供給する。
By pressurizing and depressurizing the anode chamber 14, the fuel gas is supplied to the anode 14, and the carbon dioxide gas is compressed and expanded to be easily moved and discharged from the vent hole 143. Carbon dioxide mixed with liquid flowing out from the liquid recovery port 142 is removed by the gas-liquid separator F1, and carbon dioxide mixed with liquid that may flow out from the fuel supply port 141 is removed by the gas-liquid separator F2. The In addition, impurities in the fuel liquid and by-products accompanying the reaction also easily move and are smoothly discharged out of the cathode chamber.
As described above, the fuel liquid is supplied while efficiently discharging the carbon dioxide gas.

また、図1に示す燃料電池システムAでは、電池1における電気化学反応によりカソード(酸素極)13側に発生する水や、アノード12側から電解質膜11を通ってカソード13側へ移動してくることがある液体、或いはさらに電池反応による副生成物等がカソード13の触媒層の内部や表面に付着して滞留し、そのために該触媒層への空気(酸素)の供給が不十分とならないように、ポンプMP4が例えば次の如く動作するように、制御部Contにポンプ駆動回路Dを制御させる。   Further, in the fuel cell system A shown in FIG. 1, water generated on the cathode (oxygen electrode) 13 side due to the electrochemical reaction in the battery 1 or moves from the anode 12 side through the electrolyte membrane 11 to the cathode 13 side. In some cases, liquids or by-products generated by battery reactions adhere to and stay inside or on the surface of the catalyst layer of the cathode 13, so that the supply of air (oxygen) to the catalyst layer does not become insufficient. In addition, the controller Cont controls the pump drive circuit D so that the pump MP4 operates as follows, for example.

図6に示すように、予め定めた期間Taにおいて、ポンプMP4に正逆運転を繰り返させることで、カソード室15内に液導出口151へ向かう正液流、カソード室15の奥側へ向かう逆液流を交互に発生させ、かかる液体の正逆流により、カソード13の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに電池反応により生じることがある副生成物等を揺さぶり、該液流にのせることで、それらが該触媒層の内部や表面に滞留してしまうことを抑制する。   As shown in FIG. 6, by causing the pump MP4 to repeat the forward / reverse operation in a predetermined period Ta, the forward liquid flow toward the liquid outlet 151 in the cathode chamber 15 and the reverse toward the back side of the cathode chamber 15 are performed. By alternately generating a liquid flow, the liquid flowing forward and backward shakes the liquid adhering to or adhering to the inside or the surface of the catalyst layer of the cathode 13, or a by-product that may be generated by a cell reaction. The liquid flow suppresses them from staying inside or on the surface of the catalyst layer.

さらに、カソード室15内の入れ替わるべき気体が、酸素極の触媒層表面やその内部、或いは、液回収室内の段差部その他の凹所や内壁面に付着することがあっても、また、付着しようとしても、前記の液体の正逆流により、揺さぶられ、或いは、液体の正逆流に伴うカソード室15内の気圧変動により、該気体による気泡が圧縮膨張を繰り返して揺さぶられ、それにより気泡はかかる部位から容易に脱離し、円滑に電池外へ除去されることが可能となる。   Furthermore, even if the gas to be replaced in the cathode chamber 15 may adhere to the surface of the catalyst layer of the oxygen electrode, the inside thereof, the stepped portion in the liquid recovery chamber or other recesses or the inner wall surface, it will also adhere. However, the liquid is shaken by the forward / reverse flow of the liquid, or the air bubbles in the cathode chamber 15 are fluctuated by repeated compression / expansion due to the pressure fluctuation in the cathode chamber 15 due to the normal / reverse flow of the liquid. Can be easily detached from the battery and smoothly removed from the battery.

また、ポンプMP4の正運転時には、カソード室15内の液体が液導出口151から吸引導出されることでカソード室15内の気圧が大気圧に対し負圧となり、これにより空気供給用通気孔152を開閉する弁v1が開いて外から空気がカソード室15内へ吸引、供給される一方、排気部15Eにおいては、排気孔153を開閉する弁v2が閉じられる。   Further, during the positive operation of the pump MP4, the liquid in the cathode chamber 15 is sucked and led out from the liquid outlet 151, so that the atmospheric pressure in the cathode chamber 15 becomes negative with respect to the atmospheric pressure. The valve v1 for opening and closing the valve is opened and air is sucked and supplied from the outside into the cathode chamber 15, while the valve v2 for opening and closing the exhaust hole 153 is closed in the exhaust part 15E.

