JP2009099491A - Fuel cell system and electronic equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、良好な発電特性を有する燃料電池が組み込まれた燃料電池システム、および該燃料電池システムを搭載した電子機器に関する。 The present invention relates to a fuel cell system in which a fuel cell having good power generation characteristics is incorporated, and an electronic device equipped with the fuel cell system.
近年、エネルギ問題や環境問題が注目を浴びており、これらの問題の解決手段のひとつとして高効率発電可能な燃料電池の利用が挙げられる。燃料電池は、燃料に水素を利用する場合、排出されるのは水だけである。したがって、石油など化石燃料を燃やすことで生じる窒素化合物(NOx)や硫黄化合物(SOx)などの有害物質や、地球温暖化のひとつの原因といわれる二酸化炭素(CO2)の排出を抑えることのできる高効率な発電システムである。また主として燃料に使われる水素は、昨今枯渇が懸念されている化石燃料に代わりうるクリーンエネルギとして注目されており、地球環境の保護や循環型社会の構築に貢献する可能性を秘めている。 In recent years, energy problems and environmental problems have attracted attention, and one of the means for solving these problems is the use of fuel cells capable of high-efficiency power generation. When a fuel cell uses hydrogen as a fuel, only water is discharged. Therefore, the emission of harmful substances such as nitrogen compounds (NO x ) and sulfur compounds (SO x ) generated by burning fossil fuels such as petroleum, and carbon dioxide (CO 2 ), which is said to be one cause of global warming, is suppressed. It is a highly efficient power generation system that can Hydrogen, which is mainly used as fuel, has been attracting attention as a clean energy that can replace fossil fuels, which are currently being depleted, and has the potential to contribute to the protection of the global environment and the establishment of a recycling society.
固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell、以下「PEFC」と称する)は、固体高分子膜を用いた燃料電池の一形態で、常温で出力が高く小型化しやすいという利点がある。PEFCに代表される燃料電池は、典型的に、燃料極、燃料拡散層、燃料極導電層、電解質膜、空気極、空気拡散層および空気極導電層を有する。そして、該燃料極に水素、該空気極には空気を導入し、下記の反応から電気エネルギを外部に取り出す。 A polymer polymer fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC”) is a form of a fuel cell using a solid polymer membrane, and has an advantage of high output at room temperature and easy miniaturization. A fuel cell represented by PEFC typically has a fuel electrode, a fuel diffusion layer, a fuel electrode conductive layer, an electrolyte membrane, an air electrode, an air diffusion layer, and an air electrode conductive layer. Then, hydrogen is introduced into the fuel electrode and air is introduced into the air electrode, and electric energy is taken out from the following reaction.
燃料極:H2→2H++2e-(酸化反応)
空気極:1/2O2+2H++2e-→H2O(還元反応)
PEFCの実用化に向けた技術的課題のひとつとして、燃料電池のエネルギ密度の不足があげられる。これは、現状、燃料極の酸化反応において最も高い反応速度を有する燃料は水素であることに起因する。水素は常温で気体であるため体積あたりの密度が低く、高圧ボンベ方式で水素を燃料電池に供給する場合、燃料電池システムの大型化が避けられないためである。したがって、高圧ボンベ方式の燃料電池システムは、携帯・通信機器などの用途には適さないとされる。
Fuel electrode: H 2 → 2H ++ 2e − (oxidation reaction)
Air electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (reduction reaction)
One of the technical issues for the practical application of PEFC is the lack of energy density of the fuel cell. This is because, at present, the fuel having the highest reaction rate in the oxidation reaction of the fuel electrode is hydrogen. This is because hydrogen is a gas at room temperature and has a low density per volume, and when hydrogen is supplied to the fuel cell by a high-pressure cylinder method, an increase in the size of the fuel cell system is inevitable. Therefore, the high-pressure cylinder fuel cell system is not suitable for portable / communication equipment.
そのため、燃料電池システム内で水素を生成させ供給する手段を導入し、燃料電池システムの小型化が図られている。水素を生成させ供給する手段としては、例えばエネルギ密度の高い炭化水素系燃料の高温改質による水素生成や、水素吸蔵合金からの水素生成、または水素発生材料の加水分解、もしくは酸化による水素生成などが挙げられる。 For this reason, means for generating and supplying hydrogen in the fuel cell system has been introduced to reduce the size of the fuel cell system. Examples of means for generating and supplying hydrogen include hydrogen generation by high-temperature reforming of high energy density hydrocarbon fuels, hydrogen generation from hydrogen storage alloys, hydrolysis of hydrogen generating materials, or hydrogen generation by oxidation, etc. Is mentioned.
この内、炭化水素系燃料の高温改質や水素吸蔵合金からの水素生成には外部からの加熱が必要となる。炭化水素系燃料または水素吸蔵合金を利用する燃料電池システムにおいて、この加熱に必要となるエネルギは、燃料の燃焼熱を利用するもの、または燃料電池の発電エネルギを利用するものがある。これに対し水素発生材料の加水分解、もしくは酸化には加熱が不要で、常温で水素を生成することが可能である。したがって、水素発生材料を利用する燃料電池システムにおいては、複雑な加熱構造および断熱構造を省くことができる。 Of these, external heating is required for high-temperature reforming of hydrocarbon fuels and hydrogen generation from hydrogen storage alloys. In a fuel cell system using a hydrocarbon-based fuel or a hydrogen storage alloy, the energy required for this heating includes one that uses the combustion heat of the fuel or one that uses the power generation energy of the fuel cell. On the other hand, the hydrogen generation material does not require heating for hydrolysis or oxidation, and hydrogen can be generated at room temperature. Therefore, in the fuel cell system using the hydrogen generating material, complicated heating structure and heat insulation structure can be omitted.
しかし、水素発生材料の加水分解、もしくは酸化による水素生成には他の問題点を有しており、そのひとつとして、水素を発生させるために相応の水が必要となる点が挙げられる。以下に、代表的な水素発生材料の加水分解、もしくは酸化反応を示す。 However, hydrolysis of the hydrogen generating material or generation of hydrogen by oxidation has other problems, and one of them is that corresponding water is required to generate hydrogen. The following shows the hydrolysis or oxidation reaction of typical hydrogen generating materials.
CaH2+2H2O→Ca(OH)2+2H2
NaBH4+2H2O→NaBO2+4H2
NH3BH3+2H2O→NH4 ++BO2 -+3H2
Al+3H2O→Al(OH)3+3/2H2
一般的に利用される水素発生材料は、重量・体積あたりのエネルギ密度が高いが、水素発生材料と反応に必要となる水とを合わせた燃料電池システムにおいては、重量・体積あたりのエネルギ密度が低くなってしまう問題がある。特に、携帯電子機器に適した小型の燃料電池システムでは、生成した水素から得られる発電の電気エネルギを、水素発生材料と水とをあわせた重量・体積で割ったエネルギ密度が高くなるよう水素発生材料を選択することが重要となる。
CaH 2 + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + 2H 2
NaBH 4 + 2H 2 O → NaBO 2 + 4H 2
NH 3 BH 3 + 2H 2 O → NH 4 + + BO 2 − + 3H 2
Al + 3H 2 O → Al (OH) 3 + 3 / 2H 2
Generally used hydrogen generating materials have high energy density per weight / volume, but in fuel cell systems that combine hydrogen generating material and water required for reaction, the energy density per weight / volume is high. There is a problem that becomes lower. In particular, in small fuel cell systems suitable for portable electronic devices, hydrogen is generated so that the energy density obtained by dividing the electric energy generated by the generated hydrogen by the weight and volume of the hydrogen generating material and water is increased. It is important to select the material.
この問題に対し、燃料電池の発電で生じた生成物の水(水蒸気)を水素発生材料に供給する構造を有する燃料電池システムが特許文献1に提案されている。この構造では、水素生成に必要となる水を燃料電池システム内で生成した水から賄うため、水の携行が不要となる。水素発生材料から生成した水素は燃料電池に供給され、その水素を酸化し発電することによって再び水が生成するといった循環の利用形態となり、外部から水素を加えることを必要とせず燃料電池の動作を持続することが可能である。
しかし、上述した特許文献1による水供給システムをPEFCで実現するためには、空気極で生成した水蒸気を含む空気を水素発生材料に供給することとなる。この場合、水素発生材料から生成した水素と水蒸気を含む空気とを分離することができないため水素と水蒸気を含む空気との混合気体を燃料電池の燃料極に供給することとなる。そうすると、混合気体の単位体積当たりに含まれる水素の密度が低いため燃料電池で得られる出力密度が低い他、燃料極に空気が混入すると燃料極で下記に示すように水素と空気中に含まれる酸素とが反応する。
However, in order to realize the water supply system according to
H2+1/2O2→H2O
この反応は水素の燃焼反応であり、当該燃焼反応に用いられたエネルギは、電気エネルギとして外部に取り出すことができない。つまり、この燃焼反応で消費される水素は発電に寄与できず、結果的に水素の利用効率を落としてしまう。また、上述の燃焼反応のため燃料極の反応場が少なくなり、燃料電池の出力密度が低くなる。このため、特許文献1では空気極で水が生じるPEFCより、例えば燃料極で液体としての水が生じる固体酸化物燃料電池(SOFC)での利用が最も利益を得る形態であると記載されている。
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
This reaction is a hydrogen combustion reaction, and the energy used for the combustion reaction cannot be taken out as electric energy. That is, the hydrogen consumed in this combustion reaction cannot contribute to power generation, resulting in a decrease in hydrogen utilization efficiency. Further, the reaction field of the fuel electrode is reduced due to the combustion reaction described above, and the output density of the fuel cell is lowered. For this reason,
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、水素発生材料から得られる水素の利用効率を向上させる水素分離のための手段、またその水素分離機構、また本発明の水素分離機構を設けることによって得られる出力密度の高い燃料電池システムおよび電子機器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and means for separating hydrogen that improves the utilization efficiency of hydrogen obtained from a hydrogen generating material, the hydrogen separation mechanism thereof, and the hydrogen separation mechanism of the present invention. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system and an electronic device having a high output density obtained by providing the above.
