JP5990798B2 - Power generator - Google Patents

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Description

本発明は、水素を燃料電池に供給して発電を行う発電装置に関し、特に窒素等の不純物ガスによる発電効率の低下を防止する技術として有用である。   The present invention relates to a power generation apparatus that generates power by supplying hydrogen to a fuel cell, and is particularly useful as a technique for preventing a decrease in power generation efficiency due to an impurity gas such as nitrogen.

水素発生剤と反応液との反応で発生させた水素を燃料電池に供給して発電を行う発電装置としては、例えば、下記特許文献1に開示されたものが知られている。この発電装置は、一方の表面から燃料ガスが供給され、他方の表面から酸素が供給されることで発電を行なう複数の発電セルと、その複数の発電セルを前記一方の表面を内部に向けて保持することで、前記複数の発電セルと共に内部空間を形成するセル保持体と、そのセル保持体の前記内部空間に配置され、燃料ガスを発生させる燃料発生部と、を備えるものである。   As a power generation apparatus that generates power by supplying hydrogen generated by a reaction between a hydrogen generating agent and a reaction liquid to a fuel cell, for example, the one disclosed in Patent Document 1 below is known. The power generation device includes a plurality of power generation cells that generate power by supplying fuel gas from one surface and oxygen from the other surface, and the plurality of power generation cells with the one surface facing inward. By holding, a cell holder that forms an internal space together with the plurality of power generation cells, and a fuel generator that is arranged in the internal space of the cell holder and generates fuel gas are provided.

また、外部に設けた燃料発生装置で水素ガスを発生させて、これを発電セルが保持された筐体の内部空間に供給する方式も知られている。特に後者の方式では、内部空間及び燃料発生装置に存在する空気中の窒素成分が多く、これが燃料電池の内部空間から排出されずに濃縮されて、相対的に内部空間における水素濃度が低下する結果、燃料電池の発電効率が低下するという問題があった。   There is also known a system in which hydrogen gas is generated by a fuel generator provided outside and supplied to the internal space of a housing in which a power generation cell is held. In particular, in the latter method, there are a lot of nitrogen components in the air existing in the internal space and the fuel generator, and this is concentrated without being discharged from the internal space of the fuel cell, resulting in a relatively low hydrogen concentration in the internal space. There is a problem that the power generation efficiency of the fuel cell is lowered.

このような、窒素等の不純物ガスによる発電効率の低下を防止する技術として、特許文献2には、最終段の発電セルの水素流路の排出部に弁を設けて、圧力が一定以上になったときに、不純物ガスを排出する発電装置が知られている。また、特許文献3には、発電セルから排出されるガスの窒素濃度等を検出して、窒素濃度を一定以下に保つようにパージ弁を制御する発電装置が開示されている。   As a technique for preventing such a decrease in power generation efficiency due to an impurity gas such as nitrogen, Patent Document 2 provides a valve in the discharge part of the hydrogen flow path of the power generation cell in the final stage so that the pressure becomes a certain level or more. There is known a power generation device that discharges impurity gas at the time. Patent Document 3 discloses a power generation device that detects the nitrogen concentration of gas discharged from the power generation cell and controls the purge valve so as to keep the nitrogen concentration below a certain level.

国際公開WO2009/122910号公報International Publication WO2009 / 122910 特開2007−66784号公報JP 2007-66784 A 特表2004−513485号公報JP-T-2004-513485

しかしながら、特許文献2の発電装置では、不純物ガスの濃度を検出して、その検出値に基づいて弁の開閉により排出を行っていないため、余分な水素ガスが比較的高い濃度で放出される可能性がある。また、不純物ガスの放出量を少なく設定すると、発電セルの水素流路に、不純物ガスが残存するという懸念がある。   However, since the power generation device of Patent Document 2 does not detect the concentration of the impurity gas and discharges it by opening and closing the valve based on the detected value, excess hydrogen gas can be released at a relatively high concentration. There is sex. Further, if the amount of released impurity gas is set small, there is a concern that the impurity gas remains in the hydrogen flow path of the power generation cell.

一方、特許文献3の発電装置では、窒素濃度等を検出しているため、より適切に不純物ガスを排出することが可能であるが、窒素濃度を検出するには複雑な計測機器が必要となり、製造コスト的にも不利になる。また、窒素濃度が上昇した状態では既に、燃料電池の発電効率が低下しているため、トータルで十分な発電効率を維持し難いと言える。   On the other hand, in the power generation device of Patent Document 3, since the nitrogen concentration or the like is detected, it is possible to discharge the impurity gas more appropriately, but in order to detect the nitrogen concentration, a complicated measuring device is required, The manufacturing cost is also disadvantageous. Further, since the power generation efficiency of the fuel cell has already decreased in a state where the nitrogen concentration has increased, it can be said that it is difficult to maintain a sufficient power generation efficiency in total.

そこで、本発明の目的は、簡易な装置構成により、不純物ガスを自動的に排出することができ、しかもその際に燃料電池の出力の低下を抑制することができる発電装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a power generation device that can automatically discharge impurity gas with a simple device configuration and can suppress a decrease in the output of the fuel cell at that time. .

上記目的は、以下の如き本発明により達成できる。   The above object can be achieved by the present invention as follows.

即ち、本発明の発電装置は、アノード側に設けた流路空間に供給された水素で発電を行う出力用燃料電池と、アノード側に設けた流路空間に前記流路空間から排出されるガスを導いて、そのガスに含まれる水素で発電を行う検出用燃料電池と、前記検出用燃料電池の流路空間に接続され、電気信号により開閉動作が可能な弁と、前記検出用燃料電池の出力部に電気的に接続された負荷手段と、前記検出用燃料電池の出力に基づいて、出力低下時に開動作させる操作信号を前記弁に送る制御手段と、を備えることを特徴とする。   That is, the power generation device of the present invention includes an output fuel cell that generates power using hydrogen supplied to a flow path space provided on the anode side, and a gas discharged from the flow path space to the flow path space provided on the anode side. A detection fuel cell that generates power using hydrogen contained in the gas, a valve that is connected to a flow path space of the detection fuel cell and that can be opened and closed by an electrical signal, and Load means electrically connected to the output section, and control means for sending an operation signal to the valve to open when the output is reduced based on the output of the detection fuel cell.

本発明の発電装置によると、出力用燃料電池から排出されるガスを導いて、そのガスに含まれる水素で発電を行う検出用燃料電池を設けているため、検出用燃料電池の出力から、不純物ガスが濃度上昇した状態を検出することができる。また、その出力に基づいて、出力低下時に開動作させる制御手段により、弁の開閉を制御するため、不純物ガスの濃度上昇時に弁を介して不純物ガスを自動的に排出することが可能となり、検出用燃料電池の流路空間に存在する不純物ガスの濃度を一定以下に維持することができる。更に、検出用燃料電池の流路空間に存在する不純物ガスの濃度がある程度上昇しても、その上流側に設けられている出力用燃料電池の流路空間からは、不純物ガスが排出されているため、出力用燃料電池の出力の低下はほとんど生じない。更に、検出用燃料電池の出力部に負荷手段を接続しており、検出用燃料電池が水素を消費することでガスを吸引する機能を有するため、上流側の出力用燃料電池からガスを効率良く排出させることができる。その結果、簡易な装置構成により、不純物ガスを自動的に排出することができ、しかもその際に燃料電池の出力の低下を抑制することができる発電装置を提供することができた。   According to the power generation device of the present invention, since the detection fuel cell that guides the gas discharged from the output fuel cell and generates power with hydrogen contained in the gas is provided, impurities from the output of the detection fuel cell It is possible to detect a state in which the gas concentration has increased. In addition, since the opening and closing of the valve is controlled by the control means that opens when the output drops based on the output, it is possible to automatically discharge the impurity gas through the valve when the concentration of the impurity gas rises. The concentration of the impurity gas existing in the flow path space of the fuel cell can be kept below a certain level. Furthermore, even if the concentration of the impurity gas existing in the flow passage space of the detection fuel cell rises to some extent, the impurity gas is discharged from the flow passage space of the output fuel cell provided upstream thereof. Therefore, the output of the output fuel cell hardly decreases. Furthermore, load means is connected to the output portion of the detection fuel cell, and the detection fuel cell has a function of sucking gas by consuming hydrogen, so that gas can be efficiently discharged from the upstream output fuel cell. It can be discharged. As a result, it has been possible to provide a power generator that can automatically discharge impurity gas with a simple device configuration and can suppress a decrease in the output of the fuel cell.