ポンプMP4の逆運転時には、液導出口151とポンプMP4間の流路中の液体、ポンプMP4内に残存していることがある液体、或いはさらに液溜め部154内の液体が、液導出口151からカソード室15内へ押し込まれ、これによりカソード室15内に発生する正気圧により、通気孔152を開閉する弁v1が閉じる一方、排気孔153を開閉する弁v2が開いて、いままで存在していた、酸素濃度の低下した気体が外部へ排出される。 このように、ポンプMP4が正逆運転されるに伴い通気孔152からカソード室15内への空気供給と排気部15Eからの排気が行われるから、カソード13の触媒層へ十分な空気(酸素)を円滑に供給することができる。   During the reverse operation of the pump MP4, the liquid in the flow path between the liquid outlet 151 and the pump MP4, the liquid that may remain in the pump MP4, or further the liquid in the liquid reservoir 154 is liquid outlet 151. The valve v1 that opens and closes the vent hole 152 is closed by the positive atmospheric pressure generated in the cathode chamber 15 and thus the valve v2 that opens and closes the exhaust hole 153 is opened. The gas having a reduced oxygen concentration is discharged to the outside. In this way, as the pump MP4 is operated in the forward and reverse directions, air is supplied from the vent hole 152 into the cathode chamber 15 and exhausted from the exhaust part 15E, so that sufficient air (oxygen) is supplied to the catalyst layer of the cathode 13. Can be supplied smoothly.

これらにより、カソード13の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去できるとともにカソード13の触媒層に円滑に空気(酸素)を供給でき、それによりカソード13側での反応を円滑化して、それだけ発電効率を向上させることができる。   As a result, the liquid adhering or adhering to the inside or the surface of the catalyst layer of the cathode 13 or the by-product of the cell reaction adhering to or adhering to the inside or the surface of the catalyst layer can be quickly obtained. In addition, it can be removed from the catalyst layer and air (oxygen) can be smoothly supplied to the catalyst layer of the cathode 13, thereby facilitating the reaction on the cathode 13 side and improving the power generation efficiency accordingly.

期間Taの次の期間Tbでは、ポンプMP4を連続的に正運転して、カソード室15から液体を容器C2へ回収する。さらに次の期間Tc(<Tb)では、液溜め部154内の液を用いて、カソード室15内へ液を供給し、その後、再び前記期間Taのときと同様にポンプMP4を正逆運転する。
以上の動作を繰り返させる。
In the period Tb next to the period Ta, the pump MP4 is continuously operated in the positive direction to recover the liquid from the cathode chamber 15 to the container C2. Further, in the next period Tc (<Tb), the liquid in the liquid reservoir 154 is used to supply the liquid into the cathode chamber 15, and then the pump MP4 is operated in the forward and reverse directions again as in the period Ta. .
The above operation is repeated.

図7はカソード室15の他の例を示している。図7に示すカソード室15では、カソード室壁に複数の空気供給用通気孔152’が形成されている。各通気孔152’は、図5のカソード室15における通気孔152と異なり弁v1は設けられておらず、気体の通過は許すが、液体の通過は阻止する程度の小径に形成されている。カソード室15の内面には例えばフッ素系樹脂(例えばPTFE)により撥水処理fを施してある。   FIG. 7 shows another example of the cathode chamber 15. In the cathode chamber 15 shown in FIG. 7, a plurality of air supply vent holes 152 ′ are formed in the cathode chamber wall. Unlike the vent hole 152 in the cathode chamber 15 of FIG. 5, each vent hole 152 ′ is not provided with a valve v <b> 1, and has a small diameter that allows gas to pass but prevents liquid from passing. The inner surface of the cathode chamber 15 is subjected to a water repellent treatment f by using, for example, a fluorine resin (for example, PTFE).

