JP2008218058A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell using liquid fuel.
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。 In recent years, attempts have been made to use a fuel cell as a power source for portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones so that they can be used for a long time without being charged. A fuel cell is characterized in that it can generate electric power simply by supplying fuel and air, and can generate electric power continuously for a long time if fuel is replenished. For this reason, if the fuel cell can be reduced in size, it can be said that the system is extremely advantageous as a power source for portable electronic devices.
直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。DMFCにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。 A direct methanol fuel cell (DMFC) is promising as a power source for portable electronic devices because it can be miniaturized and the fuel can be easily handled. As the liquid fuel supply method in the DMFC, there are known an active method such as a gas supply type and a liquid supply type, and a passive method such as an internal vaporization type in which the liquid fuel in the fuel container is vaporized inside the cell and supplied to the fuel electrode. It has been.
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はDMFCの小型化に対して特に有利である。パッシブ型DMFCにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体(燃料電池セル)を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている(例えば特許文献1及び2参照)。燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型DMFCでは必ずしも十分な出力制御性は得られていない。
Among these, a passive system such as an internal vaporization type is particularly advantageous for downsizing of the DMFC. In the passive DMFC, for example, a structure is proposed in which a membrane electrode assembly (fuel cell) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode is disposed on a fuel containing portion made of a resin box-like container ( For example, see
一方で、パッシブ型DMFCにおいて、燃料電池セル(電極膜構造体)と燃料収容部(燃料収容部)とを接合する構造として、燃料収容部のフランジ部に電極膜構造体を重ね、カバープレートの周縁部を電極膜構造体の外周、フランジ部の外周及び背面周縁部に沿って折り曲げ、電極膜構造体及びフランジ部をカバープレートの周縁部で挟みつけることにより、燃料収容部を電極膜構造体に対して固定する構造が提案されている(例えば特許文献3参照)。
この発明の目的は、小型化を損なうことなく組立作業の容易性を向上することを可能とした構造を有し、しかも、信頼性に優れ且つ出力を安定化させることを可能にした燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell having a structure capable of improving the ease of assembly work without impairing downsizing, and having excellent reliability and stabilizing the output. It is to provide.
この発明の第1の態様による燃料電池は、
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれた電解質膜と、を有する膜電極接合体を備える起電部と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に対して燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記燃料供給機構は、前記膜電極接合体を収容するための収容部を有することを特徴とする。
The fuel cell according to the first aspect of the present invention comprises:
An electromotive part comprising a membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A fuel supply mechanism that is disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly and supplies fuel to the fuel electrode;
The fuel supply mechanism includes an accommodating portion for accommodating the membrane electrode assembly.
この発明の第2の態様による燃料電池は、
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれた電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
液体燃料を収容し、前記液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する液体燃料収容部と、
前記液体燃料収容部の開口を塞ぐように配置され、前記液体燃料の気化成分を前記膜電極接合体に向けて透過させる気液分離膜と、を備え、
前記液体燃料収容部は、前記気液分離膜及び前記膜電極接合体を収容するための収容部を有することを特徴とする。
A fuel cell according to a second aspect of the present invention comprises:
A membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A liquid fuel containing portion containing liquid fuel and having an opening for deriving a vaporized component of the liquid fuel;
A gas-liquid separation membrane that is disposed so as to close the opening of the liquid fuel storage portion and allows a vaporized component of the liquid fuel to permeate toward the membrane electrode assembly,
The liquid fuel storage unit includes a storage unit for storing the gas-liquid separation membrane and the membrane electrode assembly.
この発明によれば、小型化を損なうことなく組立作業の容易性を向上することを可能とした構造を有し、しかも、信頼性に優れ且つ出力を安定化させることを可能にした燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a fuel cell having a structure capable of improving the ease of assembly work without impairing downsizing, and having excellent reliability and stabilizing output. Can be provided.
