JP2008243746A - Fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子機器等の電源として使用される燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device used as a power source for electronic devices and the like.
現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ(以下、ノートPCと称する)、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、液体燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池(以下、DMFCと称する)は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器を始めとする種々の分野での応用が期待されている。 Currently, secondary batteries such as lithium ion batteries are mainly used as power sources for portable notebook personal computers (hereinafter referred to as notebook PCs) and mobile devices. In recent years, a small fuel cell with high output and no need for charging has been expected as a new power source due to an increase in power consumption accompanying the enhancement of functions of these electronic devices and a request for longer use. There are various types of fuel cells. In particular, a direct methanol fuel cell using a methanol solution as a liquid fuel (hereinafter referred to as DMFC) handles fuel more than a fuel cell using hydrogen as a fuel. Since it is easy and the system is simple, it is expected to be applied in various fields including electronic equipment.
通常、DMFCは、メタノールが収容された燃料タンク、メタノールを起電部に圧送する送液ポンプ、および起電部に空気を供給する送気ポンプ等を備えている。起電部は、単セルあるいは複数の単セルを積層したセルスタックを備え、単セルは、アノード(燃料極)およびカソード(空気極)を高分子膜を挟んで積層した層構造を有している。そして、DMFCは、アノードでメタノールを酸化させると同時に、カソードで酸素を還元することにより電気エネルギーを取り出している。 Usually, the DMFC includes a fuel tank in which methanol is stored, a liquid feed pump that pumps methanol to the electromotive unit, an air pump that supplies air to the electromotive unit, and the like. The electromotive unit includes a cell stack in which a single cell or a plurality of single cells are stacked, and the single cell has a layer structure in which an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode) are stacked with a polymer film interposed therebetween. Yes. The DMFC extracts electric energy by oxidizing methanol at the anode and simultaneously reducing oxygen at the cathode.
このような酸化還元反応は常温では進み難いため、セルのアノードおよびカソードは触媒を有して形成されている。例えば、アノードおよびカソードは、白金(Pt)などの触媒を担持したカーボン担体と、電解質、バインダとの混合体により形成されている。ここで、アノード触媒として用いられる白金には、メタノール酸化過程で発生するCOが化学吸着し、最終的に触媒活性能力が喪失する問題がある。このようなCOによる触媒の被毒を抑制するため、アノード触媒として、白金にルテニウムを添加した触媒を用いたアノードが提供されている(例えば、特許文献1)。
上記のように構成されたDMFCにおいて、出力低下の原因とされている現象はいくつかあるが、その中でも、アノード触媒を構成している触媒の一部であるルテニウム(Ru)の溶質が挙げられる。一般に、アノード反応であるメタノールの酸化は、PtとRuとが適切な量存在すると、正常に行われる。 In the DMFC configured as described above, there are several phenomena that are the cause of the decrease in output. Among them, the solute of ruthenium (Ru), which is a part of the catalyst constituting the anode catalyst, can be mentioned. . In general, the oxidation of methanol, which is an anodic reaction, is normally performed when appropriate amounts of Pt and Ru are present.
しかし、Ruは、その金属性質上、長期間の発電動作によりイオン化し、アノード触媒層から剥離、溶質する。溶質したRuは高分子膜内、あるいはカソード触媒層に移動してしまう。このRuの移動現象により、アノード触媒層は最適なPt−Ru合金のバランスが崩れ、Ptリッチとなり、アノードでの化学反応性が低下してしまう。このことが原因となり電池の発電能力低下が引き起こされる。 However, Ru is ionized by a long-term power generation operation due to its metallic properties, and is peeled off and soluted from the anode catalyst layer. The solute Ru moves into the polymer membrane or the cathode catalyst layer. Due to this Ru movement phenomenon, the balance of the optimum Pt—Ru alloy is lost in the anode catalyst layer, and the Pt-rich alloy is lost, resulting in a decrease in chemical reactivity at the anode. This causes a reduction in the power generation capacity of the battery.
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、長時間に亘り安定した発電が可能な燃料電池装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of stable power generation for a long time.
