JP2010061975A

JP2010061975A - Fuel cell system

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Publication number: JP2010061975A
Application number: JP2008226134A
Authority: JP
Inventors: Motoi Goto; 基伊後藤; Hiroshi Shimoyamada; 啓下山田; Kenichi Takahashi; 賢一高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】安定した出力を得ることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料極２１、空気極２４、および燃料極２１と空気極２４とに挟持された電解質膜２７とを有する膜電極接合体３と、燃料極２１へ燃料を供給する燃料供給機構９と備えた燃料電池と、燃料タンクＴＫから燃料供給機構９に燃料を送出する送液手段ＰＰと、を備え、燃料供給機構９は、送液手段ＰＰから送出された燃料について気体と液体とを分離して気体燃料を膜電極接合体３へ排出させる気液分離手段８２を備えた燃料電池システム。
【選択図】図１A fuel cell system capable of obtaining a stable output is provided.
A membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, and a fuel supply mechanism for supplying fuel to the fuel electrode. And a liquid feeding means PP for sending fuel from the fuel tank TK to the fuel supply mechanism 9. The fuel supply mechanism 9 provides gas and liquid for the fuel sent from the liquid feeding means PP. A fuel cell system comprising gas-liquid separation means 82 for separating and discharging gaseous fuel to the membrane electrode assembly 3.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に液体燃料を用いた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system 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とを供給するだけで発電することができるとともに、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なる。 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 has a feature that it can generate electric power only 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 becomes a very advantageous system 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。 The direct methanol fuel cell (DMFC) is promising as a power source for portable electronic devices because it can be downsized and the fuel can be easily handled.

ＤＭＦＣの一つの燃料供給方法としては、燃料収容部と膜電極接合体とを気液分離膜、または微細孔を有する多孔膜を介して接続し、燃料収容部に収容された液体燃料を適宜膜電極接合体へ気体または液体として供給する。供給された燃料は膜電極接合体にて、発電反応に供され、供給された燃料を過不足なく電力へ変換する、いわゆるパッシブ型呼ばれる方式がある。 One fuel supply method of the DMFC is to connect the fuel storage unit and the membrane electrode assembly via a gas-liquid separation membrane or a porous membrane having micropores, and appropriately convert the liquid fuel stored in the fuel storage unit into a membrane. The gas is supplied to the electrode assembly as a gas or a liquid. There is a so-called passive system in which the supplied fuel is subjected to a power generation reaction at the membrane electrode assembly, and the supplied fuel is converted into electric power without excess or deficiency.

また、他の燃料供給方法としては、膜電極接合体を内包した燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続するアクティブ型と呼ばれる方法がある（特許文献１〜２参照）。 As another fuel supply method, there is a method called an active type in which a fuel battery cell containing a membrane electrode assembly and a fuel storage part are connected via a flow path (see Patent Documents 1 and 2).

この方法では、燃料収容部に収容された燃料は燃料電池セルへ直接供給されるが、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。 In this method, the fuel stored in the fuel storage unit is directly supplied to the fuel cell, but the supply amount of the liquid fuel is adjusted based on the shape and diameter of the flow path by supplying the fuel cell through the flow path. can do.

また、アクティブ型の燃料供給を強制的に行う方式として、特許文献２では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給する方式が開示されている。アクティブ型においては、ポンプを採用することにより、引例に記載の燃料を循環させる構造を有した燃料電池では、燃料供給量を意図的に制御することが可能となり有効である。特に、圧電素子ポンプは他の送液器機と比較して薄型化することが容易で、燃料電池システムの薄型化を考慮すると実装面では有利である（例えば特許文献３参照）。
特表２００５−５１８６４６号公報特開２００６−０８５９５２号公報特開２００４−１２７６７１号公報 In addition, as a method for forcibly supplying active fuel, Patent Document 2 discloses a method for supplying liquid fuel from a fuel storage portion to a flow path with a pump. In the active type, by adopting a pump, a fuel cell having a structure for circulating the fuel described in the reference is effective because the fuel supply amount can be intentionally controlled. In particular, the piezoelectric element pump can be easily reduced in thickness as compared with other liquid feeders, and is advantageous in terms of mounting in consideration of reduction in the thickness of the fuel cell system (see, for example, Patent Document 3).
JP 2005-518646 A JP 2006-089552 A JP 2004-127671 A

しかし、圧電素子ポンプを用いた場合、送液時の減圧効果により液体燃料の気化が生じるため、安定した燃料供給が難しくなる。その結果、燃料電池の出力が不安定になることがあった。 However, when the piezoelectric element pump is used, the liquid fuel is vaporized due to the pressure reducing effect during liquid feeding, so that stable fuel supply becomes difficult. As a result, the output of the fuel cell may become unstable.

