JP2014049215A - Polymer electrolyte fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte fuel cell system which allows for cost reduction by reducing the number of components, and for enhancement of output density by making the system compact.SOLUTION: A polymer electrolyte fuel cell system includes a fuel cell stack laminating a plurality of unit cells generating power by using a liquid organic compound as fuel. At least some of a plurality of membrane electrode assemblies and separators constituting a fuel cell stack are provided with a through hole 107 interconnecting the laminated membrane electrode assembly and separator. A flow path and a through hole formed in the separator are separated by a sealant, and a space formed by the through hole 107 serves as a tank for storing liquid fuel or water.

Description

本発明は、液体有機化合物を燃料とする固体高分子形燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell system using a liquid organic compound as a fuel.

最近の電子技術の進歩によって、電話器、ノート型パソコン、オーデオ・ビジュアル機器、カムコーダ、あるいは個人情報端末機器などの携帯電子機器が急速に普及している。
従来、こうした携帯用電子機器は二次電池によって駆動するシステムであり、鉛蓄電池からNi/Cd電池、Ni/水素電池、更にはLiイオン二次電池へと新型の高エネルギー密度二次電池の出現により、携帯機器はより小型・軽量化が進んだ。一方では携帯機器の高機能化が図られてきた。種々の二次電池、中でもLiイオン二次電池のエネルギー密度をより一層高めるために、電池活物質の開発や高容量電池構造の開発が進められ、より一充電での使用時間の長い電源を実現する努力が払われている。
With recent advances in electronic technology, portable electronic devices such as telephones, notebook computers, audio-visual devices, camcorders, and personal information terminal devices are rapidly spreading.
Conventionally, such portable electronic devices are systems driven by secondary batteries, and the emergence of new high energy density secondary batteries from lead-acid batteries to Ni / Cd batteries, Ni / hydrogen batteries, and even Li-ion secondary batteries. As a result, mobile devices have become smaller and lighter. On the other hand, higher functionality of portable devices has been attempted. In order to further increase the energy density of various secondary batteries, especially Li-ion secondary batteries, the development of battery active materials and the development of high-capacity battery structures have been promoted, realizing a power source that lasts longer in one charge. Efforts have been made.

しかしながら、二次電池は一定の電力を使用したあとに、必ず充電操作を必要とし、充電設備と比較的長い充電時間が必要となるため、携帯機器を何時でも、何処でも、長時間にわたって連続的に駆動するには多くの問題が残されている。今後、携帯機器は増加する情報量とその高速化、高機能化に対応して、より高出力密度で高エネルギー密度の電源、すなわち、連続駆動時間の長い電源を必要とする方向に向かっている。そのために、充電を必要としない小型発電機、即ち、容易に燃料補給ができる小型発電機の必要性が高まっている。   However, secondary batteries always require a charging operation after using a certain amount of power, and charging equipment and a relatively long charging time are required. There are many problems left to drive. In the future, portable devices are moving toward a direction that requires a higher power density and higher energy density power source, that is, a power source with a longer continuous drive time, in response to the increasing amount of information and its higher speed and higher functionality . Therefore, there is an increasing need for a small generator that does not require charging, that is, a small generator that can be easily refueled.

こうした背景から、上記した要請に応え得るものとして燃料電池電源が考えられる。燃料電池は少なくとも固体又は液体の電解質及び所望の電気化学反応を誘起する二個の電極、すなわちアノード及びカソードから構成され、その燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに高効率で変換する発電機である。燃料には純水素をはじめ、化石燃料或いは水などから化学変換された水素、通常の環境で液体或いは溶液であるメタノール、アルカリハイドライドやヒドラジン又は加圧液化ガスであるジメチルエーテルなどが用いられる。また、酸化剤ガスには空気又は酸素ガスが用いられる。燃料はアノードにおいて電気化学的に酸化され、カソードでは酸素が還元されて、両電極間には電気的なポテンシャルの差が生じる。このときに外部回路として負荷が両極間にかけられると電解質中にイオンの移動が生起し外部負荷には電気エネルギーが取り出される。このために各種の燃料電池は、火力機器代替の大型発電システム、小型分散型コージェネレーションシステムやエンジン発電機代替の電気自動車電源としての期待は高く、実用化開発が活発に展開されている。   From such a background, a fuel cell power supply can be considered as one that can meet the above-mentioned demand. A fuel cell is a generator that consists of at least a solid or liquid electrolyte and two electrodes that induce a desired electrochemical reaction, namely an anode and a cathode, and converts the chemical energy of the fuel directly into electrical energy with high efficiency. is there. As the fuel, pure hydrogen, hydrogen chemically converted from fossil fuel or water, methanol which is a liquid or solution in a normal environment, alkali hydride, hydrazine or dimethyl ether which is a pressurized liquefied gas are used. Air or oxygen gas is used as the oxidant gas. The fuel is electrochemically oxidized at the anode and oxygen is reduced at the cathode, resulting in a difference in electrical potential between the electrodes. At this time, if a load is applied between the two electrodes as an external circuit, ion migration occurs in the electrolyte, and electric energy is extracted from the external load. For this reason, various types of fuel cells are highly expected to be used as large-scale power generation systems for thermal power equipment, compact distributed cogeneration systems, and electric vehicle power supplies for engine generators.

