【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素化合物を含む水溶液より成る燃料と酸化剤とを化学反応させることで発電する燃料電池に関し、好適には携行に向く燃料電池に関するものであって、化学反応を速やかに開始させるために必要な熱エネルギーを燃料電池に供給する起動用ヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池とは、化学変化に伴うギブスエネルギーの減少分を直接電気エネルギーに変換するものであり、具体的には、水素等の燃料が酸化還元反応する際に生じるエネルギーを直接的に電気エネルギーとして得るものである。
【０００３】
燃料電池は、燃料と、酸素を外部から供給し続けることによって連続的に電気エネルギーを得ることができ、しかも、化学変化に伴うエネルギーを直接電気エネルギーに変換するので高効率であり、更に、発電装置の単位体積当たりのエネルギー密度が非常に高いので、自動車、家庭用電源、モバイル機器等への応用が期待されている。特に近年、モバイル機器に関しては、軽量化、充電無しでの長期利用への要望が高まってきており、このような観点からも燃料電池のモバイル機器への応用に対する期待が大きい。
【０００４】
現在、モバイル機器には一般に一次電池又は二次電池が利用されているが、これらの電池は燃料電池に比べて単位体積当たりのエネルギー密度が低く、長期的に電気エネルギーが必要な場合、予備の電池が必要であったり、充電が必要になってくる。充電を行う場合、利用場所が制限されたり、長時間を要するといった難点があり、これらの難点を解決するためにも小型で軽量で且つ長期利用に好適な燃料電池が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池として、例えば、水素吸蔵合金タンク及び燃料電池本体から構成されるポータブル燃料電池（特開平０９−０４５３５３号公報参照）があるが、燃料である水素を貯蔵するための水素吸蔵合金が必要であり、これが、燃料電池の重量を増加させてしまっている。
【０００６】
燃料電池の使用時には燃料電池を運転温度まで昇温させる必要があり、加熱用に制御装置等が取り付けられた起動用ヒータを搭載しているが、これによって装置自体が複雑となり、又、ヒータ用の電源も必要となってしまっている。
【０００７】
水素の貯蔵方法として高圧ボンベを用いることも可能であるが、この場合、高圧に耐え得る容器を作製しようとすると容器は肉厚になってしまい、装置全体が重くなってしまう。
【０００８】
燃料電池の加熱方法として、吸着剤が水を吸着する際に生じる吸着熱を用いて燃料電池を加熱する方法（特開平１０−１４４３３３号公報参照）があるが、この場合、吸着を開始させるために吸着剤を冷却する必要があり、冷却用の水を流すために別途電力を必要とする。
【０００９】
又、他の燃料電池の加熱方法として、化学反応発熱装置が発生する熱による燃料電池の加熱方法（平２−１４８６６０号公報参照）があるが、この場合、発熱装置が補給用容器に設けられているので、燃料電池が昇温されるのは燃料の補給時に限られてしまい、任意に燃料電池の運転を停止、再起動することが容易ではない。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、ヒータ用電源及び吸着剤の冷却が不要で、任意に加熱を行うことができる燃料電池システムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、燃料タンクと、燃料と酸化剤を化学反応させることで電力を発生するセルと、セルを加熱する起動用ヒータと、燃料をセルに供給する燃料供給管と、化学反応済み燃料を廃棄する廃液管と、酸化剤をセルに供給する酸化剤供給管と、化学反応済み酸化剤を廃棄する排気管を有する燃料電池システムが、化学反応により発生する熱を熱源とする起動用ヒータを有することを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、燃料タンクと、燃料と酸化剤を化学反応させることで電力を発生するセルと、セルを加熱する起動用ヒータと、燃料をセルに供給する燃料供給管と、化学反応済み燃料を廃棄する廃液管と、酸化剤をセルに供給する酸化剤供給管と、化学反応済み酸化剤を廃棄する排気管を有する燃料電池システムが、摩擦により発生する熱を熱源とする起動用ヒータを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、燃料タンクと、燃料と酸化剤を化学反応させることで電力を発生するセルと、セルを加熱する起動用ヒータと、燃料をセルに供給する燃料供給管と、化学反応済み燃料を廃棄する廃液管と、酸化剤をセルに供給する酸化剤供給管と、化学反応済み酸化剤を廃棄する排気管を有する燃料電池システムが、光を吸収することにより発生する熱を熱源とする起動用ヒータを有することを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、燃料タンクと、燃料と酸化剤を化学反応させることで電力を発生するセルと、セルを加熱する起動用ヒータと、燃料をセルに供給する燃料供給管と、化学反応済み燃料を廃棄する廃液管と、酸化剤をセルに供給する酸化剤供給管と、化学反応済み酸化剤を廃棄する排気管を有する燃料電池システムが、摩擦により発生する熱を熱源とする起動用ヒータと、化学反応により発生する熱を熱源とする起動用ヒータの２種類を用いることを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明は、燃料タンクと、燃料と酸化剤を化学反応させることで電力を発生するセルと、セルを加熱する起動用ヒータと、燃料をセルに供給する燃料供給管と、化学反応済み燃料を廃棄する廃液管と、酸化剤をセルに供給する酸化剤供給管と、化学反応済み酸化剤を廃棄する排気管を有する燃料電池システムが、摩擦により発生する熱を熱源とする起動用ヒータと、光を吸収することにより発生する熱を熱源とする起動用ヒータの２種類を用いることを特徴とする。
【００１６】
請求項６記載の発明は、燃料タンクと、燃料と酸化剤を化学反応させることで電力を発生するセルと、セルを加熱する起動用ヒータと、燃料をセルに供給する燃料供給管と、化学反応済み燃料を廃棄する廃液管と、酸化剤をセルに供給する酸化剤供給管と、化学反応済み酸化剤を廃棄する排気管を有する燃料電池システムが、化学反応により発生する熱を熱源とする起動用ヒータと、光を吸収することにより発生する熱を熱源とする起動用ヒータの２種類を用いることを特徴とする。