上記において、前記制御手段は、前記検出用燃料電池の出力が第1閾値以下になると開動作の操作信号を送り、前記検出用燃料電池の出力が第2閾値以上になると閉動作の操作信号を送る制御を行い、前記第1閾値は前記第2閾値の95%以下の値であることが好ましい。このように、第1閾値と第2閾値とに5%以上の差を設けることで、過度に頻繁に弁が開閉するのを防ぎながら、不純物ガスの濃度を一定以下に維持することができる。   In the above, the control means sends an operation signal for opening operation when the output of the fuel cell for detection falls below a first threshold value, and sends an operation signal for closing operation when the output of the fuel cell for detection falls above a second threshold value. The first threshold value is preferably 95% or less of the second threshold value. Thus, by providing a difference of 5% or more between the first threshold value and the second threshold value, it is possible to maintain the impurity gas concentration below a certain level while preventing the valve from opening and closing too frequently.

本発明の発電装置は、水素発生剤と反応液との反応で水素を発生させる水素発生手段を更に備え、発生した水素を前記出力用燃料電池の流路空間に供給する場合に、特に有効である。つまり、このような水素発生手段を備える場合、これに存在する窒素等の不純物ガスの量がより多くなるため、不純物ガスを自動的に排出することができ、しかもその際に燃料電池の出力の低下を抑制することができる本発明の発電装置がより有効となる。   The power generation device of the present invention further includes hydrogen generation means for generating hydrogen by the reaction of the hydrogen generating agent and the reaction liquid, and is particularly effective when supplying the generated hydrogen to the flow passage space of the output fuel cell. is there. That is, when such a hydrogen generation means is provided, the amount of impurity gas such as nitrogen present in the hydrogen generation means increases, so that the impurity gas can be automatically discharged, and at that time, the output of the fuel cell is reduced. The power generation device of the present invention that can suppress the decrease is more effective.

また、前記出力用燃料電池が複数並列に電気的に接続されており、各々の前記出力用燃料電池に対して前記検出用燃料電池、前記弁、及び前記負荷手段が各々設けられ、前記制御手段により前記弁が各々制御されることが好ましい。このように、出力用燃料電池が複数並列に接続することで、出力用燃料電池の発電効率の低下を防止しつつ、より大きな電力を出力することが可能となる。   A plurality of the output fuel cells are electrically connected in parallel, and each of the output fuel cells is provided with the detection fuel cell, the valve, and the load means, and the control means Preferably, the valves are each controlled. In this way, by connecting a plurality of output fuel cells in parallel, it is possible to output larger power while preventing a decrease in power generation efficiency of the output fuel cells.

本発明の発電装置の一例を示す図であり、(a)はブロック図、(b)は要部の断面図It is a figure which shows an example of the electric power generating apparatus of this invention, (a) is a block diagram, (b) is sectional drawing of the principal part. 本発明の発電装置における制御の一例を示すフローチャートThe flowchart which shows an example of the control in the electric power generating apparatus of this invention 本発明の発電装置の他の例を示すブロック図The block diagram which shows the other example of the electric power generating apparatus of this invention 本発明の発電装置における制御の一例を示すフローチャートThe flowchart which shows an example of the control in the electric power generating apparatus of this invention 実験例1における結果を示すグラフGraph showing results in Experimental Example 1 実験例2における結果を示すグラフGraph showing results in Experimental Example 2

本発明の発電装置は、図1(a)〜(b)に示すように、アノード側に設けた流路空間11に供給された水素で発電を行う出力用燃料電池10と、アノード側に設けた流路空間20aに前記流路空間11から排出されるガスを導いて、そのガスに含まれる水素で発電を行う検出用燃料電池20とを備えている。検出用燃料電池20の流路空間20aには、電気信号により開閉動作が可能な弁21が接続され、検出用燃料電池20の出力部には、負荷手段22が電気的に接続され、更に、検出用燃料電池20の出力に基づいて、出力低下時に開動作させる操作信号を弁21に送る制御手段23を備えている。本実施形態では、水素発生装置30で発生した水素を1系列の出力用燃料電池10に供給して発電を行う装置の例を示す。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the power generator of the present invention is provided on the anode side with an output fuel cell 10 that generates power with hydrogen supplied to the flow passage space 11 provided on the anode side. The fuel cell for detection 20 which guides the gas discharged | emitted from the said flow-path space 11 to the flow-path space 20a, and produces electric power with the hydrogen contained in the gas is provided. A valve 21 that can be opened and closed by an electrical signal is connected to the flow path space 20a of the detection fuel cell 20, and a load means 22 is electrically connected to the output portion of the detection fuel cell 20, Based on the output of the fuel cell 20 for detection, the control means 23 which sends the operation signal to open to the valve 21 at the time of an output fall is provided. In the present embodiment, an example of an apparatus that generates electricity by supplying hydrogen generated in the hydrogen generator 30 to a series of output fuel cells 10 is shown.

水素発生装置30は、水等の反応液と反応して水素ガスを発生させる水素発生剤を収容する燃料発生部を備えている。燃料発生部には、反応液が供給され、発生した水素ガスは出力用燃料電池10の流路空間11に供給される。反応液としては水素発生剤と反応して水素ガスを発生させる液体が使用される。具体的には、水素発生剤の種類に応じて、水、または酸水溶液、アルカリ水溶液などが使用される。   The hydrogen generator 30 includes a fuel generator that contains a hydrogen generating agent that reacts with a reaction liquid such as water to generate hydrogen gas. The reaction liquid is supplied to the fuel generation unit, and the generated hydrogen gas is supplied to the flow path space 11 of the output fuel cell 10. As the reaction liquid, a liquid that reacts with a hydrogen generating agent to generate hydrogen gas is used. Specifically, water, an acid aqueous solution, an alkaline aqueous solution, or the like is used depending on the type of the hydrogen generator.

水素発生剤としては、反応液と反応して、水素ガスを発生させるものが使用される。例えば、水等の反応液と反応して水素ガスを発生する水素発生剤または高反応性の水素発生剤を樹脂に包埋したものが使用できる。なかでも、反応性を制御できる観点から、高反応性の水素発生剤を樹脂に包埋したものが好ましい。   As the hydrogen generator, one that generates hydrogen gas by reacting with the reaction solution is used. For example, a hydrogen generating agent that reacts with a reaction solution such as water to generate hydrogen gas or a highly reactive hydrogen generating agent embedded in a resin can be used. Among these, from the viewpoint of controlling the reactivity, a resin in which a highly reactive hydrogen generator is embedded is preferable.

このような高反応性の水素発生剤としては、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化カリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムアルミニウム、水素化アルミニウムナトリウム、又は水素化マグネシウムなどの水素化金属化合物を含有するものが挙げられる。   Examples of such highly reactive hydrogen generators include calcium hydride, lithium hydride, potassium hydride, sodium borohydride, potassium borohydride, lithium aluminum hydride, sodium aluminum hydride, or magnesium hydride. And those containing a metal hydride compound.

また、上記化合物以外の水素発生剤として、アルミニウム、鉄、マグネシウム、カルシウム等の金属、上記以外の金属水素錯化合物などを含有してもよい。水素化金属化合物、金属、金属水素錯化合物は、何れかを複数組み合わせて使用することもでき、また、それぞれを組み合わせて使用することも可能である。   Moreover, you may contain metals, such as aluminum, iron, magnesium, and calcium, metal hydrogen complex compounds other than the above, as hydrogen generating agents other than the said compound. A plurality of metal hydride compounds, metals, and metal hydride complex compounds can be used in combination, or they can be used in combination.

