JP2004288450A

JP2004288450A - Fuel cell and power supply system

Info

Publication number: JP2004288450A
Application number: JP2003078189A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Okada; 行広岡田; Junji Niikura; 順二新倉; Koji Yuasa; 浩次湯浅
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of highly controlling the utilization factor of fuel, suppressing loss of fuel caused by cross leak, and supplying fuel having uniform concentration to the whole of a catalyst layer on an anode side. <P>SOLUTION: (a) The fuel cell has a power generating part 1 comprising an anode 11 having a catalyst layer, a cathode 13 having a catalyst layer, an electrolyte 12 existing between the catalyst layer of the anode and the catalyst layer of the cathode 13 and (b) a fuel supply part 10 supplying fuel to the vicinity of the catalyst layer of the anode 11, and the fuel utilization factor R obtained by the relational expression : R(%)=(A/B) between the fuel amount A consumed in power generation and the fuel amount B supplied to the vicinity of the catalyst layer of the anode 11 is kept 50% or more. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に携帯機器に用いられる燃料電池に関し、特に、液体燃料を直接アノードに供給する燃料供給部を備える燃料電池およびその燃料電池を含む電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、携帯機器用の電源には、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池が用いられている。しかし、携帯機器の急速な普及により、さらに長時間使用することが可能な電源が求められている。
【０００３】
そこで、近年、発電部および燃料を供給する燃料供給部を備える小型化された燃料電池が、携帯機器用の電源として注目されている。一般に燃料電池の発電部は、燃料と、大気中の酸素との酸化還元反応を利用して行われる。小型の燃料電池には、燃料として、メタノールやエタノールなどの液体燃料が用いられる。これらの燃料は、直接または改質器で改質してから発電部へ供給される。燃料を直接発電部へ供給する燃料電池は、燃料を改質する工程が不要であることから、燃料供給部の重量と容積が軽減され、携帯機器に備えるには非常に好適である。
【０００４】
液体燃料を直接発電部へ供給する燃料供給部として、従来は、ポンプが用いられており、非常に細い流路内にガスを循環させることも提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。また、毛細管現象を利用して液体燃料の供給を行うものもある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特表平１０−５０７５７２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２０８４１９号公報
【特許文献３】
特開昭５９−６６０６６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１または２に記載の燃料電池のように、ポンプを用いて液体燃料をアノードの触媒層へ供給する場合、触媒層に必要以上の燃料が供給されて、余分な燃料が消費されずにカソードへ移動する、クロスリークの問題が発生する。この問題を低減するには、液体燃料を溶媒で薄める必要がある。しかし、液体燃料を溶媒で薄めた燃料溶液を、アノードと隣接して設けられた燃料流路に循環させるとき、流路の入口側と出口側とで燃料溶液の濃度が異なるという問題もある。出口側でも一定の発電を維持するためには、燃料の利用率を通常５〜１０％程度に抑える必要がある。このように燃料の利用率を抑制するには、発電に使用する量よりも多くの燃料を発電部に供給する必要があり、結局、クロスリークの問題が生じる。
【０００７】
特許文献２に記載の燃料電池のように、導入されたガスの流速を速くするために、非常に細い流路内にガスを循環させる場合、ガスを輸送するための圧力の損失が大きくなる。そこでポンプの送液力を確保するために、大きな電力のポンプを使用しなければならない。また、圧力の損失が大きくなると、燃料電池からの燃料漏れを抑制するための高度なシール技術が必要である。
【０００８】
特許文献３に記載の燃料電池のように、毛細管現象を利用して、アノードの触媒層へ液体燃料を供給する場合にも、必要以上の燃料が発電部のアノードに供給されることから、反応で消費されなかった燃料が、クロスリークによって失われる。
【０００９】
さらに、特許文献１〜３に記載の燃料電池では、燃料流路の入口側と出口側とで燃料の供給量が異なるため、発電部全体で均一な反応が行われないという問題がある。反応が不均一になると、燃料電池の負荷によっては転極などの問題が起こる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料の利用率を高く制御することを可能にするものであり、クロスリークによる燃料の損失を抑制するとともに、アノード側の触媒層全体に均一に燃料を供給することが可能な燃料電池を提供する。また、本発明は、負荷変動に対応した電力の供給が可能な燃料電池を含む電源システムを提供する。
【００１１】
すなわち、本発明は、（ａ）触媒層を有するアノード、触媒層を有するカソード、および前記アノードの触媒層とカソードの触媒層との間に介在する電解質から構成される発電部、ならびに（ｂ）前記アノードの触媒層近傍に燃料を供給する燃料供給部を有し、発電に消費された燃料量Ａと、前記アノードの触媒層近傍に供給された燃料量Ｂとの関係式：Ｒ（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００で求められる燃料利用率Ｒが、５０％以上である燃料電池に関する。前記燃料利用率Ｒは、８０％以上でもよい。燃料には、メタノールまたはエタノールなどの有機物燃料を用いることができる。
【００１２】
前記燃料供給部は、燃料を前記アノードに直接噴霧する噴射手段を有することが好ましい。前記噴射手段としては、圧電素子と燃料噴射ノズルとを備えるもの、あるいは、圧縮ガスと燃料噴射ノズルとを備えるものなどがある。
【００１３】
前記燃料供給部は、例えば液体燃料を収容する燃料容器、前記アノードと接触する、液体燃料を薄めるための貯水部、および前記燃料容器と前記貯水部とを連絡する燃料輸送部から構成される。前記燃料輸送部は、毛細管現象により、液体燃料を前記貯水部へ輸送できるものであることが好ましい。例えば、前記燃料輸送部は、液体で膨潤可能な材料から構成され、さらに、前記材料の一部を圧迫して液体燃料の輸送を制御する制御弁を備えてもよい。
【００１４】
また、別の燃料供給部は、液体燃料を収容する燃料容器、前記アノードと接触する、液体燃料を薄めるための貯水部、前記燃料容器と前記貯水部とを連絡する燃料輸送部および前記燃料容器から前記貯水部へ液体燃料を輸送するためのポンプから構成される。
【００１５】
前記貯水部は、その内部の水と液体燃料とを撹拌する撹拌手段を有してもよい。また、前記燃料供給部は、発電量に応じて前記アノードの触媒層近傍に供給する燃料量を調整する手段を有してもよい。
このように構成された燃料電池は、携帯機器用電源として用いることができる。
【００１６】
また、本発明は、燃料電池および二次電源からなる電源システムであって、前記二次電源は、電力を外部へ供給し、前記燃料電池は、前記二次電源の電力消費量に応じて前記二次電源へ電力を供給し、前記燃料電池は、（ａ）触媒層を有するアノード、触媒層を有するカソード、および前記アノードの触媒層とカソードの触媒層との間に介在する電解質から構成される発電部、ならびに（ｂ）前記アノードの触媒層近傍に燃料を供給する燃料供給部を有し、発電に消費された燃料量Ａと、前記アノードの触媒層近傍に供給された燃料量Ｂとの関係式：Ｒ（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００で求められる燃料利用率Ｒが、５０％以上である電源システムに関する。このように構成された電源システムは、携帯機器用電源システムとして用いることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の（ａ）触媒層を有するアノード、触媒層を有するカソード、および前記アノードの触媒層とカソードの触媒層との間に介在する電解質から構成される発電部、ならびに（ｂ）前記アノードの触媒層近傍に燃料を供給する燃料供給部を有する燃料電池は、発電に消費された燃料量Ａと、前記アノードの触媒層近傍に供給された燃料量Ｂとの関係式、
Ｒ（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００（１）
で求められる燃料利用率Ｒが、５０％以上である点に特徴を有する。
【００１８】
燃料電池は、燃料のエネルギー密度が高いため、携帯機器用の電源として一般に用いられるリチウムイオン電池を、エネルギー密度の点でしのぐものと期待される。ところが、燃料利用率が５０％未満の燃料電池では、リチウムイオン電池と競合することが困難になる。リチウムイオン電池に対抗しうる燃料電池を得るためには、燃料利用率を５０％以上に設定する必要がある。燃料を有効に利用してより大きなエネルギー密度を得るという観点からは、燃料利用率を８０％以上に設定することが望ましい。
【００１９】
また、アノードへの燃料の供給量は、燃料電池での発電量に応じて変化させることが望まれる。携帯機器などの機器が要求する電力は、常に一定ではないため、燃料利用率を一定以上とするためには、負荷変動に応じて燃料の供給量を調整する必要があるからである。
以下、燃料利用率を５０％以上に高めることが可能な燃料電池の実施形態について説明する。
【００２０】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の一例の概略図である。
本実施形態の燃料電池は、発電部１および燃料供給部１０からなる。発電部１は、プロトン伝導性電解質膜１２の両面に、それぞれ触媒層を含むアノード１１およびカソード１３を有している。燃料供給部１０は、燃料容器１４、噴射装置１６および導入管１５からなる。燃料容器１４は、液体燃料を原液あるいは水溶液の状態で収容する。噴射装置１６は、必要な量の燃料をアノード１１に直接噴霧する。導入管１５は、燃料容器１４から噴射装置１６へ液体燃料を供給する。液体燃料は、有機物燃料であることが好ましく、特に、メタノール、エタノールなどを用いることができる。
【００２１】
図２は、同燃料電池の噴射装置の一例を概念的に示す斜視図である。噴射装置１６のアノード１１と対向する面には、噴霧素子２１が配置されている。噴霧素子２１には、圧電素子と燃料噴射ノズルからなるものや、圧縮ガスと燃料噴射ノズルからなるものを用いることができる。圧電素子は、インクジェットプリンタなどで用いられているものと同様のものを使用することができ、電圧や周波数などを調整して、液体燃料の噴射量を容易に精度よく調節することができる。インクジェットプリンタなどに用いられる圧電素子は、非常に小型であるため、噴射装置１６の一面に複数の噴霧素子２１を形成し、各噴霧素子２１に圧電素子と燃料噴射ノズルを設けることができる。圧電素子は、液体燃料を狙ったところへ噴射することができるので、アノード１１全体に均一に燃料を供給できる。
アノード１１またはカソード１３の触媒層に、燃料や酸化剤を拡散させるためのカーボンペーパーや集電のための金属メッシュなどが接合されている場合、燃料は、カーボンペーパーや金属メッシュなどの上から触媒層へ噴射される。
【００２２】
また、圧電素子を用いずに、燃料噴射ノズルから、圧縮ガスとともに液体燃料を噴射させるようにしてもよい。圧縮ガスを用いる場合、ガス圧力や噴霧時間などで液体燃料の量を決定でき、かつ一個のノズルでも広範囲に燃料を噴霧可能である。もちろん圧縮ガスを用いる場合にも、噴霧素子２１を図２に示すように噴射装置１６の一面に複数形成し、各噴霧素子２１から圧縮ガスとともに液体燃料を噴射させてもよい。
【００２３】
上述のような燃料電池は、噴射装置１６から、アノード１１全面に燃料を均一に噴霧できるため、アノード１１全面で均一な反応を行わせることができる。また、噴射装置１６から発電に必要な量だけの燃料をアノード１１に供給可能なため、余分な燃料がアノード１１に供給されることがない。従って、電解質膜１２を余分な燃料が透過することによる、クロスリークの問題を大幅に改善することができる。また、燃料利用率を５０％以上さらには、８０％以上に達成することができるので、携帯機器用の電源として好適である。
【００２４】
圧電素子や圧縮ガスを用いた噴射装置１６は、それ自体が液体燃料の供給を停止させる弁の役割も有する。従って、発電部１に負荷がかからず燃料電池が発電を行わないときは、燃料の供給を停止できるため、燃料の損失を招くこともない。さらに、発電に必要な量だけの燃料をアノード１１に供給可能なため、燃料容器１４内の液体燃料を高濃度のまま収容してもよく、高濃度の液体燃料を直接アノード１１に噴霧したりすることができる。
【００２５】
本実施形態の燃料電池は、燃料を循環させるための流路を必要としないため、大きな電力を有するポンプを使用して、流路に燃料を循環させる必要もない。従って、圧力の損失も小さく、燃料漏れの虞れも低減される。
噴射装置１６は、噴霧素子２１の設置場所を自由に変更することができるので、設置場所を調節して、アノード１１全面に均一に燃料を供給することができる。また、逆にアノード１１の任意の場所に燃料を多く、もしくは少なく供給することもできる。このような調整により、アノード１１の一部分だけで燃料が不足することによる転極の問題を低減することができる。
【００２６】
実施の形態２
図３は、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の一例の概略図である。
本実施形態の燃料電池は、発電部１および燃料供給部２０からなる。燃料供給部２０は、燃料容器１４、貯水部３２および導入管３１からなる。燃料容器１４は、液体燃料を原液あるいは水溶液の状態で収容している。貯水部３２は、液体燃料を薄めるための水を含んでおり、アノード１１の片面と接合している。貯水部３２の接合面には、カーボンペーパーなどの拡散層が形成されており、液体燃料をアノード１１の全面に均一に浸透させている。また、有機物燃料がアノード１１で反応したときに、ＣＯ_２ガスを発生することから、貯水部３２には、発生したＣＯ_２ガスを排気する排気弁３３を設けている。導入管３１は、液体により膨潤可能な材料からなり、その内部に例えば多孔質体などを充填させることができる。液体燃料は導入管３１の毛細管現象により、燃料容器１４から貯水部３２へ輸送される。その他の構成については、図１と同様である。
【００２７】
一般に、燃料電池を携帯機器用の電源として使用する場合、エネルギー密度が高くなければならず、燃料容器１４に収容されている液体燃料は高濃度でなければならない。しかし、燃料が高濃度のままアノード１１へ供給されると、クロスリークする量が増大し、燃料利用率の制御も困難となる。