【００１７】
請求項７記載の発明は、燃料タンクと、燃料と酸化剤を化学反応させることで電力を発生するセルと、セルを加熱する起動用ヒータと、燃料をセルに供給する燃料供給管と、化学反応済み燃料を廃棄する廃液管と、酸化剤をセルに供給する酸化剤供給管と、化学反応済み酸化剤を廃棄する排気管を有する燃料電池システムが、摩擦により発生する熱を熱源とする起動用ヒータと、化学反応により発生する熱を熱源とする起動用ヒータと、光を吸収することにより発生する熱を熱源とする起動用ヒータの３種類を用いることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
本発明に係る燃料電池システムに用いる起動用ヒータについて以下に詳細に説明する。
【００２０】
起動用ヒータの熱エネルギー源として摩擦熱を用いる場合の一例を図４を用いて説明する。
【００２１】
図４に示すように、摩擦熱発生部位４０４を設けて回転子４０１を回転させることで、摩擦熱を発生させることができる。この場合、摩擦熱発生部位４０４を連続的に摩擦することが可能な回転運動によって安定した熱エネルギーを得ているが、所望の摩擦熱が得られる構成であれば、往復運動等を用いても構わない。又、図４において、摩擦熱発生部位４０４に一定の圧力を与えるために押し付けバネ４０３を設置しているが、押し付けバネの代わりに手で押し付けるようにしても構わない。更に、回転子４０１の一部に窪みを設けて、そこに指を掛けるようにして回転子４０１を回転させても良い。
【００２２】
摩擦熱を得る場合、押し付けバネ４０３以外にも、ベルト、ギア、テコ等も利用することが可能である。
【００２３】
上記手法を用いる場合、燃料電池の使用に応じて電力等によらずに複数回熱エネルギーを得ることができるので、特にモバイル機器を断続的に使用する場合に好適である。
【００２４】
上記手法を用いる場合、摩擦熱発生部位４０４の材料には、無機材料、有機材料の何れを用いることも可能であり、金属、セラミックス、プラスチィック等を用いることが可能である。有機材料を用いる場合は、耐熱性と耐磨耗性に優れた材料から選択される。又、これら材料は、表面の状態を制御することで摩擦抵抗等を制御することが可能である。尚、摩擦熱発生部位は、必要に応じて複数個設けることが可能である。
【００２５】
起動用ヒータの熱エネルギー源として化学反応を用いる場合の一例としては、図５及び図６に示すように、発熱剤５０３，６０４を設ける構造とする。又、別の一例としては、図７に示すように、発熱剤７０２と発熱開始剤７０４とを設ける構造とする。発熱剤７０２と発熱開始剤７０４の組合せとしては、酸化カルシウムと水若しくはシリカゲルと水等を用いることが可能であり、鉄、水、活性炭、食塩等の化合物と空気を用いることも可能である。
【００２６】
上記組合せ以外であっても、発熱を伴う化学反応を生じる物質の組合せであれば、任意のものを用いることが可能である。この場合、必要な発熱量、発熱時間等に応じて、発熱剤や発熱開始剤の量、形状、組成等を制御することが可能である。
【００２７】
図５〜図７に示す膜５０２，６０３，７０３は、耐薬品性、耐熱性等に優れた材料から選択され、膜５０１，６０２は除去可能なものとする。膜７０１は形状を変形可能なものとするが、塑性変形材料、弾性変形材料の何れでも良く、耐薬品性、耐熱性等に優れた材料から選択される。この場合、発熱剤５０３，６０４及び発熱剤７０２と発熱開始剤７０４の対より成る起動用ヒータは複数個設けることにより、複数回の起動用熱エネルギーを供給することが可能となる。これにより、断続的な電力供給が可能となる。
【００２８】
図５及び図７に示す例は、燃料電池に発熱部位を埋め込む方式となっているが、この場合、発熱部位又は発熱部位群を支持する構造体が燃料電池から分離できる構造としておくことで、交換が可能となり、該燃料電池に対して未使用の発熱部位を再形成することが可能となる。又、図６に示すように、取り外し式の容器６０１を用いることも可能である。
【００２９】
化学反応を開始させる場合、膜５０１，６０２を除去したり、膜７０３を破るか割るかする。
【００３０】
起動用ヒータの熱エネルギー源として光を用いる場合の一例としては、図８に示すように、レンズ８０１によって集光部位８０２に光が集光するような構造とする。
【００３１】
図８においては、レンズの重量、体積等の優位性の観点からフレネルレンズを用いているが、リニアフレネルレンズ、シリンドリカルレンズ、凸レンズ等を用いることが可能であり、更にこれらのレンズを組合せるとも可能である。この場合、集光部位８０２は光の吸収率の高い材料、構造、色から選択される。この場合、レンズ８０１上部に対して蓋を設けることで光を遮断し、加熱を停止させることが可能である。
【００３２】
上記種々の起動用ヒータは、単独で用いることが可能であるが、複数の起動用ヒータを組合せることで、使用環境等に応じて熱エネルギーの供給方法を選択することが可能となる。
【００３３】
上記種々の起動用ヒータは構造が簡単なので、燃料電池の軽量化、小型化等が容易であり、モバイル機器の電源として好適である。具体的には、図２に示すようなモバイル機器２０１（この場合、携帯電話）の電源として利用することが可能である。この場合、モバイル機器２０１は携帯可能なサイズであり、これに電力を供給する燃料電池２０２は携帯可能なサイズである。
【００３４】
上記種々の起動用ヒータの実装例を図３を用いて説明する。
【００３５】
起動用ヒータはセルに隣接するように設置する構成とし、セルを直接的に加熱する。セル内に形成されている触媒層を直接的又は間接的に加熱することが可能な位置であれば、何れの位置に起動用ヒータを形成しても良いが、望ましくは燃料供給管３０４近傍のセル３０２に隣接する位置を起動用ヒータ設置部３０７とする。これは、燃料電池内の化学反応、
アノード反応 ：ＣＨ３ ＯＨ＋Ｈ２ Ｏ→ＣＯ２ ＋６Ｈ＋ ＋６ｅ−
カソード反応 ：３／２Ｏ２ ＋６Ｈ＋ ＋６ｅ− →３Ｈ２ Ｏ
トータルの反応：ＣＨ３ ＯＨ＋３／２Ｏ２ →ＣＯ２ ＋２Ｈ２ Ｏ
において、トータルの化学反応が発熱を伴うため、燃料供給管３０４近傍のセル３０２での化学反応によって生じる熱がそこを流れる燃料を暖めてセル全体の加熱を速やかに進行させるためである。
