JP2010086696A - Fuel cell separator - Google Patents

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Mitsugi Nakahara
貢 中原
Shinsuke Ando
慎輔 安藤
Katsunori Nishimura
勝憲 西村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To alleviate motive energy of an air supply fan necessary for securing a required air flow at power generation of a fuel cell, through restraint of pressure loss at an inlet part where fluid is guided from a manifold to a power generating area of an MEA through a separator flow channel. <P>SOLUTION: A periphery of the manifold of the separator is processed into a rugged shape, at an inlet part of the separator guiding fluid from the manifold of a stack, and on the rugged shape, an MEA is structured. The rugged structure around the manifold is equipped with an opening for fluid introduction, as a method of introducing fluid into a cell reaction part inside the separator with the use of a space between the rugged separator having the opening and the MEA. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池スタックの主要構成部材である燃料電池用セパレータに関する。   The present invention relates to a fuel cell separator that is a main component of a fuel cell stack.

次世代の電源システムとして、燃料電池が注目されている。燃料電池は、化学エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換できることから、高効率な電源システムとして期待されている。従来においては、移動体用や定置用の燃料電池として、水素を燃料とするＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）を中心に、各方面でその実用化開発が進められている。   As a next-generation power supply system, fuel cells are attracting attention. A fuel cell is expected as a highly efficient power supply system because it can directly convert chemical energy into electrical energy. Conventionally, as fuel cells for moving bodies and stationary devices, practical development has been promoted in various fields, centering on PEFC (solid polymer fuel cell) using hydrogen as a fuel.

一方、メタノールを燃料とする燃料電池であるＤＭＦＣ（ダイレクトメタノール形燃料電池）は、燃料の取り扱い性の容易さから携帯機器用燃料電池として、その実用化が望まれている。また、燃料電池の性質上、従来の二次電池を用いた電源システムとは異なって充電が不要であり、発電機として分類されることから、可搬型電源としての用途が考えられる。   On the other hand, DMFC (direct methanol fuel cell), which is a fuel cell using methanol as fuel, is desired to be put to practical use as a fuel cell for portable devices because of the ease of handling of fuel. Further, because of the nature of the fuel cell, unlike the conventional power supply system using a secondary battery, charging is not required and it is classified as a generator, so that it can be used as a portable power source.

ＤＭＦＣ電源システムは、電解質膜として機能する固体高分子膜に触媒とカーボンを調合塗布し電極部を形成した発電部分に対する燃料や空気の供給方式により、大きくパッシブ型とアクティブ型の２つに分類することができる。   The DMFC power supply system is roughly classified into two types, passive and active, depending on the fuel and air supply system for the power generation part where the electrode part is formed by blending and applying the catalyst and carbon to the solid polymer film that functions as the electrolyte membrane. be able to.

すなわち、パッシブ型ＤＭＦＣ電源システムは、発電部分であるＭＥＡ（膜電極接合体）へ燃料であるメタノール、及び酸素を含む空気をそれぞれ燃料供給ポンプや空気供給ファンなどの補機を使用しないで、自然拡散などの方法で供給するものである。燃料供給ポンプや空気供給ファンなどの補機を使用しないことから、燃料電池電源システムの小型軽量化が可能となり、携帯機器用電源として開発が進められている。   In other words, the passive DMFC power supply system uses a fuel supply pump, an air supply fan, and other auxiliary equipment such as a fuel supply pump and an air supply fan to supply MEA (membrane electrode assembly), which is a power generation part, to the fuel containing methanol and oxygen. It is supplied by a method such as diffusion. Since no auxiliary equipment such as a fuel supply pump or an air supply fan is used, the fuel cell power supply system can be reduced in size and weight, and is being developed as a power supply for portable devices.

一方、アクティブ型ＤＭＦＣ電源システムは、燃料供給ポンプや空気供給ファンなどの補機を使用してＭＥＡに強制的に燃料及び空気を供給するものである。燃料及び空気を強制的に供給することにより、ＭＥＡでの燃料や空気の拡散供給を促進することができるため、また、電池反応によって発生する二酸化炭素や反応生成水をＭＥＡ外部に排出可能であることにより、高電流領域まで安定的に発電を実現することができる。これらのことから、電源システムとして機器構成は複雑になるものの高出力の燃料電池電源システムが実現できる。   On the other hand, the active DMFC power supply system uses an auxiliary machine such as a fuel supply pump or an air supply fan to forcibly supply fuel and air to the MEA. By forcibly supplying fuel and air, diffusion supply of fuel and air in the MEA can be promoted, and carbon dioxide and reaction product water generated by the cell reaction can be discharged outside the MEA. Thus, it is possible to stably generate power up to a high current region. For these reasons, a high-power fuel cell power supply system can be realized although the equipment configuration is complicated as a power supply system.

アクティブ型ＤＭＦＣ電源システムにおいては、必要としている電力に対して単セルでは発生電力が少ないために複数のセルを積層したスタックを使用することが一般的である。   In an active DMFC power supply system, since a single cell generates less power than required power, it is common to use a stack in which a plurality of cells are stacked.

パッシブ型及びアクティブ型ＤＭＦＣ電源システムにおける電池反応は以下にて示される。   The battery response in passive and active DMFC power systems is shown below.

（アノード反応） ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
（カソード反応） ３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ
（全体反応） ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→２Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2
すなわち、ＤＭＦＣ電源システムにおいては、アノード反応では水とメタノールが必要であり、また、カソード反応においては酸素が必要となる。従い、パッシブ型及びアクティブ型ＤＭＦＣ電源システムでは、水，メタノール及び酸素を供給することで電池反応を発生させ、この電池反応により発電するものである。 (Anode reaction) CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e −
(Cathode reaction) 3/2 O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O
(Overall reaction) CH 3 OH + 3 / 2O 2 → 2H 2 O + CO 2
That is, in the DMFC power supply system, water and methanol are required for the anode reaction, and oxygen is required for the cathode reaction. Therefore, in the passive type and active type DMFC power supply systems, a battery reaction is generated by supplying water, methanol, and oxygen, and power is generated by the battery reaction.

ＤＭＦＣ発電システムにおいて、発電部分であるＭＥＡへの水及びメタノールの供給方法としては、以下のようになる。先ず、ＭＥＡに対しては燃料及び空気を独立して供給する必要がある。複数のセルを積層してスタックを構成する場合においては、燃料と空気とを分離するために燃料及び空気の流路を有するセパレータを設ける。このセパレータはカーボンや金属などの導電性材料を用いることにより、燃料や空気の流体は分離しながら複数のセルは電気的には直列接続とすることができる。   In the DMFC power generation system, the method for supplying water and methanol to the MEA as the power generation part is as follows. First, it is necessary to supply fuel and air independently to the MEA. When a stack is formed by stacking a plurality of cells, a separator having fuel and air flow paths is provided to separate the fuel and air. By using a conductive material such as carbon or metal for this separator, a plurality of cells can be electrically connected in series while separating fuel and air fluids.

セパレータ流路構造も含め、スタックに対する詳細な燃料や空気の供給方法に関しては、たとえば、特開２００５−１０８５０５号公報，特開２００７−７３１９２号公報、あるいは特開２００７−１６５２５７号公報にて記述されている。スタックに燃料及び空気を供給するために好適な方法が開示されている。これらの従来例は、燃料電池電源システムとしてＰＥＦＣ想定したものであるが、燃料種別が異なるアクティブ型ＤＭＦＣにも十分技術的に適用可能である。   A detailed method for supplying fuel and air to the stack, including the separator channel structure, is described in, for example, JP-A-2005-108505, JP-A-2007-73192, or JP-A-2007-165257. ing. A suitable method for supplying fuel and air to the stack is disclosed. These conventional examples are assumed to be PEFC as a fuel cell power supply system, but are sufficiently technically applicable to active DMFCs having different fuel types.

