JP2008192526A - Activation method of fuel cell, and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池の活性化方法及び燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池発電部を組み込んで装置化された携帯用の小型燃料電池の活性化を簡便に行うための構成に特徴のある燃料電池の活性化方法及び燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell activation method and a fuel cell system, and is particularly characterized by a configuration for easily activating a portable small fuel cell that is incorporated into a device by incorporating a fuel cell power generation unit. The present invention relates to a fuel cell activation method and a fuel cell system.
近年、携帯電話、PDA(Personal Digital Assistants)、ノートパソコン等の携帯電子機器の小型化、軽量化、そして高機能化が進んでいる。 これらの電子機器の進歩に伴い、駆動電源となる電池も小型化、軽量化、そして高容量化が進んでいる。 In recent years, portable electronic devices such as mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), and notebook personal computers are becoming smaller, lighter, and more functional. Along with the progress of these electronic devices, the battery serving as a driving power source is also becoming smaller, lighter, and higher in capacity.
このような携帯型電子機器においては、リチウムイオン電池が駆動電源として最も一般的に用いられており、リチウムイオン電池は、高い駆動電圧と大きな電池容量をもち、携帯電子機器の進歩に合わせるように性能改善が図られてきた。 In such portable electronic devices, lithium ion batteries are most commonly used as a drive power source. Lithium ion batteries have a high drive voltage and a large battery capacity, and are adapted to the progress of portable electronic devices. Performance improvements have been made.
しかし、リチウムイオン電池の性能改善にも限界があり、今後も高機能化が進む携帯型電子機器の駆動電源としての要求をリチウムイオン電池は満足できなくなりつつある。
このような状況のもと、リチウムイオン電池に代わる新たな発電デバイスの開発が行われ、リチウムイオン電池の数倍の高容量化が期待される燃料電池が提案されるに至った。
However, there is a limit to improving the performance of lithium ion batteries, and lithium ion batteries are no longer able to satisfy the demand as a driving power source for portable electronic devices whose functions are increasing in the future.
Under such circumstances, a new power generation device replacing the lithium ion battery has been developed, and a fuel cell that is expected to have a capacity that is several times higher than that of the lithium ion battery has been proposed.
燃料電池は、触媒を含むアノード電極(負極)及びカソード電極(正極)と、これらの間においてイオンの移動を可能とする電解質とからなる構造を有するものであり、この燃料電池においては、アノード電極に燃料を供給するとともにカソード電極に酸素を供給すると、電極に含まれる触媒の作用により各電極にて電気化学的な反応が起こり、燃料を供給源として電流を取り出すことができる。 A fuel cell has a structure composed of an anode electrode (negative electrode) and a cathode electrode (positive electrode) containing a catalyst, and an electrolyte that allows ions to move between them. In this fuel cell, the anode electrode When oxygen is supplied to the cathode electrode and oxygen is supplied to the cathode electrode, an electrochemical reaction occurs at each electrode by the action of the catalyst contained in the electrode, and current can be taken out using the fuel as a supply source.
このようなメカニズムで発電する燃料電池においては、燃料及び酸素を供給し続けることにより連続発電が可能であり、燃料電池は燃料及び酸素を補給することにより充電操作により反復使用される二次電池と同様に使用可能である。 In a fuel cell that generates power by such a mechanism, continuous power generation is possible by continuing to supply fuel and oxygen. The fuel cell is a secondary battery that is repeatedly used by charging operation by replenishing fuel and oxygen. It can be used as well.
このような燃料電池は電解質や燃料の種類に基づいて様々に類別されるが、携帯型電子機器類の電源としては、室温付近の低温にて作動可能であることや小型に構成可能であること、振動に強く大量生産が容易な固体電解質を備えることなどから、メタノール水溶液を燃料極に対して供給するダイレクトメタノール方式の燃料電池(DMFC)が好適と考えられている。 Such fuel cells are categorized in various ways based on the type of electrolyte and fuel. The power source for portable electronic devices can be operated at a low temperature around room temperature or can be made compact. A direct methanol fuel cell (DMFC) that supplies a methanol aqueous solution to the fuel electrode is considered suitable because it includes a solid electrolyte that is resistant to vibration and easy to mass-produce.