この発明の態様に係る燃料電池装置は、アノード触媒を有したアノードとカソードとが高分子膜を挟んで積層されたセルを有し、化学反応により発電を行う起電部と、燃料を収容した燃料タンクと、前記燃料タンクから供給された燃料を前記起電部のアノードを通して循環させる燃料流路と、前記起電部のカソードを通して空気を供給する気体流路と、を有した循環系と、前記アノード触媒の触媒溶液を前記アノードに供給し前記アノード触媒を前記アノードに補充する補充手段と、を備えている。 A fuel cell device according to an embodiment of the present invention includes a cell in which an anode having an anode catalyst and a cathode are stacked with a polymer film sandwiched therebetween, an electromotive section that generates power by a chemical reaction, and a fuel A circulation system having a fuel tank, a fuel flow path for circulating the fuel supplied from the fuel tank through the anode of the electromotive section, and a gas flow path for supplying air through the cathode of the electromotive section; Replenishment means for supplying a catalyst solution of the anode catalyst to the anode and replenishing the anode catalyst to the anode.
上記構成によれば、長期間の使用において、アノード触媒をアノードに補充することにより、燃料電池の発電性能を改善することができ、長時間に亘り安定した発電が可能な燃料電池装置を提供することができる。 According to the above configuration, a fuel cell device capable of improving the power generation performance of the fuel cell by replenishing the anode with an anode catalyst for a long period of use and capable of stable power generation for a long time is provided. be able to.
以下、図面を参照しながら、この発明の第1の実施形態に係る燃料電池装置について詳細に説明する。
図1は燃料電池装置の循環系の構成を概略的に示している。図1に示すように、燃料電池装置10は、メタノールを液体燃料としたDMFCとして構成されている。燃料電池装置10は、起電部を構成したセルスタック12、燃料タンク22、およびセルスタックに燃料および空気を供給する循環系34、燃料電池装置全体の動作を制御する電池制御部50を備えている。
Hereinafter, a fuel cell device according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 schematically shows the configuration of a circulation system of a fuel cell device. As shown in FIG. 1, the
燃料タンク22は密閉構造を有し、燃料電池装置10に対して脱着自在な燃料カートリッジとして形成されている。燃料タンク22には、液体燃料として高濃度のメタノールが収容されている。燃料を消費した際、燃料タンク22を容易に交換可能となっている。燃料タンク22は、燃料を供給する燃料供給口22aおよび燃料タンク内に空気を取込む空気取込み口22bを有している。燃料供給口22aおよび空気取込み口22bは、例えば、燃料タンク22の側面に形成されている。燃料電池装置の動作時、燃料タンク22は、燃料供給口22aから吐出した燃料の体積分だけ、空気取込み口22bから空気をタンク内に取込む。
The
循環系34は、燃料タンク22の燃料供給口22aから供給された燃料をセルスタック12を通して循環させる燃料流路(液体流路系)36、およびセルスタック12を通して空気を含む気体を循環させる空気流路(気体流路系)38、燃料流路内および空気流路内に設けられた複数の補機を有している。燃料流路36および空気流路38は、それぞれ配管等によって形成されている。また、燃料流路36は、後述する触媒溶液を循環させる触媒流路37としても作用する。
The
図2はセルスタック12の積層構造を示し、図3は各セルの発電反応を模式的に示している。図3および図4に示すように、セルスタック12は、複数、例えば、4つの単セル140と、5枚の矩形板状のセパレータ142とを交互に積層して構成された積層体、および積層体を支持した枠体145を有している。各単セル140は、それぞれ触媒層とカーボンペーパとで構成されたほぼ矩形シート状のカソード52およびアノード47、これらカソード、アノード間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜144とを一体化した膜・電極接合体(MEA)を備えている。カソード52の触媒層は、酸化還元反応を促進する金属成分として白金(Pt)を含んでいる。同様に、アノード47の触媒層は、アノード触媒として、酸化還元反応を促進するPt、および貴金属成分であるルテニウム(Ru)とをほぼ同量含んでいる。高分子電解質膜144は、アノード47およびカソード52よりも大きな面積に形成されている。
FIG. 2 shows the laminated structure of the
アノード触媒としての貴金属化合物は、Ruの他、ルテニウムクロライドハイドレート(RuCl3・xH2O)、オスミウムクロライハイドレート(OsCl3・xH2O)、パラジウムクロライド(PdCl2)、イリジウムクロライド(InCl3)、金クロライド(AuCl3)、ロジウムクロライドハイドレート(RhCl3・xH2O)を用いることができる。 Precious metal compounds as anode catalysts include Ru, ruthenium chloride hydrate (RuCl 3 · xH 2 O), osmium chloride hydrate (OsCl 3 · xH 2 O), palladium chloride (PdCl 2 ), iridium chloride (InCl) 3 ), gold chloride (AuCl 3 ) and rhodium chloride hydrate (RhCl 3 · xH 2 O) can be used.
