JP2010027467A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell using liquid fuel.
ノートパソコンや携帯電話などのモバイル機器の電源として、小型の燃料電池の使用が注目されている。従来の二次電池では、充電のために一定時間コンセントにつなぐ必要があるが、燃料電池であれば供給用の燃料を補充するだけで使用可能となるため、モバイル機器の電源として非常に適している。 The use of small fuel cells is attracting attention as a power source for mobile devices such as notebook computers and mobile phones. Conventional secondary batteries need to be connected to an outlet for charging for a certain period of time, but fuel cells can be used simply by replenishing the fuel for supply, making them extremely suitable as power sources for mobile devices. Yes.
このようなモバイル機器向けの燃料電池としては、特に直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)が有望視されている。DMFCの液体燃料の供給方式としては、内部気化型等のパッシブ方式のほか、ポンプやバルブにより燃料供給を制御するアクティブ方式が存在する。モバイル機器の電源として燃料電池を実用化する場合、小型化および安全性の向上が重要である。 As such a fuel cell for mobile devices, a direct methanol fuel cell (DMFC) is particularly promising. As a DMFC liquid fuel supply system, there is an active system in which fuel supply is controlled by a pump or a valve in addition to a passive system such as an internal vaporization type. When a fuel cell is put into practical use as a power source for a mobile device, it is important to reduce the size and improve the safety.
DMFCでは、燃料であるメタノールが発電部に過剰に供給された場合、発電部、特にカソードが、異常に発熱する危険性がある。このような燃料の過剰供給による発熱を防ぐため、発電部の温度を検出して燃料供給量を制御する装置を備えた燃料電池が作製されている。しかしながら、このような制御装置が故障することも考えられるため、このような装置を備えたとしても、安全性が確保されたとは言いがたい。 In the DMFC, when methanol as a fuel is excessively supplied to the power generation unit, there is a risk that the power generation unit, particularly the cathode, abnormally generates heat. In order to prevent heat generation due to such an excessive supply of fuel, a fuel cell including a device that detects the temperature of the power generation unit and controls the amount of fuel supply has been manufactured. However, it is conceivable that such a control device may break down. Therefore, even if such a device is provided, it cannot be said that safety is ensured.
また、上記制御装置は、通常発電時においても、温度に応じて常に供給量を制御する。そのため、発電部による電力または独立した外部電源の電力を消費する。燃料電池の出力の増大および小型化のために、このような制御装置等の消費電力を低下させる必要性も存在する。 The control device always controls the supply amount according to the temperature even during normal power generation. Therefore, power from the power generation unit or power from an independent external power source is consumed. There is also a need to reduce the power consumption of such a control device in order to increase the output and size of the fuel cell.
特許文献1には、燃料の供給を遮断するためのバルブ等が記載されている。しかし、特許文献1は燃料と酸化剤との反応による加熱により動作するバルブ等を用い、燃料漏れによる問題を解決するものであり、燃料が過剰に供給された場合の異常発熱を防ぐものではない。
本発明の目的は、電力に依存せずに燃料の供給を制御でき、制御装置等の消費電力を低減できる燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell that can control the supply of fuel without depending on electric power and can reduce power consumption of a control device or the like.
本発明の一態様によると、燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜を有する膜電極接合体と、前記燃料極と流路を介して接続された燃料供給部と、一部が前記膜電極接合体の発熱部に固定され、熱を受けて変形することで、前記膜電極接合体への前記燃料供給部からの燃料供給量を調整する形状記憶合金とを備えた燃料電池が提供される。 According to one aspect of the present invention, a fuel electrode, an air electrode, a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, and a fuel connected to the fuel electrode via a flow path A shape memory alloy that adjusts the amount of fuel supplied from the fuel supply unit to the membrane electrode assembly by being deformed by receiving a heat and being partly fixed to the heat generating unit of the membrane electrode assembly A fuel cell comprising:
本発明によると、電力に依存せずに燃料の供給を制御でき、制御装置等の消費電力を低減できる燃料電池が提供される。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of controlling the supply of fuel without depending on electric power and reducing power consumption of a control device or the like.