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。 A fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、この実施の形態に係る燃料電池1の外観を示す平面図であり、図2は、図1に示した燃料電池1を第1方向(ここでは燃料電池1の長手方向)Hに沿って切断した断面を示す図であり、図3は、図1に示した燃料電池1を第2方向(ここでは燃料電池1の長手方向に直交する方向)Vに沿って切断した断面を示す図である。
FIG. 1 is a plan view showing the appearance of a
この実施の形態において、燃料電池1は、燃料電池1の起電部を構成する燃料電池セル2と、燃料電池セル2に対して燃料を供給する燃料供給機構30と、を備えて構成されている。
In this embodiment, the
図2及び図3に示すように、燃料電池1において、燃料電池セル2は、アノード触媒層11とアノードガス拡散層12とを有するアノード(燃料極)13と、カソード触媒層14とカソードガス拡散層15とを有するカソード(空気極/酸化剤極)16と、アノード触媒層11とカソード触媒層14とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜17とから構成される膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を有している。
As shown in FIGS. 2 and 3, in the
アノード触媒層11やカソード触媒層14に含有される触媒としては、例えば白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、パラジウム(Pd)等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層11にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等を用いることが好ましい。カソード触媒層14にはPtやPt−Ni等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
Examples of the catalyst contained in the
電解質膜17を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)やフレミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜17はこれらに限られるものではない。 Examples of the proton conductive material constituting the electrolyte membrane 17 include a fluorine-based resin (Nafion (trade name, manufactured by DuPont) or Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) such as a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfonic acid group. Etc.), organic materials such as hydrocarbon resins having a sulfonic acid group, or inorganic materials such as tungstic acid and phosphotungstic acid. However, the proton conductive electrolyte membrane 17 is not limited to these.
アノード触媒層11に積層されるアノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層11の集電体も兼ねている。カソード触媒層14に積層されるカソードガス拡散層15は、カソード触媒層14に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層14の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層12及びカソードガス拡散層15は多孔質基材で構成されている。
The anode
アノードガス拡散層12やカソードガス拡散層15には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えば金(Au)のような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜または箔体、あるいはステンレス鋼(SUS)などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。
A conductive layer is laminated on the anode
なお、図2および図3において、燃料電池セル2は単体で説明しているが、同一の電解質膜17上に複数のアノードおよびカソードを対向して形成し、それらを直接に電気的に接続した構造であっても良い。
2 and 3, the
図1乃至図4に示すように、燃料供給機構30は、燃料電池セル2のアノード(燃料極)13側に配置され、燃料電池セル2のアノード13に対して燃料を供給するものである。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