3つのセパレータ142は、隣合う2つの単セル140間に積層され、他の2つのセパレータは、積層方向両端にそれぞれ積層されている。セパレータ142および枠体145には、各単セル140のアノード47に燃料を供給する燃料流路146、および各単セルのカソード52に空気を供給する空気流路147が形成されている。
The three
図3で示したように、供給された燃料(メタノール水溶液)および空気は、アノード47とカソード52との間に設けられた高分子電解質膜144で化学反応し、これにより、アノードとカソードとの間に電力が発生する。セルスタック12で発生した電力は、電池制御部50を介して図示しない外部機器に供給される。
As shown in FIG. 3, the supplied fuel (methanol aqueous solution) and air chemically react with the
図1に示すように、燃料流路36に設けられた補機は、燃料タンク22の燃料供給口22aに配管接続された燃料ポンプ40、燃料ポンプ40の出力部に配管を介して接続された燃料混合部42、燃料混合部42の出力部に接続された図示しない送液ポンプを備えている。送液ポンプの出力部は燃料流路36を介してセルスタック12のアノード47に接続される。
As shown in FIG. 1, the auxiliary machine provided in the
セルスタック12のアノード47の出力部は燃料流路36および気液分離器44を介して燃料混合部42の入力部に接続されている。セルスタック12のアノード47から排出される排出流体、つまり化学反応に用いられなかった未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素は、気液分離器44へ送られ、ここで、液体と気体とに分離される。分離されたメタノール水溶液は燃料流路36を通して燃料混合部42に戻され、二酸化炭素は空気流路38および排気フィルタ54を通して外部に排出される。
The output part of the
空気流路38の上流端38aおよび下流端38bは、それぞれ大気に連通している。空気流路38に設けられる補機は、セルスタック12の上流側で空気流路38の上流端近傍に設けられた吸気フィルタ46、セルスタック12と吸気フィルタとの間で空気流路に接続された吸気ポンプ48、およびセルスタック12の下流側で空気流路38の下流端近傍に設けられた排気フィルタ54を含んでいる。
The
吸気フィルタ46は、空気流路38に吸い込まれた空気中のゴミ、不純物等を捕獲し除去する。排気フィルタ54は、空気流路38から外部へ排気される気体中の副生成物を無害化するとともに、排気中の含まれている燃料ガス等を捕獲する。
The
一方、燃料電池装置10は、アノード触媒の触媒溶液をアノード47に供給しアノード触媒をアノードに補充する補充機構60を備えている。図1に示すように、補充機構60は、アノード触媒、例えば、Ruを含む触媒溶液が混合された燃料(メタノール)を収納して補充タンク62を備えている。補充タンク62は、燃料電池装置10に対して脱着自在な補充カートリッジとして構成されている。そして、補充タンク62は、燃料タンク22に代えて、燃料電池装置10に装着可能に構成されている。
On the other hand, the
補充タンク62は、燃料タンク22とほぼ同様の寸法および構造に形成され、触媒溶液と燃料との混合液を供給する触媒供給口62aおよび補充タンク内に空気を取込む空気取込み口62bを有している。補充タンク62を装着した状態において、補充タンク62の触媒供給口62aは、燃料電池装置10の触媒流路37を兼ねた燃料流路36に接続される。触媒を補充する際、補充タンク62は、触媒供給口62aから吐出した混合液の体積分だけ、空気取込み口62bから空気をタンク内に取込む。
The replenishing
補充機構60は、電池制御部50および電池制御部50に接続された表示部64とを備えている。表示部64は、例えば、液晶表示パネル、LED等により構成されている。電池制御部50は、起電部32の発生電力を検出し、発生電力が所定の値まで低下した際、起電部の発電動作を停止するとともに表示部64に、発電力の低下、あるいは、補充タンク62の装着を示す情報を表示する。そして、燃料タンク22に代えて補充タンク62が装着されると、電池制御部50は、燃料ポンプ40を作動させ、補充タンク62からセルスタック12のアノード47に触媒溶液が混合された燃料を所定時間供給する。この際、触媒溶液が混合された燃料は、触媒流路37を通して燃料混合部42、アノード47、気液分離器44を循環して流される。
The
供給された触媒溶液に含まれるアノード触媒としてのRuは、アノード47の触媒層に供給され、触媒層に取り込まれる。これにより、燃料電池装置10の長時間の使用に喪失するRuがアノード層に補充される。例えば、燃料電池装置10を約500時間程度、発電動作させた場合、アノード47の触媒層におけるRuの含有量が当初の含有量に比較して1%程度減少し、その分、発生電力が低下する。そこで、発生電力が所定値低下した時点で、補充機構60によりRuを1%分だけ補充することにより、燃料電池装置10の発電能力を回復することが可能となる。
Ru as an anode catalyst contained in the supplied catalyst solution is supplied to the catalyst layer of the
なお、電池制御部50は、予め決められた所定の発電時間が経過した後、補充タンク62の装着を自動的に示唆し、補充タンクが装着された時点で、補充タンクから触媒溶液と燃料との混合液をアノード47に供給する構成としてもよい。
The