現在、多数のDMFCが公知となっているが、DMFCは電極構造体への燃料供給の方式及び燃料の状態により様々に分類することができ、この内の自然気化式のパッシブ型DMFC(例えば、特許文献1或いは特許文献2参照)は、高濃度メタノール燃料の供給及び反応生成物の排出を簡単な構造で行うことが可能である。
Currently, many DMFCs are publicly known, but DMFCs can be classified into various types according to the method of supplying fuel to the electrode structure and the state of the fuel. Among these, natural vaporization type passive DMFCs (for example,
また、自然気化式のパッシブ型DMFCの長所の一つに、燃料電池発電時に空気極で蒸発し系外に放出される水蒸気の量を最小にできることがある。
即ち、燃料希釈型のDMFCにおける水蒸気は、発電により空気極で生成する水だけでなく燃料希釈用の水に由来するものが多く含まれる。
In addition, one of the advantages of the natural vaporization type passive DMFC is that the amount of water vapor that is evaporated at the air electrode and released outside the system during fuel cell power generation can be minimized.
That is, the water vapor in the fuel dilution type DMFC includes not only water generated at the air electrode by power generation but also a large amount derived from water for fuel dilution.
しかし、100%濃度に近い高濃度メタノール水溶液を用いる方法(例えば、上述の特許文献2参照)では、燃料極での発電反応に必要な水として電解質膜を通して自然拡散により空気極から燃料極に輸送された発電生成水を使用するため燃料に水を加える必要がない。
However, in a method using a high-concentration methanol solution close to 100% concentration (for example, see
そのため、燃料希釈水の分だけ水蒸気量を減少させることが可能となり、放出される水蒸気の由来は発電反応による生成水のみとなるため、燃料電池外部での結露など水蒸気による問題を最低限まで低減することが可能である。 As a result, the amount of water vapor can be reduced by the amount of fuel dilution water, and since the water vapor released is only generated water from the power generation reaction, problems such as condensation outside the fuel cell are minimized. Is possible.
一般に、DMFCは燃料電池発電部の組み立て直後には発電特性がかなり低い上に不安定であり、この現象にはいくつかの要因が想定されている。
例えば、保水状態で十分なイオン伝導度が得られる固定電解質は組み立て時には乾燥状態であり、組み立て直後には電解質の保水状態が良好になるまでイオン伝導度が低いために燃料電池の発電性能が低くなる。
In general, the DMFC has a very low power generation characteristic and is unstable immediately after assembly of the fuel cell power generation unit, and several factors are assumed for this phenomenon.
For example, a fixed electrolyte that can obtain sufficient ionic conductivity in a water retention state is in a dry state at the time of assembly, and immediately after assembly, the ionic conductivity is low until the water retention state of the electrolyte is good. Become.
また、表面が清浄であれば十分な電気化学反応場を形成する触媒においても、触媒層形成プロセスにおけるペースト化やホットプレスなどの工程において触媒表面の酸化や酸化物コンタミの付着などにより十分な反応場を形成できずに燃料電池の発電性能が低くなる。
さらに、また、燃料電池を長期間使用せずに放置したときにも、電解質の乾燥や大気中のコンタミの付着などにより同様の現象が起き、燃料電池の発電性能が低下しやすい。
In addition, even a catalyst that forms a sufficient electrochemical reaction field if the surface is clean, can react sufficiently by oxidation of the catalyst surface or adhesion of oxide contamination during pasting or hot pressing in the catalyst layer formation process. The power generation performance of the fuel cell is lowered without forming a field.
Furthermore, even when the fuel cell is left unused for a long period of time, the same phenomenon occurs due to drying of the electrolyte, adhesion of contaminants in the atmosphere, etc., and the power generation performance of the fuel cell is likely to deteriorate.
このような問題への対策として、燃料電池の活性化処理が検討されているが、活性化とは、上述したような材料的な燃料電池の性能低下を回復させるための予備処理のことである。 As a countermeasure to such a problem, an activation process of the fuel cell is being studied. The activation is a preliminary process for recovering the above-described material fuel cell performance degradation. .
例えば、燃料供給路にアルコールを導入したのち脱イオン水で洗浄することにより電解質への水の含浸を促進する方法(例えば、特許文献3参照)や、アノードとカソードにそれぞれ燃料と不活性ガスを供給しながら外部電源に接続して逆電位をかけることにより触媒表面を清浄化する方法(例えば、特許文献4参照)などが提案されている。
しかし、これまでに提案されている活性化方法は主に電池製造直後に活性化を行う方法や電池に特別に燃料供給管や外部電力を接続する方法などであるため、燃料電池発電部を組み込んで装置化されてしまう携帯機器用の小型燃料電池システムには適用が困難であるという問題がある。 However, the activation methods that have been proposed so far are mainly the method of activation immediately after the battery is manufactured or the method of connecting a fuel supply pipe or external power to the battery. Therefore, there is a problem that it is difficult to apply to a small fuel cell system for a portable device that becomes a device.