水素発生剤を樹脂に包埋する場合、粒状の水素発生剤の平均粒径は、樹脂中への分散性や反応性を制御する観点から、1〜100μmが好ましく、6〜30μmがより好ましく、8〜10μmが更に好ましい。   When embedding the hydrogen generator in the resin, the average particle size of the granular hydrogen generator is preferably 1 to 100 μm, more preferably 6 to 30 μm, from the viewpoint of controlling dispersibility and reactivity in the resin. 8-10 micrometers is still more preferable.

水素発生剤の含有量は、適度な反応性とある程度の水素発生量を確保する観点から、樹脂中、10〜80重量%が好ましく、60〜80重量%が好ましい。   The content of the hydrogen generating agent is preferably 10 to 80% by weight, and preferably 60 to 80% by weight in the resin from the viewpoint of ensuring appropriate reactivity and a certain amount of hydrogen generation.

用いられる樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、耐熱性樹脂などが挙げられるが、熱硬化性樹脂が好ましい。なお、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル、ポリアミドなどが挙げられる。また、耐熱性樹脂としては、芳香族系のポリイミド、ポリアミド、ポリエステルなどが挙げられる。   Examples of the resin used include a thermosetting resin, a thermoplastic resin, and a heat resistant resin, and a thermosetting resin is preferable. Examples of the thermoplastic resin include polyethylene, polypropylene, polystyrene, acrylic resin, fluororesin, polyester, and polyamide. Examples of the heat resistant resin include aromatic polyimide, polyamide, and polyester.

熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、または熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げられる。なかでも、水素発生反応中に多孔質構造を適度に維持できる観点から、エポキシ樹脂が好ましい。   Examples of the thermosetting resin include epoxy resins, unsaturated polyester resins, phenol resins, amino resins, polyurethane resins, silicone resins, and thermosetting polyimide resins. Especially, an epoxy resin is preferable from a viewpoint which can maintain a porous structure moderately during hydrogen generating reaction.

水素発生剤には、上記の成分以外の任意成分として、触媒、充填材、発泡剤などのその他の成分を含有してもよい。触媒としては、水素発生剤用の金属触媒の他、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウムなどのアルカリ化合物も有効である。   The hydrogen generating agent may contain other components such as a catalyst, a filler, and a foaming agent as optional components other than the above components. As the catalyst, an alkali compound such as sodium hydroxide, potassium hydroxide and calcium hydroxide is also effective in addition to the metal catalyst for the hydrogen generator.

水素発生装置30で発生した水素ガスは、出力用燃料電池10の流路空間11に供給口13を経て供給される。水素発生装置30の内部、又は水素発生装置30からの水素の供給経路には、発生した水素ガスから、不純物であるアンモニアを除去するために、アンモニア除去剤を設けてもよい。このようなアンモニア除去剤は、シート状に形成されたものが市販されているが、粒状の吸着剤等を通気性の袋に収容したものを使用することも可能である。   Hydrogen gas generated by the hydrogen generator 30 is supplied to the flow passage space 11 of the output fuel cell 10 through the supply port 13. An ammonia removing agent may be provided in the hydrogen generator 30 or in a hydrogen supply path from the hydrogen generator 30 in order to remove ammonia as an impurity from the generated hydrogen gas. Such an ammonia removing agent is commercially available in the form of a sheet, but it is also possible to use one in which a granular adsorbent or the like is contained in a breathable bag.

アンモニア除去剤としては、例えば、水素中のアンモニアを吸着除去する吸着剤(吸着・分解や反応吸着などの化学吸着を含む)、アンモニアを溶解除去する吸収剤、アンモニアを反応により除去する反応剤、アンモニアを分解(加熱分解・触媒反応分解等)により除去する分解手段、などが挙げられるが、アンモニアを物理吸着又は化学吸着により除去する吸着剤を備えることが好ましい。   As the ammonia removing agent, for example, an adsorbent that adsorbs and removes ammonia in hydrogen (including chemical adsorption such as adsorption / decomposition and reaction adsorption), an absorbent that dissolves and removes ammonia, a reactant that removes ammonia by reaction, Examples include decomposition means for removing ammonia by decomposition (thermal decomposition, catalytic reaction decomposition, etc.), and it is preferable to provide an adsorbent that removes ammonia by physical adsorption or chemical adsorption.

中でも吸着剤が、物理吸着又は化学吸着によりアンモニアを除去するものであることがより好ましく、固体酸、活性炭(固体酸に相当するものを除く)、ゼオライト(固体酸に相当するものを除く)、及びモレキュラーシーブからなる群から選ばれる1種以上であることが更に好ましい。中でも、アンモニアの吸着除去能力やより高温で吸着可能な観点から、固体酸を用いることが好ましい。   Among them, it is more preferable that the adsorbent is one that removes ammonia by physical adsorption or chemical adsorption, solid acid, activated carbon (excluding those corresponding to solid acids), zeolite (excluding those corresponding to solid acids), And at least one selected from the group consisting of molecular sieves. Among these, it is preferable to use a solid acid from the viewpoint of adsorption / removal ability of ammonia and a viewpoint capable of adsorption at a higher temperature.

出力用燃料電池10は、図1(b)に示すように、アノード側に流路空間11が設けられ、これに供給された水素で発電をすることができる。本実施形態では、複数の単位セルがアノード側を内側にしてセル保持体12に保持され、直列に接続されている例を示す。   As shown in FIG. 1B, the output fuel cell 10 is provided with a flow path space 11 on the anode side, and can generate electric power with hydrogen supplied thereto. In the present embodiment, an example is shown in which a plurality of unit cells are held by the cell holder 12 with the anode side inside, and connected in series.

本発明において、出力用燃料電池10の流路空間11に供給される水素ガスの圧力としては、内部の不純物ガスを効率よく排出する観点から、5〜100kPaが好ましく、発電セルの耐圧の観点から5〜60kPaがより好ましい。   In the present invention, the pressure of the hydrogen gas supplied to the flow path space 11 of the output fuel cell 10 is preferably 5 to 100 kPa from the viewpoint of efficiently discharging the internal impurity gas, and from the viewpoint of the pressure resistance of the power generation cell. 5-60 kPa is more preferable.

本発明において、出力用燃料電池10は、単数又は複数の単位セルを備え、複数の単位セルを備える場合、いずれかの単位セルと他の単位セルの導電層同士を、接続部により電気的に接続している。電気的な接続は、直列接続、並列接続、又はその組み合わせが可能である。なお、接続する単位セルの数としては、要求される電圧又は電流に応じて、設定することが可能である。   In the present invention, the output fuel cell 10 includes a single unit cell or a plurality of unit cells. When the output fuel cell 10 includes a plurality of unit cells, the conductive layers of any unit cell and other unit cells are electrically connected to each other by a connecting portion. Connected. The electrical connection can be a series connection, a parallel connection, or a combination thereof. Note that the number of unit cells to be connected can be set according to the required voltage or current.

本発明における各々の単位セルは、図1(b)の部分拡大図に示すように、固体高分子電解質層1と、この固体高分子電解質層1の両側に設けられた第1電極層2及び第2電極層3と、これら電極層2,3の更に外側に各々配置された第1導電層及び第2導電層とを有する。本実施形態では、第1導電層及び第2導電層が、第1電極層2及び第2電極層3を部分的に露出させる露出部を有する第1金属層4及び第2金属層5とからなる例を示す。   Each unit cell in the present invention includes a solid polymer electrolyte layer 1, a first electrode layer 2 provided on both sides of the solid polymer electrolyte layer 1, and a unit cell as shown in the partially enlarged view of FIG. It has the 2nd electrode layer 3, and the 1st conductive layer and the 2nd conductive layer which were each arrange | positioned further outside these electrode layers 2 and 3. FIG. In the present embodiment, the first conductive layer and the second conductive layer are formed from the first metal layer 4 and the second metal layer 5 having exposed portions that partially expose the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3. An example will be shown.

なお、導電層の材質としては、金属、導電性高分子、導電性ゴム、導電性繊維、導電性ペースト、導電性塗料などが挙げられる。   Examples of the material for the conductive layer include metals, conductive polymers, conductive rubbers, conductive fibers, conductive pastes, and conductive paints.

