JP2008218046A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell using liquid fuel.
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。 In recent years, attempts have been made to use a fuel cell as a power source for portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones so that they can be used for a long time without being charged. A fuel cell is characterized in that it can generate electric power simply by supplying fuel and air, and can generate electric power continuously for a long time if fuel is replenished. For this reason, if the fuel cell can be reduced in size, it can be said that the system is extremely advantageous as a power source for portable electronic devices.
直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。DMFCにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。 A direct methanol fuel cell (DMFC) is promising as a power source for portable electronic devices because it can be miniaturized and the fuel can be easily handled. As the liquid fuel supply method in the DMFC, there are known an active method such as a gas supply type and a liquid supply type, and a passive method such as an internal vaporization type in which the liquid fuel in the fuel container is vaporized inside the cell and supplied to the fuel electrode. It has been.
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はDMFCの小型化に対して特に有利である。パッシブ型DMFCにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体(燃料電池セル)を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている(例えば特許文献1及び2参照)。燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型DMFCでは必ずしも十分な出力制御性は得られていない。
Among these, a passive system such as an internal vaporization type is particularly advantageous for downsizing of the DMFC. In the passive DMFC, for example, a structure is proposed in which a membrane electrode assembly (fuel cell) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode is disposed on a fuel containing portion made of a resin box-like container ( For example, see
一方、DMFCの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することが検討されている(特許文献3〜5参照)。燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。ただし、流路からの液体燃料の供給構造によっては、燃料電池セルに対する燃料の供給状態が不均一になり、燃料電池の出力が低下するおそれがある。例えば、溝状の流路に沿って液体燃料を流す場合、流路を液体燃料が流れるにつれて順次燃料が消費されていくため、流路出口側では燃料濃度が減少する。このため、燃料電池セルの流路出口に近い部分では発電反応が低下し、その結果として出力の低下を招いてしまう。 On the other hand, it has been studied to connect a fuel cell of DMFC and a fuel storage part via a flow path (see Patent Documents 3 to 5). By supplying the liquid fuel supplied from the fuel storage unit to the fuel cell via the flow path, the supply amount of the liquid fuel can be adjusted based on the shape and diameter of the flow path. However, depending on the supply structure of the liquid fuel from the flow path, the supply state of the fuel to the fuel cells may become uneven, and the output of the fuel cell may be reduced. For example, when the liquid fuel is caused to flow along the groove-like flow path, the fuel concentration is decreased on the flow path outlet side because the fuel is sequentially consumed as the liquid fuel flows through the flow path. For this reason, power generation reaction falls in the part near the channel outlet of a fuel cell, and as a result, the output falls.
また、特許文献3では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。特許文献4にはポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることも記載されている。特許文献5には電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが記載されている。燃料の循環構造を適用した燃料電池ではポンプが有効であるものの、パッシブ型DMFCのように燃料を循環させない場合には単にポンプを適用しても燃料消費量が増大するだけで、燃料電池セル全体での均一な発電反応を生起することは難しい。
この発明の目的は、燃料電池の小型化等を損なうことなく、膜電極接合体に対する燃料の供給状態を均一化することによって、発電反応の効率化を図って出力を向上させることを可能にした燃料電池を提供することにある。 The object of the present invention is to make the power supply reaction more efficient and improve the output by equalizing the fuel supply state to the membrane electrode assembly without impairing the miniaturization of the fuel cell. It is to provide a fuel cell.
この発明の第1の態様による燃料電池は、
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれた電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に対して燃料を供給する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体と前記燃料供給機構との間に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための開口部を有するとともに、前記膜電極接合体を前記燃料極側から支持する支持板と、を備え、
前記支持板は、前記燃料供給機構に接するリブを備え、前記支持板と前記燃料供給機構との間に、前記燃料供給機構から供給された燃料を拡散するための空間を形成することを特徴とする。
The fuel cell according to the first aspect of the present invention comprises:
A membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A fuel supply mechanism that is disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly and supplies fuel to the fuel electrode;
A support plate disposed between the membrane electrode assembly and the fuel supply mechanism, having an opening for supplying fuel to the fuel electrode, and supporting the membrane electrode assembly from the fuel electrode side; With
The support plate includes a rib in contact with the fuel supply mechanism, and a space for diffusing the fuel supplied from the fuel supply mechanism is formed between the support plate and the fuel supply mechanism. To do.
