JP2009170402A - Fuel cell and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池及び燃料電池システムに関し、詳細には電子機器の電源部で、特に燃料電池を使用した燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that uses a fuel cell in a power supply unit of an electronic device.
近年、電子技術の進歩によって、携帯電話、ノートPC、ミニPC(=ポケットPC)、携帯オーディオ機器、PDAなどの携帯電子機器の普及が急激に進んでいる。これらの携帯電子機器は二次電池を電源として稼動するシステムが多数を占めており、これらのシステムはユーザの利便性の観点から高機能化が加速している。市場ではこれらのシステムが高機能化するにつれ、システムの消費電力は増大する傾向にある。更には、携帯電子機器においても長時間にわたる使用が要求されているため、電源である二次電池の大容量化も進んでいる。このような状況の中で注目されているのが燃料電池である。燃料電池の反応は、基本的には水素と酸素を反応させて水を生成する過程に、電気化学的エネルギーを取り出すものである。燃料とする水素は、必ずしも水素そのものである必要はなく、水素基を含有する化合物であってもよい。具体的に、アルコール、炭化水素などである。同様に酸素は、必ずしも酸素である必要はなく、酸化剤として空気なども使用される。 In recent years, with the advancement of electronic technology, portable electronic devices such as mobile phones, notebook PCs, mini PCs (= pocket PCs), portable audio devices, and PDAs are rapidly spreading. These portable electronic devices occupy a large number of systems that operate using a secondary battery as a power source, and these systems are accelerating their functions from the viewpoint of user convenience. As these systems become more sophisticated in the market, the power consumption of the system tends to increase. Furthermore, since the portable electronic device is required to be used for a long time, the capacity of the secondary battery as a power source is increasing. In such a situation, the fuel cell is attracting attention. The fuel cell reaction basically takes out electrochemical energy in the process of producing water by reacting hydrogen and oxygen. Hydrogen used as a fuel is not necessarily hydrogen itself, and may be a compound containing a hydrogen group. Specific examples include alcohols and hydrocarbons. Similarly, oxygen is not necessarily oxygen, and air or the like is used as an oxidant.
燃料電池の一つの方式に、高分子固体電解質を用いるものがある。この方式の燃料電池は、発電ロスによる発熱が小さいのが特徴であり、常温での発電効率が高いという長所がある一方で、低温発電させた場合、極端に出力が小さくなりまた、発電効率が低くなるという特性も併せ持つ。言い換えれば、燃料電池内で起こる化学反応は、その反応速度が温度の関数であり、低温では反応速度は遅く、高温になるほど反応速度は早くなる。よって、実用レベルの電力を取り出そうとすれば、反応速度を上げる必要があり、燃料電池には適度な(使用する材料等の機能低下を起こさない程度に)高温で発電させることが要求される。従って、燃料電池を適正な温度に上げて発電させることが重要であり、発電中の燃料電池温度を効率よく保持することも要求される。 One type of fuel cell uses a polymer solid electrolyte. This type of fuel cell is characterized by low heat generation due to power generation loss, and has the advantage of high power generation efficiency at room temperature. On the other hand, when low-temperature power generation is used, the output is extremely small and the power generation efficiency is low. It also has the characteristic of lowering. In other words, the chemical reaction occurring in the fuel cell has a reaction rate that is a function of temperature. The reaction rate is low at low temperatures, and the reaction rate increases as the temperature increases. Therefore, if an attempt is made to extract power at a practical level, it is necessary to increase the reaction rate, and the fuel cell is required to generate electric power at an appropriate high temperature (so as not to cause a functional deterioration of materials used). Therefore, it is important to raise the fuel cell to an appropriate temperature for power generation, and it is also required to efficiently maintain the fuel cell temperature during power generation.
このような要求に対して従来よりいくつか提案がなされているが、その一つとして、特許文献1では、温度を上げる手段として、燃料電池セルと、該燃料電池セルのカソード極に空気を供給する空気供給手段とを備える燃料電池装置において、燃料電池セルの温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段により検出される燃料電池セルの温度に基づいて供給空気を加熱する空気加熱手段が設けられたことにより、始動時の発電効率を向上させ、氷点下など低温下での装置内の氷を解凍する燃料電池装置が提案されている。
しかしながら、上記特許文献1では、供給空気を加熱するために空気加熱手段を設けて始動時の発電効率を向上させるため、エネルギーの消費が大きい。また、燃料電池の温度が上昇させた後の燃料電池のカソード極へは室温環境下の空気供給となって温度が低くなり、発電部の発電動作が不安定となってしまう。 However, in Patent Document 1, energy consumption is large because air heating means is provided to heat the supply air to improve the power generation efficiency at the start. In addition, air in a room temperature environment is supplied to the cathode electrode of the fuel cell after the temperature of the fuel cell is raised, the temperature is lowered, and the power generation operation of the power generation unit becomes unstable.
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、燃料電池スタックの電気出力を安定化し、エネルギーの利用効率を高めることができる燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve these problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell system that can stabilize the electrical output of the fuel cell stack and increase the energy use efficiency.