また、長期間放置後にはシステムの分解を必要とする手法が多く、装置化された燃料電池システムに対して簡便な手法で適用可能な新たな活性化手法が必要となっている。 In addition, there are many methods that require disassembly of the system after being left for a long period of time, and a new activation method that is applicable to a device-equipped fuel cell system by a simple method is required.
したがって、本発明は、燃料電池発電部を組み込んで装置化された燃料電池の活性化を簡便に行うことを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to easily activate a fuel cell that is built into a device incorporating a fuel cell power generation unit.
図1は本発明の原理的構成図であり、ここで図1を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図1参照
上記の課題を解決するために、本発明は、燃料電池の活性化方法において、燃料を酸化する燃料極2と少なくとも酸素を活物質として還元する空気極3により電解質層4を挟持しガス拡散層5,6を備えた電極構造体と備えた発電部1の空気極3への酸素供給を遮断した状態で燃料極2に燃料を供給し、開回路状態で所定時間放置することを特徴とする。
FIG. 1 is a block diagram showing the principle of the present invention, and means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
See FIG. 1 In order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides a fuel cell activation method in which an
このように、燃料電池の活性化手段として、発電部1の空気極3への酸素供給を遮断した状態で燃料極2に燃料を供給し開回路状態で所定時間放置するという簡単な構成にすることによって、エンドユーザ側において簡単に活性化することが可能になる。
As described above, as a means for activating the fuel cell, a simple configuration is adopted in which fuel is supplied to the
このように、燃料電池の空気極3への空気供給を遮断しつつ燃料供給を行い開回路状態に保持した場合、空気遮断後の残スペースにある酸素は、電解質層4を通してクロスリークしてきた燃料極2側の燃料と酸化反応を起こすが、この時、触媒表面には酸化反応によるコンタミの付着が想定される。
In this way, when the fuel is supplied while shutting off the air supply to the
酸素が残スペースに存在する間は開回路電圧として燃料電池の正常な電圧が確認されるが、この残存酸素が完全に消費されると発電部1の内部は無酸素状態でメタノール等の燃料が充満することとなり、この状態では発電部1の内部は還元雰囲気となると考えられるため、触媒表面に付着した酸化物コンタミを除去可能となり、結果として触媒表面の清浄が完了する。
While oxygen is present in the remaining space, the normal voltage of the fuel cell is confirmed as an open circuit voltage. However, when the remaining oxygen is completely consumed, the interior of the
また、燃料電池システム放置時の開回路状態としては、単電池当たりの開回路電圧が0.3V以下となる状態を目処にすれば良い。
即ち、無酸素状態では開回路電圧として燃料電池の正常な電圧が確認できなくなり、大きく電位ドロップして安定化するので開回路電圧に着目することができる。
この場合、目処とする電圧としては、電位ドロップして安定化する電圧より若干高い電圧である0.3Vを目処にすれば良い。
Further, as an open circuit state when the fuel cell system is left, a state where the open circuit voltage per unit cell is 0.3 V or less may be set as a target.
That is, in an anoxic state, the normal voltage of the fuel cell cannot be confirmed as an open circuit voltage, and the potential drops and stabilizes, so that the open circuit voltage can be focused.
In this case, the target voltage may be 0.3 V, which is a voltage slightly higher than the voltage that drops and stabilizes.
また、上述の構成の燃料電池に用いる燃料は、小型燃料電池において好適とされるDMFCに使用される燃料であるメタノール或いはメタノール水溶液のいずれかが好適である。
なお、燃料が濃度80%以上の高濃度メタノール水溶液である場合には、燃料を気化して発電部1に供給することになる。
Moreover, the fuel used for the fuel cell having the above-described configuration is preferably either methanol or an aqueous methanol solution, which is a fuel used in a DMFC suitable for a small fuel cell.
When the fuel is a high concentration methanol aqueous solution having a concentration of 80% or more, the fuel is vaporized and supplied to the
また、活性化時に供給する燃料は、活性化専用カートリッジから供給することが望ましく、それによって、発電用の燃料カートリッジの燃料を発電以外に消費することがないので、カートリッジ交換周期を長くすることができる。 In addition, it is desirable that the fuel supplied at the time of activation is supplied from an activation-dedicated cartridge, so that the fuel in the fuel cartridge for power generation is not consumed except for power generation, so that the cartridge replacement cycle can be lengthened. it can.
また、活性化時に空気遮断するためには、燃料電池の空気供給口7を活性化専用トレイにより閉鎖して良いし、燃料電池自体に閉鎖用シャッター部材を設けて閉鎖用シャッター部材により閉鎖しても良い。 In order to shut off the air when activated, the air supply port 7 of the fuel cell may be closed by an activation tray, or a closing shutter member may be provided on the fuel cell itself and closed by the closing shutter member. Also good.