【００３６】
上記燃料電池システムが有するセルの構成の概略図を図１に示す。
【００３７】
セルは簡単には、電解質膜１０１、アノード触媒層１０２、カソード触媒層１０３、集電板１０４，１０５、燃料流路１０６、酸化剤流路１０７から成り、触媒層表面で上記化学反応が起こることで電力が発生する。ここで、セルの構成として、例えば図１に示す構成を複数層形成することで発電効率を高めることができる。この場合、半導体プロセスを応用して上記セルを作製することで、燃料電池システムの小型化、高出力化が可能となる。
【００３８】
［実施例］
以下に本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本実施例にて、図３及び図４を用いて燃料電池システムについて説明する。図３は燃料電池システムの構成を示す図である。これに図４に示す起動用ヒータを設置する。
【００３９】
燃料電池内の触媒上で炭化水素化合物から水素イオンが生じ、これが空気中の酸素と結合する時に電力が得られる。ここで、触媒の温度を上昇させることで、水素イオンが発生し易くなるので、触媒を暖め易い位置に図４に示す起動用ヒータを設置する。具体的には、燃料供給管３０４に近い起動用ヒータ設置部３０７に起動用ヒータを設置する。該起動用ヒータの把手４０２を回すと、回転子４０１が回転する。これに伴い、摩擦熱発生部位４０４で摩擦熱が発生し、これが触媒を加熱する。
【００４０】
触媒の加熱により電力が発生し始めると、集電抵抗による発熱、反応熱等によってセル３０２は起動用ヒータの熱エネルギー無しで暖まり始める。更に、燃料供給管３０４近傍で発生し始める熱はそこを通る燃料も暖めるので、セル３０２がスムーズ且つ自動的に暖められ始め、定格出力に速やかに達する。
（実施例２）
本実施例にて、図３及び図５を用いて燃料電池システムについて説明する。図３は燃料電池システムの構成を示す図である。これに図５に示す起動用ヒータを設置する。
【００４１】
燃料電池内の触媒上で炭化水素化合物から水素イオンが生じ、これが空気中の酸素と結合する時に電力が得られる。ここで、触媒の温度を上昇させることで、水素イオンが発生し易くなるので、触媒を暖め易い位置に図５に示す起動用ヒータ１０個を設置する。具体的には、燃料供給管３０４に近い起動用ヒータ設置部３０７に起動用ヒータを設置する。該起動用ヒータの内、１つの膜５０１を剥がすと、鉄、水、活性炭、食塩等の化合物より成る発熱剤が空気中の酸素と化学反応を開始する。これに伴い、反応熱発生し、これが触媒を加熱する。
【００４２】
触媒の加熱により電力が発生し始めると、集電抵抗による発熱、反応熱等によってセル３０２は起動用ヒータの熱エネルギー無しで暖まり始める。更に、燃料供給管３０４近傍で発生し始める熱はそこを通る燃料も暖めるので、セル３０２がスムーズ且つ自動的に暖められ始め、定格出力に速やかに達する。
（実施例３）
本実施例にて、図３及び図８を用いて燃料電池システムについて説明する。図３は燃料電池システムの構成を示す図である。これに図８に示す起動用ヒータを設置する。
【００４３】
燃料電池内の触媒上で炭化水素化合物から水素イオンが生じ、これが空気中の酸素と結合する時に電力が得られる。ここで、触媒の温度を上昇させることで、水素イオンが発生し易くなるので、触媒を暖め易い位置に図８に示す起動用ヒータを設置する。具体的には、燃料供給管３０４に近い起動用ヒータ設置部３０７に起動用ヒータを設置する。該起動用ヒータのレンズ８０１に光を当てると、集光部位８０２に光が集光し、これに伴い熱が発生し、これが触媒を加熱する。
【００４４】
触媒の加熱により電力が発生し始めると、集電抵抗による発熱、反応熱等によってセル３０２は起動用ヒータの熱エネルギー無しで暖まり始める。更に、燃料供給管３０４近傍で発生し始める熱はそこを通る燃料も暖めるので、セル３０２がスムーズ且つ自動的に暖められ始め、定格出力に速やかに達する。
（実施例４）
本実施例にて、図３、図５及び図８を用いて燃料電池システムについて説明する。図３は燃料電池システムの構成を示す図である。これに図５及び図８に示す起動用ヒータを設置する。
【００４５】
燃料電池内の触媒上で炭化水素化合物から水素イオンが生じ、これが空気中の酸素と結合する時に電力が得られる。ここで、触媒の温度を上昇させることで、水素イオンが発生し易くなるので，触媒を暖め易い位置に図５及び図８に示す起動用ヒータを設置する。具体的には、燃料供給管３０４に近い起動用ヒータ設置部３０７に起動用ヒータを設置する。図５に示す起動用ヒータは１０個設置する。
【００４６】
燃料電池使用に当たって周辺に集光可能な光が無く、図８に示す起動用ヒータを用いることができないため、図５に示す起動用ヒータを用いる。
【００４７】
起動用ヒータの内、１つの膜５０１を剥がすと、鉄、水、活性炭、食塩等の化合物より成る発熱剤が空気中の酸素と化学反応を開始する。これに伴い、反応熱発生し、これが触媒を加熱する。
【００４８】
触媒の加熱により電力が発生し始めると、集電抵抗による発熱、反応熱等によってセル３０２は起動用ヒータの熱エネルギー無しで暖まり始める。更に、燃料供給管３０４近傍で発生し始める熱はそこを通る燃料も暖めるので、セル３０２がスムーズ且つ自動的に暖められ始め、定格出力に速やかに達する。
（実施例５）
本実施例にて、図３、図４及び図８を用いて燃料電池システムについて説明する。図３は燃料電池システムの構成を示す図である。これに図４及び図８に示す起動用ヒータを設置する。
【００４９】
燃料電池内の触媒上で炭化水素化合物から水素イオンが生じ、これが空気中の酸素と結合する時に電力が得られる。ここで、触媒の温度を上昇させることで、水素イオンが発生し易くなるので、触媒を暖め易い位置に図４及び図８に示す起動用ヒータを設置する。具体的には、燃料供給管３０４に近い起動用ヒータ設置部３０７に起動用ヒータを設置する。
【００５０】
燃料電池使用に当たって周辺に集光可能な光が無く、図８に示す起動用ヒータを用いることができないため、図４に示す起動用ヒータを用いる。
【００５１】
起動用ヒータの把手４０２を回すと、回転子４０１が回転する。これに伴い、摩擦熱発生部位４０４で摩擦熱が発生し、これが触媒を加熱する。
【００５２】
