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JP2010108614A - Fuel cell - Google Patents

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JP2010108614A
JP2010108614A JP2008276515A JP2008276515A JP2010108614A JP 2010108614 A JP2010108614 A JP 2010108614A JP 2008276515 A JP2008276515 A JP 2008276515A JP 2008276515 A JP2008276515 A JP 2008276515A JP 2010108614 A JP2010108614 A JP 2010108614A
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JP
Japan
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fuel
curvature
flow path
fuel cell
curved portion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2008276515A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideo Yasui
秀朗 安井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】液体燃料の流れを阻害する流路の曲線部の構造を改良することによって、燃料電池の起電部の各部に対する燃料供給量や燃料供給時間を均等化する。
【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体を備える起電部と、液体燃料を収容する燃料収容部とを具備する。膜電極接合体の燃料極には、燃料収容部と接続された燃料注入口と直線部と曲線部とで構成された燃料流路を介して燃料注入口と接続された複数の燃料排出口とを有する燃料供給部から燃料が供給される。燃料流路の曲線部27は少なくとも直線部25に接続された部分を含む区間29がクロソイド曲線で構成されている。
【選択図】図5
A fuel supply amount and a fuel supply time for each part of an electromotive part of a fuel cell are equalized by improving the structure of a curved part of a flow path that inhibits the flow of liquid fuel.
A fuel cell includes an electromotive unit including a membrane electrode assembly and a fuel storage unit that stores liquid fuel. The fuel electrode of the membrane electrode assembly includes a plurality of fuel discharge ports connected to the fuel injection port via a fuel flow channel composed of a fuel injection port connected to the fuel storage portion, a straight portion, and a curved portion. Fuel is supplied from a fuel supply unit having In the curved portion 27 of the fuel flow path, a section 29 including at least a portion connected to the straight portion 25 is constituted by a clothoid curve.
[Selection] Figure 5

Description

本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.

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や充電器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 and a charger for portable electronic devices because it can be miniaturized and can easily handle fuel. 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.

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(Membrane Electrode Assembly:MEA)を備える起電部を、燃料収容部上に配置した構造が適用されている。このような構造では電池出力の制御性を高めることが難しいことから、DMFCの起電部と燃料収容部とを流路を介して接続したり、さらに燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給することが提案されている(特許文献1〜2参照)。燃料収容部から流路を介して起電部に燃料を供給する場合、起電部の全面に対して燃料を均等に供給することが求められる。   In the passive DMFC, for example, a structure is adopted in which an electromotive unit including a membrane electrode assembly (MEA) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode is disposed on the fuel storage unit. In such a structure, it is difficult to improve the controllability of the battery output. Therefore, the electromotive part of the DMFC and the fuel storage part are connected via a flow path, or liquid fuel is pumped from the fuel storage part to the flow path. Has been proposed (see Patent Documents 1 and 2). When fuel is supplied from the fuel storage part to the electromotive part via the flow path, it is required to supply the fuel evenly to the entire surface of the electromotive part.

そこで、燃料注入口と複数の燃料排出口とを流路(配管)で接続した流路板を用いることが検討されている。起電部の全面に対して燃料を均等に供給する上で、流路板内の配管は途中で複数に分岐され、そのような配管の終端部にそれぞれ燃料排出口が設けられる。流路板の燃料注入口から複数の燃料排出口までの距離をそれぞれ均一化し、さらに燃料排出口の数を多くすることによって、起電部に対する燃料の均等供給性(供給量や供給時間の均等化)を高めることができる。ただし、限られた面積内で流路を設定しなければならないため、流路(配管)を直線だけでなく曲線も組合せて構成する必要が生じる。   Therefore, it has been studied to use a flow path plate in which a fuel inlet and a plurality of fuel outlets are connected by a flow path (pipe). In order to supply the fuel evenly to the entire surface of the electromotive unit, the piping in the flow path plate is branched into a plurality of parts on the way, and a fuel discharge port is provided at each end of the piping. By equalizing the distance from the fuel inlets of the flow path plate to the multiple fuel outlets and increasing the number of fuel outlets, the fuel can be evenly supplied to the electromotive section (equal supply amount and supply time). Increase). However, since the flow path must be set within a limited area, it is necessary to configure the flow path (pipe) by combining not only a straight line but also a curve.

しかし、流路(配管)の曲線部分は液体燃料の流れを阻害する要因となる。特に、流路板を小型のDMFCに適用する場合、内部配管の管径自体も小さくする必要があるため、曲線部分で液体燃料の流れが滞りやすくなる。さらに、燃料の供給時間を短縮するためには液体燃料の供給速度を高める必要があるが、そのような場合には配管の曲線部分で液体燃料の速度律速が生じやすくなる。このように、液体燃料の流れが阻害されると起電部(燃料極)の全面に対する燃料の均等供給に支障を来たすことになる。
特表2005−518646号公報 特開2006−085952号公報
However, the curved portion of the flow path (pipe) becomes a factor that hinders the flow of liquid fuel. In particular, when the flow path plate is applied to a small DMFC, the pipe diameter of the internal piping itself needs to be reduced, so that the flow of the liquid fuel tends to stagnate at the curved portion. Further, in order to shorten the fuel supply time, it is necessary to increase the supply speed of the liquid fuel. In such a case, the speed control of the liquid fuel tends to occur at the curved portion of the piping. As described above, when the flow of the liquid fuel is inhibited, the uniform supply of fuel to the entire surface of the electromotive portion (fuel electrode) is hindered.
JP 2005-518646 A JP 2006-089552 A

本発明の目的は、液体燃料の流れを阻害する流路の曲線部の構造を改良することによって、起電部の各部に対する燃料供給量や燃料供給時間を均等化し、起電部全面での発電反応の効率化を図った燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to improve the structure of the curved portion of the flow path that obstructs the flow of liquid fuel, thereby equalizing the fuel supply amount and fuel supply time for each part of the electromotive unit, and generating power over the entire electromotive unit. It is an object of the present invention to provide a fuel cell with improved reaction efficiency.

本発明の態様に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体を備える起電部と、液体燃料を収容する燃料収容部と、前記燃料収容部と接続された燃料注入口と、直線部と曲線部とで構成された燃料流路を介して前記燃料注入口と接続された複数の燃料排出口とを有し、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部とを具備し、前記曲線部の少なくとも前記直線部に接続された部分を含む区間の流路形状がクロソイド曲線で構成されていることを特徴としている。   A fuel cell according to an aspect of the present invention contains a fuel electrode, an air electrode, an electromotive unit including a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, and a liquid fuel And a plurality of fuel discharge ports connected to the fuel injection port via a fuel flow path constituted by a straight portion and a curved portion. And a fuel supply part that supplies fuel to the fuel electrode, and a flow path shape of a section including a portion connected to at least the linear part of the curved part is configured by a clothoid curve. It is said.

本発明の態様に係る燃料電池は、燃料流路の曲線部の流路形状にクロソイド曲線を適用しているため、曲線部で燃料をスムーズに流すことができる。従って、起電部の各部に対する燃料供給量や燃料供給時間が均一化され、起電部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、燃料電池の出力特性を向上させることが可能となる。   In the fuel cell according to the aspect of the present invention, since the clothoid curve is applied to the flow path shape of the curved portion of the fuel flow path, the fuel can flow smoothly at the curved portion. Therefore, the fuel supply amount and fuel supply time for each part of the electromotive unit are made uniform, and a power generation reaction can be efficiently generated in the entire electromotive unit. As a result, the output characteristics of the fuel cell can be improved.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図1は本発明の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に示す燃料電池1は、膜電極接合体(MEA)を備える起電部2と、起電部2に燃料を供給する燃料供給部3を備える燃料供給機構4と、液体燃料を収容する燃料収容部5とから主として構成されている。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. A fuel cell 1 shown in FIG. 1 accommodates a liquid fuel by an electromotive unit 2 including a membrane electrode assembly (MEA), a fuel supply mechanism 4 including a fuel supply unit 3 for supplying fuel to the electromotive unit 2. It is mainly composed of the fuel storage portion 5.

