JP2007066918A - Power generation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素ガスと酸素含有ガスとを単位セルに供給(自然供給を含む)して発電を行う発電方法に関し、特に、携帯機器に有用な技術である。 The present invention relates to a power generation method for generating power by supplying hydrogen gas and oxygen-containing gas to a unit cell (including natural supply), and is particularly useful for portable devices.
ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー変換効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用コージェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。かかる燃料電池の従来技術の構造として、図9に示すものが知られている(例えば、非特許文献1参照)。 Polymer fuel cells that use solid polymer electrolytes such as polymer electrolytes have high energy conversion efficiency, are thin, small, and lightweight, and are therefore being actively developed for household cogeneration systems and automobiles . As a conventional structure of such a fuel cell, one shown in FIG. 9 is known (see, for example, Non-Patent Document 1).
即ち、図9に示すように、固体高分子電解質膜100を挟んでアノード101とカソード102とを配設する。さらに、ガスケット103を介して一対のセパレータ104により挟持して単位セル105を構成する。各々のセパレータ104にはガス流路溝が形成されており、アノード101との接触により、還元ガス(例えば、水素ガス)の流路が形成され、カソード102との接触により、酸化ガス(例えば、酸素ガス)の流路が形成される。各々のガスは、単位セル105内の各流路を流通しながら、アノード101又はカソード102の内部に担持された触媒の作用により電極反応(電極における化学反応)に供され、電流の発生とイオン伝導が生じる。
That is, as shown in FIG. 9, the
この単位セル105を多数個積層し、単位セル105どうしを電気的に直列に接続して燃料電池Nを構成し、電極106は、積層した両端の単位セル105から取り出すことができる。このような燃料電池Nは、クリーンかつ高効率という特徴から、種々の用途、特に、電気自動車用電源や家庭用分散型電源として注目されている。
A large number of the
一方、近年のIT技術の活発化に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジカメなどモバイル機器が頻繁に使用される傾向があるが、これらの電源は、ほとんどリチウムイオン二次電池が用いられている。ところが、モバイル機器の高機能化に伴って消費電力がどんどん増大し、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池が注目されてきている。 On the other hand, with the recent activation of IT technology, mobile devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras tend to be frequently used, but most of these power sources use lithium ion secondary batteries. However, as mobile devices become more sophisticated, power consumption has increased and clean and highly efficient fuel cells have been attracting attention as power sources.
このため、より小型化が可能な燃料電池として、固体高分子電解質膜/電極接合体と、酸化剤ガスの流路を形成したカソード側金属板と、燃料ガスの流路を形成したアノード側金属板とを備え、両側の金属板の周縁を固定ピンで締結しつつ、その内側周囲にガスパッキンを介在させて封止した構造の燃料電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 For this reason, as a fuel cell capable of further miniaturization, a solid polymer electrolyte membrane / electrode assembly, a cathode side metal plate in which a flow path for oxidant gas is formed, and an anode side metal in which a flow path for fuel gas is formed There has been proposed a fuel cell having a structure in which a metal plate on both sides is fastened with fixing pins and sealed with a gas packing around the inside (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記の燃料電池は、いずれも、水素ガス等の燃料ガスを供給した後、その50〜80%が反応で消費され、残りの燃料ガスは最終段の単位セルから排出される構造となっている。このため、燃料として水素ガスを用いる場合では、水素ガスの排出量が多くなり、その排ガス処理やガス放出の問題が生じるため、コストや装置サイズ等の観点から、携帯機器用途には不向きであった。 However, in any of the above fuel cells, after supplying fuel gas such as hydrogen gas, 50 to 80% of the fuel cell is consumed by reaction, and the remaining fuel gas is discharged from the unit cell in the final stage. ing. For this reason, when hydrogen gas is used as the fuel, the amount of hydrogen gas discharged increases, and the problem of exhaust gas treatment and gas emission arises. Therefore, it is not suitable for portable device applications from the viewpoint of cost, device size, etc. It was.
一方、下記の特許文献2には、純水素ガスを単位セルのアノード側に供給して発電を行いながら、アノード側の不純物ガスの濃度を検出して、その濃度が一定以上の場合に、アノード側からガスをパージ(排出)する燃料電池システムが開示されている。
On the other hand, in
しかしながら、この燃料電池システムでは、一般的な燃料電池セルを使用しているため、例えば、アノード側からの排出ガス中の不純物ガスの濃度が50%以上になると、発電効率が50%未満になり、通常の電力供給の用途には使用できないという問題があった。また、排出ガス中の水素ガスの濃度を50%未満に低減しても、パージガスの排出量が多くなるため、排出される水素ガスの絶対量が多くなるという問題があった。 However, since this fuel cell system uses general fuel cells, for example, when the concentration of impurity gas in the exhaust gas from the anode side is 50% or more, the power generation efficiency is less than 50%. There is a problem that it cannot be used for normal power supply. Further, even if the concentration of hydrogen gas in the exhaust gas is reduced to less than 50%, the purge gas discharge amount increases, and there is a problem that the absolute amount of hydrogen gas discharged increases.
更に、上記の燃料電池システムでは、濃度の検出やそれに基づくパージ制御は、装置構成が複雑でコストも高くなり、携帯機器用の小型・軽量の燃料電池には適用が困難であった。なお、水素ガスを単位セルから排出させずに、全て単位セルで消費する方法では、単位セル内の水素ガス流路に不純物ガスが濃縮され、発電開始から短時間で電池出力が低下する。 Furthermore, in the fuel cell system described above, the concentration detection and purge control based on the concentration detection are complicated and expensive, and are difficult to apply to small and lightweight fuel cells for portable devices. In the method in which all hydrogen gas is consumed in the unit cell without being discharged from the unit cell, the impurity gas is concentrated in the hydrogen gas flow path in the unit cell, and the battery output decreases in a short time from the start of power generation.
そこで、本発明の目的は、複雑な制御機構を必要とせず、水素ガスの排出量が少なく排ガス処理やガス放出の問題が生じにくく、しかも、安定かつ継続して効率良く発電を行うことができる発電方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is that a complicated control mechanism is not required, the amount of hydrogen gas discharged is small, and problems of exhaust gas treatment and gas release are unlikely to occur, and power generation can be performed stably and continuously efficiently. It is to provide a power generation method.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究したところ、アノード側の水素ガス流路部の流路断面積が十分小さい単位セルを用いて、これに供給された水素ガスに対して0.02〜4体積%のガスを排出しながら発電を行うことによって、安定かつ継続して効率良く発電を行うことができることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors of the present invention have intensively studied to achieve the above object. As a result, a unit cell having a sufficiently small channel cross-sectional area of the anode-side hydrogen gas channel portion is used, and 0% of hydrogen gas supplied to the unit cell is measured. It has been found that power generation can be performed stably and continuously by discharging power while discharging 0.02 to 4% by volume of gas, and the present invention has been completed.