前記問題点を解決するために、本発明の燃料電池は、電解質膜がアノード極及びカソード極で挟持されている膜電極接合体を少なくとも1個有する発電部を有し、燃料をアノード極に供給し、酸化剤をカソード極に供給して発電する。そして、本発明の燃料電池は、発電部を覆って発電部を断熱保温する断熱保温手段を設け、酸化剤を断熱保温手段を介し、発熱部の排熱で加熱された酸化剤をカソード極に供給することに特徴がある。よって、燃料電池スタックの電気出力を安定化し、エネルギーの高利用効率が可能な燃料電池を提供できる。 In order to solve the above problems, the fuel cell of the present invention has a power generation unit having at least one membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and supplies fuel to the anode electrode. Then, an oxidant is supplied to the cathode electrode to generate electricity. The fuel cell of the present invention is provided with a heat insulating and heating means that covers the power generation section and insulates and heats the power generation section. The oxidant is heated by the exhaust heat of the heat generating section through the heat insulation and heat insulation means to the cathode electrode. It is characterized by supply. Therefore, it is possible to provide a fuel cell in which the electric output of the fuel cell stack is stabilized and the energy utilization efficiency is high.
また、第1の部材と第2の部材の二重構造をなし、発電部を覆って発電部を断熱保温する断熱保温手段を設け、第1の部材と第2の部材で形成される空間内に酸化剤を通して発熱部の排熱で加熱し、加熱された酸化剤をカソード極に供給する。よって、カソード極に供給する酸化剤を加温することができる。 In addition, a double structure of the first member and the second member is formed, and a heat insulating and warming means that covers and heat-insulates the power generation unit by covering the power generation unit is provided, and in the space formed by the first member and the second member The oxidant is passed through and heated by the exhaust heat of the heat generating portion, and the heated oxidant is supplied to the cathode electrode. Therefore, the oxidizing agent supplied to the cathode electrode can be heated.
更に、空間内に管路を形成し、該管路にカソード極に供給する酸化剤を供給することにより、カソード極に供給する酸化剤を加温することができる。 Furthermore, by forming a pipe line in the space and supplying an oxidant supplied to the cathode electrode to the pipe line, the oxidant supplied to the cathode electrode can be heated.
また、第1の部材の内壁に断熱材を設けることにより、断熱保温を向上できる。 Moreover, heat insulation heat retention can be improved by providing a heat insulating material in the inner wall of a 1st member.
更に、凝縮器を通して酸化剤を加熱し、加熱した酸化剤を断熱保温手段を介して発熱部の排熱で更に加熱された酸化剤をカソード極に供給する。よって、カソード極へ供給する酸化剤は凝縮器を通されて予め加熱することで、発電部の各セル内の温度ばらつきを少なくでき、発電部の発電動作時出力の安定性を高めることができる。 Further, the oxidant is heated through the condenser, and the oxidant further heated by the exhaust heat of the heat generating portion is supplied to the cathode electrode through the heat insulating heat retaining means. Therefore, the oxidant supplied to the cathode electrode is heated in advance through a condenser, so that the temperature variation in each cell of the power generation unit can be reduced, and the stability of the output during the power generation operation of the power generation unit can be improved. .
また、別の発明としての燃料電池システムは、上記燃料電池とDC-DCコンバータと蓄電器とを有し、負荷として接続される負荷装置の動作に必要な電力を供給することに特徴がある。よって、カソード極へ供給する酸化剤を予め加熱することで、発電部の各セル内の温度ばらつきを少なくでき、発電部の発電動作時出力の安定性を高めることができる燃料電池システムを提供できる。 A fuel cell system according to another invention is characterized in that it has the fuel cell, a DC-DC converter, and a capacitor, and supplies electric power necessary for the operation of a load device connected as a load. Therefore, by preheating the oxidant supplied to the cathode electrode, it is possible to provide a fuel cell system that can reduce the temperature variation in each cell of the power generation unit and can improve the stability of the output during the power generation operation of the power generation unit. .
更に、負荷装置の負荷に応じて燃料電池のアノード極へ供給する燃料の濃度及びカソード極へ供給する酸化剤の流量を制御する燃料電池制御部を有する。そして、燃料電池制御部は、負荷装置の負荷が低負荷になった時に、燃料電池のアノード極へ供給する燃料の濃度を低くすると共に、カソード極へ供給する酸化剤の流量を少なくするように制御を行う。よって、負荷装置の低負荷時に対して燃料電池を温めるためのエネルギーの余分な消費をなくすことで、燃量電池システムの効率の向上ができる。 The fuel cell control unit further controls the concentration of the fuel supplied to the anode electrode of the fuel cell and the flow rate of the oxidant supplied to the cathode electrode according to the load of the load device. The fuel cell control unit reduces the concentration of the fuel supplied to the anode electrode of the fuel cell and decreases the flow rate of the oxidant supplied to the cathode electrode when the load of the load device becomes low. Take control. Therefore, the efficiency of the fuel cell system can be improved by eliminating excessive consumption of energy for warming the fuel cell when the load device is under low load.
本発明によれば、燃料電池の発電部を断熱保温する断熱保温手段によって発電部からの排気熱でカソード極へ供給する酸化剤を予め加熱することで、発電部の各セル内の温度ばらつきを少なくでき、発電部の発電動作時出力の安定性を高めることができる燃料電池が提供できる。また、このような燃料電池を搭載することで燃料電池システムの出力安定化を高めることができる。 According to the present invention, by preheating the oxidant supplied to the cathode electrode by the heat of exhaust from the power generation unit by the heat insulation and heat insulation means for heat insulation of the power generation unit of the fuel cell, the temperature variation in each cell of the power generation unit is reduced. It is possible to provide a fuel cell that can be reduced and can improve the stability of the output of the power generation unit during power generation operation. Also, by mounting such a fuel cell, the output stability of the fuel cell system can be improved.