また、本発明は、燃料を酸化する燃料極2と、少なくとも酸素を活物質として還元する空気極3と、燃料極2と空気極3とにより挟持された電解質層4と、ガス拡散層5,6とを備えた電極構造体を有する発電部1を内蔵した燃料電池システムにおいて、発電部1の空気極3への酸素供給を遮断した状態で燃料極2に燃料を供給するための空気遮断機構8を有することを特徴とする。
The present invention also includes a
このように、携帯電話等の燃料電池を搭載した燃料電池システムにおいて、発電部1の空気極3への酸素供給を遮断した状態で燃料極2に燃料を供給するための空気遮断機構8を設けることによって、エンドユーザ側において簡便に燃料電池を活性化することが可能になる。
As described above, in a fuel cell system equipped with a fuel cell such as a cellular phone, an air shut-
本発明によれば、燃料電池の活性化処理のために、特別な燃料供給管や外部電力の接続を必要とせず、簡便な構成・方法によりエンドユーザ側において燃料電池の活性化が可能になる。 According to the present invention, it is possible to activate the fuel cell on the end user side with a simple configuration and method without requiring connection of a special fuel supply pipe or external power for the activation process of the fuel cell. .
本発明は、燃料電池の活性化方法において、燃料を酸化する燃料極と少なくとも酸素を活物質として還元する空気極により電解質層を挟持し気化燃料拡散層を備えた電極構造体とを備えた発電部の記空気極への酸素供給を、燃料電池の空気供給口を活性化専用トレイ或いは燃料電池自体に設けた閉鎖用シャッター部材より閉鎖して遮断した状態で燃料極にメタノール或いはメタノール水溶液のいずれかからなる燃料を供給し、開回路状態で所定時間放置することによって、残存酸素が完全に消費されることにより発電部の内部が無酸素状態で燃料が充満し、この状態では発電部の内部を還元雰囲気として、触媒表面に付着した酸化物コンタミを除去・清浄して活性化するものである。 The present invention relates to a method for activating a fuel cell, wherein a power generation includes a fuel electrode that oxidizes fuel and an electrode structure that includes a vaporized fuel diffusion layer sandwiched between an electrolyte layer by an air electrode that reduces at least oxygen as an active material. In the state where the oxygen supply to the air electrode is shut off by closing the air supply port of the fuel cell with a closing shutter member provided on the activation tray or the fuel cell itself, either methanol or aqueous methanol solution is supplied to the fuel electrode. By supplying this fuel and leaving it in the open circuit state for a predetermined time, the remaining oxygen is completely consumed, so that the inside of the power generation unit is filled with oxygen in an oxygen-free state. As a reducing atmosphere, oxide contaminants adhering to the catalyst surface are removed, cleaned and activated.
ここで、図2乃至図7を参照して本発明の実施例1の燃料電池システムを説明する。
図2参照
図2は、本発明が適用される燃料電池の内部構造を示す概念的断面図であり、燃料電池発電部は空気極側よりカソードハウジング11、空気極集電体12、空気極ガス拡散層13、正極に相当する空気極触媒層14、固体電解質層15、負極に相当する燃料極触媒層16、燃料極ガス拡散層17、燃料極集電体18、気化燃料拡散層19からなり、気化燃料拡散層19には隣接する形で燃料気化層20及び燃料21を保持する燃料タンク22が配置されている。
Here, the fuel cell system according to
See Figure 2
FIG. 2 is a conceptual cross-sectional view showing the internal structure of a fuel cell to which the present invention is applied. The fuel cell power generation unit is arranged from the air electrode side to the
また、気化燃料拡散層19はその端部が燃料電池発電部系外に露出した構造をとり、その露出部が燃料が酸素反応して生成される炭酸ガスの排出口23となる。
これら燃料電池発電部を空気の供給口となるガス交換口24が形成されたケース25に内蔵させると共に、燃料電池発電部とケース25の間にはガス交換スペース26を設置する。
Further, the vaporized
These fuel cell power generation units are built in a
この場合、空気極集電体12及び燃料極集電体18は、例えば、表面がAuメッキされたSUS304,SUS316など導電性を持ち耐食性の高い合金からなり、燃料21及び空気中の酸素をそれぞれ燃料極触媒層16及び空気極触媒層14に導入できるようメッシュ、エキスパンドメタル、発泡金属などの形状で構成される。
In this case, the air electrode
また、空気極ガス拡散層13及び燃料極ガス拡散層17は、燃料21及び空気中の酸素をそれぞれ燃料極触媒層16及び空気極触媒層14に導入できるよう多孔質体の形状とし、燃料極触媒層16及び空気極触媒層14と燃料極集電体18及び空気極集電体12と間に配置されたときには導電性を持つ必要があり、例えばカーボンペーパ(東レ製)等を用いる。
The air electrode
また、空気極触媒層14はプロトン(H+ )と酸素(O2 )から水を生成する電気化学反応を生じることが可能な触媒または触媒担持体とプロトン伝導性高分子固体電解質を混合し、空気極ガス拡散層13または固体電解質層15に塗布したものである。
The air
また、固体電解質15はプロトン伝導性を持つ高分子材料であり、例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、具体的には、例えば、Nafion(登録商標)N112(デュポン社製商品名)を用いる。
The
また、燃料タンク22に内蔵された燃料気化層16は、燃料21と気化燃料拡散層19を分離可能にできる膜であり、表面張力による分離性を持つ多孔質膜や浸透含浸性のある非多孔質高分子材料が好適である。
例えば、高濃度メタノール水溶液に対する不溶性の点からパーフルオロ系樹脂膜であるNafion(デュポン社登録商標)、フレミオン(旭硝子社製商品名)、アシプレックス(旭化成社製商品名)を用いることができる。
Further, the
For example, Nafion (registered trademark of DuPont), Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and Aciplex (trade name, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), which are perfluoro resin films, can be used because they are insoluble in a high concentration aqueous methanol solution.
