JP4585804B2 - Liquid fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、液体燃料電池に関し、特にセル温度を制御する技術に関する。 The present invention relates to a liquid fuel cell, and more particularly to a technique for controlling a cell temperature.
近年、情報化社会を支える携帯用電子機器の電源として、単独の発電装置として効率が良いことから、燃料電池に対する期待が高まっている。燃料電池は、アノードにおいて燃料を、カソードにおいて空気を、それぞれ電気化学的に酸化・還元し、この反応を通じて発電する仕組みである。 In recent years, as a power source for portable electronic devices that support the information society, the efficiency of a single power generation device is high, and therefore, expectations for fuel cells are increasing. A fuel cell is a mechanism for generating electricity through this reaction by electrochemically oxidizing and reducing fuel at an anode and air at a cathode.
多種ある燃料電池のなかでも、電解質として固体高分子イオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell、以下、「PEFC」という。)は、電解質膜が薄膜であること、また反応温度が100℃以下と他の燃料電池に比べ比較的低温であるため、大掛かりな補機類を必要としないことから、小型化が可能である。近年、自動車や家庭用などの次世代電源として期待されおり、燃料として水素を用いるものは、既に自動車への搭載が実用化されつつある段階であり、この場合の燃料(水素)収容手段としては主に高圧のボンベが用いられている。 Among various types of fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC”) using a solid polymer ion exchange membrane as an electrolyte has a thin electrolyte membrane and reaction. Since the temperature is 100 ° C. or lower, which is a relatively low temperature compared to other fuel cells, large-scale auxiliary equipment is not required, and thus downsizing is possible. In recent years, it is expected as a next-generation power source for automobiles and households, and those using hydrogen as a fuel are already being put into practical use in automobiles. In this case, as a means for containing fuel (hydrogen) High-pressure cylinders are mainly used.
一方、メタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行う、直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell、以下、「DMFC」という。)は、改質器を必要としないこと、また、ガス燃料に比べ体積エネルギー密度の高い液体メタノールを使用することから、高圧ガスボンベに比べ燃料容器の小型化が可能であるため、小型機器用電源への応用、特に、携帯機器用の2次電池代替用途という観点で注目が集まっている。 On the other hand, a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as “DMFC”), which generates electricity by directly extracting protons from methanol, does not require a reformer and is more in comparison to gas fuel. Since liquid methanol with a high volumetric energy density is used, the fuel container can be made smaller than a high-pressure gas cylinder, so that it can be applied to power supplies for small devices, especially for secondary battery replacement for portable devices. Attention has been gathered.
しかし、メタノールを燃料としたDMFCは、アノード側でのメタノール酸化の過電圧が非常に大きいなどの理由により、水素を燃料に用いたPEFCに比べ、電力の出力が小さい。そのため、携帯機器用電源として燃料電池を用いるためには、発電効率を向上させることが必要不可欠である。一般的に温度の上昇に伴って、アノード、カソード両極の触媒活性が向上し、両極の分極が低下することが知られており、セル温度をあげてやることは発電効率を向上させるための有効な手段の一つである。 However, a DMFC using methanol as a fuel has a lower power output than a PEFC using hydrogen as a fuel because the overvoltage of methanol oxidation on the anode side is very large. Therefore, in order to use a fuel cell as a power source for portable equipment, it is essential to improve the power generation efficiency. In general, it is known that as the temperature rises, the catalytic activity of the anode and cathode electrodes increases and the polarization of both electrodes decreases, and raising the cell temperature is effective for improving power generation efficiency. It is one of the means.
また、携帯機器用の電源として使用できるようにするためには、従来型の電池と同程度の使い勝手が要求される。すなわち、電源投入後すぐに機器を使用できること、頻繁な電源のオン/オフ操作に対応できることが求められる。しかしながら、一般に、燃料電池は長時間未使用後に再起動させる場合、燃料が供給され始めた当初は、燃料電池内の電池反応層は室温程度であるため、即座に定格電力を得ることができないという問題が生じる。 Further, in order to be able to be used as a power source for portable devices, the same level of usability as a conventional battery is required. That is, it is required that the device can be used immediately after the power is turned on, and that it can cope with frequent power on / off operations. However, in general, when the fuel cell is restarted after being unused for a long time, at the beginning of the supply of fuel, the cell reaction layer in the fuel cell is at room temperature, so that the rated power cannot be obtained immediately. Problems arise.