以下、様々な燃料電池がある中で、メタノール水溶液を燃料とする固体高分子形燃料電池を例として説明する。なお、本実施の形態の燃料電池は、一例として水素と酸素を化学反応させて水ができる際のエネルギーを電力という形で取り出す電源、特に酸化剤(空気)とメタノールとを燃料とする強制循環型DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)直接メタノール型燃料電池を採用しているが、エタノールやジメチルエーテルなどの各種液体を燃料として用いるなど、他の構造を持つものであってもよい。 Hereinafter, among various fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell using a methanol aqueous solution as a fuel will be described as an example. The fuel cell of the present embodiment is an example of a power source that takes out energy in the form of electric power when water is produced by chemically reacting hydrogen and oxygen, in particular forced circulation using oxidant (air) and methanol as fuel. Although a direct methanol fuel cell (DMFC) is used, it may have other structures such as using various liquids such as ethanol and dimethyl ether as fuel.
図1は燃料電池の構成を示す斜視図である。同図に示すように、液体を燃料とする燃料電池スタック1は、一枚の発電単セル2では電圧が低いため発電単セル2を複数枚積層したスタックで発電されることが一般的である。燃料電池スタック1は、図1に示すように、発電単セル2を複数直列に接続して構成されている。発電単セル2の出力電圧は1Vに満たないため、複数の発電単セル2を直列に接続することにより、より大きな出力電圧を得ることができる。発電単セル2は、アノード極3とカソード極4と高分子電解質膜5とを有する。アノード極3は、メタノールを電気化学的に酸化する触媒(メタノール酸化電極触媒)6を有する。カソード極4は、酸素を選択的に電気化学的還元する触媒(酸素還元電極触媒)を有する。高分子電解質膜5は、アノード極3とカソード極4との間に挟み込まれている。そして、アノード極3にメタノールが供給され、カソード極4に酸化剤(空気)が供給されると、アノード極3とカソード極4との間に電力が生じるとともに、アノード極3側に二酸化炭素が発生し、カソード極4側に水が発生する。このように、燃料電池スタック1は、アノード極3に燃料のメタノールを、カソード極4に酸化剤(空気)を供給することで発電する。
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a fuel cell. As shown in the figure, the fuel cell stack 1 using liquid as a fuel is generally generated by a stack in which a plurality of power generation single cells 2 are stacked because the voltage of one power generation single cell 2 is low. . As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 1 is configured by connecting a plurality of power generation single cells 2 in series. Since the output voltage of the power generation unit cell 2 is less than 1 V, a larger output voltage can be obtained by connecting a plurality of power generation unit cells 2 in series. The power generation unit cell 2 includes an
燃料電池スタック1に供給される燃料の濃度を高めすぎると、アノード極3で反応しなかった燃料が高分子電解質膜5を通り過ぎてカソード極4で反応する「クロスオーバー現象」が発生し、カソード極3での分極が大きくなるため出力が低下する。このため、燃料の濃度を数%程度にする必要がある。燃料タンクに収容された燃料を数%程度に保つと、燃料タンクが非常に大きくなるため、燃料タンクには高濃度(例えば100%)の燃料を入れておき、循環タンクで濃度を数%に薄めてから燃料電池セルに供給することが望ましい。循環タンクにおける燃料の濃度は、燃料濃度センサで監視され、予め設定しておいた値より濃度が高い時はポンプで水を補給し、逆に濃度が低い時はポンプで燃料を補給して、常に濃度が一定になるように制御される。
When the concentration of the fuel supplied to the fuel cell stack 1 is increased too much, a “crossover phenomenon” occurs in which the fuel that has not reacted at the
また、燃料電池スタックの発電中は、化学反応による発熱で50℃から80℃程度の温度となっており、循環タンクの燃料は燃料電池セルを循環するため循環タンク内の燃料もそれに近い温度になる。一方、酸化剤の供給に関しては、常温(室温)の空気を取り込むことになり、スタック温度に比べ低温になっている。エアブロアにより酸化剤が供給されると、スタックへの供給口の直近は冷やされ、出口付近はスタックの温度により温められた状態となっている。見かけ上の温度は、温度制御としてスタック内の一点を検出して、その温度をフィードバックしながら行うので、所望の温度制御ができていると判断されるが、発電単セル内では温度ばらつきが発生しており、発電単セル内の局所的な出力偏差が起こり、また発電単セルのダメージを誘起させることになる。よって、本発明では、発電単セル内の温度バラツキを小さくすることで、発電単セル内の出力偏差を小さくすることで、安定した出力電力を得るものである。 During power generation of the fuel cell stack, the temperature is about 50 ° C. to 80 ° C. due to heat generated by a chemical reaction, and the fuel in the circulation tank circulates through the fuel cell, so the fuel in the circulation tank is also close to that temperature. Become. On the other hand, regarding the supply of the oxidant, air at room temperature (room temperature) is taken in, and is lower than the stack temperature. When the oxidizing agent is supplied by the air blower, the vicinity of the supply port to the stack is cooled and the vicinity of the outlet is heated by the temperature of the stack. The apparent temperature is detected by detecting one point in the stack as the temperature control and feeding back the temperature, so it is judged that the desired temperature control has been achieved, but temperature variations occur within the single power generation cell. Therefore, a local output deviation occurs in the power generation unit cell, and damage to the power generation unit cell is induced. Therefore, in the present invention, stable output power is obtained by reducing the output deviation in the power generation unit cell by reducing the temperature variation in the power generation unit cell.