図3参照
図3は、本発明の実施例1の燃料電池システムの概略的斜視図であり、ここでは、携帯電話等の携帯電子機器を例にして説明する。
図2に示した燃料電池を搭載した電子機器30の筐体31には燃料電池のガス交換口24が露出するように開口32と、燃料カートリッジを挿入・取り出しするための開閉式のカバー33が設けられている。
なお、この場合は、上述の燃料タンク22をカートリッジとして交換することで燃料交換を行う交換型燃料タンクタイプとして示している。
See Figure 3
FIG. 3 is a schematic perspective view of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. Here, a portable electronic device such as a mobile phone will be described as an example.
The
In this case, the fuel tank 22 is shown as a replaceable fuel tank type in which fuel is replaced by replacing the fuel tank 22 as a cartridge.
図4参照
図4は、本発明の実施例1の燃料電池システムを活性化処理する場合の装置構成図であり、エージング用カートリッジ34とエージング用トレイ35を用いて活性化処理を行う。
この場合のエージング用カートリッジ34は、例えば、使い捨て型のカートリッジであり、このエージング用カートリッジ34には、一回の活性化処理、即ち、エージングに必要なだけの燃料が充填されている。
See Figure 4
FIG. 4 is an apparatus configuration diagram when the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention is activated. The activation process is performed using the aging
The aging
また、エージング用トレイ35は、例えば、プラスチック製であり、電子機器30の筐体31の下部とタイトに嵌合するように構成されており、開口32はエージング用トレイ35の内側面により密閉される。
Further, the aging
なお、エージング用カートリッジ34に搭載される燃料量及びエージング時間はガス交換口24の密閉時に残スペースに残る酸素量及びその酸素の消費時間を基に予め設定する。
The amount of fuel and the aging time mounted on the aging
このように、電子機器30にエージング用カートリッジ34を装着するとともに、エージング用トレイ35を予め定めた規定時間放置したのち、エージング用トレイ35から電子機器30を取り出すとともに、エージング用カートリッジ34を取り出して活性化処理終了となる。
In this way, the aging
次に、図5乃至図7を参照して、本発明の実施例1における活性化処理の効果を説明する。
なお、ここでは、上述の燃料電池の各構成要素において下記の材料を使用した。
・燃料極触媒:Pt−Ru合金担持触媒TEC61E54(田中貴金属社製商品型番)
・空気極触媒:Pt担持触媒TEC10E50E(田中貴金属社製商品型番)
・固体電解質膜:Nafion(登録商標)N112(デュポン社製商品型番)
・触媒混合・担持固体電解質:Nafion(登録商標)20042(デュポン社製商品 型番)
・親水性多孔質膜:デュラポアメンブレンフィルターHVLP14250(日本ミリポア 製商品名)
Next, the effect of the activation process in the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
Here, the following materials were used in the respective components of the fuel cell described above.
-Fuel electrode catalyst: Pt-Ru alloy supported catalyst TEC61E54 (Product model number, Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.)
-Air electrode catalyst: Pt-supported catalyst TEC10E50E (Product model number, Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.)
