JP2004362966A

JP2004362966A - Fuel cell and fuel supply method

Info

Publication number: JP2004362966A
Application number: JP2003160727A
Authority: JP
Inventors: Chiaki Kanai; 千明金井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2004-12-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell and a fuel supply method capable of miniaturizing a fuel cell device, even for a reforming type fuel cell wherein hydrogen required for power generating reaction is taken out from fuel fluid containing hydrogen. <P>SOLUTION: A second electrolyte membrane is held between a fuel side collector and a reforming side collector, and a voltage is applied between the fuel side collector and the reforming side collector, to take out hydrogen from fuel fluid making contact with the fuel side collector. Hydrogen taken out is supplied to the hydrogen electrode collector of a power generating element formed by holding the electrolyte membrane between an oxygen electrode collector and the hydrogen electrode collector, and power is generated by reaction of the hydrogen to the oxygen supplied to the oxygen pole collector. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池および燃料電池への燃料供給方法に関し、特に燃料としてメタノール水溶液を用いる燃料電池および燃料電池への燃料供給方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料と酸素（酸化剤ガス）を電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として近年注目されており、例えば自動車を駆動するための駆動電源や家庭用コジェネレーションシステムとして使用する試みが行われている。
【０００３】
さらに、上述の自動車駆動用の駆動電源等に止まらず、例えばノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔ）などの携帯型電子機器の駆動電源としての燃料電池の開発も活発に行われている。このような燃料電池においては、所要の電力を安定して出力できるとともに、携帯可能なサイズ及び重量とされることが重要となり、このような要求に対応するべく各種技術開発が盛んに行われている。
【０００４】
従来から提案されている燃料電池の構成を図４に示す。水素を燃料とする燃料電池は、水素極側集電体１と酸素極側集電体２とで電解質膜３を挟み込み、水素極側集電体１に水素が供給され、酸素極側集電体２に酸素が供給される。水素極側集電体１に供給された水素は水素極側集電体１と電解質膜３の境界に形成されている触媒層４の働きによりプロトンになり、電解質膜３を通って酸素極側集電体２と電解質膜３の境界に形成されている触媒層５に到達する。触媒層５に到達したプロトンは触媒層５の働きで酸素と結合し水を生成する。水素がプロトンになるときに放出した電子は電流として外部に取り出されて電力エネルギーとして使われることになる。
【０００５】
燃料として水素を含有する液体燃料を用いる燃料電池も提案されており、その一つとしてメタノールを水素に改質せずに燃料として直接用いるダイレクトメタノール型の燃料電池（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＤＭＦＣ）も提案されている。ダイレクトメタノール型の燃料電池では、アノード側でＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ^―の如き反応がおき、カソード側で３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ^―→３Ｈ_２Ｏの如き反応がおきていると考えられる。アノード側で発生したプロトン（Ｈ^＋）が電解質によってカソード側に伝達され、全体としてＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏの反応が起きて発電とともに水と二酸化炭素が生成される。
【０００６】
また、メタノールなどの水素を含有する液体燃料から改質器で水素を取り出し、得られた水素を利用する、燃料改質型の燃料電池も提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
水素を燃料として用いる燃料電池では、高圧のタンクや水素吸蔵体に水素を蓄えることが必要である。しかし、高圧水素タンクは圧力に耐える材質や構造を必要とするためタンク本体の体積や重量が増加してしまい、燃料電池装置の小型化が困難なものとなる。また、水素吸蔵体は水素の吸蔵率が低いため、所定量異常の水素を貯蔵しようとした場合には燃料電池装置の小型化が困難になる。そのため、燃料の体積と発電電力量との関係から、水素を燃料とするタイプの実用化阻害要因となっている。
【０００８】
ダイレクトメタノール型の燃料電池では、発電体に直接燃料を供給するため構造が簡単であり、小型かつ軽量に作ることができるが、起電力が小さいことや、メタノールの反応で有害な不要物質が発生するなどの問題がある。
【０００９】
改質型では、燃料流体から水素を取り出す段階で改質器を高温状態に保持することが必要であり、過熱機構や保温機構を備えることで燃料電池システムの規模が大きくなり小型化が困難である。
【００１０】