本発明は、電解質膜と、電解質膜の一方の表面に形成された燃料極と、電解質膜の他方の表面に形成された空気極とを有した燃料電池と、燃料電池の発電反応によって空気極で生成した水蒸気を含む空気を蓄積する空気室と、燃料を保持する燃料室と、水蒸気を含む空気と水素発生材料とを反応させることにより水素を生成する水素生成機構と、燃料室と水素生成機構に介在し水素生成機構から水素を分離して燃料室に供給する水素分離機構と、水蒸気を含む空気を空気室から水素生成機構に導入する導入機構とを備える、燃料電池システムに関する。
The present invention relates to a fuel cell having an electrolyte membrane, a fuel electrode formed on one surface of the electrolyte membrane, and an air electrode formed on the other surface of the electrolyte membrane, and an air electrode by a power generation reaction of the fuel cell. An air chamber for accumulating air containing water vapor generated in
また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素生成機構における水素発生材料の加水分解、または酸化反応によって生じる熱を燃料電池に供給する、熱供給機構をさらに備えることが好ましい。 The fuel cell system of the present invention preferably further includes a heat supply mechanism for supplying heat generated by hydrolysis or oxidation reaction of the hydrogen generating material in the hydrogen generation mechanism to the fuel cell.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、導入機構は、水素生成機構に導入する水蒸気量を調節する弁を含むことが好ましい。 In the fuel cell system of the present invention, the introduction mechanism preferably includes a valve for adjusting the amount of water vapor introduced into the hydrogen generation mechanism.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、空気供給ファンを備えることが好ましい。
また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素生成機構における内圧P1は、燃料室における内圧P2よりも大きいことが好ましい。
The fuel cell system of the present invention preferably includes an air supply fan.
In the fuel cell system of the present invention, it is preferable that the internal pressure P1 in the hydrogen generation mechanism is larger than the internal pressure P2 in the fuel chamber.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素生成機構および燃料室の少なくとも一方に、内圧P1および内圧P2の圧力を調整するリーク弁を設けることが好ましい。 In the fuel cell system of the present invention, it is preferable that a leak valve for adjusting the pressures of the internal pressure P1 and the internal pressure P2 is provided in at least one of the hydrogen generation mechanism and the fuel chamber.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素生成機構における水素発生材料の配置は、水蒸気を含む空気が導入される上流よりも下流ほど、水素発生材料間の空隙が小さく配置されていることが好ましい。 In the fuel cell system of the present invention, the hydrogen generating material in the hydrogen generating mechanism is preferably arranged such that the gap between the hydrogen generating materials is smaller toward the downstream than the upstream where the air containing water vapor is introduced. .
また、本発明の燃料電池システムにおいて、内圧P1と内圧P2の圧力調整のために、水素発生材料が水素の生成に必要となる水蒸気の化学量論数より、生成する水素の化学量論数が大きい水素発生材料を有し、かつ空気室と水素生成機構との間に逆止弁を設けることが好ましい。 Further, in the fuel cell system of the present invention, the hydrogen generating material has a stoichiometric number of hydrogen generated from the stoichiometric number of water vapor necessary for generating hydrogen for adjusting the internal pressure P1 and the internal pressure P2. It is preferable to have a large hydrogen generating material and provide a check valve between the air chamber and the hydrogen generation mechanism.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素発生材料は、
一般式 MH4-nで表される水素化物、
一般式 M(BH4)4-nで表される水素化物、
一般式 M(AlH4)4-nで表される水素化物、
(ここで、Mは周期表1A族のアルカリ金属、2A族のアルカリ土類金属であり、nは0〜3の整数である)、
NH3BH3、ならびに、Al、FeおよびMgから選ばれる金属微粒子の群の中から選ばれる1種または2種以上の混合物であることが好ましい。
In the fuel cell system of the present invention, the hydrogen generating material is
A hydride represented by the general formula MH 4-n ,
A hydride represented by the general formula M (BH 4 ) 4-n ,
A hydride represented by the general formula M (AlH 4 ) 4-n ,
(Here, M is an alkali metal of Group 1A of the periodic table, an alkaline earth metal of Group 2A, and n is an integer of 0 to 3),
NH 3 BH 3 , and one or a mixture of two or more selected from the group of metal fine particles selected from Al, Fe and Mg are preferable.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素発生材料は、LiH、NaH、KH、MgH2、CaH2、AlH3、LiBH4、NaBH4、LiAlH4およびNaAlH4から選ばれる1種以上の化合物であることが好ましい。
Further, in the fuel cell system of the present invention, the hydrogen generating material, LiH, NaH, KH, in MgH 2, CaH 2, AlH 3 ,
また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素発生材料は、NaBH4、LiBH4およびNH3BH3から選ばれる1種または2種以上の混合物であることが好ましい。 In the fuel cell system of the present invention, the hydrogen generating material is preferably one or a mixture of two or more selected from NaBH 4 , LiBH 4 and NH 3 BH 3 .
また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素分離機構は、ポリイミドまたはポリスルホンからなる高分子膜、多孔質セラミックスからなる無機多孔質膜、および、ニオブ、タンタルまたはバナジウムからなる金属支持体、もしくは多孔質硝子、多孔質セラミックスまたは多孔質酸化アルミニウムからなる無機多孔質支持体の表面に、パラジウム、もしくはパラジウム合金を被覆させた合金膜、から選ばれるいずれかであることが好ましい。 Further, in the fuel cell system of the present invention, the hydrogen separation mechanism includes a polymer membrane made of polyimide or polysulfone, an inorganic porous membrane made of porous ceramics, and a metal support made of niobium, tantalum or vanadium, or porous It is preferably any one selected from palladium or an alloy film in which the surface of an inorganic porous support made of glass, porous ceramics or porous aluminum oxide is coated with palladium or a palladium alloy.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料室に保持された燃料は、メタノール、エタノール、ジメトキシメタン、ギ酸、ギ酸メチル、ジメチルエーテル、ブタン、アスコルビン酸、ヒドラジン、アンモニア、亜硫酸、亜硫酸水素塩、チオ硫酸塩、亜ジチオン酸塩、次亜リン酸および亜リン酸から選択される1種または2種以上の混合物であることが好ましい。 Further, in the fuel cell system of the present invention, the fuel held in the fuel chamber is methanol, ethanol, dimethoxymethane, formic acid, methyl formate, dimethyl ether, butane, ascorbic acid, hydrazine, ammonia, sulfurous acid, bisulfite, thiosulfuric acid. It is preferably one or a mixture of two or more selected from salts, dithionite, hypophosphorous acid and phosphorous acid.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料室に保持された燃料は、気体燃料であることが好ましい。 In the fuel cell system of the present invention, the fuel held in the fuel chamber is preferably gaseous fuel.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、気体燃料が、水素、ジメチルエーテル、ブタン、およびアンモニアから選ばれる少なくとも1つであることが好ましい。 In the fuel cell system of the present invention, the gaseous fuel is preferably at least one selected from hydrogen, dimethyl ether, butane, and ammonia.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料は、液体燃料、または固体燃料を液体に溶解させたものであり、メタノール、エタノール、ジメトキシメタン、ギ酸、ギ酸メチル、アスコルビン酸およびヒドラジンから選ばれる少なくとも1つであることが好ましい。 In the fuel cell system of the present invention, the fuel is a liquid fuel or a solid fuel dissolved in a liquid, and at least one selected from methanol, ethanol, dimethoxymethane, formic acid, methyl formate, ascorbic acid and hydrazine. It is preferable that
また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料室内に気液分離膜をさらに備えていることが好ましい。 In the fuel cell system of the present invention, it is preferable that a gas-liquid separation membrane is further provided in the fuel chamber.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、気液分離膜は、多孔質層であることが好ましい。 In the fuel cell system of the present invention, the gas-liquid separation membrane is preferably a porous layer.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、複数の燃料電池を備え、水素生成機構で生成される水素と燃料室における燃料とを隔てる仕切りを有し、燃料室における燃料が供給される燃料電池と、水素生成機構で生成される水素と燃料室における燃料とが供給される燃料電池とを備えることが好ましい。 Further, in the fuel cell system of the present invention, the fuel cell system includes a plurality of fuel cells, has a partition separating hydrogen generated by the hydrogen generation mechanism and fuel in the fuel chamber, and is supplied with fuel in the fuel chamber; It is preferable to include a fuel cell to which hydrogen generated by the hydrogen generation mechanism and fuel in the fuel chamber are supplied.
また、本発明は、上述の燃料電池システムを備える電子機器に関する。 Moreover, this invention relates to an electronic device provided with the above-mentioned fuel cell system.
