JP5183057B2 - Direct fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、直接型燃料電池の技術に関する。   The present invention relates to a direct fuel cell technology.

燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できる。また、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、21世紀を担うエネルギ供給システムとして期待される。宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。   A fuel cell is a device that generates electrical energy from hydrogen and oxygen, and can achieve high power generation efficiency. The main feature of the fuel cell is direct power generation that does not go through the process of thermal energy or kinetic energy as in the conventional power generation method, and therefore high power generation efficiency can be expected even on a small scale. In addition, there are few emissions of nitrogen compounds, etc., and noise and vibration are also small, so that environmental properties are good. Thus, since the fuel cell can effectively use the chemical energy of the fuel and has environmentally friendly characteristics, it is expected as an energy supply system for the 21st century. It is attracting attention as a promising new power generation system that can be used in various applications, from space use to automobiles and portable devices, from large-scale power generation to small-scale power generation, and technological development is in full swing toward practical application.

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有る。特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)が注目を集めている。DMFCは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものである。この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器(携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、PDA、MP3プレーヤ、デジタルカメラ、電子辞書あるいは電子書籍)などの電源への利用が期待されている。   Among them, the polymer electrolyte fuel cell is characterized by a lower operating temperature and a higher output density than other types of fuel cells. In recent years, a direct methanol fuel cell (DMFC) has attracted attention as an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell. In DMFC, a methanol aqueous solution, which is a fuel, is directly supplied to the anode without modification, and electric power is obtained by an electrochemical reaction between the methanol aqueous solution and oxygen. By this electrochemical reaction, carbon dioxide is discharged from the anode, and generated water is discharged from the cathode as a reaction product. Aqueous methanol solution has higher energy per unit volume than hydrogen, and is suitable for storage and has a low risk of explosion, so it can be used in automobiles and mobile devices (cell phones, notebook personal computers, PDAs, MP3 players, It is expected to be used for power sources such as digital cameras, electronic dictionaries or electronic books.

DMFCでは、長時間の連続運転を可能とするため、高濃度のメタノール燃料が使用される。そのため、アノードにメタノール燃料を供給するための燃料室において、メタノールの蒸気圧は高い状態で保たれる。このメタノール蒸気は、アノードで生成したガスと共に燃料電池の外部に排出される虞があるため、これを防ぐための様々な技術が開発されてきた。
特開2005−11695号公報 特表2004−507047号公報
In DMFC, high-concentration methanol fuel is used to enable continuous operation for a long time. Therefore, the vapor pressure of methanol is kept high in the fuel chamber for supplying methanol fuel to the anode. Since this methanol vapor may be discharged to the outside of the fuel cell together with the gas generated at the anode, various techniques have been developed to prevent this.
JP 2005-11695 A Special table 2004-5007047 gazette

図7は、発電に使用されるメタノール量に対して蒸発により失われるメタノール量の割合を3種類の異なる濃度において計算した結果を示したグラフである。同図から、メタノールの濃度や発電時のメタノールの温度が上昇するにつれて、蒸発により失われるメタノール量の割合が高くなることがわかる。パッシブ型燃料電池では、補機を可及的に省略した小型設計をするため、アノードで生成したガスとメタノール蒸気とを分離し、メタノール蒸気を回収する機構を設けることが困難であり、メタノールを有効に活用することが十分とはいえなかった。   FIG. 7 is a graph showing the results of calculating the ratio of the amount of methanol lost due to evaporation to the amount of methanol used for power generation at three different concentrations. From the figure, it can be seen that as the concentration of methanol and the temperature of methanol during power generation increase, the proportion of methanol lost by evaporation increases. Since the passive fuel cell has a compact design that eliminates auxiliary equipment as much as possible, it is difficult to provide a mechanism for separating the methanol vapor from the gas generated at the anode and recovering the methanol vapor. It was not enough to use it effectively.

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、メタノール燃料が燃料電池の外部に排出されないように有効に利用する技術の提供にある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a technique for effectively using methanol fuel so that it is not discharged outside the fuel cell.

本発明のある態様は、直接型燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードと、を含む発電部と、前記アノードで生成したガスと共に供給される燃料蒸気を液体中に捕捉し、前記ガスに含まれる二酸化炭素を排出する排ガス処理部と、前記排ガス処理部の液体に捕捉された燃料を用いて発電する別の発電部と、を備え、前記発電部と前記別の発
電部とが1つの電解質膜を共用していることを特徴とする。
One embodiment of the present invention is a direct fuel cell. The fuel cell includes a power generation unit including an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane, and a gas generated at the anode An exhaust gas processing unit that captures the supplied fuel vapor in a liquid and discharges carbon dioxide contained in the gas, and another power generation unit that generates power using the fuel captured in the liquid of the exhaust gas processing unit, The power generation unit
And collecting unit is characterized that you have to share a single membrane.

この態様の直接型他燃料電池によれば、燃料電池の外部に排出されていたメタノール燃料を有効に利用しやすくなる。   According to the direct type other fuel cell of this aspect, it becomes easy to effectively use the methanol fuel discharged to the outside of the fuel cell.

この態様の直接型燃料電池によれば、排ガス処理部の液体に捕捉された燃料を発電に使用できるため、燃料をより有効に利用しやすくなり、燃料電池全体の燃費が向上しやすくなる。   According to the direct type fuel cell of this aspect, since the fuel trapped in the liquid in the exhaust gas treatment unit can be used for power generation, it becomes easier to use the fuel more effectively, and the fuel consumption of the entire fuel cell is easily improved.

上記態様の直接型燃料電池において、カソードで生成した水を排ガス処理部の液体に供給する生成水供給手段を更に備えていてもよい。   The direct fuel cell of the above aspect may further include generated water supply means for supplying water generated at the cathode to the liquid in the exhaust gas treatment unit.

