JP4523241B2

JP4523241B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4523241B2
Application number: JP2003119454A
Authority: JP
Inventors: 孝史皿田; 文晴岩崎; 恒昭玉地; 考応柳瀬; 一吉古田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2023-04-24
Also published as: JP2004327202A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話、ノートパソコン、家庭電源、自動車などの電源として用いる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素を燃料として用いる燃料電池は、負極における水素の酸化反応と、正極における酸化剤、つまり、酸素もしくは貴な電位にて還元反応可能な酸化剤の還元反応とを、電気化学的に行い、両極の電位差と電気化学反応にて取り出される電流から出力を得る装置である。水素を得る方法として、水素の前駆体である反応物質の加水分解反応による方法（例えば、特許文献１参照）や、反応溶液もしくは気体（以下、両者を併せて反応物とする）を改質する方法（例えば、特許文献２参照）がある。従来の燃料電池の構成は、水素と酸化剤とを電気化学反応する発電部と、反応物を貯蔵する反応物貯蔵部と、反応物から水素を発生する改質部と、反応物貯蔵部から改質部に反応物を供給する燃料供給路と、水素を改質部から発電部に供給する水素流路から構成される。
【０００３】
電力を消費して駆動する電子機器やモーターなど（以下、電力消費ユニットとする）が燃料電池に接続される場合、電力消費ユニットが要求する電力を得るために、燃料電池は出力が変化する。出力が変動する場合、水素消費量も変化するため、出力に応じて水素発生量の変化が必要である。しかし、従来の触媒による方法は、触媒と反応物が接した場合反応が進行し、水素発生量の制御が難しかった。これを解決するために水素発生量の制御は、ポンプを用いて反応溶液の触媒への供給量を制御して行っていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１８７５９５号公報（第３−６頁、第１図）
【０００５】
【特許文献２】
特許２７１５５００号公報（第２−４頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の方法によると、燃料電池で発生した電力をポンプで用いることとなるが、電力消費ユニットから要求される電力が多い場合、ポンプの負荷が大きくなる。従ってポンプの駆動電力を得るために、ポンプと電力消費ユニットの消費電力の増加分、燃料電池が発電する電力を大きくしなければならない。しかし燃料電池は負荷応答性が悪く、高電力を短時間で得ることが困難である。またポンプに電力を供給するため、実質的に用いることのできる電力量が低下してしまう問題があった。更に、燃料電池は内部インピーダンスが高く、高電流発生時には電圧が低下する。また、ポンプの駆動においては、摩擦によるエネルギー損失がある。従って高電力を得るためには、燃料電池の内部インピーダンスやポンプでのエネルギー損失を見込んで電力を発生させなければならない。これはエネルギー密度の低下に通ずる。また、従来の方法によって水素発生量を増大しても、燃料電池の効率を向上することはできず、前述の通り内部インピーダンスが高く維持されたままである。
【０００７】
本発明は、上述した課題問題を解決し、短時間で水素発生量を変化することができ、かつエネルギー密度の高く、効率の高い燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明による、電力を消費して駆動する電力消費ユニットに接続される燃料電池は、燃料と酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる第一の発電部と、燃料前駆体を含む反応溶液から水素を発生する水素発生器と、第一の発電部に要求される電力をモニターして水素発生器の水素発生量を指示する制御回路を備え、水素発生器における水素発生反応が、反応溶液の電気化学反応によることを特徴としている。これにより、電気化学反応量に従って水素の発生量を制御することが可能となる。
【０００９】
さらに、電気化学反応による水素発生反応が、電力の発生を伴うこととした。これにより、水素発生反応が起きる部位への負荷を変化することにより、水素発生量を変化することができるようになる。水素発生に伴って発生する電力を、燃料電池の効率向上、電力消費ユニットへの供給、水素発生速度の制御に使用することが可能となる。
【００１０】
水素発生器で生じた電力が、第一の発電部で生じた電力と共に燃料電池が接続される電力消費ユニットで使われることを特徴としている。これにより、第一の発電部と水素発生器で生じた電力を加算した出力を電力消費ユニットに送電することができるようになる。これは、燃料電池の出力を向上することにつながる。
【００１１】
また、水素発生器が、電力発生に伴い水素を発生する第二の発電部と、第二の発電部で生じた電圧を調整する昇圧回路から構成され、昇圧回路により、第一の発電部から発生する電圧と、第二の発電部から発生する電圧とが略同一となるように調整されることを特徴としている。これにより、第二の発電部から燃料消費ユニットに直接電力を供給することができるようになる。
【００１２】
第一の発電部が、電気化学反応を起こす電極と、電解質と、加熱部から構成され、電力発生に伴い水素を発生する水素発生器で生じた電力を加熱部に供給し、電極と電解質を加熱することを特徴としている。これにより、第一の発電部の効率を向上することができ、要求される水素発生量が増大した場合、第一の発電部での出力の増加に伴う内部インピーダンスの増加を低減することができるようになる。加熱部としては種々あり、一般的なシーズヒーター、カートリッジヒーター、セラミックヒーターなどを用いてもよい。円筒や平面状など電極や電解質の形状に合わせた面状発熱体を用いるのが好ましい。また、電極周囲に抵抗体をパターニングして形成することもできる。また電解質としては、固体酸化物、固体高分子電解質、リン酸塩などを用いることができる。いずれも水素を燃料として用いる燃料電池であり、水素は前記水素発生器により得ることができる。
【００１３】
さらに、加熱部が熱電変換器であることを特徴としている。熱電変換器としては、ペルチェ効果を用いる素子が好ましい。これにより、ＯＮ／ＯＦＦの応答性がよく、瞬時の加熱が可能となる。
【００１４】
水素発生器が、第二の発電部とヒーターから構成され、水素発生器で生じた電力をヒーターで消費し、ヒーターが反応溶液を加熱することを特徴としている。これにより、水素発生反応が促進され、水素発生能が向上する。ヒーターとしては種々あり、一般的なシーズヒーター、カートリッジヒーター、セラミックヒーターなどを用いてもよい。円筒や平面状など電極や電解質の形状に合わせた面状発熱体を用いるのが好ましい。
【００１５】
また、ヒーターが熱電変換器であることを特徴としている。熱電変換器はペルチェ効果を用いた素子であり、特にＯＮ／ＯＦＦの応答性がよく、瞬時の加熱が可能となる。
【００１６】
水素発生器が、第二の発電部と、反応溶液を貯蔵する貯蔵容器と、貯蔵容器から第二の発電部に反応溶液を供給する燃料供給路と、燃料供給路に配置される燃料供給量を可変とする構造から構成され、第二の発電部への反応溶液供給量が、第二の発電部で生じた電力により調節され、可変となることを特徴としている。これにより、反応溶液を第二の発電部に供給する量を変化する電力を得る事ができ、反応溶液の供給量を適宜変化する事ができるようになる。
【００１７】
燃料供給量を可変とする構造がバルブであり、第二の発電部で生じた電力により、バルブが開閉して、第二の発電部に供給される前記反応溶液の供給量が可変となることを特徴としている。これにより、低電力により反応溶液の供給を促進できるようになる。ここで燃料供給路を毛細管とすることにより、反応溶液の供給量制御をバルブの開閉で行うことが可能となる。
【００１８】
バルブには、仕切弁、バタフライ弁、玉形弁、ダイヤフラム弁が用いられる。バタフライ弁、ダイヤフラム弁ならば、外圧の影響により弁を開閉することが可能であるため、バルブの駆動に電力がかからず、より一層有効である。
【００１９】
燃料供給量を可変とする構造がポンプであり、第二の発電部で生じた電力により、ポンプが作動して、第二の発電部に供給される反応溶液の供給量が可変となることを特徴としている。これにより、必要な水素量が急増した場合でも、ポンプを作動することにより反応溶液を大量に第二の発電部に供給し、対応する事ができるようになる。
【００２０】
水素発生器が、反応溶液と酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる第二の発電部と、酸化剤を供給する酸化剤供給口から構成され、制御回路の指示により第二の発電部に負荷がかかり、水素発生量が可変となることを特徴としている。これにより、第二の発電部における電気化学反応により電力を得る事ができるようになり、負荷を変化することにより水素発生量を変化する事ができるようになる。
【００２１】
この水素発生器の構造は、具体的には、燃料電池とする事が好ましい。また水素発生器内に、第二の発電部と共に水素発生部材と反応溶液による水素発生反応を生じる部位を形成することができる。以下に反応溶液と水素発生部材の例を示す。但しこの限りではない。反応溶液として金属水素錯化合物水溶液を、水素発生部材としてＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ、貴金属から成る群の内いずれか一種を含む金属、金属酸化物、金属塩化物や酸が挙げられる。また、酸もしくはアルカリ水溶液と金属の組み合わせでもよい。ここで第二の発電部のアノードとして、導電性を有する水素発生部材を用いることができる。また、カーボン、Ｔｉなどを用いてもよい。
【００２２】
第二の発電部が、電気化学反応を起こす電極と、電解質と、ヒーターから構成され、第二の発電部で生じた電力をヒーターで消費し、ヒーターが第二の発電部を加熱し、水素発生量を増加することを特徴としている。これにより、第二の発電部における電気化学反応が促進され、発電効率が向上することができる。従って第二の発電部での水素発生反応において、エネルギーロスを低減することが可能となる。
【００２３】
ここで、電解質には、固体高分子電解質、固体酸化物を用いることができる。固体高分子電解質の種類には、カチオン交換膜、アニオン交換膜がある。アニオン交換膜の場合、アニオン透過時の抵抗が低下する効果があるが、現状耐久性が低い。従って、電解質導電物質の種類に限らず、カチオン交換膜を使うのが好ましい。しかしこれには限らない。また電極としては、触媒にＰｔ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｚｒから成る群の少なくともいずれかひとつを含む金属、化合物であることが好ましい。ヒーターとしては種々あり、一般的なシーズヒーター、カートリッジヒーター、セラミックヒーターなどを用いてもよい。円筒や平面状など電極や電解質の形状に合わせた面状発熱体を用いるのが好ましい。また、電極周囲に抵抗体をパターニングして形成することもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明に関わる燃料電池の構造を示す模式図である。本燃料電池は、水素燃料と酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる第一の発電部１と、燃料前駆体を含む反応溶液２を貯蔵する燃料タンク３と、反応溶液２から水素を発生する水素発生器４と、第一の発電部１に要求される電力をモニターして水素発生器４の水素発生量を指示する制御回路５を備えている。本燃料電池は、電力を消費して駆動する電力消費ユニット６に接続されている。ここで水素発生器４には制御回路５の指示により負荷がかかり、この負荷を可変とすることにより反応溶液２の電気化学反応の反応量を調整することができる。これにより、水素発生量が可変となる。