触媒の加熱により電力が発生し始めると、集電抵抗による発熱、反応熱等によってセル３０２は起動用ヒータの熱エネルギー無しで暖まり始める。更に、燃料供給管３０４近傍で発生し始める熱はそこを通る燃料も暖めるので、セル３０２がスムーズ且つ自動的に暖められ始め、定格出力に速やかに達する。
（実施例６）
本実施例にて、図３、図４及び図５を用いて燃料電池システムについて説明する。図３は燃料電池システムの構成を示す図である。これに図４及び図５に示す起動用ヒータを設置する。
【００５３】
燃料電池内の触媒上で炭化水素化合物から水素イオンが生じ、これが空気中の酸素と結合する時に電力が得られる。ここで、触媒の温度を上昇させることで、水素イオンが発生し易くなるので、触媒を暖め易い位置に図４及び図５に示す起動用ヒータを設置する。具体的には、燃料供給管３０４に近い起動用ヒータ設置部３０７に起動用ヒータを設置する。図５に示す起動用ヒータは１０個設置する。
【００５４】
燃料電池使用に当たって燃料電池に形成されている化学反応を用いる起動用ヒータを全て使い切ってしまい、図５に示す起動用ヒータを用いることができないため、図４に示す起動用ヒータを用いる。
【００５５】
起動用ヒータの把手４０２を回すと、回転子４０１が回転する。これに伴い、摩擦熱発生部位４０４で摩擦熱が発生し、これが触媒を加熱する。
【００５６】
触媒の加熱により電力が発生し始めると、集電抵抗による発熱、反応熱等によってセル３０２は起動用ヒータの熱エネルギー無しで暖まり始める。更に、燃料供給管３０４近傍で発生し始める熱はそこを通る燃料も暖めるので、セル３０２がスムーズ且つ自動的に暖められ始め、定格出力に速やかに達する。
（実施例７）
本実施例にて、図３、図４、図５及び８を用いて燃料電池システムについて説明する。図３は燃料電池システムの構成を示す図である。これに図４、図５及び図８に示す起動用ヒータを設置する。
【００５７】
燃料電池内の触媒上で炭化水素化合物から水素イオンが生じ、これが空気中の酸素と結合する時に電力が得られる。ここで、触媒の温度を上昇させることで、水素イオンが発生し易くなるので、触媒を暖め易い位置に図４、図５及び図８に示す起動用ヒータを設置する。具体的には、燃料供給管３０４に近い起動用ヒータ設置部３０７に起動用ヒータを設置する。図５に示す起動用ヒータは１０個設置する。
【００５８】
燃料電池使用に当たって燃料電池に形成されている化学反応を用いる起動用ヒータを全て使い切ってしまい、図５に示す起動用ヒータを用いることができず、周辺に集光可能な光が無く、図８に示す起動用ヒータを用いることができず、図４に示す起動用ヒータを用いる。
【００５９】
起動用ヒータの把手４０２を回すと、回転子４０１が回転する。これに伴い、摩擦熱発生部位４０４で摩擦熱が発生し、これが触媒を加熱する。
【００６０】
触媒の加熱により電力が発生し始めると、集電抵抗による発熱、反応熱等によってセル３０２は起動用ヒータの熱エネルギー無しで暖まり始める。更に、燃料供給管３０４近傍で発生し始める熱はそこを通る燃料も暖めるので、セル３０２がスムーズ且つ自動的に暖められ始め、定格出力に速やかに達する。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池システムでは燃料電池の起動用の熱エネルギーの供給に、摩擦により発生する熱、化学反応により発生する熱、光を吸収することにより発生する熱の内の何れかを利用することができる。
【００６２】
上記熱エネルギーの発生手段は電力等を必要としないため、燃料電池システムの小型化、軽量化を可能にし、又、燃料電池を任意に起動させることができるので、モバイル機器用燃料電池の起動用として適する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システム内のセル内の構成の概略を示す図である。
【図２】本発明の燃料電池の実装例を示す図である。
【図３】本発明の燃料電池システムの概要を示す断面図である。
【図４】本発明の起動用ヒータの構成を示す概略図である。
【図５】本発明の起動用ヒータの構成を示す概略図である。
【図６】本発明の起動用ヒータの構成を示す概略図である。
【図７】本発明の起動用ヒータの構成を示す概略図である。
【図８】本発明の起動用ヒータの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１０１ 電解質膜
１０２ アノード触媒層
１０３ カソード触媒層
１０４ 集電板
１０５ 集電板
１０６ 燃料通路
１０７ 酸化剤流路
１０８ 負荷
２０１ モバイル機器
２０２ 燃料電池
３０１ 燃料電池
３０２ セル
３０３ 燃料タンク
３０４ 燃料供給管
３０５ 廃液管
３０６ 酸化剤供給管
３０７ 起動用ヒータ設置部
４０１ 回転子
４０２ 把手
４０３ 押し付けバネ
４０４ 摩擦熱発生部位
４０５ セル
４０６ 回転軸[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell that generates power by chemically reacting a fuel composed of an aqueous solution containing a hydrocarbon compound with an oxidizing agent, and preferably relates to a fuel cell that is suitable for carrying, and quickly starts a chemical reaction. For supplying start-up heat energy necessary for the fuel cell to the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a device that directly converts the decrease in Gibbs energy due to a chemical change into electric energy.Specifically, energy generated when a fuel such as hydrogen undergoes a redox reaction is directly converted into electric energy. What you get.