この発明の第2の態様による燃料電池は、
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれた電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極の複数個所に対して燃料を供給する燃料分配機構と、
前記膜電極接合体と前記燃料分配機構との間に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための開口部を有するとともに、前記膜電極接合体を前記燃料極側から支持する支持板と、
を備えたことを特徴とする。
A fuel cell according to a second aspect of the present invention comprises:
A membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A fuel distribution mechanism disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly and supplying fuel to a plurality of locations of the fuel electrode;
A support plate disposed between the membrane electrode assembly and the fuel distribution mechanism, having an opening for supplying fuel to the fuel electrode, and supporting the membrane electrode assembly from the fuel electrode side;
It is provided with.
この発明によれば、燃料電池の小型化等を損なうことなく、膜電極接合体に対する燃料の供給状態を均一化することによって、発電反応の効率化を図って出力を向上させることを可能にした燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to improve the efficiency of the power generation reaction and improve the output by uniformizing the fuel supply state to the membrane electrode assembly without impairing the miniaturization of the fuel cell. A fuel cell can be provided.
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。 A fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
まず、この実施の形態に係る燃料電池1の起電部を構成する燃料電池セル2について説明する。例えば、図1に示すような燃料電池1において、燃料電池セル2は、アノード触媒層11とアノードガス拡散層12とを有するアノード(燃料極)13と、カソード触媒層14とカソードガス拡散層15とを有するカソード(空気極/酸化剤極)16と、アノード触媒層11とカソード触媒層14とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜17とから構成される膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を有している。
First, the
アノード触媒層11やカソード触媒層14に含有される触媒としては、例えば白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、パラジウム(Pd)等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層11にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等を用いることが好ましい。カソード触媒層14にはPtやPt−Ni等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
Examples of the catalyst contained in the
電解質膜17を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)やフレミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜17はこれらに限られるものではない。
Examples of the proton conductive material constituting the
アノード触媒層11に積層されるアノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層11の集電体も兼ねている。カソード触媒層14に積層されるカソードガス拡散層15は、カソード触媒層14に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層14の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層12及びカソードガス拡散層15は多孔質基材で構成されている。
The anode
アノードガス拡散層12やカソードガス拡散層15には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えば金(Au)のような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等が用いられる。
A conductive layer is laminated on the anode
(第1実施形態)
次に、上述したような構成の燃料電池セル2を備えた燃料電池1の第1実施形態について説明する。
(First embodiment)
Next, a first embodiment of the
図1に示すように、燃料電池1は、燃料電池セル2と、この燃料電池セル2のアノード13に対して燃料を供給する燃料供給機構30と、燃料電池セル2と燃料供給機構30との間に配置され燃料電池セル2をアノード側から支持する支持板40とから主として構成されている。
As shown in FIG. 1, the
すなわち、燃料電池セル2は、支持板40とカバープレート18との間に保持されている。カバープレート18は、酸化剤である空気を取入れるための開口18Aを有している。なお、図1に示した例では、カバープレート18とカソード16との間には、保湿層20が配置されているが省略しても良い。この保湿層20は、カソード触媒層14で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層14への空気の均一拡散を促進する機能を有している。
That is, the
電解質膜17とカバープレート18との間(図1に示した例では、電解質膜17と保湿層20との間)、及び、電解質膜17と支持板40との間には、それぞれゴム製のOリングなどのシール材19が介在しており、これらによって燃料電池セル2からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
Between the
燃料供給機構30は、燃料電池セル2のアノード(燃料極)13側に配置されている。この燃料供給機構30は、燃料供給部31を備えている。また、この燃料供給機構30は、燃料供給部31に供給される液体燃料を収容する図示しない燃料収容部を備えている。燃料収容部は、燃料電池セル2に対応した液体燃料を収容しており、液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が使用される。
The
燃料供給部31と燃料収容部とは、図示しない配管のような液体燃料の流路を介して接続されている。つまり、燃料供給部31には、燃料収容部から流路を介して液体燃料が導入される。流路は、燃料供給部31や燃料収容部と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部31と燃料収容部とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。
The
燃料収容部から燃料供給部31への燃料の導入は、例えばポンプを用いて行われる。ポンプは、流路の途中に挿入されている。ポンプは燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部から燃料供給部31に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプで必要時に液体燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。
The introduction of fuel from the fuel storage unit to the
燃料供給部31から燃料電池セル2に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部に戻されることはない。この実施の形態の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、燃料電池は、液体燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。このため、燃料電池は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される方式を適用している。
The fuel supplied from the
ポンプの種類は特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーポンプ(ロータリーベーンポンプ)、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。 The type of pump is not particularly limited, but from the viewpoint that a small amount of liquid fuel can be sent with good controllability, and that further reduction in size and weight is possible, a rotary pump (rotary vane pump), electroosmotic flow pump, It is preferable to use a diaphragm pump, a squeezing pump or the like. Among these, it is more preferable to use an electroosmotic pump or a diaphragm pump having piezoelectric ceramics from the viewpoint of driving power, size, and the like.