【００２５】
図２は本発明にかかわる燃料電池の水素発生器の構造を示す模式図である。水素発生器は、反応溶液２と酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる第二の発電部７と、酸化剤を供給する酸化剤供給口８、反応溶液２から適宜水素を発生するための水素発生部材９を備えている。ここで、水素発生部材９は第二の発電部７のアノード１０を兼ねている。第二の発電部７は、反応溶液２と酸化剤の電気化学反応により電力を発生する。また水素発生器において、反応溶液２と水素発生部材９の接触により、加水分解反応、熱分解反応、金属の酸化反応の少なくともいずれか一種がおき、更に、第二の発電部７上で反応溶液２の電気化学反応がおき、両者により水素を発生する。第二の発電部７の出力を制御して電気化学反応により、水素発生量を制御することが可能となる。
【００２６】
以上の反応を可能とするために、酸化剤には、酸素、過酸化水素などに代表される還元可能な物質が使われる。また、反応溶液２として金属水素錯化合物水溶液が、水素発生部材９としてＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ、貴金属から成る群の内いずれか一種を含む金属が例示できる。また、反応溶液２と水素発生部材９として、酸もしくはアルカリ水溶液と金属の組み合わせでもよい。また第二の発電部７のアノード１０として、導電性を有する水素発生部材９を用いることができる。
【００２７】
例えば、反応溶液２を金属水素錯化合物水溶液、水素発生部材９をＮｉとし、第二の発電部７のアノード１０に水素発生部材９を用いた場合、Ｎｉ上での金属水素錯化合物の加水分解反応により水素が発生すると共に、Ｎｉ上で電気化学的に水素発生反応を起こすことができる。また他の例として、反応溶液２をアルカリ水溶液、水素発生部材９をＡｌとし、第二の発電部７のアノード１０に水素発生部材９を用いた場合、Ａｌの酸化反応により水素を発生すると共に、Ａｌ上での電気化学的に水素発生反応を起こすことができる。
【００２８】
以上の構造によれば、第二の発電部への負荷が変動すると電気化学的な水素発生反応の反応量が変化することになる。すなわち、負荷を制御することにより水素発生量を制御することができるようになる。
【００２９】
（実施例２）
図３は本発明にかかわる燃料電池の水素発生器を示す模式図である。図２と類似の構造であるが、水素発生部材９が水素発生器内の反応溶液２に分散している点で、図２と異なる。従って、第二の発電部７のアノード１０と水素発生部材９とは別体となっている。水素発生部材９上での加水分解反応と、アノード１０上の電気化学反応により水素が発生する。以上の反応を可能とするために、反応溶液２として金属水素錯化合物水溶液を用い、水素発生部材９としてＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、貴金属から成る群の内いずれか一種を含む金属酸化物、金属塩化物や酸を用いることが例示できる。また、第二の発電部７のアノード１０として、カーボン、Ｔｉなどを用いてもよい。例えば、水素発生部材９をクエン酸とし、第二の発電部７のアノードにカーボンを用いた場合、金属水素錯化合物の加水分解反応により水素が発生すると共に、カーボン上で電気化学的に水素発生反応を起こすことができる。
【００３０】
以上の構造により、第二の発電部への負荷が変動した場合、電気化学的な水素発生反応の反応量が変化するため、負荷を制御することにより水素発生量を制御することができるようになる。
【００３１】
（実施例３）
図４は本実施例の燃料電池と電力消費ユニット６の電気接続を示すブロック図である。本実施例の燃料電池は、水素を消費して発電する第一の発電部１と、水素発生器４と、水素発生器４で生じる電圧を第一の発電部１で生じる電圧と略同一とする昇圧回路１１を備えている。ここで電力消費ユニット６は、携帯電話、デジタルスチルカメラといった携帯情報機器、コンピューターやコンピューター関連機器、家庭電化製品、自動車などの電力を消費して駆動する製品を示す。ここには二次電池やキャパシタのような電力をいったん貯蔵した後これを放電することにより機能を示すデバイスや、電圧を昇降圧するための直流電流変換器も含まれる。このような構成により、燃料電池から送電する電力は、第一の発電部１で発生した電力に、水素発生器４から生じる電力を加算することができ、燃料電池全体の出力を向上することができる。
【００３２】
（実施例４）
図５は本実施例の燃料電池の構造を示す模式図である。本燃料電池は、図１と類似の構造をしており、更に第一の発電部１に加熱部１２を取り付けている。加熱部１２に送電される電力は、水素発生器４で発電した電力である。第一の発電部１で反応が起きると電流上昇と共に電圧が低下するが、高温になるに従い電圧低下幅が小さくなる。従って本構造により第一の発電部１の温度が上昇し、より高い電力を出力できるようになる。
【００３３】
（実施例５）
図６は本発明にかかわる燃料電池の水素発生器と燃料関連部分を示す模式図である。水素発生器４の構造は、図２もしくは図３と同様の構造をしている。また燃料関連部分として、反応溶液２を貯蔵する燃料タンク３、燃料タンク３から水素発生器４に反応溶液２を送液する燃料供給路１３から成っている。燃料供給路１３には、反応溶液２の供給量を調節するためのバルブ１４が設置されている。
【００３４】
燃料電池に適用されるバルブ１４の駆動には、従来燃料電池で発電した電力かもしくは外部から電力を供給する必要があった。しかし本構造では、水素発生器４で発電した電力を用いることとなる。従って水素発生器４にかかる負荷が増大し電気化学反応が促進された場合、発生する水素量が増大すると共に、発生した電力によりバルブ１４を駆動し、反応溶液２の供給を増大することができる。
【００３５】
（実施例６）
図７は本発明にかかわる燃料電池の水素発生器を示す模式図である。水素発生器４の第二の発電部７の構造は、図2もしくは図３と同様の構造している。本実施の形態では、反応溶液滞留部１５にヒーター１６を取り付けている。ヒーター１６は水素発生器４で発電する電力により加熱される。これにより反応溶液２が加熱され、加水分解反応による水素発生が促進される。また反応溶液２の温度が上昇した場合、反応物や反応生成物の溶解度を増加することができる。従って、常温で溶解度以上の反応物を保持することが可能となり、エネルギー密度を増加することができる。
【００３６】
（実施例７）
図８は水素発生器へのヒーターの取り付け構造を示す斜視図である。水素発生器４の第二の発電部７は、図2もしくは図３と同様の構造している。ヒーター１６はアノード１０の周囲に図示するように取り付けられる。ヒーター１６は第二の発電部７で発生する電力により加熱される。これにより、第二の発電部７の電力触媒活性能が向上し、電気化学反応による水素発生が促進される。また同時に反応溶液２が加熱されるため、加水分解反応による水素発生が促進される。燃料電池が要求される電力が増加して第二の発電部７への負荷が増加した場合、高電流を出力することができるため、上記反応をより促進することができ、十分量の水素を得ることができるようになる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池は、水素を燃料として用いる燃料電池であり、電力を消費して駆動する電力消費ユニットに接続されており、燃料と酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる第一の発電部と、燃料前駆体を含む反応溶液から水素を発生する水素発生器と、発電部が要求される電力をモニターし水素発生器の水素発生量を指示する制御回路から構成され、水素発生器における水素発生反応が、反応溶液の電気化学反応によることを特徴としている。これにより、電気化学反応量に従って水素の発生量を制御することが可能となる。
【００３８】
更に、電気化学反応による水素発生反応が、電力の発生を伴うことを特徴としている。そのため、水素発生反応が起きる部位への負荷を変化することにより、水素発生量を変化することができるようになる。水素発生に伴って発生する電力を、燃料電池の効率向上、電力消費ユニットへの供給、水素発生速度の制御に使用することが可能となる。
【００３９】
以上により、短時間で水素発生量を変化することができ、かつエネルギー密度の高く、効率の高い燃料電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池の構造を示す模式図である。
【図２】本発明による燃料電池の水素発生器の構造を示す模式図である。
【図３】本発明による実施例２の燃料電池の水素発生器を示す模式図である。
【図４】本発明による実施例３の燃料電池と電力消費ユニットの電気接続を示すブロック図である。
【図５】本発明による実施例４の燃料電池の構造を示す模式図である。
【図６】本発明による実施例５の燃料電池の水素発生器と燃料関連部分を示す模式図である。
【図７】本発明による実施例６の燃料電池の水素発生器を示す模式図である。
【図８】本発明による実施例７の水素発生器へのヒーターの取り付け構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１第一の発電部
２反応溶液
３燃料タンク
４水素発生器
５制御回路
６電力消費ユニット
７第二の発電部
８酸化剤供給口
９水素発生部材
１０アノード
１１昇圧回路
１２加熱部
１３燃料供給路
１４バルブ
１５反応溶液滞留部