起電部2は、アノード触媒層6とアノードガス拡散層7とを有するアノード(燃料極)8と、カソード触媒層9とカソードガス拡散層10とを有するカソード(空気極/酸化剤極)11と、アノード触媒層6とカソード触媒層9とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜12とから構成される膜電極接合体(MEA)13を備えている。   The electromotive unit 2 includes an anode (fuel electrode) 8 having an anode catalyst layer 6 and an anode gas diffusion layer 7, and a cathode (air electrode / oxidant electrode) 11 having a cathode catalyst layer 9 and a cathode gas diffusion layer 10. And a membrane electrode assembly (MEA) 13 comprising a proton (hydrogen ion) conductive electrolyte membrane 12 sandwiched between an anode catalyst layer 6 and a cathode catalyst layer 9.

アノード触媒層6やカソード触媒層9に含有される触媒としては、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6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9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。触媒は炭素材料等の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 anode catalyst layer 6 and the cathode catalyst layer 9 include a simple substance of a platinum group element such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd, and an alloy containing the platinum group element. The anode catalyst layer 6 is preferably made of Pt—Ru, Pt—Mo, or the like that has 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 9. 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.

アノード触媒層6に積層されるアノードガス拡散層7は、アノード触媒層6に燃料を均一に供給すると同時に、アノード触媒層6の集電機能を有するものである。カソード触媒層9に積層されるカソードガス拡散層10は、カソード触媒層9に酸化剤を均一に供給すると同時に、カソード触媒層9の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層7やカソードガス拡散層10は、燃料や空気を流通させることが可能な導電性の多孔質基材、例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質基材で構成される。   The anode gas diffusion layer 7 laminated on the anode catalyst layer 6 has a current collecting function of the anode catalyst layer 6 at the same time as supplying fuel to the anode catalyst layer 6 uniformly. The cathode gas diffusion layer 10 laminated on the cathode catalyst layer 9 has a current collecting function of the cathode catalyst layer 9 while supplying the oxidant uniformly to the cathode catalyst layer 9. The anode gas diffusion layer 7 and the cathode gas diffusion layer 10 are made of a conductive porous substrate capable of circulating fuel and air, for example, a carbon porous substrate such as carbon paper or carbon cloth.

電解質膜12はプロトン伝導性材料で構成されている。電解質膜12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11はこれらの材料に限られるものではない。   The electrolyte membrane 12 is made of a proton conductive material. Examples of the proton conductive material constituting the electrolyte membrane 12 include fluorine-based resins such as perfluorosulfonic acid polymer having a sulfonic acid group (Nafion (trade name, manufactured by DuPont) and 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 11 is not limited to these materials.

起電部2はMEA13をアノード集電体14とカソード集電体15とで挟み込むことで構成されている。アノード集電体14はアノードガス拡散層7と積層され、カソード集電体15はカソードガス拡散層10と積層される。集電体14、15は燃料や空気を流通させる貫通孔を有している。集電体14、15にはAuやNi等の導電性金属材料からなる多孔質層(例えばメッシュ)や箔体、あるいはステンレス鋼のような導電性金属材料にAu等の良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。起電部2はOリング等のシール部材16でシールされており、MEA13からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。   The electromotive unit 2 is configured by sandwiching the MEA 13 between an anode current collector 14 and a cathode current collector 15. The anode current collector 14 is laminated with the anode gas diffusion layer 7, and the cathode current collector 15 is laminated with the cathode gas diffusion layer 10. The current collectors 14 and 15 have through holes through which fuel and air flow. The current collectors 14 and 15 are covered with a porous layer (for example, a mesh) made of a conductive metal material such as Au or Ni, a foil, or a conductive metal material such as stainless steel with a good conductive metal such as Au. The composite material etc. which were made are used. The electromotive unit 2 is sealed by a sealing member 16 such as an O-ring, and fuel leakage and oxidant leakage from the MEA 13 are prevented.

起電部2は燃料供給部3上に配置されている。起電部2を構成するMEA13のアノード8側には燃料供給部3が配置される。燃料供給部3はアノード8の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する、すなわちアノード8の全面に対して燃料を分配して供給するものである。燃料供給部3は燃料配管17を介して燃料収容部5と接続されている。燃料供給部3には燃料収容部5から燃料配管17を介して液体燃料が導入される。燃料供給部3と燃料収容部5との接続体は独立した配管に限られるものではなく、例えば燃料供給部3と燃料収容部5とを積層するような場合の接続流路等であってもよい。   The electromotive unit 2 is disposed on the fuel supply unit 3. The fuel supply unit 3 is disposed on the anode 8 side of the MEA 13 constituting the electromotive unit 2. The fuel supply unit 3 supplies the fuel while dispersing and diffusing the fuel in the surface direction of the anode 8, that is, distributing and supplying the fuel to the entire surface of the anode 8. The fuel supply unit 3 is connected to the fuel storage unit 5 via a fuel pipe 17. Liquid fuel is introduced into the fuel supply unit 3 from the fuel storage unit 5 through the fuel pipe 17. The connection body between the fuel supply unit 3 and the fuel storage unit 5 is not limited to an independent pipe. For example, a connection flow path in the case where the fuel supply unit 3 and the fuel storage unit 5 are stacked may be used. Good.

燃料供給部3は図2および図3に示すように、液体燃料が燃料収容部5から燃料配管17を介して流入する少なくとも1個の燃料注入口18と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口19とを有する燃料分配板(流路板)20で構成されている。燃料分配板20の内部には燃料流路(配管)として機能する細管21が設けられている。細管21の一端(始端部)には燃料注入口18が設けられている。細管21は途中で複数に分岐しており、これら分岐した細管21の各終端部に燃料排出口19が設けられている。   As shown in FIGS. 2 and 3, the fuel supply unit 3 discharges at least one fuel inlet 18 through which liquid fuel flows from the fuel storage unit 5 through the fuel pipe 17, and discharges the liquid fuel and its vaporized components. A fuel distribution plate (flow path plate) 20 having a plurality of fuel discharge ports 19 is formed. Inside the fuel distribution plate 20, a thin tube 21 that functions as a fuel flow path (pipe) is provided. A fuel injection port 18 is provided at one end (starting end) of the thin tube 21. The narrow tube 21 is branched into a plurality of portions along the way, and a fuel discharge port 19 is provided at each end portion of the branched thin tube 21.

燃料注入口18から燃料分配板20内に導入された液体燃料は複数に分岐した細管21を介して複数の燃料排出口19に導かれ、その気化成分(燃料)がMEA13のアノード8に供給される。MEA13と燃料分配板20との間には燃料拡散室(燃料拡散空間)を設けてもよい。また、燃料拡散室に代えて燃料拡散用の多孔質体等をMEA13と燃料分配板20との間に配置することも有効である。拡散用多孔質体の構成材料としては各種樹脂が使用され、多孔質樹脂シート(発泡ポリエチレンシートや発泡ポリウレタンシート等)、樹脂不織布、樹脂織布等を用いることができる。   The liquid fuel introduced into the fuel distribution plate 20 from the fuel inlet 18 is guided to a plurality of fuel outlets 19 through a plurality of thin tubes 21, and the vaporized component (fuel) is supplied to the anode 8 of the MEA 13. The A fuel diffusion chamber (fuel diffusion space) may be provided between the MEA 13 and the fuel distribution plate 20. It is also effective to dispose a fuel diffusion porous body or the like between the MEA 13 and the fuel distribution plate 20 instead of the fuel diffusion chamber. Various resins are used as the constituent material of the porous body for diffusion, and porous resin sheets (such as foamed polyethylene sheets and foamed polyurethane sheets), resin nonwoven fabrics, and resin woven fabrics can be used.