以下に、本発明による一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す構成である。当該燃料電池は、発電部1、燃料供給部2、ポンプ3、燃料遮断部4および形状記憶合金5を有する。
FIG. 1 shows a configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The fuel cell includes a
図1における燃料電池は、燃料供給など一部にポンプ等を用いたセミパッシブと称される型の燃料電池である。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料供給部2から発電部1に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料供給部2に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。このため、燃料電池は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される。
The fuel cell in FIG. 1 is a type of fuel cell called a semi-passive that uses a pump or the like for part of the fuel supply. In the semi-passive type fuel cell, the fuel supplied from the
発電部1は、燃料電池セル11および燃料分配機構12を有する。
The
燃料電池セル11は、アノード触媒層111とアノードガス拡散層112とを有するアノード(燃料極)113と、カソード触媒層114とカソードガス拡散層115とを有するカソード(空気極または酸化剤極)116と、アノード触媒層114とカソード触媒層115とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜117とから構成される膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を有する。また、燃料電池セル11は、好ましくは、カバープレート118、Oリング119および発電部多孔体120を有する。
The fuel cell 11 includes an anode (fuel electrode) 113 having an
アノード触媒層111およびカソード触媒層114に含有される触媒としては、例えばPt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等白金族元素の単体、およびこれら白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層111には、メタノールおよび一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt−Ru合金またはPt−Mo合金等を用いることが好ましい。カソード触媒層114には、PtまたはPt−Ni合金等を用いることが好ましい。しかしながら、アノード触媒層111およびカソード触媒層114としては、これらの触媒に限定されず、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、または無担持触媒を用いてもよい。
Examples of the catalyst contained in the
電解質膜117を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体といったフッ素系樹脂(商品名ナフィオン(デュポン社製)または商品名フレミオン(旭硝子社製)等)またはスルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸またはリンタングステン酸等の無機系材料が使用される。しかしながら、電解質膜117の材料は、これらに限定されるわけではない。 As the proton conductive material constituting the electrolyte membrane 117, for example, a fluororesin such as a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfonic acid group (trade name Nafion (manufactured by DuPont) or trade name Flemion (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.)) or An organic material such as a hydrocarbon-based resin having a sulfonic acid group, or an inorganic material such as tungstic acid or phosphotungstic acid is used. However, the material of the electrolyte membrane 117 is not limited to these.
アノードガス拡散層112は、アノード触媒層111に燃料を均一に供給するとともに、アノード触媒層111の集電体としての役割を果たす。また、カソードガス拡散層115は、カソード触媒層114に酸化剤を均一に供給するとともに、カソード触媒層114の集電体としての役割を果たす。アノードガス拡散層112およびカソードガス拡散層115は多孔質基材で構成される。
The anode
導電層は、必要に応じてアノードガス拡散層112およびカソードガス拡散層115に積層される(図1には図示せず)。この導電層としては、例えばAu、Niのような導電性金属材料から成る多孔質体(例えばメッシュ)、箔体、または薄膜、あるいはステンレス鋼(SUS)などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。また、電解質膜117と燃料分配機構12との間、およびカバープレート118と電解質膜117との間には、それぞれゴム製のOリング119が挟持されており、これらが発電部1からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止している。カバープレート118には、酸化剤である空気を取り入れるための開口を設けることが出来る。カバープレート118とカソード116との間には、必要に応じて保湿層(図示せず)および/または表面層(図示せず)を設けることができる。保湿層とは、カソード触媒層114で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層114への空気の均一拡散を促進するものである。表面層とは、空気の取入れ量を調節するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調節された複数の空気導入口を有している。