したがって本願発明は、水素を含んだ燃料流体から発電反応に必要な水素を取り出す改質型の燃料電池においても、燃料電池装置の小型化を図ることが可能な燃料電池および燃料供給方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の燃料電池は、酸素極集電体と水素極集電体とで電解質膜を挟み込み、前記酸素極集電体に供給された酸素と前記水素極集電体に供給された水素との反応によって発電を行う発電部と、燃料側集電体と改質側集電体とで第二の電解質膜を挟み込み、前記燃料側集電体と前記改質側集電体との間に電圧を加えて、前記燃料側集電体に接触する燃料流体から水素を取り出して前記発電部の前記水素極集電体に供給する燃料改質部とを有することを特徴とする。
【００１２】
集電体で電解質膜を挟み込んだ構造を燃料改質部として用い、集電体間に電圧を加えて水素を取り出すことにより、燃料流体から水素を取り出すために温度を高くする必要が無くなり、加熱機構や保温機構を設けなくてよいために燃料電池装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１３】
また、燃料改質部の改質側集電体と発電部の水素極集電体とを一体に形成することで、さらに燃料電池の小型化を図ることが可能となる。さらに、発電部での発電による起電力を用いて燃料改質部の燃料側集電体と改質側集電体との間に電圧を加えることで、燃料改質部での水素取り出しに用いる電源を別途備える必要がなく、さらに燃料電池の小型化を図ることが可能となる。
【００１４】
発電部と燃料改質部とを重ね合わせて燃料電池を形成しても、燃料電池の小型化を図ることができる。燃料流体としてメタノールを含む水溶液を用いることで、燃料改質部の温度が比較的低温であっても、水素を取り出して発電部に供給することが可能となる。
【００１５】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池への燃料供給方法は、燃料側集電体と改質側集電体で第二の電解質膜を挟み込み、前記燃料側集電体に水素を含んだ燃料流体を接触させて、前記燃料側集電体と前記改質側集電体との間に電圧を加えて、前記改質側集電体側に水素を取り出し、発電部の燃料極側に前記水素を供給することを特徴とする。
【００１６】
集電体で電解質膜を挟み込んだ構造を燃料改質部として用い、集電体間に電圧を加えて水素を取り出すことにより、燃料流体から水素を取り出すために温度を高くする必要が無くなり、加熱機構や保温機構を設けなくてよいために燃料電池装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明を適用した燃料電池および燃料供給方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。本実施の形態の燃料電池は、水素を含む流体として反応性の高いＯＨ基を持つメタノール水溶液を燃料として用いる例を示して説明を行うが、水素を含んだ流体であればメタノール水溶液に限らない。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態である燃料電池の構造を示した断面図である。燃料電池１０は、酸素極側集電体として機能する集電体１１と、第一の電解質膜としてプロトンの伝導を行うプロトン伝導膜１２と、水素極側集電体および改質側集電体として機能する集電体１３と、第二の電解質膜としてプロトンの伝導を行うプロトン伝導膜１４と、燃料側集電体として機能する集電体１５とが積層された構造を有している。
【００１９】
集電体１１，１３，１５は、液体や気体を浸透させる流体透過性と導電性を有する電極材であり、金属材料や多孔質な炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。プロトン伝導膜１２，１４は、常温で高いプロトン（Ｈ^＋）伝導性、耐酸化性、耐熱性を示す材質で形成された高分子膜であり、例えば、パーフルオロスルホン酸膜、ナフィオン膜（フッ素樹脂系）等を用いることができる。
【００２０】
集電体１１のプロトン伝導膜１２と接触する面には触媒層１６が形成され、集電体１３のプロトン伝導膜１２と接触する面には触媒層１７が形成されている。また、集電体１３のプロトン伝導膜１４と接触する面には触媒層１８が形成され、集電体１５のプロトン伝導膜１４と接触する面には触媒層１９が形成されている。触媒層１６，１７，１８，１９は、例えば、白金、白金・ルテニウム、或いはカーボン粉に白金等を担持させたもの、その他の触媒を用いることができる。
【００２１】
また、図１に示したように、集電体１１，１３，１５にはそれぞれ電極端子２０，２１，２２が取り付けられており、集電体１１，１３，１５への電圧の印加や電流の取り出しを行うことが可能となっている。
【００２２】
図１に示した燃料電池１０では、集電体１１，１３でプロトン伝導膜１２を挟み込んだ構造の部分が、水素と酸素の反応によって発電を行う発電部２３を構成している。また、集電体１３，１５でプロトン伝導膜１４を挟み込んだ構造の部分が、水素を含んだ燃料流体から水素を取り出す燃料改質部２４を構成している。
【００２３】
図１に示した構成を有する燃料電池１０では、例えば次のようにして発電が行われる。燃料流体であるメタノール水溶液が集電体１５に供給され、酸化剤の空気が集電体１１に供給される。集電体１５に供給されたメタノール水溶液は、集電体１５の内部の多孔質構造を浸透していくうちに触媒層１９で炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）に分解される。電極端子２１と電極端子２２の間にバイアス電圧を印加することにより、分解された水素はプロトン（Ｈ^＋）としてプロトン伝導膜１４内部をバイアス電圧の電位差に応じて集電体１３側に伝導していき、集電体１３側に到達した時点で水素（Ｈ_２）となる。このように、燃料改質部２４では、メタノール水蒸気改質反応として知られる（ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２）の如き反応が起こり、メタノール水溶液から水素を取り出すことができる。
【００２４】
水素（Ｈ_２）が集電体１３に送られてくると、プロトン伝導膜１２に隣接する触媒層１７に水素（Ｈ_２）が接触して電子（ｅ⁻）が飛び出し、プロトン（Ｈ^＋）が発生する（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）。このプロトン（Ｈ^＋）がプロトン伝導膜１２中を伝導して集電体１１側に移動する。集電体１１側では、送られてきた空気中の酸素が触媒層１６でプロトン（Ｈ^＋）及び仕事を終えて戻ってきた電子（ｅ⁻）と反応して水になる（Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ）。したがって、燃料電池１０は、電極端子２０と電極端子２１との間には起電力が発生して、両端子を外部回路に接続することで外部回路に対して電流を供給する電池として機能する。