図2は本発明の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。同図に示す本発明の燃料電池システム100は、燃料電池制御部10を含む燃料電池20と、DC-DCコンバータ40と、蓄電器50とを有し、負荷となる電子機器200の動作に必要な電力を供給する電源システムとして機能する。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system of the present invention. A
そして、燃料電池20は、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の構成を示すブロック図である図3に示すように、主要な構成要素として、セルスタック21と温度センサ22と燃料タンク23と燃料ポンプ24と水回収タンク25と水ポンプ26と循環タンク27と燃料濃度センサ28と循環ポンプ29とエアブロア30と凝集器31とファン32とを筐体(図示せず)内に配置して構成される発電装置である。
The
また、図2に示すようにDC-DCコンバータ40は、不安定な燃料電池の出力電圧を安定化してから、電子機器等の負荷に電力を供給する。蓄電器50は、二次電池や電気二重層コンデンサなどにより構成され、燃料電池のセルスタックからの出力電流で充電する。蓄電器50は、主電源として機能し、変動する負荷に十分な電力を供給可能な容量を有し、燃料電池20は、蓄電器50を充電する補助電源として機能する。燃料電池20を構成する燃料ポンプ24やエアブロア30などの補機は、燃料電池制御部10のマイコンにより制御されるとともに、動作に必要な電力を燃料電池20の出力から取り出す。
Further, as shown in FIG. 2, the DC-
ここで、燃料電池20は内部抵抗の値が蓄電器50の内部抵抗に比べ大きいため、電流をI、出力抵抗をRとするとき電力損失Wは、W=I2×Rで表されることから、燃料電池単独で直接、負荷変動の大きな電子機器等の負荷に電力を供給すると、負荷が大きくなった時に大きな電流が流れるため、出力抵抗での損失が大きくなり効率が悪い。そこで、蓄電器50を設けることにより、負荷が大電流を必要とするときはセルスタックからの出力電流だけでなく蓄電器50から電流供給できるため、セルスタックの内部抵抗による電力損失を少なくし効率よい電源システムを構成することができる。
Here, since the value of the internal resistance of the
また、燃料電池20は、体積当たりに取り出せる電力が蓄電器50に比べ少ないため、蓄電器50を主電源とし、燃料電池20を補助電源として、燃料電池20は蓄電器50の充電と負荷容量の増加の時に蓄電器50のアシストを行う機能を有することで、小型、軽量の燃料電池システムを構成することができる。
Further, since the
次に、本実施の形態の燃料電池の動作について説明する。
図3の燃料タンク23は、液体燃料としての高濃度(ほぼ100%)のメタノールを収容している。燃料ポンプ24は、燃料タンク23内の燃料を循環タンク27に送出する。セルスタック21のカソード極から、空気と(カソード極で発生した)水を含んだ排気が排出され、凝縮器31を通して冷やされ、水回収タンク25に水として回収される。回収された水は、水ポンプ26により循環タンク27内に送出する。循環タンク27は、燃料タンク23からの燃料を、水回収タンク25からの水によって希釈するタンクであり、循環タンク27内の燃料は、初期状態で予め数%の一定値に調整されている。濃度センサ28は、循環タンク27の燃料濃度を検出する。循環ポンプ29は、循環タンク27とアノード極とを接続した燃料供給路の途中に配置され、循環タンク27で希釈された燃料をアノード極に供給する。酸化剤(空気)は、エアブロワ30によりカソード極に供給する。図2の燃料電池制御部10は、濃度センサ28で検出された循環タンク27内の燃料濃度をモニタし、循環タンク27内の燃料濃度が予め設定された濃度設定値より高い時、水ポンプ26を間欠動作させて水回収タンク25の水を循環タンク27へ補給し、循環タンク27内の燃料濃度が設定値より低い時、燃料ポンプ24を間欠動作させて燃料タンク23の燃料を循環タンク27へ補給する。また、燃料電池制御部10は、循環タンク27内の燃料の量をセンサ(図示せず)で検出し適宜、燃料及び水を循環タンク27に供給させる。
Next, the operation of the fuel cell according to the present embodiment will be described.