特開２００５−１０８５０５号公報JP 2005-108505 A 特開２００７−７３１９２号公報JP 2007-73192 A 特開２００７−１６５２５７号公報JP 2007-165257 A

燃料電池電源システムの高効率化のためには、たとえばアクティブ型ＤＭＦＣの場合には、スタックの発電効率を高める方法と電源システム内で消費される内部損失、具体的には空気や燃料をスタックに供給するための空気供給ファンや燃料供給ポンプなどの補機損失を低減することが有効である。特に、燃料電池電源システムにおいて、空気供給ファンで消費される動力は補機損失の大部分を占めている。この空気供給ファンで消費される動力は、スタックの圧力損失との関係が深い。従い、空気供給ファンで消費される動力を低減するためには、必要空気流量の条件でスタックの圧力損失、具体的にはセパレータ流路の圧力損失を低減が効果的である。   In order to improve the efficiency of the fuel cell power supply system, for example, in the case of an active DMFC, a method for increasing the power generation efficiency of the stack and internal losses consumed in the power supply system, specifically air and fuel, are added to the stack. It is effective to reduce the loss of auxiliary equipment such as an air supply fan and a fuel supply pump for supply. In particular, in the fuel cell power supply system, the power consumed by the air supply fan accounts for most of the auxiliary machine loss. The power consumed by the air supply fan is closely related to the pressure loss of the stack. Therefore, in order to reduce the power consumed by the air supply fan, it is effective to reduce the pressure loss of the stack, specifically the pressure loss of the separator flow path under the condition of the required air flow rate.

スタックは複数のセパレータとＭＥＡから構成され、スタック外部から流体を導入するための開口部であるマニホールドから各セルのセパレータ流路に燃料及び空気は供給される。このとき、複数のセパレータとＭＥＡは積み重ねられ、スタック間は所定の荷重で締結される。従い、セパレータ流路へは比較的や柔らかいＭＥＡが締結荷重により押さえ込まれ、結果的にセパレータ流路の断面積は少なくなりセパレータ圧力損失が増加する要因となっている。   The stack is composed of a plurality of separators and MEAs, and fuel and air are supplied from the manifold, which is an opening for introducing fluid from outside the stack, to the separator flow path of each cell. At this time, a plurality of separators and MEAs are stacked, and the stacks are fastened with a predetermined load. Accordingly, a relatively soft MEA is pressed into the separator channel by the fastening load, resulting in a decrease in the cross-sectional area of the separator channel and an increase in separator pressure loss.

特に、セパレータのマニホールド部分から電池反応が進行するＭＥＡとセパレータが接触している電池反応領域への流体導入のための入口部分は、他の領域よりＭＥＡ支持体が少なくなる。このため、櫛歯状にセパレータを加工してその上にＭＥＡを重ねて支持する構成が一般的である。流体は、この櫛歯状のセパレータ流路を介して、電池反応領域に導入されることになる。   In particular, the MEA support where the battery reaction proceeds from the manifold portion of the separator to the battery reaction region where the separator is in contact has a smaller number of MEA supports than the other regions. For this reason, the structure which processes a separator in a comb-tooth shape and overlaps and supports MEA on it is common. The fluid is introduced into the battery reaction region through the comb-like separator channel.

スタックのマニホールドから流体を導入するセパレータ入口部分において、櫛歯状にセパレータを加工しその上にＭＥＡを重ね、櫛歯部分とＭＥＡとの空間を利用してセパレータ内部の電池反応部分に流体を導入する方法は、簡単な構成でセパレータ内部領域に流体を導入できるため、きわめて現実的な方法である。   At the separator inlet where the fluid is introduced from the manifold of the stack, the separator is processed into a comb-like shape, and the MEA is stacked thereon, and the fluid is introduced into the battery reaction part inside the separator using the space between the comb-teeth and MEA. This method is a very realistic method because the fluid can be introduced into the inner region of the separator with a simple configuration.

しかしながら、セパレータの櫛歯部分においては、積層しているＭＥＡを支持する構造体が不連続になっているため、ＭＥＡの支持体がない部分においてはスタック締結荷重の影響により、ＭＥＡがセパレータの櫛歯部分に落ち込み流路面積を減少させてしまう。その結果、このセパレータの櫛歯部分において圧力損失の上昇をきたし、燃料電池発電時の必要空気流量を確保するために必要な空気供給ファンの動力が増加することになる。   However, since the structure supporting the stacked MEAs is discontinuous in the comb-teeth portion of the separator, the MEA is separated from the comb of the separator due to the influence of the stack fastening load in the portion where there is no MEA support. It falls into the tooth part and reduces the flow path area. As a result, the pressure loss increases at the comb-teeth portion of the separator, and the power of the air supply fan necessary to ensure the necessary air flow rate during fuel cell power generation increases.

本発明は、スタックの燃料電池用セパレータにおいて、圧力損失の上昇をきたすことがなく、燃料電池発電時の必要空気流量を確保するために必要な空気供給ファンの動力増加を抑制できる燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。   The present invention relates to a fuel cell separator in a stack, which does not cause an increase in pressure loss and can suppress an increase in power of an air supply fan necessary for securing a necessary air flow rate during fuel cell power generation. The purpose is to provide.

燃料電池電源システムの高効率化のためには、スタックの発電効率を高める方法と空気供給ファンや燃料供給ポンプなどの補機損失を低減することが効果的である。空気供給ファンの動力は、セパレータ流路の圧力損失に依存する。このため、セパレータ流路の圧力損失の増加を抑制することが必要である。   In order to increase the efficiency of the fuel cell power supply system, it is effective to increase the power generation efficiency of the stack and to reduce the loss of auxiliary equipment such as an air supply fan and a fuel supply pump. The power of the air supply fan depends on the pressure loss of the separator flow path. For this reason, it is necessary to suppress an increase in pressure loss in the separator channel.

従来は、スタックのマニホールドから流体を導入するセパレータ入口部分において、櫛歯状にセパレータを加工しその上にＭＥＡを重ね、櫛歯部分とＭＥＡとの空間を利用してセパレータ内部の電池反応部分に流体を導入する方法であり、簡単な構成でセパレータ内部領域に流体を導入できるため、きわめて現実的な方法であった。しかしながら、セパレータの櫛歯部分においては、積層しているＭＥＡを支持する構造体が不連続になっているため、ＭＥＡの支持体がない部分においてはスタック締結荷重の影響により、ＭＥＡがセパレータの櫛歯部分に落ち込み流路面積を減少させてしまう。その結果、このセパレータの櫛歯部分において圧力損失の上昇をきたし、燃料電池発電時の必要空気流量を確保するために必要な空気供給ファンの動力が増加することになる。   Conventionally, a separator is processed into a comb-like shape at the separator inlet portion where fluid is introduced from the manifold of the stack, and the MEA is overlaid thereon, and the space between the comb-teeth portion and the MEA is used as a battery reaction portion inside the separator. This is a method of introducing a fluid, and since the fluid can be introduced into the inner region of the separator with a simple configuration, it was a very realistic method. However, since the structure supporting the stacked MEAs is discontinuous in the comb-teeth portion of the separator, the MEA is separated from the comb of the separator due to the influence of the stack fastening load in the portion where there is no MEA support. It falls into the tooth part and reduces the flow path area. As a result, the pressure loss increases at the comb-teeth portion of the separator, and the power of the air supply fan necessary to ensure the necessary air flow rate during fuel cell power generation increases.

このため、スタックのマニホールドから流体を導入するセパレータ入口部分において、セパレータのマニホールド周囲を凹凸形状に加工して、その凹凸形状の上にＭＥＡを重ねる構造とした。マニホールド周囲の凹凸構造には流体導入のための開口部を有しており、開口部を有する凹凸状のセパレータとＭＥＡとの空間を利用してセパレータ内部の電池反応部分に流体を導入する方法である。   For this reason, in the separator inlet portion where the fluid is introduced from the manifold of the stack, the periphery of the separator manifold is processed into a concavo-convex shape, and the MEA is stacked on the concavo-convex shape. The concave-convex structure around the manifold has an opening for introducing a fluid. By using the space between the concave-convex separator having the opening and the MEA, the fluid is introduced into the battery reaction part inside the separator. is there.