【００２５】
燃料改質部２４で燃料流体から水素を取り出して発電部２３での発電に用いることにより、燃料電池１０に対して水素を直接供給する場合に必要とされる水素貯蔵手段を設けず、燃料流体の流体貯蔵手段を設けることで発電に必要な燃料を供給することが可能となる。水素貯蔵手段は、圧縮した水素ガスを圧縮ボンベに貯蔵する方法や水素吸蔵合金に水素を吸着させる方法があるが、流体貯蔵手段は圧縮ボンベや水素吸蔵合金よりも小型軽量のものを持ちいることができ，燃料電池全体の小型化と軽量化を図ることが可能となる。
【００２６】
また、集電体１３，１５でプロトン伝導膜１４を挟み込んだ構造を燃料改質部２４として用い、集電体１３，１５間にバイアス電圧を加えて水素を取り出すことにより、燃料流体であるメタノールから水素を取り出すために温度を高くする必要が無くなり、加熱機構や保温機構を設けなくてよいために燃料電池装置の小型化を図ることが可能となる。
【００２７】
図１では、燃料改質部２４が水素を取り出す改質側集電体と、発電部２３の水素が供給される水素極側集電体とが集電体１３として一体に形成されている例を示したが、それぞれ改質側集電体と水素極側集電体として二枚の異なる集電体として形成してもよい。しかし、改質側集電体と水素極側集電体とを一体として形成し、発電部２３と燃料改質部２４とを重ね合わせた構造に燃料電池を形成することにより、燃料電池１０の小型軽量化を図ることが可能となる。
【００２８】
発電部２３での発電によって生じた起電力の一部を用いて、燃料改質部２４にバイアス電圧を加えるとしてもよい。この場合、燃料改質部２４に対してバイアス電圧を加えるためだけに用いられる電源を別途用意する必要がなくなるため、部品点数を削減して燃料電池の小型軽量化を図ることが可能となる。
【００２９】
燃料電池１０をパッケージ化した例を図２に示す。燃料電池１０の周囲は筐体２５によって囲まれており、燃料流体や水素、酸素が外部に漏洩しない構造となっている。また、プロトン伝導膜１２，１４および集電体１１，１３，１５の周囲には気体の漏洩を防止するシール部材２６を配置し、各部材間の周囲では液体や気体が移動せず、プロトン伝導膜１２，１４および集電体１３の内部を浸透して気体が移動する。
【００３０】
シール部材２６は、燃料流体であるメタノール水溶液に対する耐腐食性を有する材質で形成することが好ましい。図２では省略しているが、集電体１１，１３，１５にはそれぞれ電極端子が形成されて筐体２５の外部に引き出されており、図１に示したように集電体１１，１３の間に生じた起電力を外部に出力することができ、集電体１３，１５の間にバイアス電圧を印加してメタノールから水素の取り出しを行うことが可能となっている。
【００３１】
また、筐体２５の集電体１１側には、外部から酸素を含んだ空気を供給するための酸素供給口２７が形成されており、集電体１１に対して酸素の供給が可能となっている。また、筐体２５の集電体１５側には、外部から水素を含んだ燃料流体としてメタノール水溶液を供給するための燃料供給口２８が形成されており、集電体１５に対してメタノール水溶液の供給が可能となっている。
【００３２】
燃料電池パッケージを搭載した電子機器では、メタノール水溶液を貯蔵した容器を流体配管等で燃料供給口２８に接続し、外部から酸素を含んだ空気を酸素供給口２７に供給する。これにより、燃料改質部２４に加えられるバイアス電圧によってメタノール水溶液から水素が取り出され、発電部２３での水素と酸素の反応によって発電が行われる。
【００３３】
燃料電池１０を図２に示した例のようにパッケージ化することによって、燃料電池パッケージの取り扱いが容易になり、電子機器等に燃料電池パッケージを搭載することが容易になる。
【００３４】
燃料電池のパッケージ化である他の例として、燃料電池１０を積層したスタックセル構造を図３に示す。この例では、図１と同様の構成である集電体３１と、プロトン伝導膜３２と、集電体３３と、プロトン伝導膜３４と、集電体３５とが積層された構造の燃料電池３０を２層有している。二つの燃料電池３０は、集電体３１同士が一定の間隔を確保して対向するように配置されている。
【００３５】
燃料電池３０の周囲は筐体４５によって囲まれており、燃料流体や水素、酸素が外部に漏洩しない構造となっている。また、プロトン伝導膜３２，３４および集電体３１，３３，３５の周囲には気体の漏洩を防止するシール部材４６を配置し、各部材間の周囲では液体や気体が移動せず、プロトン伝導膜３２，３４および集電体３３の内部を浸透して気体が移動する。
【００３６】
シール部材４６は、燃料流体であるメタノール水溶液に対する耐腐食性を有する材質で形成することが好ましい。図３では省略しているが、集電体３１，３３，３５にはそれぞれ電極端子が形成されて筐体４５の外部に引き出されており、図１に示したように集電体３１，３３の間に生じた起電力を外部に出力することができ、集電体３３，３５の間にバイアス電圧を印加してメタノールから水素の取り出しを行うことが可能となっている。
【００３７】
また、筐体４５の集電体３１側には、外部から酸素を含んだ空気を供給するための酸素供給口４７が形成されており、二つの燃料電池３０の集電体３１に対して酸素の供給が可能となっている。また、筐体４５の二つの燃料電池３０の集電体３５側には、外部から水素を含んだ燃料流体としてメタノール水溶液を供給するための燃料供給口４８がそれぞれ形成されており、集電体３５に対してメタノール水溶液の供給が可能となっている。
【００３８】
燃料電池パッケージを搭載した電子機器では、メタノール水溶液を貯蔵した容器を流体配管等で燃料供給口４８に接続し、外部から酸素を含んだ空気を酸素供給口４７に供給する。これにより、燃料改質部に加えられるバイアス電圧によってメタノール水溶液から水素が取り出され、発電部での水素と酸素の反応によって発電が行われる。
【００３９】
図３では、二つの燃料電池３０が積層された例を示しているが、図１に示した構造を有する燃料電池の層数は何層であってもよい。また、筐体に形成された燃料供給口や酸素供給口を一つにして、筐体内部に燃料流路や酸素流路を形成して各層の集電体に燃料や酸素を供給する構成としても良い。燃料電池をスタックセル構造として積層することにより、発電部同士が電気的に直列に接続されるため、全体での出力電圧を大きくすることができる。
【００４０】
燃料電池３０を図３に示した例のようにパッケージ化することによって、燃料電池パッケージの取り扱いが容易になり、電子機器等に燃料電池パッケージを搭載することが容易になる。
【００４１】
【発明の効果】
集電体で電解質膜を挟み込んだ構造を燃料改質部として用い、集電体間に電圧を加えて水素を取り出すことにより、燃料流体から水素を取り出すために温度を高くする必要が無くなり、加熱機構や保温機構を設けなくてよいために燃料電池装置の小型化を図ることが可能となる。