燃料排出口19は起電部2(MEA13)の全体に対して燃料を均等に供給するように、燃料分配板20のアノード8と接する面に複数設けられている。燃料排出口19の個数は複数であればよいが、MEA13の面内における各部への燃料供給量を均等化する上で、0.1〜10個/cmの燃料排出口19が存在するように形成することが好ましい。燃料排出口19の個数が0.1個/cm未満であると、MEA13の全面に対する燃料供給量を十分に均等化することができないおそれがある。燃料排出口19の個数は10個/cmを超えて形成してもそれ以上の効果が得られないだけでなく、細管21による流路設計が複雑になって、液体燃料の流れが損なわれるおそれがある。 A plurality of fuel discharge ports 19 are provided on the surface of the fuel distribution plate 20 in contact with the anode 8 so as to uniformly supply fuel to the entire electromotive unit 2 (MEA 13). The number of the fuel discharge ports 19 may be plural. However, in order to equalize the fuel supply amount to each part in the plane of the MEA 13, the fuel discharge ports 19 of 0.1 to 10 pieces / cm 2 seem to exist. It is preferable to form. If the number of the fuel discharge ports 19 is less than 0.1 / cm 2 , the fuel supply amount to the entire surface of the MEA 13 may not be sufficiently equalized. Even if the number of the fuel discharge ports 19 exceeds 10 / cm 2 , not only the effect is not obtained, but also the flow path design by the thin tube 21 is complicated, and the flow of the liquid fuel is impaired. There is a fear.

細管21は燃料分配板20の内部に形成された貫通孔であることが好ましく、その内径は0.05〜5mmの範囲であることが好ましい。細管21の内径が0.05mm未満であると液体燃料の流れが阻害されるおそれがある。内径が大きい細管21は液体燃料の流れをスムーズにする点に対しては有効であるものの、それだけ流路の形成面積が増大することから、燃料注入口18から複数の燃料排出口19までの流路長の調整(均一化)等が困難になるおそれがある。細管21の内径は5mm以下であることが好ましい。   The thin tube 21 is preferably a through hole formed inside the fuel distribution plate 20, and the inner diameter thereof is preferably in the range of 0.05 to 5 mm. If the inner diameter of the narrow tube 21 is less than 0.05 mm, the flow of liquid fuel may be hindered. Although the thin tube 21 having a large inner diameter is effective for smoothing the flow of the liquid fuel, the formation area of the flow path is increased accordingly, so that the flow from the fuel inlet 18 to the plurality of fuel outlets 19 is increased. It may be difficult to adjust (uniformize) the road length. The inner diameter of the thin tube 21 is preferably 5 mm or less.

燃料分配板20の内部に設けられた細管21は分岐部を有し、燃料注入口18から複数の燃料排出口19に向けて分岐部で順に分岐されている。細管21の分岐部は圧力損失を抑制するように、分岐後の細管断面積が分岐前の細管断面積以下となるように設定することが好ましい。燃料注入口18に接続された細管21は、例えば最初の分岐部で4つに分岐され、さらに複数の分岐部で分岐を繰り返して燃料排出口19に接続される。細管21の分岐回数は燃料排出口19の個数や燃料分配板20の面積等に応じて適宜設定される。   The narrow tube 21 provided inside the fuel distribution plate 20 has a branch portion, and is branched in order from the fuel inlet 18 toward the plurality of fuel outlets 19 at the branch portion. The branch portion of the thin tube 21 is preferably set so that the cross-sectional area after branching is equal to or smaller than the cross-sectional area before branching so as to suppress pressure loss. The narrow tube 21 connected to the fuel inlet 18 is branched into four at the first branch, for example, and is further branched at a plurality of branches to be connected to the fuel outlet 19. The number of branches of the narrow tube 21 is appropriately set according to the number of fuel discharge ports 19 and the area of the fuel distribution plate 20.

細管21の分岐は、複数の燃料排出口19を燃料注入口18にそれぞれ接続すると共に、燃料注入口18から複数の燃料排出口19までの距離を等しくするために実施されている。さらに、細管21には液体燃料をスムーズに流すことが可能な流路形状が求められる。このような条件を満足させる上で、細管21による流路形状は直線部と曲線部とを組合せて構成されている。特に、細管21の曲線部は液体燃料をスムーズに流すような流路形状、すなわち直線部と曲線部との接続部で液体燃料に速度律速を生じさせないような流路形状を有することが好ましい。細管21の具体的な流路形状は後に詳述する。   The branch of the narrow tube 21 is performed in order to connect the plurality of fuel discharge ports 19 to the fuel injection port 18 and to equalize the distance from the fuel injection port 18 to the plurality of fuel discharge ports 19. Furthermore, the narrow tube 21 is required to have a flow channel shape that allows liquid fuel to flow smoothly. In satisfying such conditions, the flow path shape by the narrow tube 21 is configured by combining a straight portion and a curved portion. In particular, it is preferable that the curved portion of the thin tube 21 has a flow channel shape that allows the liquid fuel to flow smoothly, that is, a flow channel shape that does not cause rate control of the liquid fuel at the connecting portion between the straight portion and the curved portion. A specific flow path shape of the thin tube 21 will be described in detail later.

このような細管21を有する燃料分配板20を燃料供給部3として適用することによって、複数の燃料排出口19に対する燃料の供給量や供給時間等を均等化することができる。従って、MEA13の全面に対して燃料を均等に供給し、MEA13全体で効率的に発電反応を生起することが可能となる。これによって、燃料電池1の出力特性を向上させることができる。なお、燃料供給部3は燃料流路として機能する燃料流通溝を有する流路板と燃料流通溝の開口部を覆うように配置される拡散板とで構成してもよい。この場合、拡散板に燃料排出口となる貫通孔が設けられる。   By applying the fuel distribution plate 20 having such a thin tube 21 as the fuel supply unit 3, it is possible to equalize the amount of fuel supplied, the supply time, and the like to the plurality of fuel discharge ports 19. Therefore, it is possible to supply fuel evenly over the entire surface of the MEA 13 and efficiently generate a power generation reaction in the entire MEA 13. Thereby, the output characteristics of the fuel cell 1 can be improved. The fuel supply unit 3 may be composed of a flow path plate having a fuel flow groove functioning as a fuel flow path and a diffusion plate arranged so as to cover the opening of the fuel flow groove. In this case, the diffusion plate is provided with a through hole serving as a fuel discharge port.

そして、燃料供給部3上に起電部2と保湿層22とを積層し、その上から金属製(例えばステンレス製)のカバープレート23を被せて全体を保持することによって、燃料電池(DMFC)1の発電ユニットが構成される。保湿層22はカソード触媒層9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9への空気の均一拡散を促進するものである。保湿層22は保湿性を有する多孔質部材からなり、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン等からなる樹脂製多孔質板が用いられる。カバープレート23は空気導入用の開口部23aを有している。   Then, the electromotive unit 2 and the moisturizing layer 22 are laminated on the fuel supply unit 3, and a metal (for example, stainless steel) cover plate 23 is placed thereon to hold the whole so that a fuel cell (DMFC) One power generation unit is configured. The moisturizing layer 22 is impregnated with a part of the water generated in the cathode catalyst layer 9 to suppress the transpiration of water and promote uniform diffusion of air to the cathode catalyst layer 9. The moisture retention layer 22 is made of a porous member having moisture retention, and for example, a resin porous plate made of polyethylene, polypropylene, polyurethane or the like is used. The cover plate 23 has an opening 23a for introducing air.