即ち、本発明の発電方法は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の一方側に配置されたカソード側電極板と、他方側に配置されたアノード側電極板と、前記カソード側電極板に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、前記アノード側電極板に水素ガスを供給する水素ガス流路部とで形成される単位セルの単数又は複数に、水素ガスと酸素含有ガスとを供給して発電を行う発電方法において、水素ガス供給の最終段となる前記単位セルについて、水素ガスの流動によって不純物ガスを排出口付近に濃縮しながら、濃縮された不純物ガスの量が一定以下になるように単位セルからガスを少量排出しつつ発電を行うことを特徴とする。 That is, the power generation method of the present invention includes a plate-shaped solid polymer electrolyte, a cathode-side electrode plate disposed on one side of the solid polymer electrolyte, an anode-side electrode plate disposed on the other side, and the cathode Hydrogen gas and oxygen are provided in one or more unit cells formed by an oxygen-containing gas supply unit that supplies an oxygen-containing gas to the side electrode plate and a hydrogen gas flow path unit that supplies hydrogen gas to the anode-side electrode plate. In the power generation method of generating power by supplying the contained gas, the amount of the impurity gas concentrated while concentrating the impurity gas near the outlet by the flow of hydrogen gas in the unit cell that is the final stage of hydrogen gas supply Is characterized in that power generation is performed while discharging a small amount of gas from the unit cell so that is less than a certain value.
本発明の発電方法によると、水素ガスの流動によって不純物ガスを排出口付近に濃縮しながら発電を行うため、排出口の近傍のみで不純物ガスの濃度が高くなるため、単位セル全体で見た場合に、不純物ガスが殆ど存在しないので、発電効率を高く維持することができる。また、不純物ガスが排出口付近に濃縮されても、排出を行わなければ不純物ガスの量が増加して発電が停止するが、ガスを少量排出することによって不純物ガスの量を一定以下に保つことができる。その結果、複雑な制御機構を必要とせず、水素ガスの排出量が少なく排ガス処理やガス放出の問題が生じにくく、しかも、安定かつ継続して効率良く発電を行うことができるようになる。 According to the power generation method of the present invention, since the power generation is performed while the impurity gas is concentrated in the vicinity of the discharge port by the flow of hydrogen gas, the concentration of the impurity gas is increased only in the vicinity of the discharge port. Moreover, since there is almost no impurity gas, the power generation efficiency can be kept high. Also, even if the impurity gas is concentrated near the discharge port, if the discharge is not performed, the amount of impurity gas increases and power generation stops, but the amount of impurity gas must be kept below a certain level by discharging a small amount of gas. Can do. As a result, a complicated control mechanism is not required, the amount of hydrogen gas discharged is small, the problem of exhaust gas treatment and gas release is less likely to occur, and power generation can be performed stably and continuously.
上記において、水素ガス供給の最終段となる前記単位セルとして、前記水素ガス流路部の流路断面積が前記アノード側電極板の面積の1%以下のものを使用すると共に、水素ガス供給の最終段となる前記単位セルに供給された水素ガスに対して、0.02〜4体積%のガスをその単位セルから排出することが好ましい。 In the above, as the unit cell that is the final stage of hydrogen gas supply, a hydrogen gas flow channel section having a flow path cross-sectional area of 1% or less of the area of the anode side electrode plate is used. It is preferable that 0.02 to 4% by volume of gas is discharged from the unit cell with respect to the hydrogen gas supplied to the unit cell as the final stage.
この構成によると、水素ガス流路部の流路断面積が電極面積に対して十分小さい単位セルを用いるため、水素ガス供給の線速度が大きくなり、固体高分子電解質の略全体で水素ガスが消費される際に、不純物ガスが上流側へ拡散せずに下流側に濃縮されるので、微小量のガスを排出するだけで、単位セル内への不純物ガスの蓄積を防止することができる。その際、排出口の近傍のみで不純物ガスの濃度が高くなるため、単位セル全体で見た場合に、不純物ガスが殆ど存在しないので、発電効率を高く維持することができる。 According to this configuration, since the unit cell having a sufficiently small channel cross-sectional area with respect to the electrode area is used, the linear velocity of the hydrogen gas supply increases, and the hydrogen gas is almost entirely contained in the solid polymer electrolyte. When consumed, the impurity gas is concentrated on the downstream side without diffusing to the upstream side. Therefore, the accumulation of the impurity gas in the unit cell can be prevented only by discharging a minute amount of gas. At this time, since the concentration of the impurity gas is increased only in the vicinity of the discharge port, since the impurity gas is hardly present when viewed in the entire unit cell, the power generation efficiency can be maintained high.
また、水素ガス供給の最終段となる前記単位セルに対して、前記水素ガス流路部の流路断面積を基準として計算される供給ガスの線流速が0.1m/秒以上となるように水素ガスを供給することが好ましい。これによって、より確実に不純物ガスを上流側へ拡散させずに下流側に濃縮することができる。 In addition, the linear velocity of the supply gas calculated on the basis of the cross-sectional area of the hydrogen gas flow path is 0.1 m / sec or more for the unit cell that is the final stage of hydrogen gas supply. It is preferable to supply hydrogen gas. As a result, the impurity gas can be more reliably concentrated downstream without diffusing upstream.
また、前記単位セルから排出されるガス中に含まれる水素ガスの濃度が50体積%未満であることが好ましい。これにより、不純物ガスを高濃度で効率良く系外に排出することができる。 Moreover, it is preferable that the density | concentration of the hydrogen gas contained in the gas discharged | emitted from the said unit cell is less than 50 volume%. Thereby, impurity gas can be efficiently discharged | emitted out of the system with high concentration.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明における燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図2は、本発明における燃料電池の単位セルの一例を示す縦断面図である。図3は、複数の単位セルで構成された本発明における燃料電池の一例を示す概略構成図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an assembled perspective view showing an example of a unit cell of a fuel cell according to the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an example of a unit cell of the fuel cell according to the present invention. FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an example of a fuel cell according to the present invention configured by a plurality of unit cells.
本発明における燃料電池は、図1〜図3に示すように、板状の固体高分子電解質1と、その固体高分子電解質1の一方側に配置されたカソード側電極板2と、他方側に配置されたアノード側電極板3と、前記カソード側電極板2に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、前記アノード側電極板3に水素ガスを供給する水素ガス流路部とで形成される単位セルUCの単数又は複数を備える。本実施形態では、図3に示すように、複数の単位セルUCで燃料電池が構成される例を示す。
As shown in FIGS. 1 to 3, the fuel cell according to the present invention includes a plate-shaped
まず、単位セルUCについて説明する。本実施形態では、図1〜図2に示すように、アノード側金属板5にエッチングにより水素ガスの流路溝9が形成されて水素ガス流路部が構成され、カソード側金属板4に空気を自然供給するための開口部4cが形成されて酸素含有ガス供給部が構成されている単位セルUCを用いる例を示す。このように、金属板4,5によってガス供給部が構成されることにより、燃料電池の薄型化・軽量化を図ることができる。
First, the unit cell UC will be described. In this embodiment, as shown in FIGS. 1 to 2, a hydrogen
固体高分子電解質1としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン(登録商標)が好適に用いられる。
The
その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。 In addition, for example, a porous film made of a fluororesin such as polytetrafluoroethylene impregnated with the above Nafion or other ion conductive material, a porous film made of a polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, or a non-woven fabric. A material carrying Nafion or another ion conductive material may be used.