The conductive layer is laminated on the anode
燃料分配機構12は、燃料電池セル11のアノード(燃料極)113側に設けられる。燃料分配機構12は、液体燃料の流路13を介して燃料供給部2と接続されている。この流路13を介して、燃料供給部2から液体燃料が燃料分配機構12に供給される。この流路13は、燃料分配機構12と燃料供給部2とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路13であってよく、また、燃料分配機構12が流路13を介して燃料供給部2と接続されていれば、その他の構造をとることができる。ただし、何れの構造をとる場合でも、後述するポンプ3、および燃料遮断部4が流路13に配置されている必要がある。
The fuel distribution mechanism 12 is provided on the anode (fuel electrode) 113 side of the fuel battery cell 11. The fuel distribution mechanism 12 is connected to the
燃料分配機構12は、図1に示すように、液体燃料が流入する少なくとも1個の燃料注入口121と、液体燃料やその気化成分を燃料電池セル11に排出する複数個の燃料排出口122とを有する燃料分配板123を備えている。燃料分配板123の内部には、図1に示すように、燃料注入口121から導かれた液体燃料の通路となる細管124が設けられている。細管124は、例えば内径が0.05〜5mmの貫通孔であることが好ましい。複数の燃料排出口122は、燃料通路として機能する細管124にそれぞれ直接接続されている。燃料注入口121から燃料分配機構12に導入された液体燃料は細管124に入り、燃料通路として機能する細管124を介して複数の燃料排出口122にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口122には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気体分離体(図示せず)を配置してもよい。これによって、燃料電池セル11のアノード(燃料極)113には液体燃料の気化成分のみが供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構12とアノード113との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口122からアノード113の複数個所に向けて排出される。
As shown in FIG. 1, the fuel distribution mechanism 12 includes at least one
さらに、燃料分配機構12とアノード(燃料極)113との間には、発電部多孔体120を挿入することが有効である。発電部多孔体120の構成材料としては各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が発電部多孔体120として用いられる。このような発電部多孔体120を配置することにより、燃料極113に対する燃料供給をより平均化することができる。すなわち、燃料分配機構12の燃料排出口122から噴出した液体燃料は一旦発電部多孔体120に吸収され、発電部多孔体120の内部で面内方向に拡散する。この後、発電部多孔体120から燃料極113に燃料が供給されるため、燃料供給をより平均化することができる。
Further, it is effective to insert the power generation unit
燃料分配機構12から放出された燃料は、上述したように燃料電池セル11のアノード(燃料極)113に供給される。燃料電池セル11内において、燃料はアノードガス拡散層112にて拡散されアノード触媒層111に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層111で下記の式(1)に示されるメタノールの内部改質反応が生じる。
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e− …(1)。
The fuel released from the fuel distribution mechanism 12 is supplied to the anode (fuel electrode) 113 of the fuel cell 11 as described above. In the fuel battery cell 11, the fuel is diffused in the anode
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1).
なお、純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層114で生成される水および/または電解質膜117中の水をメタノールと反応させて式(1)の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
When pure methanol is used, water generated in the
この反応で生成される電子(e−)は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード(空気極)116に導かれる。また、式(1)の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は電解質膜117を経てカソード116に導かれる。カソード116には酸化剤として空気が供給される。カソード116に到達した電子(e−)とプロトン(H+)は、カソード触媒層114で空気中の酸素と下記の式(2)に従って反応し、この反応に伴って水が生成する。
6e−+6H++(3/2)O2 → 3H2O …(2)。
Electrons (e − ) generated by this reaction are guided to the outside via a current collector, and are operated to a cathode (air electrode) 116 after operating a portable electronic device or the like as so-called electricity. In addition, protons (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) are guided to the
6e − + 6H + + (3/2) O 2 → 3H 2 O (2).