上記のように構成された燃料電池装置10を電源として用いる場合、まず、メタノールを収容した燃料タンク22を装着し、燃料電池装置10の循環系34に接続する。この状態で、燃料電池装置10の発電を開始する。この場合、電池制御部50の制御の下、燃料ポンプ40および吸気ポンプ48を作動させる。燃料ポンプ40により、燃料流路36を通して燃料タンク22から燃料混合部42に高濃度のメタノールが供給され、燃料混合部で水を混合されて所定濃度に希釈される。燃料混合部42内で希釈されたメタノール水溶液は、燃料流路36を通してセルスタック12のアノード47に供給される。
When the
一方、吸気ポンプ48により、空気流路38の上流端38aから空気流路内に大気、つまり、空気が吸い込まれる。この空気は吸気フィルタ46を通り、ここで、空気中の不純物が除去される。吸気フィルタ46を通過した後、空気は、空気流路38を通りセルスタック12のカソード52へ供給される。
On the other hand, the air, that is, air is sucked into the air flow path from the
セルスタック12に供給されたメタノール水溶液および空気は、アノード47とカソード52との間に設けられた高分子電解質膜144で電気化学反応し、これにより、アノード47とカソード52との間に電力が発生する。セルスタック12で発生した電力は、電池制御部50を介して外部機器に供給される。
The aqueous methanol solution and air supplied to the
電気化学反応に伴い、セルスタック12には反応生成物として、アノード47側に二酸化炭素、カソード52側に水が生成される。アノード47側に生じた二酸化炭素および化学反応に供されなかったメタノール水溶液は燃料流路36を通って気液分離器44に送られ、ここで、二酸化炭素とメタノール水溶液とに分離される。メタノール水溶液は、気液分離器44から燃料流路36を通して燃料混合部42へ送られ、再度、発電に用いられる。分離された二酸化炭素および飛沫したメタノールは、空気とともに空気流路38を通って排気フィルタ54へ送られ、ここで有毒物質が除去された後、空気流路38の下流端38bから外部へ排気される。
Along with the electrochemical reaction, carbon dioxide is generated on the
セルスタック12のカソード52側に生じた水蒸気は、空気流路38を通って排気フィルタ54へ送られて、更に、空気流路38の下流端から外部に排気される。
The water vapor generated on the
一方、燃料電池装置10の動作中、燃料タンク22から燃料が供給され、燃料タンク内の燃料が減少する。これに伴ない、燃料の体積分だけ、空気取込み口22bから燃料タンク22内に空気が取込まれ、燃料の体積減少分が空気に置換される。この際、空気は燃料電池装置10の循環系34から取込まれる。
On the other hand, during operation of the
燃料電池装置10の動作中、電池制御部50は、起電部32の発生電力を検出し、発生電力が所定の値まで低下した際、起電部の発電動作を停止するとともに表示部64に、発電力の低下、あるいは、補充タンク62の装着を示す情報を表示する。そして、燃料タンク22に代えて補充タンク62が装着されると、電池制御部50は、燃料ポンプ40を作動させ、補充タンク62から供給された触媒溶液を燃料混合部42、アノード47、気液分離器44を通して所定時間循環させる。これにより、触媒溶液に含まれるアノード触媒としてのRuがアノード47に補充され、燃料電池装置10の発電能力を回復される。
During the operation of the
以上のように構成された燃料電池装置10によれば、長期間の発電動作によりアノード触媒が喪失し、発生電力が低下した場合でも、アノード触媒を補充することにより、起電部の発電能力を回復することができる。これにより、発電性能を改善し、長時間に亘り安定した発電が可能な燃料電池装置が得られる。そして、電池寿命が延びることで、燃料電池装置の商品価値を向上することが可能となる。
According to the
次に、この発明の第2の実施形態に係る燃料電池装置について説明する。図4に示すように、第2の実施形態によれば、補充タンク62は、脱着可能なカートリッジ式ではなく、燃料電池装置10内に常設されている。補充タンク62内には、アノード触媒、例えば、Ruを含有した触媒溶液が貯留されている。この補充タンク62は、燃料タンク22と燃料ポンプ40との間で、開閉バルブ66を介して燃料流路36に接続されている。
Next explained is a fuel cell apparatus according to the second embodiment of the invention. As shown in FIG. 4, according to the second embodiment, the
補充機構60を構成する電池制御部50は、起電部32の発生電力を検出し、発生電力が所定の値まで低下した際、あるいは、予め決められた所定の発電時間が経過した際、起電部32の発電動作を停止するとともに、開閉バルブ66を開放し、燃料ポンプ40を所定時間作動させる。これにより、補充タンク62から触媒溶液が燃料流路36を通して燃料混合部42に供給される。触媒溶液は、燃料混合部42でメタノール水溶液と混合された後、起電部32のアノード47、気液分離器44、燃料混合部42を通って循環される。従って、アノード47の触媒層にRuが補充され、起電部32の発電出力が回復される。
The