The
そして、燃料電池から出力を取り出すにあたり、燃料電池内で起こる化学反応は、その反応速度は温度の関数であり、低温では反応速度は遅く、高温になるほど反応速度は早くなるので、実用レベルの電力を取り出そうとすれば、反応速度を上げる必要があり、燃料電池には適度な高温で発電させることが要求される。そのために、本実施の形態では、図3に示すように、断熱保温手段として、発熱部であるセルスタック21の全体を断熱保温する断熱保温パッケージ33で覆っている。このように、セルスタック21を断熱保温パッケージ33で覆うことで、セルスタック21からの熱放散を断熱保温パッケージ33内に留めることで、セルスタック21の温度低下を極力少なくすることができ、セルスタック21の動作温度を適切な高温状態に維持でき、発電部の低温化による出力低下を防ぐことができる。なお、セルスタック21の温度は使用する材料等の機能低下を起こさない程度の適切な高温状態に維持する必要があるが、そのために後述するように燃料の濃度を調整するか、あるいは酸化剤(空気)の供給量を制御する。
When taking out the output from the fuel cell, the chemical reaction that takes place in the fuel cell is a function of temperature, the reaction rate is slow at low temperatures, and the reaction rate increases at higher temperatures. If it is going to be taken out, it is necessary to increase the reaction rate, and the fuel cell is required to generate power at an appropriate high temperature. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 3, the
この断熱保温パッケージ33は、内側に案内壁34を、また外側にパッケージ35を形成した二重構造とし、案内壁34とパッケージ35との間に空間36を形成している。案内壁34には、流入口37と流出口38とが設けられ、酸化剤(空気)はエアブロア30から流入口37を通して断熱保温する断熱保温パッケージ33の案内壁34とパッケージ35で形成された空間36に流入し、案内壁34に沿って案内され、セルスタック21によって加熱されて流出口38からカソード極に流入する。つまり、案内壁34とパッケージ35で形成された空間36にカソード極に供給する酸化剤(空気)を案内し、セルスタック21からの排熱を利用して、酸化剤(空気)を加熱するのである。なお、酸化剤(空気)の加熱は、断熱保温する案内壁34とパッケージ35で形成された空間36で、断熱保温パッケージ33の内側全域を使用するのが良い。このように、断熱保温する案内壁34とパッケージ35で形成された空間36は高温に維持されているので、酸化剤(空気)の加熱が可能となり、加熱された酸化剤(空気)は、案内壁34とパッケージ35で形成された空間36内を案内された後にカソード極に供給される。排気熱の加熱による加温された酸化剤(空気)は、カソード極に供給されるが、具体的には図1のセパレータ7を介してカソード極4に供給される。
The heat insulation and
ここで、図4に発電単セル内に酸化剤を案内するセパレータの構成を示す。同図の(a)の溝形状はサーペンタイン型流路であり、同図の(b)の溝形状はパラレル型流路であって、実線円は温度が低い箇所であり、点線円は温度が高い箇所である。このように、発電単セル内での温度バラツキにより電池特性の変動が生じている。これに対し、本実施の形態では、断熱保温する案内壁34とパッケージ35で空間36を形成し、空間内で酸化剤が加熱され、カソード極に供給されるので、従来例に比べセル内の温度ばらつきが小さくなり、電池特性の変動が抑制される。
Here, FIG. 4 shows a configuration of a separator that guides the oxidant into the power generation unit cell. The groove shape of (a) in the figure is a serpentine type flow path, the groove shape of (b) in the figure is a parallel type flow path, the solid circle is a place where the temperature is low, and the dotted line circle is the temperature. It is a high place. Thus, the battery characteristics fluctuate due to temperature variations in the power generation unit cell. On the other hand, in the present embodiment, a
本実施の形態では、酸化剤(空気)を加熱するため発電部の排熱エネルギーが使用されるため、発電部は冷却されるので、発電部を高温維持するエネルギーが必要となる。しかし、従来例でも酸化剤(空気)は、低温のため発電部を冷却するので、発電部を高温維持するためにはエネルギーが必要とされ、本実施の形態の場合は従来例と比べると排熱を利用して酸化剤(空気)を加熱しているので、その分のエネルギーは既に酸化剤(空気)に取り込まれているため、酸化剤(空気)を少ないエネルギーで更に加温することで、動作温度を維持できることになる。すなわち、エネルギー収支としては、本実施の形態の酸化剤(空気)の予備加熱と従来例の供給とでは、殆ど差は無いと言える。余分なエネルギーを殆ど追加することなく、酸化剤(空気)を加熱してカソード極に供給できるので、温度偏差による電池特性の変動を抑えることができる。 In the present embodiment, since the exhaust heat energy of the power generation unit is used to heat the oxidant (air), the power generation unit is cooled, so that energy for maintaining the power generation unit at a high temperature is required. However, since the oxidizer (air) also cools the power generation unit because of the low temperature in the conventional example, energy is required to maintain the power generation unit at a high temperature. In this embodiment, the oxidant (air) is exhausted compared to the conventional example. Since the oxidant (air) is heated using heat, the energy of that amount has already been taken into the oxidant (air), so by further heating the oxidant (air) with less energy The operating temperature can be maintained. That is, it can be said that there is almost no difference in the energy balance between the preheating of the oxidizing agent (air) of the present embodiment and the supply of the conventional example. Since the oxidizing agent (air) can be heated and supplied to the cathode electrode without adding extra energy, fluctuations in battery characteristics due to temperature deviation can be suppressed.
次に、本実施の形態において用いられる断熱保温パッケージの構成の一例について説明する。
図5は図3の断熱保温パッケージの構成の一例を示す図である。同図の(a)は断面図であり、同図の(b)は同図の(a)のA−A’線断面図である。同図に示す断熱保温パッケージは、酸化剤(空気)の流入口37と流出口38の両端部で連結した複数の管路39が並行して設置されており、酸化剤(空気)が案内壁面を均等に案内され、効率よく加熱することができるように構成されている。
Next, an example of the configuration of the heat insulation and heat insulation package used in the present embodiment will be described.
