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JP2011113912A - Fuel cell - Google Patents

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JP2011113912A
JP2011113912A JP2009271563A JP2009271563A JP2011113912A JP 2011113912 A JP2011113912 A JP 2011113912A JP 2009271563 A JP2009271563 A JP 2009271563A JP 2009271563 A JP2009271563 A JP 2009271563A JP 2011113912 A JP2011113912 A JP 2011113912A
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fuel cell
fuel
main body
cell main
storage element
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Withdrawn
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JP2009271563A
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Japanese (ja)
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Toru Yajima
亨 矢嶋
Risa Aoki
里紗 青木
Jun Monma
旬 門馬
Mitsuhiro Hoshino
光弘 星野
Seiji Segami
清司 瀬上
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
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Publication date
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Abstract

【課題】大きさを抑制しつつ、安定して電力を出力できる燃料電池を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る燃料電池は、燃料の供給により発電する燃料電池本体と、燃料電池本体が発電した電力により充電される蓄電素子と、燃料電池本体の発電時に発生する熱が蓄電素子に伝達される状態で、燃料電池本体および蓄電素子を収納する筐体と、を具備する。
【選択図】図1
A fuel cell capable of stably outputting electric power while suppressing its size is provided.
A fuel cell according to one embodiment of the present invention includes a fuel cell main body that generates power by supplying fuel, a power storage element that is charged by electric power generated by the fuel cell main body, and heat generated during power generation of the fuel cell main body. In a state where is transmitted to the storage element, and a housing for storing the fuel cell body and the storage element.
[Selection] Figure 1

Description

この発明は、二次電池等の蓄電素子を備えた燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell including a storage element such as a secondary battery.

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。   In recent years, attempts have been made to use a fuel cell as a power source for portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones so that they can be used for a long time without being charged. A fuel cell is characterized in that it can generate electric power simply by supplying fuel and air, and can generate electric power continuously for a long time if fuel is replenished. For this reason, if the fuel cell can be reduced in size, it can be said that the system is extremely advantageous as a power source for portable electronic devices.

直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。DMFCにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。   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. As the liquid fuel supply method in the DMFC, there are known an active method such as a gas supply type and a liquid supply type, and a passive method such as an internal vaporization type in which the liquid fuel in the fuel container is vaporized inside the cell and supplied to the fuel electrode. It has been.

これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はDMFCの小型化に対して特に有利である。パッシブ型DMFCにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体(燃料電池セル)を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている(例えば特許文献1参照)。   Among these, a passive system such as an internal vaporization type is particularly advantageous for downsizing of the DMFC. In the passive DMFC, for example, a structure is proposed in which a membrane electrode assembly (fuel cell) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode is disposed on a fuel containing portion made of a resin box-like container ( For example, see Patent Document 1).

しかしながら、DMFC方式では、発電時の化学反応により生じる熱のために膜電極接合体の温度が上昇し、膜電極接合体を構成する部材や、膜電極接合体の周囲に配置されている部材が、熱によって変形や変質等の劣化を生じ、燃料電池の出力が低下するという問題があった。これを防ぐためには、膜電極接合体の温度を検知して、この検知された温度が予め設定された値を上回った場合には、膜電極接合体への燃料の供給を遮断もしくは抑制する方法や、燃料電池の筺体表面に放熱部材を設け、膜電極接合体の熱を外部へ放熱する方法などが考えられる。   However, in the DMFC system, the temperature of the membrane electrode assembly rises due to the heat generated by the chemical reaction during power generation, and members constituting the membrane electrode assembly and members disposed around the membrane electrode assembly are However, there is a problem that the output of the fuel cell is lowered due to deterioration such as deformation and alteration due to heat. In order to prevent this, a method of detecting the temperature of the membrane electrode assembly and shutting off or suppressing the supply of fuel to the membrane electrode assembly when the detected temperature exceeds a preset value Alternatively, a method of providing a heat radiating member on the surface of the housing of the fuel cell and radiating the heat of the membrane electrode assembly to the outside can be considered.

国際公開第2005/112172号パンフレットInternational Publication No. 2005/112172 Pamphlet

しかしながら、燃料の供給を遮断もしくは抑制する場合、発電反応が抑制され、結果として燃料電池の出力が低下する虞がある。また、膜電極接合体の熱を外部へ放熱する場合、膜電極接合体で生じる熱を十分に放熱するために放熱部材が外部と熱交換する表面積を大きくとる必要があり、燃料電池も大きくなる虞がある。
この発明は、かかる従来の問題を解消するためになされたもので、大きさを抑制しつつ、安定して電力を出力できる燃料電池を提供することを目的とする。
However, when the supply of fuel is cut off or suppressed, the power generation reaction is suppressed, and as a result, the output of the fuel cell may be reduced. Further, when the heat of the membrane electrode assembly is radiated to the outside, it is necessary to increase the surface area of the heat radiating member to exchange heat with the outside in order to sufficiently radiate the heat generated in the membrane electrode assembly, and the fuel cell also becomes large. There is a fear.
The present invention has been made to solve such conventional problems, and an object thereof is to provide a fuel cell capable of stably outputting electric power while suppressing the size.

本発明の一態様に係る燃料電池は、燃料の供給により発電する燃料電池本体と、燃料電池本体が発電した電力により充電される蓄電素子と、燃料電池本体の発電時に発生する熱が蓄電素子に伝達される状態で、燃料電池本体および蓄電素子を収納する筐体と、を具備することを特徴とする。   A fuel cell according to one embodiment of the present invention includes a fuel cell main body that generates power by supplying fuel, a power storage element that is charged by power generated by the fuel cell main body, and heat generated during power generation of the fuel cell main body in the power storage element. And a housing for storing the fuel cell main body and the storage element in a transmitted state.

本発明によれば、大きさを抑制しつつ、安定して電力を出力できる燃料電池を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which can output electric power stably can be provided, suppressing a magnitude | size.

第1の実施形態に係る燃料電池の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the fuel cell which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る燃料電池の発電セルの構成の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the structure of the electric power generation cell of the fuel cell which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る燃料電池の燃料分配機構の構成の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the structure of the fuel distribution mechanism of the fuel cell which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る燃料電池の燃料電池本体と二次電池の配置関係の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the arrangement | positioning relationship of the fuel cell main body and secondary battery of the fuel cell which concern on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る燃料電池の燃料電池本体と二次電池の配置関係の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the arrangement | positioning relationship of the fuel cell main body and secondary battery of the fuel cell which concern on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る燃料電池の燃料電池本体と二次電池の配置関係の他の例を示した図である。It is the figure which showed the other example of the arrangement | positioning relationship of the fuel cell main body and secondary battery of the fuel cell which concern on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る燃料電池の燃料電池本体と二次電池の配置関係の他の例を示した図である。It is the figure which showed the other example of the arrangement | positioning relationship of the fuel cell main body and secondary battery of the fuel cell which concern on 1st Embodiment. その他の実施形態に係る燃料電池の燃料電池本体と二次電池の配置関係の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of arrangement | positioning relationship of the fuel cell main body and secondary battery of the fuel cell which concern on other embodiment.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る燃料電池1の構成を示した図である。第1の実施形態に係る燃料電池1は、バルブ101、ポンプ102、燃料電池本体103、DC/DCコンバータ104(昇圧型DC/DCコンバータ)、燃料タンク105、制御部106、リチウムイオン二次電(LIB:Lithium-ion Battery)充電回路107、蓄電素子であるリチウムイオン二次電池(以下、LIB;Lithium-ion Batteryと称する)108、DC/DCコンバータ109(昇圧型DC/DCコンバータ)、出力端子110、筺体111を具備する。なお、この第1の実施形態では、燃料電池1として、直接メタノール型燃料電池(以下、DMFC; Direct Methanol Fuel Cellと称する。)を例に説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell 1 according to the first embodiment. The fuel cell 1 according to the first embodiment includes a valve 101, a pump 102, a fuel cell main body 103, a DC / DC converter 104 (step-up DC / DC converter), a fuel tank 105, a control unit 106, a lithium ion secondary battery. (LIB: Lithium-ion Battery) charging circuit 107, lithium ion secondary battery (hereinafter referred to as LIB; Lithium-ion Battery) 108, which is a storage element, DC / DC converter 109 (step-up DC / DC converter), output A terminal 110 and a housing 111 are provided. In the first embodiment, a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC) will be described as an example of the fuel cell 1.