本発明は上記の事情に鑑みて成されたものであって、安定した出力を得ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of obtaining a stable output.

本発明の態様に係る燃料電池システムは、燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記燃料極へ燃料を供給する燃料供給機構と備えた燃料電池と、燃料タンクから前記燃料供給機構に燃料を送出する送液手段と、を備え、前記燃料供給機構は、前記送液手段から送出された燃料について気体と液体とを分離して単相燃料を排出させる気液分離手段を備える。 A fuel cell system according to an aspect of the present invention includes a membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, and a fuel that supplies fuel to the fuel electrode A fuel cell having a supply mechanism; and a liquid feeding means for sending fuel from a fuel tank to the fuel supply mechanism. The fuel supply mechanism is configured to supply gas and liquid to the fuel sent from the liquid feeding means. Gas-liquid separation means for separating and discharging single-phase fuel is provided.

本発明によれば、安定した出力を得ることができる燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, a fuel cell system capable of obtaining a stable output can be provided.

以下、本発明を一実施形態に係る燃料電池システムについて、図面を参照して以下に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料が収容される燃料タンクＴＫと、燃料タンクＴＫから燃料電池に燃料を送出する送出手段としての圧電素子ポンプＰＰと、圧電素子ポンプＰＰの動作を制御するコントローラＣＴＲとを有している。燃料タンクＴＫにはバランス弁が接続されている。 Hereinafter, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell, a fuel tank TK in which fuel is stored, and a piezoelectric element pump PP as a delivery unit that sends fuel from the fuel tank TK to the fuel cell. And a controller CTR for controlling the operation of the piezoelectric element pump PP. A balance valve is connected to the fuel tank TK.

本実施形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように、燃料が燃料タンクと燃料電池との間で循環するように循環経路が構成されている。すなわち、燃料タンクＴＫに収容された燃料は圧電素子ポンプＰＰによって燃料電池に送られ、燃料電池から排出された燃料は再び燃料タンクＴＫへと送られる。 In the fuel cell system according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, the circulation path is configured so that the fuel circulates between the fuel tank and the fuel cell. That is, the fuel stored in the fuel tank TK is sent to the fuel cell by the piezoelectric element pump PP, and the fuel discharged from the fuel cell is sent again to the fuel tank TK.

圧電素子ポンプＰＰと気液分離器８２との間には、燃料遮断機構８８が配置されている。燃料遮断機構８８はコントローラＣＴＲによって制御され、燃料電池の出力の多寡に応じて、燃料供給機構９からの燃料供給を制御し、出力が安定するように作用する遮断弁である。 A fuel cutoff mechanism 88 is arranged between the piezoelectric element pump PP and the gas-liquid separator 82. The fuel shut-off mechanism 88 is a shut-off valve that is controlled by the controller CTR and controls the fuel supply from the fuel supply mechanism 9 in accordance with the output of the fuel cell so as to stabilize the output.

遮断弁の他に燃料遮断機構８８としては、その動作源により電磁バルブ、モータにより作動するバルブ、形状記憶合金と発熱体を併用したバルブ、圧電セラミックスを使用したバルブなどがある。 In addition to the shut-off valve, the fuel shut-off mechanism 88 includes an electromagnetic valve depending on its operating source, a valve operated by a motor, a valve using a shape memory alloy and a heating element, and a valve using piezoelectric ceramics.

また、バルブの動作形式から、通電時だけ流路が開放される常時閉型バルブ、逆に通電時だけ流路が閉止される常時開型バルブ、一度通電すると通電停止後もその状態を維持するラッチ機構つきバルブなどがある。 Also, from the valve operation type, a normally closed valve that opens the flow path only when energized, a normally open valve that closes the flow path only when energized, and maintains the state after energization is stopped once energized There is a valve with a latch mechanism.

また、燃料電池を稼働中に、発熱等により危険な状態となった場合に、圧電素子ポンプＰＰの動作が停止されて燃料電池への燃料の供給が停止され、さらに安全のために燃料遮断機構８８によって、圧電素子ポンプＰＰと燃料電池との間の燃料流路が遮断される。 In addition, when the fuel cell is in a dangerous state due to heat generation or the like during operation, the operation of the piezoelectric element pump PP is stopped and the supply of fuel to the fuel cell is stopped. By 88, the fuel flow path between the piezoelectric element pump PP and the fuel cell is blocked.