ポンプは、必要時動作させて燃料収容部から燃料供給部31に液体燃料を供給する。このように、ポンプで燃料収容部から燃料供給部31まで液体燃料を送液する場合においても、燃料供給部31は有効に機能するため、燃料電池セル2に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。また、燃料供給部31から燃料電池セル2への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
The pump is operated as necessary to supply liquid fuel from the fuel storage unit to the
燃料供給部31は、図1及び図2に示すように、燃料収容部(図示せず)に収容された液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口32と、燃料注入口32から注入された液体燃料やその気化成分を供給する燃料供給口33と、燃料注入口32と燃料供給口33とを繋ぐ細管34と、を有している。ここで示した燃料供給部31の例では、燃料注入口32及び燃料供給口33は、それぞれ1箇所である。このような構成の燃料供給部31においては、燃料供給口33が形成された面35、すなわち支持板40が配置される底面35は、略平坦に形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
支持板40は、燃料電池セル2と燃料供給機構30との間に配置された状態において、燃料供給機構30から供給された燃料を燃料電池セル2のアノード13に供給するための開口部APを有している。つまり、この開口部APは、支持板40において、燃料供給機構30側から燃料電池セル2側まで貫通する貫通孔である。
The
また、この支持板40においては、燃料電池セル2側の表面41は、図3に示すように略平坦に形成されている。一方で、支持板40は、燃料供給機構30側に、図4に示すように、リブRを備えている。つまり、このようなリブRは、燃料供給機構30に対向する支持板40の裏面42から燃料供給機構30側に向かって突出している。このため、燃料電池セル2と燃料供給機構30との間に支持板40を配置した際に、支持板40のリブRが燃料供給機構30に接し、支持板40と燃料供給機構30との間に空間SCが形成される。より具体的には、支持板40は、その裏面42が燃料供給部31の底面35に対向するように配置される。このとき、リブRが底面35に接することにより、底面35と裏面42との間に空間SCが形成される。
Further, in the
このような構成により、燃料供給部31の燃料供給口33から供給された燃料を空間SC内で拡散させることが可能となる。特に、燃料供給部31の底面35に1箇所の燃料供給口33を形成した構成であっても、空間SC内において、燃料供給口33から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。このため、燃料電池セル2の全面に向けて燃料を供給することが可能となり、燃料電池セル2に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。
With such a configuration, the fuel supplied from the
上述したような構成の燃料電池1においては、以下のようなプロセスによって発電する。
In the
すなわち、燃料注入口32から燃料供給部31に導入された液体燃料は、細管34を経由して燃料供給口33に導かれる。燃料供給口33から供給された液体燃料は、支持板40との間の空間SC内で気化するとともに広範囲にわたって拡散する。これによって、燃料電池セル2のアノード13には、支持板40の開口部APを透過した液体燃料の気化成分が供給される。
That is, the liquid fuel introduced from the
燃料電池セル2内において、燃料は、アノードガス拡散層12を拡散してアノード触媒層11に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層11で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
In the
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
この反応で生成した電子(e-)は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード16に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は、電解質膜17を経てカソード16に導かれる。カソード16には、酸化剤として空気が供給される。カソード16に到達した電子(e-)とプロトン(H+)は、カソード触媒層14で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
Electrons (e − ) generated by this reaction are guided to the outside through a current collector, and are guided to the
6e-+6H++(3/2)O2 → 3H2O …(2)
上述した燃料電池1の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせると共に、燃料電池セル2の電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
6e − + 6H + + (3/2) O 2 → 3H 2 O (2)
In the power generation reaction of the
このような点に対して、燃料電池セル2に対して燃料を供給する燃料供給口が1箇所の場合には、燃料供給口近傍の燃料濃度は発電に十分な濃度となるものの、燃料供給口33から周辺に向かって離れるにつれて燃料濃度が急速に低下する。このため、燃料電池全体で見た場合の平均出力は、燃料の供給が少ない部分の影響を受けて低い値に留まってしまう。
In contrast, in the case where there is one fuel supply port for supplying fuel to the