これに応じて、従来技術として、燃料電池を早期に起動させるために、燃料電池の温度を検出し、所定の温度以下であると判断したとき、燃料電池の正極と負極の出力端を低インピーダンスの負荷を介して準短絡状態とし、燃料電池内部に通常よりも大きな電流が流れるようにする回路構成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
上記のように、燃料電池は長時間未使用後に再起動させる場合、燃料が供給され始めた当初は、燃料電池内の電池反応層は室温程度であるため、即座に定格電力を得ることができないという問題が生じる。特許文献1に記載された従来技術では、上記問題を解決するために電池温度制御回路を開示している。しかしながら、電池所有のエネルギーを電気エネルギーに変換した後に、熱エネルギーに変換しているため、その過程におけるエネルギーロスを生じてしまう問題が付随する。また、温度制御回路を外部に設置する必要があり、システムが大型化、重量化するため携帯用には不向きである。
As described above, when the fuel cell is restarted after being unused for a long period of time, at the beginning of the supply of fuel, the cell reaction layer in the fuel cell is at room temperature, so the rated power cannot be obtained immediately. The problem arises. In the prior art described in
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、起動時の立ち上がり特性を向上させることができる液体燃料電池を提供するものである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a liquid fuel cell capable of improving the startup characteristics at startup with a simple configuration.
本発明の液体燃料電池は、電解質膜を挟んで燃料極と空気極とをそれぞれ配した第1セルと第2セルを備え、第2セルは、第1セルに熱的に接触して配置され、かつ、その電解質膜の液体透過率が、第1セルよりも高いことを特徴とする。 The liquid fuel cell according to the present invention includes a first cell and a second cell in which a fuel electrode and an air electrode are disposed with an electrolyte membrane interposed therebetween, and the second cell is disposed in thermal contact with the first cell. The liquid permeability of the electrolyte membrane is higher than that of the first cell.
燃料極に供給された液体燃料は、通常、燃料極に設けられた触媒によって分解されてプロトンが生成され、このプロトンが電解質膜を通過して空気極に移動し、プロトン生成時に生み出された電子が外部回路を通って空気極に移動し、空気極でプロトンと電子と空気中の酸素とが反応することによって、電気が生み出される(電池動作)。しかし、液体燃料の一部は、燃料極で分解されず、そのまま電解質膜を通過して空気極に移動し、空気極で空気中の酸素と反応し、酸化されて発熱する(クロスオーバー動作)。このクロスオーバー動作では、液体燃料が発電に使用されないので、この動作は、燃料利用効率を低下させることにつながり、従来、好ましくないものと考えられていた。 The liquid fuel supplied to the fuel electrode is usually decomposed by a catalyst provided in the fuel electrode to generate protons, which move through the electrolyte membrane to the air electrode, and are generated during proton generation. Moves through the external circuit to the air electrode, and protons, electrons, and oxygen in the air react at the air electrode to generate electricity (battery operation). However, a part of the liquid fuel is not decomposed at the fuel electrode, passes through the electrolyte membrane as it is, moves to the air electrode, reacts with oxygen in the air at the air electrode, and is oxidized to generate heat (crossover operation). . In this crossover operation, since liquid fuel is not used for power generation, this operation has led to a decrease in fuel utilization efficiency and has been conventionally considered undesirable.
しかし、クロスオーバー動作は、セルが低温においても起こり、液体燃料から外部回路を介して電子を取り出すプロセスが存在しないので、この動作は、セル内において電池動作の場合以上の熱を発生させる。 However, since the crossover operation occurs even when the cell is at a low temperature and there is no process for extracting electrons from the liquid fuel via an external circuit, this operation generates more heat in the cell than in the case of battery operation.
本発明の発明者は、従来好ましくないとされていたクロスオーバー動作を積極的に利用することにより、簡易な構成で、起動時の立ち上がり特性を向上させることができる液体燃料電池を得ることができることを見出し、本発明の完成に到った。 The inventor of the present invention can obtain a liquid fuel cell that can improve start-up characteristics at start-up with a simple configuration by actively utilizing a crossover operation that has been considered to be undesirable in the past. As a result, the present invention has been completed.
本発明によれば、第2セルの電解質膜の液体透過率が第1セルよりも高いので、第2セルでは液体燃料が容易に燃料極から空気極に移動し、クロスオーバー動作が起きやすい。このため、第2セルは、低温でもクロスオーバー動作により容易に発熱する。そして、第2セルは、第1セルに熱的に接触しているので、第2セルで発生した熱によって第1セルが加熱される。このため、第1及び第2セルの両方の温度が上がり、起動時の立ち上がり特性が向上する。 According to the present invention, since the liquid permeability of the electrolyte membrane of the second cell is higher than that of the first cell, the liquid fuel easily moves from the fuel electrode to the air electrode in the second cell, and a crossover operation is likely to occur. For this reason, the second cell easily generates heat due to the crossover operation even at a low temperature. Since the second cell is in thermal contact with the first cell, the first cell is heated by the heat generated in the second cell. For this reason, the temperature of both the first and second cells rises, and the startup characteristics at startup are improved.