本発明の燃料電池システムは、水素分離機構を備えるために、水素発生材料から生成した水素を空気と分離し燃料電池に供給することができるため、燃料電池から高い出力密度が得られる他、発生させた水素の利用効率を向上させることが可能となる。そして、燃料電池システムの体積および重量を抑えることができ、燃料電池を含む燃料電池システム全体の軽量化、小型化を図ることができる。 Since the fuel cell system of the present invention has a hydrogen separation mechanism, hydrogen generated from the hydrogen generating material can be separated from the air and supplied to the fuel cell. It is possible to improve the utilization efficiency of the generated hydrogen. In addition, the volume and weight of the fuel cell system can be suppressed, and the entire fuel cell system including the fuel cell can be reduced in weight and size.
さらに、水素発生材料の加水分解、または酸化反応によって生じる熱を利用し、燃料および燃料電池を容易に昇温することができるため、燃料電池から得られる出力密度を向上させることができる。 Furthermore, since the temperature of the fuel and the fuel cell can be easily raised using the heat generated by the hydrolysis or oxidation reaction of the hydrogen generating material, the output density obtained from the fuel cell can be improved.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一
または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. In addition, dimensional relationships such as length, size, and width in the drawings are changed as appropriate for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensions.
<燃料電池システムの基本的構成>
図1は、本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした斜視図である。以下、図1に基づいて説明する。
<Basic configuration of fuel cell system>
FIG. 1 is a perspective view schematically showing an embodiment of the fuel cell system of the present invention. Hereinafter, a description will be given based on FIG.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池10と、空気室50と、燃料室80と、水素生成機構30と、水素分離機構20と、導入機構90とを主に備える。燃料電池10は、電解質膜5と、電解質膜5の一方の表面に形成された燃料極4と、電解質膜5の他方の面に形成された空気極6とを主として有する。そして、燃料電池10は、さらに燃料極4側に燃料拡散層3および燃料極導電層2を有し、空気極6側に空気拡散層7および空気極導電層8を有する。
The fuel cell system of the present invention mainly includes a
燃料電池10における発電反応としては、下記に示すように、正極である空気極6側において還元反応が起こり、負極である燃料極4側において酸化反応が起こる。
As a power generation reaction in the
燃料極:H2→2H++2e-(酸化反応)
空気極:1/2O2+2H++2e-→H2O(還元反応)
空気室50は、燃料電池10の発電反応によって空気極6で生成した水蒸気を含む空気を蓄積することができるスペースである。また、燃料室80は、燃料電池10の発電反応に必要な水素等の燃料を保持することができるスペースである。
Fuel electrode: H 2 → 2H ++ 2e − (oxidation reaction)
Air electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (reduction reaction)
The
そして、空気室50と水素生成機構30とは、導入機構90によって連結されており、空気室50に蓄積された水蒸気を含む空気は、導入機構90によって水素生成機構30に導入される。水素生成機構30には、水素発生材料40が保持されており、水素生成機構30において、上述の水蒸気を含む空気と水素発生材料40とが反応を起こし、水素を生成する。
The
導入機構90には弁60を含むことができる。この際、導入機構90によって、空気室50から水素生成機構30に導入される水蒸気を含む空気の量は、該弁60の開閉によって調整することができる。
The
水素生成機構30は、燃料室80と隣接し、水素生成機構30と燃料室80との間には、水素分離機構20が介在する。図1に示す構成において、水素生成機構30と燃料室80とは水素分離機構20によって隔てられている。このとき、水素生成機構30と燃料室80との間は完全に水素分離機構20によって遮断されていることが好ましい。そして、水素分離機構20は、水素生成機構30に導入される水蒸気を含む空気と生成された水素との混合物から、水素を分離し、燃料室80に供給するものである。水素分離機構20としては、水素を透過し、水素以外の気体等を透過しないものを用いることができる。水素分離機構20として、たとえば、水素分離膜を用いることができ、具体的にはポリイミドまたはポリスルホンからなる高分子膜、多孔質セラミックスからなる無機多孔質膜、および、ニオブ、タンタルまたはバナジウムからなる金属支持体、もしくは多孔質硝子、多孔質セラミックスまたは多孔質酸化アルミニウムからなる無機多孔質支持体の表面に、パラジウム、もしくはパラジウム合金を被覆させた合金膜、から選ばれるいずれかであることが好ましい。
The
また、図1の構成において、水素分離機構20は、水素生成機構30における水素発生材料の加水分解、または酸化反応によって生じる熱を燃料室に伝熱し、燃料電池10に供給する熱供給機構としての役割も果たす。該熱は、燃料電池10に供給されることで、燃料電池システムの発電効率は向上し、出力密度を向上することができる。
In the configuration of FIG. 1, the
また、空気室50において、空気供給ファン70によって外部の空気を供給することができ、水素生成機構30において、導入機構90によって導入された水蒸気を含む空気を適宜排出する排出口が設けられている。空気供給ファン70は、空気極6にも空気を供給する役割を有する。
In the
また、水素生成機構30で生成した水素が空気極6側に拡散し、空気極6で酸化されることを防ぐため、気体の流れ方向が空気室50から水素生成機構30の方向となるよう送風するための空気供給ファン70を適宜設定することが好ましい。
Further, in order to prevent hydrogen generated by the
次に、本発明の燃料電池システムの動作について説明する。まず、上述に示した燃料電池10における発電反応として、正極である空気極6側において還元反応が起こり、負極である燃料極4側において酸化反応が起こる。このとき、空気拡散層7は、空気極6に均一に空気を供給する役割および空気極6で生成した水(水蒸気)を排出しやすくする役割を有し、燃料拡散層3は、燃料極4に均一に燃料を供給する役割を有する。そして、燃料電池10の発電反応による電気エネルギは、空気極導電層8および燃料極導電層2に電気的に接続する金属ワイヤ等によって、外部に取り出すことが可能である。空気極6で生成された水蒸気は、空気室50に蓄積される。同時に空気供給ファン70によって空気室50に外部の空気が供給される。そして、空気室50内の水蒸気を含む空気は、導入機構90によって水素生成機構30に導入される。このとき、弁60によって水素生成機構30に導入される水蒸気を含む空気量を制御することができる。つまり、水素生成機構30に導入される水蒸気の量を制御することができる。
Next, the operation of the fuel cell system of the present invention will be described. First, as a power generation reaction in the
水素生成機構30には、水素発生材料40が備えられており、該水蒸気と水素発生材料40とが反応を起こすことによって、水素が生成される。上述の弁60で水素生成機構30に導入される水蒸気の量を制御することで、生成される水素量を制御することができる。また、燃料電池10の発電を止めたい場合は、弁60を閉じ水蒸気の供給を停止する方法を取ることも可能である。そして、生成された水素は、水素分離機構20によって分離され、水素のみが燃料室80に供給される。また、同時に水素が発生する際には、水素発生材料40の加水分解、または酸化反応によって熱が生じる。水素生成機構30における、該熱は、燃料電池に供給される。具体的には、図1の構成においては、該熱は、熱供給機構としての役割も有する水素分離機構20を介して燃料室80に伝熱される。この熱供給機構によって燃料室80に供給された熱は、燃料および燃料電池を昇温するために用いられる。また、燃料室80には、あらかじめ燃料が保持されており、該燃料に由来した水素も燃料室80に保持されている。なお、あらかじめ燃料室80に燃料を保持していない場合には、水素発生材料40の加水分解、もしくは酸化に必要となる最初の水(水蒸気)が燃料電池の発電による生成水から賄うことができないこととなる。この場合、最初の水は、燃料電池の発電による生成水ではなく空気供給ファン70から空気室50に供給される空気に元々含まれている水蒸気のみとなり、水素生成機構30で生成する水素量が外気の水蒸気量、つまり湿度に影響されることとなる。外気の湿度は常に一定ではないため、安定した持続的な発電ができないため、燃料室80にはあらかじめ燃料が保持されていることが好ましい。
The
本発明における水素発生材料40は、主として水素と化合した化合物のことであり、熱分解もしくは加水分解、もしくは酸化反応で水素を生成する性質を有する。水素発生材料40は、自然に分解して水素を発生しない安定な粉末状であることが好ましい。水素発生材料40の粒子径は、1μm〜5mmであることが好ましく、さらに1μm〜100μmであることが好ましい。これは、粒子径が小さいほど水素発生材料の表面に露出する面積が大きくなり、反応速度を向上させることが可能となるためである。なお、水素発生材料40の粒子径は、径によって光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)で確認することができる。
The
本発明における水素発生材料40としては、
一般式 MH4-nで表わされる水素化物、
一般式 M(BH4)4-nで表される水素化物、
一般式 M(AlH4)4-nで表される水素化物、
(ここで、Mは周期表1A族のアルカリ金属、2A族のアルカリ土類金属であり、nは0〜3の整数である)、
NH3BH3、ならびに、Al、FeおよびMgから選ばれる金属微粒子の群の中から選ばれる1種または2種以上の混合物であることが好ましい。
As the
A hydride represented by the general formula MH 4-n ,
A hydride represented by the general formula M (BH 4 ) 4-n ,
A hydride represented by the general formula M (AlH 4 ) 4-n ,
(Here, M is an alkali metal of Group 1A of the periodic table, an alkaline earth metal of Group 2A, and n is an integer of 0 to 3),
NH 3 BH 3 , and one or a mixture of two or more selected from the group of metal fine particles selected from Al, Fe and Mg are preferable.
