【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接型メタノール燃料電池を主体として構成され、小型の電子機器の電源として組み込むに好適な燃料電池装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
直接型メタノール燃料電池は、電解質膜を介してメタノール水溶液と空気とを室温付近で化学反応させて電力を発生するもので、リン酸電解液型燃料電池に見られるような改質器が不要であり、その構造が比較的簡単である。特に直接型メタノール燃料電池は、その燃料容積が少なく小型化が容易であることから従来の二次電池或いは一次電池に代わる電源装置として可搬型または携帯型の電子機器への応用が期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの種の燃料電池装置を小型の電子機器の電源として用いるべく、その主体部である直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）に、燃料としてのメタノール水溶液を充填した燃料カートリッジや、メタノール水溶液をＤＭＦＣに供給する送液ポンプ等を一体に組み込み、１つの電源ユニットとしてパック化することが考えられる。
【０００４】
またパック化された燃料電池装置に組み込まれた送液ポンプ等の補機類を駆動するための電源が必要であるが、燃料電池自身、その起動時には出力電圧が零であり、燃料電池単独では起動ができないという問題がある。更には燃料電池装置の発電初期時はその出力電圧が不安定であり、また負荷急変時にあっては、燃料電池出力が負荷に追従するまでのタイムラグにより出力電圧が不安定になるという問題もある。
【０００５】
そこでパック化した燃料電池装置に、更に二次電池を組み込むことが考えられている。しかし直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、発電効率の観点からは、でき得る限り高温で作動させた方が望ましい。これに対して二次電池は、その電池性能を十分に確保するには、高温化を避けることが好ましい。これにも拘わらずＤＭＦＣの発電時には、その化学反応に伴う発熱が生じることが否めず、この熱が二次電池に影響を及ぼすという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、二次電池を含むパック化された燃料電池装置において、発電時に生じた直接型メタノール燃料電池部の発熱が二次電池の特性に影響を与えることなく、燃料電池装置の安定した発電動作を図ることが可能な小型の電子機器用電源として好適な燃料電池装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、本発明に係る燃料電池装置は、電解質膜を介してメタノール水溶液と空気とを化学反応させて電力を発生する直接型メタノール燃料電池部と、この直接型メタノール燃料電池部の発電動作を補助する二次電池装置とを具備し、前記直接型メタノール燃料電池部と前記二次電池装置との間に熱隔壁部を設けたことを特徴としている。
【０００８】
この熱隔壁部については、前記直接型メタノール燃料電池部の発電時の化学反応に伴って生じた熱が、前記二次電池装置へ伝達しないような断熱部材または断熱機構とすることが好ましい。
【０００９】
また、前記熱隔壁部にあっては、直接型メタノール燃料電池部に供給する空気の通流路をなすものとして、発電時に生じた熱が二次電池部へ伝達されないようにすれば良い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池装置について説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る燃料電池装置の概略構成を示すブロック図である。この燃料電池装置１０は、電解質膜を介して燃料のメタノール水溶液と空気（Ｏ２）とを化学反応させて起電力を発生するＤＭＦＣ起電装置１００を主体とし、このＤＭＦＣ起電装置１００に燃料であるメタノール水溶液を供給する送液ポンプ４１、および酸化剤としての空気（Ｏ２）を供給する送気ポンプ４２を一体に組み込んで構成される。またこの燃料電池装置１０には、これらのポンプ４１，４２の作動を制御して前記ＤＭＦＣ起電装置１００の発電動作を制御するＤＭＦＣ制御部（発電制御部）２０や、このＤＭＦＣ起電装置１００の発電を補助する二次電池部６０が一体に組み込まれて１つの電源ユニットとしてパック化される。