燃料濃度を高めるための手段としては、液体燃料の供給量を増加させることが考えられる。しかし、単に液体燃料の供給量を増加させた場合、燃料供給口近傍の燃料濃度が上がりすぎて、燃料が反応することなく空気極へ流れてしまうクロスオーバーと呼ばれる現象が発生する。クロスオーバーは、燃費の低下、空気極での燃料の直接反応に伴う電圧低下、それによる出力低下等の原因となる。 As a means for increasing the fuel concentration, it is conceivable to increase the supply amount of the liquid fuel. However, when the supply amount of liquid fuel is simply increased, the fuel concentration in the vicinity of the fuel supply port increases too much, and a phenomenon called crossover occurs in which the fuel flows to the air electrode without reacting. The crossover causes a decrease in fuel consumption, a voltage decrease due to direct reaction of fuel at the air electrode, and a decrease in output due to this.
また、燃料極に接する面に液体燃料が流れる溝を形成し、その部分に液体燃料を流すことも試みられており、大型の燃料電池では実用化されている。しかし、この手法では溝を液体燃料が流れるにつれて、反応により燃料が順次消費されるため、燃料濃度が減少して出力の低下を十分に抑制することができない。さらに、従来は燃料を高速で流すために循環ポンプが使用されているため、装置の大型化が避けられない。 In addition, an attempt has been made to form a groove through which liquid fuel flows on the surface in contact with the fuel electrode, and to allow the liquid fuel to flow through the groove, which has been put to practical use in large fuel cells. However, in this method, as the liquid fuel flows through the groove, the fuel is sequentially consumed by the reaction, so that the fuel concentration is reduced and the output reduction cannot be sufficiently suppressed. Further, conventionally, since a circulation pump is used to flow the fuel at a high speed, it is inevitable to increase the size of the apparatus.
この第1実施形態の燃料電池1においては、上述したように、燃料電池セル2と燃料供給口33との間に燃料を拡散するための空間SCを形成したことにより、アノード13の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、燃料電池セル2での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。したがって、燃料電池1の大型化や複雑化等を招くことなく、燃料電池セル2で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池1の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させない燃料電池1の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。
In the
また、この第1実施形態煮の燃料電池1においては、支持板40により燃料電池セル2を支持するとともに、支持板40とカバープレート18との間で燃料電池セル2を保持するため、燃料電池セル2、特に膜電極接合体の撓みなどの変形を抑制することができ、起電部と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。
In the
上述した第1実施形態において、リブRのより詳細な構造について説明する。すなわち、リブRは、図4に示したように、支持板40の外周に沿って配置された枠状の第1リブR1と、第1リブR1によって囲まれた内側に島状に配置された複数の第2リブR2と、を含んでいる。これらの第1リブR1及び第2リブR2は、裏面42から同一の高さを有するように形成されており、燃料供給機構30上に配置した際に、共に燃料供給機構30に接する。
In the first embodiment described above, a more detailed structure of the rib R will be described. That is, as shown in FIG. 4, the rib R is arranged in an island shape on the inner side surrounded by the frame-shaped first rib R1 arranged along the outer periphery of the
より具体的には、燃料供給部31の底面35に支持板40を配置した際に、第1リブR1及び第2リブR2ともに底面35に接するとともに、支持板40の裏面42は、底面35から離間している。第2リブR2は裏面42上に点在しているため、第1リブR1、底面35、及び、裏面42によって囲まれた空間SCは、第2リブR2によって仕切られることがない。つまり、空間SCは、燃料電池セル2に対応した単一の共通空間となる。このため、1箇所の燃料供給口33から燃料を供給する構成であっても、燃料電池セル2に対して供給される燃料の供給量を均一化することが可能となる。
More specifically, when the
また、第1リブR1には、図4に示したように、シール材SEが配置されている。このシール材SEは、例えばゴム製であり、燃料供給機構30に密着する。これにより、燃料漏れを防止することが可能となる。
Further, as shown in FIG. 4, the seal material SE is disposed on the first rib R1. The seal material SE is made of rubber, for example, and is in close contact with the
次に、この第1実施形態の変形例について説明する。 Next, a modification of the first embodiment will be described.