燃料供給部3は上述したように燃料配管17を介して燃料収容部5と接続されている。燃料収容部5にはMEA13に応じた液体燃料が収容される。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。液体燃料はこれに限られるものではなく、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 fuel supply unit 3 is connected to the fuel storage unit 5 through the fuel pipe 17 as described above. Liquid fuel corresponding to the MEA 13 is stored in the fuel storage unit 5. Examples of the liquid fuel include methanol fuels such as aqueous methanol solutions of various concentrations and pure methanol. Liquid fuel is not limited to this, but ethanol fuel such as ethanol aqueous solution and pure ethanol, propanol fuel such as propanol aqueous solution and pure propanol, glycol fuel such as glycol aqueous solution and pure glycol, dimethyl ether, formic acid, and other liquid fuels There may be.

流路17にはポンプ24が介在されている。ポンプ24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5から燃料供給部3に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部3からMEA13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5に戻されることはない。燃料電池1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る。さらに、液体燃料の供給にポンプ24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。この実施形態の燃料電池1はセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。   A pump 24 is interposed in the flow path 17. The pump 24 is not a circulation pump that circulates fuel, but is a fuel supply pump that sends liquid fuel from the fuel storage unit 5 to the fuel supply unit 3 to the last. The fuel supplied from the fuel supply unit 3 to the MEA 13 is used for the power generation reaction, and is not circulated thereafter and returned to the fuel storage unit 5. Since the fuel cell 1 does not circulate fuel, it is different from the conventional active method. Further, the pump 24 is used to supply the liquid fuel, which is different from a pure passive system such as a conventional internal vaporization type. The fuel cell 1 of this embodiment applies a system called a semi-passive type.

ポンプ24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。燃料電池1においては、ポンプ24を用いて燃料収容部5から燃料供給部3に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ24の運転動作は、例えば燃料電池1の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御される。   The type of the pump 24 is not particularly limited, but a rotary vane pump, an electroosmotic flow pump, a diaphragm pump, from the viewpoint that a small amount of liquid fuel can be sent with good controllability and can be reduced in size and weight. It is preferable to use an ironing pump or the like. In the fuel cell 1, liquid fuel is intermittently sent from the fuel storage unit 5 to the fuel supply unit 3 using the pump 24. The operation of the pump 24 is controlled based on, for example, the output of the fuel cell 1, temperature information, operation information of an electronic device that is a power supply destination, and the like.

ポンプ24の送液能力は燃料電池1の主たる対象物が小型電子機器であるため、10μL/分〜1mL/分の範囲であることが好ましい。送液能力が1mL/分を超えると一度に送液される液体燃料の量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ24の停止時間が長くなる。このため、MEA13への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。ポンプ24の送液能力が10μL/分未満であると、装置立ち上げ時(起動時)のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。ポンプ31の送液能力は10〜200μL/分の範囲であることがより好ましい。   Since the main target of the fuel cell 1 is a small electronic device, the liquid feeding capacity of the pump 24 is preferably in the range of 10 μL / min to 1 mL / min. When the liquid feeding capacity exceeds 1 mL / min, the amount of liquid fuel fed at one time becomes too large, and the stop time of the pump 24 in the entire operation period becomes long. For this reason, the fluctuation in the amount of fuel supplied to the MEA 13 increases, and as a result, the fluctuation in output increases. If the liquid feeding capacity of the pump 24 is less than 10 μL / min, there is a risk of insufficient supply capacity when the amount of fuel consumption increases, such as when the apparatus is started up (at startup). The pumping capacity of the pump 31 is more preferably in the range of 10 to 200 μL / min.

燃料収容部5から燃料供給部3に液体燃料を送ることによって、燃料分配板20の複数の燃料排出口19から燃料が放出される。燃料供給部3から放出された燃料は、MEA13のアノード(燃料極)8に供給される。MEA13内において、燃料はアノードガス拡散層7を拡散してアノード触媒層6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6で下記の式(1)に示すメタノールの内部改質反応が生じる。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9で生成した水や電解質膜12中の水をメタノールと反応させて式(1)の内部改質反応を生起させる。
CHOH+HO → CO+6H+6e …(1)
By sending liquid fuel from the fuel storage unit 5 to the fuel supply unit 3, the fuel is discharged from the plurality of fuel discharge ports 19 of the fuel distribution plate 20. The fuel released from the fuel supply unit 3 is supplied to the anode (fuel electrode) 8 of the MEA 13. In the MEA 13, the fuel diffuses through the anode gas diffusion layer 7 and is supplied to the anode catalyst layer 6. When methanol fuel is used as the liquid fuel, an internal reforming reaction of methanol represented by the following formula (1) occurs in the anode catalyst layer 6. When pure methanol is used as the methanol fuel, the water produced in the cathode catalyst layer 9 or the water in the electrolyte membrane 12 is reacted with methanol to cause the internal reforming reaction of the formula (1).
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e - ... (1)

この反応で生成した電子(e)は集電体14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、集電体15を経由してカソード(空気極)11に導かれる。式(1)の内部改質反応で生成したプロトン(H)は電解質膜12を経てカソード11に導かれる。カソード11には酸化剤として空気が供給される。カソード11に到達した電子(e)とプロトン(H)は、カソード触媒層9で空気中の酸素と下記の式(2)にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
6e+6H+(3/2)O → 3HO …(2)
The electrons (e ) generated by this reaction are guided to the outside via the current collector 14, and after operating a portable electronic device or the like as so-called electricity, the cathode (air electrode) via the current collector 15. ) 11. Protons (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) are guided to the cathode 11 through the electrolyte membrane 12. Air is supplied to the cathode 11 as an oxidant. Electrons (e ) and protons (H + ) reaching the cathode 11 react with oxygen in the air in the cathode catalyst layer 9 according to the following formula (2), and water is generated along with this reaction.
6e + 6H + + (3/2) O 2 → 3H 2 O (2)

この実施形態の燃料電池1において、起電部2の性能を活かすためには起電部2(MEA13)の全面に対して均等に燃料を供給する必要がある。このためには燃料分配板20の燃料注入口18に導入された液体燃料を複数の燃料排出口19に対して均等にかつスムーズに流す必要がある。そこで、燃料電池1では燃料分配板20内の細管21を分岐させつつ直線状流路(直線部)間を曲線状流路(曲線部)で接続することによって、燃料注入口18から各燃料排出口19までの距離を均一化している。   In the fuel cell 1 of this embodiment, in order to make use of the performance of the electromotive unit 2, it is necessary to supply fuel evenly to the entire surface of the electromotive unit 2 (MEA 13). For this purpose, the liquid fuel introduced into the fuel inlet 18 of the fuel distribution plate 20 needs to flow evenly and smoothly to the plurality of fuel outlets 19. Therefore, in the fuel cell 1, each fuel discharge from the fuel inlet 18 is made by connecting the straight flow paths (straight portions) with curved flow paths (curved portions) while branching the thin tubes 21 in the fuel distribution plate 20. The distance to the outlet 19 is made uniform.

図4は図3のA部を拡大した図であり、直線部と曲線部とで構成された細管(燃料流路)21の一部を示すものである。細管21の直線部25Aは分岐部26Aで2つに分岐され、それぞれ曲線部27A、27Bを介して直線部25B、25Cに接続される。さらに、直線部25Bは分岐部26Bで2つに分岐され、それぞれ曲線部27C、27Dを介して直線部25D、25Eに接続される。直線部25Cも同様であり、分岐部26Cで2つに分岐された後に曲線部27E、27Fを介して直線部25F、25Gに接続される。直線部25D〜25Gはそれぞれ燃料排出口19A〜19Dに接続されている。   FIG. 4 is an enlarged view of a portion A in FIG. 3 and shows a part of a thin tube (fuel flow path) 21 composed of a straight portion and a curved portion. The straight portion 25A of the thin tube 21 is branched into two at the branch portion 26A, and is connected to the straight portions 25B and 25C via the curved portions 27A and 27B, respectively. Further, the straight portion 25B is branched into two at the branch portion 26B and connected to the straight portions 25D and 25E via the curved portions 27C and 27D, respectively. The straight portion 25C is the same, and after being branched into two at the branch portion 26C, it is connected to the straight portions 25F and 25G via the curved portions 27E and 27F. The straight portions 25D to 25G are connected to the fuel discharge ports 19A to 19D, respectively.