固体高分子電解質1の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、10〜300μmが使用可能であるが、25〜50μmが好ましい。
The thinner the
電極板2,3は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板2,3としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質1と接する内面2b,3bに少なくとも担持させるのが好ましい。
The
電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板2,3は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。
As the electrode base material, for example, conductive carbon materials such as carbon paper, fibrous carbon such as carbon fiber nonwoven fabric, and aggregates of conductive polymer fibers can be used. In general, the
一般に、電極板2,3や固体高分子電解質1は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気、純酸素等の酸素含有ガスが用いられると共に、還元ガス(燃料)として水素ガスが用いられる。本発明では、空気が自然供給される側のカソード側電極板2では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。
In general, the
水素ガスは、水素ガスの排出量を少なくして、安定かつ継続して効率良く発電を行う理由から、水素ガスの純度95%以上が好ましく、純度99%以上がより好ましく、純度99.9%以上が更に好ましい。 Hydrogen gas preferably has a purity of 95% or more, more preferably 99% or more, and a purity of 99.9% because hydrogen gas discharge is reduced and power generation is performed stably and continuously efficiently. The above is more preferable.
触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも1種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。 As the catalyst, at least one metal selected from platinum, palladium, ruthenium, rhodium, silver, nickel, iron, copper, cobalt and molybdenum, or an oxide thereof can be used. A supported one can also be used.
電極板2,3の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、50〜500μmが好ましい。
The thickness of the
電極板2,3と固体高分子電解質1とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体(Membrane Electrode Assembly:MEA)として入手することもでき、これを使用してもよい。
The
本実施形態では、カソード側電極板2の表面にはカソード側金属板4が配置され、アノード側電極板3の表面にはアノード側金属板5が配置される。また、アノード側金属板5には水素ガスの注入口5c及び排出口5dが設けられ、その間に流路溝9が設けられている。
In the present embodiment, the cathode
本発明では、酸素含有ガス供給部には、カソード側から外部へ水分の拡散を抑制する拡散抑制機構が設けてあることが好ましい。本実施形態では、カソード側金属板4に、空気中の酸素を自然供給するための開口部4cが設けられており、これが拡散抑制機構として機能する拡散抑制板に相当し、その拡散抑制板を介して空気を自然供給できるように構成してある。
In the present invention, the oxygen-containing gas supply unit is preferably provided with a diffusion suppression mechanism that suppresses diffusion of moisture from the cathode side to the outside. In this embodiment, the cathode
拡散抑制板であるカソード側金属板4には、カソード側電極板2の面積に対して開口率10〜30%で開口部4cを設けることが好ましい。このような開口率とする場合、この開口率の範囲内であれば、開口部4cの個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。なお、上記の開口率の範囲内であれば、カソード側電極板2からの集電も十分行うことができる。カソード側金属板4の開口部4cは、例えば規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けることができる。
The cathode
金属板4,5としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。金属板4,5には、電極板2,3との接触抵抗を低減するために、金メッキなどの貴金属メッキを施すのが好ましい。
As the
本発明では、不純物ガスを上流側へ拡散させずに下流側に濃縮する観点から、水素ガス供給の最終段となる単位セルUCについて、水素ガス流路部の流路断面積をアノード側電極板3の面積の1%以下にする。この割合は、0.5%以下が好ましく、0.2%以下がより好ましく、0.001〜0.1%が更に好ましい。本発明において、水素ガス流路部の流路断面積とは、電極板3が完全に平面と仮定した場合に、流路として形成される空間の流路方向に垂直な断面の面積を指す。この面積が殆どゼロであっても、電極板3の多孔質空隙部を水素ガスが流れることにより、発電を行うことができる。また、アノード側電極板3の面積とは、電極反応の有無に係わらず、アノード側電極板3の全体の面積を指す。 In the present invention, from the viewpoint of concentrating the impurity gas to the downstream side without diffusing to the upstream side, for the unit cell UC that is the final stage of the hydrogen gas supply, the channel cross-sectional area of the hydrogen gas channel part is set to the anode side electrode plate 3% or less of 3 area. This ratio is preferably 0.5% or less, more preferably 0.2% or less, and still more preferably 0.001 to 0.1%. In the present invention, the channel cross-sectional area of the hydrogen gas channel portion refers to the area of a cross section perpendicular to the channel direction of the space formed as a channel when the electrode plate 3 is assumed to be completely flat. Even if this area is almost zero, power can be generated by flowing hydrogen gas through the porous voids of the electrode plate 3. Moreover, the area of the anode side electrode plate 3 refers to the entire area of the anode side electrode plate 3 regardless of the presence or absence of an electrode reaction.
このように、流路断面積を小さくするには、流路溝の深さを小さくしたり、流路の長さを長くして流路の幅を小さくするのが有効である。 Thus, in order to reduce the channel cross-sectional area, it is effective to reduce the depth of the channel groove or to increase the length of the channel to reduce the width of the channel.
上記の流路断面積以外については、アノード側金属板5に設けられる流路溝9は、電極板3との接触により水素ガス等の流路が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。但し、流路密度、積層時の積層密度、屈曲性などを考慮すると、金属板5の一辺に平行な縦溝9aと垂直な横溝9bを主に形成するのが好ましい。本実施形態では、複数本(図示した例では3本)の縦溝9aが横溝9bに直列接続されるようにして、流路密度と流路長のバランスを取っている。
Except for the above-mentioned channel cross-sectional area, the
なお、このような金属板5の流路溝9の一部(例えば横溝9b)を電極板3の外面に形成してもよい。電極板3の外面に流路溝を形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板2,3の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。
A part of the channel groove 9 (for example, the
金属板5の流路溝9に連通する注入口5cは、1個又は複数を形成することができる。排出口5dは、1個だけ形成するのが好ましく、流路溝9の下流側端に設けるのが好ましい。排出口5dが流路溝9の下流側端に近づくほど、より高い濃度に濃縮した不純物ガスを効率良く排出するのが可能になる。
One or a plurality of
なお、金属板4,5の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、0.1〜1mmが好ましい。
In addition, although the thickness of the
金属板5に流路溝9を形成する方法としては、加工の精度や容易性から、エッチングが好ましい。例えばエッチングによる流路溝9では、幅0.1〜10mm、深さ0.05〜1mmが好ましい。また、流路溝9の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、V字形などが好ましい。
Etching is preferable as a method of forming the
金属板4への開口部4cの形成、金属板4,5の外縁部の薄肉化、金属板5への注入口5c等の形成についても、エッチングを利用するのが好ましい。
Etching is also preferably used for forming the opening 4 c in the
エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板4,5の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、2種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝9の断面形状や薄肉化した外縁部の厚みをより高精度に制御することができる。
Etching can be performed using, for example, a dry film resist or the like, after forming an etching resist having a predetermined shape on the metal surface, and then using an etching solution corresponding to the type of the
図2に示す実施形態は、金属板4,5のカシメ部(外縁部)をエッチングにより厚みを薄くした例である。このように、カシメ部をエッチングして適切な厚さにすることで、カシメによる封止をより容易に行うことができる。この観点から、カシメ部の厚みとしては、0.05〜0.3mmが好ましい。
The embodiment shown in FIG. 2 is an example in which the caulking portions (outer edge portions) of the
本発明では、カソード側電極板2に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、アノード側電極板3に水素ガスを供給する水素ガス流路部とが形成されていれば、流路部等の形成構造は何れでもよい。金属板4,5で流路部等を形成する場合には、金属板4,5の周縁は、電気的に絶縁した状態で曲げプレスにより封止することが好ましい。本実施形態では、カシメにより封止されている例を示す。
In the present invention, if an oxygen-containing gas supply unit that supplies an oxygen-containing gas to the cathode-
電気的な絶縁は、絶縁材料6や固体高分子電解質1の周縁部、又はその両者を介在させることで行うことができる。絶縁材料6を用いる場合、その厚みとしては、薄型化の観点から、0.1mm以下が好ましい。なお、絶縁材料をコーティングすることにより、更なる薄型化が可能である(例えば絶縁材料6の厚み1μmも可能)。
Electrical insulation can be performed by interposing the insulating
絶縁材料6としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましく、特にポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミドが好ましい。絶縁材料6は、金属板4,5の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板4,5に一体化しておくことも可能である。
As the insulating
カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図2に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板5の外縁部5aを他方の外縁部4aより大きくしておき、絶縁材料6を介在させつつ、一方の金属板5の外縁部5aを他方の金属板4の外縁部4aを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレス加工等によって、金属板4の外縁部4aに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。
As the caulking structure, the structure shown in FIG. 2 is preferable from the viewpoint of sealing performance, ease of manufacture, thickness, and the like. That is, the
本発明における燃料電池は、図1〜図3に示すように、水素ガス供給の最終段Snとなる単位セルUCについて、水素ガス流路部の排出口5dには、最終段Snの単位セルUCからのガスの排出量を制御する排出制御機構が設けられる。本実施形態では、排出制御機構として、一次側の圧力が一定以下になるようにガスを排出させる圧力制御弁10を設けた例を示す。
As shown in FIGS. 1 to 3, the fuel cell according to the present invention has a unit cell UC of the final stage Sn in the
本発明における、排出制御機構からのガスの排出は、間欠的でも連続的でもよく、一定量でも排出量が変化してもよい。但し、不純物ガスの濃縮状態を安定化し、発電効率を高く維持する観点から、ほぼ一定量でガスを排出するのが好ましい。 The discharge of the gas from the discharge control mechanism in the present invention may be intermittent or continuous, and the discharge amount may be changed even at a constant amount. However, from the viewpoint of stabilizing the concentration state of the impurity gas and maintaining high power generation efficiency, it is preferable to discharge the gas in a substantially constant amount.
本発明における排出制御機構では、最終段Snの単位セルUCに供給された水素ガス(厳密には不純物ガスも含む総量)に対して0.02〜4体積%、好ましくは0.05〜3体積%、より好ましくは0.1〜2体積%のガス(不純物ガスを含む)を排出するように制御する。ここで、ガスの排出量が変化する場合は、平均値で求める。ガスの排出量が0.02体積%未満であると、濃縮した不純物ガスが十分排出できず、燃料電池の出力が経時的に低下し、発電が短時間で停止する。またガスの排出量が4体積%を超えると、水素ガスの排出量が多くなり、その排ガス処理やガス放出の問題が生じる。 In the discharge control mechanism of the present invention, 0.02 to 4% by volume, preferably 0.05 to 3% by volume, based on the hydrogen gas (strictly, the total amount including impurity gas) supplied to the unit cell UC of the final stage Sn. %, More preferably 0.1 to 2% by volume of gas (including impurity gas) is controlled. Here, when the gas discharge amount changes, the average value is obtained. If the amount of gas discharged is less than 0.02% by volume, the concentrated impurity gas cannot be discharged sufficiently, the output of the fuel cell decreases with time, and power generation stops in a short time. Further, if the amount of gas discharged exceeds 4% by volume, the amount of hydrogen gas discharged increases, resulting in problems of exhaust gas treatment and gas release.
水素ガスの注入口5cから水素ガスを一定量以上供給すると、内面側空間の圧力が上昇し、圧力制御弁10によって、内面側空間(即ち、水素ガス)の圧力を所定値に制御することができる。これにより、封止部からリークや、金属板5と電極板3との接触不良を防止することも可能である。
When a certain amount or more of hydrogen gas is supplied from the
圧力制御弁10としては、内面側空間の圧力を所定値に制御できれば何れの形式でもよいが、構造を簡易化する上で、自力式の制御弁が好ましく、外部検出型より内部検出型の方がより好ましい。
The
本実施形態では、図4に示すように、弁座11に弁体12を付勢する付勢手段13と、その付勢手段13の付勢力を調節する調節機構14と、弁座11を有し弁体12を収容する弁座空間15と、その弁座空間15まで連通し弁体12によって封鎖可能な導入流路16と、弁座空間15から外部に連通する排出流路17とを備える圧力制御弁10を用いる例を示す。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, an urging means 13 for urging the
圧力制御弁10は、弁座空間15を形成する筒状本体18の連結部18aを、アノード側金属板5の排出口5dに挿入して、端部のカシメを行うことで、気密に連結してある。また、筒状本体18のメネジ部18bに調節機構14のオネジ部14aを螺合してあり、螺合量によって付勢手段13であるバネの長さを調節することで、付勢手段13の付勢力を調節することができる。弁体12は、例えば金属板12bとシリコーンゴム12aとの積層体で形成されている。
The
この圧力制御弁10では、導入流路16を封鎖する弁体12に対する水素ガスの圧力が一定以上になると、付勢手段13の付勢力に抗して弁体12と弁座11との間に隙間が生じて、水素ガスが弁座空間15と排出流路17とを経て外部に排出されるため、内部圧を略一定に維持することができる。また、弁体12を付勢する付勢手段13の付勢力を調節する調節機構14を備えるため、内部圧制御の設定値を変化させることができる。
In this
この圧力制御弁10によると、最も簡易な構成で圧力制御弁を構成できるため、圧力制御弁を小型化・薄型化でき(例えば直径4mm、高さ5mmも可能)、燃料電池全体の薄型化が容易になる。
According to this
本発明では、単位セルUCを1個又は複数個使用することができ、1個の単位セルUCを使用する場合、これが水素ガス供給の最終段となるため、この単位セルUCに排出制御機構が設けられる。複数の単位セルUCを使用する場合、次のように構成される。 In the present invention, one or a plurality of unit cells UC can be used, and when one unit cell UC is used, this is the final stage of hydrogen gas supply, and therefore the unit cell UC has a discharge control mechanism. Provided. When a plurality of unit cells UC are used, the configuration is as follows.
電気的には、各々の単位セルUCは直列に接続されるのが通常であるが、電流値を優先させて並列に接続してもよい。また、電圧が不足する場合には、ブートアップ回路(DC−DCコンバータ)が必要に応じて接続される。 Electrically, the unit cells UC are usually connected in series, but may be connected in parallel with priority given to the current value. When the voltage is insufficient, a boot-up circuit (DC-DC converter) is connected as necessary.