この変形例においては、燃料供給機構30は、図2に示したような燃料供給部31に加えて、さらに、燃料供給部31の燃料供給口33と支持板40との間に配置された少なくとも1つの多孔体を備えて構成されている。なお、他の構成は、上述した第1実施形態と同一であり、詳細な説明を省略する。
In this modification, in addition to the
すなわち、図5に示すように、燃料供給機構30は、燃料供給部31と、燃料供給部31の底面35に配置された多孔体36と、を備えている。多孔体36の構成材料としては、各種樹脂あるいは繊維材料が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム、繊維材料等が多孔体36として用いられる。このような多孔体36の表面、つまり支持板40に接する面は、略平坦に形成されている。
That is, as shown in FIG. 5, the
このような変形例においても、燃料供給機構30側にリブRを備えた支持板40を適用することにより、燃料電池セル2と燃料供給機構30との間に支持板40を配置した際に、支持板40のリブRが燃料供給機構30に接し、支持板40と燃料供給機構30との間に空間SCが形成される。より具体的には、支持板40は、その裏面42が多孔体36に対向するように配置される。このとき、リブRが多孔体36に接することにより、燃料供給機構30の多孔体36と支持板40の裏面42との間に空間SCが形成される。
Also in such a modification, by applying the
このような多孔体36を配置することによって、アノード13に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料供給部31の燃料供給口33から供給された液体燃料は一旦多孔体36に吸収され、多孔体36の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体36から空間SCを介してアノード13に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。
By disposing such a
なお、多孔体36は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体と、これに交差する(あるいは直交する)方向への拡散性が高い多孔体とを組み合わせて適用しても良い。
The
上述した第1実施形態によれば、燃料電池は、燃料供給機構から供給された液体燃料を、燃料電池セルを支持する支持板と燃料供給機構との間の空間内で拡散させて、支持板の開口部から燃料電池セルに供給するため、膜電極接合体全体で効率的に発電反応を生起することができる。これによって、燃料電池の小型化等を損なうことなく、出力の向上を図ることが可能となる。 According to the first embodiment described above, the fuel cell diffuses the liquid fuel supplied from the fuel supply mechanism in the space between the support plate supporting the fuel cell and the fuel supply mechanism, and the support plate Since the fuel cell is supplied from the opening, a power generation reaction can be efficiently generated in the entire membrane electrode assembly. This makes it possible to improve the output without impairing the miniaturization of the fuel cell.