本実施形態の燃料電池では、貯水部３２とアノード１１が接合しているので、貯水部３２に収容された低濃度の燃料溶液を、アノード１１の全面に均一に供給される。すなわち、燃料容器１４は燃料を原液のまま、あるいは高濃度の燃料溶液を収容しているにもかかわらず、アノード１１に必要量の燃料を全面にわたって均一に供給される。このようにアノード１１の全面に、均一に低濃度の燃料溶液を供給することにより、クロスリークの問題を大幅に改善できる。また、燃料利用率を５０％以上、さらには８０％以上に達成することができるので、携帯機器用の電源として好適である。
【００２８】
図４は、本実施の形態にかかる別の構成を有する燃料電池の一例の概略図である。燃料供給部３０は、燃料容器１４、貯水部４２および導入管３１からなる。貯水部４２は、排気弁３３と、さらに、内部に収容された液体を撹拌する撹拌装置４３を有する。導入管３１は、液体で膨潤可能な材料からなり、さらに、前記膨潤可能な材料の一部を圧迫して液体燃料の輸送を制御する制御弁４４を備える。その他の構成については図３と同様である。
【００２９】
図４に示すような燃料電池は、制御弁４４を用いて、導入管３１に充填された多孔質体を圧迫することにより、容易に液体燃料の輸送量を調整できる。従って、燃料利用率をさらに精度よく制御することができる。また、撹拌装置４３を設けたことにより、貯水部４２内の燃料濃度を短時間で均一化することができるとともに、アノード１１に、より均一な濃度の燃料を供給することが可能となる。
【００３０】
実施の形態３
図５は、本発明の実施の形態３にかかる燃料電池の一例の概略図である。
本実施形態の燃料電池は、発電部１および燃料供給部４０からなる。燃料供給部４０は、燃料容器１４、貯水部３２、導入管５１および燃料容器１４から貯水部３２へ液体燃料を輸送するポンプ５２からなる。その他の構成については、図３と同様である。
【００３１】
図５に示す燃料電池は、ポンプ５２を利用して、燃料容器１４から貯水部３２へ液体燃料を供給している。ポンプ５２の出力は、供給電力などにより、容易に制御できるため、液体燃料の輸送量も容易に制御できる。従って、燃料利用率を極めて精度よく調整することができる。貯水部３２には、内部に収容された液体を撹拌するための撹拌装置４３を設けてもよい。
【００３２】
実施の形態４
燃料電池を機器が要求する負荷の変動に追随可能とするためには、燃料電池と二次電源とを組み合わせた電源システムを構築することが有効である。二次電源には、コンデンサ、二次電池などを用いることができる。
【００３３】
図６は、本発明の実施の形態４にかかる電源システムの一例のブロック図である。
電源システム６０は、燃料電池６１、二次電源６２およびそれらの動作を制御する電力制御回路６３からなる。燃料電池６１には、既に説明したものを限定なく用いることができるが、例えば、図１、３、４または５に示した燃料電池を用いることが好ましい。二次電源６２には、例えばリチウムイオン電池などを用いることができる。
【００３４】
図７は、本実施の形態にかかる電力制御回路の動作を説明するためのフローチャートである。ここでは、図５の燃料電池を備えた電源システムを例に取り、以下に電力制御回路６３の動作を説明する。
電力制御回路６３は、携帯電話などの外部の機器から電力の要求があると（ステップＳ１０１）、二次電源６２から電力を供給するように制御する（ステップＳ１０２）。次に、燃料電池６１の発電量を決定する（ステップＳ１０３）。燃料電池の発電量は、二次電源６２が外部の機器に供給することによって消費した電力量により決定される。
【００３５】
続いて、燃料利用率（Ｒ）を算出する式（１）に基づいて、ステップＳ１０３で決定された燃料電池６１の発電量（Ａ）から、アノード１１に供給する燃料量（Ｂ）を決定する（ステップＳ１０４）。詳しくは、燃料電池６１の発電量を式（１）のＡに代入し、予め設定されている燃料利用率を式（１）のＲに代入して、アノードに供給する燃料量であるＢを求めることができる。
ステップＳ１０４で求めた量の燃料を燃料容器１４から貯水部３２へ供給するために、ポンプ５２の供給電力を制御する（ステップＳ１０５）。要求された量の燃料が貯水部３２からアノード１１へ供給されるのを待ち（ステップＳ１０６）、全ての燃料がアノード１１に供給された後に、発電を開始して、二次電源６２へ電力を供給する（ステップＳ１０７）。
【００３６】
このような電源システムによれば、以下のような理由により、負荷変動に追随しつつ、燃料利用率を一定値以上に保つことができる。
燃料電池の燃料利用率を一定値以上に保つためには、燃料電池の負荷変動に応じて、アノードに燃料を供給する必要がある。しかし、要求された量の燃料が全てアノードに到達するまでには、一定の時間を要する。つまり、負荷変動に応じてアノードへの燃料の輸送量を変更したとしても、負荷変動のタイミングに合わせて燃料電池の発電量を変動させることができない。一方、外部から要求された電力を、まず二次電源により供給し、二次電源が消費した電力を燃料電池から供給する場合には、負荷変動のタイミングに完全にあわせて燃料電池で発電を行う必要がない。
このように構成された電源システムは、負荷変動の大きな携帯機器に特に好適である。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３８】
《実施例１》
実施の形態１に記載の燃料電池を作製した。
【００３９】
（１）発電部の作製
平均一次粒子径３０ｎｍの導電性カーボン粒子に、平均粒子径約３０Åの白金粒子を５０重量％担持したものを、カソード側の触媒担持粒子とした。また、平均一次粒子径３０ｎｍの導電性カーボン粒子に、平均粒子径約３０Åの白金粒子とルテニウム粒子とを、それぞれ２５重量％担持したものをアノード側の触媒担持粒子とした。
次に、それぞれの触媒担持粒子とプロトン伝導性電解質とを混合し、カソード側の触媒ペーストおよびアノード側の触媒ペーストを作製した。触媒ペースト中のカーボンおよびプロトン伝導性電解質の重量比は１：１に調整した。
【００４０】
プロトン伝導性電解質膜（ナフィオン１１７、デュポン社製）の両面に、それぞれカソード側の触媒ペーストおよびアノード側の触媒ペーストを印刷し、アノード側触媒層、カソード側触媒層を形成した。触媒量はアノードおよびカソードのそれぞれに対して、白金換算で２ｍｇ／ｃｍ^２とした。触媒の印刷範囲は、２ｃｍ×２ｃｍの大きさとした。さらに、アノードおよびカソードを有する膜を、拡散層となるカーボンペーパー、および集電体となる金メッシュで挟み込んだ。こうして、燃料電池の発電部を作製した。
【００４１】
（２）燃料供給部の作製
図２に示すように、アノードに均一に燃料が供給されるように、アノードと対向する筐体の片面に、燃料を吐出させる噴霧素子２１を複数形成した。筐体の他方の面には、燃料を輸送する導入管１５と通じる開口部（図示せず）を形成した。噴霧素子２１の内部には、インクジェットプリンタなどで用いられるものと同様の圧電素子（図示せず）および圧電素子に通じる燃料噴射ノズル（図示せず）を設けた。
図１に示す燃料容器１４には、メタノールと水をモル比１：１で含む燃料溶液を収容した。燃料溶液は、導入管１５を通して噴射装置１６に供給した。噴射装置１６に供給された燃料溶液は、圧電素子の圧力により、燃料噴射ノズルからアノード１１へ噴射した。一方、カソード１３へはブロワを用いて大気を送風した。
【００４２】
《実施例２》
噴霧素子２１に圧電素子を設ける代わりに、圧縮ガスを用い、一般的なスプレー方式を利用して燃料噴射ノズルから圧縮ガスとともに燃料溶液を噴射させた。その他の構成については、実施例１と同様とした。
本実施例では、圧縮ガスを用いて燃料溶液を噴射したことから、燃料溶液をさらに細かく噴射することができた。ここでは圧縮ガスを用いたが、上記と同様の噴射が可能であれば、どのような噴射装置を用いても構わない。
【００４３】
《実施例３》
実施の形態２に記載の燃料電池を作製した。発電部１は実施例１と同様に作製した。
【００４４】
図４に示すように、燃料供給部３０の燃料容器１４と貯水部４２とを、多孔質体を充填した導入管３１を用いて連絡した。上記多孔質体には、綿を用いた。導入管３１には、多孔質体の一部を圧迫して燃料の輸送を制御する制御弁４４を設けた。貯水部４２には、内部で生成するＣＯ_２ガスを排出するために、気液分離が可能なＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）膜からなる排気弁３３を設けた。さらに、アノード１１の側面と接合する貯水部４２の面には、カーボンペーパーなどの拡散層を形成した。そして、貯水部４２とアノード１１との接合部分から液漏れが生じないように、接合部分を接着材などでシールした。その他の構成については、実施例１と同様とした。
【００４５】
《実施例４》
実施の形態３に記載の燃料電池を作製した。発電部１は、実施例１と同様に作製した。
【００４６】
実施例３で用いた導入管３１の代わりに、ポンプ５２を取り付けた導入管５１を用いたこと以外、実施例３と同様に燃料電池を作製した。ポンプ５２には、流量の調整が可能なマイクロチューブポンプ（ＭＰ−１０００、東京理化器械（株）製）を用いた。
【００４７】
《比較例１》
図８に比較例１の燃料電池の概略図を示す。
実施例１で作製したのと同様の発電部１のアノード１１に、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍの流路を形成した、厚さ４ｍｍのカーボンセパレータ７１を取り付けた。カソード１３には、無数の開口部を有するカーボン板７２を取り付けた。そして、これらを締結により固定して、発電部７０を完成した。
【００４８】
燃料供給部は、燃料容器１４、導入管７３、燃料回収管７４およびマイクロチューブポンプ５２（ＭＰ−１０００、東京理化器械（株）製）を用いて作製した。燃料容器１４とカーボンセパレータ７１の燃料流路入口Ａとを、ポンプ５２を取り付けた導入管７３を用いて連絡した。また、燃料容器１４とカーボンセパレータ７１の燃料流路出口Ｂとを、燃料回収管７４を用いて連絡した。燃料容器１４には、生成したＣＯ_２ガスを排出するための気液分離が可能なＰＴＦＥ膜からなる排気弁７５を設けた。
【００４９】
まず、ポンプ５２を駆動し、燃料容器１４内の液体燃料を、導入管７３からセパレータ７１の燃料流路入口Ａに供給した。液体燃料は、セパレータ７１内の流路を通過後、セパレータ７１の燃料流路出口Ｂから排出させ、燃料回収管７４を通過させて、再び燃料容器１４に回収した。
【００５０】
《比較例２》
図９に比較例２の燃料電池の概略図を示す。発電部１は、実施例１と同様に作製した。
図９に示すように、アノード１１の全面と燃料容器１４とを、毛細管現象を起こす高分子材料からなる多孔質体を充填した導入管８１を用いて連絡した。
燃料容器１４内の液体燃料を、毛細管現象によって、アノード１１の下端部から上端部へ順次、供給した。
【００５１】
［評価］
実施例１〜４の燃料電池では、メタノールと水をモル比１：１で含む燃料溶液を用いて、発電を行うことができた。燃料の供給は、燃料利用率が５０％以上と８０％以上になるように調整して行った。その結果、いずれの燃料利用率に設定した場合でも、全ての燃料電池で、２００ｍＡ／ｃｍ^２の電流域まで、満足のいく発電が可能であった。
【００５２】
一方、比較例１、２の燃料電池では、満足のいく発電を行うことができなかった。これは、実施例１〜４の燃料電池では、アノードの触媒層近傍に供給される燃料溶液のメタノール濃度を低くできることから、クロスリークするメタノール量が小さかったのに対し、比較例１、２の燃料電池では、メタノール濃度が高いまま燃料溶液がアノードへ供給されることから、クロスリークするメタノール量が非常に大きかったためと理解できる。そのため、比較例の燃料電池の燃料利用率は非常に小さかった。
【００５３】
そこで、比較例１、２の燃料電池を用い、燃料容器１４内の燃料溶液のメタノール濃度を０．１ｍｏｌ／ｌに調整して、再度、発電を行った。
【００５４】
その結果、比較例２の燃料電池では、１０ｍＡ／ｃｍ^２までしか発電することができなかった。
一方、比較例１の燃料電池では、さらに燃料の流量が非常に大きくなるようにポンプ５２を駆動し、燃料利用率を５０％より小さくすることで、１００ｍＡ／ｃｍ^２まで発電することができた。しかし、燃料利用率を５０％以上に設定すると、２０ｍＡ／ｃｍ^２までしか発電することができなかった。
この原因として、比較例１、２の燃料電池では、燃料利用率を高めようとすると、燃料が供給されるアノード１１の入口付近と、燃料が流出される出口付近とで燃料溶液のメタノール濃度が大きく異なり、アノード１１側の触媒層に均一に燃料を供給できなくなることが考えられる。
【００５５】
以上のように、燃料利用率を高めようとすると、液体燃料が供給される入口付近と入口から最も離れた出口付近とで濃度差が大きくなり、入口から最も離れた所で燃料が不足することから、反応が不均一になって転極が起こる。このような燃料電池は、高電流密度の発電を行うことができない。一方、燃料が供給される入口付近から最も離れた所でも燃料が不足しないように、供給する燃料の濃度を高くすると、入口付近での濃度が過剰となり、クロスリークする量が大きくなる。つまり、燃料利用率の向上と転極の防止とは、トレードオフの関係にある。
【００５６】
また、比較例１の燃料電池では、燃料利用率を下げることで１００ｍＡ／ｃｍ^２まで発電が可能であったが、この場合、燃料を送り出すためのポンプ５２は、セパレータ７１にかかる圧力の損失を補うために、実施例３の燃料電池の場合よりも多くの電力を必要とする。この余分な電力は、エネルギー密度を下げる要因となるため、このような燃料電池は携帯機器などに用いるには適さない。
圧力の損失が大きい場合には、発電部７０のシール性などにも配慮する必要がある。実際、比較例１の燃料電池には、発電後に液漏れが見られた。これは、カーボンセパレータ７１内の燃料に大きな圧力がかかるため、実施例３または４の燃料電池よりも気密性を保つことが難しいためと考えられる。
【００５７】
本発明の燃料電池では、燃料利用率を高く維持するために、アノードに均一に燃料を供給することに特徴があるため、アノードに供給する燃料の種類は特に限定されない。例えば、エタノールや、その他の有機物燃料であってもよく、それらは、原液でも、いかなる濃度の水溶液であっても構わない。
【００５８】
《実施例５》
図６に示すような電源システム６０を作製した。燃料電池６１として、図５に示す燃料電池を用いた。二次電源６２には、リチウムイオン電池を用いた。また、負荷を与える機器として、携帯電話を用いた。
携帯電話を使用している間、燃料電池のポンプ５２を制御することにより、燃料利用率を８０％以上に保つことが可能であった。また、このシステムにおいて、燃料電池に収容された燃料を使い切るまでは、リチウムイオン電池の容量に大きな変動はなかった。
【００５９】
このような電源システムは、リチウムイオン電池のみからなる電源よりも、高エネルギー密度を有することから、携帯機器用電源システムとして極めて有用である。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料の利用率を高く制御することが可能であり、クロスリークによる燃料の損失を制御するとともに、アノード側の触媒層全体に均一に燃料を供給することができる。また、二次電源と本発明の燃料電池とを備えた電源システムを構成することにより、携帯機器などの負荷変動の大きな機器に対応した電力の供給を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の一例の概略図である。
【図２】同燃料電池の噴射装置の一例を概念的に示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の一例の概略図である。
【図４】実施の形態２にかかる別の構成を有する燃料電池の一例の概略図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかる燃料電池の一例の概略図である。
【図６】本発明の実施の形態４にかかる電源システムの一例のブロック図である。
【図７】同電源システムの電力制御回路の動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】比較例１にかかる燃料電池の概略図である。
【図９】比較例２にかかる燃料電池の概略図である。
【符号の説明】
１、７０発電部
１０、２０、３０、４０燃料供給部
１１アノード
１２プロトン伝導性電解質膜
１３カソード
１４燃料容器
１５、３１、５１、７３、８１導入管
１６噴射装置
２１噴霧素子
３２、４２貯水部
３３、７５排気弁
４３撹拌装置
４４制御弁