水素ガスについては、初段S1から最終段Snまでの各単位セルUCが直列に接続されるか、直列に接続した単位セルUC群を複数構成し、各々の単位セルUC群に並列に水素ガスを供給することもできる。後者の場合、各々の単位セルUC群の最終段に排出制御機構が設けられる。本発明では、不純物ガスを最終段Snの単位セルUCに効率良く濃縮する観点から、水素ガスを直列に供給する形態が好ましい。 As for hydrogen gas, each unit cell UC from the first stage S1 to the last stage Sn is connected in series, or a plurality of unit cell UC groups connected in series are configured, and hydrogen gas is supplied to each unit cell UC group in parallel. It can also be supplied. In the latter case, a discharge control mechanism is provided at the last stage of each unit cell UC group. In the present invention, from the viewpoint of efficiently concentrating the impurity gas to the unit cell UC of the final stage Sn, a mode in which hydrogen gas is supplied in series is preferable.
図3に示した例では、初段S1から最終段Snまでの各単位セルUCが、水素供給管25で直列に接続され、水素ガスの供給手段である水素ガス発生セル20から初段S1の単位セルUCに水素ガスが供給される。供給された水素ガスは各々の単位セルUCで消費されながら、最終段側に流動し、最終段Snの単位セルUCの排出制御機構から排出される。
In the example shown in FIG. 3, the unit cells UC from the first stage S1 to the last stage Sn are connected in series by the
単位セルUCを使用する際、金属板5の水素ガスの注入口5c及び排出口5dには、直接、水素ガス供給用のチューブを接合することも可能であるが、燃料電池の薄型化を行う上で、厚みが小さく、金属板5の表面に平行なパイプを有するチューブジョイントを設けるのが好ましい。
When the unit cell UC is used, a hydrogen gas supply tube can be directly joined to the
水素ガスの供給方法としては、前記のような圧力制御弁10を用いて、内面側空間の圧力を好適に制御する上で、化学反応により水素ガスを発生させる水素発生器を用いる方法が好ましい。かかる水素発生器としては、ナノ鉄粒子、アルミニウム粉末や反応触媒、又はそれらを多孔質体にしたものを容器内に収容し、加熱手段や水分供給手段を更に備えたものが挙げられる。
As a method for supplying hydrogen gas, a method using a hydrogen generator that generates hydrogen gas by a chemical reaction is preferable in order to suitably control the pressure in the inner surface side space using the
一方、本発明の発電方法は、以上のような燃料電池を用いて好適に行うことができる。即ち、本発明の発電方法は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の一方側に配置されたカソード側電極板と、他方側に配置されたアノード側電極板と、前記カソード側電極板に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給部と、前記アノード側電極板に水素ガスを供給する水素ガス流路部とで形成される単位セルの単数又は複数に、水素ガスと酸素含有ガスとを供給して発電を行う発電方法において、水素ガス供給の最終段となる前記単位セルについて、水素ガスの流動によって不純物ガスを排出口付近に濃縮しながら、濃縮された不純物ガスの量が一定以下になるように単位セルからガスを少量排出しつつ発電を行うことを特徴とする。 On the other hand, the power generation method of the present invention can be suitably performed using the fuel cell as described above. That is, the power generation method of the present invention includes a plate-shaped solid polymer electrolyte, a cathode-side electrode plate disposed on one side of the solid polymer electrolyte, an anode-side electrode plate disposed on the other side, and the cathode Hydrogen gas and oxygen are provided in one or more unit cells formed by an oxygen-containing gas supply unit that supplies an oxygen-containing gas to the side electrode plate and a hydrogen gas flow path unit that supplies hydrogen gas to the anode-side electrode plate. In the power generation method of generating power by supplying the contained gas, the amount of the impurity gas concentrated while concentrating the impurity gas near the outlet by the flow of hydrogen gas in the unit cell that is the final stage of hydrogen gas supply Is characterized in that power generation is performed while discharging a small amount of gas from the unit cell so that is less than a certain value.
その際、水素ガス供給の最終段となる前記単位セルとして、前記水素ガス流路部の流路断面積が前記アノード側電極板の面積の1%以下のものを使用すると共に、水素ガス供給の最終段となる前記単位セルに供給された水素ガスに対して、0.02〜4体積%のガスをその単位セルから排出しながら発電を行うことが好ましい。 At that time, as the unit cell serving as the final stage of the hydrogen gas supply, a unit gas whose cross-sectional area of the hydrogen gas flow path portion is 1% or less of the area of the anode side electrode plate is used. It is preferable to generate electric power while discharging 0.02 to 4% by volume of the gas from the unit cell to the hydrogen gas supplied to the final unit cell.
その際、下流側に効率よく不純物ガスを濃縮する観点から、水素ガス供給の最終段となる前記単位セルに対して、前記水素ガス流路部の流路断面積を基準として計算される供給ガスの線流速が0.1m/秒以上となるように水素ガスを供給するのが好ましい。より好ましくは、供給ガスの線流速が0.5m/秒以上であり、1m/秒以上である。 At this time, from the viewpoint of efficiently concentrating the impurity gas downstream, the supply gas calculated with respect to the cross-sectional area of the hydrogen gas flow path section for the unit cell that is the final stage of hydrogen gas supply It is preferable to supply hydrogen gas so that the linear flow velocity of the gas is 0.1 m / second or more. More preferably, the linear velocity of the supply gas is 0.5 m / second or more and 1 m / second or more.
また、最終段となる単位セルUCから排出されるガス中に含まれる水素ガスの濃度が50体積%未満であることが好ましく、40体積%未満であることがより好ましく、30体積%未満であることが更に好ましい。 Further, the concentration of hydrogen gas contained in the gas discharged from the unit cell UC as the final stage is preferably less than 50% by volume, more preferably less than 40% by volume, and less than 30% by volume. More preferably.
本発明では、排出制御機構を設けた位置における水素ガス流路部の圧力が、7KPa以上が好ましい。これによって、カソード側からの不純物ガスの透過を抑制することができ、排出制御機構からのガスの排出量がより小さくても、発電効率を高く維持することができる。 In the present invention, the pressure of the hydrogen gas flow path portion at the position where the discharge control mechanism is provided is preferably 7 KPa or more. Thereby, the permeation of the impurity gas from the cathode side can be suppressed, and the power generation efficiency can be kept high even if the gas discharge amount from the discharge control mechanism is smaller.
本発明における燃料電池は、水素ガスの排出量が少なく排ガス処理やガス放出の問題が生じにくく、しかも、安定かつ継続して効率良く発電を行うことができるため、特に、携帯電話、ノートPC等のモバイル機器に好適に使用することができる。 The fuel cell according to the present invention has a small amount of hydrogen gas emission, hardly causes problems of exhaust gas treatment and gas release, and can stably and continuously generate power efficiently. It can be suitably used for mobile devices.
但し、上記のような排ガス処理や発電効率の問題は、携帯機器に限られるものではないため、本発明は、自動車用の燃料電池やコージェネなどの発電装置に広く適用することができる。 However, since the problem of exhaust gas treatment and power generation efficiency as described above is not limited to portable devices, the present invention can be widely applied to power generation devices such as fuel cells for automobiles and cogeneration.