１６ヒーター[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell used as a power source for a mobile phone, a notebook computer, a household power source, an automobile, and the like.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell using hydrogen as a fuel electrochemically carries out an oxidation reaction of hydrogen at the negative electrode and an oxidant at the positive electrode, that is, a reduction reaction of an oxidant that can be reduced at a noble potential by oxygen. It is an apparatus which obtains an output from the electric current taken out by the electrical potential difference and electrochemical reaction. As a method for obtaining hydrogen, a method of hydrolyzing a reactant which is a precursor of hydrogen (see, for example, Patent Document 1), a reaction solution or a gas (hereinafter referred to as a reactant together) is modified. There exists a method (for example, refer patent document 2). The configuration of a conventional fuel cell includes a power generation unit that electrochemically reacts hydrogen and an oxidant, a reactant storage unit that stores a reactant, a reforming unit that generates hydrogen from the reactant, and a reactant storage unit. The fuel supply path supplies reactants to the reforming section, and the hydrogen flow path supplies hydrogen from the reforming section to the power generation section.
[0003]
When an electronic device or a motor that consumes power and is driven (hereinafter referred to as a power consuming unit) is connected to the fuel cell, the output of the fuel cell changes in order to obtain the power required by the power consuming unit. When the output fluctuates, the amount of hydrogen consumption also changes, so that the amount of hydrogen generation needs to change according to the output. However, in the conventional catalyst method, the reaction proceeds when the catalyst and the reactant are in contact with each other, and it is difficult to control the hydrogen generation amount. In order to solve this problem, the hydrogen generation amount is controlled by controlling the supply amount of the reaction solution to the catalyst using a pump.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-187595 A (page 3-6, FIG. 1)
[0005]
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 2715500 (page 2-4, Fig. 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the conventional method, the electric power generated in the fuel cell is used by the pump. However, when the electric power required from the power consuming unit is large, the load on the pump increases. Therefore, in order to obtain the driving power of the pump, the power generated by the fuel cell must be increased by the increase in the power consumption of the pump and the power consuming unit. However, fuel cells have poor load responsiveness, and it is difficult to obtain high power in a short time. Moreover, since electric power is supplied to the pump, there is a problem that the amount of electric power that can be substantially used decreases. Further, the fuel cell has a high internal impedance, and the voltage decreases when a high current is generated. In driving the pump, there is energy loss due to friction. Therefore, in order to obtain high electric power, electric power must be generated in consideration of the internal impedance of the fuel cell and energy loss in the pump. This leads to a decrease in energy density. Further, even if the hydrogen generation amount is increased by the conventional method, the efficiency of the fuel cell cannot be improved, and the internal impedance remains high as described above.
[0007]
An object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a fuel cell that can change the amount of hydrogen generation in a short time, has high energy density, and high efficiency.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a fuel cell connected to a power consuming unit that consumes and drives electric power according to the present invention includes a first power generation unit that generates electric power from a fuel and an oxidant by an electrochemical reaction, A hydrogen generator that generates hydrogen from a reaction solution containing a precursor and a control circuit that monitors the power required for the first power generation unit and indicates the amount of hydrogen generated by the hydrogen generator. The generation reaction is characterized by the electrochemical reaction of the reaction solution. This makes it possible to control the amount of hydrogen generated according to the amount of electrochemical reaction.
[0009]
Furthermore, the hydrogen generation reaction by the electrochemical reaction is accompanied by the generation of electric power. As a result, the amount of hydrogen generation can be changed by changing the load on the site where the hydrogen generation reaction occurs. The electric power generated as a result of hydrogen generation can be used for improving the efficiency of the fuel cell, supplying it to the power consuming unit, and controlling the hydrogen generation rate.
[0010]
The power generated by the hydrogen generator is used in the power consuming unit to which the fuel cell is connected together with the power generated by the first power generation unit. As a result, an output obtained by adding the electric power generated by the first power generation unit and the hydrogen generator can be transmitted to the power consuming unit. This leads to an improvement in the output of the fuel cell.
[0011]