このカソード室15の場合も、カソード13の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする水等の液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去するとともにカソード13の触媒層に円滑に空気(酸素)を供給できるように、ポンプMP4が例えば次の如く動作するように、制御部Contにポンプ駆動回路Dを制御させる。   Also in the case of the cathode chamber 15, a liquid such as water attached or about to adhere to the inside or surface of the catalyst layer of the cathode 13, or a battery attached to or about to attach to the inside or surface of the catalyst layer. In order to quickly remove reaction by-products and the like from the catalyst layer and to smoothly supply air (oxygen) to the catalyst layer of the cathode 13, the control unit Cont is operated so that the pump MP4 operates, for example, as follows. The pump drive circuit D is controlled.

すなわち、図8に示すように、予め定めた期間Ta’において、ポンプMP4に正逆運転を繰り返させることで、カソード室15内に正液流、逆液流を交互に発生させ、かかる液体の正逆流により、カソード13の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに電池反応により生じることがある副生成物等を揺さぶり、該液流にのせることで、それらが該触媒層の内部や表面に滞留してしまうことを抑制する。   That is, as shown in FIG. 8, by causing the pump MP4 to repeat the forward / reverse operation in a predetermined period Ta ′, a normal liquid flow and a reverse liquid flow are alternately generated in the cathode chamber 15, By the forward and backward flow, the liquid adhering to or adhering to the inside or the surface of the catalyst layer of the cathode 13 or the by-product that may be generated by the cell reaction is shaken and placed in the liquid flow. Is prevented from staying inside or on the surface of the catalyst layer.

さらに、カソード室15内の入れ替わるべき気体が、酸素極の触媒層表面やその内部、或いは、液回収室内の段差部その他の凹所や内壁面に付着することがあっても、また、付着しようとしても、前記の液体の正逆流により、揺さぶられ、或いは、液体の正逆流に伴うカソード室15内の気圧変動により、該気体による気泡が圧縮膨張を繰り返して揺さぶられ、それにより気泡はかかる部位から容易に脱離し、円滑に電池外へ除去されることが可能となる。   Furthermore, even if the gas to be replaced in the cathode chamber 15 may adhere to the surface of the catalyst layer of the oxygen electrode, the inside thereof, the stepped portion in the liquid recovery chamber or other recesses or the inner wall surface, it will also adhere. However, the liquid is shaken by the forward / reverse flow of the liquid, or the air bubbles in the cathode chamber 15 are fluctuated by repeated compression / expansion due to the pressure fluctuation in the cathode chamber 15 due to the normal / reverse flow of the liquid. Can be easily detached from the battery and smoothly removed from the battery.

また、ポンプMP4の正運転時には、カソード室15内の液体が液導出口151から吸引導出されることでカソード室15内の気圧が大気圧に対し負圧となり、これにより空気供給用通気孔152から空気がカソード室15内へ吸引、供給される一方、液導出口151から吸引導出された液体中の気体が気液分離器F3において分離され、排出される。ここでは、気液分離器F3が排気部として機能する。   Further, during the positive operation of the pump MP4, the liquid in the cathode chamber 15 is sucked and led out from the liquid outlet 151, so that the atmospheric pressure in the cathode chamber 15 becomes negative with respect to the atmospheric pressure. From the air, the air in the cathode chamber 15 is sucked and supplied, while the gas in the liquid sucked and led out from the liquid outlet 151 is separated and discharged in the gas-liquid separator F3. Here, the gas-liquid separator F3 functions as an exhaust part.

ポンプMP4の逆運転時には、液導出口151とポンプMP4間の流路中の液体、ポンプMP4内に残存していることがある液体、或いはさらに液溜め部154内の液体が、液導出口151からカソード室15内へ押し込まれ、これによりカソード室15内に発生する正気圧により、通気孔152からカソード室15内の、酸素濃度の低下した気体が外部へ排出される。   During the reverse operation of the pump MP4, the liquid in the flow path between the liquid outlet 151 and the pump MP4, the liquid that may remain in the pump MP4, or the liquid in the liquid reservoir 154 is further removed from the liquid outlet 151. The gas having a reduced oxygen concentration in the cathode chamber 15 is discharged from the vent hole 152 to the outside due to the positive pressure generated in the cathode chamber 15.