【００４２】
また、燃料改質部の改質側集電体と発電部の水素極集電体とを一体に形成することで、さらに燃料電池の小型化を図ることが可能となる。さらに、発電部での発電による起電力を用いて燃料改質部の燃料側集電体と改質側集電体との間に電圧を加えることで、燃料改質部での水素取り出しに用いる電源を別途備える必要がなく、さらに燃料電池の小型化を図ることが可能となる。
【００４３】
発電部と燃料改質部とを重ね合わせて燃料電池を形成しても、燃料電池の小型化を図ることができる。メタノールは反応性の高いＯＨ基を有しているので、燃料流体としてメタノールを含む水溶液を用いることで、燃料改質部の温度が比較的低温であっても、水素を取り出して発電部に供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素を含んだ燃料流体から水素を取り出して発電に用いる燃料電池の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の燃料電池をパッケージ化した一例を示す断面図である。
【図３】本発明の燃料電池をパッケージ化した他の例であるスタックセル構造を示す断面図である。
【図４】従来の水素を燃料とした燃料電池の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１水素極側集電体
２酸素極側集電体
３電解質膜
４，５触媒層
１０，３０燃料電池
１１，１３，１５，３１，３３，３５集電体
１２，１４，３２，３４プロトン伝導膜
１６，１７，１８，１９触媒層
２０，２１，２２電極端子
２３発電部
２４燃料改質部
２５筐体
２６シール部材
２７酸素供給口
２８燃料供給口[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell and a method for supplying fuel to the fuel cell, and more particularly to a fuel cell using an aqueous methanol solution as fuel and a method for supplying fuel to the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a power generation element that generates power by electrochemically reacting fuel with oxygen (oxidant gas). Fuel cells have attracted attention in recent years as power generation elements that do not pollute the environment because the product generated by power generation is water, and are used, for example, as a drive power source for driving automobiles and as a home cogeneration system. Attempts have been made to do so.
[0003]
In addition, the development of fuel cells as drive power sources for portable electronic devices such as notebook personal computers, mobile phones, and PDAs (Personal Digital Assistants) is being actively pursued. I have. In such a fuel cell, it is important to be able to stably output required electric power and to have a portable size and weight, and various technologies have been actively developed to meet such demands. I have.
[0004]
FIG. 4 shows a configuration of a conventionally proposed fuel cell. In the fuel cell using hydrogen as a fuel, the electrolyte membrane 3 is sandwiched between the hydrogen electrode side current collector 1 and the oxygen electrode side current collector 2, and hydrogen is supplied to the hydrogen electrode side current collector 1, and the oxygen electrode side current collection is performed. The body 2 is supplied with oxygen. The hydrogen supplied to the hydrogen electrode side current collector 1 becomes a proton by the action of the catalyst layer 4 formed at the boundary between the hydrogen electrode side current collector 1 and the electrolyte membrane 3, and passes through the electrolyte membrane 3 to become the proton. It reaches the catalyst layer 5 formed at the boundary between the current collector 2 and the electrolyte membrane 3. The protons that have reached the catalyst layer 5 combine with oxygen by the action of the catalyst layer 5 to generate water. The electrons emitted when hydrogen becomes protons are taken out as current and used as power energy.