また、第2セルは、燃料電池セルであると共に、第1セルを加熱するためのヒーターでもある。このため、ヒーターを別途設ける必要がなくなり、液体燃料電池全体の小型化が可能になる。また、第2セルは、燃料を直接熱エネルギーに変換するため、エネルギー変換ロスが小さくて済む。また、燃焼エネルギー源として電池反応に用いるものと同種の物質を使う(すなわち、同一燃料を用いて、発電と発熱を行うことができる)ことから、他の物質を使うよりもシステムがより単純となり、かつ燃料の補給も容易であり、この点からも、燃料電池全体の小型化が可能となる。 The second cell is not only a fuel cell but also a heater for heating the first cell. For this reason, it is not necessary to separately provide a heater, and the entire liquid fuel cell can be reduced in size. Further, since the second cell directly converts the fuel into heat energy, the energy conversion loss can be reduced. In addition, since the same type of material as that used for the battery reaction is used as the combustion energy source (ie, the same fuel can be used to generate power and generate heat), the system is simpler than using other materials. In addition, fuel can be easily replenished, and from this point, the entire fuel cell can be downsized.
本発明の液体燃料電池は、電解質膜を挟んで燃料極と空気極とをそれぞれ配した第1セルと第2セルを備え、第2セルは、第1セルに熱的に接触して配置され、かつ、その電解質膜の液体透過率が、第1セルよりも高いことを特徴とする。 The liquid fuel cell according to the present invention includes a first cell and a second cell in which a fuel electrode and an air electrode are disposed with an electrolyte membrane interposed therebetween, and the second cell is disposed in thermal contact with the first cell. The liquid permeability of the electrolyte membrane is higher than that of the first cell.
本発明は、主に、次の2つの実施形態で実施することができる。
1.第1の実施形態
本発明の第1の実施形態に係る液体燃料電池は、第1セルと第2セルが直列接続されることを特徴とする。
The present invention can be mainly implemented in the following two embodiments.
1. First Embodiment A liquid fuel cell according to a first embodiment of the present invention is characterized in that a first cell and a second cell are connected in series.
第1の実施形態では、直列接続される複数セルのうちの少なくとも1つのセルが、上述の原理により、電池としての機能を有しつつ、かつ、別のセルを加熱するヒーターとしての機能を有する。従って、本実施形態では、新たな部材を付加することなく、ヒーターを燃料電池に取り入れることができる。 In the first embodiment, at least one of a plurality of cells connected in series has a function as a battery and a function as a heater for heating another cell based on the principle described above. . Therefore, in this embodiment, the heater can be incorporated into the fuel cell without adding a new member.
ここで、図1を用いて、本実施形態の液体燃料電池の具体的な構造を例示する。図1は、例示であり、本実施形態の範囲は、図1の構造に限定されない。本実施形態の液体燃料電池は、第1セル1及び第2セル11を備え、これらは、流路板6を介して互いに電気的に接続されている。すなわち、第1セル1及び第2セル11は、直列接続になっている。第1セル1は、電解質膜2を挟んで燃料極3と空気極4とをそれぞれ配した構造を有し、第2セル11は、電解質膜12を挟んで燃料極13と空気極14とをそれぞれ配した構造を有する。燃料極3,13は、それぞれ燃料極集電体3a,13aと、燃料極触媒層3b,13bとを備える。空気極4,14は、それぞれ空気極集電体4a,14aと、空気極触媒層4b,14bとを備える。電解質膜2,12は、高分子膜、無機膜、有機無機ハイブリッド膜などからなる。また、第2セル11の空気極触媒層14bは、CO被毒耐性触媒を備えることが好ましい。後述するように、第2セル11では、クロスオーバー動作が起こりやすく、クロスオーバー動作ではCOが発生して空気極触媒層14bの被毒が起こりやすい。従って、第2セル11の空気極触媒層14bをCO被毒耐性とし、COから保護することが好ましい。CO被毒耐性触媒は、具体的には、Pt/Ru、Pt/Os、Pt/Ir、Pt/Pd、Pt/Rh、Pt/Snなどの合金が用いられる。
Here, the specific structure of the liquid fuel cell of this embodiment is illustrated using FIG. FIG. 1 is an exemplification, and the scope of the present embodiment is not limited to the structure of FIG. The liquid fuel cell of this embodiment includes a