燃料電池の燃料排出口と燃料タンクＴＫとの間には、絞り部品８４が配置されている。コントローラＣＴＲは、絞り部品８４の絞り量を調整して燃料電池から排出される燃料の調整することによって循環経路内での燃料の圧力を調整することができる。 A throttle part 84 is disposed between the fuel discharge port of the fuel cell and the fuel tank TK. The controller CTR can adjust the fuel pressure in the circulation path by adjusting the throttle amount of the throttle component 84 to adjust the fuel discharged from the fuel cell.

燃料電池は、燃料電池セル１と、圧電素子ポンプＰＰから燃料電池セル１に供給される燃料を単相燃料に変換する気液分離器８２とを有している。図２は本実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。図１に示すように、燃料電池セル１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）３と、気液分離器８２を収容した燃料供給機構９と、を備えている。 The fuel cell includes a fuel cell 1 and a gas-liquid separator 82 that converts fuel supplied from the piezoelectric element pump PP to the fuel cell 1 into single-phase fuel. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel cell according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel battery cell 1 includes a membrane electrode assembly (MEA) 3 that constitutes an electromotive unit, and a fuel supply mechanism 9 that houses a gas-liquid separator 82.

膜電極接合体３は、アノード触媒層２３とアノードガス拡散層２２とを有するアノード（燃料極）２１と、カソード触媒層２５とカソードガス拡散層２６とを有するカソード（空気極／酸化剤極）２４と、アノード触媒層２３とカソード触媒層２５とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜２７とを有している。 The membrane electrode assembly 3 includes an anode (fuel electrode) 21 having an anode catalyst layer 23 and an anode gas diffusion layer 22, and a cathode (air electrode / oxidant electrode) having a cathode catalyst layer 25 and a cathode gas diffusion layer 26. 24, and a proton (hydrogen ion) conductive electrolyte membrane 27 sandwiched between the anode catalyst layer 23 and the cathode catalyst layer 25.

アノード触媒層２３やカソード触媒層２５を構成する触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、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２３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２５にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。 Examples of the catalyst constituting the anode catalyst layer 23 and the cathode catalyst layer 25 include a single element of a platinum group element such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd, and an alloy containing the platinum group element. For the anode catalyst layer 23, it is preferable to use Pt—Ru, Pt—Mo, or the like having strong resistance to methanol, carbon monoxide, or the like. It is preferable to use Pt, Pt—Ni or the like for the cathode catalyst layer 25.

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。 However, the catalyst is not limited to these, and various substances having catalytic activity can be used. The catalyst may be either a supported catalyst using a conductive support such as a carbon material or an unsupported catalyst.

電解質膜２７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２７はこれらに限られるものではない。 Examples of the proton conductive material constituting the electrolyte membrane 27 include a fluorine-based resin such as a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfonic acid group (Nafion (trade name, manufactured by DuPont) or Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Etc.), organic materials such as hydrocarbon resins having sulfonic acid groups, or inorganic materials such as tungstic acid and phosphotungstic acid. However, the proton conductive electrolyte membrane 27 is not limited to these.

アノード触媒層２３に積層されるアノードガス拡散層２２は、アノード触媒層２３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２３の集電体も兼ねている。カソード触媒層２５に積層されるカソードガス拡散層２６は、カソード触媒層２５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２５の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層２２およびカソードガス拡散層２６は多孔質基材で構成されている。 The anode gas diffusion layer 22 laminated on the anode catalyst layer 23 serves to uniformly supply fuel to the anode catalyst layer 23 and also serves as a current collector for the anode catalyst layer 23. The cathode gas diffusion layer 26 laminated on the cathode catalyst layer 25 serves to uniformly supply the oxidant to the cathode catalyst layer 25 and also serves as a current collector for the cathode catalyst layer 25. The anode gas diffusion layer 22 and the cathode gas diffusion layer 26 are made of a porous substrate.

アノードガス拡散層２２やカソードガス拡散層２６には、必要に応じて導電層３１、３４が積層される。これら導電層３１、３４としては、例えばＡｕ、Ｎｉのような導電性金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）、箔体または薄膜、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。導電層３１と導電層３４とは接続部材３７によって接続されている。本実施形態に係る燃料電池システムでは、接続部材３７および導電層３１、３４は、導電層３０として一体に構成されている。 Conductive layers 31 and 34 are laminated on the anode gas diffusion layer 22 and the cathode gas diffusion layer 26 as necessary. Examples of the conductive layers 31 and 34 include a porous layer (for example, a mesh) made of a conductive metal material such as Au and Ni, a foil body or a thin film, or a conductive metal material such as stainless steel (SUS) and gold. A composite material coated with a highly conductive metal is used. The conductive layer 31 and the conductive layer 34 are connected by a connection member 37. In the fuel cell system according to the present embodiment, the connection member 37 and the conductive layers 31 and 34 are integrally configured as the conductive layer 30.