燃料タンク105は、発電に使用する液体燃料を収容する。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 fuel tank 105 stores liquid fuel used for power generation. Examples of the liquid fuel include methanol fuels such as aqueous methanol solutions of various concentrations and pure methanol. 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.

制御部106は、この第1の実施形態に係る燃料電池1全体を制御する。制御部106は、バルブ101、ポンプ102、DC/DCコンバータ104、LIB充電回路107、DC/DCコンバータ109などを制御する。   The control unit 106 controls the entire fuel cell 1 according to the first embodiment. The control unit 106 controls the valve 101, the pump 102, the DC / DC converter 104, the LIB charging circuit 107, the DC / DC converter 109, and the like.

バルブ101は、燃料タンク105から燃料電池本体103への燃料の供給経路を開閉する。ポンプ102は、燃料タンク105に貯蔵されている燃料を燃料電池本体103へ供給する。燃料電池本体103へ燃料が供給されると、燃料が空気中の酸素と化学反応を起こし発電する。   The valve 101 opens and closes a fuel supply path from the fuel tank 105 to the fuel cell main body 103. The pump 102 supplies the fuel stored in the fuel tank 105 to the fuel cell main body 103. When fuel is supplied to the fuel cell main body 103, the fuel undergoes a chemical reaction with oxygen in the air to generate electricity.

燃料電池本体103で発電された電力は、DC/DCコンバータ104で昇圧される。DC/DCコンバータ104で昇圧された電力は、LIB充電回路107によりLIB108へ供給される。LIB108は、充放電が可能であり、燃料電池本体103から供給される電力を一旦蓄え、必要に応じて放出する。   The electric power generated by the fuel cell main body 103 is boosted by the DC / DC converter 104. The electric power boosted by the DC / DC converter 104 is supplied to the LIB 108 by the LIB charging circuit 107. The LIB 108 is chargeable / dischargeable, temporarily stores electric power supplied from the fuel cell main body 103, and discharges it as necessary.

LIB108は、非水電解質二次電池の一種であり、電解質中のリチウムイオンが電気伝導を担う二次電池である。LIB108は、正極(陽極)にリチウム金属酸化物を用い、負極にグラファイトなどの炭素材を用いるのが一般的であり、正極の素材により次のような種類に分類できる   The LIB 108 is a type of non-aqueous electrolyte secondary battery, and is a secondary battery in which lithium ions in the electrolyte are responsible for electrical conduction. The LIB 108 generally uses a lithium metal oxide for the positive electrode (anode) and a carbon material such as graphite for the negative electrode, and can be classified into the following types depending on the material of the positive electrode.

1.コバルト系リチウムイオン二次電池
2.ニッケル系リチウムイオン二次電池
3.マンガン系リチウムイオン二次電池
4.鉄系、バナジウム系など、他のリチウム金属酸化物を用いるリチウムイオン二次電池
1. 1. Cobalt type lithium ion secondary battery 2. Nickel-based lithium ion secondary battery 3. Manganese lithium ion secondary battery Lithium ion secondary batteries using other lithium metal oxides such as iron and vanadium

上記の中では、コバルト系リチウムイオン二次電池が広く使用されており、正極にコバルト酸リチウム、負極に炭素材料、電解液には、有機溶媒にリチウム塩を溶解させたものを用いている。充電時における化学反応式は次の通りである。なお、この化学反応は吸熱反応である。
正極:LiCoO → LiCoO+(1−x)Li+(1−x)e …(1)
負極:(1−x)Li+(1−x)e+C → Li1−x …(2)
(xは、0<x<1となる数で、通常は約0.5である)
Among the above, cobalt-based lithium ion secondary batteries are widely used, and lithium cobalt oxide is used for the positive electrode, a carbon material is used for the negative electrode, and a lithium salt dissolved in an organic solvent is used for the electrolytic solution. The chemical reaction formula at the time of charging is as follows. This chemical reaction is an endothermic reaction.
Positive electrode: LiCoO 2 → Li x CoO 2 + (1-x) Li + + (1-x) e (1)
Negative electrode: (1-x) Li + + (1-x) e + C 6 → Li 1-x C 6 (2)
(X is a number such that 0 <x <1 and is usually about 0.5)

DC/DCコンバータ109は、LIB108から供給される電力を所定の値まで昇圧して出力端子110を介してこの燃料電池1に接続された外部負荷へ供給する。つまり、本実施の形態においては、燃料電池本体103で発電された電力はLIB108へ一旦充電された後、この燃料電池1に接続された外部負荷へ出力される。なお、LIB108に充電された電力は、この燃料電池1を動作させる際に必要な電力(例えば、バルブ101やポンプ102)を供給する際にも使用される。   The DC / DC converter 109 boosts the electric power supplied from the LIB 108 to a predetermined value and supplies it to an external load connected to the fuel cell 1 via the output terminal 110. That is, in the present embodiment, the electric power generated by the fuel cell main body 103 is once charged in the LIB 108 and then output to the external load connected to the fuel cell 1. The electric power charged in the LIB 108 is also used when supplying electric power necessary for operating the fuel cell 1 (for example, the valve 101 and the pump 102).

図2および図3は、燃料電池1の燃料電池本体103の構成の一例を示した図である。以下、図2、3を参照して、燃料電池本体103の構成について説明する。   2 and 3 are diagrams showing an example of the configuration of the fuel cell main body 103 of the fuel cell 1. Hereinafter, the configuration of the fuel cell main body 103 will be described with reference to FIGS.

燃料電池本体103は、アノード(燃料極)22、カソード(空気極/酸化剤極)24および電解質膜23から構成される膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)21を具備する。アノード(燃料極)22は、アノード触媒層22aとアノードガス拡散層22bとを有する。カソード(空気極/酸化剤極)24は、カソード触媒層24bとカソードガス拡散層24aとを有する。電解質膜23は、アノード触媒層22aとカソード触媒層24bとで挟持され、プロトン(水素イオン)伝導性を有する。   The fuel cell body 103 includes a membrane electrode assembly (MEA) 21 including an anode (fuel electrode) 22, a cathode (air electrode / oxidant electrode) 24, and an electrolyte membrane 23. The anode (fuel electrode) 22 has an anode catalyst layer 22a and an anode gas diffusion layer 22b. The cathode (air electrode / oxidant electrode) 24 includes a cathode catalyst layer 24b and a cathode gas diffusion layer 24a. The electrolyte membrane 23 is sandwiched between the anode catalyst layer 22a and the cathode catalyst layer 24b and has proton (hydrogen ion) conductivity.