燃料電池セル11はカバープレート118を有しており、カバープレート118の一辺上の一点にワイヤー状の形状記憶合金5の一端が固定され、形状記憶合金5はカバープレート118に接触して対向する辺の方向に延びるように配置されている。カバープレート118の熱を効率よく伝達させるために、適宜接触部分を工夫することができる。例えば、形状記憶合金5をカバープレート118表面に蛇行するように固定でき、接触面積を大きくすることができる。カバープレート118の素材は、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの樹脂を用いることができるが、熱電導性を考慮して、例えばステンレスのような金属材料で形成することが好ましい。
The fuel cell 11 has a
燃料供給部2は、燃料電池セル11に対応した液体燃料が収容されている。燃料供給部2は、タンクの形態であって、外部から液体燃料を補給できるものであってよく、または、カートリッジの形態であって、燃料供給部2自体を、燃料が既に充填されたものへと交換できるものであってよい。燃料供給部2は、公知のものを使用することができる。燃料供給部2の素材としては、耐メタノール性を有する素材を使用することが好ましい。例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、COC(シクロオレフィンコポリマー)または燃料への金属イオンの溶出を防止するために表面処理などで対策しておけば金属材料を素材として使用することができる。特に、PPS(ポリフェニレンサルファイド)を用いることが好ましい。
The
液体燃料としては、上記のように各種濃度のメタノール水溶液または純メタノール等のメタノール燃料を使用できる。しかしながら、その他の燃料を使用することも可能であり、例えば、エタノール水溶液または純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液または純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液または純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の燃料を使用することができる。いずれにしても、燃料供給部2には、燃料電池セル11に対応した液体燃料が収容される。
As the liquid fuel, methanol fuels such as methanol aqueous solutions of various concentrations or pure methanol can be used as described above. However, it is also possible to use other fuels, for example, ethanol fuel such as ethanol aqueous solution or pure ethanol, propanol fuel such as propanol aqueous solution or pure propanol, glycol fuel such as glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, Other fuels can be used. In any case, the
ポンプ3は、燃料供給部2の液体燃料を発電部1へと送るために、燃料供給部2と発電部1とをつなぐ流路13に設けられる。ポンプ3としては、ダイアフラムポンプ、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ又はしごきポンプ等を使用することができる。しかしながら、これらに限定されず、当該分野で使用されるあらゆるポンプが使用できる。好ましくは、ポンプ3は、制御装置(CTR)6によって送り出す流量を適宜調節される。この制御装置(CTR)6は、アノード113およびカソード116に接続し、燃料電池セル11から供給される電力により動作するものとすることができる。
The pump 3 is provided in a
燃料遮断部4は、燃料供給部2とポンプ3とをつなぐ流路に設けられる。燃料遮断部4は、流路を遮断または開放することによって、燃料供給部2からの液体燃料の流れを調節する。特に、発電部1が異常発熱した場合に、流路を遮断して液体燃料の送液を止める又は低下させることによって、それ以上の発熱を抑えることができる。
The fuel shut-off
燃料遮断部4の構造について説明する。燃料遮断部4は、遮断バルブ41とアクチュエーター42とを含む構成とすることができる。この場合、アクチュエーター42が作動して、遮断バルブ41の開放と遮断が調節される。アクチュエーター42は前述のような制御装置(CTR)によって制御されるものと出来る。さらに、燃料遮断部2には形状記憶合金5が接続され、形状記憶合金5によっても流路の遮断の調節が行われる。
The structure of the
遮断バルブ41は、既知のバルブを用いることが可能である。図2(a)および(b)を参照して、遮断バルブ41の一例を示す。図2(a)および(b)に示されるように、遮断バルブ41は、遮断バルブユニット41Uを有している。遮断バルブユニット41Uは、燃料供給部2から燃料が注入されるバルブ室411、バルブ室411の壁面よりも突出した凸部413、および凸部413に囲まれた狭小部412を有している。バルブ室411壁面は、燃料供給部2から燃料が流入する燃料注入口MINを有し、狭小部412には、遮断バルブ内に流入した燃料の出口となる排出口MOUTが設けられている。
A known valve can be used as the
更に、遮断バルブ41は、バルブ室411および狭小部412に渡って配置される柱状のロッドLOD1を有している。ロッドLOD1は、柱状部A、および柱状部Aから突出してバルブ室411に存在するバルブヘッドBを有している。バルブ室411は、その凸部413と反対に位置する面が可動膜FLMによって封入されている。可動膜FLMは、ホルダーHLとバルブ室411の壁面との間に固定されている。このため、燃料の流出入は、燃料注入口MINおよび排出口MOUTを通るもののみに限定される。ロッドLOD1は、柱状部Aの一端が可動膜FLMに接する。ロッドLOD1は、可動膜FLMと、バルブロッドBが接するバルブ室411の壁面と、柱状部Aの可動膜FLMと反対側部分が接する狭小部412の壁面とによって支えられている。しかしながら、バルブヘッドBとバルブ室411の壁面との間、および柱状部Aと狭小部412の壁面との間は、完全に接触するわけではなく、液体燃料が流入可能な程度に隙間を有している。また、凸部413とバルブヘッドBとの間には、柱状部Aを囲む状態でOリングRNGが配置される。さらに、ロッドLOD1には、可動膜FLMと接する面と反対の端に凹部が形成されており、この凹部と、狭小部412の壁面に設けられた凹部との間にスプリングSPRが設けられている。
Further, the
ホルダーHLには開口が設けられており、その開口からスライダーSLDのスライダー柱状部SLD2が挿入され、可動膜FLMに接している。スライダー柱状部SLD2は、可動膜FLMを介してロッドLOD1に接している。また、図1図示の発電部1のカバープレート118の端部から延びるワイヤー状の形状記憶合金5が、スライダーSLDのスライダーヘッドSLD1の外面に接して配置され、形状記憶合金5の他端はホルダーHLの外面上の一点に固定されている。さらに、スライダーヘッドSLD1には、アクチュエーター42の可動ロッドLOD2が接している。