【００１２】
この二次電池部６０は、ＤＭＦＣ起電装置１００の起動時にポンプ４１，４２を駆動するものであり、更には、ＤＭＦＣ起電装置１００の起電反応前および負荷急変時、燃料電池出力が負荷に追従するまでのタイムラグによる電圧が不安定なとき、該ＤＭＦＣ起電装置１００に代わってＤＭＦＣ制御部（発電制御部）２０等に対して電力を供給する役割を担う。
【００１３】
ちなみに燃料のメタノール水溶液は、燃料電池装置１０に対して着脱可能に設けられた燃料カートリッジ３０に充填されており、この燃料カートリッジ３０を燃料電池装置１０に装着することで、前記送液ポンプ４１を介して前記ＤＭＦＣ起電装置１００に供給される。また、酸化剤としての空気（Ｏ２）は、前記送気ポンプ４２により外気を取り込むことで前記ＤＭＦＣ起電装置１００に供給される。
【００１４】
ここで前記ＤＭＦＣ起電装置１００について簡単に説明すると、このＤＭＦＣ起電装置１００は、概略的には図２にその構成を示すように、電解質膜１１０を間にしてメタノール水溶液を通流する流路１２０を形成したアノード流路体１２１と、空気を通流する流路１３０を形成したカソード流路体１３１とを設けた構造をなす。特に前記電解質膜１１０の両面にはアノード触媒層１２２と、カソード触媒層１３２とがそれぞれ設けられており、更にその外側にはアノード集電体１２３とカソード集電体１３３とが設けられている。
【００１５】
このような構造のＤＭＦＣ起電装置１００において、基本的にはアノード流路体１２１内に送り込まれたメタノール水溶液は、アノード集電体１２３を介してアノード触媒層１２２に染み込む。またカソード流路体１３１内に送り込まれた空気（酸化剤としてのＯ２）は、カソード集電体１３３を介してカソード触媒層１３２に染み込む。するとメタノール水溶液は、該アノード触媒層１２２の触媒作用を受けて化学反応し、これによって生成されたプロトン（陽子）が電解質膜１１０を透過する。そしてカソード触媒層１３２に染み込んだ酸素と上記陽子とが反応することで発電する。このような化学反応に伴う起電力が、前記アノード集電体１２３とカソード集電体１３３とを介してそれぞれ取り出されることになる。
【００１６】
さて基本的には上述した如く構成された燃料電池装置１０において、この発明が特徴とするところは、図１に示すようにＤＭＦＣ起電装置１００と、この燃料電池装置１０の補助電源をなす二次電池部６０との間に熱隔壁部５２を設けた点にある。
【００１７】
この熱隔壁部５２は、ＤＭＦＣ起電装置１００の発電動作の化学反応時に生じた反応熱を二次電池部６０に伝わらないように、例えば熱導電率の低い石綿、ガラス綿、発砲ポリウレタン等の材質を用いてＤＭＦＣ起電装置１００と二次電池部６０との間を遮る熱遮蔽部を構成するものである。或いは、この熱隔壁部５２は、ＤＭＦＣ起電装置１００が発生した熱を放熱して、二次電池部６０に伝わらないような断熱機構として構成してもよい。この断熱機構は、具体的には図３（ａ）に示すように、ＤＭＦＣ起電装置１００と二次電池部６０との間に空気の通流路５３を設けたものとして構成される。すなわち、この通流路５３は、ＤＭＦＣ起電装置１００に酸化剤となる空気を送気ポンプ４２によって送り込むための通気口となるように構成される。
【００１８】
この通流路５３は、詳しくは図３（ｂ）に示すように、ＤＭＦＣ起電装置１００の内部に酸化剤（空気）を送り込むため通流路５３のＤＭＦＣ起電装置１００の側面部に複数の送気窓５５を備えたものとして構成される。そして、燃料電池装置１０の発電反応に必要な酸化剤（空気）は、送気ポンプ４２によりこの通流路５３に送り込まれて送気窓５５を通り、ＤＭＦＣ起電装置１００のカソード側（空気極側）に供給される。このとき、ＤＭＦＣ起電装置１００の発電に伴う熱が、通流路５３を通過する酸化剤（空気）に吸熱されるので、二次電池部６０に伝わることを防ぎつつ、ＤＭＦＣ起電装置１００の発電（化学反応）に必要な酸化剤（空気）を供給することができる。
【００１９】