アノード触媒層22aやカソード触媒層24bに含有される触媒として、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使用できる。アノード触媒層22a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24bにはPtやPt−Ni等を用いることが好ましい。ただし、上記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できる。また、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または無担持触媒などが使用できる。   As the catalyst contained in the anode catalyst layer 22a and the cathode catalyst layer 24b, a simple substance of a platinum group element such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, Pd, an alloy containing the platinum group element, or the like can be used. For the anode catalyst layer 22a, it is preferable to use Pt—Ru, Pt—Mo or the like having strong resistance to methanol, carbon monoxide and the like. Pt, Pt—Ni, or the like is preferably used for the cathode catalyst layer 24b. However, the catalyst is not limited to these, and various substances having catalytic activity can be used. The catalyst may be a supported catalyst using a conductive support such as a carbon material or an unsupported catalyst.

電解質膜23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)、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などが使用できる。   Examples of the proton conductive material constituting the electrolyte membrane 23 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.). ), An organic material such as a hydrocarbon-based resin having a sulfonic acid group, or an inorganic material such as tungstic acid or phosphotungstic acid.

アノードガス拡散層22bは、アノード触媒層22aに燃料を均一に供給するアノード触媒層22aの集電体である。カソードガス拡散層24aは、カソード触媒層24bに酸化剤を均一に供給するカソード触媒層24bの集電体である。アノードガス拡散層22bおよびカソードガス拡散層24aは多孔質基材で構成されている。   The anode gas diffusion layer 22b is a current collector of the anode catalyst layer 22a that uniformly supplies fuel to the anode catalyst layer 22a. The cathode gas diffusion layer 24a is a current collector of the cathode catalyst layer 24b that uniformly supplies an oxidant to the cathode catalyst layer 24b. The anode gas diffusion layer 22b and the cathode gas diffusion layer 24a are made of a porous substrate.

アノードガス拡散層22bやカソードガス拡散層24aには、必要に応じて集電体としての導電層が積層される。これら導電層としては、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)、多孔質膜、箔体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使用できる。また、グラファイト(黒鉛)等の炭素質材料も使用できる。電解質膜23と後述する燃料分配機構31およびカバープレート25との間には、それぞれゴム製の0リング26が介在する。これら0リング26は、燃料電池本体103からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止する。   A conductive layer as a current collector is laminated on the anode gas diffusion layer 22b and the cathode gas diffusion layer 24a as necessary. As these conductive layers, for example, a porous layer (for example, mesh) made of a conductive metal material such as Au or Ni, a porous film, a foil body, a conductive metal material such as stainless steel (SUS), gold or the like. A composite material coated with a highly conductive metal can be used. Carbonaceous materials such as graphite (graphite) can also be used. A rubber 0-ring 26 is interposed between the electrolyte membrane 23 and a fuel distribution mechanism 31 and a cover plate 25, which will be described later. These 0-rings 26 prevent fuel leakage and oxidant leakage from the fuel cell main body 103.

カバープレート25は酸化剤である空気を取入れるための不図示の開口を有している。カバープレート25とカソード24との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層24b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24b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。この保湿層は、例えば、ポリエチレン製多孔質フィルム等からなる平板で構成される。   The cover plate 25 has an opening (not shown) for taking in air as an oxidizing agent. A moisture retaining layer and a surface layer are disposed between the cover plate 25 and the cathode 24 as necessary. The moisturizing layer is impregnated with a part of the water produced in the cathode catalyst layer 24b, and suppresses the transpiration of water and promotes the uniform diffusion of air into the cathode catalyst layer 24b. 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. This moisture retention layer is comprised with the flat plate which consists of a polyethylene-made porous film etc., for example.

燃料電池本体103のアノード(燃料極)22側には、燃料分配機構31が配置されている。燃料分配機構31には配管のような液体燃料の流路36を介して燃料タンク105が接続されている。   A fuel distribution mechanism 31 is disposed on the anode (fuel electrode) 22 side of the fuel cell main body 103. A fuel tank 105 is connected to the fuel distribution mechanism 31 via a liquid fuel flow path 36 such as a pipe.

燃料分配機構31には燃料タンク105から流路36を介して燃料が導入される。流路36は燃料分配機構31や燃料タンク105と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構31と燃料タンク105とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ燃料の流路であってもよい。燃料分配機構31は流路36を介して燃料タンク105と接続されていればよい。   Fuel is introduced into the fuel distribution mechanism 31 from the fuel tank 105 through the flow path 36. The flow path 36 is not limited to piping independent of the fuel distribution mechanism 31 and the fuel tank 105. For example, when the fuel distribution mechanism 31 and the fuel tank 105 are stacked and integrated, a fuel flow path connecting them may be used. The fuel distribution mechanism 31 may be connected to the fuel tank 105 via the flow path 36.

図3に示すように、燃料分配機構31は、燃料が流路36を介して流入する少なくとも1個の燃料注入口35と、燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口33とを有する燃料分配板32を備えている。この燃料分配板32は、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリエチレンナフタレート(PEN)樹脂、ポリイミド系樹脂等で構成される。また図2に示すように、燃料分配板32の内部には、燃料注入口35から導かれた燃料の通路となる空隙部34が設けられている。複数の燃料排出口33は燃料通路として機能する空隙部34にそれぞれ直接接続されている。   As shown in FIG. 3, the fuel distribution mechanism 31 includes at least one fuel inlet 35 through which fuel flows through the flow path 36 and a plurality of fuel outlets 33 that discharge fuel and vaporized components thereof. A fuel distribution plate 32 is provided. The fuel distribution plate 32 is made of, for example, polyethylene terephthalate (PET) resin, polyethylene naphthalate (PEN) resin, polyimide resin, or the like. As shown in FIG. 2, a gap 34 serving as a fuel passage led from the fuel injection port 35 is provided inside the fuel distribution plate 32. The plurality of fuel discharge ports 33 are directly connected to the gaps 34 that function as fuel passages.

燃料注入口35から燃料分配機構31に導入された燃料は空隙部34に入り、この燃料通路として機能する空隙部34を介して複数の燃料排出口33にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口33には、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体(図示せず)を配置してもよい。この気液分離体は、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン(LDPE)薄膜、ポリ塩化ビニル(PVC)薄膜、ポリエチレンテレフタレート(PET)薄膜、フッ素樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)など)微多孔膜などから構成される。なお、気液分離体は燃料分配機構31とアノード22との間に気液分離膜等として設置してもよい。燃料の気化成分は複数の燃料排出口33からアノード22の複数個所に向けて排出される。   The fuel introduced into the fuel distribution mechanism 31 from the fuel inlet 35 enters the gap 34 and is guided to the plurality of fuel outlets 33 through the gap 34 functioning as the fuel passage. For example, a gas-liquid separator (not shown) that transmits only the vaporized component of the fuel and does not transmit the liquid component may be disposed in the plurality of fuel discharge ports 33. This gas-liquid separator includes, for example, silicone rubber, low density polyethylene (LDPE) thin film, polyvinyl chloride (PVC) thin film, polyethylene terephthalate (PET) thin film, fluororesin (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoro An ethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) or the like) and a microporous film. The gas-liquid separator may be installed as a gas-liquid separation membrane or the like between the fuel distribution mechanism 31 and the anode 22. The vaporized component of the fuel is discharged from a plurality of fuel discharge ports 33 toward a plurality of locations of the anode 22.