FIG. 5 is a diagram showing an example of the configuration of the heat insulation and heat insulation package of FIG. (A) of the same figure is sectional drawing, (b) of the figure is AA 'line sectional drawing of (a) of the same figure. In the heat insulation and heat insulation package shown in the figure, a plurality of
図6は図3の断熱保温パッケージの構成の他の例を示す図である。同図の(a)は断面図であり、同図の(b)は同図の(a)のB−B’線断面図である。同図に示す断熱保温パッケージは、酸化剤(空気)の流入口37と流出口38の両端部を一本の管路39で連結した構成を示しており、酸化剤(空気)が案内壁面を均等に案内され、かつ酸化剤(空気)が断熱保温する案内壁34とパッケージ35で形成された空間36に滞留する時間を長くすることで、より効率よく加熱することができるように構成されている。
FIG. 6 is a diagram showing another example of the configuration of the heat insulation and heat insulation package of FIG. (A) of the same figure is sectional drawing, (b) of the figure is B-B 'sectional view taken on the line of (a) of the same figure. The heat insulation and heat insulation package shown in the figure shows a configuration in which both ends of an
なお、図5及び図6に示す断熱保温する案内壁とパッケージで空間を形成する面は、複数面であっても良いし、管路配置も複数面を使用しても良い。 In addition, the surface which forms space with the guide wall and package which carry out heat insulation shown in FIG.5 and FIG.6 may be a plurality of surfaces, and a plurality of surfaces may be used for the pipe arrangement.
図7は図3の断熱保温パッケージの構成の他の例を示す断面図である。同図に示すように、図6の断熱保温パッケージ33におけるパッケージ35の内壁に断熱材41を設け、断熱保温性能を上げ、発電部排熱の外部へ逃げることを防止し、効率的に酸化剤(空気)を加熱して、より高い温度で、カソード極へ供給する。
7 is a cross-sectional view showing another example of the configuration of the heat insulation and heat insulation package of FIG. As shown in the figure, a
以上説明したように、燃料電池のカソード極に加温された酸化剤を供給する燃料電池を搭載した燃料電池システムを構成し、燃料電池スタックの電気的出力が安定した燃料電池システムが実現できる。 As described above, it is possible to realize a fuel cell system in which a fuel cell system including a fuel cell that supplies a heated oxidant to the cathode electrode of the fuel cell and the electric output of the fuel cell stack is stable can be realized.
ここで、セルスタックの温度を上げる方法の一つに、燃料のクロスオーバーを利用するものがある。燃料電池制御部は、発電により消費される循環タンク内の燃料であるメタノールの濃度を一定に保つことにより、メタノールの濃度の低下に伴う発電電力の低下を防止する。燃料電池制御部は、循環タンク内のメタノール水溶液の濃度を数%程度に制御することにより、いわゆるクロスオーバー現象を防止する。クロスオーバー現象は、燃料の濃度が高い場合に、アノード極で反応しなかった燃料が電解質膜を通り過ぎてカソード極に到達し、カソード極で反応する現象であり、クロスオーバー現象が起きるとカソード極の分極電圧が増加するため、アノード極とカソード極との間の電位差が少なくなり、外部へ取り出すことのできる電力が小さくなる。 Here, one method for raising the temperature of the cell stack is to use a crossover of fuel. The fuel cell control unit keeps the concentration of methanol, which is fuel in the circulation tank consumed by power generation, constant, thereby preventing a decrease in generated power accompanying a decrease in methanol concentration. The fuel cell control unit prevents the so-called crossover phenomenon by controlling the concentration of the aqueous methanol solution in the circulation tank to about several percent. The crossover phenomenon is a phenomenon in which when the fuel concentration is high, the fuel that has not reacted at the anode electrode passes through the electrolyte membrane, reaches the cathode electrode, and reacts at the cathode electrode. When the crossover phenomenon occurs, the cathode electrode Therefore, the potential difference between the anode and the cathode is reduced, and the power that can be taken out is reduced.
一方で、クロスオーバーしたメタノールは、カソード極で反応すると反応熱を伴うので、燃料電池スタックの温度を上げる方法としても、考慮されている。前述したように、化学反応自体は、温度による活性化が大きく寄与しており、高温であるほど出力電力を取り出せることは既知であり、できるだけ適切な範囲で高温動作をさせるのが良い。 On the other hand, crossover methanol is accompanied by heat of reaction when it reacts at the cathode, so it is also considered as a method for raising the temperature of the fuel cell stack. As described above, activation by temperature greatly contributes to the chemical reaction itself, and it is known that output power can be taken out at higher temperatures, and it is better to operate at a high temperature within an appropriate range.
ここで、クロスオーバーを起こさせて、つまりメタノール燃料の濃度を上げ、カソード極での反応を利用して温度を上げ、全体の酸化還元反応活性を高めて出力を上げる。クロスオーバーで生じるカソード極の分極による出力低下とのバランスを燃料の濃度を変えて調整することで、燃料効率の良い温度にて制御を行う。 Here, crossover is caused, that is, the concentration of methanol fuel is increased, the temperature is increased by utilizing the reaction at the cathode, and the overall redox reaction activity is increased to increase the output. Control is performed at a temperature with good fuel efficiency by adjusting the balance between the decrease in output due to the polarization of the cathode electrode caused by crossover by changing the fuel concentration.
次に、クロスオーバーを利用した発電制御において負荷対象となる電子機器の低負荷時又は高負荷時の制御について説明する。
対象負荷の電子機器等では、負荷が一定ではなく、例えば待機時やスリープモードといった低負荷の状態が多々ある。このときに、燃料電池システムを通常の負荷時と同様に運転動作すれば、燃料の消費に対して取り出す電力が少ないので、非効率になる。効率向上の一つの方法として、燃料電池の温度制御の目標値を下げて燃料消費を減らして、必要電力を賄うように適切な温度での制御を行うことで達成する。すなわち、温度を下げる手段として、燃料濃度を下げることが有効である。
Next, the control at the time of low load or high load of an electronic device to be loaded in power generation control using crossover will be described.