(第2実施形態)
次に、上述したような構成の燃料電池セル2を備えた燃料電池1の第2実施形態について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the
図6に示すように、第2実施形態に係る燃料電池1は、燃料電池セル2と、この燃料電池セル2のアノード13の複数個所に対して燃料を供給する燃料分配機構50と、燃料電池セル2と燃料分配機構50との間に配置され燃料電池セル2をアノード側から支持する支持板60とから主として構成されている。なお、第1実施形態と同一の構成については、同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。
As shown in FIG. 6, the
燃料電池セル2は、支持板60とカバープレート18との間に保持されている。
The
燃料電池セル2のアノード13側に配置された燃料分配機構50は、燃料供給部51や図示しない燃料収容部などを備えている。この燃料供給部51は、図6及び図7に示すように、燃料収容部(図示せず)に収容された液体燃料が流路を介して注入される少なくとも1箇所の燃料注入口52と、燃料注入口52から注入された液体燃料やその気化成分を供給する複数個所の燃料供給口53と、燃料注入口52と燃料供給口53のそれぞれとを繋ぐ細管54と、を有している。すなわち、細管54の一端(始端部)は、燃料注入口52に対応する。また、細管54は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管54の各終端部が燃料供給口53にそれぞれ対応する。細管34は、例えば内径が0.05〜3mmの貫通孔であることが好ましい。
The
このような構成の燃料分配機構50においては、燃料注入口52から燃料供給部51内に注入された液体燃料を、複数に分岐した細管54を介して複数の燃料供給口53にそれぞれ導くことが可能である。つまり、このような燃料分配機構50を適用することによって、燃料注入口52から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料供給口53に均等に分配することができる。したがって、燃料電池セル2の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。
In the
さらに、燃料注入口52と複数の燃料供給口53とを細管54で接続することによって、燃料電池1の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計が可能となる。例えば、装置装着上の都合から燃料電池1の半分の放熱がよくなってしまうような場合、従来では温度分布が生じてしまい、平均出力の低下が避けられない。これに対して、細管54の形成パターンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料供給口53を密に配置することによって、その部分での発電に伴う発熱を多くすることができる。これによって、面内の発電度合いを均一化することができ、出力低下を抑制することが可能となる。
Further, by connecting the
また、このような構成の燃料供給部51においては、燃料供給口53が形成された面、すなわち支持板60が配置される底面55は、略平坦に形成されている。このような燃料分配機構50を適用した燃料電池1によれば、液体燃料を拡散して供給することが可能であるため、燃料電池セル2と燃料供給機構30との間に配置される支持板60は、少なくとも燃料電池セル2を支持する機能を有するように構成されていればよい。
Further, in the
すなわち、この支持板60は、燃料電池セル2と燃料分配機構50との間に配置された状態において、図3及び図4に示した支持板40と同様に燃料分配機構50から供給された燃料を燃料電池セル2のアノード13に供給するための開口部APを有している一方で、その裏面42にリブRを有していない。つまり、燃料分配機構50によって燃料を拡散して供給することが可能であるため、支持板60は、例えば図1に示した例のように1箇所の燃料供給口33から供給された燃料を拡散させるための空間を形成する機能を有している必要はない。
That is, in the state where this
このような第2実施形態の燃料電池1においても、上述した第1実施形態と同様の効果が得られる。
In such a
勿論、この第2実施形態においても、第1実施形態で適用したのと同一の支持板40を適用可能である。すなわち、図8に示すように、第2実施形態の変形例1においては、燃料電池セル2と燃料分配機構50との間に配置された支持板40は、燃料電池セル2側の表面41が略平坦に形成されている一方で、燃料分配機構50側にリブRを備えている。このため、支持板40のリブRが燃料分配機構50に接し、支持板40と燃料分配機構50との間に空間SCが形成される。より具体的には、支持板40は、その裏面42を燃料供給部51の底面55に向けて配置される。このとき、リブRが底面55に接することにより、底面55と裏面42との間に空間SCが形成される。
Of course, also in the second embodiment, the
このような構成により、燃料供給部51の各燃料供給口53から供給された燃料を空間SC内で拡散させることが可能となる。すなわち、空間SC内において、各燃料供給口53から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。このため、燃料電池セル2の全面に向けて燃料を供給することが可能となり、燃料電池セル2に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。
With such a configuration, the fuel supplied from each
次に、この第2実施形態の他の変形例について説明する。 Next, another modification of the second embodiment will be described.