電解質膜２７と導電層３１、３４との間には、それぞれゴム製のＯリング３８、３９が介在されており、これらによって膜電極接合体３からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。 Rubber O-rings 38 and 39 are interposed between the electrolyte membrane 27 and the conductive layers 31 and 34, respectively, thereby preventing fuel leakage and oxidant leakage from the membrane electrode assembly 3. .

膜電極接合体３は、導電膜３１、３４を介してカバープレート６、１５に挟持されている。カバープレート１５は酸化剤である空気を取入れるための開口（図示せず）を有している。カバープレート１５とカソード２４との間には、必要に応じて保湿層（図示せず）や表面層（図示せず）が配置される。カバープレート６は、燃料供給機構９から燃料を取り入れるための開口（図示せず）を有している。 The membrane electrode assembly 3 is sandwiched between the cover plates 6 and 15 via the conductive films 31 and 34. The cover plate 15 has an opening (not shown) for taking in air as an oxidant. A moisturizing layer (not shown) and a surface layer (not shown) are disposed between the cover plate 15 and the cathode 24 as necessary. The cover plate 6 has an opening (not shown) for taking in fuel from the fuel supply mechanism 9.

保湿層はカソード触媒層２５で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層２５への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。 The moisturizing layer is impregnated with a part of the water generated in the cathode catalyst layer 25 to suppress the transpiration of water and promote the uniform diffusion of air to the cathode catalyst layer 25. The surface layer adjusts the amount of air taken in, and has a plurality of air inlets whose number, size, etc. are adjusted according to the amount of air taken in.

燃料供給機構９には、気液分離器８２が収容されている。燃料供給機構９は、筐体６１と、筐体６１の膜電極接合体３に対向する側に配置され、気液分離器８２から膜電極接合体３に供給される気体燃料が通過する燃料穴６４と、燃料収容室６５とを有している。気液分離器８２には膜電極接合体３に対応した液体燃料が供給される。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。 The fuel supply mechanism 9 accommodates a gas-liquid separator 82. The fuel supply mechanism 9 is disposed on the housing 61 and the side of the housing 61 facing the membrane electrode assembly 3, and a fuel hole through which gaseous fuel supplied from the gas-liquid separator 82 to the membrane electrode assembly 3 passes. 64 and a fuel storage chamber 65. The liquid fuel corresponding to the membrane electrode assembly 3 is supplied to the gas-liquid separator 82. Examples of the liquid fuel include methanol fuels such as aqueous methanol solutions of various concentrations and pure methanol.

なお、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。 The liquid fuel is not necessarily limited to methanol fuel. The liquid fuel may be, for example, an ethanol fuel such as an ethanol aqueous solution or pure ethanol, a propanol fuel such as a propanol aqueous solution or pure propanol, a glycol fuel such as a glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel.

燃料タンクＴＫに収容された液体燃料は圧電素子ポンプＰＰによって燃料電池に供給される。圧電素子ポンプＰＰから送出される液体燃料は気体燃料を含む２相流である。すなわち、図３に示すように、圧電素子ポンプＰＰはポンプ室ＣＨと、ポンプ室ＣＨ内に配置された圧電素子ＥＬとを有している。圧電素子ポンプＰＰの流入口および排出口には燃料の逆流を防止するための逆止弁ＶＬが配置されている。 The liquid fuel stored in the fuel tank TK is supplied to the fuel cell by the piezoelectric element pump PP. The liquid fuel delivered from the piezoelectric element pump PP is a two-phase flow containing gaseous fuel. That is, as shown in FIG. 3, the piezoelectric element pump PP has a pump chamber CH and a piezoelectric element EL arranged in the pump chamber CH. A check valve VL for preventing back flow of fuel is disposed at the inlet and outlet of the piezoelectric element pump PP.

圧電素子ＥＬは電圧を印加することで図３示すように上下方向に変形する。圧電素子ＥＬの位置に応じて、ポンプ室ＣＨ内の内圧が増減する。 The piezoelectric element EL is deformed in the vertical direction as shown in FIG. 3 by applying a voltage. The internal pressure in the pump chamber CH increases or decreases according to the position of the piezoelectric element EL.