[0003]
Fuel cells can continuously obtain electric energy by continuously supplying fuel and oxygen from the outside, and are highly efficient because they directly convert energy accompanying chemical changes into electric energy. Since the energy density per unit volume of the device is very high, it is expected to be applied to automobiles, home power supplies, mobile devices and the like. In particular, in recent years, there has been an increasing demand for mobile devices to be lightweight and have long-term use without charging, and from such a viewpoint, there is great expectation for application of fuel cells to mobile devices.
[0004]
At present, primary batteries or secondary batteries are generally used in mobile devices.These batteries have a lower energy density per unit volume than fuel cells, and if electrical energy is needed for a long period of time, a spare battery is required. Batteries are needed and charging is required. When charging is performed, there are disadvantages such as a limited use place and a long time. To solve these disadvantages, a small and lightweight fuel cell suitable for long-term use is demanded.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As a conventional fuel cell, for example, there is a portable fuel cell (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-045353) composed of a hydrogen storage alloy tank and a fuel cell body, but a hydrogen storage alloy for storing hydrogen as a fuel is used. Required, which adds to the weight of the fuel cell.
[0006]
When using a fuel cell, it is necessary to raise the temperature of the fuel cell to the operating temperature, and a starting heater equipped with a control device and the like for heating is mounted. Power supply is also needed.
[0007]
Although a high-pressure cylinder can be used as a hydrogen storage method, in this case, if a container capable of withstanding high pressure is to be manufactured, the container becomes thick and the entire device becomes heavy.
[0008]
As a method of heating the fuel cell, there is a method of heating the fuel cell using the heat of adsorption generated when the adsorbent adsorbs water (see Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-144333). It is necessary to cool the adsorbent, and an additional electric power is required to flow cooling water.
[0009]
As another heating method of the fuel cell, there is a heating method of the fuel cell by the heat generated by the chemical reaction heating device (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-148660). In this case, the heating device is provided in the supply container. Therefore, the temperature of the fuel cell is raised only when the fuel is supplied, and it is not easy to arbitrarily stop and restart the operation of the fuel cell.
[0010]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of arbitrarily heating without requiring cooling of a heater power supply and an adsorbent.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 provides a fuel tank, a cell for generating electric power by chemically reacting a fuel with an oxidant, a starting heater for heating the cell, and supplying fuel to the cell. A fuel cell system having a fuel supply pipe for discharging a chemically reacted fuel, a waste liquid pipe for discharging a chemically reacted oxidant, an oxidant supply pipe for supplying an oxidant to a cell, and an exhaust pipe for discharging the chemically reacted oxidant is formed by a chemical reaction. It is characterized by having a starting heater using the generated heat as a heat source.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel tank, a cell for generating electric power by chemically reacting a fuel with an oxidant, a starting heater for heating the cell, a fuel supply pipe for supplying the fuel to the cell, and a fuel supply pipe. A fuel cell system having a waste liquid pipe for discarding the reacted fuel, an oxidant supply pipe for supplying the oxidant to the cell, and an exhaust pipe for discarding the chemically reacted oxidant starts up using heat generated by friction as a heat source. Characterized by having a heater for heating.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a fuel tank, a cell for generating electric power by chemically reacting a fuel and an oxidant, a starting heater for heating the cell, a fuel supply pipe for supplying the fuel to the cell, and a fuel supply pipe. A fuel cell system having a waste liquid pipe for discarding the reacted fuel, an oxidant supply pipe for supplying the oxidant to the cell, and an exhaust pipe for discarding the chemically reacted oxidant generates heat generated by absorbing light. It has a starting heater as a heat source.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel tank, a cell for generating electric power by chemically reacting a fuel with an oxidant, a starting heater for heating the cell, a fuel supply pipe for supplying the fuel to the cell, A fuel cell system having a waste liquid pipe for discarding the reacted fuel, an oxidant supply pipe for supplying the oxidant to the cell, and an exhaust pipe for discarding the chemically reacted oxidant starts up using heat generated by friction as a heat source. It is characterized in that two types of heaters are used: a heater for heating and a starting heater using heat generated by a chemical reaction as a heat source.
[0015]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a fuel tank, a cell for generating electric power by chemically reacting a fuel and an oxidant, a starting heater for heating the cell, a fuel supply pipe for supplying the fuel to the cell, and a fuel supply pipe. A fuel cell system having a waste liquid pipe for discarding the reacted fuel, an oxidant supply pipe for supplying the oxidant to the cell, and an exhaust pipe for discarding the chemically reacted oxidant starts up using heat generated by friction as a heat source. It is characterized in that two types of heaters are used: a heater for heating, and a heater for starting which uses heat generated by absorbing light as a heat source.