The hydrogen generator includes a second power generation unit that generates hydrogen when power is generated, and a booster circuit that adjusts a voltage generated in the second power generation unit. The voltage generated is adjusted to be substantially the same as the voltage generated from the second power generation unit. Thereby, electric power can be directly supplied from the second power generation unit to the fuel consuming unit.
[0012]
The first power generation unit is composed of an electrode that causes an electrochemical reaction, an electrolyte, and a heating unit, and supplies electric power generated by a hydrogen generator that generates hydrogen when power is generated to the heating unit, and the electrode and electrolyte are It is characterized by heating. Thereby, the efficiency of the first power generation unit can be improved, and when the required amount of hydrogen generation increases, an increase in internal impedance accompanying an increase in output at the first power generation unit can be reduced. It becomes like this. There are various heating units, and general sheathed heaters, cartridge heaters, ceramic heaters, and the like may be used. It is preferable to use a planar heating element that matches the shape of the electrode or electrolyte, such as a cylinder or a plane. Alternatively, a resistor can be formed around the electrode by patterning. As the electrolyte, a solid oxide, a solid polymer electrolyte, a phosphate, or the like can be used. Both are fuel cells using hydrogen as a fuel, and hydrogen can be obtained by the hydrogen generator.
[0013]
Further, the heating unit is a thermoelectric converter. As the thermoelectric converter, an element using the Peltier effect is preferable. Thereby, ON / OFF responsiveness is good and instantaneous heating is possible.
[0014]
The hydrogen generator is composed of a second power generation unit and a heater, and the electric power generated by the hydrogen generator is consumed by the heater, and the heater heats the reaction solution. Thereby, hydrogen generation reaction is accelerated | stimulated and hydrogen generation capability improves. There are various types of heaters, and general sheathed heaters, cartridge heaters, ceramic heaters, and the like may be used. It is preferable to use a planar heating element that matches the shape of the electrode or electrolyte, such as a cylinder or a plane.
[0015]
Further, the heater is a thermoelectric converter. A thermoelectric converter is an element using the Peltier effect, and has particularly good ON / OFF responsiveness, enabling instantaneous heating.
[0016]
The hydrogen generator includes a second power generation unit, a storage container that stores the reaction solution, a fuel supply path that supplies the reaction solution from the storage container to the second power generation unit, and a fuel supply amount that is disposed in the fuel supply path The amount of the reaction solution supplied to the second power generation unit is adjusted by the electric power generated in the second power generation unit and is variable. Thereby, the electric power which changes the quantity which supplies a reaction solution to a 2nd electric power generation part can be obtained, and the supply amount of a reaction solution can be changed now suitably.
[0017]
The structure that makes the fuel supply amount variable is a valve, and the valve is opened and closed by the electric power generated in the second power generation unit, so that the supply amount of the reaction solution supplied to the second power generation unit becomes variable. It is characterized by. Thereby, supply of the reaction solution can be promoted with low power. Here, by making the fuel supply path a capillary tube, the supply amount of the reaction solution can be controlled by opening and closing the valve.
[0018]
A gate valve, a butterfly valve, a ball valve, or a diaphragm valve is used as the valve. If it is a butterfly valve and a diaphragm valve, the valve can be opened and closed by the influence of external pressure, so that no electric power is required for driving the valve, which is more effective.
[0019]
The structure in which the fuel supply amount is variable is a pump, and the pump is activated by the electric power generated in the second power generation unit, so that the supply amount of the reaction solution supplied to the second power generation unit is variable. It is a feature. As a result, even when the required amount of hydrogen increases rapidly, the pump can be operated to supply a large amount of the reaction solution to the second power generation unit and cope with it.
[0020]
The hydrogen generator is composed of a second power generation unit that generates electric power by an electrochemical reaction from the reaction solution and the oxidant, and an oxidant supply port that supplies the oxidant, and loads the second power generation unit according to instructions from the control circuit. This is characterized in that the amount of hydrogen generation is variable. As a result, electric power can be obtained by an electrochemical reaction in the second power generation unit, and the amount of hydrogen generation can be changed by changing the load.
[0021]