これらにより、カソード13の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去できるとともにカソード13の触媒層に円滑に空気(酸素)を供給でき、それによりカソード13での反応を円滑化して、それだけ発電効率を向上させることができる。   As a result, the liquid adhering or adhering to the inside or the surface of the catalyst layer of the cathode 13 or the by-product of the cell reaction adhering to or adhering to the inside or the surface of the catalyst layer can be quickly obtained. In addition, the air can be removed from the catalyst layer and air (oxygen) can be smoothly supplied to the catalyst layer of the cathode 13, thereby facilitating the reaction at the cathode 13 and improving the power generation efficiency accordingly.

期間Ta’の次の期間Tb’では、ポンプMP4を連続的に正運転して、カソード室15から液体を容器C2へ回収する。さらに次の期間Tc’(<Tb’)では、液溜め部154内の液を用いて、カソード室15内へ液を供給し、その後、再び前記期間Ta’のときと同様にポンプMP4を正逆運転する。
以上の動作を繰り返させる。
In the period Tb ′ next to the period Ta ′, the pump MP4 is continuously operated in the positive direction to recover the liquid from the cathode chamber 15 to the container C2. Further, in the next period Tc ′ (<Tb ′), the liquid in the liquid reservoir 154 is used to supply the liquid into the cathode chamber 15, and then the pump MP4 is again set in the same manner as in the period Ta ′. Reverse drive.
The above operation is repeated.

図9(A)はカソード室15のさらに他の例を示している。図9に示すカソード室15では、空気供給用通気孔として、液導出口151とは反対側端部におけるカソード室壁に、排気孔も兼ねる通気孔153’が形成されており、これに空気ポンプ2を接続してある。カソード室内面には撥水処理fが施されている。   FIG. 9A shows still another example of the cathode chamber 15. In the cathode chamber 15 shown in FIG. 9, a vent hole 153 ′ that also serves as an exhaust hole is formed in the cathode chamber wall at the end opposite to the liquid outlet port 151 as an air supply vent hole. 2 is connected. A water repellent treatment f is applied to the inner surface of the cathode chamber.

空気ポンプ2は、図9(B)に示すようにダイアフラムポンプであり、ケース21におけるポンプ室20に対して、該ケースにダイアフラム22を張設してあり、これをアクチュエータの1例である圧電素子23で振動させて、ポンプ室20の容積を増減できるようにしたものである。   As shown in FIG. 9B, the air pump 2 is a diaphragm pump, and a diaphragm 22 is stretched on the case with respect to the pump chamber 20 in the case 21, and this is a piezoelectric that is an example of an actuator. The volume of the pump chamber 20 can be increased or decreased by vibrating with the element 23.

ケース21にはポンプ室20に通じる吸気孔24及び吐出孔26が形成されており、吸気孔24に対して弁25が、吐出孔26に対して弁27が設けられている。
ダイアフラム22が、変形してポンプ室20の容積を縮めると、弁25は弁座S1に当接する一方、弁27が開いてポンプ室内空気を吐出し、カソード室15の通気孔153’からカソード室15内へ空気を供給できる。
The case 21 is formed with an intake hole 24 and a discharge hole 26 communicating with the pump chamber 20. A valve 25 is provided for the intake hole 24, and a valve 27 is provided for the discharge hole 26.
When the diaphragm 22 is deformed to reduce the volume of the pump chamber 20, the valve 25 contacts the valve seat S 1, while the valve 27 is opened to discharge the pump chamber air, and the cathode chamber 15 is vented from the vent hole 153 ′ of the cathode chamber 15. 15 can be supplied with air.