すなわち、流体を導入するための複数の流体開口部を有する燃料電池用セパレータにおいて、該流体開口部は燃料電池反応用燃料流体，燃料電池酸化反応用流体、及び燃料電池冷却用流体をそれぞれ独立に流す構成とするとともに、全ての該流体開口部の周囲を凹凸上形状の構造体とし、該凹凸形状構造体の中間部に該流体開口部と異なる電池反応流体導入のための複数の燃料電池開口部を設け、燃料電池反応用燃料流体を他の流体と分離して流すための燃料電池開口部と、燃料電池酸化反応用流体を他の流体と分離して流すための燃料電池開口部、及び、燃料電池冷却用流体を他の流体と分離して流すための燃料電池開口部を有する燃料電池用セパレータとした。   That is, in a fuel cell separator having a plurality of fluid openings for introducing a fluid, the fluid openings independently provide fuel cell reaction fuel fluid, fuel cell oxidation reaction fluid, and fuel cell cooling fluid. And a plurality of fuel cell openings for introducing a cell reaction fluid different from the fluid opening in the middle part of the uneven structure. A fuel cell opening for separating and flowing the fuel cell reaction fuel fluid from the other fluid, a fuel cell opening for flowing the fuel cell oxidation reaction fluid separately from the other fluid, and The fuel cell separator has a fuel cell opening for separating and flowing the fuel cell cooling fluid from other fluids.

また、該流体開口部の周囲を凹凸形状の構造体とするとともに、該凹凸形状構造体の中間部に該流体開口部と異なる電池反応流体導入のための燃料電池導入用開口部を設け、該凹凸形状構造体を燃料電池反応用燃料流体，燃料電池酸化反応用流体、及び燃料電池冷却用流体をそれぞれ独立に流す構成とするためのシール機能材との組み合わせによるシール構造体とした燃料電池用セパレータとした。   In addition, the structure around the fluid opening is an uneven structure, and a fuel cell introduction opening for introducing a cell reaction fluid different from the fluid opening is provided in the middle of the uneven structure, For a fuel cell having a sealing structure by combining a concave-convex structure with a sealing functional material for independently flowing a fuel fluid for a fuel cell reaction, a fluid for a fuel cell oxidation reaction, and a fluid for cooling a fuel cell. A separator was used.

燃料電池電源システムのスタックの燃料電池用セパレータ構造に関する。スタックのマニホールドから流体を導入するセパレータ入口部分において、セパレータのマニホールド周囲を凹凸形状に加工して、その凹凸形状の上にＭＥＡを重ねる構造とした。マニホールド周囲の凹凸構造には流体導入のための開口部を有しており、開口部を有する凹凸状のセパレータとＭＥＡとの空間を利用してセパレータ内部の電池反応部分に流体を導入する方法である。この燃料電池用セパレータの構造により、セパレータとＭＥＡを積層してスタックを構成する際に、ＭＥＡを支持する構造体が連続的になっているため、ＭＥＡの支持体がない部分が解消される。その結果、スタック締結荷重の影響を受けることなくＭＥＡがセパレータの流体導入部分の流路に落ち込むことはなく、従って、流路面積を減少させてしまうこともない。その結果、マニホールドからセパレータ流路を介してＭＥＡの発電領域への流体導入する部分において、圧力損失の上昇をきたすこともなく、燃料電池発電時の必要空気流量を確保するために必要な空気供給ファンの動力増加を抑制することができる。   The present invention relates to a fuel cell separator structure of a stack of a fuel cell power supply system. In the separator inlet portion where the fluid is introduced from the manifold of the stack, the periphery of the separator manifold is processed into a concavo-convex shape, and the MEA is stacked on the concavo-convex shape. The concave-convex structure around the manifold has an opening for introducing a fluid. By using the space between the concave-convex separator having the opening and the MEA, the fluid is introduced into the battery reaction part inside the separator. is there. With this fuel cell separator structure, when the stack is formed by stacking the separator and the MEA, the structure supporting the MEA is continuous, so that the portion without the MEA support is eliminated. As a result, the MEA does not fall into the flow path of the fluid introduction portion of the separator without being affected by the stack fastening load, and therefore the flow path area is not reduced. As a result, the air supply required to ensure the necessary air flow rate during fuel cell power generation without causing an increase in pressure loss in the portion where the fluid is introduced from the manifold to the power generation region of the MEA via the separator flow path. An increase in fan power can be suppressed.

以下に本発明に係る実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。   Embodiments according to the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following embodiments.

本実施の形態に用いられるメタノールを燃料とする燃料電池では、以下に示す電気化学反応でメタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。燃料電池の電解質膜のアノード側では、供給されたメタノール水溶液すなわちメタノール及び水が、（１）式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する。   In the fuel cell using methanol as a fuel used in the present embodiment, power is generated in such a way that chemical energy possessed by methanol is directly converted into electric energy by the following electrochemical reaction. On the anode side of the electrolyte membrane of the fuel cell, the supplied aqueous methanol solution, that is, methanol and water, reacts according to the equation (1) to dissociate into carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons.

ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- …（１）
生成された水素イオンは電解質膜中をアノードからカソード側に移動し、カソード電極上で空気中から拡散してきた酸素ガスと電極上の電子と（２）式に従って反応して水を生成する。 CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
The generated hydrogen ions move in the electrolyte membrane from the anode to the cathode side, and react with oxygen gas diffused from the air on the cathode electrode and electrons on the electrode according to the formula (2) to generate water.

６Ｈ+＋３／２Ｏ2＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ …（２）
従って、発電に伴う全化学反応は（３）式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水とを生成し、化学反応式はメタノールの火炎燃焼と同じになる。 6H + + 3 / 2O 2 + 6e − → 3H 2 O (2)
Therefore, as shown in the equation (3), the total chemical reaction accompanying power generation is that methanol is oxidized by oxygen to produce carbon dioxide gas and water, and the chemical reaction equation is the same as that of methanol flame combustion.

ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→ＣＯ2＋３Ｈ2Ｏ …（３）
単位電池の開路電圧は概ね１.２Ｖであるが、燃料が電解質膜を浸透する影響で実質的には０.８５〜１.０Ｖであり、特に限定されるものではないが実用的な発電状態（負荷運転）の下での電圧は０.２〜０.６Ｖ程度の領域が選ばれる。従って、実際に電源として用いる場合には、燃料電池電源システムに接続される負荷機器の要求にしたがって、所定の電圧が得られるように単位電池を直列接続して用いられ、さらに必要に応じて電圧変換回路により電圧調整される。 CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 3H 2 O (3)
The open circuit voltage of the unit cell is approximately 1.2V, but it is substantially 0.85 to 1.0V due to the influence of the fuel permeating the electrolyte membrane. The voltage under (load operation) is selected in the range of about 0.2 to 0.6V. Therefore, when actually used as a power source, unit cells are connected in series so that a predetermined voltage can be obtained in accordance with the requirements of the load equipment connected to the fuel cell power supply system, and further the voltage is used as necessary. The voltage is adjusted by the conversion circuit.

単電池の出力電流密度は電極触媒，電極構造その他の影響で変化するが、実効的に単電池の発電部面積を選択して所定の電流が得られるように設計される。また、適宜、並列に接続することで電池容量を調整することが可能である。   The output current density of the unit cell varies depending on the influence of the electrode catalyst, the electrode structure, and the like, but it is designed so that a predetermined current can be obtained by effectively selecting the power generation area of the unit cell. Moreover, it is possible to adjust battery capacity by connecting in parallel as appropriate.