変形例2に係る燃料電池1は、図6に示した燃料電池1において、燃料分配機構50を構成する燃料供給部51の燃料供給口53とリブを持たない支持板60との間に配置された少なくとも1つの多孔体を備えている。すなわち、図9に示すように、燃料分配機構50は、燃料供給部51と、燃料供給部51の底面55に配置された多孔体56と、を備えている。多孔体56の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体として用いられる。このような多孔体56の表面、つまり支持板60に接する面は、略平坦に形成されている。
The
このような変形例2においては、複数の燃料供給口53及び多孔体56を備えた燃料分配機構50を適用することによって、更なる燃料の拡散性を向上することが可能となり、燃料電池セル2に対する燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。
In the second modification, by applying the
変形例3に係る燃料電池1は、図8に示した燃料電池1において、燃料分配機構50を構成する燃料供給部51の燃料供給口53とリブRを有する支持板40との間に配置された少なくとも1つの多孔体を備えている。すなわち、図10に示すように、燃料分配機構50は、燃料供給部51と、燃料供給部51の底面55に配置された多孔体56と、を備えている。
The
このような変形例3においては、複数の燃料供給口53及び多孔体56を備えた燃料分配機構50を適用することによって、燃料電池セル2と燃料分配機構50との間に支持板40を配置した際に、支持板40のリブRが燃料分配機構50に接し、支持板40と燃料分配機構50との間に空間SCが形成される。より具体的には、支持板40は、その裏面42を多孔体56に向けて配置される。このとき、リブRが多孔体56に接することにより、燃料分配機構50の多孔体56と支持板40の裏面42との間に空間SCが形成される。
In the third modified example, the
このため、更なる燃料の拡散性を向上することが可能となるのに加えて、空間SC内において、各燃料供給口53から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。このため、燃料電池セル2に対する燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。
For this reason, in addition to being able to further improve the diffusibility of the fuel, a sufficient capacity is secured in the space SC to promote the vaporization of the liquid fuel supplied from each
したがって、このような第2実施形態の変形例1乃至3のいずれの構成においても、上述した第1実施形態と同様の効果が得られる。 Therefore, in any of the configurations of the first to third modifications of the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment described above can be obtained.
上述した第1実施形態及び第2実施形態において、液体燃料を燃料収容部から燃料供給部31まで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料を燃料収容部から燃料供給部31まで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部から燃料供給部31まで送液することができる。
In the first embodiment and the second embodiment described above, the mechanism for sending the liquid fuel from the fuel storage unit to the
さらに、燃料収容部から燃料供給部31への送液はポンプで実施してもよい。この場合、例えば、燃料収容部と燃料供給部31との間の流路の途中にポンプを挿入した構成が適用可能である。この場合のポンプは、燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部から燃料供給部31に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプで必要時に液体燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。
Furthermore, liquid feeding from the fuel storage unit to the
ポンプの種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。 The type of pump is not particularly limited, but a rotary vane pump, an electroosmotic pump, a diaphragm pump, It is preferable to use an ironing pump or the like. A rotary vane pump feeds liquid by rotating a wing with a motor. The electroosmotic flow pump uses a sintered porous material such as silica that causes an electroosmotic flow phenomenon. The diaphragm pump is a pump that feeds liquid by driving the diaphragm with an electromagnet or piezoelectric ceramics. The squeezing pump presses a part of the flexible fuel flow path and squeezes the fuel. Among these, it is more preferable to use an electroosmotic pump or a diaphragm pump having piezoelectric ceramics from the viewpoint of driving power, size, and the like.
また、このようなポンプを適用した場合、ポンプの動作を制御する制御回路を追加しても良い。すなわち、燃料供給用(送液用)のポンプの制御は、燃料電池1の出力を参照して行うことが好ましい。このため、燃料電池1の出力を制御回路で検出し、この検出結果に基づいて制御回路からポンプに制御信号が送られる。ポンプは、制御回路から送られた制御信号に基づいてオン/オフが制御される。ポンプの動作は、燃料電池1の出力に加えて、温度情報や電力供給先である電子機器の運転状態情報等に基づいて制御することで、より安定した運転が達成できる。
When such a pump is applied, a control circuit for controlling the operation of the pump may be added. That is, it is preferable to control the fuel supply (liquid feeding) pump with reference to the output of the
さらに、燃料電池1としての安定性や信頼性を高めるために、ポンプと直列に燃料遮断バルブを配置しても良い。この場合、ポンプと燃料供給部31との間の流路に燃料遮断バルブを挿入した構成が適用可能であるが、燃料遮断バルブはポンプと燃料供給部31との間に設置しても機能上の支障はない。燃料遮断バルブとしては、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが使用される。燃料遮断バルブには、その大きさや駆動電力等の観点から、電磁石や圧電セラミックスを用いた電気駆動バルブを使用することが好ましい。さらに、燃料遮断バルブには、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブを使用することが好ましい。
Furthermore, in order to improve the stability and reliability of the
また、燃料収容部や流路に燃料収容部内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着しても良い。 In addition, a balance valve that balances the pressure in the fuel storage portion with the outside air may be attached to the fuel storage portion or the flow path.