好ましくは、この通流路５３は、二次電池部６０に対する断熱効果を高めるため、例えば図３（ｂ）に示すように櫛歯状に並べられた放熱フィン５４をＤＭＦＣ起電装置１００側および二次電池部６０側との間に千鳥状に配置するとよい。この場合、通流路５３に流れる酸化剤（空気）が放熱フィン５４によって蛇行しながら進行する。このため、この放熱フィン５４と接触する空気の接触面積を大きくすることができる。即ち、より効率的にＤＭＦＣ起電装置１００に生じた熱を二次電池部６０に伝わることを効果的に防止しつつ、二次電池部６０を冷却することが可能となる。
【００２０】
勿論、発電に伴うＤＭＦＣ起電装置１００内部に生じた余剰な反応熱を、この放熱フィン５４および通流路５３を流れる酸化剤（空気）によって効果的にＤＭＦＣ起電装置１００外に排出することも可能となる。
【００２１】
かくして上述したように構成した燃料電池装置１０によれば、ＤＭＦＣ起電装置１００と二次電池部６０との間に断熱部材または断熱機構からなる熱隔壁部５２を設けているので、ＤＭＦＣ起電装置１００の発電により生成される熱が二次電池部６０に伝わるのを防ぐことができ、二次電池部６０の効率の良い運用ができると共に、熱による二次電池部６０の特性劣化を防止しつつ、ひいてはパック化された燃料電池装置１０の製品寿命をより高めることが可能となる。
【００２２】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、二次電池部６０に伝わる熱を遮蔽するため、例えば二次電池部６０の外周面を断熱材で覆い包むように構成してもよい。
【００２３】
或いは、燃料電池装置１０にパック化されたＤＭＦＣ制御部２０や二次電池制御部６１等に関しても、上述したような熱隔壁部５２を設けＤＭＦＣ起電装置１００の発電時に生じた熱を遮断することで、これら制御部の電子回路および電子回路基板を保護することも可能となる。更にここでは燃料電池装置１０に対して燃料カートリッジ３０を着脱自在に設けた構造のものについて例示したが、所定量のメタノール水溶液を貯留可能な燃料タンク（図示せず）を一体に備え、この燃料タンクに対して外部からメタノール水溶液を供給可能な構成の燃料電池装置に対しても同様に適用することができる。またここでは送液ポンプ４１を用いてＤＭＦＣ起電装置１００に対してメタノール水溶液を供給したが、送液ポンプ４１や送気ポンプ４２を用いることのない、いわゆるブリージングタイプの燃料電池装置に対しても同様に適用可能である。
【００２４】
また、上述した実施形態にあっては、空気を冷却冷媒とした空冷方式について説明したが、冷却液を冷媒水冷とした水冷方式にも適用することが可能である。更には、熱隔壁部５２に第１の熱交換機（図示せず）を設けて熱を吸収し、別置した第２の熱交換機（図示せず）から、この熱を放散するヒートポンプ方式であっても良いなど、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の燃料電池装置によれば、直接型メタノール燃料電池部と、この直接型メタノール電池部の発電動作を補助する二次電池部との間に断熱部材または断熱機構が設けられているので、直接型メタノール燃料電池装置の発電時の化学反応に伴う熱によって二次電池部が特性劣化等の影響を受けることがない。この為、特に小型の電子機器の電源装置をなすパック化された燃料電池装置に適用することで、発電反応に伴う熱から確実に二次電池を保護することが可能となる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の概略構成を示すブロック図。
【図２】直接型メタノール燃料電池の概略構成を模式的に示す図。
【図３】本発明の一実施形態に係る直接型メタノール燃料電池と二次電池との間に設けられた熱隔壁の概略構成を示す図。
【符号の説明】
１０ 燃料電池装置
２０ ＤＭＦＣ制御部（発電制御部）
３０ 燃料カートリッジ
４１ 送液ポンプ
４２ 送気ポンプ
５２ 熱隔壁部
６０ 二次電池部
６１ 二次電池制御部
１００ ＤＭＦＣ起電装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell device mainly composed of a direct methanol fuel cell and suitable for being incorporated as a power source for small electronic devices.