こうした燃料電池の中でも、固体高分子形燃料電池は、高分子からなる膜状の固体電解質膜が白金等の触媒を担持したカーボン電極で構成されている膜/電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を用いている点が主な特徴である。燃料および酸化剤ガスをこのMEAへ供給するための流路をもち、かつ集電作用を有する一対のセパレータを、燃料や酸化剤ガスの漏洩を防止するシール材を介してMEAを挟持したものを単セルといい、燃料電池スタックは、この単セルを複数個積層したものである。固体高分子形燃料電池の中でも直接メタノール型燃料電池に代表される液体有機化合物を燃料として用いる燃料電池は、水素ガスを生成するための改質器や水素ボンベなどが不要となることから小型・軽量化が可能であり、小型発電機として適している。   Among such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell is a membrane / electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) in which a polymer-like solid electrolyte membrane is composed of a carbon electrode carrying a catalyst such as platinum. ) Is the main feature. A pair of separators having a flow path for supplying fuel and oxidant gas to this MEA and having a current collecting action sandwiching the MEA through a sealing material that prevents leakage of fuel and oxidant gas It is called a single cell, and the fuel cell stack is formed by stacking a plurality of such single cells. Among polymer electrolyte fuel cells, fuel cells that use liquid organic compounds, such as direct methanol fuel cells, as fuel are small in size because they do not require a reformer or hydrogen cylinder to generate hydrogen gas. It can be reduced in weight and is suitable as a small generator.

このような液体有機化合物を燃料として用いる固体高分子形燃料電池を小型発電機として適応していくためには、従来の二次電池と同等以上の小型軽量性や競合が可能な価格適合性が必要不可欠である。直接メタノール形燃料電池システムでは、セルスタック、燃料タンク、燃料ポンプ、空気ポンプをはじめ、燃料排出側から排出される二酸化炭素を分離するための気液分離装置や空気排出側から排出される水を保管するための水タンクといった多くの周辺部品を必要とされるが、これらを少なくしてシンプルな構造にすることが要求される。このように、システムの小型軽量化によるエネルギー密度向上や使用部品点数低減によるコスト低減は、重要な課題である。   In order to adapt a polymer electrolyte fuel cell that uses such a liquid organic compound as a fuel as a small generator, it must be as compact and lightweight as a conventional secondary battery, or it can be competitive in price. Indispensable. In direct methanol fuel cell systems, gas stacks and fuel tanks, fuel pumps, air pumps, gas-liquid separators for separating carbon dioxide discharged from the fuel discharge side, and water discharged from the air discharge side are used. Many peripheral parts such as a water tank for storage are required, but it is required to reduce these to a simple structure. As described above, improvement in energy density by reducing the size and weight of the system and cost reduction by reducing the number of parts used are important issues.

従来、例えば特許文献1には、直接メタノール型燃料電池システムのコンパクト化を目的として、燃料タンク内にセルスタックを浸漬した構成の燃料電池システムが提案されている。   Conventionally, for example, Patent Document 1 proposes a fuel cell system having a structure in which a cell stack is immersed in a fuel tank for the purpose of downsizing a direct methanol fuel cell system.

特開2004−335236JP 2004-335236 A

特許文献1では、燃料電池スタックを燃料タンク内に配置した構成が提案されており、燃料電池スタックを燃料中に浸漬し、セパレータの流路を燃料タンク内に開放することで、燃料を燃料電池スタックへポンプなしで供給することが可能な構成が提案されている。   Patent Document 1 proposes a configuration in which a fuel cell stack is disposed in a fuel tank. The fuel cell stack is immersed in the fuel, and a separator channel is opened in the fuel tank, whereby the fuel is supplied to the fuel cell. A configuration has been proposed that can be supplied to the stack without a pump.