この燃料供給機構30は、燃料供給部31を備えている。また、この燃料供給機構30は、燃料供給部31に供給される液体燃料を収容する図示しない燃料収容部を備えている。燃料収容部は、燃料電池セル2に対応した液体燃料を収容しており、液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池セル2に応じた液体燃料が使用される。
The
燃料供給部31と燃料収容部とは、図示しない配管のような液体燃料の流路を介して接続されている。つまり、燃料供給部31には、燃料収容部から流路を介して液体燃料が導入される。流路は、燃料供給部31や燃料収容部と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部31と燃料収容部とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。
The
燃料供給部31は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口32と、燃料注入口32から注入された液体燃料やその気化成分を供給する燃料供給口33と、燃料注入口32と燃料供給口33とを繋ぐ細管34と、を有している。ここで示した燃料供給部31の例では、燃料注入口32及び燃料供給口33は、それぞれ1箇所である。
The
また、燃料供給部31は、その上部に、少なくとも燃料電池セル2を収容するための収容部31Aを有している。すなわち、燃料供給部31は、燃料供給口33が形成された底面35と、この底面35から突出した壁部36と、を有しており、これらの底面35及び壁部36によって収容部31Aが形成されている。
Further, the
この実施の形態においては、壁部36は、燃料電池セル2を囲むような枠状に形成されている。より具体的には、略矩形平板状の燃料電池セル2に対して、壁部36は、4辺に配置されている。すなわち、壁部36は、第2方向Vに沿って延在するとともに燃料電池セル2を介して対向する第1側壁36A及び第2側壁36Bと、第1方向Hに沿って延在するとともに燃料電池セルを介して対向する第3側壁36C及び第4側壁36Dと、を含んでいる。
In this embodiment, the
つまり、ここで示した燃料供給部31は、燃料電池セル2に燃料を供給する機能と、燃料電池セル2を収容する機能とを兼ね備えた箱状容器として構成されている。
That is, the
また、この実施の形態において、燃料電池1は、さらに、燃料電池セル2のカソード(空気極)16側に配置されたカバープレート18を備えている。つまり、燃料電池セル2は、収容部31Aの底面35とカバープレート18との間に配置されている。カバープレート18は、酸化剤である空気を取入れるための開口18Aを有している。なお、図2及び図3に示した例では、カバープレート18とカソード16との間には、保湿層20が配置されているが省略しても良い。この保湿層20は、カソード触媒層14で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層14への空気の均一拡散を促進する機能を有している。
In this embodiment, the
さらに、この実施の形態において、燃料電池1は、燃料電池セル2と燃料供給機構30との間に配置され燃料電池セル2をアノード13側から支持する支持板41を備えている。つまり、燃料電池セル2は、支持板41とカバープレート18との間に保持されている。この支持板41は、燃料電池セル2と燃料供給機構30との間に配置された状態において、燃料供給機構30から供給された燃料を燃料電池セル2のアノード13に供給するための開口部APを有している。つまり、この開口部APは、支持板41において、燃料供給機構30側から燃料電池セル2側まで貫通する貫通孔である。
Further, in this embodiment, the
なお、このような支持板41は、省略しても良いが、これを適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、燃料電池セル2と燃料供給機構30との間に支持板41を配置したことにより、燃料供給口33から燃料電池セル2までの距離を確保することができる。このため、燃料供給口33から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。これにより、アノード13の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、燃料電池セル2での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。したがって、燃料電池1の大型化や複雑化等を招くことなく、燃料電池セル2で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池1の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させない燃料電池1の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。
In addition, although such a
また、支持板41により燃料電池セル2を支持するとともに、支持板41とカバープレート18との間で燃料電池セル2を保持するため、燃料電池セル2、特に膜電極接合体の撓みなどの変形を抑制することができ、起電部と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。
Further, since the