例えば、図３に示す場合では、圧電素子ＥＬが下側に凸となるように変形すると、ポンプ室ＣＨ内の内圧が下がりポンプ室ＣＨ内に燃料が吸引される。圧電素子ＥＬが上側に凸となるように変形すると、ポンプ室ＣＨ内の内圧が上がりポンプ室ＣＨから燃料が吐出される。 For example, in the case shown in FIG. 3, when the piezoelectric element EL is deformed so as to protrude downward, the internal pressure in the pump chamber CH decreases and fuel is sucked into the pump chamber CH. When the piezoelectric element EL is deformed so as to protrude upward, the internal pressure in the pump chamber CH rises and fuel is discharged from the pump chamber CH.

上記のように圧電素子ポンプＰＰのポンプ室ＣＨ内に燃料が吸引されてポンプ室ＣＨから燃料が吐出される過程で燃料の気化が生じ、ポンプ室ＣＨから吐出される燃料は気化された燃料を含む２相流となる。 As described above, fuel is vaporized in the process in which fuel is sucked into the pump chamber CH of the piezoelectric element pump PP and fuel is discharged from the pump chamber CH, and the fuel discharged from the pump chamber CH is the vaporized fuel. It becomes a two-phase flow including.

図４に示すように、気液分離器８２は、例えば気液分離膜ＦＬで囲まれた送液流路Ｒを有している。本実施形態に係る燃料電池システムでは、送液流路は気液分離膜ＦＬによって外部と隔てられた管状の流路である。 As shown in FIG. 4, the gas-liquid separator 82 has a liquid feeding flow path R surrounded by, for example, a gas-liquid separation membrane FL. In the fuel cell system according to the present embodiment, the liquid supply flow path is a tubular flow path separated from the outside by a gas-liquid separation membrane FL.

気液分離膜ＦＬとしては、シリコーンゴムの薄膜やナフィオン膜（ＤｕＰｏｎｔ社登録商標）のような、燃料の液体成分は透過しないが、気体成分を透過する特性を有した材料からなる膜であればその種類を問わない。 The gas-liquid separation membrane FL may be a membrane made of a material that does not transmit a liquid component of fuel, such as a silicone rubber thin film or a Nafion membrane (DuPont registered trademark), but has a property of transmitting a gas component. It doesn't matter what kind.

また、気液分離膜ＦＬに代えて、極微量の液体成分を透過する微細孔が穿孔されたる膜を使用することも可能である。代表的な材料としてはＰＴＦＥの薄膜に張力をかけて作成された微多孔フィルムを挙げることができる。 Further, instead of the gas-liquid separation membrane FL, it is also possible to use a membrane in which micropores that allow a very small amount of liquid component to be perforated. A typical material includes a microporous film prepared by applying tension to a PTFE thin film.

図４に示すように、気液分離器８２の送液流路Ｒ内の圧力Ｐｉｎと気液分離膜ＦＬを隔てた外部の圧力Ｐｏｕｔとを比較して、送液流路Ｒ内の圧力Ｐｉｎの方が外部の圧力Ｐｏｕｔよりも大きい場合、その圧力差に応じて送液流路Ｒ内の気体燃料が外部へと排出される。 As shown in FIG. 4, the pressure Pin in the liquid-feeding channel R is compared with the pressure Pin in the liquid-feeding channel R of the gas-liquid separator 82 and the external pressure Pout across the gas-liquid separation membrane FL. When the pressure is larger than the external pressure Pout, the gaseous fuel in the liquid supply flow path R is discharged to the outside according to the pressure difference.

気液分離膜ＦＬで囲まれた送液流路Ｒは、例えば図５に示すように、燃料収容室６５内一面に、蛇行するように配置されている。このように燃料収容室６５の一面に渡って送液流路Ｒを配置することによって、膜電極接合体３の面方向において、均一に燃料を供給することが可能となる。 For example, as shown in FIG. 5, the liquid supply flow path R surrounded by the gas-liquid separation membrane FL is disposed so as to meander around the entire surface of the fuel storage chamber 65. By disposing the liquid feeding flow path R over one surface of the fuel storage chamber 65 in this way, it becomes possible to supply fuel uniformly in the surface direction of the membrane electrode assembly 3.