燃料極3,13には、流路板5,6の片面に形成された液体燃料流路5a,6aを通って液体燃料が供給される。液体燃料は、液体燃料流入口5b,6bから液体燃料流路5a,6aに流入し、液体燃料排出口5c,6cから排出される。液体燃料は、送液ポンプで循環されている。液体燃料の供給方法としては、図1に示したほかに、燃料貯蔵タンクの液体燃料を自然落下させる方法や、多孔質体の毛管力を利用して燃料貯蔵タンクから燃料を引き込む方法、液体燃料を気化させて蒸気で供給する方法などが挙げられる。液体燃料として、メタノール、DME(Dimethyl Ether)やギ酸などの水素原子を含む有機溶液もしくは気体との混合液体燃料を用いることができる。
Liquid fuel is supplied to the
空気極4,14には、流路板6,7の片面に形成された空気流路6d,7dを通って空気が供給される。空気は、送風ファンなどで供給される。空気の供給方法としては、図1に示したほかに、上記燃料極流路5a,6aと同様に流入口と排出口を有する一本流路で空気流路6d,7dを形成することにより、送風ポンプで空気を供給する方法が挙げられる。
Air is supplied to the
第2セル11は、第1セル1に熱的に接触して配置されている。すなわち、第1セル1と第2セル11の間の流路板6は、熱伝導性の高い材料(例えば、カーボン)で形成されている。また、第2セル11の電解質膜12の液体透過率は、第1セル1の電解質膜2よりも液体透過率が高い。電解質膜の液体透過率を高くするためには、その膜厚を薄くすればよいので、第2セル11は、好ましくは、第1セル1より膜厚の薄い電解質膜12を有する。また、第2セル11は、第1セル1とは異なる材料の電解質膜12を有してもよい。電解質膜の液体透過率は、膜の材料によって異なる場合があり、第1セル1と第2セル11の電解質膜の材料に異なるものを用いることによって、第2セル11の電解質膜12の液体透過率を第1セル1よりも高くすることができる。
The second cell 11 is disposed in thermal contact with the
ここで、本実施形態の作用について説明する。
第2セル11の燃料極13に供給された液体燃料は、その一部が燃料極触媒層13bで分解されてプロトンを生成して、発電に寄与する(電池動作)。一方、触媒層13bで分解されなかった燃料の残りは、液体透過率の高い電解質膜12を通って空気極14に到達し、そこで空気極14に供給された空気中の酸素によって酸化され、熱が発生する(クロスオーバー動作)。すなわち、第2セル11は、発電と発熱の両方を行う。第2セル11で発生した熱は、流路板6を介して、第1セル1に伝導される。このため、第1セル1及び第2セル11の両方の温度が上昇する。
Here, the operation of the present embodiment will be described.
Part of the liquid fuel supplied to the
起動直後は、通常、第1セル1及び第2セル11の温度が低く、液体燃料が分解されにくいので、発電効率が悪いが、本実施形態では、第2セル11が熱を発生させ、素早く、第1セル1及び第2セル11の温度を上昇させる。従って、本実施形態によれば、新たな部品を付加することなく、起動特性のよい燃料電池が得られる。
Immediately after startup, the temperature of the
図1では、第1及び第2セルのみを描いているが、さらに多くのセルを積層して、電気的に直列接続する構成としてもよい。そして、それらのセルの最外部から支持基材8で各部材を押圧固定する事で、必要な電圧と電力を確保する事が可能となる。複数セルを積層する場合、各流路板の一方の面に燃料流路を形成し、他方の面に空気流路を形成することにより、部品点数を削減すると共に、良好な電気伝導を得ることができる。
In FIG. 1, only the first and second cells are illustrated, but a configuration in which more cells are stacked and electrically connected in series may be employed. And it becomes possible to ensure a required voltage and electric power by pressing and fixing each member with the
2.第2の実施形態
本発明の第2の実施形態に係る液体燃料電池は、第2セルが、第1セルに対して電気的に分離されていることを特徴とする。
2. Second Embodiment A liquid fuel cell according to a second embodiment of the present invention is characterized in that the second cell is electrically separated from the first cell.
本実施形態でも、第2セルが発電及び発熱の両方を行う点については、第1の実施形態と同様である。そのため、電解質膜又は触媒層などについての第1の実施形態での説明は、その趣旨に反しない限り、第2の実施形態についても当てはまる。 Also in this embodiment, the second cell is similar to the first embodiment in that it generates both power and heat. Therefore, the description of the electrolyte membrane or the catalyst layer in the first embodiment is applicable to the second embodiment as long as it does not contradict the purpose.
本実施形態では、第1及び第2セルは、直列接続されておらず、第2セルは、第1セルに対して電気的に分離されている。このため、第2セルで発生した熱は、第1セルに供給されるが、第2セルで発生した電気は、第1セルとは独立して利用される。 In the present embodiment, the first and second cells are not connected in series, and the second cell is electrically separated from the first cell. For this reason, the heat generated in the second cell is supplied to the first cell, but the electricity generated in the second cell is used independently of the first cell.