さらに、この実施の形態において、燃料電池1は、燃料電池セル2と燃料供給機構30との間に配置された少なくとも1つの多孔体42を備えている。多孔体42の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体42として用いられる。このような多孔体42は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体と、これに交差する(あるいは直交する)方向への拡散性が高い多孔体とを組み合わせて適用しても良い。
Furthermore, in this embodiment, the
なお、このような多孔体42は、省略しても良いが、これを適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、多孔体42を配置することによって、アノード13に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料供給部31の燃料供給口33から供給された液体燃料は一旦多孔体42に吸収され、多孔体42の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体42から支持板41を介してアノード13に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。
In addition, although such a
要するに、図2及び図3に示した例では、燃料電池1は、燃料供給機構30を構成する燃料供給部31の収容部31Aにおいて、底面35上に配置された多孔体42、多孔体42上に配置された支持板41、支持板41上に配置された膜電極接合体を含む燃料電池セル2、燃料電池セル2上に配置された保湿層20を収容し、保湿層20上に配置されたカバープレート18によってこれらを保持している。電解質膜17とカバープレート18との間(図2及び図3に示した例では、電解質膜17と保湿層20との間)、及び、電解質膜17と支持板41との間には、それぞれゴム製のOリングなどのシール材19が介在しており、また、燃料供給部31の底面35と支持板41との間にも同様のシール材SEが介在しており、これらによって燃料電池セル2からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
In short, in the example shown in FIGS. 2 and 3, the
上述したような構成の燃料電池1においては、以下のようなプロセスによって発電する。
In the
すなわち、燃料注入口32から燃料供給部31に導入された液体燃料は、細管34を経由して燃料供給口33に導かれる。燃料供給口33から供給された液体燃料は、気化するとともに広範囲にわたって拡散する。燃料電池セル2のアノード13には、液体燃料の気化成分が供給される。
That is, the liquid fuel introduced from the
燃料電池セル2内において、燃料は、アノードガス拡散層12を拡散してアノード触媒層11に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層11で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
In the
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
この反応で生成した電子(e-)は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード16に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は、電解質膜17を経てカソード16に導かれる。カソード16には、酸化剤として空気が供給される。カソード16に到達した電子(e-)とプロトン(H+)は、カソード触媒層14で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
Electrons (e − ) generated by this reaction are guided to the outside through a current collector, and are guided to the
6e-+6H++(3/2)O2 → 3H2O …(2)
上述した燃料電池1の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせると共に、燃料電池セル2の電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
6e − + 6H + + (3/2) O 2 → 3H 2 O (2)
In the power generation reaction of the
以上のような構成の燃料電池1によれば、燃料供給機構30に燃料電池セル2を収容するための収容部31Aを形成したことにより、他の部材を必要とすることなく燃料電池セル2を収容部31Aに収めるだけで燃料電池セル2と燃料供給機構30とを結合することができる。このため、小型化を損なうことなく組立作業の容易性を向上することが可能となる。
According to the
また、燃料供給機構30に対する燃料電池セル2の相対位置のずれを抑制することができ、燃料漏れを抑制可能とする高いシール性を確保できるとともに、燃料を安定的に燃料電池セル2に供給可能となる。これにより、燃料の利用効率を改善することができ、加えて、出力を安定化させることが可能となる。
In addition, it is possible to suppress the displacement of the relative position of the