上述した第2実施形態によれば、燃料電池は、燃料分配機構によって分配供給された液体燃料を、燃料電池セルを支持する支持板の開口部から燃料電池セルに供給するため、膜電極接合体全体で効率的に発電反応を生起することができる。これによって、燃料電池の小型化等を損なうことなく、出力の向上を図ることが可能となる。 According to the second embodiment described above, the fuel cell supplies the liquid fuel distributed and supplied by the fuel distribution mechanism to the fuel cell through the opening of the support plate that supports the fuel cell. The power generation reaction can be efficiently generated as a whole. This makes it possible to improve the output without impairing the miniaturization of the fuel cell.
上述した各実施形態の燃料電池1は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。各実施形態の燃料電池1は、濃度が80wt%以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、濃度が80wt%以上のメタノール水溶液または純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池1に適用することが好ましい。
The
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、MEAに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組合せたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。 The present invention can be applied to various fuel cells using liquid fuel. In addition, the specific configuration of the fuel cell, the supply state of the fuel, and the like are not particularly limited, and all of the fuel supplied to the MEA is liquid fuel vapor, all is liquid fuel, or part is liquid state. The present invention can be applied to various forms such as a vapor of supplied liquid fuel. In the implementation stage, the constituent elements can be modified and embodied without departing from the technical idea of the present invention. Furthermore, various modifications are possible, such as appropriately combining a plurality of constituent elements shown in the above embodiment, or deleting some constituent elements from all the constituent elements shown in the embodiment. Embodiments of the present invention can be expanded or modified within the scope of the technical idea of the present invention, and these expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
1…燃料電池 2…燃料電池セル 13…アノード 16…カソード 17…電解質膜 18…カバープレート 30…燃料供給機構 31…燃料供給部 36…多孔体 40…支持板 AP…開口部 SE…シール材 R…リブ(R1…第1リブ、R2…第2リブ) SC…空間 50…燃料分配機構 60…支持板
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に対して燃料を供給する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体と前記燃料供給機構との間に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための開口部を有するとともに、前記膜電極接合体を前記燃料極側から支持する支持板と、を備え、
前記支持板は、前記燃料供給機構に接するリブを備え、前記支持板と前記燃料供給機構との間に、前記燃料供給機構から供給された燃料を拡散するための空間を形成することを特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A fuel supply mechanism that is disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly and supplies fuel to the fuel electrode;
A support plate disposed between the membrane electrode assembly and the fuel supply mechanism, having an opening for supplying fuel to the fuel electrode, and supporting the membrane electrode assembly from the fuel electrode side; With
The support plate includes a rib in contact with the fuel supply mechanism, and a space for diffusing the fuel supplied from the fuel supply mechanism is formed between the support plate and the fuel supply mechanism. Fuel cell.
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極の複数個所に対して燃料を供給する燃料分配機構と、
前記膜電極接合体と前記燃料分配機構との間に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための開口部を有するとともに、前記膜電極接合体を前記燃料極側から支持する支持板と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A fuel distribution mechanism disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly and supplying fuel to a plurality of locations of the fuel electrode;
A support plate disposed between the membrane electrode assembly and the fuel distribution mechanism, having an opening for supplying fuel to the fuel electrode, and supporting the membrane electrode assembly from the fuel electrode side;
A fuel cell comprising:
前記支持板と前記カバープレートとの間で前記膜電極接合体を保持することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の燃料電池。 Furthermore, an exterior case disposed on the air electrode of the membrane electrode assembly,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the membrane electrode assembly is held between the support plate and the cover plate.
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JP2011070852A (en) * | 2009-09-24 | 2011-04-07 | Toshiba Corp | Fuel cell |
JP2014096381A (en) * | 2014-01-10 | 2014-05-22 | Murata Mfg Co Ltd | Fuel cell |
Citations (1)
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JP2006318712A (en) * | 2005-05-11 | 2006-11-24 | Toshiba Corp | Fuel cell |
-
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- 2007-02-28 JP JP2007050484A patent/JP2008218046A/en active Pending
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