[0002]
[Related background art]
A direct methanol fuel cell generates electric power by chemically reacting an aqueous methanol solution with air at around room temperature through an electrolyte membrane, eliminating the need for a reformer as found in phosphoric acid electrolyte fuel cells. Yes, its structure is relatively simple. In particular, the direct methanol fuel cell is expected to be applied to portable or portable electronic devices as a power supply device that replaces the conventional secondary battery or primary battery because of its small fuel volume and easy downsizing. .
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to use this type of fuel cell device as a power source for a small electronic device, a direct methanol fuel cell (DMFC), which is a main component thereof, is provided with a fuel cartridge filled with an aqueous methanol solution as a fuel or an aqueous methanol solution as a DMFC. It is conceivable that the liquid feed pump and the like to be supplied are integrated and packaged as one power supply unit.
[0004]
In addition, a power source for driving auxiliary equipment such as a liquid feed pump incorporated in a packed fuel cell device is required, but the output voltage of the fuel cell itself is zero at the time of startup, and the fuel cell alone requires There is a problem that cannot be started. Furthermore, the output voltage of the fuel cell device is unstable at the beginning of power generation, and the output voltage becomes unstable due to a time lag until the output of the fuel cell follows the load during a sudden change in load. .
[0005]
Therefore, it has been considered to further incorporate a secondary battery into the packed fuel cell device. However, it is desirable to operate the direct methanol fuel cell (DMFC) at the highest possible temperature from the viewpoint of power generation efficiency. On the other hand, it is preferable to avoid a high temperature of the secondary battery in order to sufficiently secure the battery performance. Despite this, when power is generated by the DMFC, it is unavoidable that heat is generated due to the chemical reaction, and there is a problem that this heat affects the secondary battery.
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a packed fuel cell device including a secondary battery, in which the heat generated by a direct methanol fuel cell unit generated at the time of power generation is reduced. It is an object of the present invention to provide a fuel cell device suitable as a small-sized power supply for an electronic device capable of achieving a stable power generation operation of the fuel cell device without affecting the characteristics of the fuel cell device.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel cell device according to the present invention includes a direct methanol fuel cell unit that generates electric power by chemically reacting a methanol aqueous solution and air through an electrolyte membrane, and a direct methanol fuel cell unit. And a secondary battery device for assisting the power generation operation of the unit, and a thermal partition is provided between the direct methanol fuel cell unit and the secondary battery device.
[0008]
It is preferable that the heat partition section be a heat insulating member or a heat insulating mechanism that does not transmit heat generated by a chemical reaction during power generation of the direct methanol fuel cell section to the secondary battery device.
[0009]
In addition, the heat partition may be configured to provide a flow path for air supplied to the direct methanol fuel cell, so that heat generated during power generation is not transmitted to the secondary battery.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0011]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell device according to the present invention. The fuel cell device 10 mainly includes a DMFC electromotive device 100 that generates an electromotive force by chemically reacting a fuel aqueous methanol solution with air (O 2 ) through an electrolyte membrane. And an air supply pump 42 for supplying air (O 2 ) as an oxidizing agent. The fuel cell device 10 includes a DMFC control unit (power generation control unit) 20 that controls the operation of the pumps 41 and 42 to control the power generation operation of the DMFC power generation device 100, and the DMFC power generation device 100 The secondary battery unit 60 for assisting the power generation is integrated and integrated into one power supply unit.