この態様の直接型燃料電池によれば、ユーザは自ら排ガス処理部の液体に水を供給する手間から解放されやすくなる。また、カソードで生成した水の処理が解決されやすくなる。   According to the direct fuel cell of this aspect, the user can be easily released from the trouble of supplying water to the liquid in the exhaust gas treatment unit. In addition, the treatment of water generated at the cathode is easily solved.

上記態様の直接型燃料電池において、発電部と別の発電部とが、電気的に並列に接続されていてもよい。   In the direct fuel cell of the above aspect, the power generation unit and another power generation unit may be electrically connected in parallel.

この態様の直接型燃料電池によれば、より安定的に電力を供給しやすくなる。   According to the direct fuel cell of this aspect, it becomes easier to supply power more stably.

上記態様の直接型燃料電池によれば、発電部に用いられる燃料を保持する燃料保持部を更に備え、燃料保持部には、燃料蒸気とアノードで生成したガスを排ガス処理部に送るための流路が形成されていてもよい。   According to the direct fuel cell of the above aspect, the fuel holding unit that holds the fuel used in the power generation unit is further provided, and the fuel holding unit has a flow for sending the fuel vapor and the gas generated at the anode to the exhaust gas processing unit. A path may be formed.

この態様の直接型燃料電池によれば、流路に溜まった燃料蒸気およびアノードで生成したガスは、より円滑に排ガス処理部に送られやすくなる。   According to the direct fuel cell of this aspect, the fuel vapor accumulated in the flow path and the gas generated at the anode are more easily sent to the exhaust gas treatment unit.

本発明によれば、燃料電池の内部で発生するメタノール蒸気を捕捉することにより、メタノール燃料を有効に利用しやすくする。   According to the present invention, methanol fuel generated inside a fuel cell is captured to facilitate effective use of methanol fuel.

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本実施形態に係る燃料電池の模式図である。以下、図1において本実施形態に係る燃料電池の概要について説明する。
燃料電池10は、燃料電池主部20と燃料電池副部30を備える。燃料電池主部20は、カソード22、電解質膜12、アノード24および燃料室26を備える。燃料電池副部30は、カソード32、電解質膜12、アノード34および排ガス処理部36を備える。よって、燃料電池主部20のみならず、燃料電池副部30も発電部としての機能を有する。なお、燃料電池主部20と燃料電池副部30は、1つの電解質膜12を共用している。
FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell according to the present embodiment. Hereinafter, the outline of the fuel cell according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
The fuel cell 10 includes a fuel cell main part 20 and a fuel cell sub part 30. The fuel cell main unit 20 includes a cathode 22, an electrolyte membrane 12, an anode 24, and a fuel chamber 26. The fuel cell sub-part 30 includes a cathode 32, an electrolyte membrane 12, an anode 34, and an exhaust gas treatment part 36. Therefore, not only the fuel cell main part 20 but also the fuel cell auxiliary part 30 has a function as a power generation part. The fuel cell main part 20 and the fuel cell sub part 30 share one electrolyte membrane 12.

燃料室26には、メタノール水溶液あるいは純メタノール(以下、「メタノール燃料」と記載する)が充填されている。一方、燃料電池副部30の排ガス処理部36には、水が充填されている。燃料電池主部20のカソード22と、燃料電池副部30のカソード32とは、配線16で接続されている。燃料電池主部20と燃料電池副部30のそれぞれのアノードも、同様に配線17で接続されている。つまり、燃料電池主部20の電極と燃料電池副部30の電極は、電気的に並列に接続されている。電気的に並列に接続されることで、燃料電池主部20のみならず燃料電池副部30でも発電する場合で、燃料電池10は、より安定的に電力を供給できる。   The fuel chamber 26 is filled with an aqueous methanol solution or pure methanol (hereinafter referred to as “methanol fuel”). On the other hand, the exhaust gas treatment part 36 of the fuel cell sub part 30 is filled with water. The cathode 22 of the fuel cell main part 20 and the cathode 32 of the fuel cell sub part 30 are connected by a wiring 16. Similarly, the anodes of the fuel cell main part 20 and the fuel cell sub part 30 are also connected by the wiring 17. That is, the electrode of the fuel cell main part 20 and the electrode of the fuel cell sub part 30 are electrically connected in parallel. By being electrically connected in parallel, the fuel cell 10 can supply power more stably when generating power not only in the fuel cell main portion 20 but also in the fuel cell sub-portion 30.

燃料室26と排ガス処理部36とは、排ガス連絡路18で繋がれている。発電により、燃料電池主部20のアノード24で生成した炭酸ガスは、排ガス連絡路18を通って、排ガス処理部36に送られる。燃料電池を長時間使用できるように、燃料室26に充填されるメタノール燃料のメタノール濃度は高濃度である。高濃度メタノールの蒸気圧による影響を受け、燃料室26内において液体で満たされていない空間には、常にメタノール蒸気が存在している。このメタノール蒸気は、アノード24で生成した炭酸ガスと共に排ガス処理部36に送られる。   The fuel chamber 26 and the exhaust gas treatment unit 36 are connected by an exhaust gas communication path 18. The carbon dioxide gas generated at the anode 24 of the fuel cell main unit 20 by power generation is sent to the exhaust gas processing unit 36 through the exhaust gas communication path 18. The methanol concentration of the methanol fuel filled in the fuel chamber 26 is high so that the fuel cell can be used for a long time. Methanol vapor always exists in a space that is affected by the vapor pressure of high-concentration methanol and is not filled with liquid in the fuel chamber 26. This methanol vapor is sent to the exhaust gas treatment unit 36 together with the carbon dioxide gas generated at the anode 24.