[0016]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a fuel tank, a cell for generating electric power by chemically reacting a fuel and an oxidant, a starting heater for heating the cell, a fuel supply pipe for supplying the fuel to the cell, A fuel cell system having a waste liquid pipe for discarding a reacted fuel, an oxidant supply pipe for supplying an oxidant to a cell, and an exhaust pipe for discarding a chemically reacted oxidant uses heat generated by a chemical reaction as a heat source. It is characterized in that two types of heaters are used: a starting heater and a starting heater that uses heat generated by absorbing light as a heat source.
[0017]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a fuel tank, a cell for generating electric power by chemically reacting a fuel with an oxidant, a starting heater for heating the cell, a fuel supply pipe for supplying the fuel to the cell, and a chemical supply pipe. A fuel cell system having a waste liquid pipe for discarding the reacted fuel, an oxidant supply pipe for supplying the oxidant to the cell, and an exhaust pipe for discarding the chemically reacted oxidant starts up using heat generated by friction as a heat source. It is characterized in that three types of heaters are used: a heating heater, a starting heater using heat generated by a chemical reaction as a heat source, and a starting heater using heat generated by absorbing light as a heat source.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0019]
The starting heater used in the fuel cell system according to the present invention will be described in detail below.
[0020]
An example in which frictional heat is used as a heat energy source of the starting heater will be described with reference to FIG.
[0021]
As shown in FIG. 4, frictional heat can be generated by providing the frictional heat generating portion 404 and rotating the rotor 401. In this case, stable thermal energy is obtained by a rotational motion capable of continuously rubbing the frictional heat generating portion 404, but a reciprocating motion or the like may be used as long as a desired frictional heat can be obtained. I do not care. Further, in FIG. 4, the pressing spring 403 is provided to apply a constant pressure to the frictional heat generating portion 404. However, the pressing spring 403 may be pressed by hand instead of the pressing spring. Further, a recess may be provided in a part of the rotor 401, and the rotor 401 may be rotated by putting a finger on the recess.
[0022]
When obtaining frictional heat, a belt, a gear, a lever, and the like can be used in addition to the pressing spring 403.
[0023]
When the above method is used, thermal energy can be obtained a plurality of times without depending on electric power or the like in accordance with the use of the fuel cell, and therefore, it is particularly suitable when a mobile device is used intermittently.
[0024]
In the case of using the above method, any of an inorganic material and an organic material can be used as a material of the frictional heat generating portion 404, and a metal, a ceramic, a plastic, or the like can be used. When an organic material is used, it is selected from materials having excellent heat resistance and abrasion resistance. Further, these materials can control the frictional resistance and the like by controlling the surface condition. It should be noted that a plurality of friction heat generating portions can be provided as needed.
[0025]
As an example of a case where a chemical reaction is used as a heat energy source of the start-up heater, a structure in which exothermic agents 503 and 604 are provided as shown in FIGS. As another example, as shown in FIG. 7, a structure in which a heat generating agent 702 and a heat generating initiator 704 are provided. As a combination of the exothermic agent 702 and the exothermic initiator 704, calcium oxide and water or silica gel and water can be used, and a compound such as iron, water, activated carbon, and sodium chloride and air can also be used.
[0026]
Any combination other than the above-described combinations may be used as long as it is a combination of substances that cause a chemical reaction accompanied by heat generation. In this case, it is possible to control the amount, shape, composition, and the like of the exothermic agent and exothermic initiator according to the required amount of heat, the required heat generation time, and the like.
[0027]
The films 502, 603, and 703 shown in FIGS. 5 to 7 are selected from materials having excellent chemical resistance and heat resistance, and the films 501 and 602 can be removed. The film 701 can be deformed in shape, but may be any of a plastically deformable material and an elastically deformable material, and is selected from materials having excellent chemical resistance, heat resistance, and the like. In this case, by providing a plurality of starting heaters including the exothermic agents 503 and 604 and a pair of the exothermic agent 702 and the exothermic initiator 704, it is possible to supply the starting thermal energy a plurality of times. This allows for intermittent power supply.
[0028]
The example shown in FIGS. 5 and 7 has a method of embedding a heat generating part in the fuel cell. In this case, the structure supporting the heat generating part or the heat generating part group is configured to be separable from the fuel cell. The fuel cell can be replaced, and an unused heat generating portion can be formed again for the fuel cell. Further, as shown in FIG. 6, a detachable container 601 can be used.
[0029]
When starting a chemical reaction, the films 501 and 602 are removed, and the film 703 is broken or broken.
[0030]
As an example of a case where light is used as a thermal energy source of the starting heater, as shown in FIG. 8, a structure is used in which light is condensed on a condensing portion 802 by a lens 801.
[0031]
In FIG. 8, a Fresnel lens is used from the viewpoint of superiority in weight, volume, and the like of the lens. However, a linear Fresnel lens, a cylindrical lens, a convex lens, or the like can be used. It is possible. In this case, the condensing portion 802 is selected from a material, a structure, and a color having a high light absorption rate. In this case, by providing a lid on the upper part of the lens 801, light can be blocked and heating can be stopped.
[0032]
The above-mentioned various starting heaters can be used alone, but by combining a plurality of starting heaters, it becomes possible to select a heat energy supply method according to a use environment or the like.
[0033]
Since the above-mentioned various starting heaters have a simple structure, the weight and size of the fuel cell can be easily reduced and the fuel cell is suitable as a power source for a mobile device. Specifically, it can be used as a power source for a mobile device 201 (in this case, a mobile phone) as shown in FIG. In this case, the mobile device 201 has a portable size, and the fuel cell 202 for supplying electric power to the mobile device 201 has a portable size.
[0034]
The mounting examples of the above-mentioned various starting heaters will be described with reference to FIG.