In an electronic device or the like of a target load, the load is not constant, and there are many low-load states such as standby mode and sleep mode. At this time, if the fuel cell system is operated in the same manner as during a normal load, less power is consumed for fuel consumption, resulting in inefficiency. One method of improving efficiency is achieved by lowering the target value of temperature control of the fuel cell to reduce fuel consumption and performing control at an appropriate temperature so as to cover the required power. That is, it is effective to lower the fuel concentration as a means for lowering the temperature.
図2に示す燃料電池システム100は、負荷対象となる電子機器等の負荷装置200における低負荷モード(例えば、待機時やスリープモード)を、負荷装置300から低負荷モード動作という状態信号を受け取り(信号のI/F(インターフェース)は図示していない)、燃料電池制御部10は燃料電池の動作温度を、低付加時の設定温度に設定し、図2及び図3に示すように燃料ポンプ24からの高濃度メタノール溶液の循環タンク27への供給量を減少させ、燃料電池制御部10で濃度センサ28をモニタし、低負荷時では運転動作での設定濃度目標値にする制御を行うことで実現する。また、負荷装置200の低負荷モード判断は、上記のような負荷装置200と燃料電池システム100とに、負荷装置200の負荷状態の受け取りを授受するI/Fが無い場合は、燃料電池システム100の出力電流をモニタして、ある一定時時間継続して負荷電流が小さい場合を燃料電池制御部10で、負荷装置200が低負荷モードであると判断することでも実現できる。
The
また、燃料濃度を低濃度にすることは、上記のクロスオーバー量を低減する制御を行うこととなり、カソード極での反応熱を低減させ、スタック温度を下げる。低濃度の運転制御を行えば、燃料消費が少なくなり、燃料消費効率も向上する。また、待機時やスリープモードといった低負荷の状態時の必要電力は小さいので、カソード極への酸化剤(空気)供給の量も少なくすることが可能となり、エアブロアへの電力供給を減らすことができるので、補機の電力低減も可能となる。酸化剤(空気)とメタノールとを燃料とする強制循環型DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)直接メタノール型燃料電池システムの補機の中で、エアブロアの消費電力の占める割合は高く、エアブロアの消費電力低減は、燃料電池システムの効率向上に大きく寄与する。この制御において、セルスタック温度が下がっても、カソード極への酸化剤(空気)供給の量も少なくなるので、酸化剤(空気)の加熱とカソード極への供給に関しては、スタック温度との相対的関係となるので、問題は生じない。 In addition, when the fuel concentration is lowered, the above-described control for reducing the crossover amount is performed, the reaction heat at the cathode electrode is reduced, and the stack temperature is lowered. If low concentration operation control is performed, fuel consumption is reduced and fuel consumption efficiency is improved. In addition, since the required power during low load conditions such as standby and sleep modes is small, it is possible to reduce the amount of oxidant (air) supplied to the cathode electrode and reduce the power supply to the air blower. Therefore, it is possible to reduce the power of the auxiliary equipment. The power consumption of the air blower is high in the auxiliary equipment of the forced methanol DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) direct methanol fuel cell system that uses oxidizer (air) and methanol as fuel, and the power consumption of the air blower is reduced. Greatly contributes to improving the efficiency of the fuel cell system. In this control, even if the cell stack temperature is lowered, the amount of oxidant (air) supply to the cathode electrode is also reduced, so the heating of the oxidant (air) and the supply to the cathode electrode are relative to the stack temperature. The problem does not arise because it is a relationship.
更に、負荷装置200は、連続駆動時や初期モードによっては高負荷の状態となるときがある。このようなとき、図3のセルスタック21の温度は上がり、限界温度に達する場合がある。上記のように断熱保温パッケージ33により高温状態が継続した場合セルスタックに使用される材料等の機能を低下してしまう。そこで、このように限界値に近づいた場合は、燃料の濃度を下げることができないので、カソード極への酸化剤(空気)供給の量を増加させて低温な酸化剤(空気)を多くカソード極へ供給してセルスタックの温度を下げるようにする。
Further, the
図8は本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の構成を示すブロック図である。同図において、図3と同じ参照符号は同じ構成要件を示す。同図に示す本実施の形態において、セルスタック21のカソード極から、空気と(カソード極で発生した)水を含んだ排気が排出され、凝縮器31を通して冷やされ、水回収タンク25に水として回収される。回収された水は、水ポンプ26により循環タンク27内に送出する。
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell in the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. In the present embodiment shown in the figure, exhaust gas containing air and water (generated at the cathode electrode) is discharged from the cathode electrode of the
ところで、燃料電池から出力を取り出すにあたり、燃料電池内で起こる化学反応は、その反応速度は温度の関数であり、低温では反応速度は遅く、高温になるほど反応速度は早くなるので、実用レベルの電力を取り出そうとすれば、反応速度を上げる必要があり、燃料電池には適度な高温で発電させることが要求される。そのために、本実施の形態では、図8に示すように、断熱保温手段として、発熱部であるセルスタック21の全体を断熱保温する断熱保温パッケージ33で覆い、セルスタック21の動作温度を適切な高温状態に維持し、発電部の低温化による出力低下を防いでいると同時に、この断熱保温パッケージ33は内側に案内壁34を、また外側にパッケージ35を形成した二重構造とし、案内壁34とパッケージ35との間に空間36を形成している。