[0005]
A fuel cell using a liquid fuel containing hydrogen as a fuel has also been proposed, and one of them is a direct methanol fuel cell (DMFC) that directly uses methanol as fuel without reforming it into hydrogen. Proposed. In a direct methanol fuel cell, a reaction such as CH ₃ OH + H ₂ O → CO ₂ + 6H ⁺ + 6e ⁻ occurs on the anode side, and a reaction such as 3 / 2O ₂ + 6H ⁺ + 6e ⁻ → 3H ₂ O occurs on the cathode side. It is thought that there is. Protons (H ⁺ ) generated on the anode side are transmitted to the cathode side by the electrolyte, and a reaction of CH ₃ OH + 3 / 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O occurs as a whole, and water and carbon dioxide are generated together with power generation.
[0006]
Further, a fuel reforming type fuel cell that extracts hydrogen from a liquid fuel containing hydrogen such as methanol by a reformer and uses the obtained hydrogen has also been proposed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In a fuel cell using hydrogen as a fuel, it is necessary to store hydrogen in a high-pressure tank or a hydrogen storage. However, the high-pressure hydrogen tank requires a material and a structure that can withstand the pressure, so that the volume and weight of the tank main body increase, and it is difficult to reduce the size of the fuel cell device. Further, since the hydrogen storage element has a low hydrogen storage rate, it is difficult to reduce the size of the fuel cell device when storing a predetermined amount of abnormal hydrogen. Therefore, the relationship between the volume of fuel and the amount of generated power is a factor inhibiting the practical use of the type using hydrogen as fuel.
[0008]
Direct methanol fuel cells have a simple structure and can be made small and light because fuel is supplied directly to the power generator.However, the electromotive force is small and harmful unnecessary substances are generated by the methanol reaction. Problem.
[0009]
In the reforming type, it is necessary to keep the reformer at a high temperature at the stage of extracting hydrogen from the fuel fluid, and the provision of an overheating mechanism and a heat retention mechanism increases the scale of the fuel cell system, making it difficult to reduce the size. is there.
[0010]
Therefore, the present invention provides a fuel cell and a fuel supply method capable of reducing the size of a fuel cell device even in a reforming fuel cell for extracting hydrogen required for power generation reaction from a fuel fluid containing hydrogen. That is the task.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a fuel cell according to the present invention includes an oxygen electrode current collector and a hydrogen electrode current collector, wherein an electrolyte membrane is sandwiched between the oxygen electrode current collector and the hydrogen electrode current collector. A power generation unit for generating power by reaction with hydrogen supplied to the fuel cell, a fuel-side current collector and a reforming-side current collector sandwiching a second electrolyte membrane between the fuel-side current collector and the reforming-side current collector. A fuel reforming unit that applies a voltage between the power collector and the fuel electrode, extracts hydrogen from the fuel fluid that contacts the fuel-side current collector, and supplies the hydrogen to the hydrogen electrode current collector of the power generation unit. And
[0012]
By using a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between current collectors as a fuel reformer and applying a voltage between the current collectors to extract hydrogen, there is no need to raise the temperature to extract hydrogen from the fuel fluid, and heating is performed. Since there is no need to provide a mechanism or a heat retaining mechanism, the size of the fuel cell device can be reduced.
[0013]
In addition, by integrally forming the reforming-side current collector of the fuel reforming unit and the hydrogen electrode current collector of the power generation unit, it is possible to further reduce the size of the fuel cell. Further, by using an electromotive force generated by the power generation unit to apply a voltage between the fuel-side current collector and the reforming-side current collector of the fuel reforming unit, the voltage is used for extracting hydrogen in the fuel reforming unit. There is no need to separately provide a power supply, and the size of the fuel cell can be further reduced.
[0014]
Even if the fuel cell is formed by overlapping the power generation unit and the fuel reforming unit, the size of the fuel cell can be reduced. By using an aqueous solution containing methanol as the fuel fluid, it is possible to extract hydrogen and supply it to the power generation unit even when the temperature of the fuel reforming unit is relatively low.
[0015]
In order to solve the above-mentioned problem, a method for supplying fuel to a fuel cell according to the present invention includes a method in which a second electrolyte membrane is sandwiched between a fuel-side current collector and a reforming-side current collector, and hydrogen is supplied to the fuel-side current collector. And applying a voltage between the fuel-side current collector and the reforming-side current collector to extract hydrogen from the reforming-side current collector, The hydrogen is supplied to the side.
[0016]
By using a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between current collectors as a fuel reformer and applying a voltage between the current collectors to extract hydrogen, there is no need to raise the temperature to extract hydrogen from the fuel fluid, and heating is performed. Since there is no need to provide a mechanism or a heat retaining mechanism, the size of the fuel cell device can be reduced.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell and a fuel supply method to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following description, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. The fuel cell according to the present embodiment will be described by using an example in which a methanol aqueous solution having a highly reactive OH group is used as a fuel as a fluid containing hydrogen, but the fuel cell is not limited to a methanol aqueous solution as long as the fluid contains hydrogen. .