５２ポンプ
６０電源システム
７１カーボンセパレータ
７２カーボン板
７４燃料回収管[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell mainly used for a portable device, and more particularly to a fuel cell having a fuel supply unit for directly supplying a liquid fuel to an anode, and a power supply system including the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
At present, a secondary battery such as a lithium ion battery or a nickel hydride battery is used as a power supply for a portable device. However, with the rapid spread of portable devices, there is a demand for a power source that can be used for a longer time.
[0003]
Therefore, in recent years, a miniaturized fuel cell including a power generation unit and a fuel supply unit that supplies fuel has been receiving attention as a power supply for a portable device. Generally, the power generation unit of a fuel cell is performed by utilizing an oxidation-reduction reaction between fuel and oxygen in the atmosphere. Liquid fuels such as methanol and ethanol are used as fuels for small fuel cells. These fuels are supplied to the power generation unit directly or after being reformed by a reformer. Since a fuel cell that supplies fuel directly to a power generation unit does not require a step of reforming the fuel, the weight and volume of the fuel supply unit are reduced, and the fuel cell is very suitable for being provided in a portable device.
[0004]
Conventionally, a pump has been used as a fuel supply unit for directly supplying liquid fuel to the power generation unit, and it has been proposed to circulate gas in a very narrow flow path (for example, see Patent Documents 1 and 2). .). In addition, there is a type in which liquid fuel is supplied using a capillary phenomenon (for example, see Patent Document 3).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 10-507572
[Patent Document 2]
JP-A-2002-208419
[Patent Document 3]
JP-A-59-66066
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When a liquid fuel is supplied to a catalyst layer of an anode by using a pump as in the fuel cell described in Patent Document 1 or 2, excess fuel is supplied to the catalyst layer without excess fuel being consumed. The problem of cross leak, which moves to the cathode, occurs. To reduce this problem, the liquid fuel needs to be diluted with a solvent. However, when a fuel solution obtained by diluting a liquid fuel with a solvent is circulated through a fuel passage provided adjacent to the anode, there is a problem that the concentration of the fuel solution is different between the inlet side and the outlet side of the passage. In order to maintain constant power generation even on the exit side, it is necessary to suppress the fuel utilization rate to usually about 5 to 10%. In order to suppress the fuel utilization rate in this way, it is necessary to supply more fuel to the power generation unit than is used for power generation, and eventually, a cross leak problem occurs.
[0007]
As in the fuel cell described in Patent Literature 2, when a gas is circulated in a very narrow flow path in order to increase the flow rate of the introduced gas, a loss in pressure for transporting the gas increases. Therefore, in order to secure the pumping power of the pump, a pump having a large electric power must be used. In addition, when the pressure loss increases, an advanced sealing technique for suppressing fuel leakage from the fuel cell is required.
[0008]
Even when a liquid fuel is supplied to the catalyst layer of the anode by utilizing the capillary phenomenon as in the fuel cell described in Patent Document 3, an excessive amount of fuel is supplied to the anode of the power generation unit because of the reaction. Not consumed in the plant is lost due to cross leaks.
[0009]
Furthermore, in the fuel cells described in Patent Documents 1 to 3, there is a problem that a uniform reaction is not performed in the entire power generation unit because the supply amount of fuel is different between the inlet side and the outlet side of the fuel flow path. When the reaction becomes non-uniform, problems such as inversion occur depending on the load of the fuel cell.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention makes it possible to control the fuel utilization rate to a high level, suppresses fuel loss due to cross leak, and provides a fuel that can uniformly supply fuel to the entire anode-side catalyst layer. Provide batteries. Further, the present invention provides a power supply system including a fuel cell capable of supplying electric power corresponding to a load change.
[0011]
That is, the present invention provides (a) a power generation unit comprising an anode having a catalyst layer, a cathode having a catalyst layer, and an electrolyte interposed between the catalyst layer of the anode and the catalyst layer of the cathode; and (b) A relational expression between a fuel amount A consumed for power generation and a fuel amount B supplied to the vicinity of the anode catalyst layer having a fuel supply unit for supplying fuel in the vicinity of the anode catalyst layer: R (%) = (A / B) × 100 relates to a fuel cell in which the fuel utilization rate R obtained by calculation is 50% or more. The fuel utilization R may be 80% or more. As a fuel, an organic fuel such as methanol or ethanol can be used.
[0012]
It is preferable that the fuel supply unit has an injection unit that sprays fuel directly onto the anode. Examples of the injection unit include a unit including a piezoelectric element and a fuel injection nozzle, and a unit including a compressed gas and a fuel injection nozzle.
[0013]
The fuel supply unit includes, for example, a fuel container for storing liquid fuel, a water storage unit in contact with the anode for thinning the liquid fuel, and a fuel transport unit for connecting the fuel container and the water storage unit. It is preferable that the fuel transport section is capable of transporting liquid fuel to the water storage section by capillary action. For example, the fuel transport section may be made of a material that can swell with a liquid, and may further include a control valve that presses a part of the material to control the transport of the liquid fuel.
[0014]
Further, another fuel supply unit includes a fuel container containing a liquid fuel, a water storage unit for contacting the anode, and a water storage unit for thinning the liquid fuel, a fuel transport unit for connecting the fuel container to the water storage unit, and the fuel container. And a pump for transporting liquid fuel from the reservoir to the reservoir.
[0015]
The water storage section may have a stirring means for stirring water and liquid fuel in the water storage section. Further, the fuel supply unit may include a unit that adjusts an amount of fuel supplied to the vicinity of the catalyst layer of the anode in accordance with a power generation amount.
The fuel cell configured as described above can be used as a power supply for portable devices.
[0016]