以下に本実施の形態にかかる燃料電池の実施例を詳細に説明する。   Examples of the fuel cell according to the present embodiment will be described in detail below.

図１に本実施例にかかる燃料電池電源システムにおける燃料電池燃料系システムの構成を示す。燃料電池電源システムの発電で必要となるメタノール水溶液は、着脱可能な構造を有する燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７から供給されたメタノール８及び水９により、混合タンク１７にて所定のメタノール濃度に希釈され作られる。この混合タンク１７内のメタノール水溶液１８は、発電部分であるＭＥＡへ燃料供給ポンプ２１で供給される。燃料電池の発電部分には、ＭＥＡを積層したスタック構造あるいは平面配置構造などが採用される。ＭＥＡへ供給されたメタノール水溶液は、その一部は電池反応による発電によって消費される。また、発電で消費されなかったメタノール水溶液はメタノール濃度が減少して再び混合タンク１７に戻ることになる。発電で消費されたメタノール及び水の量は、混合タンク１７のメタノール水溶液の濃度変化としてメタノール濃度検出器２０にて測定され、燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７からメタノール及び水の不足分として補給され、結果として混合タンク１７内の燃料濃度をほぼ一定となるようにする。
このような燃料電池燃料系システムの構成により、燃料電池電源システムは連続的に発電できる。 FIG. 1 shows the configuration of a fuel cell fuel system in the fuel cell power supply system according to this embodiment. The methanol aqueous solution required for power generation of the fuel cell power supply system is diluted to a predetermined methanol concentration in the mixing tank 17 by the methanol 8 and water 9 supplied from the fuel cartridge 6 and the water cartridge 7 having a detachable structure. Made. The aqueous methanol solution 18 in the mixing tank 17 is supplied by a fuel supply pump 21 to the MEA that is a power generation part. For the power generation portion of the fuel cell, a stack structure in which MEAs are stacked or a planar arrangement structure is adopted. Part of the aqueous methanol solution supplied to the MEA is consumed by power generation by battery reaction. In addition, the methanol aqueous solution that has not been consumed in the power generation decreases the methanol concentration and returns to the mixing tank 17 again. The amount of methanol and water consumed by power generation is measured by the methanol concentration detector 20 as the concentration change of the methanol aqueous solution in the mixing tank 17, and is replenished as a shortage of methanol and water from the fuel cartridge 6 and the water cartridge 7, As a result, the fuel concentration in the mixing tank 17 is made substantially constant.
With such a configuration of the fuel cell fuel system, the fuel cell power supply system can continuously generate power.

なお、燃料電池電源システムの発電開始時においては、燃料供給ポンプ２１や空気供給ファン２５などの補機を起動するための初期駆動電源が必要となる。これに関しては、図示していないが二次電池を内蔵電源として搭載して初期の補機起動電源として使用し、燃料電池電源システムが発電開始し自立した後は、内蔵電源である二次電池へ充電するとともに燃料電池電源システムの外部へ電力供給するハイブリッド電源構成とする。   At the start of power generation in the fuel cell power supply system, an initial drive power supply for starting auxiliary devices such as the fuel supply pump 21 and the air supply fan 25 is required. In this regard, although not shown, a secondary battery is installed as a built-in power supply and used as an initial auxiliary power supply, and after the fuel cell power supply system starts generating power and becomes self-supporting, it moves to the secondary battery that is a built-in power supply. A hybrid power supply configuration that charges and supplies power to the outside of the fuel cell power supply system is adopted.

燃料電池燃料系システムの構成を具体的に述べる。燃料カートリッジ６にはその内部にメタノール８が予め充填されている。また、燃料カートリッジ６は、燃料弁１及び空気弁２を有している。燃料カートリッジ６の空気弁２には、燃料カートリッジ６内に空気給排気配管５が接続されている。ここで、燃料弁１は通常は閉状態であるが、燃料電池燃料系システムの燃料弁接続部３が燃料弁１と接続された時のみ、たとえば燃料弁接続部３１の突起にて燃料弁１のバネ機構が移動して開状態となる構造となっている。燃料カートリッジ６の空気弁２も同様な構造であり、燃料電池燃料系システムの空気弁接続部４が空気弁２と接続された時に開状態となる。一方、水カートリッジ７にはその内部に水９が予め充填されている。水カートリッジ７の構造は燃料カートリッジ６の構造と同様であり、燃料弁１及び空気弁２を有している。   The configuration of the fuel cell fuel system will be specifically described. The fuel cartridge 6 is filled with methanol 8 in advance. The fuel cartridge 6 includes a fuel valve 1 and an air valve 2. An air supply / exhaust pipe 5 is connected to the air valve 2 of the fuel cartridge 6 in the fuel cartridge 6. Here, the fuel valve 1 is normally closed, but only when the fuel valve connection part 3 of the fuel cell fuel system is connected to the fuel valve 1, for example, at the protrusion of the fuel valve connection part 31. The spring mechanism moves to an open state. The air valve 2 of the fuel cartridge 6 has a similar structure, and is opened when the air valve connecting portion 4 of the fuel cell fuel system is connected to the air valve 2. On the other hand, the water cartridge 7 is filled with water 9 in advance. The structure of the water cartridge 7 is the same as that of the fuel cartridge 6, and has a fuel valve 1 and an air valve 2.

燃料カートリッジ６のメタノール８は、燃料配管１２の燃料遮断電磁弁１４を介して燃料輸送ポンプ１６に送られ、この燃料輸送ポンプ１６で混合タンク１７に送り込まれる。
水カートリッジ７の水９は、水配管１３の水遮断電磁弁１５を介して燃料輸送ポンプ１６に送られ、燃料輸送ポンプ１６で混合タンク１７に送り込まれる。このとき、燃料カートリッジ６は、燃料カートリッジ６のメタノール８の減少に伴い内部の圧力も減少する。従い、燃料カートリッジ６内の圧力調整のために、空気配管１９に接続された通常は閉状態の減圧調整弁１０が一時的に開状態となり、混合タンク１７内の空気が燃料カートリッジ６に持ち込まれ、燃料カートリッジ６の減圧状態を緩和する。燃料カートリッジ６の内部の減圧状態緩和に伴い、減圧調整弁１０は再び閉状態となる。水カートリッジ７の水が減少した場合も同様に、水カートリッジ７の内部の減圧に伴い空気配管１９に接続された通常は閉状態の減圧調整弁１０１が一時的に開状態となり、混合タンク１７内の空気が水カートリッジ７に持ち込まれて水カートリッジ７の内部の減圧状態を緩和する。その後、水カートリッジ７の内部の減圧状態緩和に伴い、減圧調整弁１０１は再び閉状態となる。 The methanol 8 in the fuel cartridge 6 is sent to the fuel transport pump 16 via the fuel cutoff electromagnetic valve 14 in the fuel pipe 12, and is sent to the mixing tank 17 by this fuel transport pump 16.
The water 9 in the water cartridge 7 is sent to the fuel transport pump 16 via the water shut-off solenoid valve 15 in the water pipe 13, and is sent to the mixing tank 17 by the fuel transport pump 16. At this time, the internal pressure of the fuel cartridge 6 also decreases as the methanol 8 in the fuel cartridge 6 decreases. Therefore, in order to adjust the pressure in the fuel cartridge 6, the normally closed pressure reducing adjustment valve 10 connected to the air pipe 19 is temporarily opened, and the air in the mixing tank 17 is brought into the fuel cartridge 6. The pressure reduction state of the fuel cartridge 6 is relaxed. As the reduced pressure state inside the fuel cartridge 6 is relaxed, the reduced pressure adjusting valve 10 is closed again. Similarly, when the water in the water cartridge 7 is reduced, the normally closed pressure reducing adjustment valve 101 connected to the air pipe 19 is temporarily opened due to the pressure reduction in the water cartridge 7, so that the inside of the mixing tank 17 Is brought into the water cartridge 7 to relieve the reduced pressure state inside the water cartridge 7. Thereafter, the pressure reducing valve 101 is closed again with the relaxation of the reduced pressure state inside the water cartridge 7.