燃料排出口33は、燃料分配板32のアノード22と接する面に複数設けられている。これにより、燃料電池本体103の全体に燃料を供給することができる。燃料排出口33の個数は2個以上であればよいが、燃料電池本体103の面内における燃料供給量を均一化する上で、0.1〜10個/cmの燃料排出口33が存在するように形成することが好ましい。 A plurality of fuel discharge ports 33 are provided on the surface of the fuel distribution plate 32 in contact with the anode 22. As a result, fuel can be supplied to the entire fuel cell main body 103. The number of the fuel discharge ports 33 may be two or more. However, in order to equalize the fuel supply amount in the surface of the fuel cell main body 103, the fuel discharge ports 33 of 0.1 to 10 / cm 2 exist. It is preferable to form so as to.

燃料分配機構31と燃料タンク105の間を接続する流路36には、燃料移送制御手段としてのポンプ102が挿入されている。このポンプ102は燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料タンク105から燃料分配機構31に燃料を移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ102で必要時に燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めるものである。   A pump 102 as a fuel transfer control unit is inserted into a flow path 36 that connects between the fuel distribution mechanism 31 and the fuel tank 105. The pump 102 is not a circulation pump that circulates fuel, but is a fuel supply pump that transfers fuel from the fuel tank 105 to the fuel distribution mechanism 31. By supplying fuel with such a pump 102 when necessary, the controllability of the fuel supply amount is improved.

この場合、ポンプ102としては、少量の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。なお、燃料は重力や毛細管現象を利用して送液するようにしてもよい。重力を利用する場合、燃料タンク105は、燃料電池本体103よりも上になるよう配置する。また、毛細管現象を利用する場合、燃料の流路36に多孔質体を充填する。   In this case, as the pump 102, a rotary vane pump, an electroosmotic pump, a diaphragm pump, a squeezing pump, etc. should be used from the viewpoint that a small amount of fuel can be sent with good controllability and can be reduced in size and weight. Is preferred. The fuel may be sent using gravity or a capillary phenomenon. When using gravity, the fuel tank 105 is disposed above the fuel cell main body 103. When the capillary phenomenon is used, the fuel flow path 36 is filled with a porous material.

ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液する。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアプラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。上記ポンプのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアプラムポンプを使用することがより好ましい。なお、燃料分配機構31から膜電極接合体21への燃料供給が行われる構成であればポンプ102を使用せずバルブ101のみで構成とすることも可能である。この場合には、バルブ101は、流路36による液体燃料の供給を制御するために設けられる。   The rotary vane pump feeds liquid by rotating the wings with a motor. The electroosmotic flow pump uses a sintered porous material such as silica that causes an electroosmotic flow phenomenon. The diaphragm pump is a pump that feeds liquid by driving a diaphragm with an electromagnet or piezoelectric ceramics. The squeezing pump presses a part of the flexible fuel flow path and squeezes the fuel. Of the above pumps, it is more preferable to use an electroosmotic pump or a diaphragm pump having piezoelectric ceramics from the viewpoints of driving power and size. In addition, as long as the fuel is supplied from the fuel distribution mechanism 31 to the membrane electrode assembly 21, it is possible to use only the valve 101 without using the pump 102. In this case, the valve 101 is provided to control the supply of liquid fuel through the flow path 36.

このような構成において、燃料タンク105に収容された燃料は、ポンプ102により流路36を移送され、燃料分配機構31に供給される。そして、燃料分配機構31から放出された燃料は、燃料電池本体103のアノード(燃料極)22に供給される。燃料電池本体103内において、燃料はアノードガス拡散層22bで拡散されアノード触媒層22aに供給される。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22aで下記(3)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。   In such a configuration, the fuel stored in the fuel tank 105 is transferred through the flow path 36 by the pump 102 and supplied to the fuel distribution mechanism 31. The fuel discharged from the fuel distribution mechanism 31 is supplied to the anode (fuel electrode) 22 of the fuel cell main body 103. In the fuel cell main body 103, the fuel is diffused by the anode gas diffusion layer 22b and supplied to the anode catalyst layer 22a. When methanol fuel is used as the fuel, an internal reforming reaction of methanol shown in the following formula (3) occurs in the anode catalyst layer 22a.

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24bで生成した水や電解質膜23中の水をメタノールと反応させて下記(l)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 24b and the water in the electrolyte membrane 23 are reacted with methanol to cause the internal reforming reaction of the following formula (l). Alternatively, the internal reforming reaction is caused by another reaction mechanism that does not require water.

CHOH+HO → CO十6H+6e …(3)
この反応で生成した電子(e)は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる出力として負荷側に供給された後、カソード(空気極)24に導かれる。また、(3)式の内部改質反応で生成したプロトン(H)は電解質膜23を経てカソード24に導かれる。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24bで空気中の酸素と下記(4)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成される。
6e+6H+(3/2)O → 3HO …(4)
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 tens 6H + + 6e - ... (3 )
Electrons (e ) generated by this reaction are led to the outside via a current collector, supplied as so-called output to the load side, and then led to the cathode (air electrode) 24. In addition, protons (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (3) are guided to the cathode 24 through the electrolyte membrane 23. Air is supplied to the cathode 24 as an oxidant. The electrons (e ) and protons (H + ) that have reached the cathode 24 react with oxygen in the air in accordance with the following equation (4) in the cathode catalyst layer 24b, and water is generated along with this reaction.
6e + 6H + + (3/2) O 2 → 3H 2 O (4)

図2にしめす燃料電池1は、セミパッシブと称される型の燃料電池である。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料タンク105から膜電極接合体21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タンク105に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。   The fuel cell 1 shown in FIG. 2 is a type of fuel cell called a semi-passive. In the semi-passive type fuel cell, the fuel supplied from the fuel tank 105 to the membrane electrode assembly 21 is used for a power generation reaction and is not circulated thereafter and returned to the fuel tank 105. The semi-passive type fuel cell is different from the conventional active method because it does not circulate the fuel, and does not impair the downsizing of the device.

また、燃料電池1は、燃料の供給にポンプ102を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。このため、燃料電池1は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料タンク105から膜電極接合体21への燃料供給が行われる構成であればポンプ102に代えてバルブ101のみを配置する構成とすることも可能である。この場合には、バルブ101は、流路36による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。   Further, the fuel cell 1 uses a pump 102 for supplying fuel, and is different from a pure passive system such as a conventional internal vaporization type. For this reason, the fuel cell 1 is referred to as a semi-passive method as described above. Note that this semi-passive type fuel cell may be configured such that only the valve 101 is disposed instead of the pump 102 as long as fuel is supplied from the fuel tank 105 to the membrane electrode assembly 21. . In this case, the valve 101 is provided to control the supply of liquid fuel through the flow path 36.