特許文献1で提案された構成により、システムのコンパクト化を図ることが可能である。しかしながら、特許文献1のような送液ポンプを用いない、いわゆるパッシブ型の場合、自然拡散による燃料供給であるため、更なる出力密度向上を図るために出力電流を増大すると、燃料の供給不足が生じ出力電圧が不安定になる恐れがある。よって、高電流出力にも対応が可能な燃料供給に送液ポンプを用いるアクティブ型にも適用できる構成でシステムのコンパクト化を図る必要がある。   With the configuration proposed in Patent Document 1, the system can be made compact. However, in the case of a so-called passive type that does not use a liquid feed pump as in Patent Document 1, since fuel is supplied by natural diffusion, if the output current is increased in order to further improve the output density, there is insufficient fuel supply. The output voltage may become unstable. Therefore, it is necessary to reduce the size of the system with a configuration that can be applied to an active type that uses a liquid feed pump for fuel supply that can handle high current output.

本発明の目的は、部品点数の低減によるコスト低減およびシステムのコンパクト化による出力密度向上が可能な固体高分子形燃料電池システムを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell system capable of reducing the cost by reducing the number of parts and improving the power density by making the system compact.

そこで発明者らは上記課題を解決するために、燃料を収納する容器の機能を燃料電池スタックに具備させる新規な構成を構築した。   In order to solve the above problems, the inventors have constructed a novel configuration in which the fuel cell stack has the function of a container for storing fuel.

本発明の固体高分子形燃料電池システムは、液体有機化合物を燃料として発電を行う単セルを複数個積層した燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックを構成する複数の膜電極接合体およびセパレータの少なくとも一部に、積層された前記膜電極接合体および前記セパレータを連通する貫通孔を備え、前記セパレータに形成された液体燃料および酸化剤ガスを前記膜電極接合体に供給するための流路と前記貫通孔とがシール材によって分離されており、前記貫通孔によって形成された空間を液体燃料または水を貯留するタンクとしたことを特徴とする。   A polymer electrolyte fuel cell system of the present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of single cells that generate power using a liquid organic compound as a fuel are stacked, and a plurality of membrane electrode assemblies and separators constituting the fuel cell stack. A flow path for supplying a liquid fuel and an oxidant gas formed in the separator to the membrane electrode assembly, at least partially including a through-hole communicating with the laminated membrane electrode assembly and the separator; The through hole is separated by a sealing material, and the space formed by the through hole is a tank for storing liquid fuel or water.

本発明によれば、部品点数の低減によるコスト低減およびシステムのコンパクト化による出力密度向上が可能な固体高分子形燃料電池システムを提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell system capable of reducing the cost by reducing the number of parts and improving the output density by making the system compact.

本発明の固体高分子形燃料電池の構成を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the structure of the polymer electrolyte fuel cell of this invention. 本発明の固体高分子形燃料電池の一つの形態におけるセパレータの構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the separator in one form of the polymer electrolyte fuel cell of this invention. 本発明の固体高分子形燃料電池の一つの形態における構成の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the structure in one form of the polymer electrolyte fuel cell of this invention. 図3で示した構成の、上部の集電板および端板を省略した図である。It is the figure which abbreviate | omitted the upper collector plate and end plate of the structure shown in FIG. 本発明の固体高分子形燃料電池のシステムの構成の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the structure of the system of the polymer electrolyte fuel cell of this invention. 本発明の固体高分子形燃料電池の一つの形態におけるセパレータの構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the separator in one form of the polymer electrolyte fuel cell of this invention. 本発明の固体高分子形燃料電池の一つの形態における構成の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the structure in one form of the polymer electrolyte fuel cell of this invention. 本発明の固体高分子形燃料電池のシステムの構成の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the structure of the system of the polymer electrolyte fuel cell of this invention.

以下に本発明に係る実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
(第一の実施形態)
図1に、本発明の第一の実施形態における固体高分子形燃料電池の構成の一例を示す。
MEA102は、イオン導電性固体高分子膜を介して、燃料を酸化するアノードと酸化剤ガスを還元するカソードが配置されて構成される。ここで、アノードとカソードの表面には燃料または酸化剤ガスを面内に拡散させるためのガス拡散層が設けられていてもよい。
このMEA102のアノード側に燃料、カソード側に酸化剤ガスを供給するための一対のセパレータ103がMEA102を挟むように配置されている。また、MEA102とセパレータ103の間にはシール性確保のためにガスケット104が配置されている。MEA102とそれを挟持する1対のセパレータ103、及び、ガスケット104で単位セルが構成される。この単位セルが複数積層されて燃料電池スタックが構成される。
Embodiments according to the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following embodiments.
(First embodiment)
FIG. 1 shows an example of the configuration of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
The MEA 102 includes an anode that oxidizes fuel and a cathode that reduces oxidant gas via an ion conductive solid polymer membrane. Here, a gas diffusion layer for diffusing fuel or oxidant gas in the surface may be provided on the surfaces of the anode and the cathode.
A pair of separators 103 for supplying fuel to the anode side of the MEA 102 and oxidant gas to the cathode side are arranged so as to sandwich the MEA 102. Further, a gasket 104 is disposed between the MEA 102 and the separator 103 in order to ensure a sealing property. The MEA 102, a pair of separators 103 that sandwich the MEA 102, and the gasket 104 constitute a unit cell. A plurality of unit cells are stacked to form a fuel cell stack.