混合タンク１７では、メタノールと水が混合希釈されるが、その濃度はメタノール濃度検出器２０で測定され所定の濃度となるようにメタノール８及び水９の輸送量が調整される。すなわち、燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５の開閉を調整することにより、燃料輸送ポンプ１６による混合タンク１７へのメタノール８及び水９の輸送量を変えることができるため、その結果、混合タンク内のメタノール水溶液の濃度調整が可能となる。   In the mixing tank 17, methanol and water are mixed and diluted. The transport amount of the methanol 8 and the water 9 is adjusted so that the concentration thereof is measured by the methanol concentration detector 20 and becomes a predetermined concentration. That is, by adjusting the opening and closing of the fuel cutoff solenoid valve 14 and the water cutoff solenoid valve 15, the amount of methanol 8 and water 9 transported to the mixing tank 17 by the fuel transport pump 16 can be changed. The concentration of the aqueous methanol solution in the tank can be adjusted.

混合タンク１７のメタノール水溶液１８は、燃料供給配管２２に取り付けられた燃料供給ポンプ２１、及び燃料供給弁２３を介して燃料電池スタック２４へ強制的に供給される。燃料電池スタック２４は、発電機能を有するＭＥＡを積層したものである。また、ＭＥＡは、代表的には電解質膜として炭化水素系あるいはフッ素系の固体高分子膜に触媒とカーボンとを調合塗布した電極を接合した構造である。従い、燃料電池スタック２４には、燃料供給ポンプ２１により燃料が供給されるとともに、空気供給ファン２５により強制的に空気（酸素）が供給され、その結果、ＭＥＡで電池反応に基づき発電する。燃料電池スタック２４により得られた電力は燃料電池電源システムに接続された電子負荷機器へ供給されるが、必要に応じて電圧変換回路２６により電圧調整される。   The methanol aqueous solution 18 in the mixing tank 17 is forcibly supplied to the fuel cell stack 24 via a fuel supply pump 21 attached to the fuel supply pipe 22 and a fuel supply valve 23. The fuel cell stack 24 is formed by stacking MEAs having a power generation function. The MEA typically has a structure in which an electrode in which a catalyst and carbon are mixed and applied to a hydrocarbon-based or fluorine-based solid polymer film as an electrolyte film is joined. Accordingly, fuel is supplied to the fuel cell stack 24 by the fuel supply pump 21 and air (oxygen) is forcibly supplied by the air supply fan 25. As a result, the MEA generates power based on the cell reaction. The electric power obtained by the fuel cell stack 24 is supplied to an electronic load device connected to the fuel cell power supply system, and the voltage is adjusted by the voltage conversion circuit 26 as necessary.

この燃料電池スタック２４のＭＥＡに強制的に供給されたメタノール水溶液は、その一部を電池反応で消費することになる。未反応のメタノール水溶液は、そのメタノール濃度が減少して再び混合タンク１７に戻される。このため、混合タンク１７のメタノール濃度も減少するが、そのメタノール濃度の減少はメタノール濃度検出器２０で測定され、メタノール及び水の補給調整により所定のメタノール濃度範囲に調整されることになる。   A part of the methanol aqueous solution forcibly supplied to the MEA of the fuel cell stack 24 is consumed by the cell reaction. The unreacted methanol aqueous solution is returned to the mixing tank 17 again after the methanol concentration is reduced. For this reason, although the methanol concentration in the mixing tank 17 also decreases, the decrease in the methanol concentration is measured by the methanol concentration detector 20 and adjusted to a predetermined methanol concentration range by adjusting the supply of methanol and water.

燃料電池燃料系システムの弁動作を説明する。燃料系制御回路３０には、混合タンク１７に設置したメタノール濃度検出器２０のメタノール濃度信号Ｓ４が入力されている。混合タンク１７には、図示してはいないが、燃料のオーバフロー検出器及びアンダーフロー検出器が設置されており、その検出信号は燃料電池燃料系システムの動作停止インターロック起動信号に使用される。   The valve operation of the fuel cell fuel system will be described. The fuel system control circuit 30 receives the methanol concentration signal S4 of the methanol concentration detector 20 installed in the mixing tank 17. Although not shown, the mixing tank 17 is provided with a fuel overflow detector and an underflow detector, and the detection signal is used as an operation stop interlock start signal of the fuel cell fuel system.

燃料系制御回路３０は、燃料電池電源システムの起動操作信号に基づき、ポンプ駆動回路２９へポンプ起動信号を出力する。この時、混合タンク１７のメタノール濃度信号Ｓ４に基づき、メタノール濃度が所定の濃度範囲以下の場合において、通常閉状態の燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５には、予め設定した時間だけ弁動作要求信号（開信号）Ｓ７、Ｓ５を出力する。ポンプ駆動回路２９には、燃料輸送ポンプ１６へ燃料輸送ポンプ動作要求信号Ｓ１を予め設定した時間だけ同時に出力し、燃料輸送ポンプ１６の動作により燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７から混合タンクへメタノール８及び水９を輸送補給する。   The fuel system control circuit 30 outputs a pump start signal to the pump drive circuit 29 based on the start operation signal of the fuel cell power supply system. At this time, based on the methanol concentration signal S4 of the mixing tank 17, when the methanol concentration is below a predetermined concentration range, the normally-closed fuel cutoff solenoid valve 14 and the water cutoff solenoid valve 15 are provided with a valve for a preset time. Operation request signals (open signals) S7 and S5 are output. The pump drive circuit 29 simultaneously outputs a fuel transport pump operation request signal S1 to the fuel transport pump 16 for a preset time, and the operation of the fuel transport pump 16 causes methanol 8 and Transport water 9

混合タンク１７内のメタノール濃度が所定のメタノール濃度以下の場合には、再度、燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５へは弁動作要求信号Ｓ７，Ｓ５、燃料輸送ポンプ１６にはポンプ動作要求信号Ｓ１をそれぞれ出力する。   When the methanol concentration in the mixing tank 17 is equal to or lower than the predetermined methanol concentration, valve operation request signals S7 and S5 are again sent to the fuel shut-off solenoid valve 14 and the water shut-off solenoid valve 15, and a pump operation request is sent to the fuel transport pump 16. Each of the signals S1 is output.

なお、燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５への弁動作要求信号Ｓ７，Ｓ５、及び燃料輸送ポンプ１６へのポンプ動作要求信号Ｓ１の設定時間に関しては、燃料カートリッジ６のメタノール濃度，燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５の圧力損失，燃料輸送ポンプ１６のポンプ性能など条件によって混合タンク１７へのメタノールあるいは水の輸送量が異なるため、これらの条件を考慮して要求信号の時間を調整する。   Regarding the set times of the valve operation request signals S7 and S5 to the fuel cutoff electromagnetic valve 14 and the water cutoff electromagnetic valve 15 and the pump operation request signal S1 to the fuel transport pump 16, the methanol concentration of the fuel cartridge 6, the fuel cutoff Since the amount of methanol or water transported to the mixing tank 17 differs depending on conditions such as the pressure loss of the solenoid valve 14 and the water shut-off solenoid valve 15 and the pump performance of the fuel transport pump 16, the time required for the request signal is determined in consideration of these conditions. adjust.

また、燃料供給ポンプ２１に関しては、混合タンク１７と燃料電池スタック２４との間を燃料が定常的に循環するように連続的に駆動する。燃料電池発電システムを発電状態とするときには、通常、燃料供給弁２３は開状態となるように弁開要求信号Ｓ３が出力される。   Further, the fuel supply pump 21 is continuously driven so that the fuel circulates constantly between the mixing tank 17 and the fuel cell stack 24. When the fuel cell power generation system is in the power generation state, the valve opening request signal S3 is normally output so that the fuel supply valve 23 is in the open state.