[0012]
The secondary battery unit 60 drives the pumps 41 and 42 when the DMFC 100 is started up. Further, before the electromotive reaction of the DMFC 100 and when the load suddenly changes, the output of the fuel cell is reduced. When the voltage due to the time lag until following the current is unstable, it plays a role of supplying power to the DMFC control unit (power generation control unit) 20 and the like in place of the DMFC power generation device 100.
[0013]
Incidentally, the methanol aqueous solution of the fuel is filled in a fuel cartridge 30 detachably provided to the fuel cell device 10. By mounting the fuel cartridge 30 in the fuel cell device 10, the liquid sending pump 41 is turned on. Through the DMFC power generator 100. Air (O 2 ) as an oxidant is supplied to the DMFC electromotive device 100 by taking in outside air by the air supply pump 42.
[0014]
Here, the DMFC electromotive device 100 will be briefly described. This DMFC electromotive device 100 has a flow path in which a methanol aqueous solution flows through an electrolyte membrane 110, as schematically shown in FIG. A structure is provided in which an anode channel body 121 having a channel 120 formed therein and a cathode channel body 131 having a channel 130 through which air flows are provided. In particular, an anode catalyst layer 122 and a cathode catalyst layer 132 are provided on both sides of the electrolyte membrane 110, respectively, and further outside the anode current collector 123 and the cathode current collector 133 are provided.
[0015]
In the DMFC electromotive device 100 having such a structure, basically, the aqueous methanol solution fed into the anode channel body 121 permeates the anode catalyst layer 122 via the anode current collector 123. Further, the air (O 2 as an oxidant) sent into the cathode channel body 131 permeates the cathode catalyst layer 132 via the cathode current collector 133. Then, the methanol aqueous solution undergoes a chemical reaction under the catalysis of the anode catalyst layer 122, and protons generated thereby permeate the electrolyte membrane 110. Then, oxygen generated in the cathode catalyst layer 132 reacts with the protons to generate power. The electromotive force resulting from such a chemical reaction is extracted via the anode current collector 123 and the cathode current collector 133, respectively.
[0016]
Now, in the fuel cell device 10 basically configured as described above, the present invention is characterized in that, as shown in FIG. The point is that a thermal partition 52 is provided between the secondary battery 60 and the secondary battery 60.
[0017]
The thermal partition 52 is made of, for example, asbestos, glass cotton, foamed polyurethane, or the like having a low thermal conductivity so that the reaction heat generated during the chemical reaction of the power generation operation of the DMFC electromotive device 100 is not transmitted to the secondary battery unit 60. The material is used to form a heat shield that shields the space between the DMFC electromotive device 100 and the secondary battery unit 60. Alternatively, the heat partition 52 may be configured as a heat insulating mechanism that dissipates heat generated by the DMFC electromotive device 100 and does not transmit the heat to the secondary battery unit 60. As shown in FIG. 3A, the heat insulation mechanism is configured such that an air passage 53 is provided between the DMFC power generator 100 and the secondary battery unit 60. That is, the passage 53 is configured to be a vent for sending air serving as an oxidant to the DMFC electromotive device 100 by the air supply pump 42.
[0018]
As shown in detail in FIG. 3B, the communication channel 53 is provided with a plurality of communication channels 53 on the side surface of the DMFC 100 in order to feed an oxidant (air) into the DMFC 100. The air supply window 55 is provided. The oxidant (air) required for the power generation reaction of the fuel cell device 10 is sent into the communication channel 53 by the air supply pump 42, passes through the air supply window 55, and passes through the cathode side (the air) of the DMFC electromotive device 100. Pole side). At this time, since the heat generated by the power generation of the DMFC 100 is absorbed by the oxidant (air) passing through the communication channel 53, the heat is prevented from being transmitted to the secondary battery unit 60, and the DMFC 100 is prevented from being transmitted to the secondary battery unit 60. An oxidizing agent (air) required for power generation (chemical reaction) can be supplied.