セパレータ103には、アノード又はカソードに燃料や酸化剤ガスを供給するための溝等で構成される流路と、複数のセパレータ間に燃料又は酸化剤ガスを流通させるとともに各セパレータの流路に燃料又は酸化剤ガスを分配供給するためのマニホールドを形成する貫通孔が形成されている。図2に、本実施形態のセパレータの構成の一例を示す。セパレータ103は、一方の面に燃料をアノードへ供給する燃料流路を備え、他方の面に酸化剤ガスをカソードへ供給する酸化剤ガス流路を備えており、燃料流路および酸化剤ガス流路へそれぞれ燃料および酸化剤ガスを分配供給するためのマニホールドとなる貫通孔を備えている。本実施例では、貫通孔105aおよび貫通孔105bは燃料流路と接続しており、貫通孔106aおよび貫通孔106bは、セパレータ103の背面に備えている図示されていない酸化剤ガス流路と接続している。本発明では、このマニホールドとなる貫通孔105a、105b、106a、106bのように燃料流路あるいは酸化剤流路と接続している貫通孔とは別の、流路とは接続しない独立した貫通孔107を備えている。後述する通り、貫通孔107が液体燃料あるいは水を貯留するタンクとなる。なお、MEA102にも、マニホールドとなる貫通孔105a、105b、106a、106b、及び、独立した貫通孔107がセパレータ103と対応する位置に設けられている。
セパレータ103の表面にはガスケット104が配置され、ガスケット104によって燃料と酸化剤ガスが混ざらないようにシールされる。また貫通孔107は、セパレータ103の流路と分離されるようにその周囲がガスケット104で囲まれ、流路が形成された発電面に貫通孔107内の流体が移動できないようにシールされる。なお、図1では1枚のガスケット104をMEA102とセパレータ103の間に配置してシールする形態を説明したが、シール材はこのようなガスケットに限られるものではなく、例えば、セパレータとシール部が一体成形されたものなど、流体をシールできる構成であればよい。
The separator 103 has a flow path constituted by a groove or the like for supplying fuel or oxidant gas to the anode or the cathode, and circulates fuel or oxidant gas between a plurality of separators and also supplies fuel to the flow path of each separator. Or the through-hole which forms the manifold for distributing and supplying oxidizing gas is formed. In FIG. 2, an example of a structure of the separator of this embodiment is shown. The separator 103 has a fuel flow path for supplying fuel to the anode on one surface, and an oxidant gas flow path for supplying oxidant gas to the cathode on the other surface. A through hole is provided as a manifold for distributing and supplying fuel and oxidant gas to the passages. In this embodiment, the through hole 105 a and the through hole 105 b are connected to the fuel flow path, and the through hole 106 a and the through hole 106 b are connected to an oxidant gas flow path (not shown) provided on the back surface of the separator 103. doing. In the present invention, independent through-holes that are not connected to the flow path are different from through-holes that are connected to the fuel flow path or the oxidant flow path, such as the through holes 105a, 105b, 106a, and 106b serving as the manifold. 107. As will be described later, the through hole 107 serves as a tank for storing liquid fuel or water. Note that the MEA 102 is also provided with through holes 105 a, 105 b, 106 a, 106 b serving as a manifold, and independent through holes 107 at positions corresponding to the separator 103.
A gasket 104 is disposed on the surface of the separator 103 and is sealed by the gasket 104 so that fuel and oxidant gas are not mixed. The through hole 107 is surrounded by a gasket 104 so as to be separated from the flow path of the separator 103, and is sealed so that the fluid in the through hole 107 cannot move to the power generation surface where the flow path is formed. In FIG. 1, the configuration in which one gasket 104 is disposed between the MEA 102 and the separator 103 and sealed is described. However, the sealing material is not limited to such a gasket. What is necessary is just the structure which can seal a fluid, such as what was integrally molded.