By the way, when extracting the output from the fuel cell, the chemical reaction that takes place in the fuel cell is a function of temperature, the reaction rate is slow at low temperatures, and the reaction rate increases at higher temperatures. If it is going to be taken out, it is necessary to increase the reaction rate, and the fuel cell is required to generate power at an appropriate high temperature. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 8, as the heat insulation and heat insulation means, the
一方、エアブロア30からの酸化剤(空気)は凝縮器31を通し、更には流入口37を通して断熱保温する断熱保温パッケージ33の案内壁34とパッケージ35で形成された空間36に流入し、案内壁34に沿って案内され、セルスタック21によって加熱されて流出口38からカソード極に流入する。つまり、エアブロア30からの酸化剤(空気)は凝縮器31で予め加熱され、そして案内壁34とパッケージ35で形成された空間36にカソード極に供給する酸化剤(空気)が案内され、セルスタック21からの排熱を利用して、酸化剤(空気)を更に加熱するのである。凝縮器31には燃料電池のカソード極から空気と、カソード極で発生した水とを含んだ排気が流入される。この排気自体は燃料電池で加熱されているので、凝縮器31が高温になっている。よって、凝縮器31内を通った酸化剤は加熱されることになる。
On the other hand, the oxidant (air) from the
ここで、本実施の形態の燃料電池における凝縮器の構成を図9に示す。なお、同図の(b)は同図の(a)のC−C’線断面図である。同図の(a)、(b)に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の凝縮器31は、排気が通る管路42と、酸化剤が通る管路42とを隔壁43によって分離した2層構造を成している。このように管路42内を隔壁43によって2層にしているのは、排気と酸化剤が混合することを防ぐと共に、管路42内で隔壁43を介して排気の熱で酸化剤を加熱する熱交換を行うためである。なお、管路42や隔壁43の部材は高熱伝導性の部材を用いるのが良い。
Here, FIG. 9 shows the configuration of the condenser in the fuel cell of the present embodiment. In addition, (b) of the same figure is the C-C 'sectional view taken on the line of (a) of the same figure. As shown in FIGS. 4A and 4B, the fuel cell condenser 31 in the fuel cell system according to the present embodiment includes a
このような構成を有する凝縮器31を用いた本実施の形態の燃料電池システムによれば、燃料電池のカソード極から、空気とカソード極で発生した水とを含んだ排気が排出され、当該排気が凝縮器31の一端の供給口から入り、凝縮器31内の管路42を通って、排出口から出る。排気が凝縮器31内の管路42を通る時、凝縮器31の放熱フィン等を介して熱が奪われ冷却されて水となる。同時に、エアブロア30から供給される酸化剤(空気)は、排気の供給口とは反対端面供給口から入り、凝縮器31内の管路42を通って、排気の排出側とは反対側の排出口から出て発熱部21に供給される。よって、発熱部21のカソード極へ供給する酸化剤を予め加熱しておくことで、発熱部21の各セル内の温度ばらつきを少なくでき、発電部の発電動作時出力の安定性を高めることができる。
According to the fuel cell system of the present embodiment using the condenser 31 having such a configuration, the exhaust gas containing air and water generated at the cathode electrode is discharged from the cathode electrode of the fuel cell. Enters from the supply port at one end of the condenser 31, passes through the
なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications and substitutions are possible as long as they are described within the scope of the claims.
1;燃料電池スタック、2;発電単セル、3;アノード極、
4;カソード極、5;高分子電解質膜、6;触媒、
7;セパレータ、10;燃料電池制御部、20;燃料電池、
21;セルスタック、22;温度センサ、23;燃料タンク、
24;燃料ポンプ、25;水タンク、26;水ポンプ、
27;循環タンク、28;濃度センサ、29;循環ポンプ、
30;エアブロワ、31;凝縮器、32;ファン、
33;断熱保温パッケージ、34;案内壁、35;パッケージ、
36;空間、37;流入口、38;流出口、39,42;管路、
40;DC-DCコンバータ、41;断熱材、43;隔壁、50;蓄電器、
100;燃料電池システム、200;負荷装置。
1; fuel cell stack, 2; single power generation cell, 3; anode electrode,
4; cathode electrode, 5; polymer electrolyte membrane, 6; catalyst,
7; separator, 10; fuel cell control unit, 20; fuel cell,
21; cell stack, 22; temperature sensor, 23; fuel tank,
24; fuel pump, 25; water tank, 26; water pump,
27; Circulation tank, 28; Concentration sensor, 29; Circulation pump,
30; Air blower, 31; Condenser, 32; Fan,
33; heat insulation and heat insulation package; 34; guide wall; 35; package;
36; space, 37; inlet, 38; outlet, 39, 42;
40; DC-DC converter, 41; heat insulating material, 43; partition wall, 50;
100: Fuel cell system, 200: Load device.
Claims (8)
前記発電部を覆って前記発電部を断熱保温する断熱保温手段を設け、前記酸化剤を前記断熱保温手段を介し、前記発熱部の排熱で加熱された前記酸化剤を前記カソード極に供給することを特徴とする燃料電池。 A fuel that has a power generation unit having at least one membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, supplies fuel to the anode electrode, and supplies oxidant to the cathode electrode to generate electricity In batteries,
A heat insulating and heat insulating means for insulating and heat insulating the power generating section is provided so as to cover the power generating section, and the oxidant heated by the exhaust heat of the heat generating section is supplied to the cathode electrode through the heat insulating and heat insulating means. The fuel cell characterized by the above-mentioned.
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