炭酸ガスと共に排ガス処理部36に送られたメタノール蒸気は、排ガス処理部36に充填されている水に溶解する。排ガス処理部36内の水溶液のメタノール濃度が、燃料室26のメタノール燃料より低い場合、排ガス処理部36内のメタノールの蒸気圧は、燃料室26内よりも低くなる。よって、排ガス処理部36に移動したメタノール蒸気は、凝縮し液体となった後、排ガス処理部36内の水に溶解する。また、メタノール蒸気が排ガス処理部36内の水に取り込まれて溶解する場合もある。   The methanol vapor sent to the exhaust gas treatment unit 36 together with the carbon dioxide gas is dissolved in water filled in the exhaust gas treatment unit 36. When the methanol concentration of the aqueous solution in the exhaust gas treatment unit 36 is lower than the methanol fuel in the fuel chamber 26, the vapor pressure of methanol in the exhaust gas treatment unit 36 is lower than in the fuel chamber 26. Therefore, the methanol vapor that has moved to the exhaust gas treatment unit 36 is condensed into a liquid and then dissolved in the water in the exhaust gas treatment unit 36. In some cases, methanol vapor is taken in and dissolved in the water in the exhaust gas treatment unit 36.

排ガス処理部36内の水に溶解したメタノールは、燃料電池副部30によって発電のために使用される。従来、アノード24で生成した炭酸ガスと共に外部へ排出していたメタノール蒸気を捕捉し、発電のために消費することで、メタノール燃料をより有効に利用でき、燃料電池10全体の燃費が向上する。一方、排ガス処理部36に送られた炭酸ガスは、燃料電池10の外部に排出される。   Methanol dissolved in water in the exhaust gas treatment unit 36 is used by the fuel cell sub-unit 30 for power generation. Conventionally, by capturing methanol vapor discharged to the outside together with the carbon dioxide gas generated at the anode 24 and consuming it for power generation, the methanol fuel can be used more effectively, and the fuel consumption of the entire fuel cell 10 is improved. On the other hand, the carbon dioxide gas sent to the exhaust gas treatment unit 36 is discharged to the outside of the fuel cell 10.

燃料電池主部20のカソード22と排ガス処理部36は、生成水搬送材14によって繋がれている。生成水搬送材14は、毛細管現象により水を吸収する素材で構成される。生成水搬送材14により、発電によってカソード22で生成した水が吸収され、排ガス処理部36に吸収した水が供給される。   The cathode 22 of the fuel cell main unit 20 and the exhaust gas treatment unit 36 are connected by the generated water carrier 14. The generated water carrier 14 is made of a material that absorbs water by capillary action. The generated water carrier 14 absorbs water generated at the cathode 22 by power generation, and supplies the absorbed water to the exhaust gas treatment unit 36.

図2は、本実施形態に係る燃料電池の斜視図である。図3は、図2の燃料電池の分解斜視図である。図4は、図2のA−A’線上の断面図である。図5は、図2のB−B’線上の断面図である。以下、燃料電池主部の断面である図4を中心に説明する。
燃料電池10は、平面上に配置された複数のセル11を備える。各セル11は、アノード24とカソード22とに挟持された電解質膜12からなる膜電極接合体を備える。アノード24には、メタノール燃料が供給される。カソード22には、空気が供給される。燃料電池10は、メタノール燃料中のメタノールと空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
FIG. 2 is a perspective view of the fuel cell according to the present embodiment. FIG. 3 is an exploded perspective view of the fuel cell of FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. Hereinafter, description will be made mainly with reference to FIG. 4 which is a cross section of the main part of the fuel cell.
The fuel cell 10 includes a plurality of cells 11 arranged on a plane. Each cell 11 includes a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane 12 sandwiched between an anode 24 and a cathode 22. Methanol fuel is supplied to the anode 24. Air is supplied to the cathode 22. The fuel cell 10 generates power by an electrochemical reaction between methanol in methanol fuel and oxygen in air.

電解質膜12は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード24とカソード22との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜12は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)112などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどがあげられる。   The electrolyte membrane 12 preferably exhibits good ion conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the anode 24 and the cathode 22. The electrolyte membrane 12 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer, and for example, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a perfluorocarbon polymer having a phosphonic acid group or a carboxylic acid group. Etc. can be used. Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark) 112. Examples of non-fluorine polymers include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone.

アノード24の一方の面に電解質膜12が接合し、アノード24の他方の面に集電体56が接触している。集電体56の母材に要求される特性としては、導電性、剛性が挙げられる。集電体56の母材は、金、白金などの耐腐食性を有する金属で被覆されていることが望ましい。集電体56には、面方向に対して垂直方向に複数の細孔が設けられている。集電体56に設けられた細孔を通って、アノード24にメタノール燃料が供給される。なお、図3に示される膜電極接合体50は、電解質膜にアノードとカソードが接合され、更にその外側に集電体が接触している状態を示している。   The electrolyte membrane 12 is bonded to one surface of the anode 24, and the current collector 56 is in contact with the other surface of the anode 24. The characteristics required for the base material of the current collector 56 include conductivity and rigidity. The base material of the current collector 56 is preferably covered with a metal having corrosion resistance such as gold or platinum. The current collector 56 is provided with a plurality of pores in a direction perpendicular to the surface direction. Methanol fuel is supplied to the anode 24 through the pores provided in the current collector 56. 3 shows a state in which the anode and the cathode are joined to the electrolyte membrane, and the current collector is in contact with the outside thereof.