図4A、図4Bは、第1の実施形態に係る燃料電池1の燃料電池本体103およびLIB108の配置関係の一例を示した図である。図4Aは、燃料電池1の断面図、図4Bは、燃料電池1の平面図である。図4A、図4Bでは、燃料電池本体103およびLIB108以外の構成については、図示を省略している。   4A and 4B are diagrams illustrating an example of an arrangement relationship between the fuel cell main body 103 and the LIB 108 of the fuel cell 1 according to the first embodiment. FIG. 4A is a cross-sectional view of the fuel cell 1, and FIG. 4B is a plan view of the fuel cell 1. In FIG. 4A and FIG. 4B, illustration is abbreviate | omitted about structures other than the fuel cell main body 103 and LIB108.

燃料電池本体103とLIB108は、共通の筺体111に収納される。この筺体111は、燃料電池本体103やLIB108を保護すると共に、相互の位置関係を固定するためのものであり、材質や形状は特に限定されない。   The fuel cell main body 103 and the LIB 108 are accommodated in a common casing 111. The casing 111 protects the fuel cell main body 103 and the LIB 108 and fixes the positional relationship between them, and the material and shape are not particularly limited.

燃料電池本体103およびLIB108は、それぞれ少なくとも1箇所の平面部103a,108aを有し、燃料電池本体103の平面部103aおよびLIB108の平面部108aが互いに対向もしくは接触した状態で前記筺体内に収納されている。   Each of the fuel cell main body 103 and the LIB 108 has at least one flat portion 103a, 108a, and is stored in the casing with the flat portion 103a of the fuel cell main body 103 and the flat portion 108a of the LIB 108 facing or in contact with each other. ing.

図4A、図4Bに示す例では、燃料電池本体103およびLIB108は、各々直方体の形状を有しており、燃料電池本体103の下面103aおよびLIB108の上面108aとを対向させた状態で筺体111内に収納されている。なお、燃料電池本体103の下面103aおよびLIB108の上面108aは、接触していてもよい。   In the example shown in FIGS. 4A and 4B, each of the fuel cell body 103 and the LIB 108 has a rectangular parallelepiped shape, and the inside of the casing 111 is in a state where the lower surface 103a of the fuel cell body 103 and the upper surface 108a of the LIB 108 face each other. It is stored in. The lower surface 103a of the fuel cell main body 103 and the upper surface 108a of the LIB 108 may be in contact with each other.

図4A、図4Bに示す例では、燃料電池本体103で生じる熱がLIB108に吸熱され、燃料電池本体103の温度上昇を抑制するため燃料の供給を遮断もしくは抑制したり、放熱部材を大きくする必要がない。また、燃料電池本体103で生じる熱がLIB108に吸熱され、燃料電池本体103の温度の上昇を抑制できるため安定して電力を出力できる。   In the example shown in FIGS. 4A and 4B, the heat generated in the fuel cell main body 103 is absorbed by the LIB 108, and it is necessary to cut off or suppress the supply of fuel or enlarge the heat dissipation member in order to suppress the temperature rise of the fuel cell main body 103. There is no. Further, the heat generated in the fuel cell main body 103 is absorbed by the LIB 108, and an increase in the temperature of the fuel cell main body 103 can be suppressed, so that power can be output stably.

図5A、図5Bは、第1の実施形態に係る燃料電池1の燃料電池本体103およびLIB108の配置関係の他の一例を示した図である。図5Aは、燃料電池1の断面図、図5Bは、燃料電池1の平面図である。図5A、図5Bでは、燃料電池本体103およびLIB108以外の構成については、図示を省略している。   5A and 5B are diagrams showing another example of the arrangement relationship between the fuel cell main body 103 and the LIB 108 of the fuel cell 1 according to the first embodiment. FIG. 5A is a cross-sectional view of the fuel cell 1, and FIG. 5B is a plan view of the fuel cell 1. In FIGS. 5A and 5B, the components other than the fuel cell main body 103 and the LIB 108 are not shown.

図5A、図5Bに示す例では、燃料電池本体103の上面103aとLIB108の上面108aを略同一平面上に配置し、さらに、燃料電池本体103の上面103aおよびLIB108の上面108aを、熱伝導体112の下面112aに対向させた状態で筺体111内に収納している。なお、燃料電池本体103の上面103aと熱伝導体112の下面112a、およびLIB108の上面108aと熱伝導体112の下面112aは、それぞれ接触していてもよい。   In the example shown in FIGS. 5A and 5B, the upper surface 103a of the fuel cell main body 103 and the upper surface 108a of the LIB 108 are arranged on substantially the same plane, and the upper surface 103a of the fuel cell main body 103 and the upper surface 108a of the LIB 108 are 112 is housed in the casing 111 in a state of facing the lower surface 112a of the 112. The upper surface 103a of the fuel cell main body 103 and the lower surface 112a of the heat conductor 112, and the upper surface 108a of the LIB 108 and the lower surface 112a of the heat conductor 112 may be in contact with each other.

図5A、図5Bに示す例では、燃料電池本体103で生じる熱が熱伝導体112を介してLIB108に吸熱される。このため、燃料電池本体103で生じる熱がLIB108に吸熱され、燃料電池本体103の温度上昇を抑制するため燃料の供給を遮断もしくは抑制したり、放熱部材を大きくする必要がない。また、燃料電池本体103で生じる熱がLIB108に吸熱され、燃料電池本体103の温度の上昇を抑制できるため安定して電力を出力できる。さらに、この図5A、図5Bに示す例では、燃料電池1の筺体111を薄くでき、意匠性が向上する。   In the example shown in FIGS. 5A and 5B, the heat generated in the fuel cell main body 103 is absorbed by the LIB 108 through the heat conductor 112. For this reason, the heat generated in the fuel cell main body 103 is absorbed by the LIB 108, and it is not necessary to cut off or suppress the supply of fuel or increase the size of the heat dissipation member in order to suppress the temperature rise of the fuel cell main body 103. Further, the heat generated in the fuel cell main body 103 is absorbed by the LIB 108, and an increase in the temperature of the fuel cell main body 103 can be suppressed, so that power can be output stably. Furthermore, in the example shown in FIGS. 5A and 5B, the casing 111 of the fuel cell 1 can be thinned, and the design is improved.

なお、熱伝導体112としては、液体燃料や水、酸素等によって溶解や腐食、酸化等を生じることがなく、かつ熱伝導率λの高い物質(20℃における熱伝導率が、10W/mK以上、好ましくは50W/mK以上、より好ましくは200W/mK以上)からなることが望ましい。熱伝導率λが大きいほど、燃料電池本体103とLIB108との間の熱交換が効率よく行われるためである。   The thermal conductor 112 is a substance that does not dissolve, corrode, oxidize, etc. due to liquid fuel, water, oxygen, etc. and has a high thermal conductivity λ (the thermal conductivity at 20 ° C. is 10 W / mK or more. , Preferably 50 W / mK or more, more preferably 200 W / mK or more). This is because the heat exchange between the fuel cell main body 103 and the LIB 108 is more efficiently performed as the thermal conductivity λ increases.