固体高分子電解質層1としては、従来の固体高分子膜型の燃料電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン(登録商標)が好適に用いられる。その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。   The solid polymer electrolyte layer 1 may be any solid polymer membrane type fuel cell as long as it is used, but from the viewpoint of chemical stability and conductivity, a sulfonic acid group that is a super strong acid is used. A cation exchange membrane made of a perfluorocarbon polymer is preferably used. Nafion (registered trademark) is preferably used as such a cation exchange membrane. In addition, for example, a porous film made of a fluororesin such as polytetrafluoroethylene impregnated with the above Nafion or other ion conductive material, a porous film made of a polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, or a non-woven fabric. A material carrying Nafion or another ion conductive material may be used.

固体高分子電解質層1の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、10〜300μmが使用可能であるが、15〜50μmが好ましい。   The thinner the solid polymer electrolyte layer 1 is, the more effective it is to make the whole thinner. However, in consideration of ion conduction function, strength, handling property, etc., 10 to 300 μm can be used, but 15 to 50 μm. preferable.

電極層2,3は、固体高分子電解質層1の表面付近でアノード側およびカソード側の電極反応を生じさせるものであれば何れでもよい。なかでも、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガス、燃料液、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが好適に使用できる。電極層2,3としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質層1と接する内面側に少なくとも担持させるのが好ましい。   The electrode layers 2 and 3 may be any as long as they cause an electrode reaction on the anode side and the cathode side near the surface of the solid polymer electrolyte layer 1. Among them, the one that exhibits the function as a gas diffusion layer to supply and discharge the fuel gas, the fuel liquid, the oxidizing gas, and the water vapor and at the same time exhibits the current collecting function can be preferably used. As the electrode layers 2 and 3, the same or different ones can be used, and it is preferable to support a catalyst having an electrode catalytic action on the base material. The catalyst is preferably supported at least on the inner surface side in contact with the solid polymer electrolyte layer 1.

電極層2,3の電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。また、固体高分子電解質層1に触媒を直接付着させたり、カーボンブラックなどの導電性粒子に担持させて固体高分子電解質層1に付着させた電極層2,3を用いることも可能である。   As the electrode substrate of the electrode layers 2 and 3, for example, conductive carbon such as carbon paper, fibrous carbon such as carbon fiber nonwoven fabric, and an aggregate of conductive polymer fibers can be used. It is also possible to use the electrode layers 2 and 3 that are attached to the solid polymer electrolyte layer 1 by directly attaching the catalyst to the solid polymer electrolyte layer 1 or supporting the catalyst on conductive particles such as carbon black.

一般に、電極層2,3は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。   In general, the electrode layers 2 and 3 are prepared by adding a water-repellent substance such as a fluororesin to such a conductive porous material. When the catalyst is supported, a catalyst such as platinum fine particles and fluorine It is formed by mixing a water-repellent substance such as a resin, mixing it with a solvent to form a paste or ink, and then applying this to one side of an electrode substrate that should face the solid polymer electrolyte membrane. The

一般に、電極層2,3や固体高分子電解質層1は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いるのが好ましい。なお、還元ガスの代わりにメタノール等の燃料液を使用することも可能である。   In general, the electrode layers 2 and 3 and the solid polymer electrolyte layer 1 are designed according to the reducing gas and the oxidizing gas supplied to the fuel cell. In the present invention, it is preferable to use air as the oxidizing gas and hydrogen gas as the reducing gas. It is also possible to use a fuel liquid such as methanol instead of the reducing gas.

例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気が自然供給される側のカソード側の第2電極層3(本明細書では、アノード側を第1電極層、カソード側を第2電極層と仮定する)では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞(フラッディング)現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。   For example, when hydrogen gas and air are used, the second electrode layer 3 on the cathode side on which air is naturally supplied (in this specification, the anode side is assumed to be the first electrode layer and the cathode side is assumed to be the second electrode layer). In this case, since a reaction between oxygen and hydrogen ions occurs and water is generated, it is preferable to design according to the electrode reaction. In particular, under the operating conditions of low operating temperature, high current density, and high gas utilization rate, the electrode porous body is likely to be clogged (flooded) due to the condensation of water vapor, particularly at the air electrode where water is generated. Therefore, in order to obtain stable characteristics of the fuel cell over a long period of time, it is effective to ensure the water repellency of the electrode so that the flooding phenomenon does not occur.

触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも1種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。   As the catalyst, at least one metal selected from platinum, palladium, ruthenium, rhodium, silver, nickel, iron, copper, cobalt and molybdenum, or an oxide thereof can be used. A supported one can also be used.

電極層2,3の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、1〜500μmが好ましく、100〜300μmがより好ましい。電極層2,3と固体高分子電解質層1とは、予め接着、融着、又は塗布形成等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、膜/電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)として入手することもでき、これを使用してもよい。   The thickness of the electrode layers 2 and 3 is more effective for reducing the overall thickness as the thickness is reduced. However, in consideration of electrode reaction, strength, handling property, etc., 1 to 500 μm is preferable, and 100 to 300 μm is more preferable. The electrode layers 2 and 3 and the solid polymer electrolyte layer 1 may be laminated and integrated in advance by adhesion, fusion, coating formation, or the like, or may simply be arranged in a stacked manner. Such a laminated body can also be obtained as a membrane / electrode assembly (MEA), and may be used.

アノード側電極層2の表面にはアノード側の第1金属層4が配置され、カソード側電極層3の表面にはカソード側の第2金属層5が配置される(本明細書では、アノード側を第1金属層、カソード側を第2金属層と仮定する)。第1金属層4は、第1電極層2を部分的に露出させる露出部を有する。   A first metal layer 4 on the anode side is disposed on the surface of the anode side electrode layer 2, and a second metal layer 5 on the cathode side is disposed on the surface of the cathode side electrode layer 3 (in this specification, the anode side Is the first metal layer and the cathode side is the second metal layer). The first metal layer 4 has an exposed portion that partially exposes the first electrode layer 2.

第1金属層4の露出部は、アノード側電極層2が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。アノード側金属層4の開孔は、例えば、規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開孔を設けたり、第1金属層4を櫛形電極のような形状にしてアノード側電極層2を露出させてもよい。開孔部分の面積が締める割合(開孔率)は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、10〜50%が好ましく、15〜30%がより好ましい。   The exposed portion of the first metal layer 4 may be any number, shape, size, formation position, etc. as long as the anode-side electrode layer 2 can be exposed. The opening of the anode side metal layer 4 is formed, for example, regularly or randomly by providing a plurality of circular holes, slits, or the like, or by opening a metal mesh, and the first metal layer 4 is shaped like a comb electrode. Thus, the anode side electrode layer 2 may be exposed. From the viewpoint of the balance between the contact area with the electrode and the supply area of the gas, the ratio of the area of the opening portion to be tightened (opening ratio) is preferably 10 to 50%, and more preferably 15 to 30%.

また、カソード側の第2金属層5は、第2電極層3を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、カソード側金属層5には、空気中の酸素を供給(自然吸気)するための多数の開孔が設けられている例を示す。開孔は、カソード側電極層3が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。カソード側金属層5の開孔は、例えば、規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開孔を設けたり、第2金属層5を櫛形電極のような形状にしてカソード側電極層3を露出させてもよい。開孔部分の面積が締める割合(開孔率)は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、10〜50%が好ましく、15〜30%がより好ましい。   Further, the second metal layer 5 on the cathode side has an exposed portion that partially exposes the second electrode layer 3. In this embodiment, oxygen in the air is supplied to the cathode side metal layer 5 (naturally An example in which a number of openings for intake) is provided. As long as the cathode-side electrode layer 3 can be exposed, the number, shape, size, formation position, etc. of the openings may be any. The opening of the cathode side metal layer 5 is, for example, provided with a plurality of circular holes or slits regularly or randomly, or provided with a metal mesh, and the second metal layer 5 is shaped like a comb electrode. Thus, the cathode side electrode layer 3 may be exposed. From the viewpoint of the balance between the contact area with the electrode and the supply area of the gas, the ratio of the area of the opening portion to be tightened (opening ratio) is preferably 10 to 50%, and more preferably 15 to 30%.