このような流路形状の配管を構成する場合、通常は直線部間を曲率半径が一定の曲線部(単一円弧状曲線部)で接続する。配管の曲線部における曲率半径が大きい場合や配管の管径が大きい場合、液体燃料の流れが曲線部で阻害させることはない。しかし、配管の曲線部を大きな曲率半径で形成することができない場合、さらに配管の管径を十分に大きくすることができない場合には、直線部と曲線部との繋ぎ目部分が液体燃料の流れを阻害する要因となり、配管(細管21)内に液体燃料をスムーズに流すことができない。   When the pipe having such a channel shape is configured, the straight portions are usually connected by a curved portion (single arc-shaped curved portion) having a constant curvature radius. When the radius of curvature in the curved portion of the pipe is large or the pipe diameter of the pipe is large, the flow of the liquid fuel is not hindered by the curved portion. However, if the curved part of the pipe cannot be formed with a large radius of curvature, and if the pipe diameter of the pipe cannot be made sufficiently large, the joint between the straight part and the curved part is the flow of liquid fuel. This prevents the liquid fuel from flowing smoothly into the pipe (narrow tube 21).

すなわち、曲率半径(R)が一定の曲線部を適用した場合、繋ぎ目部分では直線部の曲率(零)から曲線部の曲率(1/R)に瞬時に変わることになる。例えば、配管内を流れる液体燃料を車に見立てたとすると、曲線部を走るのに必要なハンドルの角度を直線部と曲線部との繋ぎ目部分で一瞬の間に調整する(ハンドルを切る)必要が生じることになる。この場合、ハンドルの角度は曲線部の曲率に相当する。このようなことから、曲率半径が一定の曲線部を適用した場合には、配管内を流れる液体燃料の速度律速が繋ぎ目部分で発生し、液体燃料をスムーズに流すことができなくなる。   That is, when a curved portion having a constant radius of curvature (R) is applied, the curvature of the straight line portion (zero) is instantaneously changed from the curvature of the straight line portion (zero) at the joint portion. For example, if the liquid fuel flowing in the pipe is likened to a car, the angle of the handle necessary to run the curved part needs to be adjusted (cut the handle) instantly at the joint between the straight part and the curved part. Will occur. In this case, the angle of the handle corresponds to the curvature of the curved portion. For this reason, when a curved portion having a constant curvature radius is applied, the speed control of the liquid fuel flowing in the pipe is generated at the joint portion, and the liquid fuel cannot be flowed smoothly.

特に、燃料分配板20内に燃料排出口19を密に形成する(例えば燃料排出口19の形成密度が2個/cm以上)ために、細管(配管)21の多数回にわたって分岐させる(例えば分岐数が50以上)させると共に、燃料分配板20の面積的制約から細管21の曲線部27の曲率半径を1.5mm以下にしかできない場合、さらに管径を0.5mm以下にするような場合には、曲線部27が液体燃料の流れを阻害しやすい。加えて、ポンプ24を用いて液体燃料を燃料分配板20内に強制的に送ると共に、液体燃料の流速(供給速度)を速くする(流速が50μL/分以上)場合、細管21の曲線部27で液体燃料の速度律速が生じやすくなる。速度律速は流速を速くするほど生じやすくなる。 Particularly, in order to form the fuel discharge ports 19 densely in the fuel distribution plate 20 (for example, the formation density of the fuel discharge ports 19 is 2 / cm 2 or more), the thin tube (pipe) 21 is branched many times (for example, When the radius of curvature of the curved portion 27 of the narrow tube 21 can only be 1.5 mm or less due to the area limitation of the fuel distribution plate 20, or when the tube diameter is 0.5 mm or less In addition, the curved portion 27 tends to hinder the flow of liquid fuel. In addition, when the liquid fuel is forcibly sent into the fuel distribution plate 20 using the pump 24 and the flow rate (supply rate) of the liquid fuel is increased (the flow rate is 50 μL / min or more), the curved portion 27 of the narrow tube 21 is used. As a result, the rate control of the liquid fuel tends to occur. Speed control is more likely to occur as the flow rate increases.

そこで、この実施形態の燃料電池1においては、燃料分配板20内に設けられる細管21の曲線部26の流路形状にクロソイド曲線を適用している。クロソイド曲線を適用した流路形状は曲線部26の少なくとも直線部25と接続された部分(繋ぎ目部分)を含む区間に適用される。また、クロソイド曲線で構成された流路形状は全ての曲線部26に適用することが好ましいが、例えば10mmを超える曲率半径とすることが可能な曲線部27は曲率半径が一定の曲線(単一円弧)で構成してもよい。クロソイド曲線を適用した流路形状は少なくとも一部の曲線部26に適用される。   Therefore, in the fuel cell 1 of this embodiment, the clothoid curve is applied to the flow path shape of the curved portion 26 of the thin tube 21 provided in the fuel distribution plate 20. The flow path shape to which the clothoid curve is applied is applied to a section including a portion (joint portion) connected to at least the straight portion 25 of the curved portion 26. Moreover, it is preferable to apply the shape of the flow path composed of clothoid curves to all the curved portions 26. For example, the curved portion 27 that can have a radius of curvature exceeding 10 mm has a constant curvature radius (single curve). Arc). The flow path shape to which the clothoid curve is applied is applied to at least a part of the curved portion 26.

クロソイド曲線は曲線部26の曲率半径を直線部25(曲率半径は無限大)との繋ぎ目部分から徐々に小さくし、最終的に所望の曲率半径とするものである。すなわち、曲線部26の曲率半径をR、曲線部26の曲線長をL、最終的な曲率半径をR1としたとき、クロソイド曲線を適用した曲線部26は、その曲率を直線部25との繋ぎ目部分の曲率(0)から最終的な曲率(1/R1)まで、クロソイド曲線の曲率(1/R=C・L(Cは0〜1の範囲の任意の定数)にしたがって徐々に変化させたものである。曲線部26の曲率が零から徐々に大きくなるため、直線部25と曲線部26との繋ぎ目部分による液体燃料の速度律速が緩和される。従って、液体燃料は細管21内をスムーズに流れる。   In the clothoid curve, the radius of curvature of the curved portion 26 is gradually reduced from the joint portion with the straight portion 25 (the radius of curvature is infinite), and finally the desired radius of curvature is obtained. That is, when the radius of curvature of the curved portion 26 is R, the length of the curved portion 26 is L, and the final radius of curvature is R1, the curved portion 26 to which the clothoid curve is applied is connected to the straight portion 25. From the curvature (0) of the eye portion to the final curvature (1 / R1), gradually change according to the curvature of the clothoid curve (1 / R = C · L (C is an arbitrary constant in the range of 0 to 1)). Since the curvature of the curved portion 26 gradually increases from zero, the rate control of the liquid fuel at the joint portion between the straight portion 25 and the curved portion 26 is relaxed. Flows smoothly.