Specifically, the structure of the hydrogen generator is preferably a fuel cell. Moreover, the site | part which produces hydrogen generating reaction by a hydrogen generating member and a reaction solution with a 2nd electric power generation part can be formed in a hydrogen generator. Examples of the reaction solution and the hydrogen generating member are shown below. However, this is not the case. Examples include a metal hydride complex aqueous solution as the reaction solution, and a metal, metal oxide, metal chloride, or acid containing any one of the group consisting of Fe, Ni, Co, and noble metals as the hydrogen generating member. Further, a combination of an acid or alkali aqueous solution and a metal may be used. Here, a conductive hydrogen generating member can be used as the anode of the second power generation unit. Carbon, Ti, or the like may be used.
[0022]
The second power generation unit is composed of an electrode that causes an electrochemical reaction, an electrolyte, and a heater. Electric power generated in the second power generation unit is consumed by the heater, the heater heats the second power generation unit, and hydrogen It is characterized by increasing the amount of generation. Thereby, the electrochemical reaction in a 2nd electric power generation part is accelerated | stimulated, and electric power generation efficiency can improve. Accordingly, energy loss can be reduced in the hydrogen generation reaction in the second power generation unit.
[0023]
Here, a solid polymer electrolyte or a solid oxide can be used as the electrolyte. Types of solid polymer electrolytes include cation exchange membranes and anion exchange membranes. In the case of an anion exchange membrane, there is an effect that the resistance at the time of anion permeation decreases, but the durability at present is low. Therefore, it is preferable to use a cation exchange membrane without being limited to the kind of the electrolyte conductive material. However, it is not limited to this. The electrode is preferably a metal or a compound containing at least one of the group consisting of Pt, Ru, Rh, Au, Ag, Cu, Ni, Ti, and Zr as a catalyst. There are various types of heaters, and general sheathed heaters, cartridge heaters, ceramic heaters, and the like may be used. It is preferable to use a planar heating element that matches the shape of the electrode or electrolyte, such as a cylinder or a plane. Alternatively, a resistor can be formed around the electrode by patterning.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Example 1
FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a fuel cell according to the present invention. This fuel cell generates hydrogen from a first power generation unit 1 that generates electric power from a hydrogen fuel and an oxidant by an electrochemical reaction, a fuel tank 3 that stores a reaction solution 2 containing a fuel precursor, and a reaction solution 2. A hydrogen generator 4 and a control circuit 5 for monitoring the power required for the first power generation unit 1 and instructing the hydrogen generation amount of the hydrogen generator 4 are provided. The fuel cell is connected to a power consuming unit 6 that consumes power and is driven. Here, a load is applied to the hydrogen generator 4 according to an instruction from the control circuit 5, and the reaction amount of the electrochemical reaction of the reaction solution 2 can be adjusted by making this load variable. Thereby, the amount of hydrogen generation becomes variable.
[0025]
FIG. 2 is a schematic view showing the structure of a hydrogen generator of a fuel cell according to the present invention. The hydrogen generator includes a second power generation unit 7 that generates electric power from the reaction solution 2 and the oxidant by an electrochemical reaction, an oxidant supply port 8 that supplies the oxidant, and hydrogen for generating hydrogen appropriately from the reaction solution 2. A generating member 9 is provided. Here, the hydrogen generating member 9 also serves as the anode 10 of the second power generation unit 7. The second power generation unit 7 generates power by an electrochemical reaction between the reaction solution 2 and the oxidant. In the hydrogen generator, at least one of a hydrolysis reaction, a thermal decomposition reaction, and a metal oxidation reaction occurs by contact between the reaction solution 2 and the hydrogen generation member 9, and the reaction solution is further generated on the second power generation unit 7. Two electrochemical reactions occur and both generate hydrogen. It is possible to control the hydrogen generation amount by controlling the output of the second power generation unit 7 and performing an electrochemical reaction.
[0026]
In order to make the above reaction possible, a reducible substance represented by oxygen, hydrogen peroxide and the like is used as the oxidizing agent. Examples of the reaction solution 2 include a metal hydride complex aqueous solution, and examples of the hydrogen generating member 9 include a metal including any one of the group consisting of Fe, Ni, Co, and noble metals. Further, the reaction solution 2 and the hydrogen generating member 9 may be a combination of an acid or alkaline aqueous solution and a metal. In addition, a conductive hydrogen generating member 9 can be used as the anode 10 of the second power generation unit 7.