メタノールを燃料とする燃料電池電源システムにおいては、メタノールを燃料とした電池反応に起因してギ酸やギ酸メチル等の副生成物が発生する。同時に、混合タンク１７と燃料電池スタック２４との間を燃料が常時循環することにより、燃料電池スタック２４からの副生成物や溶出物が内部タンク１７に蓄積するため、状態に応じて混合タンク１７から取り除くことが望ましい。このような場合においても、図１に示す燃料電池燃料系システムの構成により、混合タンク１７の副生成物や溶出物、あるいは使用済み燃料を燃料カートリッジ６に回収することができる。   In a fuel cell power supply system using methanol as a fuel, byproducts such as formic acid and methyl formate are generated due to a cell reaction using methanol as a fuel. At the same time, fuel constantly circulates between the mixing tank 17 and the fuel cell stack 24, whereby by-products and eluents from the fuel cell stack 24 accumulate in the internal tank 17, and accordingly, the mixing tank 17 according to the state. It is desirable to remove from. Even in such a case, by-product and eluate of the mixing tank 17 or spent fuel can be recovered in the fuel cartridge 6 by the configuration of the fuel cell fuel system shown in FIG.

すなわち、図１の燃料電池燃料系システムにおいて、混合タンク１７の使用済み燃料を回収する際の初期状態として、以下のような燃料電池電源系システムの状態とする。   That is, in the fuel cell fuel system of FIG. 1, the following state of the fuel cell power supply system is set as an initial state when the spent fuel in the mixing tank 17 is recovered.

先ず、燃料電池電源システムの発電は停止する。具体的には、燃料供給ポンプ２１及び空気供給ファン２５は停止状態，燃料供給弁２３は閉状態とする。このような燃料電池電源系システムにおいて、燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７の燃料弁１及び空気弁２のそれぞれを燃料電池燃料系システムの燃料弁接続部３及び空気弁接続部４に接続する。このとき、燃料カートリッジ６は使用済み燃料を回収するために、メタノールが充填されていない空カートリッジを装着する。燃料カートリッジ６の内部にて空気弁２に接続されている空気給排気配管５は、使用済み燃料の回収想定量に応じてその長さを調整する。
すなわち、燃料カートリッジ６に使用済み燃料が持ち込まれた場合に、回収された使用済み燃料の液面より上部にある空気給排気配管５の先端部の空気口から、燃料カートリッジ６の内部の加圧空気が燃料カートリッジ６の外部へ加圧調整弁１１を介して排気される。
また、燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５は閉状態とする。なお、水カートリッジ７は、本実施例の構成では機能的に動作範囲外であり使用しない構成である。 First, power generation of the fuel cell power supply system is stopped. Specifically, the fuel supply pump 21 and the air supply fan 25 are stopped, and the fuel supply valve 23 is closed. In such a fuel cell power supply system, each of the fuel valve 1 and the air valve 2 of the fuel cartridge 6 and the water cartridge 7 is connected to the fuel valve connection 3 and the air valve connection 4 of the fuel cell fuel system. At this time, the fuel cartridge 6 is loaded with an empty cartridge not filled with methanol in order to collect spent fuel. The length of the air supply / exhaust pipe 5 connected to the air valve 2 inside the fuel cartridge 6 is adjusted according to the estimated amount of spent fuel.
That is, when spent fuel is brought into the fuel cartridge 6, the pressure inside the fuel cartridge 6 is increased from the air port at the tip of the air supply / exhaust pipe 5 above the liquid level of the collected spent fuel. Air is exhausted to the outside of the fuel cartridge 6 through the pressurizing adjustment valve 11.
The fuel cutoff solenoid valve 14 and the water cutoff solenoid valve 15 are closed. The water cartridge 7 is functionally outside the operating range and is not used in the configuration of the present embodiment.

使用済み燃料回収配管２８に接続されている通常閉状態の燃料回収弁２７は、混合タンク１７の使用済み燃料回収においてのみ開要求信号Ｓ６を燃料系制御回路３０から出力される。この燃料回収弁２７の開要求信号Ｓ６を受けて、燃料電池電源システムに内蔵している二次電池を電源として燃料供給ポンプ２１を起動する。従い、混合タンク１７の使用済み燃料は燃料供給ポンプ１７により燃料回収弁２７を介して燃料カートリッジ６に送り込まれることになる。燃料カートリッジ６は使用済み燃料が回収されるにしたがって、内部圧力が上昇する。このため、燃料カートリッジ６内の圧力調整のために、空気配管１９に接続された通常は閉状態の加圧調整弁１１が一時的に開状態となり、燃料カートリッジ６の空気が混合タンク内へ排出され、燃料カートリッジ６の加圧状態を緩和する。燃料カートリッジ６の内部の加圧状態緩和に伴い、加圧調整弁１１は再び閉状態となる。   The normally closed fuel recovery valve 27 connected to the spent fuel recovery pipe 28 outputs an open request signal S6 from the fuel system control circuit 30 only when the spent fuel in the mixing tank 17 is recovered. In response to the fuel collection valve 27 opening request signal S6, the fuel supply pump 21 is activated using the secondary battery built in the fuel cell power supply system as a power source. Accordingly, the spent fuel in the mixing tank 17 is sent to the fuel cartridge 6 through the fuel recovery valve 27 by the fuel supply pump 17. The internal pressure of the fuel cartridge 6 increases as the spent fuel is collected. For this reason, in order to adjust the pressure in the fuel cartridge 6, the normally closed pressure adjusting valve 11 connected to the air pipe 19 is temporarily opened, and the air in the fuel cartridge 6 is discharged into the mixing tank. The pressure state of the fuel cartridge 6 is relaxed. With the relaxation of the pressurized state inside the fuel cartridge 6, the pressurizing adjustment valve 11 is closed again.

使用済み燃料を回収した燃料カートリッジ６は、燃料電池燃料系システムから容易に取り外せるために、カートリッジ容器としてのリサイクルや使用済み燃料の廃棄処理に移行することができる。   The fuel cartridge 6 from which the spent fuel is collected can be easily removed from the fuel cell fuel system, so that it can be transferred to recycling as a cartridge container or disposal of the spent fuel.

燃料電池燃料系システムにおいて、メタノール及び水を補給するための燃料カートリッジ及び水カートリッジの一実施例を図２に示す。図２において、予めメタノールが充填されている燃料カートリッジ６及び予め水が充填されている水カートリッジ７の上部には、それぞれ燃料弁６１，７１及び空気弁６２，７２を有している。また、燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７のそれぞれの空気弁６２，７２には、カートリッジ内部において空気給排気配管が接続されている。   FIG. 2 shows an embodiment of a fuel cartridge and a water cartridge for replenishing methanol and water in a fuel cell fuel system. In FIG. 2, fuel valves 61 and 71 and air valves 62 and 72 are provided on the upper part of the fuel cartridge 6 pre-filled with methanol and the water cartridge 7 pre-filled with water, respectively. In addition, air supply and exhaust pipes are connected to the air valves 62 and 72 of the fuel cartridge 6 and the water cartridge 7 inside the cartridge.

燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７のそれぞれの燃料弁６１，７１及び空気弁６２，７２は、燃料電池燃料系システムの燃料弁接続部及び空気弁接続部とに接続されていない状態においては、閉状態である。一方、燃料電池燃料系システムの燃料弁接続部が燃料弁と接続された状態では、たとえば燃料弁接続部の突起にて燃料弁や空気弁のバネ機構が移動して開状態となる構造である。このとき、燃料弁は双方向にメタノールや水などの流体を流すことができる。   The fuel valves 61 and 71 and the air valves 62 and 72 of the fuel cartridge 6 and the water cartridge 7 are closed when not connected to the fuel valve connection part and the air valve connection part of the fuel cell fuel system. It is. On the other hand, in a state where the fuel valve connection part of the fuel cell fuel system is connected to the fuel valve, for example, the spring mechanism of the fuel valve or the air valve is moved by the protrusion of the fuel valve connection part to be opened. . At this time, the fuel valve can flow a fluid such as methanol or water bidirectionally.