第2の実施形態では、第1の閾値温度で流量が零になるように、第1セルの温度に連動して第2セルの燃料極へ供給される液体燃料の流量を変動させる液体燃料流量制御部をさらに備えることが好ましい。第1の閾値温度は、通常、第1セルの劣化を引き起こす限界温度より低く設定される。第1セルの温度に連動して第2セルの燃料極へ供給される液体燃料の流量を変動させることによって、第2セルでの発熱量を制御することができ、その結果、第1セルの温度を制御することができる。液体燃料流量制御部は、例えば、温度変動に連動したバルブを用いて構成することができる。 In the second embodiment, the liquid fuel flow rate that varies the flow rate of the liquid fuel supplied to the fuel electrode of the second cell in conjunction with the temperature of the first cell so that the flow rate becomes zero at the first threshold temperature. It is preferable to further include a control unit. The first threshold temperature is usually set lower than a limit temperature that causes deterioration of the first cell. The amount of heat generated in the second cell can be controlled by changing the flow rate of the liquid fuel supplied to the fuel electrode of the second cell in conjunction with the temperature of the first cell. The temperature can be controlled. The liquid fuel flow rate control unit can be configured using, for example, a valve that is linked to temperature fluctuations.
また、第1閾値温度で流量が零になるように、第1セルの温度に連動して第2セルの空気極へ供給される空気の流量を変動させる空気流量制御部をさらに備えることが好ましい。第2セルへの空気の流量を変動させることによって、第2セルでの発熱量を制御することができ、その結果、第1セルの温度を制御することができる。空気流量制御部は、例えば、温度変動に連動したバルブを用いて構成することができる。 Further, it is preferable to further include an air flow rate control unit that varies the flow rate of the air supplied to the air electrode of the second cell in conjunction with the temperature of the first cell so that the flow rate becomes zero at the first threshold temperature. . By changing the flow rate of air to the second cell, the amount of heat generated in the second cell can be controlled, and as a result, the temperature of the first cell can be controlled. The air flow rate control unit can be configured using, for example, a valve that is linked to temperature fluctuations.
また、第1セルの温度が、第1の閾値温度よりも高い第2閾値温度を超えたときに、第2セルの空気極に冷却水を供給する冷却水供給部をさらに備えることが好ましい。液体燃料又は空気の流量制御のみでは、第1セルの温度を制御することができず、第1セルの温度が、第1の閾値温度よりも高い第2閾値温度を超えた場合、第2セルの空気極に冷却水を供給することによって、第1セルを冷却し、第1セルが劣化するのを防ぐことができる。 Moreover, it is preferable to further include a cooling water supply unit that supplies cooling water to the air electrode of the second cell when the temperature of the first cell exceeds a second threshold temperature higher than the first threshold temperature. If only the flow control of the liquid fuel or the air cannot control the temperature of the first cell, and if the temperature of the first cell exceeds the second threshold temperature higher than the first threshold temperature, the second cell By supplying cooling water to the air electrode, it is possible to cool the first cell and prevent the first cell from deteriorating.
ここで、図2を用いて、本実施形態の液体燃料電池の具体的な構成を例示する。図2は、例示であり、本実施形態の範囲は、図2の構成に限定されない。本実施形態の液体燃料電池は、第1セル1及び第2セル11を備え、これらは、絶縁膜50によって互いに電気的に分離されている。第1セル1及び第2セル11の構成は、それぞれ第1の実施形態で述べたものと同様である。従って、第2セル11は、第1セル1よりも液体透過率の高い電解質膜を有する。但し、第1の実施形態では、流路板の材料としては、通常、電気伝導性と強度に優れた炭素材が用いられるが、第2の実施形態では、流路板の材料は、電気伝導性を有するものには限定されない。
Here, a specific configuration of the liquid fuel cell of the present embodiment will be illustrated with reference to FIG. FIG. 2 is an exemplification, and the scope of the present embodiment is not limited to the configuration of FIG. The liquid fuel cell of this embodiment includes a