The holder HL is provided with an opening, through which the slider columnar portion SLD2 of the slider SLD is inserted and is in contact with the movable film FLM. The slider columnar portion SLD2 is in contact with the rod LOD1 through the movable film FLM. 1 is arranged in contact with the outer surface of the slider head SLD1 of the slider SLD, the other end of the
次に、燃料遮断部4の機構について説明する。遮断バルブ開放時において、燃料注入口MINから流入した液体燃料は、バルブ室411および狭小部412を通過し、排出口MOUTから排出される(図2(a))。一方、遮断バルブ遮断時において、燃料注入口MINから流入した液体燃料は、バルブ室411に留まり、排出口MOUTから排出されることはない(図2(b))。それぞれの状態を具体的に説明すると、開放時(a)においては、スプリングSPRが伸長する力によって、ロッドLOD1が可動膜FLM方向に押され、OリングRNGと凸部413との間が開通する。そのため液体燃料はバルブ室411に留まることなく、狭小部412を通り、排出口MOUTより排出される。それに対して、遮断時(b)においては、アクチュエーター42の作動および/または形状記憶合金5の作動によって、スライダーSLDは、遮断バルブ41内部へとスライドし、さらに可動膜FLMを介してロッドLOD1を狭小部412方向へとスライドさせる。このスライドによって、OリングRNGが凸部413に接近または接触し、バルブ室411と狭小部412との間の連通が遮断され、液体燃料はバルブ室411に留まる。ここにおいて、アクチュエーター42の作動とは、スライダーSLDを遮断バルブ方向に押し込むよう可動ロッド2を動作させる動きである。また、ここにおいて、形状記憶合金5の作動とは、カバープレート118の熱を受けて変形し、スライダーSLDを遮断バルブ方向に押し込むよう可動ロッド2を動作させる動きである。アクチュエーター42および形状記憶合金5のスライダーSLDを押す力は、それぞれ、スプリングSPRの伸長する力と可動膜FLMのスライダーを押し返す力との和を越える力である。また、スプリングSPRの伸長する力は、液体燃料がバルブヘッドBを押す圧力を超える力であり、かつ、アクチュエーター42および/または形状記憶合金5が作動しない状態において、ロッドLOD1を押戻す力である。
Next, the mechanism of the
可動膜FLMは、中央部FLM1とその周囲を囲むリング状の端部FLM2とを有している。この端部FLM2によって、可動膜FLMはホルダーHLに固定されている。可動膜FLMは、例えば、耐メタノール性を有するEPDM(エチレン−プロピレン−ジエンゴム)によって形成される。しかしながら、可動膜の材質についてはEPDMに限らずVMQ(シリコーンゴム)、FVMQ(フロロシリコーンゴム)、FKM(フッ素ゴム)、NBR(ニトリルゴム)、HNBR(水素化ニトリルゴム)が好適に用いられる。また、端部FLM2について上記列挙した材質を好適に用い、中央部FLM1に関しては耐メタノール性を有した樹脂、例えばPEI(ポリエーテルイミド)、PI(ポリイミド)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)等のフィルムを使用し、フィルム上にリップ形状の端部FLM2を形成した構成としてもよい。図2(a)および(b)に示されるように、端部FLM2の断面を円形として、その径を中央部FLM1の厚さよりも大きくすることができる。また、端部FLM2の断面は、円形に限らず、シール面圧を高めるために略ひし形としてもよい。 The movable film FLM has a central portion FLM1 and a ring-shaped end portion FLM2 surrounding the periphery thereof. The movable film FLM is fixed to the holder HL by the end portion FLM2. The movable film FLM is formed of, for example, EPDM (ethylene-propylene-diene rubber) having methanol resistance. However, the material of the movable film is not limited to EPDM, and VMQ (silicone rubber), FVMQ (fluorosilicone rubber), FKM (fluororubber), NBR (nitrile rubber), and HNBR (hydrogenated nitrile rubber) are preferably used. Further, the materials listed above are preferably used for the end portion FLM2, and for the central portion FLM1, a resin having methanol resistance, such as PEI (polyetherimide), PI (polyimide), PEEK (polyetheretherketone), PPS. It is good also as a structure which uses films, such as (polyphenylene sulfide), and formed the edge part FLM2 of the lip shape on the film. As shown in FIGS. 2A and 2B, the end FLM2 has a circular cross section, and the diameter thereof can be made larger than the thickness of the central portion FLM1. Further, the cross section of the end portion FLM2 is not limited to a circular shape, and may have a substantially rhombus shape in order to increase the seal surface pressure.