燃料カートリッジ６の上部の突起物６３，６４、及び水カートリッジ７の上部の突起物７３，７４は、燃料カートリッジ６と水カートリッジ７を識別するためのメカニカルキーである。このメカニカルキーに対応したキー構造が、燃料電池燃料系システムの燃料弁接続部及び空気弁接続部にそれぞれ設けられている。従い、燃料カートリッジ６と水カートリッジ７を燃料電池電源システムの燃料電池燃料系システムに誤装着した場合には、このメカニカルキーにより例えば燃料カートリッジ６の燃料弁６１と空気弁接続部とを接続することができない。このように、燃料カートリッジ６と水カートリッジ７の誤装着を防止することができる。   The protrusions 63 and 64 on the upper part of the fuel cartridge 6 and the protrusions 73 and 74 on the upper part of the water cartridge 7 are mechanical keys for identifying the fuel cartridge 6 and the water cartridge 7. Key structures corresponding to the mechanical keys are respectively provided in the fuel valve connection part and the air valve connection part of the fuel cell fuel system. Therefore, when the fuel cartridge 6 and the water cartridge 7 are erroneously attached to the fuel cell fuel system of the fuel cell power supply system, for example, the fuel valve 61 and the air valve connection portion of the fuel cartridge 6 are connected by this mechanical key. I can't. Thus, erroneous mounting of the fuel cartridge 6 and the water cartridge 7 can be prevented.

以上のように燃料電池電源システムの燃料電池燃料系システムにおいて、発電に必要なメタノール及び水を着脱が可能なカートリッジを用いて供給する構成とすることにより、燃料電池電源システムに対するメタノールや水の交換や補給の操作性や安全性が向上する。また、燃料電池電源システムからカートリッジを容易に取り外せるので、輸送時や保管時に空カートリッジや輸送保管用の専用カートリッジを装着するなどにより安全性が向上する。   As described above, in the fuel cell fuel system of the fuel cell power supply system, methanol and water necessary for power generation are supplied using a removable cartridge, so that replacement of methanol and water for the fuel cell power supply system is achieved. And replenishment operability and safety are improved. Further, since the cartridge can be easily removed from the fuel cell power supply system, safety can be improved by mounting an empty cartridge or a dedicated cartridge for transportation and storage during transportation or storage.

さらに、燃料電池電源システム内部の混合タンク内の余剰なメタノール水溶液、あるいは電池反応の進展に伴うメタノール副生成物や不純物を含む使用済み燃料がカートリッジにて回収可能となることから、混合タンク内の燃料及び不純物調整が容易となり燃料電池電源システムの運用性や保守性が向上する。   Furthermore, since the excess methanol aqueous solution in the mixing tank inside the fuel cell power supply system or spent fuel containing methanol by-products and impurities accompanying the progress of the cell reaction can be collected by the cartridge, The fuel and impurities can be easily adjusted, and the operability and maintainability of the fuel cell power system are improved.

図３に本発明にかかる燃料電池電源システムの燃料電池燃料系システムのその他の一実施例を示す。本実施例の図１と異なる点は、以下である。   FIG. 3 shows another embodiment of the fuel cell fuel system of the fuel cell power supply system according to the present invention. The difference of this embodiment from FIG. 1 is as follows.

すなわち、燃料電池燃料系システムの空気配管１９１に関して、混合タンク１７に接続されることなく空気配管１９１の端部が開放されていることである。従い、燃料電池電源システムの発電に伴う燃料カートリッジ６のメタノール８の減少による燃料カートリッジ６の減圧に対して、通常時に閉状態である減圧調整弁１０が開状態となると、雰囲気空気を燃料カートリッジ６に吸い込むことで減圧状態が緩和される。同様にして、水カートリッジ７の水の減少による水カートリッジ７の減圧に対して、通常時に閉状態である減圧調整弁１０１が開状態となると、雰囲気空気を水カートリッジ７に吸い込むことで減圧状態が緩和される。   That is, the end of the air pipe 191 is open without being connected to the mixing tank 17 with respect to the air pipe 191 of the fuel cell fuel system. Accordingly, when the decompression regulating valve 10 that is normally closed is opened with respect to the decompression of the fuel cartridge 6 due to the decrease of the methanol 8 of the fuel cartridge 6 accompanying the power generation of the fuel cell power supply system, the ambient air is changed to the fuel cartridge 6. The reduced pressure state is relieved by sucking into. Similarly, when the depressurization adjusting valve 101 that is normally closed is opened with respect to the depressurization of the water cartridge 7 due to the decrease in water in the water cartridge 7, the depressurized state is reduced by sucking atmospheric air into the water cartridge 7. Alleviated.

このような燃料電池燃料系システムの構成とすることにより、空気弁接続部４からの空気配管１９１の長さを短くすることができるため、燃料電池電源システムの小型化に寄与することができる。   By adopting such a fuel cell fuel system configuration, the length of the air pipe 191 from the air valve connection portion 4 can be shortened, which can contribute to the miniaturization of the fuel cell power supply system.

図４に本発明にかかる燃料電池電源システムの燃料電池燃料系システムのその他の一実施例を示す。本実施例の図１と異なる点は、以下である。   FIG. 4 shows another embodiment of the fuel cell fuel system of the fuel cell power supply system according to the present invention. The difference of this embodiment from FIG. 1 is as follows.

すなわち、燃料電池燃料系システムの燃料輸送ポンプに関して、メタノール輸送ポンプ１６１及び水輸送ポンプ１６２をそれぞれ用意した構成である。従い、混合タンク１７のメタノール水溶液１８の濃度減少をメタノール濃度検出器２０で測定し、このメタノール濃度信号Ｓ４は燃料系制御回路３０に入力される。燃料系制御回路３０は輸送ポンプ駆動回路２９１に対して、駆動要求信号を出力することになる。輸送ポンプ駆動回路２９１からのメタノール輸送ポンプ１６１の起動要求信号Ｓ１１、及び水輸送ポンプ１６２の起動要求信号Ｓ１２は、以下のように燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５の動作要求信号Ｓ７，Ｓ５と連携して出力される。   That is, regarding the fuel transport pump of the fuel cell fuel system, a methanol transport pump 161 and a water transport pump 162 are prepared. Accordingly, the decrease in the concentration of the aqueous methanol solution 18 in the mixing tank 17 is measured by the methanol concentration detector 20, and this methanol concentration signal S 4 is input to the fuel system control circuit 30. The fuel system control circuit 30 outputs a drive request signal to the transport pump drive circuit 291. The start request signal S11 of the methanol transport pump 161 and the start request signal S12 of the water transport pump 162 from the transport pump drive circuit 291 are the operation request signals S7 of the fuel cutoff solenoid valve 14 and the water cutoff solenoid valve 15 as follows. Output in cooperation with S5.

すなわち、通常時には閉常態である燃料遮断電磁弁１４の動作要求信号（開信号）Ｓ７に合わせて、メタノール輸送ポンプ１６１の起動要求信号Ｓ１１が予め定められた一定時間出力される。同様にして、通常時には閉常態である水遮断電磁弁１５の動作要求信号（開信号）Ｓ５に合わせて、水輸送ポンプ１６２の起動要求信号Ｓ１２が予め定められた一定時間出力される。これらの燃料遮断電磁弁１４，水遮断電磁弁１５，メタノール輸送ポンプ１６１、及び水輸送ポンプ１６２の動作要求信号は、混合タンク１７のメタノール水溶液１８の濃度減少をメタノール濃度検出器２０で測定し、このメタノール濃度信号Ｓ４に基づいて燃料系制御回路３０から出力される。   That is, the start request signal S11 of the methanol transport pump 161 is output for a predetermined time in accordance with the operation request signal (open signal) S7 of the fuel cutoff electromagnetic valve 14 that is normally closed. Similarly, the activation request signal S12 of the water transport pump 162 is output for a predetermined period of time in accordance with the operation request signal (open signal) S5 of the water shut-off solenoid valve 15 that is normally closed. The operation request signals of these fuel shut-off solenoid valve 14, water shut-off solenoid valve 15, methanol transport pump 161, and water transport pump 162 are obtained by measuring a decrease in the concentration of the methanol aqueous solution 18 in the mixing tank 17 with the methanol concentration detector 20. Based on the methanol concentration signal S4, the fuel system control circuit 30 outputs the signal.