図3に、図1で示したセルを複数積層して形成した燃料電池の構成を示す。燃料電池スタックは、単位セルが積層された積層体の両端部に集電板108および端板109を備える。また、集電板108および端板109には、マニホールドおよび貫通孔107と接続された供給口または排出口が設けられており、この供給口または排出口に配管が接続されて燃料電池スタックへの燃料や酸化剤ガスの供給及び排出が行われる。図3では、上側の端板109に設けられた開口部115、116、117がそれぞれ貫通孔106b、105b、107と接続されており、燃料や酸化剤ガスの供給及び排出が行われる。同様に下側の端板109にも供給口または排出口となる開口部が設けられている。   FIG. 3 shows a configuration of a fuel cell formed by stacking a plurality of the cells shown in FIG. The fuel cell stack includes current collector plates 108 and end plates 109 at both ends of a laminate in which unit cells are laminated. In addition, the current collector plate 108 and the end plate 109 are provided with a supply port or a discharge port connected to the manifold and the through hole 107, and a pipe is connected to the supply port or the discharge port to connect to the fuel cell stack. Fuel and oxidant gas are supplied and discharged. In FIG. 3, openings 115, 116, and 117 provided on the upper end plate 109 are connected to through holes 106b, 105b, and 107, respectively, and fuel and oxidant gas are supplied and discharged. Similarly, the lower end plate 109 is provided with an opening serving as a supply port or a discharge port.

図3では省略しているが、燃料電池スタックでは単位セルでの反応により生成した電子を流通させたり、燃料や空気をリークさせることなく流通させたりする必要があるため、両端の端板で単位セルが積層された積層体を挟みこみ、所定の圧力で締結される。燃料電池の締結方法は従来技術で開示されているような、ボルトを使用したりバンドを使用したりするように、MEAへ均一に面圧がかけられるように構成すればよく、特に制限しない。   Although omitted in FIG. 3, in the fuel cell stack, it is necessary to circulate electrons generated by the reaction in the unit cell or circulate without leaking fuel or air. The laminated body in which the cells are laminated is sandwiched and fastened with a predetermined pressure. The method for fastening the fuel cell is not particularly limited as long as the surface pressure is uniformly applied to the MEA, such as using a bolt or a band as disclosed in the prior art.

図4は、図3で示した燃料電池の構成と同じであるが、上部の端板および集電板を図示していない図である。図4に示すように貫通孔107は、複数のMEAおよびセパレータを連通するように設けられており、単位セルを複数積層することで燃料等の液体を貯留できるような空間を形成することができる。なお、液体を貯留するために必要な空間を確保できればよいことから、燃料電池スタックを構成するMEA及びセパレータの全てに貫通孔107を設けることは必須ではなく、少なくとも一部のMEA及びセパレータに貫通孔107を設ければよい。   4 is the same as the configuration of the fuel cell shown in FIG. 3, but does not show the upper end plate and current collector plate. As shown in FIG. 4, the through-hole 107 is provided so as to communicate a plurality of MEAs and separators, and by stacking a plurality of unit cells, a space that can store a liquid such as fuel can be formed. . Since it is only necessary to secure a space necessary for storing the liquid, it is not essential to provide the through holes 107 in all of the MEAs and separators constituting the fuel cell stack, and at least some of the MEAs and separators penetrate. A hole 107 may be provided.

図5に、本実施形態の燃料電池のシステム構成の一例を示す。図5に示すように、燃料電池110は図1から図4を用いて説明したもので、アノード111、カソード112、貫通孔107が積層されて形成される燃料貯留部113を備える。液体燃料は、燃料貯留部113に充填されており、燃料循環ポンプ202を介してアノード111へ循環供給される。ここで、燃料貯留部113とアノード111との接続は、燃料流路と接続された燃料供給用マニホールド及び燃料排出用マニホールドと連結する端板109の供給口または排出口と、貫通孔107と連結した端板109の供給口または排出口とを配管で接続することで行われる。また、循環ポンプ202はこの配管の途中に設けることができる。燃料貯留部113に貯留されているメタノール濃度が所定の濃度よりも低くなった場合には、高濃度のメタノール水溶液が貯蔵されている燃料タンク201から燃料供給ポンプ203を介して燃料貯留部113へ供給され、燃料貯留部113内のメタノールが所定の範囲になるように調整される。燃料タンク201に貯蔵されているメタノールは100%のメタノールでも良いが、本実施形態では水でメタノール濃度が50%に希釈したメタノール水溶液を用いた。また、酸化剤ガスとして大気中の空気を、酸化剤ガス供給ポンプ204を介してカソード112へ供給することで燃料電池110は発電することができる。反応により生成した二酸化炭素や未反応の燃料は、燃料貯留部113へ戻り、気体である二酸化炭素は、気液分離機構208を介して燃料電池システム系外へ排出する。なお、大気中の塵等が燃料電池110内へ侵入することを防止するために、酸化剤供給ポンプの上流側にフィルタ207を設置している。   FIG. 5 shows an example of the system configuration of the fuel cell of the present embodiment. As shown in FIG. 5, the fuel cell 110 has been described with reference to FIGS. 1 to 4, and includes a fuel storage portion 113 formed by laminating an anode 111, a cathode 112, and a through hole 107. The liquid fuel is filled in the fuel reservoir 113 and circulated and supplied to the anode 111 via the fuel circulation pump 202. Here, the fuel reservoir 113 and the anode 111 are connected to the supply port or discharge port of the end plate 109 connected to the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold connected to the fuel flow path, and to the through hole 107. This is performed by connecting the supply port or the discharge port of the end plate 109 with a pipe. Moreover, the circulation pump 202 can be provided in the middle of this piping. When the concentration of methanol stored in the fuel storage unit 113 becomes lower than a predetermined concentration, the fuel tank 201 storing a high-concentration methanol aqueous solution is supplied to the fuel storage unit 113 via the fuel supply pump 203. The methanol in the fuel storage unit 113 is supplied and adjusted so as to be in a predetermined range. The methanol stored in the fuel tank 201 may be 100% methanol, but in this embodiment, an aqueous methanol solution diluted with water to a methanol concentration of 50% is used. Further, the fuel cell 110 can generate electric power by supplying air in the atmosphere as the oxidant gas to the cathode 112 via the oxidant gas supply pump 204. Carbon dioxide generated by the reaction and unreacted fuel return to the fuel storage unit 113, and carbon dioxide, which is a gas, is discharged out of the fuel cell system via the gas-liquid separation mechanism 208. In order to prevent dust and the like in the atmosphere from entering the fuel cell 110, a filter 207 is installed on the upstream side of the oxidant supply pump.