金属層4,5としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、導電性、コスト、形状付与性、加圧のための強度などの観点から、銅、銅合金、ステンレス板などが好ましい。また、上記の金属に金メッキなどの金属メッキを施したものでもよい。   As the metal layers 4 and 5, any metal can be used as long as it does not adversely affect the electrode reaction, and examples thereof include stainless steel plates, nickel, copper, and copper alloys. However, copper, a copper alloy, a stainless steel plate, and the like are preferable from the viewpoints of conductivity, cost, shape imparting property, strength for pressurization, and the like. Moreover, what gave metal plating, such as gold plating, to said metal may be used.

なお、金属層4,5の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、導電性、コスト、重量、形状付与性、加圧のための強度などを考慮すると、10〜1000μmが好ましく、50〜200μmがより好ましい。   In addition, although the thickness of the metal layers 4 and 5 is effective in reducing the overall thickness as the thickness is reduced, considering conductivity, cost, weight, shape imparting property, strength for pressurization, etc., the thickness is 10 to 1000 μm. Preferably, 50-200 micrometers is more preferable.

金属層4及び金属層5は、少なくとも一部が樹脂から露出することにより、その部分を電極として電気を外部に取り出すことができる。このため、樹脂成形体6に対して、金属層4及び金属層5を一部露出させた端子部を設けてもよいが、本発明では、直列接続の場合には、その両端の単位セルの金属層4又は金属層5が、単位セルの電極となる突出部を備え、これが樹脂成形体6から外部に出ていることが好ましい。この突出部は、インサート成形を行う際に、金属層4,5等を成形型内に保持するためにも利用できる。   When at least a part of the metal layer 4 and the metal layer 5 is exposed from the resin, electricity can be taken out using the part as an electrode. For this reason, although the terminal part which exposed the metal layer 4 and the metal layer 5 partially may be provided with respect to the resin molding 6, in this invention, in the case of series connection, the unit cell of the both ends is provided. It is preferable that the metal layer 4 or the metal layer 5 is provided with the protrusion part used as the electrode of a unit cell, and this has come out from the resin molding 6 outside. This protrusion can also be used to hold the metal layers 4, 5, etc. in the mold during insert molding.

金属層4及び金属層5の形成や開孔の形成は、プレス加工(プレス打ち抜き加工)を利用して行うことができる。また、金属層4及び金属層5の突出部には、樹脂の流動や密着性を良好にする目的で、インサート成形される部分に貫通孔を設けてもよい。   The formation of the metal layer 4 and the metal layer 5 and the formation of the opening can be performed using press work (press punching process). Moreover, you may provide a through-hole in the insert-molded part in the protrusion part of the metal layer 4 and the metal layer 5 in order to make the flow and adhesiveness of resin favorable.

以上のような単位セル及び接続部をインサート成形により一体化した樹脂成形体6を備えている。樹脂成形体6は、第1電極層2及び第2電極層3に気体又は液体を供給するための供給部を有することが好ましく、この供給部は、第1金属層4又は第2金属層5の露出部に対応する位置に設けられた開孔6aであることが好ましい。   A resin molded body 6 in which the unit cells and the connection portions as described above are integrated by insert molding is provided. The resin molded body 6 preferably has a supply part for supplying gas or liquid to the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3, and this supply part is the first metal layer 4 or the second metal layer 5. The opening 6a is preferably provided at a position corresponding to the exposed portion.

本実施形態では、第1電極層2及び第2電極層3が開孔6aから露出するように、第1金属層4及び第2金属層5を両側から加圧した状態で、樹脂成形体6によりインサート成形して一体化してある例を示す。   In the present embodiment, the resin molded body 6 is pressed in a state where the first metal layer 4 and the second metal layer 5 are pressed from both sides so that the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3 are exposed from the opening 6a. An example in which insert molding is performed and integrated is shown.

本発明では、金属層4,5の露出部に相当する開孔の大きさが、樹脂成形体6の開孔6aの大きさより、大きくてもよく、同じ大きさでもよく、小さくてもよい。   In the present invention, the size of the opening corresponding to the exposed portions of the metal layers 4 and 5 may be larger, the same size, or smaller than the size of the opening 6 a of the resin molded body 6.

樹脂成形体6の材質としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、耐熱性樹脂などが挙げられるが、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂が好ましい。なお、熱可塑性樹脂としては、ポリカーボネート樹脂、ABS樹脂、液晶ポリマー、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル、ポリアミドなどが挙げられる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、または熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げられる。なかでも、成形型内での樹脂の流動性、強度、溶融温度などの観点から、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリル樹脂が好ましく、これらはアプリケーションによって選択することが可能である。   Examples of the material of the resin molded body 6 include a thermosetting resin, a thermoplastic resin, and a heat resistant resin, and a thermoplastic resin and a thermosetting resin are preferable. Examples of the thermoplastic resin include polycarbonate resin, ABS resin, liquid crystal polymer, polypropylene, polystyrene, acrylic resin, fluororesin, polyester, and polyamide. Examples of the thermosetting resin include epoxy resins, unsaturated polyester resins, phenol resins, amino resins, polyurethane resins, silicone resins, and thermosetting polyimide resins. Among these, polyester, polypropylene, and acrylic resin are preferable from the viewpoint of fluidity, strength, melting temperature, and the like of the resin in the mold, and these can be selected depending on the application.

樹脂成形体6の全体の厚みとしては、樹脂による一体化の強度や、金属層を加圧する圧力、薄型化などの観点から、0.3〜4mmが好ましく0.5〜2mmがより好ましい。特に、金属層を覆う部分の樹脂成形体6の厚みとしては、金属層を加圧する圧力の観点から、0.2〜1.5mmが好ましく、0.3〜1.0mmがより好ましい。   The overall thickness of the resin molded body 6 is preferably 0.3 to 4 mm, and more preferably 0.5 to 2 mm, from the viewpoints of the strength of integration with the resin, the pressure for pressing the metal layer, and the thinning. In particular, the thickness of the resin molded body 6 at the portion covering the metal layer is preferably 0.2 to 1.5 mm, and more preferably 0.3 to 1.0 mm, from the viewpoint of pressure to pressurize the metal layer.

樹脂成形体6は、平板形状のものを予めインサート成形しておきセル保持体12を構成する他の壁面と接合すること、または、セル保持体12を構成する他の壁面と共にインサート成形することで、セル保持体12と一体化することができる。   The resin molded body 6 is formed by insert molding a plate-shaped one in advance and joining it with other wall surfaces constituting the cell holding body 12 or by insert molding together with other wall surfaces constituting the cell holding body 12. It can be integrated with the cell holder 12.

図示した例では、出力用燃料電池10からの出力がそのまま外部に出力されているが、出力回路を経て外部に出力することも可能である。出力回路は、発電セルの出力端子に電気的に接続される。出力電圧は、DC−DCコンバータ(昇圧回路に相当)により所定の電圧にまで昇圧するのが好ましい。更に、コンバータの下流側に付加される回路部を介して、コネクターから外部機器、携帯電話などに電源供給がされる。回路部には、安定化回路などが備えられており、適切な出力電圧や出力電流を供給できるように制御がなされる。コンバータ、回路部などは、回路ユニットとして構成することが好ましい。   In the illustrated example, the output from the output fuel cell 10 is output to the outside as it is, but it can also be output to the outside through an output circuit. The output circuit is electrically connected to the output terminal of the power generation cell. The output voltage is preferably boosted to a predetermined voltage by a DC-DC converter (corresponding to a booster circuit). Furthermore, power is supplied from the connector to an external device, a mobile phone, or the like via a circuit portion added downstream of the converter. The circuit unit is provided with a stabilization circuit and the like, and is controlled so that an appropriate output voltage and output current can be supplied. The converter, the circuit unit, and the like are preferably configured as a circuit unit.