図5は曲線部26にクロソイド曲線を適用した細管21の一例を示している。細管21は2つの直線部251、252を曲線部27で接続した流路形状を有している。曲線部27はその中央付近に単一円弧区間(曲率半径がR1で一定の曲線区間)28を有している。そして、曲線部27の単一円弧区間28と直線部251、252との間の区間がそれぞれクロソイド曲線区間(クロソイド曲線(曲率1/R=C・L)に基づいて曲率が徐々に変化する曲線区間)29a、29bとされている。   FIG. 5 shows an example of a thin tube 21 in which a clothoid curve is applied to the curved portion 26. The thin tube 21 has a flow channel shape in which two straight portions 251 and 252 are connected by a curved portion 27. The curved portion 27 has a single circular arc section (curved section having a constant radius of curvature R1) 28 near the center thereof. The sections between the single circular arc section 28 and the straight sections 251 and 252 of the curved portion 27 are each a clothoid curve section (a curve in which the curvature gradually changes based on a clothoid curve section (cursoid curve (curvature 1 / R = C · L)). Section) 29a, 29b.

曲線部27のクロソイド曲線区間29a、29bの流路形状について、図5および図6を参照して述べる。図6は単一円弧区間28とクロソイド曲線区間29a、29bとを有する曲線部27の曲率1/Rと曲線長Lとの関係を示している。なお、図5における破線は2つの直線部251、252を曲率半径がR1で一定の曲線部(単一円弧状曲線部)で接続した場合の細管形状を示している。また、図7は曲率半径がR1で一定の曲線部30の曲率1/R1と曲線長Lとの関係を示している。   The flow path shapes of the clothoid curve sections 29a and 29b of the curved portion 27 will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows the relationship between the curvature 1 / R and the curve length L of the curved portion 27 having a single arc section 28 and clothoid curve sections 29a and 29b. In addition, the broken line in FIG. 5 has shown the thin tube shape at the time of connecting the two linear parts 251 and 252 with the curved part (single circular arc-shaped curved part) with a curvature radius R1. FIG. 7 shows the relationship between the curvature 1 / R1 and the curve length L of the curved portion 30 having a constant radius of curvature R1.

図5および図6に示すように、クロソイド曲線区間29aは直線部251との繋ぎ目部分P1(曲率=0)から単一円弧区間28との繋ぎ目部分P2(曲率=1/R1)までの曲率(1/R)がクロソイド曲線の曲率C・L(L=0〜1/CR=1/R1)にしたがって変化している。ここで、Cは連続的(または断続的)に変化する任意の定数である。クロソイド曲線区間29aの曲率1/Rは繋ぎ目部分P1の曲率(0)から徐々に大きくなり、最終的に繋ぎ目部分P2の曲率(1/R1)に達する。同様に、クロソイド曲線区間29bの曲率1/Rは単一円弧区間28との繋ぎ目部分P3の曲率(1/R1)から徐々に小さくなり、最終的に直線部252との繋ぎ目部分P4の曲率(0)に達する。   As shown in FIGS. 5 and 6, the clothoid curve section 29a extends from the joint portion P1 (curvature = 0) to the straight portion 251 to the joint portion P2 (curvature = 1 / R1) to the single arc section 28. The curvature (1 / R) changes according to the curvature C · L (L = 0 to 1 / CR = 1 / R1) of the clothoid curve. Here, C is an arbitrary constant that changes continuously (or intermittently). The curvature 1 / R of the clothoid curve section 29a gradually increases from the curvature (0) of the joint portion P1, and finally reaches the curvature (1 / R1) of the joint portion P2. Similarly, the curvature 1 / R of the clothoid curve section 29b gradually decreases from the curvature (1 / R1) of the joint portion P3 with the single arc section 28, and finally the joint portion P4 with the straight line portion 252. The curvature (0) is reached.

このように、2つの直線部251、252と曲線部27の単一円弧区間28との間にそれぞれクロソイド曲線区間29a、29bを設けることによって、直線部251、252と曲線部27との繋ぎ目部分P1、P4における液体燃料の速度律速が緩和される。このため、曲線部27においても液体燃料をスムーズに流すことができる。これは分岐を繰り返しつつ複数の燃料排出口19に接続された細管21全体に液体燃料がスムーズに流れることを意味する。従って、複数の燃料排出口19からの燃料の放出性、ひいてはMEA13全体への燃料の供給量や供給時間等を均等化することが可能となる。   Thus, by providing clothoid curve sections 29a and 29b between the two straight sections 251 and 252 and the single arc section 28 of the curved section 27, the joint between the straight sections 251 and 252 and the curved section 27 is provided. The rate control of the liquid fuel in the portions P1 and P4 is relaxed. For this reason, the liquid fuel can flow smoothly also in the curved portion 27. This means that the liquid fuel flows smoothly through the thin tubes 21 connected to the plurality of fuel discharge ports 19 while repeating branching. Accordingly, it is possible to equalize the fuel release properties from the plurality of fuel discharge ports 19 and, in turn, the amount of fuel supplied to the entire MEA 13 and the supply time.

一方、図5の破線や図7に示すように、2つの直線部251、252の間を曲率半径がR1で一定の曲線部30で接続した場合、繋ぎ目部分P1、P4で曲率が瞬時に変わるため、この部分で液体燃料の速度律速が発生しやすいことが分かる。さらに、細管21の管径が小さい場合、繋ぎ目部分での速度律速に基づいて僅かな不純物でも目詰まりが生じるおそれがある。これらはMEA13全体への燃料の均等供給を阻害する要因となる。クロソイド曲線区間29a、29bを有する曲線部27は、このようなMEA13全体への燃料の均等供給を阻害する要因を解消するものである。   On the other hand, as shown in the broken line in FIG. 5 and FIG. 7, when the two straight portions 251 and 252 are connected by the curved portion 30 having a constant radius of curvature R1, the curvature is instantaneously generated at the joint portions P1 and P4. Since it changes, it turns out that the rate control of liquid fuel is easy to generate in this part. Furthermore, when the tube diameter of the thin tube 21 is small, there is a possibility that clogging may occur even with a small amount of impurities based on the rate-limiting at the joint portion. These are factors that hinder the uniform supply of fuel to the entire MEA 13. The curve portion 27 having the clothoid curve sections 29a and 29b eliminates such a factor that hinders the uniform supply of fuel to the entire MEA 13.

上述したクロソイド曲線区間29a、29bを有する曲線部27は、特に多数回にわたって分岐(例えば分岐数が50以上)していると共に、曲線部27の曲率半径が1.5mm以下、さらに管径が0.5mm以下の細管21に対して有効である。さらに、液体燃料の流速(供給速度)が50μL/分以上の場合についても、クロソイド曲線区間29a、29bを有する曲線部27が有効に作用する。この実施形態の燃料電池1において、燃料分配板20は上記したような条件の細管21を有している。   The curve portion 27 having the clothoid curve sections 29a and 29b described above is branched many times (for example, the number of branches is 50 or more), the curvature radius of the curve portion 27 is 1.5 mm or less, and the tube diameter is 0. It is effective for a thin tube 21 of 5 mm or less. Furthermore, even when the flow rate (supply speed) of the liquid fuel is 50 μL / min or more, the curved portion 27 having the clothoid curve sections 29a and 29b acts effectively. In the fuel cell 1 of this embodiment, the fuel distribution plate 20 has the narrow tube 21 having the above-described conditions.

この実施形態の燃料電池1においては、燃料分配板20内の細管(燃料流路)21の曲線部27の少なくとも一部にクロソイド曲線を適用しているため、曲線部27を含む細管21全体の液体燃料の流れを良好に維持することが可能となる。従って、MEA13全体への燃料の供給量や供給時間が均等化され、MEA13全体で効率的に発電反応が生起するため、燃料電池1の出力特性を向上させることができる。すなわち、出力特性やその安定性に優れる燃料電池1を提供することが可能となる。   In the fuel cell 1 of this embodiment, since the clothoid curve is applied to at least a part of the curved portion 27 of the thin tube (fuel flow path) 21 in the fuel distribution plate 20, the entire thin tube 21 including the curved portion 27 is applied. It becomes possible to maintain the flow of the liquid fuel well. Therefore, the fuel supply amount and supply time to the entire MEA 13 are equalized, and the power generation reaction occurs efficiently in the entire MEA 13, so that the output characteristics of the fuel cell 1 can be improved. That is, it becomes possible to provide the fuel cell 1 that is excellent in output characteristics and its stability.