[他の実施形態]
(1)前述の実施形態では、排出制御機構として、一次側の圧力が一定以下になるようにガスを排出させる圧力制御弁を使用する例を示したが、本発明における排出制御機構としては、単位セルに供給された水素ガスに対して平均値で0.02〜4体積%のガスを排出できるものであれば何れでもよい。
[Other Embodiments]
(1) In the above-described embodiment, an example of using a pressure control valve that discharges gas so that the pressure on the primary side becomes a certain level or less is used as the discharge control mechanism. However, as the discharge control mechanism in the present invention, Any gas can be used as long as it can discharge 0.02 to 4% by volume of gas on average with respect to the hydrogen gas supplied to the unit cell.
例えば、手動で開度調整可能な弁、あるいは開度調整できないオリフィス、細孔、などいずれでもよい。これらを用いる場合、連続的にガスが排出されるが、間欠的にガスが排出される排出制御機構でもよい。また、定期的に一定時間だけガスを排出させる排出制御機構を設けて、圧力の変化とは無関係に、単位セルから間欠的にガスを排出してもよい。 For example, a valve that can be manually adjusted in opening, or an orifice or a pore that cannot be adjusted in opening may be used. When these are used, the gas is continuously discharged, but a discharge control mechanism that discharges gas intermittently may be used. Further, a discharge control mechanism that periodically discharges gas for a fixed time may be provided, and the gas may be discharged intermittently from the unit cell regardless of the change in pressure.
(2)前述の実施形態では、カソード側電極板の面積に対して一定の開口率で開口部を設けた拡散抑制板(金属板)をカソード側電極板の表面に配置して、酸素含有ガス供給部を形成する例を示したが、酸素含有ガス供給部を、アノード側と同様に酸素含有ガスの流路溝によって構成してもよい。その場合、アノード側金属板と同様に、エッチングやプレス加工により、空気等の酸素含有ガスの流路溝、注入口、排出口を形成し、アノード側金属板と同様に、カソード側金属板の注入口から空気等を供給しつつ発電を行うことができる。その際、カソード側から外部へ水分の拡散を抑制する方法としては、例えば水分を含有する酸素含有ガスを供給する方法が挙げられる。 (2) In the above-described embodiment, an oxygen-containing gas is formed by disposing a diffusion suppression plate (metal plate) having openings at a constant opening ratio with respect to the area of the cathode side electrode plate on the surface of the cathode side electrode plate. Although an example in which the supply unit is formed has been shown, the oxygen-containing gas supply unit may be configured by a flow channel for oxygen-containing gas, similarly to the anode side. In that case, as with the anode side metal plate, the channel groove, the inlet, and the exhaust port for oxygen-containing gas such as air are formed by etching or pressing, and the cathode side metal plate is formed as with the anode side metal plate. Power generation can be performed while supplying air or the like from the inlet. In this case, as a method for suppressing the diffusion of moisture from the cathode side to the outside, for example, a method of supplying an oxygen-containing gas containing moisture can be mentioned.
(3)前述の実施形態では、金属板をカソード側電極板とアノード側電極板との表面に配置して、酸素含有ガス供給部と水素ガス流路部とを形成する例を示したが、金属板の代わりに、その他の材料や、従来から使用されている各種セパレータを用いることも可能である。 (3) In the above-described embodiment, an example in which the metal plate is disposed on the surfaces of the cathode side electrode plate and the anode side electrode plate to form the oxygen-containing gas supply unit and the hydrogen gas flow path unit has been described. Instead of the metal plate, other materials or various separators conventionally used can be used.
また、前述の実施形態では、エッチングによりアノード側金属板に流路溝を形成する例を示したが、本発明では、プレス加工、切削などの機械的な方法により、アノード側金属板に流路溝を形成してもよい。 In the above-described embodiment, an example in which the channel groove is formed in the anode side metal plate by etching has been shown. However, in the present invention, the channel is formed in the anode side metal plate by a mechanical method such as press working or cutting. A groove may be formed.
(4)前述の実施形態では、カソード側金属板の開口部から、そのままカソード側電極板を露出させる例を示したが、本発明では、カソード側金属板に、前記開口部を覆うように疎水性の高分子多孔質膜を積層してもよい。高分子多孔質膜の積層は、カソード側金属板の内側でも外側でもよい。 (4) In the above-described embodiment, the cathode side electrode plate is exposed as it is from the opening of the cathode side metal plate. However, in the present invention, the cathode side metal plate is hydrophobic so as to cover the opening. A porous polymer porous membrane may be laminated. The polymer porous membrane may be laminated on the inside or outside of the cathode side metal plate.
(5)前述の実施形態では、排出制御機構として、一次側の圧力が一定以下になるようにガスを排出させる圧力制御弁を使用する例を示したが、排出制御機構として、二次側のガスの流量が略一定になるように制御する排出制御機構を設けることも可能である。その場合、排ガスの流量を検出して弁の開度をフィードバック制御するのが好ましい。 (5) In the above-described embodiment, an example in which a pressure control valve that discharges gas so that the pressure on the primary side becomes a certain level or less is used as the discharge control mechanism. It is also possible to provide a discharge control mechanism for controlling the gas flow rate to be substantially constant. In that case, it is preferable to detect the flow rate of the exhaust gas and feedback control the opening of the valve.
以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。 Examples and the like specifically showing the configuration and effects of the present invention will be described below.