図4に戻り、アノード24側の電解質膜12の周縁部には、シール材42が設けられている。セル11とセル11の間には、間隙33が設けられ、隣り合うセル同士が電気的に絶縁される。シール材42と集電体56を電解質膜12方向に対して押さえ付けるために、アノード側集電体支持部48が設けられている。アノード側集電体支持部48の集電体56と接触する面には、開口47が設けられている。開口47を通して取り込まれたメタノール燃料は、集電体56の細孔を通過し、アノード24に供給される。メタノール燃料がアノード24に円滑に供給されるように、隣り合う開口47と開口47の間の梁51が、間隙33と対応する位置に設けられ、アノード24の表面が広く開放されている。   Returning to FIG. 4, a sealing material 42 is provided on the periphery of the electrolyte membrane 12 on the anode 24 side. A gap 33 is provided between the cells 11 and the adjacent cells are electrically insulated from each other. In order to press the sealing material 42 and the current collector 56 against the electrolyte membrane 12, an anode-side current collector support portion 48 is provided. An opening 47 is provided on the surface of the anode-side current collector support 48 that contacts the current collector 56. The methanol fuel taken in through the opening 47 passes through the pores of the current collector 56 and is supplied to the anode 24. A beam 51 between the adjacent openings 47 and the openings 47 is provided at a position corresponding to the gap 33 so that the methanol fuel is smoothly supplied to the anode 24, and the surface of the anode 24 is widely opened.

なお、図3に示されるように、アノード側集電体支持部48の膜電極接合体50方向に対して垂直な面には、梁51と交差してより細い梁が設けられている。より細い梁を設けることで、アノード24へのメタノール燃料の供給を妨げることなく、集電体56をより均一に押さえ付けることができる。   As shown in FIG. 3, a narrower beam that intersects the beam 51 is provided on the surface of the anode-side current collector support portion 48 that is perpendicular to the direction of the membrane electrode assembly 50. By providing a thinner beam, the current collector 56 can be pressed more uniformly without hindering the supply of methanol fuel to the anode 24.

図4に戻り、アノード側集電体支持部48は、メタノール燃料を貯蔵する燃料室26を形成するため、アノード24とは反対側において、シール材43と蓋40によって密閉される。この燃料室26には、燃料保持部46が充填される。燃料電池の向きにかかわらず発電ができるように、燃料保持部46は、メタノール燃料を吸収して湿潤し、アノード24が常にメタノール燃料に触れるようにしている。燃料保持部46は、アノード側集電体支持部48に設けられている開口47に適合し、アノード24に接触するように形成されている。   Returning to FIG. 4, the anode-side current collector support portion 48 is sealed by the sealing material 43 and the lid 40 on the side opposite to the anode 24 in order to form the fuel chamber 26 for storing methanol fuel. The fuel chamber 26 is filled with a fuel holding portion 46. The fuel holding unit 46 absorbs and wets the methanol fuel so that the anode 24 is always in contact with the methanol fuel so that power can be generated regardless of the direction of the fuel cell. The fuel holding part 46 is adapted to the opening 47 provided in the anode-side current collector support part 48 and is formed so as to contact the anode 24.

燃料保持部46を構成する材料としては、フェルト、スポンジ、樹脂粒子焼結体、樹脂繊維焼結体、天然繊維および樹脂繊維束体などが好適である。更に、燃料保持部46には、メタノール燃料を十分に吸収させるための数十μm以下の孔と、アノード24から生成する炭酸ガスを通すための0.1mm〜1mmオーダの孔が複数形成されていることが望ましい。   As a material constituting the fuel holding portion 46, felt, sponge, resin particle sintered body, resin fiber sintered body, natural fiber, resin fiber bundle, and the like are suitable. Further, the fuel holding portion 46 is formed with a plurality of holes of several tens of μm or less for sufficiently absorbing methanol fuel and a plurality of holes of the order of 0.1 mm to 1 mm for allowing carbon dioxide gas generated from the anode 24 to pass through. It is desirable.

燃料保持部46の集電体56と接触する面には、流路62が設けられることが望ましい。流路62は、燃料保持部46の集電体56と接触する面に凹形状の溝として設けられるため、発電によりアノード24で生成した炭酸ガスは、流路62に溜まることになる。   It is desirable that a flow path 62 be provided on the surface of the fuel holding unit 46 that contacts the current collector 56. Since the flow path 62 is provided as a concave groove on the surface of the fuel holding portion 46 that contacts the current collector 56, the carbon dioxide gas generated in the anode 24 by power generation is accumulated in the flow path 62.

アノード側集電体支持部48の燃料タンク28側の側面には、燃料受入口49が設けられている(図3参照)。燃料タンク28には、燃料受入口49の径と適合する凸形状の燃料供給口38が設けられている。燃料保持部46は、燃料供給口38から供給されるメタノール燃料を毛細管現象により吸収し、接触するアノード24へとメタノール燃料を供給する。なお、燃料受入口49には、燃料タンク28の燃料供給口38を外しても燃料保持部46に保持されるメタノール燃料が外部に流出しないように、逆止弁が設けられている。   A fuel receiving port 49 is provided on the side of the anode current collector support 48 on the fuel tank 28 side (see FIG. 3). The fuel tank 28 is provided with a convex fuel supply port 38 that matches the diameter of the fuel receiving port 49. The fuel holding unit 46 absorbs methanol fuel supplied from the fuel supply port 38 by capillary action and supplies the methanol fuel to the anode 24 in contact therewith. The fuel receiving port 49 is provided with a check valve so that even if the fuel supply port 38 of the fuel tank 28 is removed, the methanol fuel held in the fuel holding portion 46 does not flow outside.