次に、本発明の燃料電池の具体例およびその評価結果について述べる。   Next, specific examples of the fuel cell of the present invention and evaluation results thereof will be described.

(実施例1)
ここでは外形寸法が50×90mmの燃料電池(DMFC)を作製する。このような燃料電池では、燃料分配板の燃料排出口の数は約120個、細管の曲線部の数は約250箇所必要となる。また、燃料分配板内の細管の最少径は0.05mm、曲線部の最少曲率半径は0.8mmとなる。そのような燃料分配板(厚さt=1.8mm)を細管(最少径d=0.05mm)の曲線部にクロソイド曲線を適用して作製した。この燃料分配板を用いてDMFCの発電ユニットを作製し、液体燃料としてメタノールをポンプで間欠的に供給して発電試験を行った。
Example 1
Here, a fuel cell (DMFC) having an outer dimension of 50 × 90 mm is manufactured. In such a fuel cell, about 120 fuel outlets of the fuel distribution plate and about 250 curved portions of the thin tubes are required. Further, the minimum diameter of the thin tube in the fuel distribution plate is 0.05 mm, and the minimum radius of curvature of the curved portion is 0.8 mm. Such a fuel distribution plate (thickness t = 1.8 mm) was produced by applying a clothoid curve to the curved portion of the thin tube (minimum diameter d = 0.05 mm). Using this fuel distribution plate, a DMFC power generation unit was manufactured, and methanol was intermittently supplied as a liquid fuel with a pump to perform a power generation test.

上述した発電試験の結果、実施例1のDMFCでは燃料が燃料極全体に均等に供給されることが確認された。さらに、燃料分配板の細管で燃料の速度律速や細管の目詰まり等は生じないことが確認された。その結果としてDMFCの出力特性の向上が認められた。また、燃料分配板の外形寸法は上述したDMFCの面積A(50×90mm)以内であり、かつ燃料分配板の厚さはt(1.8mm)を満足するものである。   As a result of the power generation test described above, it was confirmed that in the DMFC of Example 1, fuel was evenly supplied to the entire fuel electrode. Furthermore, it was confirmed that the fuel tube was not rate-controlled or clogged with the narrow tube of the fuel distribution plate. As a result, improvement in output characteristics of DMFC was recognized. The outer dimensions of the fuel distribution plate are within the above-described area A (50 × 90 mm) of the DMFC, and the thickness of the fuel distribution plate satisfies t (1.8 mm).

(比較例1)
細管の曲線部に曲率半径が一定の単一円弧曲線(単一R曲線)を適用する以外は、実施例1と同様にして燃料分配板を作製した。単一円弧曲線の曲率半径Rは、上述したDMFCの外形寸法(面積A)、細管の最少径d、燃料分配板の厚さtを満足させるように最少Rを0.8mmに設定した。このような燃料分配板を用いてDMFCの発電ユニットを作製し、液体燃料としてメタノールをポンプで間欠的に供給して発電試験を行った。
(Comparative Example 1)
A fuel distribution plate was produced in the same manner as in Example 1 except that a single arc curve (single R curve) having a constant curvature radius was applied to the curved portion of the thin tube. The radius of curvature R of the single arc curve was set to 0.8 mm so as to satisfy the above-described outer dimensions (area A) of the DMFC, the minimum diameter d of the narrow tube, and the thickness t of the fuel distribution plate. A DMFC power generation unit was manufactured using such a fuel distribution plate, and a power generation test was performed by intermittently supplying methanol as a liquid fuel with a pump.

上述した発電試験の結果、比較例1のDMFCでは運転当初は燃料が燃料極全体に均等に供給されていたものの、燃料の供給量の増加に伴って細管の曲線部で燃料の速度律速が生じ、一部の燃料排出口から燃料が供給されていないことが確認された。また、その結果としてDMFCの出力特性の低下が認められた。   As a result of the power generation test described above, in the DMFC of Comparative Example 1, the fuel was uniformly supplied to the entire fuel electrode at the beginning of operation. However, as the amount of fuel supplied increased, the fuel speed was controlled at the curved portion of the narrow tube. It was confirmed that no fuel was supplied from some fuel outlets. As a result, a decrease in output characteristics of DMFC was observed.

(比較例2)
細管の曲線部に曲率半径が一定の単一円弧曲線(単一R曲線)を適用すると共に、燃料の速度律速や目詰まりを防止するために細管の最少径を0.2mmに設定する以外は、実施例1と同様にして燃料分配板を作製した。このような構成の燃料分配板で燃料排出口の数(約120個)を満足させるためには、その外形寸法をDMFCの外形寸法(面積A)内に収めることができず、また燃料分配板の厚さもt以内とすることができなかった。
(Comparative Example 2)
In addition to applying a single arc curve (single R curve) with a constant radius of curvature to the curved portion of the capillary, the minimum diameter of the capillary is set to 0.2 mm in order to prevent fuel speed control and clogging. A fuel distribution plate was produced in the same manner as in Example 1. In order to satisfy the number of fuel discharge ports (about 120) with the fuel distribution plate having such a configuration, the outer dimensions cannot be accommodated within the outer dimensions (area A) of the DMFC, and the fuel distribution plate The thickness could not be within t.

(比較例3)
細管の曲線部に曲率半径が一定の単一円弧曲線(単一R曲線)を適用すると共に、燃料の速度律速や目詰まりを防止するために細管の最少径を0.2mmに設定する以外は、実施例1と同様にして燃料分配板を作製した。このような構成の燃料分配板の外形寸法をDMFCの外形寸法(面積A)内に収めるためには、燃料排出口の数を60個にまで減らす必要があった。その結果、発電試験で燃料を燃料極全体に均等に供給することができず、DMFCの出力特性の低下が認められた。燃料分配板の厚さもtを超えるものとなった。
(Comparative Example 3)
In addition to applying a single arc curve (single R curve) with a constant radius of curvature to the curved portion of the capillary, the minimum diameter of the capillary is set to 0.2 mm in order to prevent fuel speed control and clogging. A fuel distribution plate was produced in the same manner as in Example 1. In order to keep the outer dimensions of the fuel distribution plate having such a configuration within the outer dimensions (area A) of the DMFC, it was necessary to reduce the number of fuel discharge ports to 60. As a result, in the power generation test, the fuel could not be evenly supplied to the entire fuel electrode, and a decrease in the output characteristics of DMFC was observed. The thickness of the fuel distribution plate also exceeded t.

(比較例4)
細管の曲線部に曲率半径が一定の単一円弧曲線(単一R曲線)を適用すると共に、燃料の速度律速や目詰まりを防止するために曲線部の最少Rを2mmに設定する以外は、実施例1と同様にして燃料分配板を作製した。このような構成の燃料分配板で燃料排出口の数(約120個)を満足させるためには、その外形寸法をDMFCの外形寸法(面積A)内に収めることができなかった。
(Comparative Example 4)
In addition to applying a single arc curve (single R curve) with a constant radius of curvature to the curved portion of the thin tube, and setting the minimum R of the curved portion to 2 mm in order to prevent fuel speed control and clogging, A fuel distribution plate was produced in the same manner as in Example 1. In order to satisfy the number of fuel discharge ports (about 120) with the fuel distribution plate having such a configuration, the external dimensions cannot be accommodated within the external dimensions (area A) of the DMFC.