これにより、混合タンク１７２４のメタノール水溶液の濃度に関して、燃料電池スタックの動作に適合するように予め定めた濃度範囲内に保つことができる。   Accordingly, the concentration of the aqueous methanol solution in the mixing tank 1724 can be kept within a predetermined concentration range so as to be compatible with the operation of the fuel cell stack.

図５に本発明にかかる燃料電池電源システムの燃料電池燃料系システムのその他の一実施例を示す。本実施例の図１と異なる点は、以下である。   FIG. 5 shows another embodiment of the fuel cell fuel system of the fuel cell power supply system according to the present invention. The difference of this embodiment from FIG. 1 is as follows.

すなわち、燃料電池燃料系システムの空気配管５０，５１に減圧調整弁１００，１０２及び加圧調整弁１１０を燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７の内部に設置した構成である。すなわち、燃料カートリッジ６では、空気給排気配管５０の途中に減圧調整弁１００及び加圧調整弁１１０を設けている。また、水カートリッジ７では、空気排気配管５１の途中に減圧調整弁１０２を設けている。   In other words, the pressure adjustment valves 100 and 102 and the pressure adjustment valve 110 are installed in the fuel cartridge 6 and the water cartridge 7 in the air pipes 50 and 51 of the fuel cell fuel system. In other words, the fuel cartridge 6 is provided with the pressure reducing valve 100 and the pressure adjusting valve 110 in the middle of the air supply / exhaust pipe 50. Further, the water cartridge 7 is provided with a pressure reducing adjustment valve 102 in the middle of the air exhaust pipe 51.

これにより、燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７の内部構造は構成要素が増加するが、燃料電池電源システムにおける燃料電池燃料系システムの空気配管１９の構成が簡素化されるため、燃料電池燃料系システムの小型化が図れる。   Thereby, although the components of the internal structure of the fuel cartridge 6 and the water cartridge 7 increase, the configuration of the air pipe 19 of the fuel cell fuel system in the fuel cell power supply system is simplified, so that the fuel cell fuel system Miniaturization can be achieved.

なお、減圧調整弁１００，１０２及び加圧調整弁１１０は、そのいずれかが燃料電池燃料系システムの空気配管１９の適切な位置に設置されれば、その機能を実現できることは明らかである。   Note that it is obvious that the functions of the decompression regulating valves 100 and 102 and the pressurizing regulating valve 110 can be realized if any one of them is installed at an appropriate position of the air pipe 19 of the fuel cell fuel system.

図５は、本発明による燃料電池用セパレータのその他の一実施例を示すものである。本実施例の図１と異なる点は、燃料電池用セパレータのマニホールド周囲の形状加工性を考慮して、凹凸部分を少なくした構成とした点である。   FIG. 5 shows another embodiment of the fuel cell separator according to the present invention. The difference from FIG. 1 of the present embodiment is that it has a configuration in which the uneven portions are reduced in consideration of the shape workability around the manifold of the fuel cell separator.

図６に図５の燃料電池用セパレータの断面図を示す。マニホールド周囲の構造がより簡単な構成となり、セパレータの加工性が向上する。   FIG. 6 shows a cross-sectional view of the fuel cell separator of FIG. The structure around the manifold is simpler, and the workability of the separator is improved.

本発明による燃料電池用セパレータの一実施例を示す。1 shows an embodiment of a fuel cell separator according to the present invention. 図１の断面図を示す。FIG. 2 shows a cross-sectional view of FIG. 本発明による燃料電池用セパレータの積層の一実施例を示す。1 shows an example of a stack of fuel cell separators according to the present invention. 図３の断面図を示す。FIG. 4 shows a cross-sectional view of FIG. 3. 本発明による燃料電池用セパレータのその他の一実施例を示す。Another embodiment of the separator for a fuel cell according to the present invention will be described. 図５の断面図を示す。FIG. 6 shows a cross-sectional view of FIG. 5.

符号の説明Explanation of symbols

１ セパレータ
２Ａ，２Ｂ 酸化剤流体マニホールド
３Ａ，３Ｂ 冷却材流体マニホールド
４Ａ，４Ｂ 燃料流体マニホールド
５Ａ，５Ｂ 流体導入開口部
１０ ＭＥＡ 1 Separator 2A, 2B Oxidant fluid manifold 3A, 3B Coolant fluid manifold 4A, 4B Fuel fluid manifold 5A, 5B Fluid introduction opening 10 MEA

Claims (3)

流体を導入するための流体開口部を有する燃料電池用セパレータにおいて、該流体開口部の周囲を凹凸形状の構造体とするとともに、該凹凸形状構造体の中間部に該流体開口部と異なる電池反応流体導入のための燃料電池導入用開口部を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。   In a fuel cell separator having a fluid opening for introducing a fluid, a cell reaction different from the fluid opening is formed at an intermediate portion of the uneven structure around the fluid opening. A fuel cell separator having a fuel cell introduction opening for introducing a fluid. 流体を導入するための複数の流体開口部を有する燃料電池用セパレータにおいて、該流体開口部は燃料電池反応用燃料流体，燃料電池酸化反応用流体、及び燃料電池冷却用流体をそれぞれ独立に流す構成とするとともに、全ての該流体開口部の周囲を凹凸上形状の構造体とし、該凹凸形状構造体の中間部に該流体開口部と異なる電池反応流体導入のための複数の燃料電池開口部を設け、燃料電池反応用燃料流体を他の流体と分離して流すための燃料電池開口部と、燃料電池酸化反応用流体を他の流体と分離して流すための燃料電池開口部、及び、燃料電池冷却用流体を他の流体と分離して流すための燃料電池開口部を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。   A fuel cell separator having a plurality of fluid openings for introducing a fluid, wherein the fluid openings flow fuel cell reaction fuel fluid, fuel cell oxidation reaction fluid, and fuel cell cooling fluid independently of each other. And a plurality of fuel cell openings for introducing a cell reaction fluid different from the fluid openings in the middle part of the uneven structure. A fuel cell opening for separating and flowing the fuel cell reaction fuel fluid from the other fluid, a fuel cell opening for flowing the fuel cell oxidation reaction fluid separately from the other fluid, and fuel A fuel cell separator having a fuel cell opening for flowing a cell cooling fluid separately from other fluids. 流体を導入するための流体開口部を有する燃料電池用セパレータにおいて、該流体開口部の周囲を凹凸形状の構造体とするとともに、該凹凸形状構造体の中間部に該流体開口部と異なる電池反応流体導入のための燃料電池導入用開口部を設け、該凹凸形状構造体を燃料電池反応用燃料流体，燃料電池酸化反応用流体、及び燃料電池冷却用流体をそれぞれ独立に流す構成とするためのシール機能材との組み合わせによるシール構造体とすることを特徴とする燃料電池用セパレータ。   In a fuel cell separator having a fluid opening for introducing a fluid, a cell reaction different from the fluid opening is formed at an intermediate portion of the uneven structure around the fluid opening. An opening for introducing a fuel cell for introducing a fluid is provided, and the concavo-convex structure is configured to flow a fuel cell reaction fuel fluid, a fuel cell oxidation reaction fluid, and a fuel cell cooling fluid independently. A separator for a fuel cell, characterized in that it is a seal structure in combination with a seal functional material.
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