カソード22の一方の面には電解質膜12が接合し、カソード22の他方の面に集電体57が接触している。集電体57の構成は集電体56と同様である。集電体57を電解質膜12方向に対して押さえ付けるために、カソード側集電体支持部54が設けられている。カソード側集電体支持部54の集電体57と接触する面には空気を取り込むための空気取り込み口58が設けられている。空気取り込み口58から流入した空気は、カソード22に供給される。カソード22に対して空気が円滑に供給されるように、隣り合う空気取り込み口58と空気取り込み口58の間の梁59が、セル11とセル11の間に位置するように設けられ、カソード22の表面が広く開放されている。   The electrolyte membrane 12 is bonded to one surface of the cathode 22, and the current collector 57 is in contact with the other surface of the cathode 22. The configuration of the current collector 57 is the same as that of the current collector 56. In order to press the current collector 57 against the electrolyte membrane 12, a cathode-side current collector support portion 54 is provided. An air intake port 58 for taking in air is provided on the surface of the cathode-side current collector support portion 54 that comes into contact with the current collector 57. The air flowing in from the air intake port 58 is supplied to the cathode 22. In order to smoothly supply air to the cathode 22, a beam 59 between the adjacent air intake ports 58 and the air intake ports 58 is provided so as to be positioned between the cells 11 and 11. The surface of is widely open.

カソード22側では、セル11とセル11の間に生成水搬送材52が設けられている。発電によって、カソード22で生成した水は、セルの周囲に位置する生成水搬送材52に吸収される。生成水搬送材52を構成する材料としては、燃料保持部46について例示した材料を用いることができる。   On the cathode 22 side, a generated water carrier 52 is provided between the cells 11. The water generated at the cathode 22 by power generation is absorbed by the generated water carrier 52 located around the cell. As a material constituting the generated water carrier 52, the material exemplified for the fuel holding unit 46 can be used.

次は、図5を中心に燃料電池主部と排ガス処理部との関係を説明する。
燃料電池主部20は、燃料電池副部30と共用する電解質膜12を備え、アノード24側には、アノード24、集電体56、シール材42、アノード側集電体支持部48、シール材43、蓋40および燃料保持部46を備え、カソード22側には、カソード22、集電体57、生成水搬送材52およびカソード側集電体支持部54を備える。それぞれの部材については上述した通りである。なお、図3から明白であるが、燃料電池主部20と燃料電池副部30は、電解質膜12以外にも、シール材43、アノード側集電体支持部48、シール材42、生成水搬送材52およびカソード側集電体支持部54を共用している。
Next, the relationship between the fuel cell main part and the exhaust gas treatment part will be described with reference to FIG.
The fuel cell main part 20 includes an electrolyte membrane 12 shared with the fuel cell sub-part 30. On the anode 24 side, the anode 24, the current collector 56, the seal material 42, the anode side current collector support part 48, and the seal material. 43, a lid 40 and a fuel holding part 46, and on the cathode 22 side, a cathode 22, a current collector 57, a generated water carrier 52 and a cathode side current collector support part 54 are provided. Each member is as described above. As is apparent from FIG. 3, the fuel cell main part 20 and the fuel cell sub-part 30 include the sealing material 43, the anode-side current collector support part 48, the sealing material 42, and the generated water transport in addition to the electrolyte membrane 12 The material 52 and the cathode current collector support 54 are shared.

燃料電池副部30においても、平面上に配置された複数のセル13が設けられている。セル13は、アノード34とカソード32とに挟持された電解質膜12からなる膜電極接合体を備える。燃料電池主部20と同様に、アノード34には集電体66が、カソード32には集電体67が接触している。なお、図3の膜電極接合体50に示されるように、セル13は、燃料電池主部20のセル11と1対1に対応してセル11と同数設けられている。   The fuel cell sub-part 30 is also provided with a plurality of cells 13 arranged on a plane. The cell 13 includes a membrane electrode assembly including the electrolyte membrane 12 sandwiched between the anode 34 and the cathode 32. Similar to the fuel cell main unit 20, the current collector 66 is in contact with the anode 34, and the current collector 67 is in contact with the cathode 32. As shown in the membrane electrode assembly 50 of FIG. 3, the same number of cells 13 as the cells 11 are provided in one-to-one correspondence with the cells 11 of the fuel cell main part 20.

図5に戻り、アノード側は、アノード側集電体支持部48、シール材43および蓋40によって形成された空間が、アノード側集電体支持部48の隔壁60によって2つに分割されている。燃料電池主部20側には燃料室26が、燃料電池副部30には排ガス処理部36が設けられている。排ガス処理部36には、保水材44が充填されている。保水材44を構成する材料としては、燃料保持部46について例示した材料を用いることができる。保水材44は、アノード側集電体支持部48の集電体67に接する面に設けられた開口に適合し、アノード34に接触するように形成されている。   Returning to FIG. 5, on the anode side, the space formed by the anode-side current collector support portion 48, the sealing material 43 and the lid 40 is divided into two by the partition wall 60 of the anode-side current collector support portion 48. . A fuel chamber 26 is provided on the fuel cell main part 20 side, and an exhaust gas treatment part 36 is provided on the fuel cell sub part 30. The exhaust gas treatment unit 36 is filled with a water retention material 44. As a material constituting the water retaining material 44, the material exemplified for the fuel retaining portion 46 can be used. The water retaining material 44 is formed so as to conform to an opening provided on a surface of the anode-side current collector support 48 that contacts the current collector 67 and to contact the anode 34.

燃料電池主部20の発電により、アノード24で生成した炭酸ガスは、燃料保持部46の集電体56に接する面に設けられた流路62に溜まる。流路62は、燃料電池の短手方向に隔壁60からアノード側集電体支持部48の側面まで、燃料保持部46の集電体56に接する面に凹形状の溝として設けられている。   The carbon dioxide gas generated at the anode 24 by the power generation of the fuel cell main unit 20 is accumulated in the flow path 62 provided on the surface of the fuel holding unit 46 that is in contact with the current collector 56. The flow path 62 is provided as a concave groove on the surface in contact with the current collector 56 of the fuel holding portion 46 from the partition wall 60 to the side surface of the anode current collector support portion 48 in the short direction of the fuel cell.