実施例1
耐食性を有するSUS(50mm×26mm×0.3mm厚)に溝(幅0.8mm、深さ0.2mm、間隔1.6mm、本数21本)、及び周辺カシメ部、ガス導入、排出孔を塩化第二鉄水溶液によるエッチングにより設け、これをアノード側金属板とした。このときアノード側金属板に設けられた水素ガス流路部の流路断面積は、0.16mm3であった。同様に、耐食性を有するSUS(50mm×26mm×0.3mm厚)に貫通孔(0.6mmφ、ピッチ1.5mm、個数357個、接触領域の開口率13%)、及び周辺カシメ部、ガス導入、排出孔を塩化第二鉄水溶液によるエッチングにより設け、これをカソード側金属板とした。そして絶縁シート(50mm×26mm×2mm幅、厚み80μm)をSUSに張り合わせた。
Example 1
Corrosion-resistant SUS (50 mm x 26 mm x 0.3 mm thick) with grooves (width 0.8 mm, depth 0.2 mm, spacing 1.6 mm, number 21), peripheral caulking part, gas introduction and discharge holes are chlorinated This was provided by etching with a ferric aqueous solution, and this was used as the anode side metal plate. At this time, the channel cross-sectional area of the hydrogen gas channel provided in the anode side metal plate was 0.16 mm 3 . Similarly, SUS (50 mm × 26 mm × 0.3 mm thickness) having corrosion resistance has through holes (0.6 mmφ, pitch 1.5 mm, number 357, contact
また、薄膜電極組立体(49.3mm×25.3mm)は、下記のようにして作製した。白金触媒は、米国エレクトロケム社製20%白金担持カーボン触媒(EC−20−PTC)を用いた。この白金触媒と、カーボンブラック(アクゾ社ケッチェンブラックEC)、ポリフッ化ビニリデン(カイナー)を、それぞれ75重量%、15重量%、10重量%の割合で混合し、ジメチルホルムアミドを、2.5重量%のポリフッ化ビニリデン溶液となるような割合で、上記白金触媒、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデンの混合物中に加え、乳鉢中で溶解・混合して、触媒ペーストを作製した。カーボンペーパー(東レ製TGP−H−90、厚み370μm)を20mm×43mmに切断し、この上に、上記のようにして作製した触媒ペースト約20mgをスパチュラにて塗布し、80℃の熱風循環式乾燥機中で乾燥した。このようにして4mgの触媒組成物が担持されたカーボンペーパーを作製した。白金担持量は、0.6mg/cm2 である。 A thin film electrode assembly (49.3 mm × 25.3 mm) was prepared as follows. As the platinum catalyst, a 20% platinum-supported carbon catalyst (EC-20-PTC) manufactured by US Electrochem Co., Ltd. was used. This platinum catalyst, carbon black (Akzo Ketjen Black EC), and polyvinylidene fluoride (Kayner) were mixed at a ratio of 75% by weight, 15% by weight, and 10% by weight, respectively, and dimethylformamide was added by 2.5% by weight. The catalyst paste was prepared by adding to the mixture of the platinum catalyst, carbon black, and polyvinylidene fluoride in such a ratio as to give a% polyvinylidene fluoride solution, and dissolving and mixing in a mortar. Carbon paper (TGP-H-90 manufactured by Toray, thickness 370 μm) is cut into 20 mm × 43 mm, and about 20 mg of the catalyst paste prepared as described above is applied with a spatula and heated at 80 ° C. Dried in the dryer. Thus, a carbon paper carrying 4 mg of the catalyst composition was produced. The amount of platinum supported is 0.6 mg / cm 2 .
上記のようにして作製した白金触媒担持カーボンペーパーと、固体高分子電解質(陽イオン交換膜)としてナフィオンフィルム(デュポン社製ナフィオン112、25.3mm×49.3mm、厚み50μm)を用い、その両面に、金型を用いて、135℃、2MPaの条件にて2分間ホットプレスした。こうして得られた薄膜電極組立体を上記のSUS板2枚の中央で挟み込み、図2に示すようにカシメ合わせることで、外寸50mm×26mm×1.4mm厚という薄型小型のマイクロ燃料電池を得る事ができた。この単位セルの水素ガス流路部の流路断面積は、アノード側電極板の面積に対して、0.019%であった。これを単位セルとし、図3に示すように、3個の単位セルを直列(ガスおよび電気)に接続して燃料電池を構成した。
Using both the platinum catalyst-supported carbon paper produced as described above and a Nafion film (Nafion 112 manufactured by DuPont, 25.3 mm × 49.3 mm,
このマイクロ燃料電池の電池特性を評価した。燃料電池特性は、東陽テクニカ製燃料電池評価システムを用い、室温下、アノード側に水素ガス(純度100%)を流し、カソード側は大気開放とし、電流1.0A(電流密度120mA/cm2)の一定運転で測定した。その際、水素ガスの供給ガス流量は、最上流の単位セルに対して22.8mL/min、最終段の単位セルに対して7.6mL/minであった。また、最終段の単位セルの排出口に圧力制御弁を設けて、これを調節することで(設定圧力10KPa)、平均のガスの排出量を0.1mL/minとした。つまり、最終段の単位セルに供給された水素ガスに対して1.3体積%のガスを排出するように設定した。
The battery characteristics of this micro fuel cell were evaluated. The fuel cell characteristics were measured using a fuel cell evaluation system manufactured by Toyo Technica, flowing hydrogen gas (
その際の電圧の経時変化を図5に示す。この結果から、略同一の出力電圧値を長期間にわたって維持できることが判った。 FIG. 5 shows the change with time in voltage. From this result, it was found that substantially the same output voltage value can be maintained over a long period of time.
比較例1
実施例1において、圧力制御弁を設けずに、最終段の単位セルからガスを排出させないようにしたこと以外は、実施例1と同じ方法で燃料電池を作製し、燃料電池特性を評価した。その結果を図5に示す。この結果が示すように、単位セルからガスを排出させない場合、燃料電池の出力電圧が約20分で半分以下になり、発電が早期に停止することが判った。
Comparative Example 1
In Example 1, a fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that no gas was discharged from the final unit cell without providing a pressure control valve, and the fuel cell characteristics were evaluated. The result is shown in FIG. As shown in this result, it was found that when the gas was not discharged from the unit cell, the output voltage of the fuel cell became half or less in about 20 minutes, and the power generation stopped early.
参考例1
実施例1において、電流1.0Aの一定運転を行いながら、圧力制御弁を設けずに、最終段の単位セルからの平均ガスの排出量を4.56mL/min(総供給量の20体積%)としたこと以外は、実施例1と同じ方法で燃料電池を作製し、燃料電池特性を評価した。その結果を図5に示す。この結果が示すように、参考例1では実施例1と比較して若干、電圧が上昇するものの、実施例1と殆ど差がないことが判明した。
Reference example 1
In Example 1, the discharge amount of the average gas from the unit cell of the final stage was 4.56 mL / min (20 vol% of the total supply amount) without providing a pressure control valve while performing a constant operation at a current of 1.0 A. Except for the above, a fuel cell was produced in the same manner as in Example 1, and the fuel cell characteristics were evaluated. The result is shown in FIG. As shown by this result, it was found that in Reference Example 1, although the voltage slightly increased compared to Example 1, there was almost no difference from Example 1.
実施例2
実施例1において、電流0.5Aの一定運転(最終段の単位セルに対して3.8mL/min供給)を行いながら、最終段の単位セルに供給された水素ガスに対して1.3体積%のガスを排出したこと以外は、実施例1と同じ方法で燃料電池を作製し、燃料電池特性を評価した。その結果を図5に示す。この結果が示すように、略同一の出力電圧値を長期間にわたって維持できることが判った。
Example 2
In Example 1, while performing a constant operation at a current of 0.5 A (supplying 3.8 mL / min to the final unit cell), 1.3 volumes with respect to the hydrogen gas supplied to the final unit cell. A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that% gas was discharged, and the fuel cell characteristics were evaluated. The result is shown in FIG. As this result shows, it was found that substantially the same output voltage value can be maintained over a long period of time.
比較例2
比較例1において、電流0.5Aの一定運転(最終段の単位セルに対して3.8mL/min供給)を行いながら、最終段の単位セルからガスを排出させないようにしたこと以外は、比較例1と同じ方法で燃料電池を作製し、燃料電池特性を評価した。その結果を図5に示す。この結果が示すように、単位セルからガスを排出させない場合、燃料電池の出力電圧が約15分で半分以下になり、発電が早期に停止することが判った。
Comparative Example 2
In Comparative Example 1, a comparison was made except that gas was not discharged from the final unit cell while performing a constant operation at a current of 0.5 A (supplying 3.8 mL / min to the final unit cell). A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1, and the fuel cell characteristics were evaluated. The result is shown in FIG. As shown by this result, it was found that when the gas was not discharged from the unit cell, the output voltage of the fuel cell became less than half in about 15 minutes, and the power generation stopped early.