絶縁膜50は、高い熱伝導性を有し、第1セル1及び第2セル11は、熱的に接触している(すなわち、第2セル11で発生した熱は、容易に第1セル1に伝導される)。絶縁膜50は、具体的には、例えばマトリックス樹脂(例えばシリコーンゴム)と熱伝導性フィラー(例えば窒化ホウ素)を配合して混同し溶剤に希釈した後、ドクターブレード法に従ってシート状に形成し、乾燥してプレスして加硫するという方法で作成することができる。
The insulating film 50 has high thermal conductivity, and the
第1及び第2セル1,11の燃料極3,13には、液体燃料が収容されている液体燃料容器40bから、送液ポンプ20bを介して液体燃料が供給される。燃料極3,13の燃料排出口は、液体燃料容器40bに接続されている。ポンプ20bと燃料極13の燃料流入口の間には、温度上昇に連動して流量を減少させるバルブ(液体燃料流量制御部)30aを介在させている。
Liquid fuel is supplied to the
バルブ30aは、例えば図3に記載のように、ばね31、形状記憶合金ばね32、スライダー弁33で構成されている。ばね31は耐腐食性にすぐれ、温度によって発生する力がほぼ一定の材料で構成されており、例えばステンレスなどで作成される。形状記憶合金ばね32は、例えば形状記憶特性がよく、耐腐食性にすぐれるTi−Ni合金を用いる。形状記憶合金は、低温でのマルテンサイト相では柔らかくて発生する力が小さく、高温でのオーステナイト相では固くて発生する力が強いという特徴を有している。これらの特徴を利用し、低温ではステンレスばね31の発生力が形状記憶合金ばね32の発生力を上回るため、中空形状を有するスライダー弁33は下側に移動し(図中点線で示した)流路が確保される。高温時は形状記憶合金ばね32の発生力がステンレスばね31の発生力を上回るため、スライダー弁33は上側に移動し流路を遮蔽する。
The
長時間放置後の燃料電池は、室温程度の温度にあるため、バルブ30aは「開」の状態(図3に記載の状態)にある。燃料電池の電源を立ち上げると液体燃料が第2セル11の燃料極13に供給され、透過率の高い電解質膜12を通り空気極14の触媒上で酸素と発熱を伴う化学反応が起こり、燃料電池全体が早急に加熱される。燃料電池の温度が徐々に上昇するに連れて、上記バルブ30aの形状記憶合金ばね31の発生力が上昇し、バルブが閉じられていくため第2セル11の燃料極13に供給される燃料流量は減衰していく。第1セルを駆動する最適な基準温度T1に温度平均が一致するように、限界温度より低く設定された第1の閾値温度T2で、バルブ30aは「閉」の状態になり、第2セル11での発熱反応はそれ以上起こらず、過熱を防止する。より正確に第1セル1を燃料流量に反映するため、バルブ30aは、第1セル1に隣接して配置されることが好ましい。また、閾値温度T2を超えた後も第2のセル11の空気極14側には空気が供給され続けているため、熱伝導の良い絶縁膜50および第2のセル11の空気極14側流路板は放熱板の役割を果たし、過熱された第1セル1を冷却し、第1セル1の劣化を招く限界温度に達することを抑制することが可能となる。
Since the fuel cell after being left for a long time is at a temperature of about room temperature, the
第2セル11は、第1セル1と電気的に分離して組み込まれているので、第2セル11の流路板は電気伝導性の良い材料を用いる必要はないため、効率の良い加熱、放熱を行うためにも、熱伝導抵抗の小さい材料を用いて作成することがより好ましい。例えば、アルマイト処理を施したアルミニウムを主原料とする金属板や、Ni、Ti、Cu、Feなどをステンレス鋼に組み合わせたステンレスクラッド鋼板などを用いることができる。これらにより、外部にサーミスタ等の温度制御素子を用いることなく、簡易な構成で温度制御可能な燃料電池を提供することが可能となる。
Since the second cell 11 is incorporated electrically separated from the
空気の供給手段としては、送風ポンプ20a(もしくは送風ファン)が空気極4および空気極14の空気供給口へと接続されている。各空気極排出口は、空気極回収容器40aへ接続されており、空気極から排出される水および余剰分の液体燃料が回収される仕組みとなっている。空気極回収容器40aに回収された水および余剰分の液体燃料は、送液ポンプ20cによって液体燃料容器40bに戻してもよい。このように空気極から排出された水を用いる場合、根本の燃料として、水を含まない液体燃料(例えば100%メタノール)を用いることができる。また、濃度センサー(図示なし)を介在させることにより、液体燃料回収容器40b内の燃料濃度を希釈することが可能となる。併せて、循環液体燃料を回収水によって冷却することにより温度が上昇しすぎた燃料電池スタックを冷却することが可能となる。なお、図2には示されていないが、送風ポンプ20aと第2の空気極流入口の間にバルブ(空気流量制御部)を介在させ、第2の空気極側への空気燃料の供給を、燃料極側液体燃料燃料と同様に、セル温度に連動して変動させ、閾値温度T2で遮断することも可能である。
As an air supply means, a blower pump 20 a (or a blower fan) is connected to the air supply ports of the
また、図2に点線で示したとおり、第2セル11の空気極14と空気極回収容器40aは、温度上昇に連動して流量を増加させるバルブ30bを介して接続されている。バルブ30bには、例えば図3に示した構造で形状記憶合金ばねとステンレスばねの配置位置を両者入れ替えたバルブを用いても良い。もしくは、図4に示したような、4枚の形状記憶合金34とバイアスばね35を持った構造のバルブを用いても良い(参考文献 日本AEM学会誌,Vol.4,No.4 (1996),pp.31−36)。形状記憶合金板34は、常温時、図4の破線で示したような円弧の形状をとり、バイアスばねの復元力で流路は閉鎖されている。一方、ある一定以上に加熱された形状記憶合金板34は、図4の実線で示したような平坦な形状をとり、流路を開く機構になっている。バルブ30bは第1の閾値温度T2より高く設定された第2の閾値温度T3を超えたとき「開」になり、回収水が流れる。これにより、過熱された燃料電池セルを冷却し、燃料電池システムの劣化を招く限界温度に達することを抑制することが可能となる。
Further, as indicated by a dotted line in FIG. 2, the
本発明は上記した各実施形態に限らず、種々の変更が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made.