Solid electrolyte membrane: Nafion (registered trademark) N112 (product model number manufactured by DuPont)
・ Catalyst mixing / Supported solid electrolyte: Nafion (registered trademark) 20042 (Product number manufactured by DuPont)
・ Hydrophilic porous membrane: Durapore membrane filter HVLP14250 (Nippon Millipore product name)
図5参照
図5は、本発明の実施例1における活性化処理中の単電池の電圧降下の説明図であり、酸素が残スペースに存在する間は開回路電圧として燃料電池の正常な電圧が確認されるが、この残存酸素が完全に消費されると発電が起こらなくなり、開回路電圧として燃料電池の正常な電圧が確認できなくなり、大きく電位ドロップして安定化する。
See Figure 5
FIG. 5 is an explanatory diagram of the voltage drop of the unit cell during the activation process in Example 1 of the present invention, and the normal voltage of the fuel cell is confirmed as an open circuit voltage while oxygen is present in the remaining space. However, when this residual oxygen is completely consumed, power generation does not occur, the normal voltage of the fuel cell cannot be confirmed as an open circuit voltage, and the potential drops greatly and stabilizes.
したがって、開回路電圧に着目することにより活性化処理が行われていると判断すれば良く、そのための目処とする電圧としては、電位ドロップして安定化する電圧より若干高い電圧である0.3Vを目処にすれば良く、活性化処理に必要な時間、例えば、50分を予め実験的に確認しておけば良い。 Therefore, it is only necessary to determine that the activation process is performed by paying attention to the open circuit voltage, and the target voltage for that purpose is 0.3 V, which is slightly higher than the voltage that drops and stabilizes. The time required for the activation process, for example, 50 minutes may be experimentally confirmed in advance.
この活性化処理において、残存酸素が完全に消費されると発電部の内部は無酸素状態で燃料21に含まれるメタノールが充満することとなり、この状態では発電部の内部は還元雰囲気となると考えられるため、燃料極触媒層16の表面に付着した酸化物コンタミを還元除去可能となり、結果として触媒表面の清浄が完了する。
In this activation process, when the remaining oxygen is completely consumed, the inside of the power generation unit is oxygen-free and is filled with methanol contained in the
図6参照
図6は、本発明の実施例1における活性化処理のフローチャートであり、燃料電池システムを組み立てたのち発電を行って放電による出力を測定したのち、燃料カートリッジをエージング用カートリッジ33と交換して、上述のように所定時間のエージングを行い、次いで、エージング用カートリッジ33を燃料カートリッジに交換したのち発電を行って放電による出力を測定する。
See FIG.
FIG. 6 is a flowchart of the activation process in the first embodiment of the present invention. After assembling the fuel cell system, generating power and measuring the output due to discharge, the fuel cartridge is replaced with the aging
ここでは、本発明の実施例1の活性化処理の効果を比較評価するために、実施例1と同様の構造を持つ評価用燃料電池システムについて、活性化処理を行わずに発電を行い、処理前後での両方の燃料電池出力を比較した。
比較例においては、単に、燃料カートリッジを交換するだけで、活性化処理を行わずに、二度の放電による出力を測定した。
Here, in order to compare and evaluate the effects of the activation process of the first embodiment of the present invention, the evaluation fuel cell system having the same structure as that of the first embodiment performs power generation without performing the activation process, Both fuel cell outputs before and after were compared.
In the comparative example, the output due to the two discharges was measured simply by replacing the fuel cartridge without performing the activation process.
図7参照
図7は、活性化処理前後の出力の比較図であり、本発明の実施例1の場合には、組立直後の初期出力を100とすると、活性化処理後の出力は162となり、出力が62%上昇しているのが確認された。
一方、比較例においては、二度の放電による出力に変化はみられなかった。
See FIG.
FIG. 7 is a comparison diagram of the output before and after the activation process. In the first embodiment of the present invention, if the initial output immediately after assembly is 100, the output after the activation process is 162 and the output is 62. % Increase was confirmed.
On the other hand, in the comparative example, there was no change in the output due to the two discharges.
これは、燃料電池システムの組立直後においては、固体電解質層の保水状態が良好になるまでイオン伝導度が低かったり、或いは、触媒表面の酸化や酸化物コンタミの付着などにより十分な反応場を形成できなかったりして燃料電池の発電性能が十分に発揮できなかったものが、活性化処理中に固体電解質層の保水状態が良好になり、また、触媒表面の酸化や酸化物コンタミが還元作用により除去されたためと考えられる。
なお、1回目の放電は本発明の効果を確認するために行ったものであり、実際の活性化処理の必要条件ではない。
Immediately after assembly of the fuel cell system, the ion conductivity is low until the water retention state of the solid electrolyte layer becomes good, or a sufficient reaction field is formed by oxidation of the catalyst surface or adhesion of oxide contamination. If the power generation performance of the fuel cell could not be fully demonstrated due to failure, the water retention state of the solid electrolyte layer became good during the activation process, and oxidation and oxide contamination on the catalyst surface were reduced due to the reducing action. It is thought that it was removed.