また、図2及び図3に示した例のように、燃料電池セル2のほかに、支持板41や多孔体42などの複数の板状部材を有する燃料電池1においては、収容部31Aに順次板状部材を重ね合わせて収容することにより、他の部材を必要とすることなく燃料供給機構30と結合することができる。このため、組立作業の容易性がさらに増すとともに、複数の板状部材間の相互の位置ずれも抑制することができ、出力の安定性を向上することができる。
Further, as in the example shown in FIGS. 2 and 3, in the
また、収容部31Aは、燃料電池セル2を囲むような枠状に形成された壁部36を有しているため、燃料電池セル2をはじめとする他の板状部材を収容部31Aに収めるだけで、燃料供給機構30に対する位置決めがなされ、さらに出力を安定化させることが可能となる。
Moreover, since the
また、収容部31Aの底面35とカバープレート18との間に配置される燃料電池セル2を含む板状部材の総厚は、収容部31Aの壁部36の高さより僅かに大きいことが望ましい。すなわち、壁部36の高さとは、底面35からカバープレート18に向かって突出した壁部36の底面35からの長さに相当する。
Moreover, it is desirable that the total thickness of the plate-like member including the
このような構成を適用することにより、収容部31Aの底面35とカバープレート18との間に配置された燃料電池セル2をその厚み方向に加圧しつつ保持することが可能となる。このため、燃料電池セル2、特に膜電極接合体の撓みなどの変形を抑制することができ、起電部と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。
By applying such a configuration, the
一方で、板状部材の総厚を壁部36の高さより僅かに大きくしたことにより、カバープレート18によって燃料電池セル2を押圧する力が加えられた際に、板状部材のそれぞれが弾性変形しても壁部36の高さより小さく押しつぶされることを抑制でき、燃料電池セル2に過剰の力が加わることによる破損を防止することが可能となる。
On the other hand, since the total thickness of the plate-like member is slightly larger than the height of the
上述したカバープレート18は、燃料供給機構30の壁部36に対してネジにより固定されてもよい。図1乃至図4に示した例では、燃料供給部31の第1側壁36A及び第2側壁36Bは、ネジ穴を有しており、また、カバープレート18もこれらのネジ穴に対応する貫通孔を有している。そして、ネジSCによりカバープレート18が燃料供給機構30に固定されている。
The
なお、壁部36の全体、図4などに示した例では4つの側壁すべてにネジ穴を設けて、4辺すべてをネジにより締結固定しても良いが、ネジ穴を確保するために側壁の幅が広がるため、小型化を図る上では少なくとも1辺、もしくは、対向する2辺について、ネジにより締結固定することが望ましい。また、このネジによる締結固定についても、ネジ穴へのネジの締結により固定してもよいが、ナットを用いての締結固定でもよい。
In the example shown in FIG. 4 or the like, the
また、上述したカバープレート18は、燃料供給機構30の壁部36及び背面周縁部31Bに沿って折り曲げられ、燃料供給機構30に固定されてもよい。図1乃至図4に示した例では、燃料供給部31の第3側壁36C及び第4側壁36Dは、薄板状に形成されている。このような燃料供給部31に対して、収容部31Aに燃料電池セル2などを収容した後、平板状のカバープレート18を重ね合わせ、カバープレート18の周縁部を略直角に折り曲げて第3側壁36C及び第4側壁36Dに密着させ、さらに、カバープレート18の周縁先端部をさらに略直角に折り曲げて燃料供給部31の背面周縁部31Bに密着させる。これにより、カバープレート18は、収容部31Aに各板状部材を収容した状態で燃料供給機構30を挟みつけている。
Further, the
また、上述した燃料供給機構30、特に燃料供給部31は、樹脂材料を用いて形成されることが望ましい。このような場合、当然のことながら、この燃料供給部31と一体の収容部31Aを構成する壁部36なども同一の樹脂材料を用いて形成される。液体燃料としてメタノールを選択する場合には、より望ましくは、燃料供給機構30は、メタノールに対する耐性を有する樹脂材料を用いて形成される。
Further, it is desirable that the above-described
壁部36が枠状に形成されている場合には、燃料電池セル2は、樹脂材料、つまり絶縁体によって囲まれることになる。すなわち、カバープレート18は、主としてステンレスなどの金属製である。一方で、燃料電池セル2に含まれる電解質膜17がシール材19より外部に引き出されている。このため、電解質膜17の端部がカバープレート18の周縁部に触れると、腐食するおそれがある。これに対して、燃料電池セル2を樹脂製の収容部31Aに収容する構成では、カバープレート18と燃料電池セル2との間には、樹脂製の壁部36が介在するため、燃料電池セル2がカバープレート18に接触する接点をなくすことができ、腐食を抑制することが可能となる。
When the
次に、上述した実施の形態の変形例について説明する。 Next, a modification of the above-described embodiment will be described.