Further, the present invention is a power supply system including a fuel cell and a secondary power supply, wherein the secondary power supply supplies electric power to the outside, and the fuel cell performs the power supply according to the power consumption of the secondary power supply. An electric power is supplied to a secondary power supply, and the fuel cell includes (a) an anode having a catalyst layer, a cathode having a catalyst layer, and an electrolyte interposed between the catalyst layer of the anode and the catalyst layer of the cathode. And (b) a fuel supply unit for supplying fuel near the anode catalyst layer, and a fuel amount A consumed for power generation and a fuel amount B supplied near the anode catalyst layer. The relational expression: R (%) = (A / B) × 100 relates to a power supply system in which the fuel utilization rate R obtained by calculation is 50% or more. The power supply system thus configured can be used as a power supply system for portable devices.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(A) a power generation unit comprising (a) an anode having a catalyst layer, a cathode having a catalyst layer, and an electrolyte interposed between the catalyst layer of the anode and the catalyst layer of the cathode; A fuel cell having a fuel supply unit for supplying fuel in the vicinity of the catalyst layer has a relational expression between a fuel amount A consumed for power generation and a fuel amount B supplied in the vicinity of the anode catalyst layer,
R (%) = (A / B) × 100 (1)
Is characterized in that the fuel utilization rate R determined by the above is 50% or more.
[0018]
A fuel cell has a high energy density of fuel, and thus is expected to surpass a lithium ion battery generally used as a power source for portable devices in terms of energy density. However, in a fuel cell having a fuel utilization of less than 50%, it is difficult to compete with a lithium ion battery. In order to obtain a fuel cell that can compete with a lithium ion battery, it is necessary to set the fuel utilization to 50% or more. From the viewpoint of obtaining a larger energy density by effectively using the fuel, it is desirable to set the fuel utilization to 80% or more.
[0019]
Further, it is desired that the amount of fuel supplied to the anode be changed in accordance with the amount of power generated by the fuel cell. This is because the power required by a device such as a portable device is not always constant, and therefore, it is necessary to adjust the fuel supply amount according to a load change in order to make the fuel utilization rate equal to or higher than a certain value.
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell capable of increasing the fuel utilization rate to 50% or more will be described.
[0020]
Embodiment 1
FIG. 1 is a schematic diagram of an example of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
The fuel cell according to the present embodiment includes a power generation unit 1 and a fuel supply unit 10. The power generation unit 1 has an anode 11 and a cathode 13 each including a catalyst layer on both surfaces of a proton conductive electrolyte membrane 12. The fuel supply unit 10 includes a fuel container 14, an injection device 16, and an introduction pipe 15. The fuel container 14 contains a liquid fuel in a state of a stock solution or an aqueous solution. The injection device 16 sprays a required amount of fuel directly on the anode 11. The introduction pipe 15 supplies liquid fuel from the fuel container 14 to the injection device 16. The liquid fuel is preferably an organic fuel, and particularly, methanol, ethanol and the like can be used.
[0021]
FIG. 2 is a perspective view conceptually showing an example of the fuel cell injection device. A spray element 21 is arranged on a surface of the injection device 16 facing the anode 11. As the spray element 21, an element composed of a piezoelectric element and a fuel injection nozzle or an element composed of a compressed gas and a fuel injection nozzle can be used. As the piezoelectric element, the same element as that used in an ink jet printer or the like can be used, and the injection amount of the liquid fuel can be easily and accurately adjusted by adjusting the voltage and the frequency. Since a piezoelectric element used in an ink jet printer or the like is very small, a plurality of spray elements 21 can be formed on one surface of the injection device 16 and each spray element 21 can be provided with a piezoelectric element and a fuel injection nozzle. Since the piezoelectric element can inject the liquid fuel to the target, the fuel can be uniformly supplied to the entire anode 11.
When carbon paper for diffusing fuel or oxidant or a metal mesh for current collection is bonded to the catalyst layer of the anode 11 or the cathode 13, the fuel is supplied from above the carbon paper or metal mesh. Injected into layers.
[0022]
Further, the liquid fuel may be injected together with the compressed gas from the fuel injection nozzle without using the piezoelectric element. When a compressed gas is used, the amount of liquid fuel can be determined by gas pressure, spraying time, and the like, and fuel can be sprayed over a wide range with a single nozzle. Needless to say, even when a compressed gas is used, a plurality of spray elements 21 may be formed on one surface of the injection device 16 as shown in FIG. 2, and the liquid fuel may be injected from each spray element 21 together with the compressed gas.
[0023]
In the fuel cell as described above, the fuel can be uniformly sprayed from the injector 16 to the entire surface of the anode 11, so that a uniform reaction can be performed on the entire surface of the anode 11. In addition, since only the amount of fuel required for power generation can be supplied from the injector 16 to the anode 11, no extra fuel is supplied to the anode 11. Therefore, the problem of cross leak due to the permeation of excess fuel through the electrolyte membrane 12 can be significantly reduced. Further, since the fuel utilization can be attained to 50% or more, and more preferably to 80% or more, it is suitable as a power source for portable equipment.
[0024]
The injection device 16 using the piezoelectric element or the compressed gas itself also has a role of a valve for stopping the supply of the liquid fuel. Therefore, when the load is not applied to the power generation unit 1 and the fuel cell does not generate power, the supply of fuel can be stopped, so that no fuel is lost. Furthermore, since only the amount of fuel required for power generation can be supplied to the anode 11, the liquid fuel in the fuel container 14 may be stored at a high concentration, and the high-concentration liquid fuel may be directly sprayed on the anode 11. can do.
[0025]
Since the fuel cell of the present embodiment does not require a flow path for circulating fuel, it is not necessary to use a pump having a large electric power to circulate fuel in the flow path. Therefore, pressure loss is small, and the possibility of fuel leakage is reduced.
The injection device 16 can freely change the installation location of the spray element 21, so that the installation location can be adjusted and the fuel can be uniformly supplied to the entire surface of the anode 11. Conversely, more or less fuel can be supplied to any location on the anode 11. Such adjustment can reduce the problem of reversal of polarity due to a shortage of fuel in only a part of the anode 11.