また、一般式 MH4-nで表わされる水素化物の具体例としては、LiH、NaH、KH、MgH2、CaH2およびAlH3が挙げられ、一般式 M(BH4)4-nで表される水素化物の具体例としては、LiBH4およびNaBH4が挙げられ、一般式 M(AlH4)4-nで表される水素化物の具体例としては、LiAlH4およびNaAlH4が挙げられる。 Specific examples of the hydride represented by the general formula MH 4-n include LiH, NaH, KH, MgH 2 , CaH 2 and AlH 3, and are represented by the general formula M (BH 4 ) 4-n. examples of that hydrides, LiBH 4 and NaBH 4 and the like, specific examples of the hydrides of the general formula M (AlH 4) 4-n , include LiAlH 4 and NaAlH 4.
また、水素発生材料は、NaBH4、LiBH4およびNH3BH3から選ばれる1種または2種以上の混合物であることが特に好ましい。これは、後述する「形態3」に記載する理由からである。
The hydrogen generating material is particularly preferably one or a mixture of two or more selected from NaBH 4 , LiBH 4 and NH 3 BH 3 . This is for the reason described in “
本発明における燃料室80に保持された燃料としては、水素のほか、メタノールおよびエタノールなどのアルコール類、ジメトキシメタンなどのアセタール類、ギ酸などのカルボン酸類、ギ酸メチルなどのエステル類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、ブタンおよびアスコルビン酸などの炭化水素系化合物、ならびに、ヒドラジン、アンモニア、亜硫酸、亜硫酸水素塩、チオ硫酸塩、亜ジチオン酸塩、次亜リン酸および亜リン酸などの無機化合物から選択される1種または2種以上の混合物が例示できる。
Examples of the fuel retained in the
また、本発明における燃料電池10における電解質膜5と、燃料極4と、空気極6と、燃料拡散層3、燃料極導電層2、空気拡散層7および空気極導電層8については、従来用いられている材料を適宜用いることが可能である。また、取り扱いを容易にする、また部材間の界面の電気抵抗を低減するといった目的から、該部材が一体化されることにより燃料電池が構成されることが好ましい。たとえば、下から空気極導電層8、空気拡散層7、空気極6、電解質膜5、燃料極4、燃料拡散層3、燃料極導電層2の順に積層し、この積層体を、ホットプレス機を用い層厚方向に電解質膜や触媒層中の電解質の軟化温度やガラス転移温度を超える温度で熱圧着することで、各部材が化学結合やアンカー効果や粘着力等により接合された状態となり、一体化することができる。
Further, the
電解質膜5には、たとえば、パーフルオロスルホン酸系電解質膜(ナフィオン(デュポン社製)、ダウ膜(ダウ・ケミカル社製)、アシプレックス(旭化成社製)、フレミオン(旭硝子社製))やポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどの炭化水素系電解質膜などが挙げられ、無機膜としては、たとえばリン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウムなどが挙げられる。また、コンポジット膜としては、たとえばゴアセレクト膜(ゴア社製)が挙げられる。電解質膜はプロトン伝導率が10-5S/cm以上であることが好ましく、より好ましくは、パーフルオロスルホン酸ポリマーや炭化水素系ポリマーなどのプロトン伝導率が10-3S/cm以上の高分子電解質膜を用いることが望ましい。
Examples of the
燃料極4および空気極6には、触媒を担持した担持体と電解質を含むものを用いることができる。燃料極4および空気極6に用いられる触媒としては、例えばPt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Irなどの貴金属や、Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zrなどの卑金属やその酸化物、炭化物、炭窒化物や、カーボンが例示できる。これら材料の、単独もしくは2種類以上の組み合わせを触媒として用いることができる。なお、燃料極4および空気極6のそれぞれ用いる触媒は必ずしも同種類のものに限定されず、異なる物質を用いることができる。
As the
燃料極4および空気極6に含まれる担持体としては、好適に電気伝導性の高い炭素系材料が用いられカーボンブラック(具体的には、XC72(Vulcan社製)など)、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが例示される。また炭素系材料の他に、Pt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Irなどの貴金属や、Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zrなどの卑金属や、その酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物が例示できる。これら材料の、単独もしくは2種類以上の組み合わせを担持体として用いることができる。また、担持体にプロトン伝導性を付与した材料、具体的には硫酸化ジルコニア、リン酸ジルコニウムなどを用いても良い。
The carrier contained in the
燃料極4および空気極6に用いられる電解質は、プロトン伝導性を有しかつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されないが、燃料によって溶解しない固体もしくはゲルであることが好ましい。具体的にはスルホン酸、リン酸基などの強酸基やカルボキシル基などの弱酸基を有する有機高分子が好ましい。こうした有機高分子として、含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(デュポン社製))、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(フレミオン(旭化成社製))、ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、イミダゾール(Im)とトリフルオロメタンスルホンイミド(HTFSI)を有するイオン性液体(常温溶融塩)、スルホン化イミド、2アクリルアミド2メチルプロパンスルホン酸(AMPS)などが例示される。また、上述したプロトン伝導性を付与した担持体を用いる場合、担持体がプロトン伝導を行なうので必ずしも電解質は必要としない。
The electrolyte used for the
燃料極4および空気極6の厚みは、プロトン伝導の抵抗および電子伝導の抵抗を小さくし、燃料または空気の拡散抵抗を低減するために0.2mm以下であることが好ましい。また、電池としての出力を向上させるため、十分な触媒を担持させる必要があり、少なくとも0.1μm以上であることが好ましい。
The thickness of the
燃料拡散層3および空気拡散層7は、燃料極4および空気極6と電子の授受を行なうため導電性材料である必要があり、たとえば、カーボンブラックなどのカーボン材料、Au、Pt、Pd等の貴金属、Ti、Ta、W、Nb、Cr等の金属およびこれらの金属の窒化物、炭化物等、ステンレス、Cu−Cr、Ni−Cr、Ti−Ptの合金等を用いることが好ましい。また、Cu、Ag、Zn、Ni等の酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、耐腐食性を有する貴金属および金属材質や、導電性酸化物、導電性窒化物、導電性炭化物等、導電性炭窒化物を表面コーティングとして用いることができる。耐腐食性の高い材料を用いることで、主に金属イオンの溶出などによる電解質膜の劣化を抑制することができるため、燃料電池の寿命を延ばすことができる。空気拡散層7は、上述した素材に加え、例えばPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)など撥水性を有したフッ素系樹脂が含まれていることが好ましい。これら撥水性の樹脂により、燃料電池の発電で生成した水を素早く空気拡散層7内から排出し、本発明で必要となる水蒸気量を増加させることができる。
The
燃料拡散層3および空気拡散層7の形状は、燃料もしくは空気を燃料極4および空気極6まで供給することが可能な連通孔を有していれば特に限定は無いが、積層方向および積層方向に対して垂直方向に連通している孔を有していることが好ましく、発泡金属、金属織物、金属焼結体、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどが挙げられる。燃料拡散層3および空気拡散層7の空隙率は、燃料もしくは空気の拡散抵抗を低減させるために10%以上が好ましく、電気抵抗を低減させるために95%以下が好ましく、30%〜85%であることがより好ましい。空隙率の測定には、例えば水銀圧入法を用いることができる。
The shape of the
燃料拡散層3および空気拡散層7は、燃料もしくは空気を触媒層に均一に供給するため、ホットプレス機の厚みが10μm以上であることが好ましく、燃料拡散層3および空気拡散層7の厚み方向への燃料もしくは酸素の拡散抵抗を低減させるためにホットプレス後の厚みが1mm以下であることが好ましく、50μm〜300μmであることがより好ましい。
The
燃料極導電層2および空気極導電層8は、燃料拡散層3および空気拡散層7と電子の授受を行なう機能を有する。該導電層に用いられる材質としては、黒鉛などのカーボン材料、Au、Pt、Pd等の貴金属、Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su等の金属やSiおよびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Cu−Cr、Ni−Cr、Ti−Pt等の合金等を用いることが好ましく、Pt、Ti、Au、Ag、Cu、Ni、Wからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含むことがより好ましい。また、Cu、Ag、Zn等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Au、Pt、Pd等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質や、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングとして用いることができる。耐腐食性の高い材料を用いることで、主に金属イオンの溶出などによる電解質膜の劣化を抑制することができるため、燃料電池の寿命を延ばすことができる。また、上記の元素を含むことにより、燃料極導電層2および空気極導電層8の比抵抗が小さくなるため、燃料極導電層2および空気極導電層8の電気抵抗による電圧低下を軽減し、より高い発電特性を得ることが可能となる。
The fuel electrode
<水素生成機構および燃料室の構成>
図2〜図4は、それぞれ本発明における水素生成機構、水素分離機構および燃料室の一形態を示す断面図である。図2〜図4は、本発明の水素生成機構および燃料室の好ましい構成について説明する。なお、図2〜図4に記載されているP1およびP2は、それぞれ水素生成機構における内圧、燃料室における内圧を示す。また図2〜図4における「生成物」とは、あらかじめ燃料室に保持した燃料または水素生成機構によって生じた水素を用いた発電の際に生成した化合物を示し、「未反応物」とは燃料電池に供給される前の燃料、もしくは燃料電池で反応しなかった燃料を示す。
<Configuration of hydrogen generation mechanism and fuel chamber>
2 to 4 are cross-sectional views showing one embodiment of the hydrogen generation mechanism, the hydrogen separation mechanism, and the fuel chamber, respectively, in the present invention. 2 to 4 illustrate a preferred configuration of the hydrogen generation mechanism and the fuel chamber of the present invention. 2 to 4 indicate the internal pressure in the hydrogen generation mechanism and the internal pressure in the fuel chamber, respectively. The “product” in FIGS. 2 to 4 indicates a compound that is generated in the power generation using the fuel previously generated in the fuel chamber or hydrogen generated by the hydrogen generation mechanism, and the “unreacted product” is the fuel. The fuel before being supplied to the battery or the fuel that has not reacted in the fuel cell is shown.