[0027]
For example, when the reaction solution 2 is a metal hydride complex aqueous solution, the hydrogen generation member 9 is Ni, and the hydrogen generation member 9 is used for the anode 10 of the second power generation unit 7, hydrolysis of the metal hydride complex on Ni is performed. Hydrogen is generated by the reaction, and an electrochemical hydrogen generation reaction can be caused on Ni. As another example, when the reaction solution 2 is an alkaline aqueous solution, the hydrogen generation member 9 is Al, and the hydrogen generation member 9 is used for the anode 10 of the second power generation unit 7, hydrogen is generated by the oxidation reaction of Al. Electrochemical hydrogen generation reaction on Al can be caused.
[0028]
According to the above structure, when the load on the second power generation unit fluctuates, the reaction amount of the electrochemical hydrogen generation reaction changes. That is, the amount of hydrogen generation can be controlled by controlling the load.
[0029]
(Example 2)
FIG. 3 is a schematic view showing a hydrogen generator of a fuel cell according to the present invention. The structure is similar to that of FIG. 2, but differs from FIG. 2 in that the hydrogen generating member 9 is dispersed in the reaction solution 2 in the hydrogen generator. Therefore, the anode 10 and the hydrogen generation member 9 of the second power generation unit 7 are separate. Hydrogen is generated by a hydrolysis reaction on the hydrogen generating member 9 and an electrochemical reaction on the anode 10. In order to enable the above reaction, a metal hydride complex aqueous solution is used as the reaction solution 2, and the hydrogen generating member 9 is a metal oxide or metal chloride containing any one of the group consisting of Fe, Ni, Co, and noble metals. Examples thereof include using a product or an acid. Further, carbon, Ti, or the like may be used as the anode 10 of the second power generation unit 7. For example, when the hydrogen generating member 9 is citric acid and carbon is used for the anode of the second power generation unit 7, hydrogen is generated by the hydrolysis reaction of the metal-hydrogen complex compound and hydrogen is generated electrochemically on the carbon. Can cause a reaction.
[0030]
With the above structure, when the load on the second power generation unit fluctuates, the reaction amount of the electrochemical hydrogen generation reaction changes, so that the hydrogen generation amount can be controlled by controlling the load. Become.
[0031]
(Example 3)
FIG. 4 is a block diagram showing electrical connection between the fuel cell and the power consuming unit 6 of this embodiment. The fuel cell according to the present embodiment includes a first power generation unit 1 that consumes hydrogen to generate power, a hydrogen generator 4, and a voltage generated in the hydrogen generator 4 that is substantially the same as a voltage generated in the first power generation unit 1. A booster circuit 11 is provided. Here, the power consumption unit 6 indicates a product that consumes and drives power, such as a portable information device such as a mobile phone or a digital still camera, a computer or a computer-related device, a home appliance, or an automobile. This also includes devices such as secondary batteries and capacitors that function once by storing power and then discharging it, and DC current converters for increasing and decreasing the voltage. With such a configuration, the electric power transmitted from the fuel cell can add the electric power generated from the hydrogen generator 4 to the electric power generated by the first power generation unit 1, thereby improving the output of the entire fuel cell. it can.
[0032]
Example 4
FIG. 5 is a schematic diagram showing the structure of the fuel cell of this example. The fuel cell has a structure similar to that shown in FIG. 1 and further has a heating unit 12 attached to the first power generation unit 1. The power transmitted to the heating unit 12 is the power generated by the hydrogen generator 4. When a reaction occurs in the first power generation unit 1, the voltage decreases as the current increases, but the voltage decrease width decreases as the temperature increases. Therefore, with this structure, the temperature of the first power generation unit 1 rises, and higher power can be output.
[0033]
(Example 5)
FIG. 6 is a schematic view showing a hydrogen generator and fuel-related parts of a fuel cell according to the present invention. The structure of the hydrogen generator 4 is the same as that shown in FIG. The fuel-related portion includes a fuel tank 3 for storing the reaction solution 2 and a fuel supply passage 13 for sending the reaction solution 2 from the fuel tank 3 to the hydrogen generator 4. A valve 14 for adjusting the supply amount of the reaction solution 2 is installed in the fuel supply path 13.