セル保持体12は、水素ガスの供給口13と排出口14とを有している。水素ガスの供給口13から、水素発生装置30で発生した水素ガスが供給される。水素ガスの排出口14は、検出用燃料電池20の流路空間20aに接続されている。   The cell holder 12 has a hydrogen gas supply port 13 and a discharge port 14. Hydrogen gas generated by the hydrogen generator 30 is supplied from the hydrogen gas supply port 13. The hydrogen gas outlet 14 is connected to the flow path space 20 a of the detection fuel cell 20.

検出用燃料電池20は、アノード側に流路空間20aが設けられ、出力用燃料電池10から排出されるガスを導いて、そのガスに含まれる水素で発電を行うものである。検出用燃料電池20における単位セルの構造は、出力用燃料電池10と同じものが使用できる。但し、図1(b)に示すように、より少ない(例えば1つまた2つ)単位セルによって、検出用燃料電池20は構成される。図示した例では、セル保持体の一方側にのみ、1つの単位セルがアノード側を内側にして保持されている。   The detection fuel cell 20 is provided with a flow path space 20a on the anode side, guides the gas discharged from the output fuel cell 10, and generates power with hydrogen contained in the gas. The structure of the unit cell in the detection fuel cell 20 can be the same as that of the output fuel cell 10. However, as shown in FIG. 1B, the detection fuel cell 20 is configured by fewer (for example, one or two) unit cells. In the illustrated example, one unit cell is held with the anode side inward only on one side of the cell holder.

検出用燃料電池20の流路空間20aのガスの排出口20bには、電気信号により開閉動作が可能な弁21が接続されている。弁21としては、電気信号により開閉可能な電磁弁、モータ駆動弁、圧電素子駆動弁(ダイヤフラム)、などの電動弁等が使用できる。弁21は、制御手段から電気信号のみを受信するようにしてもよく、弁動作のための電力供給を受けてもよい。弁21を介して排出されるガスは、水素濃度が低いため、そのまま外気放出することが可能である。   A valve 21 that can be opened and closed by an electrical signal is connected to the gas outlet 20b of the flow path space 20a of the fuel cell 20 for detection. As the valve 21, an electric valve such as an electromagnetic valve that can be opened and closed by an electric signal, a motor drive valve, a piezoelectric element drive valve (diaphragm), or the like can be used. The valve 21 may receive only an electric signal from the control means, or may receive power supply for valve operation. Since the gas discharged through the valve 21 has a low hydrogen concentration, it can be discharged as it is.

検出用燃料電池20の出力部には、負荷手段22が電気的に接続される。負荷手段22としては、抵抗器が好ましいが、電池、キャパシタなどの蓄電手段、電子回路による負荷手段、ランプなどのエネルギー消費手段を使用することも可能である。   The load means 22 is electrically connected to the output part of the detection fuel cell 20. The load means 22 is preferably a resistor, but a power storage means such as a battery or a capacitor, a load means using an electronic circuit, or an energy consuming means such as a lamp may be used.

制御手段23は、検出用燃料電池20の出力に基づいて、出力低下時に開動作させる操作信号を弁21に送るものであり、マイコンユニット、パソコンなどで構成することができる。制御手段23による制御としては、検出された出力値と閾値との偏差に応じて、弁21の開度を調整するといった複雑な制御(比例制御、PID制御等)を行うことも可能であるが、閾値を基準としてオンオフ制御する方法でもよい。   Based on the output of the detection fuel cell 20, the control means 23 sends an operation signal to open the valve 21 when the output decreases, and can be constituted by a microcomputer unit, a personal computer, or the like. As the control by the control means 23, it is possible to perform complicated control (proportional control, PID control, etc.) such as adjusting the opening degree of the valve 21 in accordance with the deviation between the detected output value and the threshold value. Alternatively, a method of performing on / off control based on a threshold value may be used.

本発明では、図2に示すように、制御手段23が、検出用燃料電池20の出力が第1閾値(例えば0.20V)以下になると開動作の操作信号を弁21に送り、検出用燃料電池20の出力が第2閾値(例えば0.24V)以上になると閉動作の操作信号を弁21に送る制御を行うことが好ましい。その際、第1閾値は第2閾値の95%以下の値であることが好ましく、90%以下の値であることがより好ましい。   In the present invention, as shown in FIG. 2, when the output of the detection fuel cell 20 becomes equal to or lower than a first threshold value (for example, 0.20 V), the control means 23 sends an opening operation signal to the valve 21 to detect the detection fuel. When the output of the battery 20 becomes equal to or higher than a second threshold (for example, 0.24 V), it is preferable to perform control to send an operation signal for the closing operation to the valve 21. At that time, the first threshold value is preferably 95% or less of the second threshold value, and more preferably 90% or less.

また、設定する第2閾値は、弁21を経て排出されるガスの不純物濃度を適切に維持する観点から、検出用燃料電池20の最大出力の40〜99%であることが好ましい。50〜98%であることが好ましい。50〜95%であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the 2nd threshold value to set is 40 to 99% of the maximum output of the fuel cell 20 for a detection from a viewpoint of maintaining the impurity concentration of the gas discharged | emitted through the valve 21 appropriately. It is preferable that it is 50 to 98%. It is preferable that it is 50 to 95%.

このような処理は、ループ処理として所定時間ごとに行われ、検出した出力値が第1閾値と第2閾値との間にあるときは、操作信号を送らない処理となる。処理の間隔としては、セル電圧の計測数を確保の観点から、0.01〜0.5秒が好ましく、0.02〜0.2秒がより好ましい。   Such a process is performed as a loop process every predetermined time, and when the detected output value is between the first threshold value and the second threshold value, an operation signal is not sent. The processing interval is preferably 0.01 to 0.5 seconds, more preferably 0.02 to 0.2 seconds, from the viewpoint of securing the number of cell voltage measurements.

このような制御は、例えばマイコンユニット内に記憶したプログラムにより実行することができ、外部からの入力により、設定値を変更すること等も可能となる。   Such control can be executed by, for example, a program stored in the microcomputer unit, and a set value can be changed by an external input.

図1に示す例では、制御手段23であるマイコンユニットが、出力用燃料電池10から電力供給を受ける場合が示されており、その場合、DC−DCコンバータ31により、降圧又は昇圧した電力が、制御手段23に供給される。制御手段23は、別の電源(例えば蓄電池)のみから電力供給を受けてもよく、また、別の電源と出力用燃料電池10との両者から、電力供給を受けるようにしてもよい。   In the example shown in FIG. 1, a case where the microcomputer unit as the control means 23 receives power supply from the output fuel cell 10 is shown. In this case, the power stepped down or boosted by the DC-DC converter 31 is It is supplied to the control means 23. The control means 23 may receive power from only another power source (for example, a storage battery), or may receive power from both the other power source and the output fuel cell 10.

別の電源から電力供給を受けない場合、初期状態において、弁21が開状態になっていることが好ましい。その場合、初期には、十分な水素が供給されて系内の不純物ガスが弁21から排出される。その結果、出力用燃料電池10からの出力が上昇して、制御手段23が動作可能なまで電力が供給されることで、正常な制御が行えるようになる。   When power is not supplied from another power source, the valve 21 is preferably open in the initial state. In that case, initially, sufficient hydrogen is supplied and the impurity gas in the system is discharged from the valve 21. As a result, the output from the output fuel cell 10 increases, and power is supplied until the control means 23 can operate, whereby normal control can be performed.

(他の実施形態)
(1)前述の実施形態では、水素発生装置30で発生した水素を1系列の出力用燃料電池10に供給して発電を行う装置の例を示したが、本発明では更に複数の系列の出力用燃料電池10を用いて発電を行ってもよい。その場合、出力用燃料電池10が複数並列に電気的に接続されており、各々の出力用燃料電池10に対して検出用燃料電池20、弁21、及び負荷手段22が各々設けられ、制御手段23により弁21が各々制御されることが好ましい。
(Other embodiments)
(1) In the above-described embodiment, an example of an apparatus for generating power by supplying hydrogen generated in the hydrogen generator 30 to the output fuel cell 10 for one series is shown. The fuel cell 10 may be used to generate power. In that case, a plurality of output fuel cells 10 are electrically connected in parallel, and each of the output fuel cells 10 is provided with a detection fuel cell 20, a valve 21, and a load means 22, and a control means. It is preferable that each valve 21 is controlled by 23.