熱伝導率λの高い物質としては、ステンレス、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン等の金属またはこれら金属の合金等を使用できる。また、グラファイト(黒鉛)等の炭素質材料も使用できる。熱伝導体112として金属材料を用いた場合、カソードで生成した水や、大気中に含まれる酸素や水蒸気等によって酸化、腐食を防止する必要がある。このため、熱伝導体112には、ステンレス等の腐食しにくい材料を使用するか、表面に金などの酸化しにくい金属をメッキしたり、炭素質の物質や、樹脂もしくはゴムでコーティングを施したり、液体燃料の蒸気に溶解しない塗料で塗装する等の対策が必要となる。   As the substance having a high thermal conductivity λ, metals such as stainless steel, copper, aluminum, tungsten, molybdenum, or alloys of these metals can be used. Carbonaceous materials such as graphite (graphite) can also be used. When a metal material is used as the heat conductor 112, it is necessary to prevent oxidation and corrosion by water generated at the cathode, oxygen, water vapor, etc. contained in the atmosphere. For this reason, the heat conductor 112 is made of a material that does not easily corrode such as stainless steel, or the surface is plated with a metal that is not easily oxidized, such as gold, or is coated with a carbonaceous material, resin, or rubber. Therefore, it is necessary to take measures such as painting with paint that does not dissolve in the liquid fuel vapor.

上記のようにコーティングを施すための樹脂もしくはゴムとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK:ヴィクトレックス社商標)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、シリコーン樹脂等の樹脂、エチレン・プロピレンゴム(EPDM)、フッ素ゴム等のゴムが使用可能である。これら樹脂やゴムは金属に比べて熱伝導率が低いため、コーティングを施す場合には、コーティングする樹脂もしくはゴムはできる限り薄くすることが望ましい。   As the resin or rubber for coating as described above, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyethylene terephthalate, nylon, polyetheretherketone (PEEK: trademark of Victorex), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene -Resin such as perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), polyvinyl chloride, polyimide, silicone resin, rubber such as ethylene / propylene rubber (EPDM), fluorine rubber, etc. can be used. Since these resins and rubbers have a lower thermal conductivity than metals, it is desirable to make the resin or rubber to be coated as thin as possible.

次に、第1の実施形態に係る燃料電池1の具体的実施例およびその評価結果について記載する。
(実施例1,2、比較例1の構成)
以下に実施例1,2および比較例1の構成について説明する。
あまり詳細な説明とならないよう、本願発明の特徴である燃料電池本体103とLIB108の構成については、具体的な数値まで言及するのを避けるようにいたしました(他社に燃料電池の構成を開示しないため)。 → OKです。
Next, specific examples of the fuel cell 1 according to the first embodiment and evaluation results thereof will be described.
(Configurations of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1)
The configurations of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 will be described below.
In order not to give a detailed explanation, the configuration of the fuel cell main body 103 and the LIB 108, which is a feature of the present invention, is avoided to mention specific numerical values (the configuration of the fuel cell is not disclosed to other companies). For). → OK.

(実施例1)
この実施例1では、燃料電池本体103とLIB108を、図4A、図4Bに示した位置関係となるように配置した。以下、実施例1に係る燃料電池1の構成について説明する。
まず、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。このペーストをアノードガス拡散層22bである多孔質カーボンペーパに塗布してアノード触媒層22aを得た。
Example 1
In the first embodiment, the fuel cell main body 103 and the LIB 108 are arranged so as to have the positional relationship shown in FIGS. 4A and 4B. Hereinafter, the configuration of the fuel cell 1 according to the first embodiment will be described.
First, a perfluorocarbon sulfonic acid solution as a proton conductive resin and water and methoxypropanol as a dispersion medium are added to carbon black supporting anode catalyst particles, and carbon black supporting anode catalyst particles is dispersed and pasted. Was prepared. This paste was applied to porous carbon paper as the anode gas diffusion layer 22b to obtain an anode catalyst layer 22a.

カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。このペーストをカソードガス拡散層24aである多孔質カーボンペーパに塗布することによりカソード触媒層24bを得た。   A paste is prepared by adding a perfluorocarbon sulfonic acid solution as a proton conductive resin and water and methoxypropanol as a dispersion medium to carbon black carrying cathode catalyst particles, and dispersing the carbon black carrying cathode catalyst particles. did. The paste was applied to porous carbon paper that is the cathode gas diffusion layer 24a to obtain a cathode catalyst layer 24b.

なお、アノードガス拡散層22bと、カソードガス拡散層24aとは、同形同大で厚さも等しく、これらのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層22aおよびカソード触媒層24bも同形同大である。 The anode gas diffusion layer 22b and the cathode gas diffusion layer 24a have the same shape and size and the same thickness, and the anode catalyst layer 22a and the cathode catalyst layer 24b applied to these gas diffusion layers have the same shape and size. is there.

上記したように作成したアノード触媒層22aとカソード触媒層24bとの間に、電解質膜23としてパーフルオロカーボンスルホン酸膜(商品名:nafion膜、デュポン社製)をアノード触媒層22aとカソード触媒層24bとが対向するように位置を合わせた状態でホットプレスを施し、膜電極接合体を得た。   Between the anode catalyst layer 22a and the cathode catalyst layer 24b prepared as described above, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane (trade name: nafion membrane, manufactured by DuPont) is used as the electrolyte membrane 23, and the anode catalyst layer 22a and the cathode catalyst layer 24b. The membrane electrode assembly was obtained by performing hot pressing in a state where the positions were aligned with each other.

カソードガス拡散層24aの上には、後述するカバープレート25の空気導入口に対応した位置に開口を有する金箔を積層し、カソード導電層を形成した。またアノードガス拡散層22bの下には、燃料分配層の穴に対応した位置に開口を有する金箔を積層し、アノード導電層を形成した。また、カソード導電層の上には、保湿層としてポリエチレン製多孔質フィルムを積層した。   On the cathode gas diffusion layer 24a, a gold foil having an opening at a position corresponding to an air inlet of a cover plate 25 described later was laminated to form a cathode conductive layer. A gold foil having an opening at a position corresponding to the hole of the fuel distribution layer was laminated under the anode gas diffusion layer 22b to form an anode conductive layer. A polyethylene porous film was laminated on the cathode conductive layer as a moisture retention layer.

外気からカソードに供給される空気は、この保湿層を透過することとなる。この保湿層の上に長方形の空気導入口を複数個形成したステンレス板(SUS304)をカバープレート25として積層した。上記手順により最終的に得られた燃料電池本体103は、縦の長さが約64mm、横の長さが約44mm、厚さが約6mmの直方体となった。燃料電池本体103の全表面積は、約70.0cmである。 The air supplied from the outside air to the cathode will permeate the moisture retaining layer. A stainless plate (SUS304) having a plurality of rectangular air inlets formed on the moisture retaining layer was laminated as a cover plate 25. The fuel cell main body 103 finally obtained by the above procedure was a rectangular parallelepiped having a vertical length of about 64 mm, a horizontal length of about 44 mm, and a thickness of about 6 mm. The total surface area of the fuel cell body 103 is about 70.0 cm 2 .