[0034]
For driving the valve 14 applied to the fuel cell, it has been necessary to supply electric power generated by the conventional fuel cell or externally. However, in this structure, the electric power generated by the hydrogen generator 4 is used. Therefore, when the load applied to the hydrogen generator 4 is increased and the electrochemical reaction is promoted, the amount of generated hydrogen is increased, and the valve 14 is driven by the generated power to increase the supply of the reaction solution 2. .
[0035]
(Example 6)
FIG. 7 is a schematic view showing a hydrogen generator of a fuel cell according to the present invention. The structure of the second power generation unit 7 of the hydrogen generator 4 is the same as that shown in FIG. In the present embodiment, a heater 16 is attached to the reaction solution retention part 15. The heater 16 is heated by electric power generated by the hydrogen generator 4. Thereby, the reaction solution 2 is heated, and hydrogen generation by a hydrolysis reaction is promoted. Moreover, when the temperature of the reaction solution 2 rises, the solubility of a reaction product or a reaction product can be increased. Therefore, it becomes possible to hold a reactant having a solubility or higher at room temperature, and the energy density can be increased.
[0036]
(Example 7)
FIG. 8 is a perspective view showing a mounting structure of the heater to the hydrogen generator. The second power generation unit 7 of the hydrogen generator 4 has the same structure as that shown in FIG. The heater 16 is attached around the anode 10 as shown. The heater 16 is heated by the electric power generated by the second power generation unit 7. Thereby, the power catalyst activity capability of the 2nd electric power generation part 7 improves, and the hydrogen generation by an electrochemical reaction is accelerated | stimulated. At the same time, since the reaction solution 2 is heated, hydrogen generation by the hydrolysis reaction is promoted. When the power required by the fuel cell is increased and the load on the second power generation unit 7 is increased, a high current can be output, so that the reaction can be further promoted, and a sufficient amount of hydrogen is supplied. Be able to get.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, the fuel cell of the present invention is a fuel cell that uses hydrogen as a fuel, and is connected to a power consuming unit that is driven by consuming electric power. The generated first power generation unit, a hydrogen generator that generates hydrogen from the reaction solution containing the fuel precursor, and a control circuit that monitors the power required by the power generation unit and indicates the hydrogen generation amount of the hydrogen generator. The hydrogen generation reaction in the hydrogen generator is characterized by the electrochemical reaction of the reaction solution. This makes it possible to control the amount of hydrogen generated according to the amount of electrochemical reaction.
[0038]
Furthermore, the hydrogen generation reaction by the electrochemical reaction is characterized by the generation of electric power. Therefore, the amount of hydrogen generation can be changed by changing the load on the site where the hydrogen generation reaction occurs. The electric power generated as a result of hydrogen generation can be used for improving the efficiency of the fuel cell, supplying it to the power consuming unit, and controlling the hydrogen generation rate.
[0039]
As described above, it is possible to provide a fuel cell that can change the amount of hydrogen generation in a short time, and has a high energy density and high efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of a hydrogen generator of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing a hydrogen generator of a fuel cell of Example 2 according to the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing electrical connection between a fuel cell and a power consuming unit according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing the structure of a fuel cell of Example 4 according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a hydrogen generator and fuel-related parts of a fuel cell according to Example 5 of the present invention.
7 is a schematic view showing a hydrogen generator of a fuel cell according to Example 6 of the present invention. FIG.
FIG. 8 is a perspective view showing a mounting structure of a heater to a hydrogen generator according to a seventh embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st electric power generation part 2 Reaction solution 3 Fuel tank 4 Hydrogen generator 5 Control circuit 6 Electric power consumption unit 7 2nd electric power generation part 8 Oxidant supply port 9 Hydrogen generating member 10 Anode 11 Booster circuit 12 Heating part 13 Fuel supply path 14 Valve 15 Reaction solution retention part 16 Heater