図5は、本発明の実施例1に係る液体燃料電池の構成を示す模式図である。本実施例は、上記第1の実施形態に対応する。この液体燃料電池は、二種類のセルを備え、1つの第2セル202を、両側に配置された2つずつの第1セル201で、挟んだ構成となっている(第1セル201,第2セル202の基本構成は、それぞれ図1に示す第1セル1,第2セル11と同じである。)。この5つのセルは、互いに電気的に接続され、直列接続になっている。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the liquid fuel cell according to Example 1 of the present invention. This example corresponds to the first embodiment. This liquid fuel cell includes two types of cells, and has a configuration in which one
ここで、第1セル201の作製方法について説明する。まず、膜厚170μmのDuPont社製Nafion(登録商標)を電解質膜として用い、カーボンクロス上にPt−Ru系触媒層を塗布した22.3mm×22.3mmのアノード極と、カーボンクロス上にPt触媒層を塗布した22.3mm×22.3mmのカソード極とを、触媒層が電解質膜に接するようにして120℃で4分間、20kgf/cm2の圧力でホットプレスして接合した。この膜電極接合体を深さ1mm、幅1mmのアノード流路をもつアノード流路板と深さ1mm、幅1mmのカソード流路をもつカソード流路板の内部に組み込んで図5に記載の第1のセル201を作成した。
Here, a method for manufacturing the
次に、膜厚50μmのDuPont社製Nafion(登録商標)を用いて、それ以外は、第1セル201と同様の方法で、第2セル202を作成した。
Next, a
図5の矢印401は、メタノール水溶液の流路を示し、個々のセルへ供給され、個々のセルから排出される。2Mメタノール水溶液を流量1.0ml/minでアノード流路に送り、300ml/minの流量で空気をカソード流路に送り、0.1A/cm2負荷条件で発電を行った。測定条件は、室温24℃、湿度40%であり、直列接続されたセル全体の電圧を測定した。初期の単位セル当たりの電圧は0.35Vであった。
An
(比較例1)実施例1の構成において、図5の第2セル202を第1セル201に置き換え、第1セルのみのスタックにした以外は実施例1と同様の条件で発電を行ったが0.1A/cm2の負荷がとれないまま電圧は低下した。
(Comparative Example 1) In the configuration of Example 1, power generation was performed under the same conditions as Example 1 except that the
実施例1と比較例1の比較からも容易に、本発明の液体燃料電池は再起動時の特性に優れていることがわかった。 From a comparison between Example 1 and Comparative Example 1, it was easily found that the liquid fuel cell of the present invention was excellent in restarting characteristics.
図6は、本発明の実施例2に係る液体燃料電池の構成を示す模式図である。本実施例は、上記第2の実施形態に対応する。第1セル201は実施例1と同様の方法で作成した。第2セル203は、第2セル202と同様の方法で作成した膜を、アルミニウム板に深さ1mm、幅1mmの流路を形成した後にアルマイト処理した流路板で挟んで作成した。第1セルと第2セルの間には、市販の熱伝導性の良い絶縁シート501を介在させて図6のように積層した。第2セル203へのメタノール水溶液の供給は、図3に示した構造をとり、セル温度に連動して流量を減少させるバルブ30aを第1セル201に接するような形態で設置して行った。バルブ30aを介した流路に、メタノール水溶液を1ml/minで流したときの、各温度に対する出口側での流量は図7に示したとおりであった。2Mメタノール水溶液を流量1.0ml/minでアノード流路に送り、300ml/minの流量で空気をカソード流路に送り、0.1A/cm2負荷条件で発電を行った。測定条件は、室温24℃、湿度40%であり、直列接続された第1セル201全体の電圧を測定した。初期の単位セル当たりの電圧は0.4Vであった。
10時間運転後も電圧の変化は無かった。測定期間中のセル温度は65℃から75℃の間におさまっていた。このことから、本発明の液体燃料システムは、長時間運転中も過熱を防止し安定した出力を維持できることが確認された。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a liquid fuel cell according to Example 2 of the present invention. This example corresponds to the second embodiment. The
There was no change in voltage after 10 hours of operation. The cell temperature during the measurement period was between 65 ° C and 75 ° C. From this, it was confirmed that the liquid fuel system of the present invention can prevent overheating and maintain a stable output even during long-time operation.