ダイアフラム22が反対側へ変形してポンプ室20の容積が増すと、弁27が弁座S2に当接する一方、弁25が開き、ポンプ室20内へ空気を吸引することができる。
かかるダイアフラム22の変形に伴うポンプ室20の容積の増減によりポンプ室20内へ空気を吸い込み、吸い込んだ空気をカソード室15内へ供給する。
When the diaphragm 22 is deformed to the opposite side and the volume of the pump chamber 20 is increased, the valve 27 is brought into contact with the valve seat S2, while the valve 25 is opened so that air can be sucked into the pump chamber 20.
As the volume of the pump chamber 20 increases or decreases with the deformation of the diaphragm 22, air is sucked into the pump chamber 20, and the sucked air is supplied into the cathode chamber 15.

ポンプ2の弁25、27は、圧電素子23によるダイアフラム22の駆動に伴って開閉動作するが、ダイアフラム22が駆動されないときは、弁座S1、S2から離れ、孔24、26によるポンプ室内外間の通気が自由となる。
ポンプ2も制御部Contの指示のもとに駆動回路Dにて駆動する。
The valves 25 and 27 of the pump 2 open and close as the diaphragm 22 is driven by the piezoelectric element 23. When the diaphragm 22 is not driven, the valves 25 and 27 are separated from the valve seats S1 and S2 and between the pump chambers 24 and 26. Ventilation is free.
The pump 2 is also driven by the drive circuit D under the instruction of the control unit Cont.

このカソード室15の場合も、カソード13の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする水等の液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去するとともにカソード13の触媒層に円滑に空気(酸素)を供給できるように、ポンプMP4及びポンプ2が例えば次の如く動作するように、制御部Contにポンプ駆動回路Dを制御させる。   Also in the case of the cathode chamber 15, a liquid such as water attached or about to adhere to the inside or surface of the catalyst layer of the cathode 13, or a battery attached to or about to attach to the inside or surface of the catalyst layer. Control is performed so that the pump MP4 and the pump 2 operate, for example, as follows so that reaction by-products and the like can be quickly removed from the catalyst layer and air (oxygen) can be smoothly supplied to the catalyst layer of the cathode 13. The part Cont controls the pump drive circuit D.

すなわち、図10に示すように、期間T1においてポンプ2をオフし、ポンプMP4を正運転する。そのとき、カソード室15内の液体は液導出口151から導出され、容器C2に回収される。該液体中の気体は気液分離器F3において分離、排出される。ここでは、気液分離器F3は排気部として機能する。また、ポンプ2がオフされ、ポンプMP4が正運転される期間T1では、カソード室15内は負圧になるので、オフ状態のポンプ2を介して通気孔153’からカソード室15内へ空気が吸引される。   That is, as shown in FIG. 10, in the period T1, the pump 2 is turned off and the pump MP4 is normally operated. At that time, the liquid in the cathode chamber 15 is led out from the liquid outlet 151 and collected in the container C2. The gas in the liquid is separated and discharged in the gas-liquid separator F3. Here, the gas-liquid separator F3 functions as an exhaust part. In addition, in the period T1 in which the pump 2 is turned off and the pump MP4 is operated positively, the cathode chamber 15 has a negative pressure, so that air flows into the cathode chamber 15 from the vent hole 153 ′ through the pump 2 in the off state. Sucked.

次の期間T2では、ポンプMP4をオフし、ポンプ2を正運転する。このとき、ポンプ2によりカソード室15内へ空気が強制的に供給され、カソード室15内に充満した空気は液導出口151から気液分離器F3にまで達し、ここから余剰の空気が排出される。しかし、かかるカソード室15内への空気供給においては、気流によりカソード13の表面等における水等の液体が液導出口151付近に押し出され、液導出口の周辺に水が滞留(極端な場合は液導出口を閉鎖)し、気液分離器にまで水を到達させることができないことがある。   In the next period T2, the pump MP4 is turned off and the pump 2 is normally operated. At this time, air is forcibly supplied into the cathode chamber 15 by the pump 2, and the air filled in the cathode chamber 15 reaches the gas-liquid separator F <b> 3 from the liquid outlet 151, from which excess air is discharged. The However, in the air supply into the cathode chamber 15, liquid such as water on the surface of the cathode 13 is pushed out to the vicinity of the liquid outlet 151 by the air flow, and water stays around the liquid outlet (in an extreme case, The liquid outlet may be closed), and water may not reach the gas-liquid separator.