Claims

A fuel cell connected to a power consuming unit that consumes and drives power,
A first power generation unit, a hydrogen generator, and a control circuit;
The first power generation unit includes a first oxidant electrode to which a first oxidant is supplied via a first electrolyte, and a first fuel electrode to which a first fuel is supplied, The first fuel and the first oxidant react with each other in the first power generation unit to generate electric power,
The hydrogen generator includes a reaction solution, a second oxidant electrode supplied with a second oxidant via a second electrolyte, and a second fuel electrode in contact with the reaction solution. Power generation section
The second fuel electrode is made of a metal including any one of the group consisting of Fe, Ni, Co, and noble metals ,
The reaction solution is a metal hydrogen complex compound,
Electric power is generated by a hydrolysis reaction between the reaction solution and the second power generation unit,
Generating the first fuel by a hydrolysis reaction between the reaction solution and the second fuel electrode;
The fuel cell according to claim 1, wherein the control circuit controls the amount of the first fuel generated by controlling electric power generated by a hydrolysis reaction between the reaction solution and the second power generation unit.

A fuel cell connected to a power consuming unit that consumes and drives power,
A first power generation unit, a hydrogen generator, and a control circuit;
The first power generation unit includes a first oxidant electrode to which a first oxidant is supplied via a first electrolyte, and a first fuel electrode to which a first fuel is supplied, The first fuel and the first oxidant react with each other in the first power generation unit to generate electric power,
The hydrogen generator includes a reaction solution, a second oxidant electrode supplied with a second oxidant via a second electrolyte, and a second fuel electrode in contact with the reaction solution. Power generation section
The second fuel electrode is a hydrogen generating material made of aluminum,
The reaction solution is an acid or alkaline aqueous solution,
Power is generated by metal oxidation reaction between the reaction solution and the second power generation unit,
Generating the first fuel by metal oxidation reaction between the reaction solution and the second fuel electrode;
The fuel cell according to claim 1, wherein the control circuit controls an amount of the first fuel generated by controlling an electric power generated by a metal oxidation reaction between the reaction solution and the second power generation unit.

A fuel cell connected to a power consuming unit that consumes and drives power,
A first power generation unit, a hydrogen generator, and a control circuit;
The first power generation unit includes a first oxidant electrode to which a first oxidant is supplied via a first electrolyte, and a first fuel electrode to which a first fuel is supplied, The first fuel and the first oxidant react with each other in the first power generation unit to generate electric power,
The hydrogen generator includes a reaction solution, a hydrogen generation member , a second oxidant electrode supplied with a second oxidant via a second electrolyte, and a second fuel electrode in contact with the reaction solution. A second power generation unit configured,
The hydrogen generating member is a metal including any one of the group consisting of Fe, Ni, Co, and a noble metal, and is dispersed in the reaction solution,
The reaction solution is a metal hydrogen complex compound,
Electric power is generated by a hydrolysis reaction between the reaction solution and the second power generation unit, and the first fuel is generated by a hydrolysis reaction between the reaction solution and the hydrogen generating member ,
The fuel cell according to claim 1, wherein the control circuit controls the amount of the first fuel generated by controlling electric power generated by a hydrolysis reaction between the reaction solution and the second power generation unit.

A fuel cell connected to a power consuming unit that consumes and drives power,
A first power generation unit, a hydrogen generator, and a control circuit;
The first power generation unit includes a first oxidant electrode to which a first oxidant is supplied via a first electrolyte, and a first fuel electrode to which a first fuel is supplied, The first fuel and the first oxidant react with each other in the first power generation unit to generate electric power,
The hydrogen generator includes a reaction solution, a hydrogen generation member, a second oxidant electrode supplied with a second oxidant via a second electrolyte, and a second fuel electrode in contact with the reaction solution. A second power generation unit configured,
The hydrogen generating member is aluminum and dispersed in the reaction solution;
The reaction solution is an acid or alkaline aqueous solution,
Electric power is generated by a metal oxidation reaction between the reaction solution and the second power generation unit, and the first fuel is generated by a metal oxidation reaction between the reaction solution and the hydrogen generating member,
The fuel cell according to claim 1, wherein the control circuit controls an amount of the first fuel generated by controlling an electric power generated by a metal oxidation reaction between the reaction solution and the second power generation unit.

5. The electric power generated in the hydrogen generator is used in the power consuming unit to which the fuel cell is connected together with the electric power generated in the first power generation unit. 6. A fuel cell according to claim 1.

The hydrogen generator includes a booster circuit that adjusts a voltage generated in the second power generation unit, and the booster circuit generates a voltage generated from the first power generation unit and a second power generation unit. The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the voltage is adjusted to be substantially the same.

The first power generation unit includes an electrode and a heating unit,
6. The fuel cell according to claim 5, wherein electric power generated by the hydrogen generator is supplied to the heating unit to heat the electrode and the first electrolyte.

The said hydrogen generator is provided with a heating part, The electric power produced with the said hydrogen generator is supplied to the said heating part, The said heating part heats the said reaction solution, The any one of Claim 1 to 4 characterized by the above-mentioned. 2. The fuel cell according to item 1.

The hydrogen generator includes a storage container that stores the reaction solution, and a fuel supply path that supplies the reaction solution from the storage container to the second power generation unit, and the reaction to the second power generation unit. 5. The fuel cell according to claim 1, wherein the supply amount of the solution is adjusted by the electric power generated in the second power generation unit.

The supply amount of the reaction solution to the second power generation unit is adjusted by a valve, and the reaction is supplied to the second power generation unit by opening and closing the valve with electric power generated in the second power generation unit. The fuel cell according to claim 9, wherein a supply amount of the solution is variable.

The supply amount of the reaction solution to the second power generation unit is variable by a pump, the pump is operated by the electric power generated in the second power generation unit, and is supplied to the second power generation unit. The fuel cell according to claim 9, wherein a supply amount of the reaction solution is variable.

5. The fuel cell according to claim 1, wherein in the hydrogen generator, a hydrogen generation amount of the second power generation unit is variable in accordance with an instruction from the control circuit.

The second power generation unit includes a heating unit, and electric power generated in the second power generation unit is supplied to the heating unit, and the heating unit heats the second power generation unit to increase a hydrogen generation amount. The fuel cell according to claim 12, wherein

The fuel cell according to claim 7, wherein the heating unit is a thermoelectric converter.