[0026]
Embodiment 2
FIG. 3 is a schematic diagram of an example of the fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.
The fuel cell according to the present embodiment includes a power generation unit 1 and a fuel supply unit 20. The fuel supply unit 20 includes a fuel container 14, a water storage unit 32, and an introduction pipe 31. The fuel container 14 contains a liquid fuel in a state of a stock solution or an aqueous solution. The water reservoir 32 contains water for diluting the liquid fuel, and is joined to one surface of the anode 11. A diffusion layer of carbon paper or the like is formed on the joint surface of the water storage section 32, and the liquid fuel is uniformly permeated throughout the anode 11. When the organic fuel reacts at the anode 11, CO 2 ₂ Since the gas is generated, the generated CO ₂ An exhaust valve 33 for exhausting gas is provided. The introduction tube 31 is made of a material that can swell with a liquid, and the inside thereof can be filled with, for example, a porous body. The liquid fuel is transported from the fuel container 14 to the water reservoir 32 by the capillary action of the introduction pipe 31. Other configurations are the same as those in FIG.
[0027]
In general, when a fuel cell is used as a power source for a portable device, the energy density must be high, and the liquid fuel contained in the fuel container 14 must have a high concentration. However, if the fuel is supplied to the anode 11 with a high concentration, the amount of cross leak increases, and it becomes difficult to control the fuel utilization rate.
In the fuel cell of the present embodiment, since the water reservoir 32 and the anode 11 are joined, the low-concentration fuel solution contained in the water reservoir 32 is uniformly supplied to the entire surface of the anode 11. That is, despite the fact that the fuel container 14 contains a raw fuel solution or a high-concentration fuel solution, the required amount of fuel is uniformly supplied to the anode 11 over the entire surface. By supplying a low-concentration fuel solution uniformly over the entire surface of the anode 11 as described above, the problem of cross leak can be significantly reduced. Further, since the fuel utilization can be attained to 50% or more, and more preferably to 80% or more, it is suitable as a power source for portable equipment.
[0028]
FIG. 4 is a schematic diagram of an example of a fuel cell having another configuration according to the present embodiment. The fuel supply unit 30 includes the fuel container 14, the water storage unit 42, and the introduction pipe 31. The water storage section 42 has an exhaust valve 33 and a stirring device 43 for stirring the liquid contained therein. The introduction pipe 31 is made of a material that can swell with a liquid, and further includes a control valve 44 that presses a part of the swellable material to control the transport of the liquid fuel. Other configurations are the same as those in FIG.
[0029]
In the fuel cell as shown in FIG. 4, the transport amount of the liquid fuel can be easily adjusted by pressing the porous body filled in the introduction pipe 31 using the control valve 44. Therefore, the fuel utilization can be controlled with higher accuracy. Further, by providing the stirring device 43, the fuel concentration in the water storage section 42 can be made uniform in a short time, and the fuel having a more uniform concentration can be supplied to the anode 11.
[0030]
Embodiment 3
FIG. 5 is a schematic diagram of an example of the fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention.
The fuel cell according to the present embodiment includes a power generation unit 1 and a fuel supply unit 40. The fuel supply unit 40 includes a fuel container 14, a water storage unit 32, an introduction pipe 51, and a pump 52 that transports liquid fuel from the fuel container 14 to the water storage unit 32. Other configurations are the same as those in FIG.
[0031]
The fuel cell shown in FIG. 5 uses a pump 52 to supply liquid fuel from the fuel container 14 to the water reservoir 32. Since the output of the pump 52 can be easily controlled by the supplied electric power or the like, the transport amount of the liquid fuel can be easily controlled. Therefore, it is possible to adjust the fuel utilization extremely accurately. The water storage unit 32 may be provided with a stirring device 43 for stirring the liquid stored therein.
[0032]
Embodiment 4
In order to enable the fuel cell to follow the fluctuation of the load required by the device, it is effective to construct a power supply system combining a fuel cell and a secondary power supply. As the secondary power source, a capacitor, a secondary battery, or the like can be used.
[0033]
FIG. 6 is a block diagram of an example of the power supply system according to the fourth embodiment of the present invention.
The power supply system 60 includes a fuel cell 61, a secondary power supply 62, and a power control circuit 63 for controlling the operation thereof. The fuel cell 61 described above can be used without limitation. For example, the fuel cell shown in FIG. 1, 3, 4, or 5 is preferably used. As the secondary power supply 62, for example, a lithium ion battery or the like can be used.
[0034]
FIG. 7 is a flowchart for explaining the operation of the power control circuit according to the present embodiment. Here, the operation of the power control circuit 63 will be described below taking a power supply system including the fuel cell of FIG. 5 as an example.
When there is a request for power from an external device such as a mobile phone (step S101), the power control circuit 63 controls to supply power from the secondary power supply 62 (step S102). Next, the power generation amount of the fuel cell 61 is determined (step S103). The amount of power generated by the fuel cell is determined by the amount of power consumed by the secondary power supply 62 supplying external devices.
[0035]
Subsequently, based on the equation (1) for calculating the fuel utilization rate (R), the fuel amount (B) to be supplied to the anode 11 is determined from the power generation amount (A) of the fuel cell 61 determined in step S103. (Step S104). More specifically, the power generation amount of the fuel cell 61 is substituted into A in Expression (1), and a preset fuel utilization rate is substituted into R in Expression (1), and the fuel amount B supplied to the anode is calculated. You can ask.
In order to supply the amount of fuel determined in step S104 from the fuel container 14 to the water storage section 32, the power supplied to the pump 52 is controlled (step S105). It waits for the requested amount of fuel to be supplied from the water reservoir 32 to the anode 11 (step S106). After all the fuel has been supplied to the anode 11, power generation is started and electric power is supplied to the secondary power supply 62. Supply (Step S107).
[0036]
According to such a power supply system, the fuel utilization can be maintained at a certain value or more while following a load change for the following reason.