スプリングSPRは、燃料流路内に配置され燃料に接液するため、表面処理が施されたものを使用することが好ましい。具体的には、ステンレス系のスプリングに対し不動態化処理を行い、耐食性を高めたものが好ましい。表面処理に関しては不動態化処理に限らず、金などの貴金属めっきやフッ素系樹脂などの樹脂コーティングが好適に用いられる。また、素材としてカーボンを用いたバネを使用することもできる。 Since the spring SPR is arranged in the fuel flow path and comes into contact with the fuel, it is preferable to use a spring-treated one. Specifically, a stainless steel spring that has been passivated to enhance corrosion resistance is preferable. The surface treatment is not limited to the passivation treatment, and a precious metal plating such as gold or a resin coating such as a fluorine-based resin is preferably used. Also, a spring using carbon as a material can be used.
アクチュエーター42としては、その動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動のものを使用することができる。例えば、ステッピングモーターが使用できる。しかしながら、電気駆動のものに限られず、手動により可動ロッドLOD2を作動させる構成とすることもでき、また、電気駆動および手動の両方によって作動できる構成とすることができる。
As the
形状記憶合金5は、ワイヤー状のものを使用することが好ましいが、その他の形態のものを使用することも出来る。例えば、カバープレート118から発生する熱を効率よく吸収するため、カバープレート118との接触面を平板状にし、接触面積を大きくすることもできる。また、形状記憶合金5を接触させる部材はカバープレート118に限らず、膜電極接合体の発熱部であればいずれの部材であってもよい。形状記憶合金5の素材としては、チタン−ニッケル合金、鉄−マンガン−ケイ素合金、銅−亜鉛−アルミニウム合金、チタン−ニッケル−鉄合金およびチタン−ニッケル−銅合金等が使用できる。形状記憶合金5が変形する温度は、燃料電池の設計と形状記憶合金を配置する位置に合わせて適宜設定することが好ましい。そのような好ましい温度は、45℃から70℃の間の温度であり、特に60℃から65℃の間の温度で変形する形状記憶合金5の使用が好ましい。また、形状記憶合金5がスライダーSLDを押し込む機構は、図2に示される機構に限られない。カバープレート118からの熱を受けて形状記憶合金5が変形し、その変形する力によってスライダーSLDが押し込まれる機構であればよい。従って、スライダーSLDに樹脂等のワイヤーが固定され、形状記憶合金5が変形する力でその樹脂等のワイヤーが引っ張られスライダーSLDが押し込まれる機構であってもよい。
The
また、可動膜FLMは、図2(a)および(b)に示されるような平面的な円盤の形状のものに限られない。例えば、図3(a)および(b)に示されるように、その中央部FLM1がバルブ室411側に凹んだ曲面を有したものを使用できる。この場合、スライダーSLDが可動膜FLMを押圧していない状態であっても、可動膜FLMはバルブ室411側に凹んでいる。スライダーSLDが突出した際には、ロッドLOD1が可動膜FLMを介して狭小部412側に押圧されるが、このとき、可動膜FLMがあらかじめバルブ室411側に凹んでいるため、スライダーSLDが可動膜FLMをバルブ室411側に押し付ける負荷が小さくなる。また、図4(a)および(b)に示されるように、その中央部FLM1がベローズ形状のものを使用することができる。この場合、可動膜FLMの中央部FLM1は、スライダーSLDに当接した第1部分F1と、第1部分F1と端部FLM2とを接続する第2部分F2とを有している。さらに、第2部分F2はロッドLOD1の軸方向における中央部分において外側に折れ曲がっている。可動膜FLMがこのようなベローズ形状を有することによって、可動膜FLMがスライダーSLDの移動により押圧されることによって容易に変形するようになっており、スライダーSLDに対する負荷を減少させることが可能である。