≪水素生成機構および燃料室の構成:形態1≫
本形態は、図2に基づいて説明する。図2における燃料室81と、水素生成機構31と、水素分離機構21と、水素発生材料41とは、上述のとおりである。本形態においては、水素生成機構31に第1リーク弁100が設けられ、燃料室81に第2リーク弁101が設けられている。第1リーク弁100は、水素生成機構31における内圧P1を調整する役割を有し、第2リーク弁101は、燃料室81における内圧P2を調整する役割を有する。図2においては、第1リーク弁100および第2リーク弁101が設けられているが、第1リーク弁100のみ、または第2リーク弁101のみが設けられていても良い。
≪Hydrogen generation mechanism and fuel chamber configuration:
This embodiment will be described with reference to FIG. The fuel chamber 81, the
第1リーク弁100および第2リーク弁101における内圧の調整方式について特に限定はしないが、たとえば、圧力逃がし弁61B2(株式会社IBS取扱い)、RL3(Swagelok製)を採用することができる。
The internal pressure adjustment method in the
上述の逃がし弁の動作は以下のとおりである。該弁は、適宜設定した設定応力、たとえば0.1MPa〜1.5MPaの範囲の応力がかかった時に気体を逃がし、圧力を一定に保つ機能を備える。該逃がし弁は、水素生成機構31および燃料室81における内圧P1およびP2が、該設定応力未満であるとき、水素生成機構31から気体を排出させない。しかし、該内圧P1およびP2が、該設定応力以上となったとき、逃がし弁から気体が開放され圧力は保持される。
The operation of the above-described relief valve is as follows. The valve has a function of releasing a gas and maintaining a constant pressure when an appropriate set stress is applied, for example, a stress in a range of 0.1 MPa to 1.5 MPa. The relief valve does not discharge gas from the
内圧P1および内圧P2は、たとえば、普通形圧力計(長野計器社製)で測定することが可能である。また、第1リーク弁100および第2リーク弁101として逃がし弁を用いた場合において、弁の開閉圧から読み取ることで内圧P1および内圧P2とみなすことも可能である。たとえば、0.5MPaの設定圧力を設定した場合に、弁は開かず、0.4MPaの設定圧力を設定した場合に弁が開くとき、内圧はおよそ0.4MPaであるとみなしてよい。
The internal pressure P1 and the internal pressure P2 can be measured by, for example, a normal pressure gauge (manufactured by Nagano Keiki Co., Ltd.). Further, when a relief valve is used as the
本形態は、燃料電池システムが稼動している間は、水素生成機構31の内圧P1と、燃料室81の内圧P2との関係がP1>P2となるよう第1リーク弁100と第2リーク弁101とで調節することができる。該内圧P1と該内圧P2との関係がP1>P2となる場合において、水素生成機構31で生成した水素と水蒸気を含む空気との分離が容易であるため好ましい。P1>P2の場合に該分離が容易となるのは、水素分離機構21の水素透過の駆動力がP1とP2との差圧に依存するためであり、差圧に比例して透過する水素の流速が増大する。
In this embodiment, during the operation of the fuel cell system, the
内圧P1と内圧P2との差圧は、0.1MPa〜1.0MPaであることが好ましく、0.2MPa〜1.0MPaであることが特に好ましい。内圧P1と内圧P2との差圧の範囲が上述の数値範囲であるとき、水素と水蒸気を含む空気との分離が容易であるからである。また、内圧P1は、0.2MPa〜1.1MPaであることが好ましく、内圧P2は、常圧(0.1MPa)であることが好ましい。 The differential pressure between the internal pressure P1 and the internal pressure P2 is preferably 0.1 MPa to 1.0 MPa, and particularly preferably 0.2 MPa to 1.0 MPa. This is because when the differential pressure range between the internal pressure P1 and the internal pressure P2 is within the above-described numerical range, it is easy to separate hydrogen and air containing water vapor. Further, the internal pressure P1 is preferably 0.2 MPa to 1.1 MPa, and the internal pressure P2 is preferably normal pressure (0.1 MPa).
また、本形態において、水素生成機構31における水素発生材料41の配置には特に制限はない。また、水素分離機構21の形状にも特に制限はない。
In this embodiment, the arrangement of the
水素生成機構31において、水素発生材料41が水素分離機構21に接する薄い層を形成するよう配置する場合、水素発生材料41の利用効率が向上する。これは、水素生成機構31に導入された水蒸気を含む空気の圧力が、水素発生材料41に均一にかかるためである。また、水素分離機構21における水素の透過率を向上させるために、燃料室81に対する水素分離機構21の表面積を大きくすることが好ましい。したがって、たとえば、水素分離機構21を円柱型として配する、具体的には、中空の円柱壁面が水素分離機構21で形成され、壁内側に水素発生材料41を有し、これを燃料室81内に配置することで水素分離機構21の表面積を大きくすることができる。
In the
また、水素生成機構31で発生した熱は、水素分離機構21を介して燃料室81に伝熱され、結果、燃料電池の発電効率を向上する。本形態によると、水素分離機構21は、熱供給機構としての役割も果たす。
In addition, the heat generated in the
第1リーク弁100および第2リーク弁の材料は、酸性雰囲気化で耐腐食性を有する材料が好ましい。具体的には、PTFE、PVDF、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)などの耐腐食性の高いフッ素系高分子樹脂、Au、PtおよびPd等の貴金属、Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、ZnおよびSu等の金属、C、Si、ステンレスおよびチタン−プラチナ合金、ならびにこれらの金属の窒化物、炭化物等の合金等を用いることが好ましい。また、Cu、Ag、Zn等の金属を用いる場合には、該金属よりも高い耐腐食性を有する貴金属Au、Ag、Ptなどでコーティングすることが好ましい。
The material of the
≪水素生成機構および燃料室の構成:形態2≫
本形態は、図3に基づいて説明する。図3における燃料室82と、水素生成機構32と、水素分離機構22と、水素発生材料42とは、上述のとおりである。
≪Hydrogen generation mechanism and fuel chamber configuration:
This embodiment will be described with reference to FIG. The
そして、水素生成機構32において、水蒸気を含む空気が導入される方向を上流、水素生成機構32における気体が排出される方向を下流としたとき、下流における水素発生材料42の配置の間隔は、上流における水素発生材料42の配置の間隔よりも小さいことが好ましい。また、このとき、該上流から該下流なるにしたがって、配置された水素発生材料42の粒子径が、小さくなることが好ましい。
In the
本形態は、水素生成機構32における該下流方向になるにつれて、水素生成機構32における気体の圧力損失が大きくなる。したがって、形態1のようなリーク弁を設けることなく水素生成機構の内圧を上げることができる。その結果、水素生成機構32の内圧P1は、燃料室82の内圧P2よりも大きくなるため、水素と空気の分離が容易になる。本構造の場合、リーク弁を備えずに、内圧P1および内圧P2を制御することができるため、燃料電池システムの軽量化および小型化に有利である。
In this embodiment, the pressure loss of the gas in the
≪水素生成機構および燃料室の構成:形態3≫
本形態は、図4に基づいて説明する。図4における燃料室83と、水素生成機構33と、水素分離機構23と、水素発生材料43とは、上述のとおりである。
≪Hydrogen generation mechanism and fuel chamber configuration:
This embodiment will be described with reference to FIG. The
そして、水素生成機構33において、特定の水素発生材料43を用い、かつ、水素生成機構33と空気室(図示せず)との間を連結する導入部(図示せず)に、逆止弁103を設ける。
In the
上述の「特定の水素発生材料43」とは、水素発生材料から水素を発生させるのに必要となる水蒸気を含む空気における水の化学量論数より、生成する水素の化学量論数が大き反応を起こす水素発生材料43であり、たとえばLiBH4、NaBH4およびNH3BH3が例示できる。
The above-mentioned “specific
LiBH4、NaBH4およびNH3BH3を水素発生材料43としたときの反応は、以下に示すとおりである。
The reaction when LiBH 4 , NaBH 4 and NH 3 BH 3 are used as the
LiBH4+2H2O→LiBO2+4H2
NaBH4+2H2O→NaBO2+4H2
NH3BH3+2H2O→NH4 ++BO2 -+3H2
上記に示すとおり、反応に用いられる「水」の化学量論数より、生成する水素の化学量論数の方が大きい。
LiBH 4 + 2H 2 O → LiBO 2 + 4H 2
NaBH 4 + 2H 2 O → NaBO 2 + 4H 2
NH 3 BH 3 + 2H 2 O → NH 4 + + BO 2 − + 3H 2
As shown above, the stoichiometric number of hydrogen produced is larger than the stoichiometric number of “water” used in the reaction.