In order to keep the fuel utilization of the fuel cell at or above a certain value, it is necessary to supply fuel to the anode in accordance with the load fluctuation of the fuel cell. However, it takes a certain time until all of the required amount of fuel reaches the anode. That is, even if the amount of fuel transported to the anode is changed according to the load change, the power generation amount of the fuel cell cannot be changed at the timing of the load change. On the other hand, when the power requested from the outside is first supplied from the secondary power supply, and the power consumed by the secondary power supply is supplied from the fuel cell, the fuel cell generates power completely in accordance with the load fluctuation timing. No need.
The power supply system configured as described above is particularly suitable for a portable device having a large load variation.
[0037]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[0038]
<< Example 1 >>
The fuel cell described in Embodiment 1 was manufactured.
[0039]
(1) Production of power generation unit
The catalyst-carrying particles on the cathode side were obtained by supporting 50% by weight of platinum particles having an average particle diameter of about 30 ° on conductive carbon particles having an average primary particle diameter of 30 nm. Further, 25% by weight of platinum particles and ruthenium particles each having an average particle diameter of about 30 ° supported on conductive carbon particles having an average primary particle diameter of 30 nm, respectively, were used as catalyst-carrying particles on the anode side.
Next, each of the catalyst-carrying particles and the proton-conductive electrolyte were mixed to prepare a cathode-side catalyst paste and an anode-side catalyst paste. The weight ratio of carbon and proton conductive electrolyte in the catalyst paste was adjusted to 1: 1.
[0040]
A cathode-side catalyst paste and an anode-side catalyst paste were printed on both surfaces of a proton conductive electrolyte membrane (Nafion 117, manufactured by DuPont) to form an anode-side catalyst layer and a cathode-side catalyst layer, respectively. The amount of the catalyst was 2 mg / cm in terms of platinum for each of the anode and the cathode. ² And The printing area of the catalyst was 2 cm × 2 cm. Further, a membrane having an anode and a cathode was sandwiched between carbon paper serving as a diffusion layer and gold mesh serving as a current collector. Thus, a power generation unit of the fuel cell was manufactured.
[0041]
(2) Production of fuel supply unit
As shown in FIG. 2, a plurality of spray elements 21 for discharging fuel were formed on one surface of the housing facing the anode so that the fuel was uniformly supplied to the anode. An opening (not shown) communicating with the introduction pipe 15 for transporting fuel was formed on the other surface of the housing. Inside the spray element 21, a piezoelectric element (not shown) similar to that used in an inkjet printer or the like and a fuel injection nozzle (not shown) communicating with the piezoelectric element were provided.
The fuel container 14 shown in FIG. 1 contained a fuel solution containing methanol and water at a molar ratio of 1: 1. The fuel solution was supplied to the injection device 16 through the introduction pipe 15. The fuel solution supplied to the injection device 16 was injected from the fuel injection nozzle to the anode 11 by the pressure of the piezoelectric element. On the other hand, air was sent to the cathode 13 using a blower.
[0042]
<< Example 2 >>
Instead of providing a piezoelectric element in the spray element 21, a compressed gas was used, and a fuel solution was injected together with the compressed gas from the fuel injection nozzle using a general spray method. Other configurations were the same as in the first embodiment.
In the present embodiment, since the fuel solution was injected using the compressed gas, the fuel solution could be injected more finely. Although the compressed gas is used here, any injection device may be used as long as the same injection as described above can be performed.
[0043]
<< Example 3 >>
The fuel cell described in Embodiment 2 was manufactured. The power generation unit 1 was manufactured in the same manner as in Example 1.
[0044]
As shown in FIG. 4, the fuel container 14 of the fuel supply unit 30 and the water storage unit 42 were connected by using the introduction pipe 31 filled with a porous body. Cotton was used for the porous body. The introduction pipe 31 was provided with a control valve 44 for compressing a part of the porous body to control fuel transport. CO generated in the water storage section 42 ₂ In order to discharge gas, an exhaust valve 33 made of a PTFE (polytetrafluoroethylene) membrane capable of gas-liquid separation is provided. Further, a diffusion layer made of carbon paper or the like was formed on the surface of the water storage section 42 joined to the side surface of the anode 11. Then, the joint portion was sealed with an adhesive or the like so that liquid leakage did not occur from the joint portion between the water storage portion 42 and the anode 11. Other configurations were the same as in the first embodiment.
[0045]
<< Example 4 >>
The fuel cell described in Embodiment 3 was manufactured. The power generation unit 1 was manufactured in the same manner as in Example 1.
[0046]
A fuel cell was produced in the same manner as in Example 3, except that the introduction pipe 31 to which the pump 52 was attached was used instead of the introduction pipe 31 used in Example 3. As the pump 52, a micro tube pump (MP-1000, manufactured by Tokyo Rika Kikai Co., Ltd.) capable of adjusting the flow rate was used.
[0047]
<< Comparative Example 1 >>
FIG. 8 shows a schematic diagram of the fuel cell of Comparative Example 1.
A carbon separator 71 having a thickness of 4 mm and a flow path having a width of 1 mm and a depth of 0.5 mm was attached to the anode 11 of the power generation unit 1 similar to that produced in Example 1. A carbon plate 72 having countless openings was attached to the cathode 13. And these were fixed by fastening, and the power generation part 70 was completed.
[0048]
The fuel supply unit was manufactured using the fuel container 14, the introduction pipe 73, the fuel recovery pipe 74, and the microtube pump 52 (MP-1000, manufactured by Tokyo Rikakikai Co., Ltd.). The fuel container 14 and the fuel passage inlet A of the carbon separator 71 were connected to each other using an introduction pipe 73 to which a pump 52 was attached. Further, the fuel container 14 was connected to the fuel passage outlet B of the carbon separator 71 by using a fuel recovery pipe 74. In the fuel container 14, the generated CO ₂ An exhaust valve 75 made of a PTFE membrane capable of gas-liquid separation for discharging gas is provided.
[0049]
First, the pump 52 was driven to supply the liquid fuel in the fuel container 14 from the introduction pipe 73 to the fuel channel inlet A of the separator 71. After passing through the flow path in the separator 71, the liquid fuel was discharged from the fuel flow path outlet B of the separator 71, passed through the fuel recovery pipe 74, and recovered again in the fuel container 14.
[0050]
<< Comparative Example 2 >>