燃料供給機構30は、上述した構成に限らず、種々変更が可能である。すなわち、図5に示した変形例においては、燃料供給機構30を構成する燃料供給部31は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口32と、燃料注入口32から注入された液体燃料やその気化成分を供給する複数の燃料供給口33と、燃料注入口32と各燃料供給口33とを繋ぐ細管34と、を有している。
The
なお、この燃料供給部31も上述した実施の形態と同様に、その上部に、少なくとも燃料電池セル2を収容するための収容部31Aを有している。すなわち、燃料供給部31は、複数の燃料供給口33が形成された底面35と、この底面35から突出した壁部36と、を有しており、これらの底面35及び壁部36によって収容部31Aが形成されている。
The
このような構成の燃料供給機構30においては、燃料注入口32から燃料供給部31内に注入された液体燃料を、複数に分岐した細管34を介して複数の燃料供給口33にそれぞれ導くことが可能である。つまり、このような燃料供給機構30を適用することによって、燃料注入口32から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料供給口33に均等に分配することができる。したがって、燃料電池セル2の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。
In the
さらに、燃料注入口32と複数の燃料供給口33とを細管34で接続することによって、燃料電池1の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計が可能となる。例えば、装置装着上の都合から燃料電池1の半分の放熱がよくなってしまうような場合、従来では温度分布が生じてしまい、平均出力の低下が避けられない。これに対して、細管34の形成パターンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料供給口33を密に配置することによって、その部分での発電に伴う発熱を多くすることができる。これによって、面内の発電度合いを均一化することができ、出力低下を抑制することが可能となる。
Further, by connecting the
このような変形例の燃料電池1においても、上述した実施の形態と同様の効果が得られる。
Also in the
上述した実施の形態において、液体燃料を燃料収容部から燃料供給部31まで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料を燃料収容部から燃料供給部31まで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部から燃料供給部31まで送液することができる。
In the embodiment described above, the mechanism for feeding the liquid fuel from the fuel storage unit to the
さらに、燃料収容部から燃料供給部31への送液はポンプで実施してもよい。この場合、例えば、燃料収容部と燃料供給部31との間の流路の途中にポンプを挿入した構成が適用可能である。この場合のポンプは、燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部から燃料供給部31に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプで必要時に液体燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。
Furthermore, liquid feeding from the fuel storage unit to the
ポンプの種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。 The type of pump is not particularly limited, but a rotary vane pump, an electroosmotic pump, a diaphragm pump, It is preferable to use an ironing pump or the like. A rotary vane pump feeds liquid by rotating a wing with a motor. The electroosmotic flow pump uses a sintered porous material such as silica that causes an electroosmotic flow phenomenon. The diaphragm pump is a pump that feeds liquid by driving the diaphragm with an electromagnet or piezoelectric ceramics. The squeezing pump presses a part of the flexible fuel flow path and squeezes the fuel. Among these, it is more preferable to use an electroosmotic pump or a diaphragm pump having piezoelectric ceramics from the viewpoint of driving power, size, and the like.
また、このようなポンプを適用した場合、ポンプの動作を制御する制御回路を追加しても良い。すなわち、燃料供給用(送液用)のポンプの制御は、燃料電池1の出力を参照して行うことが好ましい。このため、燃料電池1の出力を制御回路で検出し、この検出結果に基づいて制御回路からポンプに制御信号が送られる。ポンプは、制御回路から送られた制御信号に基づいてオン/オフが制御される。ポンプの動作は、燃料電池1の出力に加えて、温度情報や電力供給先である電子機器の運転状態情報等に基づいて制御することで、より安定した運転が達成できる。
When such a pump is applied, a control circuit for controlling the operation of the pump may be added. That is, it is preferable to control the fuel supply (liquid feeding) pump with reference to the output of the
さらに、燃料電池1としての安定性や信頼性を高めるために、ポンプと直列に燃料遮断バルブを配置しても良い。この場合、ポンプと燃料供給部31との間の流路に燃料遮断バルブを挿入した構成が適用可能であるが、燃料遮断バルブはポンプと燃料供給部31との間に設置しても機能上の支障はない。燃料遮断バルブとしては、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが使用される。燃料遮断バルブには、その大きさや駆動電力等の観点から、電磁石や圧電セラミックスを用いた電気駆動バルブを使用することが好ましい。さらに、燃料遮断バルブには、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブを使用することが好ましい。
Furthermore, in order to improve the stability and reliability of the
また、燃料供給機構30から燃料電池セル2への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
Further, if the fuel is supplied from the
また、燃料収容部や流路に燃料収容部内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着しても良い。 In addition, a balance valve that balances the pressure in the fuel storage portion with the outside air may be attached to the fuel storage portion or the flow path.