燃料電池を長時間使用できるように、燃料保持部46に保持されているメタノール燃料のメタノール濃度は高濃度である。そのため、高濃度メタノールの蒸気圧による影響を受け、流路62によって形成される空間には、生成した炭酸ガス以外にメタノール蒸気が存在する。隔壁60には、流路62と連通する排ガス連絡路18が設けられている。発電により生成される炭酸ガスによって、流路62内の気圧が排ガス処理部36の気圧よりも高くなると、流路62に溜まった炭酸ガスおよびメタノール蒸気は、排ガス連絡路18を通って排ガス処理部36の保水材44に流れ込む。   The methanol concentration of the methanol fuel held in the fuel holding unit 46 is high so that the fuel cell can be used for a long time. Therefore, under the influence of the vapor pressure of high-concentration methanol, methanol vapor exists in the space formed by the flow path 62 in addition to the generated carbon dioxide gas. The partition wall 60 is provided with an exhaust gas communication path 18 that communicates with the flow path 62. When the atmospheric pressure in the flow path 62 becomes higher than the atmospheric pressure of the exhaust gas processing unit 36 due to the carbon dioxide gas generated by the power generation, the carbon dioxide gas and methanol vapor accumulated in the flow path 62 pass through the exhaust gas communication path 18 and the exhaust gas processing unit. It flows into 36 water-retaining materials 44.

なお、流路62は、集電体56の面の垂直方向に対して、より細い梁53の高さよりも深い溝として設けられているため、流路62に溜まった炭酸ガスおよびメタノール蒸気は、より細い梁53を越えて移動できる。よって、流路62に溜まった炭酸ガスおよびメタノール蒸気は、より円滑に排ガス処理部36に流れ込むことができる。   In addition, since the flow path 62 is provided as a groove deeper than the height of the narrower beam 53 in the direction perpendicular to the surface of the current collector 56, the carbon dioxide gas and methanol vapor accumulated in the flow path 62 are It can move over the thinner beam 53. Therefore, the carbon dioxide gas and methanol vapor collected in the flow path 62 can flow into the exhaust gas processing unit 36 more smoothly.

排ガス処理部36に流れ込んだメタノール蒸気は、メタノールの蒸気圧の低下によって凝縮し液体となった後に保水材44に保持されている水に溶解する。もしくは、メタノール蒸気は、保水材44に保持されている水に取り込まれ溶解する。なお、炭酸ガスおよびメタノール蒸気のみが保水材44に流れ込み、燃料保持部46に含まれるメタノール燃料が流れ込まないように、排ガス連絡路18には気液分離膜を設けるのが望ましい。   The methanol vapor that has flowed into the exhaust gas treatment unit 36 is condensed by a decrease in the vapor pressure of methanol to become a liquid, and then dissolved in the water retained in the water retention material 44. Alternatively, the methanol vapor is taken in and dissolved in the water retained in the water retention material 44. It is desirable to provide a gas-liquid separation membrane in the exhaust gas communication path 18 so that only carbon dioxide gas and methanol vapor flow into the water retaining material 44 and methanol fuel contained in the fuel holding portion 46 does not flow.

燃料電池副部30において、隔壁60と平行方向のアノード側集電体支持部48の側面には、排出口68が設けられている。メタノール蒸気と共に排ガス処理部36に流れ込んだ炭酸ガスは、ここから燃料電池の外部に排出される。   In the fuel cell sub-part 30, a discharge port 68 is provided on the side surface of the anode-side current collector support part 48 in the direction parallel to the partition wall 60. The carbon dioxide gas that has flowed into the exhaust gas treatment unit 36 together with the methanol vapor is discharged from the fuel cell to the outside.

保水材44は、アノード側集電体支持部48の集電体66と接触する面に設けられている開口を通して、アノード34と接触している。保水材44に保持されている水に溶解したメタノールは、アノード34に供給され、燃料電池副部30の発電に使用される。   The water retaining material 44 is in contact with the anode 34 through an opening provided on a surface of the anode-side current collector support 48 that contacts the current collector 66. Methanol dissolved in water held in the water retaining material 44 is supplied to the anode 34 and used for power generation of the fuel cell sub-part 30.

メタノールの蒸気を発電により生成した炭酸ガスと共に燃料電池の外部に排出するのは好ましくない。燃料電池副部30は、メタノール蒸気を排ガス処理部36で捕捉し、その問題を解決する。また、捕捉されたメタノール蒸気は燃料電池副部30により発電に使用されるため、メタノール燃料をより有効に利用でき、燃料電池全体の燃費が向上する。   It is not preferable to discharge methanol vapor to the outside of the fuel cell together with carbon dioxide generated by power generation. The fuel cell sub-part 30 captures methanol vapor by the exhaust gas treatment part 36 and solves the problem. Further, since the captured methanol vapor is used for power generation by the fuel cell sub-part 30, the methanol fuel can be used more effectively, and the fuel efficiency of the entire fuel cell is improved.

なお、燃料電池副部30の発電は、保水材44に保持されている水に溶解したメタノール濃度によって電流密度が増減する。このような状況において、アノード34を構成する材料にPtRuを用いると、Ruが溶出し、アノード34が劣化しやすくなる。劣化を防ぐためには、アノード34で使用するPtRuの粒子径を大きくすることが好適である。   In the power generation of the fuel cell sub-part 30, the current density increases or decreases depending on the concentration of methanol dissolved in the water retained in the water retention material 44. In such a situation, when PtRu is used as a material constituting the anode 34, Ru is eluted and the anode 34 is likely to deteriorate. In order to prevent deterioration, it is preferable to increase the particle diameter of PtRu used in the anode 34.