図3に示す例は、4系列の出力用燃料電池10が並列に電気的に接続されている発電装置である。4系列の出力用燃料電池10により4倍の水素が消費され、4倍の電力を出力することができる。   The example shown in FIG. 3 is a power generator in which four series of output fuel cells 10 are electrically connected in parallel. Four times as much hydrogen is consumed by the four series of output fuel cells 10, and four times as much power can be output.

制御手段23は、1つのプログラムにより、全ての系統の弁21を制御しており、各系統の弁21の制御は、図4(b)に示すように、前述の実施形態と同じである。この実施形態では、図4(a)に示すように、各系統の弁21の制御をループ処理として行う際に、各系統の検出用燃料電池20からの出力値に基づく処理を順番に行うようにプログラムされている。なお、各系統の弁21の制御を独立して並列に行うことも可能である。   The control means 23 controls the valves 21 of all systems by one program, and the control of the valves 21 of each system is the same as that of the above-described embodiment as shown in FIG. In this embodiment, as shown in FIG. 4A, when the control of the valve 21 of each system is performed as a loop process, the process based on the output value from the detection fuel cell 20 of each system is sequentially performed. Is programmed. It is also possible to control the valves 21 of each system independently and in parallel.

(2)前述の実施形態では、水素発生装置30で発生した水素を出力用燃料電池10に供給して発電を行う装置の例を示したが、水素発生装置30の代わりに、水素ボンベ、水素吸蔵合金などの水素貯蔵手段を用いることも可能である。その場合でも、出力用燃料電池10の流路空間内に最初に存在する窒素等の不純物ガスによる出力の低下を効果的に防止することができる。また、本発明のような発電装置では、消費電力に応じて出力用燃料電池10での水素消費量が変化するため、この性質を利用して、アノード側の流路空間11が負圧になったときに、水素発生剤を収容する燃料発生部が反応液を吸引できるように、水素発生装置30を構成してもよい。   (2) In the above-described embodiment, an example of an apparatus for generating power by supplying hydrogen generated in the hydrogen generator 30 to the output fuel cell 10 has been described. However, instead of the hydrogen generator 30, a hydrogen cylinder, hydrogen It is also possible to use hydrogen storage means such as a storage alloy. Even in this case, it is possible to effectively prevent a decrease in output due to an impurity gas such as nitrogen initially present in the flow path space of the output fuel cell 10. Further, in the power generation device as in the present invention, the hydrogen consumption in the output fuel cell 10 changes according to the power consumption. Therefore, using this property, the anode-side channel space 11 becomes negative pressure. In this case, the hydrogen generator 30 may be configured such that the fuel generator that contains the hydrogen generator can suck the reaction liquid.

(3)前述の実施形態では、複数の単位セルがアノード側を内側にしてセル保持体12に保持されて、アノード側に流路空間11が設けられている例を示したが、水素を供給するためのガス流路が、単位セル又は複数の単位セルに対して、予め形成されたものを用いてもよい。   (3) In the above-described embodiment, an example in which a plurality of unit cells are held by the cell holder 12 with the anode side inside, and the flow path space 11 is provided on the anode side has been described. As the gas flow path for this purpose, one formed in advance for the unit cell or the plurality of unit cells may be used.

また、このような燃料電池としては、少なくとも一方の側に、燃料等を供給するための流路を設けた単位セルが独立して構成された燃料電池、又はセパレータを介在させたスタックタイプの燃料電池などを使用することが可能である。   In addition, as such a fuel cell, a fuel cell in which a unit cell provided with a flow path for supplying fuel or the like is provided independently on at least one side, or a stack type fuel with a separator interposed A battery or the like can be used.

(4)前述の実施形態では、供給した水素ガスが弁21のみから排出される発電装置の例を示したが、本発明では、何れかのガスの経路に、一定以上の圧力でガスを開放する安全弁を設けることも可能である。また、このような安全弁の代わりに、圧力を検出する手段を何れかのガスの経路に設けて、制御手段23の操作信号により、弁21の開閉によって経路内の圧力一定以下に制御することも可能である。   (4) In the above-described embodiment, an example of a power generation device in which the supplied hydrogen gas is discharged only from the valve 21 is shown. However, in the present invention, the gas is opened to any gas path at a pressure higher than a certain level. It is also possible to provide a safety valve. Further, instead of such a safety valve, a means for detecting pressure may be provided in any gas path, and the pressure in the path may be controlled below a certain level by opening / closing the valve 21 by an operation signal of the control means 23. Is possible.

(5)前述の実施形態では、検出用燃料電池20からの出力を負荷手段22の両側の出力電圧により検出する例を示したが、本発明では、負荷手段22に流れる電流を直接測定する方法など、電流を検出することも可能である。   (5) In the above-described embodiment, the example in which the output from the detection fuel cell 20 is detected by the output voltage on both sides of the load means 22 has been shown. However, in the present invention, the method of directly measuring the current flowing through the load means 22 It is also possible to detect current.

実験例Experimental example

以下、本発明の効果を確認するための実験例等について説明する。   Examples of experiments for confirming the effects of the present invention will be described below.

実験例1(不純物ガスによる出力低下)
出力用燃料電池として、図1(b)に示す構造を有し、インサート成形した平面型セル(単位セル4枚分を直列接続したもの、単位セルの有効面積は4cm)を両側に2枚保持して、内部に流路空間(26mL)を形成したユニットを8つ用いた。その際、8つのユニットに対して、水素ガスの経路は直列に接続し、各ユニットの両側の発電セルが並列接続になるように、8つのユニットを直列接続した(4×8直列の2並列接続)。
Experimental Example 1 (Output reduction due to impurity gas)
The output fuel cell has the structure shown in FIG. 1 (b), and has two insert-molded planar cells (four unit cells connected in series, unit cell effective area 4 cm 2 ) on both sides. Eight units that were held and formed with a channel space (26 mL) inside were used. At that time, the hydrogen gas path is connected in series to the eight units, and the eight units are connected in series so that the power generation cells on both sides of each unit are connected in parallel (4 × 8 series in two parallels). Connection).

インサート成形には次の材料を使用した。即ち、金属板として金メッキした複数の開口を有するニッケル板、固体高分子電解質層としてのナフィオンフィルム(デュポン社製ナフィオン112、33mm×12mm、厚み15μm)、触媒層としての白金担持カーボン触媒、電極層としてのカーボンペーパー(厚み370μm、33mm×12mm)、成形用樹脂として樹脂((株)プライムポリマー製、ポリプロピレン樹脂、J−700GP)を用いた。   The following materials were used for insert molding. That is, a nickel plate having a plurality of openings plated with gold as a metal plate, a Nafion film as a solid polymer electrolyte layer (Nafion 112 manufactured by DuPont, 33 mm × 12 mm, thickness 15 μm), a platinum-supported carbon catalyst as a catalyst layer, an electrode layer Carbon paper (thickness: 370 μm, 33 mm × 12 mm), and resin (manufactured by Prime Polymer Co., Ltd., polypropylene resin, J-700GP) was used as a molding resin.

この出力用燃料電池のガスの排出口に、上記と同じ単位セル(有効面積は4cm)を片側に1つだけ保持して、内部に流路空間(0.8mL)を形成した検出用燃料電池の流路空間を接続した。この検出用燃料電池の出力には抵抗(0.4Ω)を電気的に接続した。検出用燃料電池のガスの排出口に電磁弁を設けて、手動で開閉を行った。この出力用燃料電池の出力を電子負荷機に接続し、出力電圧が22.4Vの一定になるように負荷を設定した(設定電圧に達するまでは、出力電流は最小となる)。電磁弁を開状態にし、水素ボンベから水素ガスを圧力20kPaで、出力用燃料電池のガスの供給口に供給した。出力用燃料電池の各々の単位セルの電圧がほぼ等しくなった後(約40秒後)、電磁弁を閉状態にした。 A fuel for detection in which only one unit cell (effective area is 4 cm 2 ) as described above is held on one side at the gas outlet of this output fuel cell, and a flow path space (0.8 mL) is formed inside. The flow path space of the battery was connected. A resistor (0.4Ω) was electrically connected to the output of this detection fuel cell. A solenoid valve was provided at the gas outlet of the fuel cell for detection, and was manually opened and closed. The output of this output fuel cell was connected to an electronic load machine, and the load was set so that the output voltage was constant at 22.4 V (the output current was minimized until the set voltage was reached). The solenoid valve was opened, and hydrogen gas was supplied from a hydrogen cylinder to the gas supply port of the output fuel cell at a pressure of 20 kPa. After the voltage of each unit cell of the output fuel cell became substantially equal (after about 40 seconds), the solenoid valve was closed.