Further, the movable film FLM is not limited to a planar disk shape as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). For example, as shown in FIGS. 3A and 3B, the center portion FLM1 having a curved surface recessed toward the
図5は、本発明の一実施形態である燃料電池を示す断面図である。図1による実施形態と同様に、発電部1、燃料供給部2、ポンプ3および燃料遮断部4を有するが、発電部1のカバープレート118からのびる形状記憶合金5が、発電部1とポンプ3との間の流路13に直接固定されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. As in the embodiment according to FIG. 1, the
図5による実施形態における、発電部1、燃料供給部2、ポンプ3および任意に設けられる制御装置CTRは、図1による実施形態において説明される各部と同様である。燃料遮断部4には、形状記憶合金5が接続されていない。すなわち、図2、3および4に示される燃料遮断部4から形状記憶合金5が外された状態の燃料遮断部を使用できる。さらに、これらからスライダーSLDを除き、アクチュエーター42の可動ロッドLOD2が直接、可動膜FLMに接する燃料遮断部を使用することができる。しかしながら、図2、3および4に示されるような燃料遮断部に限らず、当該分野で既知のバルブなどを使用することができる。
The
図5に示されるように、ワイヤー状の形状記憶合金5の一端が流路に巻きつけられており、熱を感知して流路を狭窄するように変形することで遮断するものとできる。流路は、形状記憶合金5の変形する力によって燃料の流れが遮断されるように、軟質の素材とすることができる。例えば、ゴムまたはシリコンによって作製することができる。特に、素材としては、EPDM(エチレン−プロピレン−ジエンゴム)を用いることが好ましい。流路の内径は直径1mm、外径は直径1.5〜2.0mmとすることができる。なお、本願で使用する「遮断」という用語は、開通を完全に封鎖することに加えて、開通を狭めて通過する液体燃料の量を低下させることを含むものとする。
As shown in FIG. 5, one end of the wire-shaped
また、カバープレート118からのびる形状記憶合金5を流路遮断部6および流路13の両方に接続し、形状記憶合金5による燃料供給量の調節を、燃料遮断部4および流路13の両方にて行う構成にすることも可能である。
Further, the
本発明による燃料電池によると、発電部1で発生する熱を受けて、形状記憶合金5が液体燃料の流量を調節する。具体的には、一定温度以上となると、形状記憶合金5が変形し、燃料遮断部4のバルブを遮断して、または流路13を狭窄して、燃料供給を停止または低下させる。形状記憶合金5は、このような機能によって、発電部1が異常発熱した場合に燃料供給を停止させる緊急停止用の安全装置として機能し、または、通常発電時において、制御装置CTR6およびアクチュエーター42の作動を補助しそれらの消費電力を抑える機能を果たす。前者の機能は、制御装置CTR6が故障した場合にも働き、発電部1の異常発熱を有効に防止できる。後者の機能のためには、何℃に上昇すると遮断動作の指令を送るかという制御装置CTRの設定温度と、形状記憶合金5の変化温度とを、互いに考慮して設定することが有効である。例えば、制御装置CTR6が当該指令を送る温度よりも、形状記憶合金5の変化温度を低く設定することで、制御装置CTR6に優先して形状記憶合金5が作動し、それによって制御装置CTR6およびアクチュエーター42の動作が低減され、消費電力の低減につなげることが可能である。また、形状記憶合金5の変化時の温度を高く設定することで、通常発電時の温度範囲では作動せず、その温度範囲を大きく超え緊急停止が必要になった場合のみに遮断するよう作動させることもできる。本発明によって、電力に依存しない燃料制御安全装置を具備し、更に制御装置CTR等による電力消費を抑えることが可能な燃料電池の提供が可能となる。
According to the fuel cell of the present invention, the
以下に、実施例に基づいて本発明の効果を説明する。 Below, the effect of this invention is demonstrated based on an Example.