また、保水材44は、アノード側集電体支持部48の集電体66と接触する面に設けられている開口を通して生成水搬送材52とも接触している。生成水搬送材52は、カソード側のセルとセルの間に位置し、発電によりカソードで生成した水を吸収する。吸収された水は、生成水搬送材52と保水材44と接触する箇所を通して、保水材44に供給される。なお、保水材44に含まれている水に溶解したメタノールは、発電により順次消費されるため、保水材44から生成水搬送材52へとメタノールが流出することはない。   Further, the water retaining material 44 is also in contact with the generated water carrying material 52 through an opening provided on the surface of the anode current collector support 48 that contacts the current collector 66. The generated water carrier 52 is located between the cells on the cathode side and absorbs water generated at the cathode by power generation. The absorbed water is supplied to the water retention material 44 through a location where the generated water carrier 52 and the water retention material 44 come into contact. Note that the methanol dissolved in the water contained in the water retaining material 44 is sequentially consumed by the power generation, so that the methanol does not flow out from the water retaining material 44 to the generated water carrying material 52.

燃料電池の発電によって生成した水は、排ガス処理部36の保水材44へと供給されるため、ユーザは自ら保水材44へ水を供給する手間から解放される。また、機器の内部で使用されることが多い燃料電池では、カソード22で生成した水の処理が問題となるが、この問題も解決される。   Since the water generated by the power generation of the fuel cell is supplied to the water retention material 44 of the exhaust gas treatment unit 36, the user is freed from the trouble of supplying water to the water retention material 44 himself. In addition, in a fuel cell that is often used inside a device, treatment of water generated at the cathode 22 becomes a problem, but this problem is also solved.

図6は、本実施形態に係る燃料電池のそれぞれのセル間の配線を示した模式図である。
燃料電池主部20の1つのセルに対して、燃料電池副部30の1つのセルが対応して設けられている。燃料電池主部20のアノードと対応する燃料電池副部30のアノードが接続され、燃料電池主部20のカソードと対応する燃料電池副部30のカソードが接続される。よって、双方のセルは電気的に並列に接続される。電気的に並列に接続されることで、燃料電池主部20のみならず燃料電池副部30でも発電する場合、燃料電池は、より安定的に電力を供給できる。
FIG. 6 is a schematic diagram showing wiring between cells of the fuel cell according to the present embodiment.
One cell of the fuel cell sub-part 30 is provided corresponding to one cell of the fuel cell main part 20. The anode of the fuel cell main part 20 and the anode of the corresponding fuel cell sub part 30 are connected, and the cathode of the fuel cell main part 20 and the cathode of the corresponding fuel cell sub part 30 are connected. Thus, both cells are electrically connected in parallel. By being electrically connected in parallel, when power is generated not only by the fuel cell main part 20 but also by the fuel cell auxiliary part 30, the fuel cell can supply power more stably.

本実施形態に係る燃料電池では、並列に接続された1組の燃料電池主部20のセルと燃料電池副部30のセルが複数設けられている。複数組のセルは、電気的に直列に接続されている。複数組のセルを直列に接続することで、燃料電池は必要な電力を外部に供給できる。   In the fuel cell according to the present embodiment, a plurality of cells of the fuel cell main part 20 and the fuel cell sub part 30 connected in parallel are provided. The plurality of sets of cells are electrically connected in series. By connecting a plurality of sets of cells in series, the fuel cell can supply necessary power to the outside.

具体的には、燃料電池に接続される機器のマイナス極と、燃料電池主部20の第1のセルのアノード24aとが、インターコネクタ64aにより接続される。燃料電池主部20の第1のセルのカソード22aと、燃料電池主部20の第2のセルのアノード24bとがインターコネクタ64bにより接続される。同様に、燃料電池主部20の第2のセルのカソード22bと、燃料電池主部20の第3のセルのアノード24cとが、燃料電池主部20の第3のセルのカソード22cと、燃料電池主部20の第4のセルのアノード24dとが、燃料電池主部20の第4のセルのカソード22dと、燃料電池主部20の第5のセルのアノード24eとが、燃料電池主部20の第5のセルのカソード22eと、燃料電池主部20の第6のセルのアノード24fとが、インターコネクタにより接続される。燃料電池主部20の第6のセルのカソード22fは、燃料電池に接続される機器のプラス極とインターコネクタ64cにより接続される。   Specifically, the negative electrode of the device connected to the fuel cell and the anode 24a of the first cell of the fuel cell main part 20 are connected by the interconnector 64a. The cathode 22a of the first cell of the fuel cell main part 20 and the anode 24b of the second cell of the fuel cell main part 20 are connected by an interconnector 64b. Similarly, the cathode 22b of the second cell of the fuel cell main part 20 and the anode 24c of the third cell of the fuel cell main part 20 are connected to the cathode 22c of the third cell of the fuel cell main part 20 and the fuel. The anode 24d of the fourth cell of the battery main part 20 is the cathode 22d of the fourth cell of the fuel cell main part 20, and the anode 24e of the fifth cell of the fuel cell main part 20 is the fuel cell main part. The cathode 22e of the 20th fifth cell and the anode 24f of the sixth cell of the fuel cell main part 20 are connected by an interconnector. The cathode 22f of the sixth cell of the fuel cell main part 20 is connected to the positive electrode of the device connected to the fuel cell by the interconnector 64c.

なお、上述した実施形態では、燃料電池副部30のセルは、燃料電池主部20のセルと同数設けられているが、燃料電池副部30のセルと燃料電池主部20セルが同数である必要はない。例えば、燃料電池主部20の複数のセルに対して、燃料電池副部30の1つのセルを設けてもよい。この場合、燃料電池副部30の1つのセルは、燃料電池主部20の複数のセルのうちのいずれかのセルと電気的に並列に接続されることになる。   In the above-described embodiment, the same number of cells of the fuel cell sub-part 30 are provided as the number of cells of the fuel cell main part 20, but the same number of cells of the fuel cell sub-part 30 and 20 cells of the fuel cell main part are provided. There is no need. For example, one cell of the fuel cell sub-part 30 may be provided for a plurality of cells of the fuel cell main part 20. In this case, one cell of the fuel cell sub-part 30 is electrically connected in parallel with any one of the plurality of cells of the fuel cell main part 20.