気液分離膜ＦＬを透過してきた気体燃料は、膜電極接合体３のアノード２１に供給される。膜電極接合体３内において、燃料はアノードガス拡散層２２で拡散されて、アノード触媒層２３に供給される。例えば、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２３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。 The gaseous fuel that has permeated through the gas-liquid separation membrane FL is supplied to the anode 21 of the membrane electrode assembly 3. In the membrane electrode assembly 3, the fuel is diffused in the anode gas diffusion layer 22 and supplied to the anode catalyst layer 23. For example, when methanol fuel is used as the liquid fuel, an internal reforming reaction of methanol shown in the following formula (1) occurs in the anode catalyst layer 23.

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２５で生成した水や電解質膜２７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。 When pure methanol is used as the methanol fuel, the water generated in the cathode catalyst layer 25 or the water in the electrolyte membrane 27 is reacted with methanol to cause the internal reforming reaction of the formula (1). Alternatively, the internal reforming reaction is caused by another reaction mechanism that does not require water.

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …(1)
この反応で生成した電子（ｅ^-）は集電層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（空気極）２４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２７を経てカソード２４に導かれる。 CH ₃ OH + H ₂ O → CO ₂ + 6H ⁺ + 6e ⁻ (1)
Electrons (e ⁻ ) generated by this reaction are guided to the outside through the current collecting layer, and are operated to a cathode (air electrode) 24 after operating a portable electronic device or the like as so-called electricity. In addition, protons (H ⁺ ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) are guided to the cathode 24 through the electrolyte membrane 27.

カソード２４には酸化剤として空気が供給される。カソード２４に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層２５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。 Air is supplied to the cathode 24 as an oxidant. Electrons (e ⁻ ) and protons (H ⁺ ) that have reached the cathode 24 react with oxygen in the air in accordance with the following formula (2) in the cathode catalyst layer 25, and water is generated along with this reaction.

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …(2)
燃料電池セル１の近傍には温度センサＴＭ１が配置されている。気液分離器８２の近傍には温度センサＴＭ２が配置されている。コントローラＣＴＲは、燃料電池セル１の出力値を監視して、燃料電池セル１の出力値が所定範囲内でなかった場合に、温度センサＴＭ１および温度センサＴＭ２に基づいて圧電素子ポンプＰＰの動作を制御する。 6e ⁻ + 6H ⁺ + (3/2) O ₂ → 3H ₂ O (2)
A temperature sensor TM1 is disposed in the vicinity of the fuel battery cell 1. A temperature sensor TM2 is disposed in the vicinity of the gas-liquid separator 82. The controller CTR monitors the output value of the fuel battery cell 1, and when the output value of the fuel battery cell 1 is not within the predetermined range, the controller CTR operates the piezoelectric element pump PP based on the temperature sensor TM1 and the temperature sensor TM2. Control.

すなわち、図６に示すように、コントローラＣＴＲは、燃料電池セル１の出力値を検知し（ステップＳＴ１）、検知された出力値が所定範囲内か否かを判断する（ステップＳＴ２）。燃料電池セル１の出力値が所定範囲内である場合、コントローラＣＴＲは、燃料電池セル１の出力の監視を継続する。 That is, as shown in FIG. 6, the controller CTR detects the output value of the fuel cell 1 (step ST1), and determines whether or not the detected output value is within a predetermined range (step ST2). When the output value of the fuel cell 1 is within the predetermined range, the controller CTR continues to monitor the output of the fuel cell 1.

燃料電池セル１の出力値が所定範囲内でない場合、コントローラＣＴＲは、温度センサＴＭ１から燃料電池セル１の温度を検知する（ステップＳＴ３）。さらに、コントローラＣＴＲは、温度センサＴＭ２から気液分離器８２近傍の温度を検知する（ステップＳＴ４）。 When the output value of the fuel cell 1 is not within the predetermined range, the controller CTR detects the temperature of the fuel cell 1 from the temperature sensor TM1 (step ST3). Further, the controller CTR detects the temperature near the gas-liquid separator 82 from the temperature sensor TM2 (step ST4).

次に、コントローラＣＴＲは、データベースＤＢを参照して、検知された燃料電池セル１の温度と気液分離器８２の温度とから、圧電素子ポンプＰＰの制御補正係数を抽出する（ステップＳＴ５）。データベースＤＢには、燃料電池セル１の出力値を所定範囲とするための、燃料電池セル１の温度と気液分離器８２の温度との値に対応した制御補正係数の値が蓄積されている。 Next, the controller CTR refers to the database DB, and extracts the control correction coefficient of the piezoelectric element pump PP from the detected temperature of the fuel cell 1 and the temperature of the gas-liquid separator 82 (step ST5). In the database DB, the value of the control correction coefficient corresponding to the value of the temperature of the fuel cell 1 and the temperature of the gas-liquid separator 82 for keeping the output value of the fuel cell 1 within a predetermined range is stored. .