The first discharge is performed to confirm the effect of the present invention, and is not a necessary condition for the actual activation process.
次に、図8を参照して、本発明の実施例2の燃料電池システムを説明する。
図8参照
図8は、本発明の実施例2の燃料電池システムの概略的斜視図であり、基本的構成は上記の実施例1と同様に、図2に示した燃料電池を搭載した電子機器40の筐体41には燃料電池のガス交換口24が露出するように開口42が設けられるとともに、この開口42を遮蔽するためにスライド式のシャッター43とシャッター開閉ボタン44が設けられている。
また、筐体41には、燃料カートリッジを挿入・取り出しするための開閉式のカバー45が設けられている。
Next, a fuel cell system according to Example 2 of the present invention will be described with reference to FIG.
See FIG.
FIG. 8 is a schematic perspective view of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. The basic configuration is the same as in the first embodiment, and the housing of the
The housing 41 is provided with an openable / closable cover 45 for inserting and removing the fuel cartridge.
この実施例2における活性化処理に際しては、シャッター開閉ボタン44を作動させるシャッター開閉用突起47を有するエージング用カートリッジ46を装着して、シャッター43により開口42を密閉したのち、予め定めた所定時間放置して活性化処理を行う。
In the activation process in the second embodiment, an aging cartridge 46 having a shutter opening /
このエージング用カートリッジ46の装着時に、シャッター開閉用突起47がシャッター開閉ボタン44を作動させてシャッター43が自動的にスライドして開口42を閉鎖するため、カートリッジ装着のみで活性化処理開始となる。
なお、燃料カートリッジには、シャッター開閉用突起47が設けられていないので、通常の発電時に、燃料カートリッジを装着してもシャッター43がスライドすることはないので、空気は通常にガス交換口24から取り込まれる。
When the aging cartridge 46 is mounted, the shutter opening /
Since the fuel cartridge is not provided with the shutter opening /
そして、規定時間放置したのち、エージング用カートリッジ46を取り出すことによって活性化処理終了となるが、この時、シャッター開閉ボタン44はシャッター開閉用突起47の押圧から開放されることによって、シャッター43が自動的に逆方向にスライドして開口42を開放することになる。
Then, after leaving for a predetermined time, the aging cartridge 46 is taken out to complete the activation process. At this time, the shutter opening /
この本発明の実施例2においては、エージング用トレイが不要であるので、長期出張中でも、エージング用トレイを携行することなく何時でも活性化処理が可能になるため、常に高出力を得ることができる。 In the second embodiment of the present invention, since an aging tray is not required, an activation process can be performed at any time without carrying the aging tray even during a long-term business trip, so that a high output can always be obtained. .
以上、本発明の各実施例を説明したが、本発明は各実施例に示した構成、条件、数値に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、上記の各実施例においては、活性化処理において使用するエージング用カートリッジを燃料を一回の活性化処理に必要な少量を充填したカートリッジとしているが、燃料カートリッジと同様に燃料を満タンにしたエージング用カートリッジを用いても良く、その場合には、燃料の残量或いは活性化処理回数を表示する機能を持たせることが望ましい。 The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the configurations, conditions, and numerical values shown in the embodiments, and various modifications are possible. For example, in the above embodiments, The aging cartridge used in the activation process is a cartridge filled with a small amount of fuel necessary for one activation process, but an aging cartridge filled with fuel as well as the fuel cartridge may be used. In that case, it is desirable to have a function of displaying the remaining amount of fuel or the number of activation processes.
さらには、実施例1の場合には、エージング用カートリッジではなく、燃料カートリッジ自体を用いて活性化処理を行っても良いものであり、この場合には、エージング用カートリッジを携行することなく何時でも活性化処理が可能になるため、常に高出力を得ることができる。
但し、燃料カートリッジの使用寿命が短くなる。
Further, in the case of the first embodiment, the activation process may be performed using the fuel cartridge itself instead of the aging cartridge. In this case, the aging cartridge is not carried at any time. Since the activation process becomes possible, a high output can always be obtained.
However, the service life of the fuel cartridge is shortened.
また、上記の各実施例においては、燃料として濃度が80%以上の高濃度メタノール水溶液或いは100%のメタノールを用いて気化供給式としているが、濃度が80%以下の低濃度メタノール水溶液を用いて液体直接供給式としても良いものである。
なお、この場合には、気化燃料拡散層は不要になる。
In each of the above-described embodiments, the fuel supply type is a high-concentration methanol aqueous solution having a concentration of 80% or more or 100% methanol as the fuel, but a low-concentration methanol aqueous solution having a concentration of 80% or less is used. It is good also as a liquid direct supply type.