[0019]
Preferably, in order to enhance the heat insulating effect on the secondary battery unit 60, the communication channel 53 includes, for example, radiating fins 54 arranged in a comb shape as shown in FIG. It is good to arrange in a zigzag manner between the secondary battery unit 60 side. In this case, the oxidizing agent (air) flowing in the communication channel 53 travels while meandering by the radiation fins 54. For this reason, the contact area of the air that comes into contact with the radiation fins 54 can be increased. That is, it is possible to cool the secondary battery unit 60 while effectively preventing the heat generated in the DMFC electromotive device 100 from being transmitted to the secondary battery unit 60 more effectively.
[0020]
Of course, excess reaction heat generated inside the DMFC 100 due to the power generation is effectively discharged to the outside of the DMFC 100 by the radiating fins 54 and the oxidant (air) flowing through the passage 53. Is also possible.
[0021]
Thus, according to the fuel cell device 10 configured as described above, since the thermal partition 52 made of a heat insulating member or a heat insulating mechanism is provided between the DMFC electromotive device 100 and the secondary battery unit 60, the DMFC It is possible to prevent the heat generated by the power generation of the device 100 from being transmitted to the secondary battery unit 60, to efficiently operate the secondary battery unit 60, and to prevent the characteristic deterioration of the secondary battery unit 60 due to the heat. In addition, the product life of the packed fuel cell device 10 can be further increased.
[0022]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be configured to cover the outer peripheral surface of the secondary battery unit 60 with a heat insulating material, for example, to shield heat transmitted to the secondary battery unit 60. Good.
[0023]
Alternatively, the DMFC control unit 20 and the secondary battery control unit 61 packed in the fuel cell device 10 are also provided with the above-described thermal partition wall portion 52 so as to cut off the heat generated when the DMFC power generation device 100 generates power. Thereby, it is also possible to protect the electronic circuit and the electronic circuit board of these control units. Further, here, the fuel cell device 10 has a structure in which the fuel cartridge 30 is detachably provided. However, a fuel tank (not shown) capable of storing a predetermined amount of an aqueous methanol solution is integrally provided. The present invention can be similarly applied to a fuel cell device configured to supply an aqueous methanol solution to the tank from outside. Further, although the methanol aqueous solution was supplied to the DMFC electromotive device 100 using the liquid sending pump 41 here, a so-called breathing type fuel cell device without using the liquid sending pump 41 or the air sending pump 42 was used. Is similarly applicable.
[0024]
In the above-described embodiment, the air cooling system using air as a cooling refrigerant has been described, but the present invention can also be applied to a water cooling system using a coolant as a cooling water. Furthermore, a heat pump system is provided in which a first heat exchanger (not shown) is provided in the heat bulkhead 52 to absorb heat and dissipate this heat from a second heat exchanger (not shown) separately provided. For example, the present invention may be variously modified and implemented without departing from the gist thereof.
[0025]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell device of the present invention, a heat insulating member or a heat insulating mechanism is provided between the direct methanol fuel cell unit and the secondary battery unit that assists the power generation operation of the direct methanol fuel cell unit. As a result, the secondary battery section is not affected by characteristics deterioration or the like due to heat generated by the chemical reaction during power generation of the direct methanol fuel cell device. For this reason, in particular, by applying the present invention to a packed fuel cell device serving as a power supply device for a small electronic device, it is possible to reliably protect a secondary battery from heat caused by a power generation reaction. The following effects can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a schematic configuration of a direct methanol fuel cell.
FIG. 3 is a view showing a schematic configuration of a thermal partition provided between a direct methanol fuel cell and a secondary battery according to one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 fuel cell device 20 DMFC control unit (power generation control unit)
Reference Signs List 30 fuel cartridge 41 liquid supply pump 42 air supply pump 52 thermal partition unit 60 secondary battery unit 61 secondary battery control unit 100 DMFC electromotive device