本発明による燃料電池によって、制御装置CTR6およびアクチュエーター42による電力消費量を低下させることができることを確認した。
It was confirmed that the power consumption by the control device CTR6 and the
[実施例]
図1による実施形態の燃料電池および図5による実施形態の燃料電池を用意した。特に、燃料遮断部4は、図2による遮断バルブを用い、アクチュエーター42としてステッピングモーターを用いた。当該ステッピングモーターを制御する制御装置CTR6は、サーミスタによって発電部1のカソード116の表面付近温度をモニターして、定常運転時は70℃を超えると遮断バルブ41を遮断し、65℃を下回ると遮断バルブ41を開放するように設定した。形状記憶合金5は、60℃以上で変形するものを用いた。
[Example]
The fuel cell of the embodiment according to FIG. 1 and the fuel cell of the embodiment according to FIG. 5 were prepared. In particular, the fuel shut-off
[比較例]
また、比較例として、形状記憶合金5を具備しない以外は実施例の燃料電池と同様のものを用意した。
[Comparative example]
Moreover, the thing similar to the fuel cell of an Example was prepared except not having the
[実験]
上記の実施例および比較例の燃料電池を、24時間運転させ、その際の制御装置CTR6およびステッピングモーターの消費電力を測定した。
[Experiment]
The fuel cells of the above examples and comparative examples were operated for 24 hours, and the power consumption of the control device CTR6 and the stepping motor at that time was measured.
[結果]
比較例における当該消費電力は約50mWであったのに対し、実施例における当該消費電力は約5mWとなった。
[result]
The power consumption in the comparative example was about 50 mW, whereas the power consumption in the example was about 5 mW.
実施例による燃料電池では、カソード116の温度が70℃に到達する前に、形状記憶合金5が作動する様子が確認された。それによって燃料供給量が調節され、ステッピングモーターの作動回数も、比較例に比べると少なかった。その結果として、実施例による燃料電池の消費電力が、比較例の1/10程度に低減されたと考えられる。
In the fuel cell according to the example, it was confirmed that the
本発明による燃料電池は、確かに制御装置CTR6およびアクチュエーター42の消費電力を低減させることが確認された。 It has been confirmed that the fuel cell according to the present invention surely reduces the power consumption of the control device CTR6 and the actuator.
なお、本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できる。また、上記実施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。 Note that 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. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. 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.
また、発電部へ供給される液体燃料は、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。 Further, the liquid fuel supplied to the power generation unit may be supplied entirely with vapor of liquid fuel, but the present invention can be applied even when a part of the liquid fuel is supplied in a liquid state.
1…発電部、11…燃料電池セル、111…アノード触媒層、112…アノードガス拡散層、113…アノード(燃料極)、114…カソード触媒層、115…カソードガス拡散層、116…カソード(空気極または酸化剤極)、117…電解質膜、118…カバープレート、119…Oリング、120…発電部多孔体、13…流路、2…燃料供給部、3…ポンプ、4…燃料遮断部、41…遮断バルブ、41U…遮断バルブユニット、411…バルブ室、412…狭小部、413…凸部、42…アクチュエーター、MIN…注入口、MOUT…排出口、FLM…可動膜、FLM1…中央部、FLM2…端部、LOD1…ロッド、A…柱状部、B…バルブヘッド、RNG…Oリング、SPR…スプリング、LOD2…可動ロッド、HL…ホルダー、HL2…第2ホルダー、5…形状記憶合金、6…制御装置(CTR)。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記燃料極と流路を介して接続された燃料供給部と、
一部が前記膜電極接合体の発熱部に固定され、熱を受けて変形することで、前記膜電極接合体への前記燃料供給部からの燃料供給量を調整する形状記憶合金と
を備えたことを特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A fuel supply unit connected to the fuel electrode via a flow path;
A shape memory alloy that adjusts the amount of fuel supplied from the fuel supply unit to the membrane electrode assembly by being partially fixed to the heat generating part of the membrane electrode assembly and deformed by receiving heat. A fuel cell characterized by the above.
前記燃料供給部と前記ポンプとの間の流路に位置する燃料遮断部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。 A pump located in the flow path and for feeding fuel from the fuel supply unit to the fuel electrode;
A fuel cutoff part located in a flow path between the fuel supply part and the pump;
The fuel cell according to claim 1, further comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008189070A JP2010027467A (en) | 2008-07-22 | 2008-07-22 | Fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008189070A JP2010027467A (en) | 2008-07-22 | 2008-07-22 | Fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010027467A true JP2010027467A (en) | 2010-02-04 |
Family
ID=41733091
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2008189070A Withdrawn JP2010027467A (en) | 2008-07-22 | 2008-07-22 | Fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2010027467A (en) |
-
2008
- 2008-07-22 JP JP2008189070A patent/JP2010027467A/en not_active Withdrawn
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