1,11:液体燃料電池セル 2,12:電解質膜 3,13:燃料極 4,14:空気極 5,6,7:流路板 8:支持基板 20a、20b、20c:ポンプ 30a、30b:流量調節バルブ 40a、40b 水溶液容器
DESCRIPTION OF
Claims (14)
第1セル及び第2セルは、それぞれ、電解質膜と、前記電解質膜を挟んで配置された燃料極及び空気極とを有し、
前記燃料極に液体燃料を供給可能な液体燃料流路をさらに備え、
第1セルと第2セルは、熱的に接触して配置され、
第2セルの電解質膜は、第1セルの電解質膜よりも燃料極側から空気極側へ透過する液体燃料の量が多くなるように形成され、
第1セルは、第2セルの電解質膜を透過した液体燃料が第2セルの空気極において酸素と反応することにより発生する熱により加熱され、
前記液体燃料流量制御部は、第2セルの燃料極に供給する液体燃料の単位時間あたりの流量を変動させることにより第2セルの発熱量を制御することができるように設けられることを特徴とする液体燃料電池。 First cell, the second cell and the liquid fuel cell Ru provided with a liquid fuel flow control unit,
Each of the first cell and the second cell has an electrolyte membrane, and a fuel electrode and an air electrode arranged with the electrolyte membrane interposed therebetween,
A liquid fuel flow path capable of supplying liquid fuel to the fuel electrode;
The first cell and the second cell are disposed in thermal contact,
The electrolyte membrane of the second cell is formed so that the amount of liquid fuel that permeates from the fuel electrode side to the air electrode side is larger than the electrolyte membrane of the first cell,
The first cell is heated by the heat generated when the liquid fuel that has passed through the electrolyte membrane of the second cell reacts with oxygen at the air electrode of the second cell,
The liquid fuel flow rate control unit is provided so as to control the heat generation amount of the second cell by changing the flow rate per unit time of the liquid fuel supplied to the fuel electrode of the second cell. Liquid fuel cell.
第1セル及び第2セルは、それぞれ、電解質膜と、前記電解質膜を挟んで配置された燃料極及び空気極とを有し、
前記燃料極に液体燃料を供給可能な液体燃料流路および前記空気極に空気を供給可能な空気流路をさらに備え、
第1セルと第2セルは、熱的に接触して配置され、
第2セルの電解質膜は、第1セルの電解質膜よりも燃料極側から空気極側へ透過する液体燃料の量が多くなるように形成され、
第1セルは、第2セルの電解質膜を透過した液体燃料が第2セルの空気極において酸素と反応することにより発生する熱により加熱され、
前記空気流量制御部は、第2セルの空気極に供給する空気の単位時間あたりの流量を変動させることにより第2セルの発熱量を制御することができるように設けられることを特徴とする液体燃料電池。 First cell, the second cell and the liquid fuel cell Ru includes an air flow control unit,
Each of the first cell and the second cell has an electrolyte membrane, and a fuel electrode and an air electrode arranged with the electrolyte membrane interposed therebetween,
A liquid fuel channel capable of supplying liquid fuel to the fuel electrode and an air channel capable of supplying air to the air electrode;
The first cell and the second cell are disposed in thermal contact,
The electrolyte membrane of the second cell is formed so that the amount of liquid fuel that permeates from the fuel electrode side to the air electrode side is larger than the electrolyte membrane of the first cell,
The first cell is heated by the heat generated when the liquid fuel that has passed through the electrolyte membrane of the second cell reacts with oxygen at the air electrode of the second cell,
The air flow control unit is provided so as to control the heat generation amount of the second cell by changing the flow rate per unit time of the air supplied to the air electrode of the second cell. Fuel cell.
第2セルの電解質膜は、24℃において液体燃料が透過可能である請求項1〜9の何れか1つに記載の液体燃料電池。 The electrolyte membrane of the second cell is made of the same material as the electrolyte membrane of the first cell, and film thickness than the electrolyte film of the first cell is rather thin,
The liquid fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the electrolyte membrane of the second cell is permeable to liquid fuel at 24 ° C.
前記絶縁膜は、第1セルと第2セルとを電気的に分離する請求項1〜13の何れか1つに記載の液体燃料電池。The liquid fuel cell according to claim 1, wherein the insulating film electrically separates the first cell and the second cell.
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