そして、導入機構に設けられた逆止弁103は、空気室から水素生成機構33方向へ水蒸気を含む空気を通すが、水素生成機構33から空気室方向へ水素生成機構33内の気体が流れることを抑制する。水蒸気を含む空気が水素生成機構33に導入されると、水素生成機構33内で上述のような反応が起こり、生成される水素の体積は、反応に必要な水蒸気の体積より大きくなる。すると、水素生成機構33内の気体は、導入機構を通して空気室に逆流しようとする力が発生するが、逆止弁103により該気体は、空気室に逆流しにくい。したがって、水素生成機構23内の内圧P1は上昇し、結果として内圧P1>内圧P2となり、水素と水蒸気を含む空気との分離が容易になる。
The
さらに、水素分離機構の形態1から形態3のいずれの構造であっても、水素発生材料の加水分解、もしくは酸化によって熱が生じる。この熱は、水素分離機構を介して燃料室に伝達するため、燃料室の昇温が容易になる。つまり、形態1から形態3において、水素分離機構は、水素生成機構において発生した熱を燃料室に伝達し、燃料電池に供給する熱供給機構としての役割をも果たす。
Furthermore, heat is generated by hydrolysis or oxidation of the hydrogen generating material in any of the
また、上述した水素分離機構の形態1から形態3のいずれかの水素生成機構および燃料室は、燃料電池に接続されており、水素分離機構を通して透過した水素は、結果的に、燃料電池の燃料極に供給される。燃料電池の発電前に、燃料室にあらかじめ燃料が保持されている場合、あらかじめ保持されていた燃料と水素生成機構から生じた水素は同一の燃料電池に供給される。水素分離機構における水素の透過速度を向上させるため、あらかじめ燃料室に保持される燃料は、常温(25℃)で気体である気体燃料であることが好ましく、水素、もしくは沸点の低い炭化水素系燃料DME(ジメチルエーテル)、ブタン、もしくはアンモニアが例示できる。ここで、該燃料としては、常温(25℃)で液体である液体燃料または、常温(25℃)で固体である固体燃料を液体に融解させた燃料を選択すると、内圧P1と内圧P2の圧力差が得にくい場合があり、十分な水素の透過速度を得ることができないため気体燃料を選択することがより好ましい。ただし、燃料電池システムの形態によっては、液体燃料を用いることができる。 In addition, the hydrogen generation mechanism and the fuel chamber according to any one of the first to third aspects of the hydrogen separation mechanism described above are connected to the fuel cell, and the hydrogen permeated through the hydrogen separation mechanism results in the fuel of the fuel cell. Supplied to the pole. When fuel is held in advance in the fuel chamber before power generation by the fuel cell, the fuel held in advance and the hydrogen generated from the hydrogen generation mechanism are supplied to the same fuel cell. In order to improve the hydrogen permeation rate in the hydrogen separation mechanism, the fuel previously held in the fuel chamber is preferably a gaseous fuel that is a gas at normal temperature (25 ° C.), and hydrogen or a hydrocarbon fuel having a low boiling point. Examples thereof include DME (dimethyl ether), butane, and ammonia. Here, as the fuel, when a liquid fuel that is liquid at normal temperature (25 ° C.) or a fuel obtained by melting a solid fuel that is solid at normal temperature (25 ° C.) into a liquid is selected, the pressures of internal pressure P1 and internal pressure P2 are selected. It may be difficult to obtain the difference, and it is more preferable to select a gaseous fuel because a sufficient hydrogen permeation rate cannot be obtained. However, liquid fuel can be used depending on the form of the fuel cell system.
以下、具体的な実施の形態を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific embodiments, but the present invention is not limited thereto.
<実施の形態1>
図5は、本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした燃料電池の層厚方向に垂直をなす面の断面図である。以下、図5に基づいて説明する。
<
FIG. 5 is a cross-sectional view of a surface perpendicular to the layer thickness direction of the fuel cell schematically showing one embodiment of the fuel cell system of the present invention. Hereinafter, a description will be given based on FIG.
本実施の形態の燃料電池システムは、図1における燃料電池システムと基本的な構成は同じである。ただし、水素生成機構および燃料室の構成については、上述した形態1から形態3のいずれかを用いてもよい。
The fuel cell system of the present embodiment has the same basic configuration as the fuel cell system in FIG. However, regarding the configuration of the hydrogen generation mechanism and the fuel chamber, any one of the above-described
なお、図4記載の水素分離を行なう際、水素生成機構30に水蒸気を含む空気を導入する量を調整する弁60は、上述した図4における逆止弁103よりも、空気室50に近い方向に形成されていることが好ましい。該弁60と該逆止弁103を逆に配置した場合、水素発生機構30で水素が発生した際に水素発生機構30内が昇圧するため、弁60が昇圧に耐えられるような構造や材質にする必要が生じてしまうためである。
When performing the hydrogen separation shown in FIG. 4, the
<実施の形態2>
図6は、本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした燃料電池の層厚方向に垂直をなす面の断面図である。以下、図6に基づいて説明する。
<
FIG. 6 is a cross-sectional view of a surface perpendicular to the layer thickness direction of the fuel cell schematically showing one embodiment of the fuel cell system of the present invention. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態1における燃料電池システムと基本的な構成は同じである。そして、水素生成機構および燃料室の構成については、上述した形態1から形態3のいずれかを用いてもよい。
The basic configuration of the fuel cell system of the present embodiment is the same as that of the fuel cell system of the first embodiment. And about the structure of a hydrogen production | generation mechanism and a fuel chamber, you may use any of the
本実施の形態においては、燃料室80内に気液分離膜104をさらに備えた点において、実施の形態1と異なる。気液分離膜104は、燃料室80に対して燃料電池10の積層方向と平行に、燃料室80を二分するように備えられることが好ましい。気液分離膜104とは、主に、燃料やその水溶液からなる液体の不透過性および、水素分離機構20からの気体(水素)透過性の性質を有する膜のことをいう。気液分離膜104が燃料室80に備えられることによって、燃料室80における燃料と水素分離機構20とが接触することを防ぎ、水素分離機構20における水素の透過速度が阻害されにくい。また、燃料もしくは燃料電池の発電で生じた副生成物が酸性である場合は、これらが水素分離機構20に直接触れないため、水素分離機構20に含まれる金属の腐食劣化を抑制する効果が得られる。本実施の形態においては、あらかじめ燃料室に保持される燃料には、液体燃料を選択することができる。水素生成機構30で生じた水素は燃料室80に到達するが、該液体燃料は気液分離膜104を備えることによって水素分離機構20に接しないためである。また、液体燃料は、体積あたりの水素含有量が高く、燃料のもつエネルギ密度が高い。
The present embodiment is different from the first embodiment in that a gas-
該液体燃料としては、特に限定はされないが、常温(25℃)で液体である燃料、または常温(25℃)で固体である固体燃料を水などの液体に溶解させた燃料であることが好ましい。該液体燃料には、具体的に、メタノール、エタノールなどのアルコール類、ジメトキシメタンなどのアセタール類、ギ酸などのカルボン酸類、ギ酸メチルなどのエステル類、もしくはアスコルビン酸、ヒドラジンが挙げられる。 The liquid fuel is not particularly limited, but is preferably a fuel that is liquid at room temperature (25 ° C.) or a fuel obtained by dissolving a solid fuel that is solid at room temperature (25 ° C.) in a liquid such as water. . Specific examples of the liquid fuel include alcohols such as methanol and ethanol, acetals such as dimethoxymethane, carboxylic acids such as formic acid, esters such as methyl formate, ascorbic acid and hydrazine.
気液分離膜104は、後述する多孔質材料が好ましく、さらに燃料や燃料電池の発電で生じた副生成物が酸性である場合は、耐腐食性の高い材料を用いることが好ましい。具体的には、PTFEやPVDF等を代表するフッ素系樹脂に、カーボンブラック(具体的には、XC72(Vulcan社製)など)、ケッチェンブラック、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどの含有物を導入した混合物からなる多孔質層が例示できる。上述したカーボン系の含有物は、かさ密度が大きいため、材料間に間隙が生じ、多孔質の層を形成することができる。そして、気液分離膜104は、10〜500μmの厚さであることが好ましい。
The gas-
<実施の形態3>
図7は、本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした燃料電池の層厚方向に垂直をなす面の断面図である。以下、図7に基づいて説明する。
<
FIG. 7 is a cross-sectional view of a surface perpendicular to the layer thickness direction of the fuel cell schematically showing one embodiment of the fuel cell system of the present invention. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
なお、以下、第1燃料電池および第2燃料電池を組み込んだ燃料電池システムについて記載するが、これらの構成は、上述した燃料電池と同じ構成である。 Hereinafter, although the fuel cell system incorporating the first fuel cell and the second fuel cell will be described, these configurations are the same as the above-described fuel cell.