コントローラＣＴＲは、得られた制御補正係数の値を用いて、圧電素子ポンプＰＰの制御信号を補正し、制御信号を発信する（ステップＳＴ６）。したがって、圧電素子ポンプＰＰの動作がコントローラＣＴＲの補正後の制御信号によって、燃料電池セル１の出力が所定範囲内となるように制御される。コントローラＣＴＲは、燃料電池セル１の出力値の監視を継続し、燃料電池セル１の出力値が所定範囲内となるまで上記のように制御信号の補正を行う。 The controller CTR corrects the control signal of the piezoelectric element pump PP using the obtained value of the control correction coefficient, and transmits the control signal (step ST6). Therefore, the operation of the piezoelectric element pump PP is controlled by the control signal after correction by the controller CTR so that the output of the fuel cell 1 is within a predetermined range. The controller CTR continues to monitor the output value of the fuel cell 1 and corrects the control signal as described above until the output value of the fuel cell 1 falls within a predetermined range.

すなわち、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、圧電素子ポンプと気液分離膜とを組み合わせることで燃料を単相に分離し、気体燃料を燃料電池セルに供給することで安定した燃料供給を実現することができる。 That is, according to the fuel cell system according to the present embodiment, the fuel is separated into a single phase by combining the piezoelectric element pump and the gas-liquid separation membrane, and the stable fuel supply by supplying the gaseous fuel to the fuel cell. Can be realized.

また、従来の燃料電池セルはセル内部で液体燃料を気化させる機構が組まれており、反応部には気体燃料を送る方式を取っているが、上記の実施形態に係る燃料電子システムのような送液機構を用いることで気化機構が不要となり、燃料電池セルの簡易化、薄型化に繋がる。 In addition, the conventional fuel battery cell has a mechanism for vaporizing liquid fuel inside the cell, and takes a method of sending gaseous fuel to the reaction part. However, as in the fuel electronic system according to the above embodiment, By using the liquid feeding mechanism, the vaporization mechanism becomes unnecessary, which leads to simplification and thinning of the fuel cell.

上記のように、本実施形態に係る燃料電子システムによれば、膜電極接合体に安定した燃料供給を行い、安定した出力を得ることができる燃料電池システムを提供することができる。 As described above, according to the fuel electronic system according to the present embodiment, it is possible to provide a fuel cell system that can stably supply fuel to the membrane electrode assembly and obtain a stable output.

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、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。 The present invention can be applied to various fuel cells using liquid fuel. In the implementation stage, the constituent elements can be modified and embodied without departing from the technical idea of the present invention.

例えば、上記の実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料タンクＴＫから燃料電池へ液体燃料を送出するための送出機構として圧電素子ポンプＰＰを用いたが、圧電素子ポンプでなくても良い。燃料タンクＴＫから燃料電池へと液体燃料を送出する過程において液体燃料が気化をする場合に、上記の実施形態に係る燃料電池システムのように燃料供給機構９に気液分離器８２を配置することによって、より安定した燃料供給を実現することができる。 For example, in the fuel cell system according to the above-described embodiment, the piezoelectric element pump PP is used as a delivery mechanism for delivering liquid fuel from the fuel tank TK to the fuel cell. However, the piezoelectric element pump may not be used. When the liquid fuel is vaporized in the process of sending the liquid fuel from the fuel tank TK to the fuel cell, the gas-liquid separator 82 is disposed in the fuel supply mechanism 9 as in the fuel cell system according to the above embodiment. Therefore, more stable fuel supply can be realized.

また、本実施形態に係る燃料電池システムでは、送液流路Ｒは燃料収容室６５内一体に渡って蛇行するように配置されていたが、送液流路Ｒの配置はこれに限らない。例えば、送液流路Ｒの出口を、膜電極接合体３の面方向における筐体６１の中央部に設けて、燃料収容室６５内を外側から内側に向かって渦巻き状となるように配置されていても良い。送液流路Ｒが燃料収容室６５内一体に配置されることによって、膜電極接合体３の面方向において燃料が均一に供給される。 Further, in the fuel cell system according to the present embodiment, the liquid supply flow path R is arranged to meander in the fuel storage chamber 65 integrally, but the arrangement of the liquid supply flow path R is not limited to this. For example, the outlet of the liquid feeding flow path R is provided in the central portion of the housing 61 in the surface direction of the membrane electrode assembly 3, and the fuel storage chamber 65 is arranged in a spiral shape from the outside to the inside. May be. By arranging the liquid feeding flow path R integrally in the fuel storage chamber 65, the fuel is supplied uniformly in the surface direction of the membrane electrode assembly 3.