液体有機化合物を燃料とする固体高分子形燃料電池では、燃料タンクとは別に燃料濃度を調整するための調整タンクが必要となる。この理由は以下である。直接メタノール形燃料電池を例として説明すると、アノードに供給されたメタノールが電解質膜を介してカソードに透過する課題(メタノールクロスオーバ現象)がある。このメタノールクロスオーバ現象はその透過量がアノードに供給するメタノール水溶液の濃度に依存することが知られており、従来、メタノールクロスオーバの課題に対しては、発電に必要なメタノール濃度よりも更に希釈された所定の濃度範囲のメタノール水溶液をアノードへ供給することで対策している。さらに、発電反応とメタノールクロスオーバ現象によってメタノール及び水が消費されることで、循環供給されるメタノール水溶液の濃度は運転時間とともに変化する。このため、メタノール濃度を調整するための調整タンクが必須となる。   In a polymer electrolyte fuel cell using a liquid organic compound as a fuel, an adjustment tank for adjusting the fuel concentration is required in addition to the fuel tank. The reason for this is as follows. When a direct methanol fuel cell is described as an example, there is a problem (methanol crossover phenomenon) in which methanol supplied to the anode permeates to the cathode through the electrolyte membrane. It is known that this methanol crossover phenomenon depends on the concentration of aqueous methanol solution supplied to the anode. For the problem of methanol crossover, the methanol crossover phenomenon is more diluted than the methanol concentration required for power generation. A countermeasure is taken by supplying a methanol aqueous solution having a predetermined concentration range to the anode. Further, the methanol and water are consumed by the power generation reaction and the methanol crossover phenomenon, so that the concentration of the methanol aqueous solution circulated changes with the operation time. For this reason, an adjustment tank for adjusting the methanol concentration is essential.