このようにして作成した燃料電池本体103を、DC/DCコンバータ104を介して、LIB108(容量400mAhのアルミラミネート型リチウムイオン二次電池)と接続し、厚さ0.5mmのABS樹脂製の筐体111に収納した。なお、LIB108は、縦の長さが約38mm、横の長さが約30mm、厚さが約3.8mmの直方体である。ここで、燃料電池本体103の底面と、LIB108の上面とが対向し、かつその間の距離が4mmとなるように配置した。   The fuel cell main body 103 thus created is connected to the LIB 108 (aluminum laminate type lithium ion secondary battery having a capacity of 400 mAh) via the DC / DC converter 104, and a housing made of ABS resin having a thickness of 0.5 mm. It was stored in the body 111. The LIB 108 is a rectangular parallelepiped having a vertical length of about 38 mm, a horizontal length of about 30 mm, and a thickness of about 3.8 mm. Here, the bottom surface of the fuel cell main body 103 and the top surface of the LIB 108 are opposed to each other, and the distance therebetween is 4 mm.

このとき、燃料電池本体103の全表面積のうち、LIB108の上面までの距離が5mm以下である面積は、約11.4cm(燃料電池本体103の全表面積の約16.3%)である。また、前記カソード触媒層24bを垂直に投影した面積のうち、LIB108の同じ方向からの投影面と重なる面積は約10.0cm(カソード触媒層24bの投影面積の51.9%)である。 At this time, of the total surface area of the fuel cell main body 103, the area where the distance to the upper surface of the LIB 108 is 5 mm or less is about 11.4 cm 2 (about 16.3% of the total surface area of the fuel cell main body 103). Of the area projected vertically on the cathode catalyst layer 24b, the area overlapping the projection surface of the LIB 108 from the same direction is about 10.0 cm 2 (51.9% of the projected area of the cathode catalyst layer 24b).

(実施例2)
この実施例2では、燃料電池本体103とLIB108を、図5A、図5Bに示した位置関係となるように配置した。なお、燃料電池本体103の構成は実施例1と同じである。
以下、実施例2に係る燃料電池1の構成について説明する。
(Example 2)
In Example 2, the fuel cell main body 103 and the LIB 108 are arranged so as to have the positional relationship shown in FIGS. 5A and 5B. The configuration of the fuel cell main body 103 is the same as that of the first embodiment.
Hereinafter, the configuration of the fuel cell 1 according to Example 2 will be described.

この実施例2では、燃料電池本体103の短辺(長さ約44mm)のうち一つが、LIB108の短辺(長さ約30mm)と4mmの距離を隔てて対向し、かつ、燃料電池本体103のカソード触媒層24bがなす平面とLIB108の外形のうち最も面積が広い面とが平行となるように配置した。   In the second embodiment, one of the short sides (about 44 mm in length) of the fuel cell main body 103 faces the short side (about 30 mm in length) of the LIB 108 with a distance of 4 mm, and the fuel cell main body 103 The flat surface formed by the cathode catalyst layer 24b and the surface having the largest area among the external shapes of the LIB 108 were arranged in parallel.

更に、熱伝導体112として、縦の長さが100mm、横の長さが56mm、厚さ0.5mmのアルミニウム板(20℃における熱伝導率204W/mK)を、燃料電池本体103のカバープレート25との距離が0.5mmとなるように配置した。なお、この熱伝導体112(アルミニウム板)には、燃料電池本体103のカバープレート25に設けられた空気導入口と同じ配置で同形同大の穴を設けている。さらに、LIB108は、熱伝導体112との距離が0.5mmとなるように配置した。なお、LIB108の外形のうち最も面積が広い面が熱伝導体112と対向するように配置している。   Further, an aluminum plate (thermal conductivity 204 W / mK at 20 ° C.) having a vertical length of 100 mm, a horizontal length of 56 mm, and a thickness of 0.5 mm is used as the heat conductor 112 as a cover plate of the fuel cell main body 103. It arrange | positioned so that the distance with 25 might be set to 0.5 mm. The heat conductor 112 (aluminum plate) is provided with a hole having the same shape and the same size as the air inlet provided in the cover plate 25 of the fuel cell main body 103. Further, the LIB 108 was disposed so that the distance from the thermal conductor 112 was 0.5 mm. It should be noted that the surface having the largest area of the outer shape of the LIB 108 is disposed so as to face the heat conductor 112.

燃料電池本体103の全表面積のうち、熱伝導体112の最も近接した表面までの距離が2mm以下である面積は約28.7cm(燃料電池本体103の全表面積の約41%)である。また、前記カソード触媒層24bを垂直に投影した面積のうち全て(カソード触媒層24bの投影面積の100%)が、熱伝導体112の同じ方向からの投影面と重なっている。 Of the total surface area of the fuel cell body 103, the area where the distance to the closest surface of the heat conductor 112 is 2 mm or less is about 28.7 cm 2 (about 41% of the total surface area of the fuel cell body 103). Further, all of the area projected vertically of the cathode catalyst layer 24b (100% of the projected area of the cathode catalyst layer 24b) overlaps the projection surface of the heat conductor 112 from the same direction.

(比較例1)
この比較例1では、燃料電池本体103とLIB108を、実施例2と同様に図5A、図5Bに示した位置関係となるように配置したが、熱伝導体112を設けていない点が実施例2と異なる。なお、燃料電池本体103の構成は実施例1と同じである。
以下、比較例1に係る燃料電池1の構成について説明する。
(Comparative Example 1)
In this comparative example 1, the fuel cell main body 103 and the LIB 108 are arranged so as to have the positional relationship shown in FIGS. 5A and 5B as in the second embodiment, but the heat conductor 112 is not provided. Different from 2. The configuration of the fuel cell main body 103 is the same as that of the first embodiment.
Hereinafter, the configuration of the fuel cell 1 according to Comparative Example 1 will be described.

燃料電池本体103の全表面積のうち、LIB108に最も近接した表面までの距離が5mm以下である面積は、約2.6cm(燃料電池本体103の全表面積の約3.7%)である。また、前記カソード触媒層24bを垂直に投影した面積のうち、LIB108の同じ方向からの投影面と重なる面積はゼロである。 Of the total surface area of the fuel cell main body 103, the area where the distance to the surface closest to the LIB 108 is 5 mm or less is about 2.6 cm 2 (about 3.7% of the total surface area of the fuel cell main body 103). In addition, among the areas obtained by vertically projecting the cathode catalyst layer 24b, the area overlapping the projection surface of the LIB 108 from the same direction is zero.

(実施例1,2、比較例1の比較)
次に、こうして従来例1、実施例1,2および比較例1で得られた燃料電池1を起動し、リチウムイオン二次電池の電圧が3.0Vから4.0Vになるまで充電するために要した時間(分)を測定した。
(Comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Example 1)
Next, in order to start up the fuel cell 1 obtained in Conventional Example 1, Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 in this way and charge the voltage of the lithium ion secondary battery from 3.0 V to 4.0 V The time (minutes) required was measured.

測定は、温度が25℃、相対湿度が50%の環境下において行った。また、表面カバーの中央部の表面に熱電対を取り付け、この熱電対で測定した温度が45℃で一定になるように、純メタノール(純度99.9重量%)の供給量を制御している。さらに、DC/DCコンバータ104により、燃料電池本体103の出力電圧(DC/DCコンバータ104の入力電圧)が1.4Vで一定になるように電流を制御し、かつLIB108の電圧が3.0Vから4.0Vになるまで充電した。   The measurement was performed in an environment where the temperature was 25 ° C. and the relative humidity was 50%. In addition, a thermocouple is attached to the surface of the center portion of the surface cover, and the supply amount of pure methanol (purity 99.9 wt%) is controlled so that the temperature measured by this thermocouple is constant at 45 ° C. . Further, the DC / DC converter 104 controls the current so that the output voltage of the fuel cell main body 103 (the input voltage of the DC / DC converter 104) is constant at 1.4V, and the voltage of the LIB 108 is increased from 3.0V. The battery was charged until it reached 4.0V.