[0018]
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The fuel cell 10 includes a current collector 11 functioning as an oxygen electrode-side current collector, a proton conductive film 12 that conducts protons as a first electrolyte membrane, a hydrogen electrode-side current collector, and a reforming-side current collector. , A proton conducting film 14 that conducts protons as a second electrolyte membrane, and a current collector 15 that functions as a fuel-side current collector.
[0019]
The current collectors 11, 13, and 15 are electrode materials having fluid permeability and conductivity that allow liquid or gas to permeate, and are formed using a metal material, a porous carbon material, a conductive nonwoven fabric, or the like. . The proton conductive membranes 12 and 14 are polymer membranes formed of a material exhibiting high proton (H ⁺ ) conductivity, oxidation resistance, and heat resistance at room temperature, such as a perfluorosulfonic acid membrane and a Nafion membrane (fluorine). Resin-based).
[0020]
A catalyst layer 16 is formed on a surface of the current collector 11 that contacts the proton conductive film 12, and a catalyst layer 17 is formed on a surface of the current collector 13 that contacts the proton conductive film 12. Further, a catalyst layer 18 is formed on a surface of the current collector 13 that contacts the proton conductive film 14, and a catalyst layer 19 is formed on a surface of the current collector 15 that contacts the proton conductive film 14. For the catalyst layers 16, 17, 18, and 19, for example, platinum, platinum / ruthenium, a material in which platinum or the like is supported on carbon powder, or another catalyst can be used.
[0021]
As shown in FIG. 1, the current collectors 11, 13, and 15 are provided with electrode terminals 20, 21, and 22, respectively, to apply voltage to the current collectors 11, 13, and 15, It is possible to take out.
[0022]
In the fuel cell 10 shown in FIG. 1, the portion of the structure in which the proton conducting membrane 12 is sandwiched between the current collectors 11 and 13 constitutes a power generation unit 23 that generates power by a reaction between hydrogen and oxygen. Further, a portion of the structure in which the proton conducting membrane 14 is sandwiched between the current collectors 13 and 15 constitutes a fuel reforming unit 24 that extracts hydrogen from a fuel fluid containing hydrogen.
[0023]
In the fuel cell 10 having the configuration shown in FIG. 1, power is generated, for example, as follows. An aqueous methanol solution as a fuel fluid is supplied to the current collector 15, and air of an oxidant is supplied to the current collector 11. The aqueous methanol solution supplied to the current collector 15 is decomposed into carbon (C) and hydrogen (H) in the catalyst layer 19 while permeating the porous structure inside the current collector 15. By applying a bias voltage between the electrode terminal 21 and the electrode terminal 22, the decomposed hydrogen is conducted as protons (H ⁺ ) through the inside of the proton conductive membrane 14 toward the current collector 13 in accordance with the potential difference of the bias voltage. And reaches hydrogen (H ₂ ) when it reaches the current collector 13 side. As described above, in the fuel reforming section 24, a reaction such as (CH ₃ OH + H ₂ O → 3H ₂ + CO ₂ ) known as a methanol steam reforming reaction occurs, and hydrogen can be extracted from the methanol aqueous solution.
[0024]
When the hydrogen (H ₂ ) is sent to the current collector 13, the hydrogen (H ₂ ) comes into contact with the catalyst layer 17 adjacent to the proton conductive membrane 12 and the electron (e ⁻ ) jumps out, and the proton (H ⁺ ) There occurs _{^{^{(H 2 → 2H + + 2e}}} -). The protons (H ⁺ ) travel through the proton conductive membrane 12 and move to the current collector 11 side. On the current collector 11 side, the oxygen in the sent air reacts with the protons (H ⁺ ) and the electrons (e ⁻ ) returned after completing the work in the catalyst layer 16 to become water (O ₂ + 4H ^+). + 4e ⁻ → 2H ₂ O). Accordingly, the fuel cell 10 functions as a battery that generates an electromotive force between the electrode terminal 20 and the electrode terminal 21 and supplies current to the external circuit by connecting both terminals to the external circuit.
[0025]
By extracting hydrogen from the fuel fluid in the fuel reforming unit 24 and using it for power generation in the power generation unit 23, the hydrogen storage means required when hydrogen is directly supplied to the fuel cell 10 is not provided. By providing the fluid storage means, it becomes possible to supply fuel required for power generation. Hydrogen storage means includes a method of storing compressed hydrogen gas in a compressed cylinder and a method of adsorbing hydrogen on a hydrogen storage alloy.However, the fluid storage means must be smaller and lighter than a compressed cylinder or a hydrogen storage alloy. Thus, the size and weight of the entire fuel cell can be reduced.
[0026]
Further, a structure in which the proton conductive membrane 14 is interposed between the current collectors 13 and 15 is used as the fuel reforming unit 24, and a bias voltage is applied between the current collectors 13 and 15 to extract hydrogen, thereby obtaining methanol as a fuel fluid. There is no need to raise the temperature in order to extract hydrogen from the fuel cell, and it is not necessary to provide a heating mechanism or a heat retaining mechanism, so that the size of the fuel cell device can be reduced.