第2の実施形態において、燃料電池装置の他の構成は、前述した第1の実施形態と同一であり、同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。第2の実施形態においても、前述した第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。 In the second embodiment, the other configuration of the fuel cell apparatus is the same as that of the first embodiment described above, and the same reference numerals are given to the same portions, and detailed description thereof is omitted. Also in the second embodiment, the same operational effects as those of the first embodiment described above can be obtained.
第2の実施形態において、補充タンク内に、触媒溶液と燃料との混合液を貯留してもよい。また、触媒溶液を補充タンクから起電部のアノードに直接供給する構成としてもよい。 In the second embodiment, a mixed solution of the catalyst solution and the fuel may be stored in the replenishment tank. Further, the catalyst solution may be directly supplied from the replenishing tank to the anode of the electromotive unit.
この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、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てもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
例えば、アノードおよびカソードに添加される触媒は、Pt、Ruに限定されることなく、目的とする機能に応じて種々選択することができる。燃料電池の形式としは、DMFCに限らず、PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)等の他の形式としてもよい。 For example, the catalyst added to the anode and the cathode is not limited to Pt and Ru, and can be variously selected according to the intended function. The form of the fuel cell is not limited to DMFC, but may be other forms such as PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell).
10…燃料電池装置、22…燃料タンク、22a…燃料供給口、32…セルスタック、
32…起電部、34…循環系、36…燃料流路、38…空気流路、47…カソード、
52…アノード、50…電池制御部、60…補充機構、62…補充タンク
DESCRIPTION OF
32 ... Electromotive unit, 34 ... Circulation system, 36 ... Fuel flow path, 38 ... Air flow path, 47 ... Cathode,
52 ... Anode, 50 ... Battery controller, 60 ... Replenishment mechanism, 62 ... Replenishment tank
Claims (9)
燃料を収容した燃料タンクと、
前記燃料タンクから供給された燃料を前記起電部のアノードを通して循環させる燃料流路と、前記起電部のカソードを通して空気を供給する気体流路と、を有した循環系と、
前記アノード触媒の触媒溶液を前記アノードに供給し前記アノード触媒を前記アノードに補充する補充手段と、
を備えた燃料電池装置。 An electromotive unit having a cell in which an anode and a cathode having an anode catalyst are stacked with a polymer film interposed therebetween, and generating power by a chemical reaction;
A fuel tank containing fuel;
A circulation system having a fuel flow path for circulating the fuel supplied from the fuel tank through the anode of the electromotive section, and a gas flow path for supplying air through the cathode of the electromotive section;
Replenishment means for supplying a catalyst solution of the anode catalyst to the anode and replenishing the anode catalyst to the anode;
A fuel cell device comprising:
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JP2007086113A JP2008243746A (en) | 2007-03-29 | 2007-03-29 | Fuel cell device |
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