本実施の形態の燃料電池システムは、第1燃料電池11と、第2燃料電池12と、第1燃料室84と、第2燃料室85と、第1空気室54と、第2空気室55と、第1導入機構91と、第2導入機構92と、第1弁61と、第2弁62と、水素生成機構34とを基本的に備える。水素生成機構34には水素発生材料44が備えられ、第1燃料室84と水素生成機構34とは、仕切り110によって隔てられ、第2燃料室85と水素生成機構34とは、水素分離機構24によって隔てられている。
The fuel cell system of the present embodiment includes a
第1燃料室84および第1空気室54は、第1燃料電池11に隣接しており、第2燃料室85および第2空気室55は、第2燃料電池12に隣接している。そして、第1燃料室84と第2燃料室85とが、水素分離機構24と仕切り110とによって隔てられており、水素分離機構24と仕切り110とによって水素生成機構34が形成されている。なお、仕切り110は、水素生成機構34と第1燃料室84との間を完全に遮断していることが好ましい。
The
また、第1空気室54における水蒸気を含む空気は、導入機構91によって水素生成機構34に導入され、第2空気室55における水蒸気を含む空気は、導入機構92によって水素生成機構34に導入される。導入機構91によって導入される水蒸気を含む空気量は、第1弁61によって制御され、導入機構92によって導入される水蒸気を含む空気量は、第2弁62によって制御される。
The air containing water vapor in the
第1燃料室84には、あらかじめ燃料が保持されることが好ましい。水素生成機構34と第1燃料室84とは、仕切り110によって隔てられており、水素生成機構34で生成された水素は、第1燃料電池11に供給されず、第1燃料室84に、燃料が保持されなければ、第1燃料電池11は稼動しないためである。
It is preferable that fuel is held in the
そして、第2燃料室85にはあらかじめ燃料が保持されることが好ましいが、第1燃料室84にあらかじめ燃料が保持されていれば、第2燃料室85に燃料を保持する必要はない。これは、第1燃料室84にあらかじめ燃料が保持されている場合には、第1燃料電池11が稼動し、第1空気室54には水蒸気を含む空気が蓄積され、導入機構91によって水素生成機構34に当該水蒸気を含む空気が導入される。このとき、水素生成機構34において、水素が生成され、生成された水素は水素分離機構24を通じて第2燃料室85に供給される。すると、第2燃料電池12が発電を開始するため、継続的な運転が可能だからである。
The fuel is preferably held in advance in the
実施の形態1および実施の形態2において、燃料室80にあらかじめ保持される燃料が水素以外である場合、あらかじめ保持される燃料、および、該燃料の酸化反応等で生じる反応中間体によって、燃料極4における水素酸化の反応するためのスペースが十分に得られない可能性がある。このときに限って、燃料電池における発電効率の低下という問題が起こる虞がある。本実施の形態は、上記のような問題を解決するために、より高出力の燃料電池システムを提供できる形態である。
In the first embodiment and the second embodiment, when the fuel previously held in the
たとえば、第1燃料室84にあらかじめ保持された燃料が水素以外の場合でも、第1燃料室84における燃料と水素生成機構34で生成した水素とが仕切り110によって互いに混ざりあうことなく、上述の第1燃料室84に保持された燃料と水素は、第1燃料電池11または第2燃料電池12に別々に供給される。したがって、本実施の形態によると第1燃料室84および第2燃料室85における水素の酸化が阻害されず、結果として第1燃料電池11および第2燃料電池12から高出力を得ることができる。
For example, even when the fuel previously held in the
また、第1燃料室84には、水素生成機構34で生成された水素は供給されないが、水素生成機構34で生じた反応熱が仕切り110を通して伝熱される。つまり、仕切り110は、第1燃料電池11に熱を供給する熱供給機構の役割も果たす。また、水素生成機構34は、第2燃料電池12に熱を供給する熱供給機構の役割をも果たす。熱供給機構によって、第1燃料電池11および第2燃料電池12の発電効率が向上する。
Further, the hydrogen generated by the
仕切り110は、第1燃料室84に熱を伝熱し、第1燃料電池11に熱を供給する熱供給機構の役割も有する。水素生成機構34における水素発生の反応熱を第1燃料室84に伝熱しやすいよう、伝熱性が優れ、かつ耐腐食性を有する材質が好ましい。耐腐食性の高い材料を用いることで、主に金属イオンの溶出などによる電解質膜の劣化を抑制することができるため、燃料電池の寿命を延ばすことができる。仕切り110は、具体的に、Au、PtおよびPd等の貴金属、C、Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、ZnおよびSu等の金属、Si、さらにステンレス、チタン−プラチナ合金、およびこれらの金属の窒化物、炭化物等の合金等を用いることが好ましい。また、仕切り110は、Cu、Ag、Zn等の金属を用いる場合には、Au、Ag、Ptなどの耐腐食性を有する貴金属でコーティングすることで利用することができる。
The
<実施の形態4>
図8は、本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした燃料電池の層厚方向に垂直をなす面の断面図である。以下、図8に基づいて説明する。
<
FIG. 8 is a cross-sectional view of a surface perpendicular to the layer thickness direction of the fuel cell schematically showing one embodiment of the fuel cell system of the present invention. Hereinafter, a description will be given based on FIG.
本実施の形態の燃料電池システムは、第1燃料電池13と、第2燃料電池14と、第1燃料室86と、第2燃料室87と、空気室56と、導入機構93と、水素生成機構35とを基本的に備える。水素生成機構35には水素発生材料45が備えられ、第2燃料室87と水素生成機構34とは、第2燃料電池14の層と平行に備えられた水素分離機構25によって隔てられている。また、第1燃料室86は、水素生成機構35および第2燃料室87と、第1燃料電池13の層厚方向に垂直をなす仕切り111によって隔てられている。
The fuel cell system of the present embodiment includes a
第1燃料室86および空気室56は、第1燃料電池13に隣接しており、第2燃料室87および空気室56は、第2燃料電池12に隣接している。また、第1燃料電池13と第2燃料電池14とは、形成される層厚の方向が同じである。
The
また、第1燃料電池13と第2燃料電池14とは、空気室56を共有している。したがって、第1燃料電池13および第2燃料電池14における空気極から生成された水蒸気を含む空気は、空気室56に蓄積され、導入機構93によって水素生成機構35に導入される。当該水蒸気を含む空気は、弁63によって水素生成機構45に導入される量を制御することができる。
The
第1燃料室86には、あらかじめ燃料が保持されることが好ましい。水素生成機構35と第1燃料室86とは、仕切り111によって隔てられており、水素生成機構34で生成された水素は、第1燃料室に供給されず、第1燃料室84に、燃料が保持されなければ、第1燃料電池11は稼動しないためである。
It is preferable that fuel is held in the
そして、第2燃料室87にはあらかじめ燃料が保持されることが好ましいが、第1燃料室86にあらかじめ燃料が保持されていれば、第2燃料室87に燃料を保持する必要はない。これは、第1燃料室86にあらかじめ燃料が保持されている場合には、第1燃料電池13が稼動し、空気室56には水蒸気を含む空気が蓄積され、導入機構93によって水素生成機構35に当該水蒸気を含む空気が導入される。このとき、水素生成機構35において、水素が生成され、生成された水素は水素分離機構25を通じて第2燃料室87に供給される。すると、第2燃料電池14が発電を開始するため、継続的な運転が可能だからである。
Although it is preferable that the fuel is held in the
実施の形態1および2において、燃料室80にあらかじめ保持される燃料が水素以外である場合、あらかじめ保持される燃料、および、該燃料の酸化反応等で生じる反応中間体によって、燃料極4における水素酸化の反応するためのスペースが十分に得られない可能性がある。このときに限って、燃料電池における発電効率の低下という問題が起こる虞がある。本実施の形態は、上記のような問題を解決するために、より高出力の燃料電池システムを提供できる形態である。
In the first and second embodiments, when the fuel previously held in the
さらに、本実施の形態では、実施の形態3と比較して燃料電池システムを層厚方向に薄くすることが可能である。そして、空気室56を第1燃料電池13および第2燃料電池14で共有することができるため、空気供給のための圧力損失も最小限に抑えることができ、空気供給ファン70の消費電力を低減することができる。また、実施の形態3のように第1空気室と第2空気室の各々から水素生成機構への導入機構を設ける必要はなく、ひとつの空気室56から水素生成機構35への導入機構93を設けることができる。したがって、燃料電池システムの構造が簡易になり、弁63による水蒸気を含む空気を導入する量の制御も容易になる。なお、第1燃料電池13と第2燃料電池14の電解質膜を共有することも可能である。
Furthermore, in the present embodiment, it is possible to make the fuel cell system thinner in the layer thickness direction than in the third embodiment. Since the
ただし、実施の形態3と比較して仕切り111と第1燃料室86との接触面積が小さくなるため、水素生成機構35で生じる熱が第1燃料室86に伝達しにくい。仕切り111が熱供給機構として、第1燃料電池13に供給する熱量は、実施の形態3と比較して低い。なお、第2燃料電池14は実施の形態3と同様に水素分離機構25を通して熱が伝熱され、発電効率が向上する。
However, since the contact area between the
第1燃料室86と水素生成機構35との仕切り111は、実施の形態3と同様の材質を用いることが好ましい。
The
上述した実施の形態1から実施の形態4は最小の構成を例示したに過ぎず、配置する水素生成機構の数と燃料電池の数とについて、最小の構成数以上であれば特に制限はない。例えば、実施の形態1および実施の形態2では1つの燃料電池に対して1つの水素生成機構を設ける構成を例としているが、1つの水素生成機構に対して複数個の燃料電池を備える燃料電池システムであっても良い。また、燃料電池システムは、水素生成機構と燃料電池とを複数備える構成でも構わない。実施の形態3は水素生成機構1つと燃料電池2つとによって構成されているが、水素生成機構1つに対し該水素生成機構から得られる水素を発電反応に用いる燃料電池を数多く配し、水蒸気を含む空気の供給量を増やした燃料電池システムを構築することも可能である。
つまり、複数の燃料電池を備え、水素生成機構で生成される水素と燃料室における燃料とを隔てる仕切りを設置し、該仕切りは水素を通さない材料を選択することで、燃料室における燃料が供給される燃料電池と、水素生成機構で生成される水素と燃料室における燃料とが供給される燃料電池とを備えられた燃料電池システムを適宜構築することができる。燃料室における燃料が供給される燃料電池と水素生成機構で生成される水素と燃料室における燃料とが供給される燃料電池とは、別個に発電反応が起こる。 In other words, a fuel cell is provided with a plurality of fuel cells, and a partition that separates hydrogen generated by the hydrogen generation mechanism and fuel in the fuel chamber is installed, and the partition selects a material that does not allow hydrogen to pass. It is possible to appropriately construct a fuel cell system including a fuel cell to be supplied and a fuel cell to which hydrogen generated by a hydrogen generation mechanism and fuel in a fuel chamber are supplied. The fuel cell to which the fuel in the fuel chamber is supplied and the fuel cell to which the hydrogen generated by the hydrogen generation mechanism and the fuel in the fuel chamber are supplied undergo a power generation reaction separately.