次に、上述したような構成の燃料電池セル2を備えた燃料電池1の他の実施の形態について説明する。
Next, another embodiment of the
図6に示すように、燃料電池1は、燃料電池セル2と、液体燃料収容部70と、気液分離膜80とから主として構成されている。液体燃料収容部70は、メタノールなどの液体燃料を収容するように箱状に構成され、液体燃料の気化成分を導出するための開口71を有している。気液分離膜80は、液体燃料収容部70の開口71を塞ぐように配置され、液体燃料の気化成分を透過するとともに液体燃料を透過させない膜によって形成されている。このような気液分離膜80の材料としては、例えば、シリコン、ポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素系樹脂などが挙げられる。
As shown in FIG. 6, the
また、図6に示した例では、気液分離膜80と燃料電池セル2との間に支持板41が配置されているが、省略しても良い。
In the example shown in FIG. 6, the
上述した液体燃料収容部70は、気液分離膜80及び燃料電池セル2を収容するための収容部70Aを有している。すなわち、液体燃料収容部70は、その底部に、液体燃料を収容する収容部を有しており、また、その上部に、燃料電池セル2等を収容するための収容部70Aを有している。
The liquid
このような他の実施の形態の燃料電池1においても、同様の効果が得られる。
Similar effects can be obtained in the
上述した各実施形態の燃料電池1は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。各実施形態の燃料電池1は、濃度が80wt%以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、濃度が80wt%以上のメタノール水溶液または純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池1に適用することが好ましい。
The
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、MEAに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組合せたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。 The present invention can be applied to various fuel cells using liquid fuel. In addition, the specific configuration of the fuel cell, the supply state of the fuel, and the like are not particularly limited, and all of the fuel supplied to the MEA is liquid fuel vapor, all is liquid fuel, or part is liquid state. The present invention can be applied to various forms such as a vapor of supplied liquid fuel. In the implementation stage, the constituent elements can be modified and embodied without departing from the technical idea of the present invention. Furthermore, various modifications are possible, such as appropriately combining a plurality of constituent elements shown in the above embodiment, or deleting some constituent elements from all the constituent elements shown in the embodiment. Embodiments of the present invention can be expanded or modified within the scope of the technical idea of the present invention, and these expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
1…燃料電池 2…燃料電池セル 13…アノード 16…カソード 17…電解質膜 18…カバープレート 30…燃料供給機構 31…燃料供給部 31A…収容部 31B…背面周縁部 35…底面 36…壁部 41…支持板 42…多孔体 AP…開口部 SE…シール材 SC…ネジ 70…液体燃料収容部 70A…収容部 71…開口 80…気液分離膜
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に対して燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記燃料供給機構は、前記膜電極接合体を収容するための収容部を有することを特徴とする燃料電池。 An electromotive part comprising a membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A fuel supply mechanism that is disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly and supplies fuel to the fuel electrode;
The fuel supply mechanism according to claim 1, wherein the fuel supply mechanism includes an accommodating portion for accommodating the membrane electrode assembly.
前記膜電極接合体は、前記収容部の底面と前記カバープレートとの間に配置されたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。 Furthermore, a cover plate disposed on the air electrode side of the membrane electrode assembly is provided,
The fuel cell according to claim 2, wherein the membrane electrode assembly is disposed between a bottom surface of the housing portion and the cover plate.
液体燃料を収容し、前記液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する液体燃料収容部と、
前記液体燃料収容部の開口を塞ぐように配置され、前記液体燃料の気化成分を前記膜電極接合体に向けて透過させる気液分離膜と、を備え、
前記液体燃料収容部は、前記気液分離膜及び前記膜電極接合体を収容するための収容部を有することを特徴とする燃料電池。 An electromotive part comprising a membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A liquid fuel containing portion containing liquid fuel and having an opening for deriving a vaporized component of the liquid fuel;
A gas-liquid separation membrane that is disposed so as to close the opening of the liquid fuel storage portion and allows a vaporized component of the liquid fuel to permeate toward the membrane electrode assembly,
The fuel cell according to claim 1, wherein the liquid fuel storage unit includes a storage unit for storing the gas-liquid separation membrane and the membrane electrode assembly.
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