[0027]
In FIG. 1, an example in which the reforming-side current collector from which the fuel reforming unit 24 extracts hydrogen and the hydrogen electrode-side current collector to which hydrogen of the power generation unit 23 is supplied are integrally formed as the current collector 13. However, two different current collectors may be formed as the reforming-side current collector and the hydrogen electrode-side current collector, respectively. However, by forming the reforming-side current collector and the hydrogen-electrode-side current collector integrally, and forming the fuel cell in a structure in which the power generation unit 23 and the fuel reforming unit 24 are overlapped, the fuel cell 10 It is possible to reduce the size and weight.
[0028]
A bias voltage may be applied to the fuel reforming unit 24 using a part of the electromotive force generated by the power generation in the power generation unit 23. In this case, it is not necessary to separately prepare a power supply used only for applying a bias voltage to the fuel reforming unit 24, so that it is possible to reduce the number of parts and reduce the size and weight of the fuel cell.
[0029]
FIG. 2 shows an example in which the fuel cell 10 is packaged. The periphery of the fuel cell 10 is surrounded by a housing 25, and has a structure in which fuel fluid, hydrogen, and oxygen do not leak outside. A seal member 26 for preventing gas leakage is arranged around the proton conductive membranes 12, 14 and the current collectors 11, 13, 15, and a liquid or gas does not move around each member. The gas permeates through the inside of the membranes 12 and 14 and the current collector 13.
[0030]
The seal member 26 is preferably formed of a material having corrosion resistance to an aqueous methanol solution as a fuel fluid. Although not shown in FIG. 2, electrode terminals are formed on the current collectors 11, 13, and 15, respectively, and are drawn out of the housing 25. As shown in FIG. Can be output to the outside, and a bias voltage can be applied between the current collectors 13 and 15 to extract hydrogen from methanol.
[0031]
An oxygen supply port 27 for supplying air containing oxygen from the outside is formed on the current collector 11 side of the housing 25, and oxygen can be supplied to the current collector 11. ing. A fuel supply port 28 for supplying an aqueous methanol solution as a fuel fluid containing hydrogen from outside is formed on the current collector 15 side of the housing 25. Supply is possible.
[0032]
In an electronic device equipped with a fuel cell package, a container storing an aqueous methanol solution is connected to a fuel supply port 28 via a fluid pipe or the like, and air containing oxygen is supplied to the oxygen supply port 27 from outside. As a result, hydrogen is extracted from the aqueous methanol solution by the bias voltage applied to the fuel reformer 24, and power is generated by the reaction between hydrogen and oxygen in the power generator 23.
[0033]
By packaging the fuel cell 10 as in the example shown in FIG. 2, handling of the fuel cell package becomes easy, and mounting of the fuel cell package in an electronic device or the like becomes easy.
[0034]
As another example of packaging a fuel cell, FIG. 3 shows a stack cell structure in which fuel cells 10 are stacked. In this example, a fuel cell 30 having a structure in which a current collector 31, a proton conductive film 32, a current collector 33, a proton conductive film 34, and a current collector 35 having the same configuration as in FIG. Has two layers. The two fuel cells 30 are arranged so that the current collectors 31 face each other with a certain interval.
[0035]
The periphery of the fuel cell 30 is surrounded by a housing 45, and has a structure in which fuel fluid, hydrogen, and oxygen do not leak outside. A seal member 46 for preventing gas leakage is disposed around the proton conductive membranes 32, 34 and the current collectors 31, 33, 35, and liquid or gas does not move around between the members. The gas permeates through the insides of the membranes 32 and 34 and the current collector 33.
[0036]
The seal member 46 is preferably formed of a material having corrosion resistance to an aqueous methanol solution as a fuel fluid. Although not shown in FIG. 3, the current collectors 31, 33, and 35 are each provided with an electrode terminal and are drawn out of the housing 45, and as shown in FIG. Can be output to the outside, and a bias voltage can be applied between the current collectors 33 and 35 to extract hydrogen from methanol.
[0037]
An oxygen supply port 47 for supplying air containing oxygen from the outside is formed on the current collector 31 side of the housing 45, and oxygen is supplied to the current collector 31 of the two fuel cells 30. Can be supplied. A fuel supply port 48 for supplying an aqueous methanol solution as a fuel fluid containing hydrogen from outside is formed on the current collector 35 side of the two fuel cells 30 of the housing 45. It is possible to supply a methanol aqueous solution to 35.
[0038]
In an electronic device equipped with a fuel cell package, a container storing an aqueous methanol solution is connected to a fuel supply port 48 via a fluid pipe or the like, and air containing oxygen is supplied to the oxygen supply port 47 from outside. Thereby, hydrogen is extracted from the aqueous methanol solution by the bias voltage applied to the fuel reforming unit, and power is generated by the reaction between hydrogen and oxygen in the power generating unit.
[0039]
FIG. 3 shows an example in which two fuel cells 30 are stacked, but the number of layers of the fuel cell having the structure shown in FIG. 1 may be any number. In addition, the fuel supply port and oxygen supply port formed in the housing are made into one, and a fuel flow path and an oxygen flow path are formed inside the housing to supply fuel and oxygen to the current collector of each layer. Is also good. By stacking the fuel cells in a stack cell structure, the power generation units are electrically connected in series, so that the overall output voltage can be increased.