また、所望の出力電圧を確保するために、実施の形態1から実施の形態4の各実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムを直列もしくは並列化することも可能であり、実施の形態1から実施の形態4の燃料電池システムを直列もしくは並列化して組み合わせて構築することも可能である。例えば、実施の形態3は、第1燃料電池1および第2燃料電池2をその層厚方向に配置し、実施の形態4は第1燃料電池および第2燃料電池をその層厚方向と垂直をなす方向に配置するが、これらを組み合わせ層厚方向、層厚方向と垂直をなす方向のそれぞれに燃料電池を複数個配置してもよい。
In order to secure a desired output voltage, in the fuel cell systems of the first to fourth embodiments, the fuel cell systems can be connected in series or in parallel. Thus, the fuel cell system of
<実施の形態5>
図9は、本発明における燃料電池システムを備えた電子機器の好ましい一例を示す概略図である。以下、図9を用いて説明する。
<
FIG. 9 is a schematic diagram showing a preferred example of an electronic apparatus equipped with the fuel cell system according to the present invention. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
本発明の燃料電池システム200は、軽量で小型かつ高出力を得ることができるため、電子機器、特に、モバイル機器等の携帯電子機器に対して好適に適用されうる。図9に示される電子機器は携帯電話であるが、その他の電子機器としては、たとえば、電子手帳、ポータブルゲーム機器、モバイルテレビ機器、ハンディーターミナル、PDA、モバイルDVDプレーヤ、ノートパソコン、ビデオ機器、カメラ機器、ユビキタス機器またはモバイル発電機等が例示できる。
The
燃料電池システム200は、取り出し電圧が1〜4V程度になるよう図5から図8に示す燃料電池システムと同一の構成の燃料電池システムを電気的に複数直列に接続されることが好ましい。
In the
電子機器に搭載された燃料電池システム200は、電子機器に適した電圧に変換する、たとえば、DC/DCコンバータや瞬時電力を補うキャパシタ等の部品(図示せず)に接続され、電子機器に接続することができる。電子機器を始動する際の補助電源や最大出力をカバーするための電源として、二次電池等の燃料電池以外の電源を燃料電池とともに有することができる。
The
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
2 燃料極導電層、3 燃料拡散層、4 燃料極、5 電解質膜、6 空気極、7 空気拡散層、8 空気極導電層、10 燃料電池、11,13 第1燃料電池、12,14 第2燃料電池、20,21,22,23,24,25 水素分離機構、30,31,32,33,34,35 水素生成機構、40,41,42,43,44,45 水素発生材料、50,56 空気室、54 第1空気室、55 第2空気室、60,63 弁、61 第1弁、62 第2弁、70 空気供給ファン、80,81,82,83 燃料室、84,86 第1燃料室、85,87 第2燃料室、90,93 導入機構、91 第1導入機構、92 第2導入機構、100 第1リーク弁、101 第2リーク弁、103 逆止弁、104 気液分離膜、110,111 仕切り、200 燃料電池システム。
2 Fuel electrode conductive layer, 3 Fuel diffusion layer, 4 Fuel electrode, 5 Electrolyte membrane, 6 Air electrode, 7 Air diffusion layer, 8 Air electrode conductive layer, 10 Fuel cell, 11, 13 First fuel cell, 12, 14
Claims (20)
前記燃料電池の発電反応によって前記空気極で生成した水蒸気を含む空気を蓄積する空気室と、
燃料を保持する燃料室と、
前記水蒸気を含む空気と水素発生材料とを反応させることにより水素を生成する水素生成機構と、
前記燃料室と前記水素生成機構に介在し、前記水素生成機構から水素を分離して前記燃料室に供給する水素分離機構と、
前記水蒸気を含む空気を前記空気室から前記水素生成機構に導入する導入機構と、
を備える、燃料電池システム。 A fuel cell having an electrolyte membrane, a fuel electrode formed on one surface of the electrolyte membrane, and an air electrode formed on the other surface of the electrolyte membrane;
An air chamber for storing air containing water vapor generated at the air electrode by a power generation reaction of the fuel cell;
A fuel chamber for holding fuel;
A hydrogen generating mechanism for generating hydrogen by reacting the air containing water vapor with a hydrogen generating material;
A hydrogen separation mechanism interposed between the fuel chamber and the hydrogen generation mechanism, for separating hydrogen from the hydrogen generation mechanism and supplying the hydrogen to the fuel chamber;
An introduction mechanism for introducing air containing water vapor from the air chamber into the hydrogen generation mechanism;
A fuel cell system comprising:
請求項1または2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the introduction mechanism includes a valve that adjusts an amount of water vapor introduced into the hydrogen generation mechanism.
前記水蒸気を含む空気が導入される上流よりも下流ほど、前記水素発生材料間の空隙が小さく配置されている請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池システム。 The arrangement of the hydrogen generating material in the hydrogen generation mechanism is as follows:
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein a gap between the hydrogen generating materials is arranged smaller toward the downstream side than the upstream side where the air containing the water vapor is introduced.
かつ前記空気室と前記水素生成機構との間に逆止弁を設ける請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池システム。 In order to adjust the internal pressure P1 and the internal pressure P2, the hydrogen generating material has a hydrogen generating material in which the stoichiometric number of generated hydrogen is larger than the stoichiometric number of water vapor necessary for generating hydrogen. ,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein a check valve is provided between the air chamber and the hydrogen generation mechanism.
一般式 MH4-nで表される水素化物、
一般式 M(BH4)4-nで表される水素化物、
一般式 M(AlH4)4-nで表される水素化物、
(ここで、Mは周期表1A族のアルカリ金属、2A族のアルカリ土類金属であり、nは0〜3の整数である)、
NH3BH3、
ならびに、
Al、FeおよびMgから選ばれる金属微粒子
の群の中から選ばれる1種または2種以上の混合物である請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池システム。 The hydrogen generating material is
A hydride represented by the general formula MH 4-n ,
A hydride represented by the general formula M (BH 4 ) 4-n ,
A hydride represented by the general formula M (AlH 4 ) 4-n ,
(Here, M is an alkali metal of Group 1A of the periodic table, an alkaline earth metal of Group 2A, and n is an integer of 0 to 3),
NH 3 BH 3 ,
And
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, which is one or a mixture of two or more selected from the group of metal fine particles selected from Al, Fe and Mg.
LiH、NaH、KH、MgH2、CaH2、AlH3、LiBH4、NaBH4、LiAlH4およびNaAlH4
から選ばれる1種以上の化合物である請求項9に記載の燃料電池システム。 The hydrogen generating material is
LiH, NaH, KH, MgH 2 , CaH 2, AlH 3, LiBH 4, NaBH 4, LiAlH 4 and NaAlH 4
The fuel cell system according to claim 9, which is one or more compounds selected from the group consisting of:
ポリイミドまたはポリスルホンからなる高分子膜、
多孔質セラミックスからなる無機多孔質膜、および、
ニオブ、タンタルまたはバナジウムからなる金属支持体、もしくは多孔質硝子、多孔質セラミックスまたは多孔質酸化アルミニウムからなる無機多孔質支持体の表面に、パラジウム、もしくはパラジウム合金を被覆させた合金膜、
から選ばれるいずれかである請求項1〜11のいずれかに記載の燃料電池システム。 The hydrogen separation mechanism is
A polymer membrane made of polyimide or polysulfone,
An inorganic porous film made of porous ceramics, and
An alloy film in which palladium or a palladium alloy is coated on the surface of a metal support made of niobium, tantalum or vanadium, or an inorganic porous support made of porous glass, porous ceramics or porous aluminum oxide,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is selected from the group consisting of:
メタノール、エタノール、ジメトキシメタン、ギ酸、ギ酸メチル、アスコルビン酸およびヒドラジンから選ばれる少なくとも1つである
請求項13に記載の燃料電池システム。 The fuel is a liquid fuel or a solid fuel dissolved in a liquid,
The fuel cell system according to claim 13, which is at least one selected from methanol, ethanol, dimethoxymethane, formic acid, methyl formate, ascorbic acid and hydrazine.
前記水素生成機構で生成される水素と前記燃料室における燃料とを隔てる仕切りを有し、
前記燃料室における燃料が供給される前記燃料電池と、
前記水素生成機構で生成される水素と前記燃料室における燃料とが供給される前記燃料電池とを備える
請求項1〜18のいずれかに記載の燃料電池システム。 Comprising a plurality of the fuel cells;
Having a partition separating hydrogen generated by the hydrogen generation mechanism and fuel in the fuel chamber;
The fuel cell supplied with fuel in the fuel chamber;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 18, further comprising the fuel cell to which hydrogen generated by the hydrogen generation mechanism and fuel in the fuel chamber are supplied.
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