本実施形態の燃料電池では、セパレータ及びMEAに流路とは独立した貫通孔を形成することで、燃料電池スタック内に燃料濃度を調整するための燃料貯蔵部を設けている。これにより、従来、燃料電池スタックの外に設けていた燃料濃度調整用の混合タンクを省略することが可能となり、システムの部品点数低減によるコスト低減およびコンパクト化に寄与できる。すなわち、本実施形態の燃料電池では、セパレータ及びMEAにマニホールド用の貫通孔と併せて燃料貯蔵部用の貫通孔を金型成型や打ち抜き加工等の方法で形成すればよく、新たな部品や製造工程を必要としない。そのため、混合タンクの部品を省略できることで部品点数低減によるコスト低減を図れる。また、燃料あるいは水を容器から燃料電池へ輸送する配管経路を従来と比較して短縮化することができるので、システムのコンパクト化に寄与できる効果がある。さらに、比較的大きい比熱を有する液体燃料を燃料電池と同種の部材で接触することができるため熱抵抗を下げることができ、燃料貯留部や回収水貯留部、燃料電池の表面積を小さくできるので放熱量を低減することができる。この結果、起動後のシステム昇温時間を短縮できるため、起動性向上の効果も得られる。
(第二の実施形態)
図6に本発明の第二の実施形態における燃料電池のセパレータの構成の一例を示す。流路やマニホールドとなる貫通孔は図2と同様な構成であるが、本実施形態では独立した貫通孔を2つ備えている(107a、107b)。図7には、図6で示したセパレータを用いて、図4と同様に複数積層した燃料電池の斜視図を示している。図7に示すように貫通孔107aおよび107bは、セルを複数積層することで燃料等の液体を貯留できる空間をそれぞれ形成することができる。本実施形態のように、貫通孔の形状を操作することにより、セル積層時に形成できる空間の構成を変えることができる。例えば、セルの積層方向中央付近に貫通孔107aおよび/または107bがないセパレータを用いることにより、セル積層時の連通した空間を分割することも可能である。図8には、本実施形態の図7で示した燃料電池を用いたシステムの構成の一例を示す。燃料電池110は、アノード111、カソード112、貫通孔107aが連通して構成された燃料貯留部113、貫通孔107bが連通して形成された回収水貯留部114で構成されている。液体燃料は燃料貯留部113に充填され、燃料循環ポンプ202を介してアノード111へ循環供給される。燃料貯留部113に貯留されているメタノール濃度が所定の濃度よりも低くなった場合には、高濃度のメタノール水溶液が貯蔵されている燃料タンク201から燃料供給ポンプ203を介して燃料貯留部113へ供給され、燃料貯留部113内のメタノールが所定の範囲になるように調整される。燃料タンク201に貯蔵されているメタノールは本実施形態では100%のメタノールを用いた。また、酸化剤ガスとして大気中の空気を、酸化剤ガス供給ポンプ204を介してカソード112へ供給することで燃料電池110は発電することができる。反応によりアノード111上で生成した二酸化炭素や未反応の燃料は、燃料貯留部113へ戻り、気体である二酸化炭素は、気液分離機構208を介して燃料電池システム系外へ排出する。また、発電反応によりカソード112上で生成した水蒸気は、水回収機構205により凝縮し、回収水貯留部114で貯留される。未反応の空気は、気液分離機構210を介して燃料電池システム系外へ排出する。排気系を単一化するために、気液分離機構208へのガス経路を設けた構成にしても良い。燃料貯留部113に貯留されているメタノール水溶液の液位が所定の値を下回った際には、回収水貯留部114から水供給ポンプ209を介して燃料貯留部113へ水を供給し、一定の液位を保つように構成する。
In the fuel cell of the present embodiment, a fuel storage unit for adjusting the fuel concentration is provided in the fuel cell stack by forming a through hole independent of the flow path in the separator and the MEA. Thus, it is possible to omit the fuel concentration adjusting mixing tank that has been provided outside the fuel cell stack in the past, which can contribute to cost reduction and compactness by reducing the number of system components. That is, in the fuel cell of the present embodiment, the separator and the MEA may be formed with a through hole for the fuel storage unit together with the through hole for the manifold by a method such as die molding or punching, and new parts and manufacturing No process is required. Therefore, it is possible to reduce the cost by reducing the number of parts by omitting the parts of the mixing tank. In addition, since the piping path for transporting fuel or water from the container to the fuel cell can be shortened as compared with the prior art, there is an effect of contributing to a compact system. Furthermore, since the liquid fuel having a relatively large specific heat can be contacted by the same type of member as the fuel cell, the thermal resistance can be lowered, and the surface area of the fuel storage part, the recovered water storage part, and the fuel cell can be reduced. The amount of heat can be reduced. As a result, the system temperature rise time after startup can be shortened, so that the effect of improving startup can be obtained.
(Second embodiment)
FIG. 6 shows an example of the configuration of the separator of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention. The through holes serving as the flow paths and the manifolds have the same configuration as that shown in FIG. 2, but in this embodiment, two independent through holes are provided (107a and 107b). FIG. 7 is a perspective view of a fuel cell in which a plurality of layers are stacked using the separator shown in FIG. As shown in FIG. 7, the through holes 107 a and 107 b can each form a space in which a liquid such as fuel can be stored by stacking a plurality of cells. As in the present embodiment, by manipulating the shape of the through hole, the configuration of the space that can be formed during cell stacking can be changed. For example, by using a separator that does not have the through-holes 107a and / or 107b near the center in the cell stacking direction, it is possible to divide the communication space during cell stacking. FIG. 8 shows an example of a system configuration using the fuel cell shown in FIG. 7 of the present embodiment. The fuel cell 110 includes a fuel reservoir 113 formed by communicating an anode 111, a cathode 112, and a through hole 107a, and a recovered water reservoir 114 formed by communicating a through hole 107b. Liquid fuel is filled in the fuel reservoir 113 and circulated and supplied to the anode 111 via the fuel circulation pump 202. When the concentration of methanol stored in the fuel storage unit 113 becomes lower than a predetermined concentration, the fuel tank 201 storing a high-concentration methanol aqueous solution is supplied to the fuel storage unit 113 via the fuel supply pump 203. The methanol in the fuel storage unit 113 is supplied and adjusted so as to be in a predetermined range. In this embodiment, 100% methanol is used as the methanol stored in the fuel tank 201. Further, the fuel cell 110 can generate electric power by supplying air in the atmosphere as the oxidant gas to the cathode 112 via the oxidant gas supply pump 204. Carbon dioxide or unreacted fuel generated on the anode 111 by the reaction returns to the fuel storage unit 113, and carbon dioxide, which is a gas, is discharged out of the fuel cell system via the gas-liquid separation mechanism 208. Further, the water vapor generated on the cathode 112 by the power generation reaction is condensed by the water recovery mechanism 205 and stored in the recovered water storage unit 114. Unreacted air is discharged out of the fuel cell system via the gas-liquid separation mechanism 210. In order to unify the exhaust system, a gas path to the gas-liquid separation mechanism 208 may be provided. When the liquid level of the aqueous methanol solution stored in the fuel storage unit 113 falls below a predetermined value, water is supplied from the recovered water storage unit 114 to the fuel storage unit 113 via the water supply pump 209, and a certain amount of water is supplied. Configure to keep the liquid level.