そこで、さらに次の期間T3(<T1)では、ポンプ2をオフし、ポンプMP4を逆運転し、液溜め部154内の液体を用いて液導出口151とその周辺にまで液体を供給し、液導出口周辺の水を呼び込み、その状態からポンプMP4を正運転に切り替える。以上のポンプ動作を繰り返させる。   Therefore, in the next period T3 (<T1), the pump 2 is turned off, the pump MP4 is operated in reverse, and the liquid is supplied to the liquid outlet 151 and its surroundings using the liquid in the liquid reservoir 154, Water around the liquid outlet is drawn in and the pump MP4 is switched to normal operation from that state. The above pump operation is repeated.

かくして、カソード13の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去できるとともにカソード13の触媒層に円滑に空気(酸素)を供給でき、それによりカソード13での反応を円滑化して、それだけ発電効率を向上させることができる。   Thus, the liquid adhering or adhering to the inside or the surface of the catalyst layer of the cathode 13 or the by-product of the cell reaction adhering to or adhering to the inside or the surface of the catalyst layer can be promptly obtained. It can be removed from the catalyst layer and air (oxygen) can be smoothly supplied to the catalyst layer of the cathode 13, thereby facilitating the reaction at the cathode 13 and improving the power generation efficiency accordingly.

本発明は、燃料電池を利用した燃料電池システムにおいて、燃料電池の酸素極側に生成する水等を酸素極側から円滑に除去するとともに酸素極に空気(酸素)を円滑に供給して発電効率を向上させることに利用できる。   In a fuel cell system using a fuel cell, the present invention smoothly removes water and the like generated on the oxygen electrode side of the fuel cell from the oxygen electrode side and smoothly supplies air (oxygen) to the oxygen electrode to generate power. Can be used to improve

本発明に係る燃料電池システムの1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the fuel cell system which concerns on this invention. 図2(A)は燃料電池システムで採用可能のマイクロポンプ例の断面図であり、図2(B)は同マイクロポンプの平面図であり、図2(C)はマイクロポンプを正運転するときの駆動信号波形例を示しており、(D)はマイクロポンプを逆運転するときの駆動信号波形例を示している。2A is a cross-sectional view of an example of a micropump that can be used in a fuel cell system, FIG. 2B is a plan view of the micropump, and FIG. 2C is when the micropump is normally operated. (D) shows an example of a drive signal waveform when the micropump is operated in reverse. 二つのマイクロポンプで高濃度燃料液と希釈液とを交互に送液して希釈された燃料液を電池に供給する例を示す図である。It is a figure which shows the example which supplies a high concentration fuel liquid and a dilution liquid alternately with two micropumps, and supplies the diluted fuel liquid to a battery. 図4(A)及び図4(B)は、それぞれ、図1の燃料電池システムによるアノード側ポンプの動作例を示すタイミングチャートである。4 (A) and 4 (B) are timing charts showing an example of the operation of the anode pump by the fuel cell system of FIG. 図1に示す燃料電池システムにおける燃料電池構造を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the fuel cell structure in the fuel cell system shown in FIG. 図1の燃料電池システムによる、カソード側ポンプ及び弁の動作例を示すタイミングチャートである。2 is a timing chart showing an operation example of a cathode side pump and a valve by the fuel cell system of FIG. 1. カソード室の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a cathode chamber. 図7に示す構造のカソード室を採用する場合のカソード側ポンプの動作例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the operation example of the cathode side pump in the case of employ | adopting the cathode chamber of the structure shown in FIG. カソード室のさらに他の例を示す図である。It is a figure which shows the further another example of a cathode chamber. 図9に示す構造のカソード室を採用する場合のカソード側ポンプの動作例を示すタイミングチャートである。FIG. 10 is a timing chart showing an operation example of the cathode side pump when the cathode chamber having the structure shown in FIG. 9 is employed.