実施例3
実施例1において、電流1.5Aの一定運転(最終段の単位セルに対して11.4mL/min供給)を行いながら、最終段の単位セルに供給された水素ガスに対して1.3体積%のガスを排出したこと以外は、実施例1と同じ方法で燃料電池を作製し、燃料電池特性を評価した。その結果を図5に示す。この結果が示すように、略同一の出力電圧値を長期間にわたって維持できることが判った。
Example 3
In Example 1, while performing a constant operation at a current of 1.5 A (supplying 11.4 mL / min to the unit cell of the final stage), 1.3 volumes of hydrogen gas supplied to the unit cell of the final stage A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that% gas was discharged, and the fuel cell characteristics were evaluated. The result is shown in FIG. As this result shows, it was found that substantially the same output voltage value can be maintained over a long period of time.
比較例3
比較例1において、電流1.5Aの一定運転(最終段の単位セルに対して11.4mL/min供給)を行いながら、最終段の単位セルからガスを排出させないようにしたこと以外は、比較例1と同じ方法で燃料電池を作製し、燃料電池特性を評価した。その結果を図5に示す。この結果が示すように、単位セルからガスを排出させない場合、燃料電池の出力電圧が約30分で半分以下になり、発電が早期に停止することが判った。
Comparative Example 3
In Comparative Example 1, a comparison was made except that gas was not discharged from the final unit cell while performing a constant operation at a current of 1.5 A (11.4 mL / min supplied to the final unit cell). A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1, and the fuel cell characteristics were evaluated. The result is shown in FIG. As shown by this result, it was found that when the gas was not discharged from the unit cell, the output voltage of the fuel cell became less than half in about 30 minutes, and the power generation stopped early.
実施例4
実施例1において、電流1.0Aの一定運転(最終段の単位セルに対して7.6mL/min供給)を行いながら、最終段の単位セルからのガスの排出量を0〜12cc/hに変えたこと以外は、実施例1と同じ方法で燃料電池を作製し、燃料電池特性を評価した。その結果を図6に示す。この結果が示すように、0.6cc/h(排出量0.13体積%)以上では、略同一の出力電圧値を長期間にわたって維持でき、0cc/h(0体積%)との間に臨界値があることが判った。
Example 4
In Example 1, while performing a constant operation at a current of 1.0 A (supplying 7.6 mL / min to the unit cell of the final stage), the gas discharge rate from the unit cell of the final stage is 0 to 12 cc / h. Except for the change, a fuel cell was produced in the same manner as in Example 1, and the fuel cell characteristics were evaluated. The result is shown in FIG. As shown in this result, at 0.6 cc / h (discharge amount 0.13% by volume) or more, substantially the same output voltage value can be maintained over a long period of time, and it is critical between 0 cc / h (0% by volume). It turns out that there is a value.
実施例5
実施例1において、排出口に設けた圧力制御弁で5KPaの圧力に設定し、電流1.0Aの一定運転(最終段の単位セルに対して7.6mL/min供給)を行いながら、最終段の単位セルからのガスの排出量を4.0〜8.0cc/hに変えたこと以外は、実施例1と同じ方法で燃料電池を作製し、燃料電池特性を評価した。その結果を図7に示す。この結果が示すように、7.7cc/h(排出量1.7体積%)以上では、略同一の出力電圧値を長期間にわたって維持でき、5.4cc/h(1.2体積%)との間に臨界値があることが判った。
Example 5
In Example 1, the pressure control valve provided at the discharge port was set to a pressure of 5 KPa, and while the constant operation at a current of 1.0 A (7.6 mL / min supply to the unit cell of the final stage) was performed, the final stage A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of gas discharged from the unit cell was changed to 4.0 to 8.0 cc / h, and the fuel cell characteristics were evaluated. The result is shown in FIG. As shown by this result, when the output voltage is 7.7 cc / h (discharging amount 1.7% by volume) or more, substantially the same output voltage value can be maintained over a long period of time, and 5.4 cc / h (1.2% by volume). It was found that there was a critical value between.
実施例6
実施例1において、排出口に設けた圧力制御弁で5KPaの圧力に設定し、電流1.0Aの一定運転(最終段の単位セルに対して7.6mL/min供給)を行いながら、最終段の単位セルからのガスの排出量を5〜15cc/hに変えたこと以外は、実施例1と同じ方法で燃料電池を作製し、排ガスの組成をガスクロマトグラフィーで測定した。その結果を図8に示す。この結果が示すように、ガスの排出量が5cc/h〜10cc/hの場合には、排ガス中の水素ガスの濃度が50体積%未満となることが判った。この結果と実施例1と参考例1との対比から、圧力制御弁の近傍のみに不純物ガスが濃縮されており、このため発電効率が高くなっていることがわかる。
Example 6
In Example 1, the pressure control valve provided at the discharge port was set to a pressure of 5 KPa, and while the constant operation at a current of 1.0 A (7.6 mL / min supply to the unit cell of the final stage) was performed, the final stage A fuel cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of gas discharged from the unit cell was changed to 5 to 15 cc / h, and the composition of the exhaust gas was measured by gas chromatography. The result is shown in FIG. As shown by this result, it was found that when the gas discharge amount is 5 cc / h to 10 cc / h, the concentration of hydrogen gas in the exhaust gas is less than 50% by volume. From the comparison between this result and Example 1 and Reference Example 1, it can be seen that the impurity gas is concentrated only in the vicinity of the pressure control valve, and thus the power generation efficiency is high.
1 固体高分子電解質
2 カソード側電極板
3 アノード側電極板
4 カソード側金属板
4c 開口部
5 アノード側金属板
5c 注入口
5d 排出口
9 流路溝
10 圧力制御弁(排出制御機構)
Sn 最終段
UC 単位セル
DESCRIPTION OF
Sn Last stage UC Unit cell
Claims (4)
水素ガス供給の最終段となる前記単位セルについて、水素ガスの流動によって不純物ガスを排出口付近に濃縮しながら、濃縮された不純物ガスの量が一定以下になるように単位セルからガスを少量排出しつつ発電を行うことを特徴とする発電方法。 A plate-shaped solid polymer electrolyte, a cathode-side electrode plate disposed on one side of the solid polymer electrolyte, an anode-side electrode plate disposed on the other side, and an oxygen-containing gas supplied to the cathode-side electrode plate To generate power by supplying hydrogen gas and oxygen-containing gas to one or a plurality of unit cells formed by the oxygen-containing gas supply section and the hydrogen gas flow path section for supplying hydrogen gas to the anode-side electrode plate. In the power generation method to be performed,
For the unit cell that is the final stage of hydrogen gas supply, a small amount of gas is discharged from the unit cell so that the amount of the concentrated impurity gas is below a certain level while the impurity gas is concentrated near the discharge port by the flow of hydrogen gas. A power generation method characterized in that power generation is performed.
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JP2012508950A (en) * | 2008-11-13 | 2012-04-12 | トルンプフ ヴェルクツォイクマシーネン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト | Fuel cell without bipolar plate |
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