本実施形態の燃料電池により、第一の実施形態と同様にシステムの部品点数低減によるコスト低減およびコンパクト化を実現することができる。また、燃料電池スタック内に燃料貯蔵部の他に回収水貯留部を設けることで、更なるコスト低減およびコンパクト化と高機能化が図れる。
With the fuel cell of this embodiment, it is possible to achieve cost reduction and downsizing by reducing the number of system components as in the first embodiment. Further, by providing a recovered water storage section in addition to the fuel storage section in the fuel cell stack, further cost reduction, compactness and high functionality can be achieved.

101 燃料電池
102 MEA
103 セパレータ
104 ガスケット
105a、105b、106a、106b、107、107a、107b 貫通孔
108 集電板
109 端板
110 燃料電池
111 アノード
112 カソード
113 燃料貯留部
114 回収水貯留部
115、116、117 開口部
201 燃料タンク
202 燃料循環ポンプ
203 燃料供給ポンプ
204 酸化剤供給ポンプ
205 水回収機構
206 冷却ファン
207 フィルタ
208 気液分離機構
209 水供給ポンプ
301 混合タンク
101 Fuel cell 102 MEA
103 Separator 104 Gasket 105a, 105b, 106a, 106b, 107, 107a, 107b Through hole 108 Current collector plate 109 End plate 110 Fuel cell 111 Anode 112 Cathode 113 Fuel reservoir 114 Recovered water reservoir 115, 116, 117 Opening 201 Fuel tank 202 Fuel circulation pump 203 Fuel supply pump 204 Oxidant supply pump 205 Water recovery mechanism 206 Cooling fan 207 Filter 208 Gas-liquid separation mechanism 209 Water supply pump 301 Mixing tank

Claims (3)

液体有機化合物を燃料として発電を行う単セルを複数個積層した燃料電池スタックを備える固体高分子形燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックを構成する複数の膜電極接合体およびセパレータの少なくとも一部に、積層された前記膜電極接合体および前記セパレータを連通する貫通孔を備え、
前記セパレータに形成された液体燃料および酸化剤ガスを前記膜電極接合体に供給するための流路と前記貫通孔とがシール材によって分離されており、
前記貫通孔によって形成された空間を液体燃料または水を貯留するタンクとしたことを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。
In a polymer electrolyte fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of single cells that generate power using a liquid organic compound as a fuel are stacked,
At least a part of the plurality of membrane electrode assemblies and separators constituting the fuel cell stack includes a through-hole that communicates the stacked membrane electrode assemblies and the separators,
The flow path for supplying the liquid fuel and oxidant gas formed in the separator to the membrane electrode assembly and the through hole are separated by a sealing material,
A solid polymer fuel cell system characterized in that the space formed by the through holes is a tank for storing liquid fuel or water.
請求項1において、前記タンクに液体燃料を貯留し、前記燃料電池スタックの燃料供給用マニホールドおよび燃料排出用マニホールドと前記タンクを接続し、前記タンク内の液体燃料を前記燃料電池スタックに循環供給することを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。   2. The liquid fuel is stored in the tank, the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold of the fuel cell stack are connected to the tank, and the liquid fuel in the tank is circulated and supplied to the fuel cell stack. A polymer electrolyte fuel cell system. 請求項1において、前記燃料電池スタックから排出される酸化剤ガスに含まれる水分を回収する水回収機構を備え、
前記水回収機構で回収された水を前記タンクに貯留することを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。
The water recovery mechanism according to claim 1, further comprising a water recovery mechanism for recovering water contained in the oxidant gas discharged from the fuel cell stack.
A polymer electrolyte fuel cell system, wherein water collected by the water recovery mechanism is stored in the tank.
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