符号の説明Explanation of symbols

A 燃料電池システム
1 燃料電池
11 電解質膜
12 アノード(燃料極)
13 カソード(酸素極)
14 アノード室(燃料供給室)
141 燃料液供給口
142 燃料液回収口
143 通気孔
15 カソード室(液回収室)
151 液導出口
152 空気供給用通気孔
v1 通気孔152の弁
15E 排気部
153 排気孔
v2 排気孔153の弁
154 液溜め部
f 撥水処理部
152’空気供給用通気孔兼排気孔
153’ 通気孔兼排気孔
2 空気ポンプ
20 ポンプ室
21 ポンプケース
22 ダイアフラム
23 圧電素子
24 吸気孔
25 弁
S1 弁座
26 吐出孔
27 弁
S2 弁座
F 燃料液供給部
C1 高濃度燃料液収容容器
C2 希釈液収容容器
L1 高濃度燃料液供給路
L2 希釈液供給路
L3 合流部
L4 混合流路
L5 液回収路
L6 液回収路
MP1〜MP4、MC マイクロポンプ
PC ポンプ室
f1、f2 絞り流路
Li 上流側通路
Lo 下流側通路
DF ダイアフラム
PZT 圧電素子
F1、F2、F3 気液分離器
D ポンプ駆動回路
Cont 制御部
LD 負荷
A Fuel cell system 1 Fuel cell 11 Electrolyte membrane 12 Anode (fuel electrode)
13 Cathode (oxygen electrode)
14 Anode chamber (fuel supply chamber)
141 Fuel liquid supply port 142 Fuel liquid recovery port 143 Vent hole 15 Cathode chamber (liquid recovery chamber)
151 Liquid outlet port 152 Air supply vent v1 Valve 15E of vent 152 152 Exhaust part 153 Exhaust hole v2 Valve 154 of exhaust hole 153 Liquid reservoir f Water repellent treatment part 152'Air supply vent hole / exhaust hole 153 ' Pore / exhaust hole 2 Air pump 20 Pump chamber 21 Pump case 22 Diaphragm 23 Piezoelectric element 24 Intake hole 25 Valve S1 Valve seat 26 Discharge hole 27 Valve S2 Valve seat F Fuel liquid supply part C1 High concentration fuel liquid container C2 Diluted liquid container Container L1 High-concentration fuel liquid supply path L2 Diluent liquid supply path L3 Junction section L4 Mixing flow path L5 Liquid recovery path L6 Liquid recovery paths MP1 to MP4, MC Micropump PC Pump chamber f1, f2 Restriction flow path Li Upstream path Lo Downstream Side passage DF Diaphragm PZT Piezoelectric elements F1, F2, F3 Gas-liquid separator D Pump drive circuit Cont Control unit LD Load

Claims (6)