(比較例5)
細管の曲線部に曲率半径が一定の単一円弧曲線(単一R曲線)を適用すると共に、燃料の速度律速や目詰まりを防止するために曲線部の最少Rを2mmに設定し、かつ細管の最少径を0.2mmに設定する以外は、実施例1と同様にして燃料分配板を作製した。このような構成の燃料分配板で燃料排出口の数(約120個)を満足させるためには、その外形寸法をDMFCの外形寸法(面積A)内に収めることができず、また燃料分配板の厚さもt以内とすることができなかった。
(Comparative Example 5)
A single arc curve (single R curve) with a constant radius of curvature is applied to the curved portion of the thin tube, and the minimum R of the curved portion is set to 2 mm in order to prevent fuel speed control and clogging. A fuel distribution plate was produced in the same manner as in Example 1 except that the minimum diameter of the fuel was set to 0.2 mm. In order to satisfy the number of fuel discharge ports (about 120) with the fuel distribution plate having such a configuration, the outer dimensions cannot be accommodated within the outer dimensions (area A) of the DMFC, and the fuel distribution plate The thickness could not be within t.

(比較例6)
細管の曲線部に曲率半径が一定の単一円弧曲線(単一R曲線)を適用すると共に、燃料の速度律速や目詰まりを防止するために曲線部の最少Rを2mmに設定し、かつ細管の最少径を0.2mmに設定する以外は、実施例1と同様にして燃料分配板を作製した。このような構成の燃料分配板の外形寸法をDMFCの外形寸法(面積A)内に収めるためには、燃料排出口の数を60個にまで減らす必要があった。その結果、発電試験で燃料を燃料極全体に均等に供給することができず、DMFCの出力特性の低下が認められた。燃料分配板の厚さもt以内とすることができなかった。
(Comparative Example 6)
A single arc curve (single R curve) with a constant radius of curvature is applied to the curved portion of the thin tube, and the minimum R of the curved portion is set to 2 mm in order to prevent fuel speed control and clogging. A fuel distribution plate was produced in the same manner as in Example 1 except that the minimum diameter of the fuel was set to 0.2 mm. In order to keep the outer dimensions of the fuel distribution plate having such a configuration within the outer dimensions (area A) of the DMFC, it was necessary to reduce the number of fuel discharge ports to 60. As a result, in the power generation test, the fuel could not be evenly supplied to the entire fuel electrode, and a decrease in the output characteristics of DMFC was observed. The thickness of the fuel distribution plate could not be within t.

上述した実施例1および比較例1〜6の燃料電池(燃料分配板)の構成、寸法および発電試験の結果を表1および表2にまとめて示す。   Tables 1 and 2 collectively show the configurations, dimensions, and power generation test results of the fuel cells (fuel distribution plates) of Example 1 and Comparative Examples 1 to 6 described above.

Figure 2010108614
Figure 2010108614

Figure 2010108614
Figure 2010108614

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する等、種々の変形が可能である。   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 embodiments, or deleting some constituent elements from all the constituent elements shown in the embodiments.

本発明の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel cell by embodiment of this invention. 図1に示す燃料電池の燃料供給部の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the fuel supply part of the fuel cell shown in FIG. 図9に示す燃料供給部の平面図である。FIG. 10 is a plan view of the fuel supply unit shown in FIG. 9. 図3のA部を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the A section of FIG. 図4に示す細管の曲線部の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the curve part of the thin tube shown in FIG. 図5に示す細管の曲線部における曲率と曲線長との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the curvature and curve length in the curve part of the thin tube shown in FIG. 本発明との比較としての細管の曲線部に単一円弧状曲線(単一R曲線)を 適用した場合の曲率と曲線長との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a curvature at the time of applying a single circular arc curve (single R curve) to the curve part of the thin tube as a comparison with this invention, and curve length.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池、2…起電部、3…燃料供給部、4…燃料供給機構、5…燃料収容部、6…アノード触媒層、7…アノードガス拡散層、8…アノード(燃料極)、9…カソード触媒層、10…カソードガス拡散層、11…カソード(空気極)、12…電解質膜、13…MEA、14,15…集電体、17…燃料配管、18…燃料注入口、19…燃料排出口、20…燃料分配板、21…細管、25…直線部、26…分岐部、27…曲線部、28…単一円弧区間、29…クロソイド曲線区間。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Electromotive part, 3 ... Fuel supply part, 4 ... Fuel supply mechanism, 5 ... Fuel accommodating part, 6 ... Anode catalyst layer, 7 ... Anode gas diffusion layer, 8 ... Anode (fuel electrode), DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Cathode catalyst layer, 10 ... Cathode gas diffusion layer, 11 ... Cathode (air electrode), 12 ... Electrolyte membrane, 13 ... MEA, 14, 15 ... Current collector, 17 ... Fuel piping, 18 ... Fuel inlet, 19 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Fuel discharge port, 20 ... Fuel distribution plate, 21 ... Narrow tube, 25 ... Straight part, 26 ... Branch part, 27 ... Curve part, 28 ... Single arc section, 29 ... Clothoid curve section.

Claims (5)

燃料極と、空気極と、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を備える起電部と、
液体燃料を収容する燃料収容部と、
前記燃料収容部と接続された燃料注入口と、直線部と曲線部とで構成された燃料流路を介して前記燃料注入口と接続された複数の燃料排出口とを有し、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部とを具備し、
前記曲線部の少なくとも前記直線部に接続された部分を含む区間の流路形状がクロソイド曲線で構成されていることを特徴とする燃料電池。
An electromotive part comprising 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 storage section for storing liquid fuel;
A fuel injection port connected to the fuel storage unit, and a plurality of fuel discharge ports connected to the fuel injection port via a fuel flow path constituted by a straight part and a curved part, and the fuel electrode A fuel supply unit for supplying fuel to
A fuel cell, wherein a flow path shape of a section including at least a portion connected to the straight portion of the curved portion is constituted by a clothoid curve.
請求項1記載の燃料電池において、
前記曲線部は前記直線部に接続された部分を含むクロソイド曲線区間と曲率半径が一定の単一円弧区間とを有し、前記クロソイド曲線区間の曲率半径をR、曲線長をLとしたとき、前記クロソイド曲線区間は曲率(1/R)が前記直線部との接続部分の曲率から前記単一円弧区間の曲率までC・L(ここで、Cは0〜1の範囲の任意の定数である)に基づいて変化していることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The curved portion has a clothoid curve section including a portion connected to the straight section and a single arc section having a constant curvature radius, where R is a curvature radius of the clothoid curve section, and L is a curve length. The clothoid curve section has a curvature (1 / R) of C · L from the curvature of the connection portion with the straight line portion to the curvature of the single arc section (where C is an arbitrary constant in the range of 0 to 1). ) Based on the fuel cell.
請求項1または請求項2記載の燃料電池において、
さらに、前記燃料収容部と前記燃料供給部との間に介在された燃料供給ポンプを具備することを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2,
The fuel cell further comprises a fuel supply pump interposed between the fuel storage part and the fuel supply part.
請求項1ないし請求項3のいずれか1項記載の燃料電池において、
前記燃料供給部は前記燃料注入口と前記複数の燃料排出口とを有する燃料分配板を備え、前記燃料分配板はその内部に前記燃料流路として設けられた細管を有することを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein
The fuel supply unit includes a fuel distribution plate having the fuel injection port and the plurality of fuel discharge ports, and the fuel distribution plate has a narrow tube provided therein as the fuel flow path. battery.
請求項4記載の燃料電池において、
前記細管は分岐部を有し、前記燃料注入口から前記複数の燃料排出口に向けて前記分岐部で順に分岐されていることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 4, wherein
The thin tube has a branch portion, and is branched in order at the branch portion from the fuel inlet toward the plurality of fuel outlets.
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