FIG. 9 shows a schematic view of the fuel cell of Comparative Example 2. The power generation unit 1 was manufactured in the same manner as in Example 1.
As shown in FIG. 9, the entire surface of the anode 11 and the fuel container 14 were connected by using an introduction pipe 81 filled with a porous body made of a polymer material that causes a capillary phenomenon.
The liquid fuel in the fuel container 14 was sequentially supplied from the lower end to the upper end of the anode 11 by capillary action.
[0051]
[Evaluation]
In the fuel cells of Examples 1 to 4, power generation could be performed using a fuel solution containing methanol and water at a molar ratio of 1: 1. The supply of the fuel was adjusted so that the fuel utilization rate became 50% or more and 80% or more. As a result, no matter which fuel utilization rate was set, 200 mA / cm ² Satisfactory power generation was possible up to the current range.
[0052]
On the other hand, the fuel cells of Comparative Examples 1 and 2 could not generate satisfactory power. This is because in the fuel cells of Examples 1 to 4, the methanol concentration of the fuel solution supplied to the vicinity of the anode catalyst layer can be reduced, so that the amount of cross-leaked methanol was small. In the fuel cell, since the fuel solution is supplied to the anode while the methanol concentration is high, it can be understood that the amount of cross-leaked methanol was extremely large. Therefore, the fuel utilization of the fuel cell of the comparative example was very small.
[0053]
Thus, using the fuel cells of Comparative Examples 1 and 2, the methanol concentration of the fuel solution in the fuel container 14 was adjusted to 0.1 mol / l, and power generation was performed again.
[0054]
As a result, in the fuel cell of Comparative Example 2, 10 mA / cm ² It was only possible to generate electricity.
On the other hand, in the fuel cell of Comparative Example 1, the pump 52 was driven so that the flow rate of the fuel was further increased, and the fuel utilization rate was reduced to less than 50%, so that 100 mA / cm ² Was able to generate power. However, if the fuel utilization is set to 50% or more, 20 mA / cm ² It was only possible to generate electricity.
As a cause of this, in the fuel cells of Comparative Examples 1 and 2, when an attempt is made to increase the fuel utilization rate, the methanol concentration of the fuel solution in the vicinity of the inlet of the anode 11 to which the fuel is supplied and in the vicinity of the outlet of the fuel is reduced. It is greatly different, and it is considered that the fuel cannot be supplied uniformly to the catalyst layer on the anode 11 side.
[0055]
As described above, when trying to increase the fuel utilization rate, the concentration difference between the vicinity of the inlet where the liquid fuel is supplied and the vicinity of the outlet farthest from the inlet increases, and the fuel becomes insufficient at the farthest point from the inlet. Therefore, the reaction becomes non-uniform and inversion occurs. Such a fuel cell cannot generate power at a high current density. On the other hand, if the concentration of the supplied fuel is increased so as not to run out of fuel even at a position farthest from the vicinity of the inlet where the fuel is supplied, the concentration near the inlet becomes excessive and the amount of cross leak increases. That is, there is a trade-off between the improvement of the fuel utilization rate and the prevention of reversal.
[0056]
Further, in the fuel cell of Comparative Example 1, 100 mA / cm ² Although power generation was possible up to this point, in this case, the pump 52 for sending out the fuel requires more power than the fuel cell of the third embodiment to compensate for the loss of pressure applied to the separator 71. . Since this extra power causes a reduction in energy density, such a fuel cell is not suitable for use in portable devices and the like.
When the pressure loss is large, it is necessary to consider the sealing performance of the power generation unit 70 and the like. In fact, in the fuel cell of Comparative Example 1, liquid leakage was observed after power generation. This is probably because a large pressure is applied to the fuel in the carbon separator 71, so that it is more difficult to maintain airtightness than the fuel cell of the third or fourth embodiment.
[0057]
The fuel cell of the present invention is characterized in that the fuel is uniformly supplied to the anode in order to maintain a high fuel utilization, and the type of fuel supplied to the anode is not particularly limited. For example, ethanol or other organic fuels may be used, which may be a stock solution or an aqueous solution of any concentration.
[0058]
<< Example 5 >>
A power supply system 60 as shown in FIG. 6 was manufactured. The fuel cell shown in FIG. 5 was used as the fuel cell 61. As the secondary power supply 62, a lithium ion battery was used. In addition, a mobile phone was used as a device for applying a load.
By controlling the fuel cell pump 52 while using the mobile phone, it was possible to maintain the fuel utilization at 80% or more. Further, in this system, the capacity of the lithium ion battery did not change significantly until the fuel contained in the fuel cell was used up.
[0059]
Such a power supply system has a higher energy density than a power supply consisting only of a lithium ion battery, and thus is extremely useful as a power supply system for portable devices.
[0060]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is possible to control fuel utilization rate high, to control fuel loss by cross leak, and to supply fuel uniformly to the whole catalyst layer on the anode side. In addition, by configuring a power supply system including the secondary power supply and the fuel cell of the present invention, it is possible to supply power corresponding to a device having a large load variation such as a portable device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an example of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view conceptually showing an example of an injection device of the fuel cell.
FIG. 3 is a schematic diagram of an example of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram of an example of a fuel cell having another configuration according to the second embodiment.
FIG. 5 is a schematic diagram of an example of a fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram illustrating an example of a power supply system according to a fourth embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a flowchart illustrating an operation of a power control circuit of the power supply system.
FIG. 8 is a schematic diagram of a fuel cell according to Comparative Example 1.
FIG. 9 is a schematic diagram of a fuel cell according to Comparative Example 2.
[Explanation of symbols]
1, 70 Power generation unit
10, 20, 30, 40 Fuel supply unit
11 Anode
12. Proton conductive electrolyte membrane
13 Cathode
14 Fuel container
15, 31, 51, 73, 81 Introductory tube
16 Injection device
21 spray element
32, 42 Reservoir
33, 75 exhaust valve
43 Stirrer
44 Control valve
52 pump
60 power supply system
71 Carbon separator
72 carbon plate
74 Fuel recovery pipe