電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体及び該電池本体の酸素極に隣設され、液導出口及び空気供給用通気孔を有する液回収室を備えた燃料電池を用いた燃料電池システムであり、該液回収室内気体を該液回収室から排出するための排気部を備えているとともに、前記液導出口に接続された送液ポンプ及び液溜め部を備えており、該送液ポンプ及び液溜め部はこの順序で該液導出口に接続されており、該送液ポンプは、正運転により、該液回収室内液体を該液導出口から吸引導出可能であり、逆運転により、該液導出口から該液回収室内への液体押し込みが可能であり、該送液ポンプが正逆運転されるに伴い前記空気供給用通気孔から該液回収室内への空気供給と前記排気部からの排気が行われることを特徴とする燃料電池システム。   A fuel cell system using a fuel cell including a battery body having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and a liquid recovery chamber provided adjacent to the oxygen electrode of the battery body and having a liquid outlet and an air supply vent An exhaust part for discharging the gas in the liquid recovery chamber from the liquid recovery chamber, and a liquid feed pump and a liquid reservoir connected to the liquid outlet, the liquid feed pump And the liquid reservoir are connected to the liquid outlet in this order, and the liquid feed pump can suck out the liquid in the liquid recovery chamber from the liquid outlet through a normal operation, and The liquid can be pushed into the liquid recovery chamber from the liquid outlet, and the air supply from the air supply vent to the liquid recovery chamber and the exhaust section as the liquid feed pump is operated in the forward and reverse directions. A fuel cell system, wherein exhaust is performed. 前記空気供給用通気孔を開閉する弁が設けられており、前記排気部は、前記液回収室壁に設けた排気孔と該排気孔を開閉する弁とを含んでおり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されるとき、該液回収室内に発生する負圧により、前記空気供給用通気孔を開閉する弁が開く一方、前記排気部の排気孔を開閉する弁が閉じ、前記送液ポンプの逆運転により前記液回収室内へ液体が押し込まれるとき、該液回収室内に発生する正圧により、前記空気供給用通気孔を開閉する弁が閉じる一方、前記排気部の排気孔を開閉する弁が開く請求項1記載の燃料電池システム。   A valve for opening and closing the air supply vent is provided, and the exhaust part includes an exhaust hole provided in the liquid recovery chamber wall and a valve for opening and closing the exhaust hole. When the liquid in the liquid recovery chamber is sucked and led out from the liquid outlet through a normal operation, the negative pressure generated in the liquid recovery chamber opens the valve for opening and closing the air supply vent, while exhausting the exhaust section When the liquid is pushed into the liquid recovery chamber by the reverse operation of the liquid feed pump, the valve for opening and closing the air supply vent is closed by the positive pressure generated in the liquid recovery chamber. The fuel cell system according to claim 1, wherein a valve for opening and closing the exhaust hole of the exhaust unit is opened. 前記排気部は前記送液ポンプと前記液導出口との間に接続された気液分離器であり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されるとき、該液回収室内に発生する負圧により、前記空気供給用通気孔から該液回収室内に空気が吸引されるとともに、前記気液分離器において前記液導出口から吸引導出されてくる液体から気体が分離、排出され、前記送液ポンプの逆運転により前記液回収室内へ液体が押し込まれるとき、該液回収室内の気体が前記空気供給用通気孔から吐出される請求項1記載の燃料電池システム。   The exhaust part is a gas-liquid separator connected between the liquid feed pump and the liquid outlet, and the liquid in the liquid recovery chamber is sucked out from the liquid outlet by the normal operation of the liquid pump. When the air is sucked into the liquid recovery chamber from the air supply vent due to the negative pressure generated in the liquid recovery chamber, the liquid is sucked out from the liquid outlet in the gas-liquid separator. 2. The fuel cell according to claim 1, wherein when the gas is separated and discharged and the liquid is pushed into the liquid recovery chamber by the reverse operation of the liquid feed pump, the gas in the liquid recovery chamber is discharged from the air supply vent. system. 前記空気供給用通気孔に空気ポンプが接続されており、前記排気部は前記送液ポンプと前記液導出口との間に接続された気液分離器であり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されるとき、前記気液分離器において前記液導出口から吸引導出されてくる液体から気体が分離、排出され、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されることで空間となる該液回収室内部分に前記空気ポンプから空気が供給され、前記送液ポンプの逆運転により前記液回収室内へ液体が押し込まれるとき、該液回収室内の気体が前記空気ポンプを介して吐出される請求項1記載の燃料電池システム。   An air pump is connected to the air supply vent hole, and the exhaust part is a gas-liquid separator connected between the liquid feed pump and the liquid outlet port. When the liquid in the liquid recovery chamber is sucked and led out from the liquid outlet, gas is separated and discharged from the liquid sucked and led out from the liquid outlet in the gas-liquid separator. Air is supplied from the air pump to a portion of the liquid recovery chamber that becomes a space when the liquid recovery chamber liquid is sucked and led out from the liquid outlet, and the liquid is supplied into the liquid recovery chamber by reverse operation of the liquid feed pump. The fuel cell system according to claim 1, wherein when being pushed in, the gas in the liquid recovery chamber is discharged through the air pump. 前記液回収室内面には撥水処理が施されている請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein a water-repellent treatment is performed on a surface of the liquid recovery chamber. 前記燃料電池は、燃料として、高濃度燃料液を希釈液で希釈した燃料液を用いる電池であり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内から吸引導出する液体を希釈液収容容器へ回収可能とした請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池システム。
The fuel cell is a battery that uses a fuel liquid obtained by diluting a high-concentration fuel liquid with a diluent as a fuel, and recovers the liquid sucked and led out from the liquid recovery chamber by a normal operation of the liquid feed pump into the diluent storage container. 6. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is enabled.
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