[0035]
The starting heater is arranged so as to be adjacent to the cell, and directly heats the cell. As long as the catalyst layer formed in the cell can be heated directly or indirectly, the starting heater may be formed at any position. A position adjacent to the cell 302 is referred to as a starting heater installation section 307. This is the chemical reaction in the fuel cell,
Anode reaction: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e −
Cathode reaction: 3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O
Total reaction: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
In this case, since the total chemical reaction is accompanied by heat generation, the heat generated by the chemical reaction in the cell 302 near the fuel supply pipe 304 warms the fuel flowing therethrough, thereby promptly heating the entire cell.
[0036]
FIG. 1 shows a schematic diagram of a configuration of a cell included in the fuel cell system.
[0037]
The cell is simply composed of an electrolyte membrane 101, an anode catalyst layer 102, a cathode catalyst layer 103, current collector plates 104 and 105, a fuel flow path 106, and an oxidant flow path 107. Generates power. Here, as the cell configuration, for example, the power generation efficiency can be increased by forming a plurality of layers of the configuration illustrated in FIG. In this case, by manufacturing the above-described cell by applying a semiconductor process, the fuel cell system can be reduced in size and output can be increased.
[0038]
[Example]
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
(Example 1)
In this embodiment, a fuel cell system will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the fuel cell system. The starting heater shown in FIG. 4 is installed in this.
[0039]
Hydrogen ions are generated from the hydrocarbon compounds on the catalyst in the fuel cell, and power is obtained when these ions combine with oxygen in the air. Here, by increasing the temperature of the catalyst, hydrogen ions are likely to be generated. Therefore, the starting heater shown in FIG. 4 is installed at a position where the catalyst is easily heated. Specifically, a start-up heater is installed in a start-up heater installation section 307 close to the fuel supply pipe 304. When the handle 402 of the starting heater is turned, the rotor 401 rotates. Along with this, frictional heat is generated at the frictional heat generating portion 404, and this heats the catalyst.
[0040]
When electric power starts to be generated due to the heating of the catalyst, the cell 302 starts to warm up without heat energy of the starting heater due to heat generation, reaction heat, and the like due to the current collecting resistance. Further, the heat that begins to be generated in the vicinity of the fuel supply pipe 304 also warms the fuel passing therethrough, so that the cell 302 starts to warm up smoothly and automatically, and quickly reaches the rated output.
(Example 2)
In this embodiment, a fuel cell system will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the fuel cell system. The starting heater shown in FIG. 5 is installed in this.
[0041]
Hydrogen ions are generated from the hydrocarbon compounds on the catalyst in the fuel cell, and power is obtained when these ions combine with oxygen in the air. Here, by increasing the temperature of the catalyst, hydrogen ions are likely to be generated. Therefore, ten startup heaters shown in FIG. 5 are installed at a position where the catalyst is easily heated. Specifically, a start-up heater is installed in a start-up heater installation section 307 close to the fuel supply pipe 304. When one of the films 501 is peeled from the heater for heating, a heating agent composed of a compound such as iron, water, activated carbon, and salt starts a chemical reaction with oxygen in the air. Along with this, reaction heat is generated, which heats the catalyst.
[0042]
When electric power starts to be generated due to the heating of the catalyst, the cell 302 starts to warm up without heat energy of the starting heater due to heat generation, reaction heat, and the like due to the current collecting resistance. Further, the heat that begins to be generated in the vicinity of the fuel supply pipe 304 also warms the fuel passing therethrough, so that the cell 302 starts to warm up smoothly and automatically, and quickly reaches the rated output.
(Example 3)
In this embodiment, a fuel cell system will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the fuel cell system. The starting heater shown in FIG. 8 is installed in this.
[0043]
Hydrogen ions are generated from the hydrocarbon compounds on the catalyst in the fuel cell, and power is obtained when these ions combine with oxygen in the air. Here, by increasing the temperature of the catalyst, hydrogen ions are likely to be generated. Therefore, the starting heater shown in FIG. 8 is installed at a position where the catalyst is easily heated. Specifically, a start-up heater is installed in a start-up heater installation section 307 close to the fuel supply pipe 304. When light is applied to the lens 801 of the start-up heater, the light is collected at the light-collecting portion 802, and heat is generated with the light, which heats the catalyst.
[0044]
When electric power starts to be generated due to the heating of the catalyst, the cell 302 starts to warm up without heat energy of the starting heater due to heat generation, reaction heat, and the like due to the current collecting resistance. Further, the heat that begins to be generated in the vicinity of the fuel supply pipe 304 also warms the fuel passing therethrough, so that the cell 302 starts to warm up smoothly and automatically, and quickly reaches the rated output.
(Example 4)
In this embodiment, a fuel cell system will be described with reference to FIGS. 3, 5, and 8. FIG. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the fuel cell system. The starting heater shown in FIGS. 5 and 8 is installed in this.
[0045]
Hydrogen ions are generated from the hydrocarbon compounds on the catalyst in the fuel cell, and power is obtained when these ions combine with oxygen in the air. Here, by increasing the temperature of the catalyst, hydrogen ions are likely to be generated. Therefore, the starting heater shown in FIGS. 5 and 8 is installed at a position where the catalyst can be easily warmed. Specifically, a start-up heater is installed in a start-up heater installation section 307 close to the fuel supply pipe 304. Five startup heaters shown in FIG. 5 are provided.
[0046]
When the fuel cell is used, there is no light that can be condensed around, and the heater for starting shown in FIG. 8 cannot be used. Therefore, the heater for starting shown in FIG. 5 is used.
[0047]
When one of the films 501 is peeled from the starting heater, the exothermic agent made of a compound such as iron, water, activated carbon, and salt starts a chemical reaction with oxygen in the air. Along with this, reaction heat is generated, which heats the catalyst.
[0048]
When electric power starts to be generated due to the heating of the catalyst, the cell 302 starts to warm up without heat energy of the starting heater due to heat generation, reaction heat, and the like due to the current collecting resistance. Further, the heat that begins to be generated in the vicinity of the fuel supply pipe 304 also warms the fuel passing therethrough, so that the cell 302 starts to warm up smoothly and automatically, and quickly reaches the rated output.