また、上述した実施形態では、燃料電池主部20の1つのセルに対して、燃料電池副部30の1つのセルが設けられているが、燃料電池主部20の1つのセルに対して、燃料電池副部30のセルが複数設けられていてもよい。この場合も、複数設けられた燃料電池副部30のセルはいずれも燃料電池主部20の1つのセルに対して、電気的に並列に接続されることになる。   Further, in the embodiment described above, one cell of the fuel cell sub-part 30 is provided for one cell of the fuel cell main part 20, but for one cell of the fuel cell main part 20, A plurality of cells of the fuel cell sub-part 30 may be provided. Also in this case, all the cells of the fuel cell sub-part 30 provided are electrically connected to one cell of the fuel cell main part 20 in parallel.

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The form can also be included in the scope of the present invention.

本実施形態に係る燃料電池の模式図である。It is a schematic diagram of the fuel cell concerning this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池の斜視図である。It is a perspective view of the fuel cell concerning this embodiment. 図2の燃料電池の分解斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view of the fuel cell of FIG. 2. 図2のA−A’線上の断面図である。It is sectional drawing on the A-A 'line of FIG. 図2のB−B’線上の断面図である。It is sectional drawing on the B-B 'line of FIG. 本実施形態に係る燃料電池のそれぞれのセル間の配線を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the wiring between each cell of the fuel cell which concerns on this embodiment. 発電に使用されるメタノール量に対して蒸発により失われるメタノール量の割合を3種類の異なる濃度において計算した結果を示したグラフである。It is the graph which showed the result of having calculated the ratio of the amount of methanol lost by evaporation with respect to the amount of methanol used for electric power generation in three different density | concentrations.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池、 11 セル、 12 電解質膜、 13 セル、 14 生成水搬送材、 16 配線、 17 配線、 18 排ガス連絡路、 20 燃料電池主部、 22 カソード、 24 アノード、 26 燃料室、 28 燃料タンク、 30 燃料電池副部、 32 カソード、 33 間隙、 34 アノード、 36 排ガス処理部、 38 燃料供給口、 40 蓋、 42 シール材、 43 シール材、 44 保水材、 45 気液分離膜、 46 燃料保持部、 47 開口、 48 アノード側集電体支持部、 49 燃料受入口、 50 膜電極接合体、 51 梁、 52 生成水搬送材、 53 梁、 54 カソード側集電体支持部、 56 集電体、 57 集電体、 58 空気取り込み口、 59 梁、 60 隔壁、 62 流路、 64 インターコネクタ、 66 集電体、 67 集電体、 68 排出口。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell, 11 cell, 12 Electrolyte membrane, 13 cell, 14 Product water conveyance material, 16 wiring, 17 wiring, 18 Exhaust gas communication path, 20 Fuel cell main part, 22 Cathode, 24 Anode, 26 Fuel chamber, 28 Fuel tank , 30 Fuel cell sub-portion, 32 Cathode, 33 Gap, 34 Anode, 36 Exhaust gas treatment unit, 38 Fuel supply port, 40 Lid, 42 Sealing material, 43 Sealing material, 44 Water retention material, 45 Gas-liquid separation membrane, 46 Fuel holding Part, 47 opening, 48 anode side current collector support part, 49 fuel receiving port, 50 membrane electrode assembly, 51 beam, 52 generated water carrier, 53 beam, 54 cathode side current collector support part, 56 current collector 57 Current collector, 58 Air intake port, 59 Beam, 60 Bulkhead, 62 Flow path, 64 A Tar connector, 66 current collector, 67 current collector, 68 outlet.

Claims (4)

電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードと、を含む発電部と、前記アノードで生成したガスと共に供給される燃料蒸気を液体中に捕捉し、前記ガスに含まれる二酸化炭素を排出する排ガス処理部と、前記排ガス処理部の液体に捕捉された燃料を用いて発電する別の発電部と、を備え、
前記発電部と前記別の発電部とが1つの電解質膜を共用していることを特徴とする直接型燃料電池。
The fuel vapor supplied together with the gas generated at the anode, the power generation unit including an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane An exhaust gas treatment unit that captures carbon dioxide contained in the gas, and another power generation unit that generates power using the fuel captured in the liquid of the exhaust gas treatment unit,
The direct fuel cell, wherein the power generation unit and the another power generation unit share one electrolyte membrane.
前記カソードで生成した水を前記排ガス処理部の液体に供給する生成水供給手段を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の直接型燃料電池。 The direct fuel cell according to claim 1, further comprising generated water supply means for supplying water generated at the cathode to the liquid of the exhaust gas treatment unit . 前記発電部と前記別の発電部とが、電気的に並列に接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の直接型燃料電池。 Direct methanol fuel cell according to claim 1 or 2, and the power generating part and the another of the power generation unit is characterized that you have been electrically connected in parallel. 前記発電部に用いられる燃料を保持する燃料保持部を更に備え、前記燃料保
持部には、前記燃料蒸気と前記アノードで生成したガスを前記排ガス処理部に送るための流路が形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の直接型燃料電池。
A fuel holding unit for holding fuel used in the power generation unit;
The lifting portion, directly according to gas generated in the anode and the fuel vapor to any one of claims 1 to 3, wherein that you have been flow path formed to send to the exhaust gas treatment unit Type fuel cell.
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