In this case, the vaporized fuel diffusion layer is unnecessary.
ここで、再び図1を参照して、改めて、本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図1参照
(付記1) 燃料を酸化する燃料極2と少なくとも酸素を活物質として還元する空気極3により電解質層4を挟持しガス拡散層5,6を備えた電極構造体を備えた発電部1の前記空気極3への酸素供給を遮断した状態で前記燃料極2に燃料を供給し、開回路状態で所定時間放置することを特徴とする燃料電池の活性化方法。
(付記2) 上記燃料電池システム放置時の開回路状態が、単電池当たりの開回路電圧が0.3V以下となる状態であることを特徴とする付記1記載の燃料電池の活性化方法。
(付記3) 上記燃料が、メタノール或いはメタノール水溶液のいずれかであることを特徴とする付記1または2に記載の燃料電池の活性化方法。
(付記4) 上記燃料が、濃度80%以上の高濃度メタノール水溶液であり、前記燃料を気化して上記発電部1に供給することを特徴とする付記1または2に記載の燃料電池の活性化方法。
(付記5) 上記活性化時に供給する燃料を、活性化専用カートリッジから供給することを特徴とする付記1乃至4のいずれか1に記載の燃料電池の活性化方法。
(付記6) 上記活性化時に、燃料電池の空気供給口7を活性化専用トレイにより閉鎖することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1に記載の燃料電池の活性化方法。
(付記7) 上記活性化時に、燃料電池の空気供給口7を前記燃料電池に設けた閉鎖用シャッター部材により閉鎖することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1に記載の燃料電池の活性化方法。
(付記8) 燃料を酸化する燃料極2と、少なくとも酸素を活物質として還元する空気極3と、前記燃料極2と空気極3とにより挟持された電解質層4と、ガス拡散層5,6とを備えた電極構造体を有する発電部1を内蔵した燃料電池システムであって、前記発電部1の空気極3への酸素供給を遮断した状態で燃料極2に燃料を供給するための空気遮断機構8を有することを特徴とする燃料電池システム。
(付記9) 上記空気遮断機構8が、上記燃料電池の空気供給口7を閉鎖する活性化専用トレイであることを特徴とする燃料電池システム。
(付記10) 上記空気遮断機構8が、上記燃料電池の空気供給口7を閉鎖する前記燃料電池に設けた閉鎖用シャッター部材であることを特徴とする燃料電池システム。
Here, referring to FIG. 1 again, the detailed features of the present invention will be described again.
Again see Figure 1
(Additional remark 1) The said electric
(Supplementary note 2) The fuel cell activation method according to
(Additional remark 3) The said fuel is either methanol or methanol aqueous solution, The activation method of the fuel cell of
(Supplementary note 4) The fuel cell activation according to
(Supplementary note 5) The fuel cell activation method according to any one of
(Appendix 6) The fuel cell activation method according to any one of
(Appendix 7) The fuel cell activity according to any one of
(Supplementary Note 8) A
(Supplementary Note 9) The fuel cell system, wherein the air shut-off
(Additional remark 10) The said air interruption | blocking
本発明の活用例としては、携帯電話に搭載する燃料電池が典型的なものであるが、PAD或いはノート型パソコン等の他の携帯電子機器の電源としても使用されるものであり、さらには、携帯電子機器の電源に限られるものではなく、デスクトップ型のパーソナルコンピュータや他の比較的大型の電子機器の電源としても使用されるものである。 As a utilization example of the present invention, a fuel cell mounted on a cellular phone is typical, but it is also used as a power source for other portable electronic devices such as a PAD or a notebook personal computer, It is not limited to the power source of portable electronic devices, but is also used as a power source for desktop personal computers and other relatively large electronic devices.
1 発電部
2 燃料極
3 空気極
4 電解質層
5 ガス拡散層
6 ガス拡散層
7 空気供給口
8 空気遮断機構
11 カソードハウジング
12 空気極集電体
13 空気極ガス拡散層
14 空気極触媒層
15 固体電解質層
16 燃料極触媒層
17 燃料極ガス拡散層
18 燃料極集電体
19 気化燃料拡散層
20 燃料気化層
21 燃料
22 燃料タンク
23 排出口
24 ガス交換口
25 ケース
26 ガス交換スペース
30 電子機器
31 筐体
32 開口
33 カバー
34 エージング用カートリッジ
35 エージング用トレイ
40 電子機器
41 筐体
42 開口
43 シャッター
44 シャッター開閉ボタン
45 カバー
46 エージング用カートリッジ
47 シャッター開閉用突起
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