[0040]
By packaging the fuel cell 30 as in the example shown in FIG. 3, the handling of the fuel cell package is facilitated, and the fuel cell package is easily mounted on an electronic device or the like.
[0041]
【The invention's effect】
By using a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between current collectors as a fuel reformer and applying a voltage between the current collectors to extract hydrogen, there is no need to raise the temperature to extract hydrogen from the fuel fluid, and heating is performed. Since there is no need to provide a mechanism or a heat retaining mechanism, the size of the fuel cell device can be reduced.
[0042]
In addition, by integrally forming the reforming-side current collector of the fuel reforming unit and the hydrogen electrode current collector of the power generation unit, it is possible to further reduce the size of the fuel cell. Further, by using an electromotive force generated by the power generation unit to apply a voltage between the fuel-side current collector and the reforming-side current collector of the fuel reforming unit, the voltage is used for extracting hydrogen in the fuel reforming unit. There is no need to separately provide a power supply, and the size of the fuel cell can be further reduced.
[0043]
Even if the fuel cell is formed by overlapping the power generation unit and the fuel reforming unit, the size of the fuel cell can be reduced. Since methanol has highly reactive OH groups, by using an aqueous solution containing methanol as a fuel fluid, hydrogen is extracted and supplied to the power generation unit even if the temperature of the fuel reforming unit is relatively low. It is possible to do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a fuel cell according to the present invention for extracting hydrogen from a fuel fluid containing hydrogen and using the hydrogen for power generation.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example in which the fuel cell of the present invention is packaged.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a stacked cell structure as another example in which the fuel cell of the present invention is packaged.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a structure of a conventional fuel cell using hydrogen as a fuel.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen electrode side current collector 2 Oxygen electrode side current collector 3 Electrolyte membrane 4,5 Catalyst layer 10,30 Fuel cell 11,13,15,31,33,35 Current collector 12,14,32,34 Proton conduction Membrane 16, 17, 18, 19 Catalyst layer 20, 21, 22 Electrode terminal 23 Power generation unit 24 Fuel reforming unit 25 Housing 26 Seal member 27 Oxygen supply port 28 Fuel supply port

Claims

酸素極集電体と水素極集電体とで電解質膜を挟み込み、前記酸素極集電体に供給された酸素と前記水素極集電体に供給された水素との反応によって発電を行う発電部と、
燃料側集電体と改質側集電体とで第二の電解質膜を挟み込み、前記燃料側集電体と前記改質側集電体との間に電圧を加えて、前記燃料側集電体に接触する燃料流体から水素を取り出して前記発電部の前記水素極集電体に供給する燃料改質部と
を有することを特徴とする燃料電池。A power generation unit that sandwiches an electrolyte membrane between an oxygen electrode current collector and a hydrogen electrode current collector, and generates power by a reaction between oxygen supplied to the oxygen electrode current collector and hydrogen supplied to the hydrogen electrode current collector When,
A second electrolyte membrane is sandwiched between the fuel-side current collector and the reforming-side current collector, and a voltage is applied between the fuel-side current collector and the reforming-side current collector to form the fuel-side current collector. A fuel reforming unit that extracts hydrogen from a fuel fluid that comes into contact with the body and supplies the hydrogen to the hydrogen electrode current collector of the power generation unit.

前記改質側集電体と前記水素極集電体とが一体形成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein the reforming-side current collector and the hydrogen electrode current collector are integrally formed.

前記発電部での発電による起電力を用いて前記燃料側集電体と前記改質側集電体との間に電圧を加えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein a voltage is applied between the fuel-side current collector and the reforming-side current collector using an electromotive force generated by the power generation unit.

前記発電部と前記燃料改質部とが、重ね合わされていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein the power generation unit and the fuel reforming unit are overlapped.

前記燃料流体がメタノールを含む水溶液であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel fluid is an aqueous solution containing methanol.

燃料側集電体と改質側集電体で第二の電解質膜を挟み込み、
前記燃料側集電体に水素を含んだ燃料流体を接触させて、
前記燃料側集電体と前記改質側集電体との間に電圧を加えて、前記改質側集電体側に水素を取り出し、
発電部の燃料極側に前記水素を供給することを特徴とする燃料電池への燃料供給方法。Sandwiching the second electrolyte membrane between the fuel-side current collector and the reforming-side current collector,
Contacting a fuel fluid containing hydrogen with the fuel-side current collector,
Applying a voltage between the fuel-side current collector and the reforming-side current collector to extract hydrogen to the reforming-side current collector side,
A method for supplying fuel to a fuel cell, wherein the hydrogen is supplied to a fuel electrode side of a power generation unit.

前記発電部での発電による起電力を用いて前記燃料側集電体と前記改質側集電体との間に電圧を加えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池への燃料供給方法。The method for supplying fuel to a fuel cell according to claim 7, wherein a voltage is applied between the fuel-side current collector and the reforming-side current collector using an electromotive force generated by the power generation unit. .

前記燃料流体としてメタノールを含む水溶液を用いることを特徴とする請求項８記載の燃料電池への燃料供給方法。9. The method for supplying fuel to a fuel cell according to claim 8, wherein an aqueous solution containing methanol is used as the fuel fluid.