(Example 5)
In this embodiment, a fuel cell system will be described with reference to FIGS. 3, 4, and 8. FIG. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the fuel cell system. The starting heater shown in FIGS. 4 and 8 is installed in this.
[0049]
Hydrogen ions are generated from the hydrocarbon compounds on the catalyst in the fuel cell, and power is obtained when these ions combine with oxygen in the air. Here, by increasing the temperature of the catalyst, hydrogen ions are likely to be generated. Therefore, the starting heater shown in FIGS. 4 and 8 is provided at a position where the catalyst can be easily warmed. Specifically, a start-up heater is installed in a start-up heater installation section 307 close to the fuel supply pipe 304.
[0050]
When the fuel cell is used, there is no light that can be condensed around the fuel cell, and the starting heater shown in FIG. 8 cannot be used. Therefore, the starting heater shown in FIG. 4 is used.
[0051]
When the handle 402 of the starting heater is turned, the rotor 401 rotates. Along with this, frictional heat is generated at the frictional heat generating portion 404, and this heats the catalyst.
[0052]
When electric power starts to be generated due to the heating of the catalyst, the cell 302 starts to warm up without heat energy of the starting heater due to heat generation, reaction heat, and the like due to the current collecting resistance. Further, the heat that begins to be generated in the vicinity of the fuel supply pipe 304 also warms the fuel passing therethrough, so that the cell 302 starts to warm up smoothly and automatically, and quickly reaches the rated output.
(Example 6)
In this embodiment, a fuel cell system will be described with reference to FIGS. 3, 4, and 5. FIG. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the fuel cell system. The starting heater shown in FIGS. 4 and 5 is installed in this.
[0053]
Hydrogen ions are generated from the hydrocarbon compounds on the catalyst in the fuel cell, and power is obtained when these ions combine with oxygen in the air. Here, by raising the temperature of the catalyst, hydrogen ions are likely to be generated. Therefore, the starting heater shown in FIGS. 4 and 5 is installed at a position where the catalyst is easily heated. Specifically, a start-up heater is installed in a start-up heater installation section 307 close to the fuel supply pipe 304. Five startup heaters shown in FIG. 5 are provided.
[0054]
When the fuel cell is used, the starting heater using a chemical reaction formed in the fuel cell is completely used up and the starting heater shown in FIG. 5 cannot be used. Therefore, the starting heater shown in FIG. 4 is used.
[0055]
When the handle 402 of the starting heater is turned, the rotor 401 rotates. Along with this, frictional heat is generated at the frictional heat generating portion 404, and this heats the catalyst.
[0056]
When electric power starts to be generated due to the heating of the catalyst, the cell 302 starts to warm up without heat energy of the starting heater due to heat generation, reaction heat, and the like due to the current collecting resistance. Further, the heat that begins to be generated in the vicinity of the fuel supply pipe 304 also warms the fuel passing therethrough, so that the cell 302 starts to warm up smoothly and automatically, and quickly reaches the rated output.
(Example 7)
In this embodiment, a fuel cell system will be described with reference to FIGS. 3, 4, 5 and 8. FIG. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the fuel cell system. The heater for starting shown in FIG. 4, FIG. 5 and FIG.
[0057]
Hydrogen ions are generated from the hydrocarbon compounds on the catalyst in the fuel cell, and power is obtained when these ions combine with oxygen in the air. Here, by increasing the temperature of the catalyst, hydrogen ions are likely to be generated. Therefore, the starting heaters shown in FIGS. 4, 5, and 8 are provided at positions where the catalyst is easily heated. Specifically, a start-up heater is installed in a start-up heater installation section 307 close to the fuel supply pipe 304. Five startup heaters shown in FIG. 5 are provided.
[0058]
When the fuel cell is used, all the starting heaters using the chemical reaction formed in the fuel cell are used up, and the starting heater shown in FIG. 5 cannot be used. Cannot be used, and the starting heater shown in FIG. 4 is used.
[0059]
When the handle 402 of the starting heater is turned, the rotor 401 rotates. Along with this, frictional heat is generated at the frictional heat generating portion 404, and this heats the catalyst.
[0060]
When electric power starts to be generated due to the heating of the catalyst, the cell 302 starts to warm up without heat energy of the starting heater due to heat generation, reaction heat, and the like due to the current collecting resistance. Further, the heat that begins to be generated in the vicinity of the fuel supply pipe 304 also warms the fuel passing therethrough, so that the cell 302 starts to warm up smoothly and automatically, and quickly reaches the rated output.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, in the fuel cell system according to the present invention, the supply of thermal energy for starting the fuel cell includes the heat generated by friction, the heat generated by a chemical reaction, and the heat generated by absorbing light. Can be used.
[0062]
Since the heat energy generating means does not require electric power or the like, the fuel cell system can be reduced in size and weight, and the fuel cell can be started arbitrarily. Suitable as.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration inside a cell in a fuel cell system of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a mounting example of the fuel cell of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing an outline of a fuel cell system of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a starting heater of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of a starting heater of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a starting heater of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration of a starting heater of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration of a starting heater of the present invention.
[Explanation of symbols]
101 Electrolyte Membrane 102 Anode Catalyst Layer 103 Cathode Catalyst Layer 104 Current Collector 105 Current Collector 106 Fuel Channel 107 Oxidant Channel 108 Load 201 Mobile Device 202 Fuel Cell 301 Fuel Cell 302 Cell 303 Fuel Tank 304 Fuel Supply Pipe 305 Waste Liquid Pipe 306 Oxidant supply pipe 307 Starter heater installation section 401 Rotor 402 Handle 403 Pressing spring 404 Friction heat generation site 405 Cell 406 Rotation axis