Claims

（ａ）触媒層を有するアノード、触媒層を有するカソード、および前記アノードの触媒層とカソードの触媒層との間に介在する電解質から構成される発電部、ならびに（ｂ）前記アノードの触媒層近傍に燃料を供給する燃料供給部を有し、
発電に消費された燃料量Ａと、前記アノードの触媒層近傍に供給された燃料量Ｂとの関係式：Ｒ（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００
で求められる燃料利用率Ｒが、５０％以上である燃料電池。(A) a power generation unit including an anode having a catalyst layer, a cathode having a catalyst layer, and an electrolyte interposed between the catalyst layer of the anode and the catalyst layer of the cathode; and (b) near the catalyst layer of the anode. A fuel supply unit for supplying fuel to the
Relational expression between fuel amount A consumed for power generation and fuel amount B supplied in the vicinity of the anode catalyst layer: R (%) = (A / B) × 100
The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel utilization R obtained by the above is 50% or more.

前記燃料利用率Ｒが、８０％以上である請求項１記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel utilization rate R is 80% or more.

有機物燃料を燃料として用いる請求項１記載の燃料電池。2. The fuel cell according to claim 1, wherein an organic fuel is used as the fuel.

前記有機物燃料が、メタノールまたはエタノールである請求項３記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 3, wherein the organic fuel is methanol or ethanol.

前記燃料供給部は、燃料を前記アノードに直接噴霧する噴射手段を有する請求項１記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel supply unit includes an injection unit that sprays fuel directly on the anode.

前記噴射手段は、圧電素子と燃料噴射ノズルとを備える請求項５記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 5, wherein the injection means includes a piezoelectric element and a fuel injection nozzle.

前記燃料供給部が、液体燃料を収容する燃料容器、前記アノードと接触する、液体燃料を薄めるための貯水部、および前記燃料容器と前記貯水部とを連絡する燃料輸送部から構成され、前記燃料輸送部が、毛細管現象により、液体燃料を前記貯水部へ輸送する請求項１記載の燃料電池。The fuel supply unit includes a fuel container containing a liquid fuel, a water reservoir for contacting with the anode, a water reservoir for thinning the liquid fuel, and a fuel transport unit for communicating the fuel container with the water reservoir. The fuel cell according to claim 1, wherein the transport unit transports the liquid fuel to the water storage unit by capillary action.

前記燃料輸送部が、液体で膨潤可能な材料から構成され、前記燃料輸送部は、さらに、前記材料の一部を圧迫して液体燃料の輸送を制御する制御弁を有する請求項７記載の燃料電池。The fuel according to claim 7, wherein the fuel transport unit is made of a liquid-swellable material, and the fuel transport unit further includes a control valve that presses a part of the material to control the transport of the liquid fuel. battery.

前記燃料供給部が、液体燃料を収容する燃料容器、前記アノードと接触する、液体燃料を薄めるための貯水部、前記燃料容器と前記貯水部とを連絡する燃料輸送部および前記燃料容器から前記貯水部へ液体燃料を輸送するためのポンプから構成される請求項１記載の燃料電池。A fuel container that contains a liquid fuel, a water reservoir that contacts the anode, a water reservoir for thinning the liquid fuel, a fuel transport unit that connects the fuel container to the water reservoir, and the water reservoir from the fuel container. The fuel cell according to claim 1, further comprising a pump for transporting the liquid fuel to the section.

前記貯水部が、その内部の水と液体燃料とを撹拌する撹拌手段を有する請求項７または９記載の燃料電池。10. The fuel cell according to claim 7, wherein the water storage section has a stirring means for stirring water and liquid fuel therein.

前記燃料供給部は、発電量に応じて前記アノードの触媒層近傍に供給する燃料量を調整する手段を有する請求項１記載の燃料電池。2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel supply unit has a unit that adjusts an amount of fuel supplied to the vicinity of the anode catalyst layer in accordance with an amount of power generation. 3.

携帯機器用電源として用いる請求項１記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, which is used as a power source for a portable device.

燃料電池および二次電源からなる電源システムであって、前記二次電源は、電力を外部へ供給し、前記燃料電池は、前記二次電源の電力消費量に応じて前記二次電源へ電力を供給し、
前記燃料電池は、（ａ）触媒層を有するアノード、触媒層を有するカソード、および前記アノードの触媒層とカソードの触媒層との間に介在する電解質から構成される発電部、ならびに（ｂ）前記アノードの触媒層近傍に燃料を供給する燃料供給部を有し、
発電に消費された燃料量Ａと、前記アノードの触媒層近傍に供給された燃料量Ｂとの関係式：Ｒ（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００で求められる燃料利用率Ｒが、５０％以上である電源システム。A power supply system comprising a fuel cell and a secondary power supply, wherein the secondary power supply supplies power to the outside, and the fuel cell supplies power to the secondary power supply in accordance with power consumption of the secondary power supply. Supply,
The fuel cell includes: (a) an anode having a catalyst layer, a cathode having a catalyst layer, and a power generation unit including an electrolyte interposed between the catalyst layer of the anode and the catalyst layer of the cathode; A fuel supply unit for supplying fuel near the catalyst layer of the anode,
A relational expression between the fuel amount A consumed for power generation and the fuel amount B supplied in the vicinity of the anode catalyst layer: R (%) = (A / B) × 100 The fuel utilization rate R is 50 Power system which is more than%.

携帯機器用電源システムとして用いる請求項１３記載の電源システム。The power supply system according to claim 13, which is used as a power supply system for a portable device.