このときの10番目、12番目、14番目、16番目の単位セルの電圧を図5に示す。この図が示すように、水素ガスの供給により、各単位セルの電圧が徐々に上昇し、設定された電圧まで上昇する。設定された電圧に達すると電子負荷機による負荷により、圧力差が生じて水素供給量がアンバランスとなり、最終段に近い単位セルの電圧が降下するが、やがて水素供給量がバランスされて、各単位セルの電圧がほぼ等しくなる。電磁弁が閉じられると、不純物ガスが最終段に近い単位セルに濃縮されていき、最終段に近い単位セルの電圧が降下する。このような部分的な単位セルの電圧降下により、出力電流が低下して、出力(電力)が低下する。   FIG. 5 shows the voltages of the 10th, 12th, 14th, and 16th unit cells at this time. As shown in this figure, the supply of hydrogen gas gradually increases the voltage of each unit cell to a set voltage. When the set voltage is reached, due to the load by the electronic load machine, a pressure difference occurs and the hydrogen supply amount becomes unbalanced, and the voltage of the unit cell near the final stage drops, but eventually the hydrogen supply amount is balanced, The unit cell voltages are almost equal. When the solenoid valve is closed, the impurity gas is concentrated in the unit cell near the final stage, and the voltage of the unit cell near the final stage drops. Due to such partial voltage drop of the unit cell, the output current is reduced and the output (power) is reduced.

実験例2(弁を制御する場合)
次ぎに、検出用燃料電池の出力に応じて、弁の開閉を制御する場合の実験を行った。マイコンユニットのプログラムを行って、検出用燃料電池の出力が第1閾値(0.5A)以下になると開動作の操作信号を電磁弁に送り、出力が第2閾値(0.6A)以上になると閉動作の操作信号を電磁弁に送る制御を行うようにした。この制御におけるループ処理の間隔は、0.05秒とした。このような制御を行うこと以外は、実験例1と同様の条件で、水素供給による発電を行った。
Experimental example 2 (when controlling a valve)
Next, an experiment was performed in which the opening and closing of the valve was controlled according to the output of the fuel cell for detection. When the microcomputer unit is programmed and the output of the fuel cell for detection falls below the first threshold (0.5 A), an opening operation signal is sent to the solenoid valve, and when the output exceeds the second threshold (0.6 A) Control to send the operation signal of the closing operation to the solenoid valve was performed. The loop processing interval in this control was set to 0.05 seconds. Except for performing such control, power was generated by supplying hydrogen under the same conditions as in Experimental Example 1.

このときの10番目、12番目、14番目、16番目の単位セルの電圧を図6に示す。この図が示すように、水素ガスの供給により、各単位セルの電圧が徐々に上昇し、設定された電圧まで上昇する。設定された電圧に達すると電子負荷機による負荷により、圧力差が生じて水素供給量がアンバランスとなり、最終段に近い単位セルの電圧が降下するが、やがて水素供給量がバランスされて、各単位セルの電圧がほぼ等しくなる。その状態の近づくと、出力用燃料電池の電流が第2閾値(0.6A)以上となり、制御手段による電磁弁の開閉が行われる。その結果、電磁弁から不純物ガスが効率良く排出され、最終段に近い単位セルの出力(電圧)の降下を防止することができた。   FIG. 6 shows the voltages of the 10th, 12th, 14th, and 16th unit cells at this time. As shown in this figure, the supply of hydrogen gas gradually increases the voltage of each unit cell to a set voltage. When the set voltage is reached, due to the load by the electronic load machine, a pressure difference occurs and the hydrogen supply amount becomes unbalanced, and the voltage of the unit cell near the final stage drops, but eventually the hydrogen supply amount is balanced, The unit cell voltages are almost equal. As that state approaches, the current of the output fuel cell becomes equal to or greater than the second threshold (0.6 A), and the electromagnetic valve is opened and closed by the control means. As a result, the impurity gas was efficiently discharged from the solenoid valve, and the output (voltage) drop of the unit cell close to the final stage could be prevented.

10 出力用燃料電池
11 流路空間
12 セル保持体
13 供給口
14 排出口
20 検出用燃料電池
20a 流路空間
20b 排出口
21 弁
22 負荷手段
23 制御手段
30 水素発生装置
31 DC−DCコンバータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Output fuel cell 11 Channel space 12 Cell holder 13 Supply port 14 Discharge port 20 Fuel cell for detection 20a Channel space 20b Discharge port 21 Valve 22 Load unit 23 Control unit 30 Hydrogen generator 31 DC-DC converter

Claims (4)

アノード側に設けた流路空間に供給された水素で発電を行い、外部に出力を行なう出力用燃料電池と、
アノード側に設けた流路空間に前記流路空間から排出されるガスを導いて、そのガスに含まれる水素で発電を行う検出用燃料電池と、
前記検出用燃料電池の流路空間に接続され、電気信号により開閉動作が可能な弁と、
前記検出用燃料電池の出力部に電気的に接続された抵抗器と、
前記検出用燃料電池の出力に基づいて、出力が第1閾値以下になると開動作の操作信号を送り、前記検出用燃料電池の出力が第2閾値以上になると閉動作の操作信号を送る制御手段と、を備える発電装置。
An output fuel cell that generates electricity with hydrogen supplied to a flow path space provided on the anode side and outputs the output to the outside;
A fuel cell for detection that guides the gas discharged from the flow path space to the flow path space provided on the anode side, and generates power with hydrogen contained in the gas;
A valve connected to the flow path space of the fuel cell for detection and capable of opening and closing by an electrical signal;
A resistor electrically connected to the output of the fuel cell for detection;
Based on the output of the fuel cell for detection, a control means for sending an operation signal for opening operation when the output falls below a first threshold value, and for sending an operation signal for closing operation when the output of the fuel cell for detection rises above a second threshold value. And a power generation device.
前記制御手段は、前記検出用燃料電池の出力が第1閾値以下になると開動作の操作信号を送り、前記検出用燃料電池の出力が第2閾値以上になると閉動作の操作信号を送る制御を行い、前記第1閾値は前記第2閾値の95%以下の値である請求項1に記載の発電装置。   The control means is configured to send an operation signal for an opening operation when the output of the fuel cell for detection becomes equal to or lower than a first threshold value, and to send an operation signal for a closing operation when the output of the fuel cell for detection becomes equal to or higher than a second threshold value. The power generation device according to claim 1, wherein the first threshold value is 95% or less of the second threshold value. 水素発生剤と反応液との反応で水素を発生させる水素発生手段を更に備え、発生した水素を前記出力用燃料電池の流路空間に供給する請求項1又は2に記載の発電装置。   The power generation device according to claim 1, further comprising hydrogen generation means for generating hydrogen by a reaction between the hydrogen generating agent and the reaction liquid, and supplying the generated hydrogen to a flow path space of the output fuel cell. 前記出力用燃料電池が複数並列に電気的に接続されており、各々の前記出力用燃料電池に対して前記検出用燃料電池、前記弁、及び前記抵抗器が各々設けられ、前記制御手段により前記弁が各々制御される請求項1〜3いずれかに記載の発電装置。
A plurality of the output fuel cells are electrically connected in parallel, and each of the output fuel cells is provided with the detection fuel cell, the valve, and the resistor. The power generator according to any one of claims 1 to 3, wherein each of the valves is controlled.
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