また、上記の実施形態に係る燃料電池システムでは、データベースＤＢに蓄積された制御補正係数に応じてコントローラＣＴＲが圧電素子ポンプＰＰを制御していたが、データベースＤＢには燃料遮断機構８８および絞り部品８４の制御補正係数が合わせて蓄積され、コントローラがこれらの制御補正係数に応じて圧電素子ポンプＰＰ、燃料遮断機構８８、および絞り部品８４の制御を行うようにしても良い。このように制御することにより、より多様な制御を実現することができる。 In the fuel cell system according to the above-described embodiment, the controller CTR controls the piezoelectric element pump PP according to the control correction coefficient stored in the database DB. However, the database DB includes a fuel cutoff mechanism 88 and a throttle part. 84 control correction coefficients may be stored together, and the controller may control the piezoelectric element pump PP, the fuel cutoff mechanism 88, and the throttle part 84 in accordance with these control correction coefficients. By controlling in this way, more various controls can be realized.

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。 Furthermore, various modifications are possible, such as appropriately combining a plurality of constituent elements shown in the above embodiments, or deleting some constituent elements from all the constituent elements shown in the embodiments. 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.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一構成例を説明するための図。The figure for demonstrating one structural example of the fuel cell system which concerns on one Embodiment of this invention. 図１に示す燃料電池の一構成例を説明するための図。The figure for demonstrating one structural example of the fuel cell shown in FIG. 図１に示す圧電素子ポンプの一構成例を説明するための図。The figure for demonstrating one structural example of the piezoelectric element pump shown in FIG. 図２に示す燃料電池の気液分離器の一構成例を説明するための図。The figure for demonstrating one structural example of the gas-liquid separator of the fuel cell shown in FIG. 図２に示す燃料電池の燃料供給機構内の気液分離器の配置の一例について説明するための図。The figure for demonstrating an example of arrangement | positioning of the gas-liquid separator in the fuel supply mechanism of the fuel cell shown in FIG. 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの動作の一例について説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating an example of operation | movement of the fuel cell system which concerns on one Embodiment of this invention.

Explanation of symbols

ＴＫ…燃料タンク、ＰＰ…圧電素子ポンプ、ＣＴＲ…コントローラ、３…膜電極接合体、９…燃料供給機構、８２…気液分離器 TK ... Fuel tank, PP ... Piezoelectric element pump, CTR ... Controller, 3 ... Membrane electrode assembly, 9 ... Fuel supply mechanism, 82 ... Gas-liquid separator

Claims

A fuel cell comprising a fuel electrode, an air electrode, a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, and a fuel supply mechanism for supplying fuel to the fuel electrode;
Liquid feeding means for delivering fuel from a fuel tank to the fuel supply mechanism,
The fuel supply system is a fuel cell system comprising gas-liquid separation means for separating gas and liquid from the fuel delivered from the liquid feeding means and discharging gaseous fuel to the membrane electrode assembly.

The fuel supply mechanism further includes a circulation path that supplies the fuel supplied from the liquid supply means to the fuel supply mechanism and supplies the fuel discharged from the fuel supply mechanism to the outside of the fuel cell to the fuel tank again. The fuel cell system described.

3. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a throttle unit that adjusts a pressure in the gas-liquid separation unit by limiting fuel discharged from the gas-liquid separation unit to the outside of the fuel cell. .

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, further comprising control means for controlling the operation of the liquid feeding means.

First temperature detecting means disposed in the vicinity of the membrane electrode assembly;
Second temperature detection means disposed in the vicinity of the gas-liquid separation means;
A database in which control correction coefficients of the liquid feeding means corresponding to the temperature of the membrane electrode assembly and the temperature of the gas-liquid separation membrane are accumulated, and
The control means detects the output value of the fuel cell and determines whether or not the detected output value is within a predetermined range; and the output value detected by the monitoring means is not within the predetermined range. A coefficient for obtaining a control correction coefficient corresponding to the temperature detected by the detection means from the database, and a detection means for detecting a temperature value from the first temperature detection means and the second temperature detection means; The fuel cell system according to claim 4, further comprising: an acquisition unit; and a correction unit that corrects the control signal using the control correction coefficient acquired by the coefficient acquisition unit.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the liquid feeding means is a piezoelectric element pump.