上記条件下で充電に要した時間(分)を表1に示す。

Figure 2011113912
Table 1 shows the time (minutes) required for charging under the above conditions.
Figure 2011113912

表1に示すように、実施例1,2および比較例1に係る燃料電池1が充電に要した時間は、それぞれ240分、230分および280分である。このことから明らかなように、実施例1,2に係る燃料電池1では、比較例1に係る燃料電池1に比べて、LIB108の充電に要する時間が短い。このことから、実施例1,2の燃料電池1では、燃料電池1の出力(単位時間あたりに発生する電力)が、比較例1よりも高いことが推測できる。   As shown in Table 1, the time required for charging by the fuel cells 1 according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 is 240 minutes, 230 minutes, and 280 minutes, respectively. As is clear from this, in the fuel cell 1 according to Examples 1 and 2, the time required for charging the LIB 108 is shorter than that of the fuel cell 1 according to Comparative Example 1. From this, it can be inferred that in the fuel cells 1 of Examples 1 and 2, the output of the fuel cell 1 (power generated per unit time) is higher than that in Comparative Example 1.

これは、燃料電池1の発電に伴って発生する熱の少なくとも一部が、LIB108が充電されるときの吸熱反応によって吸収され、燃料電池1の温度が過度に上昇することなく、前記した式(3)や式(4)で示される反応が円滑に進行した結果によるものと考えられる。   This is because at least a part of the heat generated by the power generation of the fuel cell 1 is absorbed by an endothermic reaction when the LIB 108 is charged, and the temperature of the fuel cell 1 does not rise excessively. This is considered to be due to the smooth progress of the reaction represented by 3) or formula (4).

(その他の実施形態)
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、図6に示すように、燃料電池本体103、熱伝導体112、LIB108を同順に積層した状態で筺体111内に収納するようにしてもよい。この場合、燃料電池本体103で生じる熱が熱伝導率の高い熱伝導体112を介してLIB108に吸熱されるため、LIB108による吸熱効果がより大きくなることを期待できる。なお、燃料電池本体103と熱伝導体112、およびLIB108と熱伝導体112とは、各々接触した状態で積層してもよく、間に空間を設けても積層してもよい。
(Other embodiments)
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. For example, as shown in FIG. 6, the fuel cell main body 103, the heat conductor 112, and the LIB 108 may be housed in the casing 111 in a state of being stacked in the same order. In this case, since the heat generated in the fuel cell main body 103 is absorbed by the LIB 108 via the heat conductor 112 having high thermal conductivity, it can be expected that the endothermic effect by the LIB 108 is further increased. The fuel cell main body 103 and the heat conductor 112, and the LIB 108 and the heat conductor 112 may be stacked in contact with each other, or a space may be provided between them or may be stacked.

また、上記第1の実施形態では、特電素子として、二次電池であるリチウムイオン二次電池(LIB108)を例に説明したが、充電時に吸熱反応するものであれば、他の種類の蓄電素子を使用することもできる。   In the first embodiment, the lithium ion secondary battery (LIB 108), which is a secondary battery, has been described as an example of the special electric element. However, as long as it has an endothermic reaction during charging, other types of power storage elements Can also be used.

1…燃料電池、101…バルブ、102…ポンプ、103…燃料電池本体、104…DC/DCコンバータ、105…燃料タンク、106…制御部、107…LIB充電回路、108…LIB(蓄電素子)、109…DC/DCコンバータ、110…出力端子、111…筺体、112…熱伝導体、22…アノード、23…電解質膜、24…カソード、25…カバープレート、26…Oリング、31…燃料分配機構、32…燃料分配板、33…燃料排出口、34…空隙部、35…燃料注入口、36…流路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 101 ... Valve, 102 ... Pump, 103 ... Fuel cell main body, 104 ... DC / DC converter, 105 ... Fuel tank, 106 ... Control part, 107 ... LIB charging circuit, 108 ... LIB (electric storage element), DESCRIPTION OF SYMBOLS 109 ... DC / DC converter, 110 ... Output terminal, 111 ... Housing, 112 ... Thermal conductor, 22 ... Anode, 23 ... Electrolyte membrane, 24 ... Cathode, 25 ... Cover plate, 26 ... O-ring, 31 ... Fuel distribution mechanism 32 ... Fuel distribution plate, 33 ... Fuel discharge port, 34 ... Gap, 35 ... Fuel injection port, 36 ... Flow path.

Claims (6)

燃料の供給により発電する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体が発電した電力により充電される蓄電素子と、
前記燃料電池本体の発電時に発生する熱が前記蓄電素子に伝達される状態で、前記燃料電池本体および前記蓄電素子を収納する筐体と、
を具備することを特徴とする燃料電池。
A fuel cell body that generates electricity by supplying fuel; and
A storage element charged by the power generated by the fuel cell body; and
In a state where heat generated during power generation of the fuel cell main body is transmitted to the power storage element, a housing that houses the fuel cell main body and the power storage element;
A fuel cell comprising:
前記燃料電池本体で発生する熱を前記蓄電素子へ伝達する熱伝導体をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, further comprising a heat conductor that transfers heat generated in the fuel cell main body to the power storage element. 前記燃料電池本体および前記蓄電素子は、それぞれ少なくとも1箇所の平面部を有し、前記燃料電池本体の少なくとも1箇所の平面部および前記蓄電素子の少なくとも1箇所の平面部が互いに対向もしくは接触した状態で前記筺体内に収納されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池。   Each of the fuel cell main body and the power storage element has at least one flat portion, and at least one flat portion of the fuel cell main body and at least one flat portion of the power storage element face or contact each other. The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the fuel cell is housed in the housing. 前記燃料電池本体および前記蓄電素子は、それぞれ直方体形であり、この直方体形を構成する前記燃料電池本体の下面および前記蓄電素子の上面が互いに対向もしくは接触した状態で前記筺体内に収納されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池。   Each of the fuel cell main body and the electricity storage element has a rectangular parallelepiped shape, and the lower surface of the fuel cell main body and the upper surface of the electricity storage element constituting the rectangular parallelepiped shape are accommodated in the casing so as to face or contact each other. The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein 前記燃料電池本体および前記蓄電素子は、前記燃料電池本体と前記蓄電素子との距離が5mm以下で、かつ、前記燃料電池本体の前記蓄電素子と対向もしくは接触する面積が、前記燃料電池本体の全表面積の15%以上となるように前記筺体内に収納されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell main body and the power storage element have a distance of 5 mm or less between the fuel cell main body and the power storage element, and the area of the fuel cell main body facing or contacting the power storage element is the entire area of the fuel cell main body. The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell is housed in the casing so as to have a surface area of 15% or more. 前記蓄電素子は、リチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the power storage element is a lithium ion secondary battery.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014132712A1 (en) * 2013-02-26 2014-09-04 株式会社村田製作所 Liquid reservoir and liquid feeding device
JP2015125809A (en) * 2013-12-25 2015-07-06 京セラ株式会社 Fuel cell device

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