WO2011040182A1 - 燃料電池装置 - Google Patents

燃料電池装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2011040182A1
WO2011040182A1 PCT/JP2010/065113 JP2010065113W WO2011040182A1 WO 2011040182 A1 WO2011040182 A1 WO 2011040182A1 JP 2010065113 W JP2010065113 W JP 2010065113W WO 2011040182 A1 WO2011040182 A1 WO 2011040182A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
hydrogen
fuel cell
fuel
reaction
cell device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2010/065113
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
勝一 浦谷
暢久 石田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Konica Minolta Inc
Original Assignee
Konica Minolta Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Konica Minolta Inc filed Critical Konica Minolta Inc
Priority to EP10820302.7A priority Critical patent/EP2485311A4/en
Priority to JP2011502963A priority patent/JP4788847B2/ja
Priority to US13/498,497 priority patent/US8962201B2/en
Publication of WO2011040182A1 publication Critical patent/WO2011040182A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/065—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by dissolution of metals or alloys; by dehydriding metallic substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide or air
    • C01B3/34—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide or air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04216—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes characterised by the choice for a specific material, e.g. carbon, hydride, absorbent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/186—Regeneration by electrochemical means by electrolytic decomposition of the electrolytic solution or the formed water product
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0211—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step
    • C01B2203/0216—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step containing a non-catalytic steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0244—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being an autothermal reforming step, e.g. secondary reforming processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/042—Purification by adsorption on solids
    • C01B2203/043—Regenerative adsorption process in two or more beds, one for adsorption, the other for regeneration
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/0475—Composition of the impurity the impurity being carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/062—Hydrocarbon production, e.g. Fischer-Tropsch process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/148—Details of the flowsheet involving a recycle stream to the feed of the process for making hydrogen or synthesis gas
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell device, and more particularly to a fuel cell device having a hydrogen generating member.
  • fuel cells take out electric power from hydrogen and oxygen in the air.
  • the efficiency of the electric power that can be taken out is high, which not only saves energy, but also generates only water and emits CO2. Since it does not emit carbon and nitrogen oxides, it is an environmentally friendly power generation method, and is expected as a trump card for solving global energy and environmental problems.
  • Such fuel cells typically have a solid polymer electrolyte membrane using a solid polymer ion exchange membrane, a solid oxide electrolyte membrane using yttria-stabilized zirconia (YSZ), etc. on both sides of the fuel electrode and the air electrode.
  • One cell structure is formed by sandwiching the outside and sandwiching the outside with a pair of separators.
  • the cell is provided with a hydrogen flow path for supplying, for example, hydrogen, which is a fuel gas, to the fuel electrode, and an air flow path for supplying air to the air electrode. Hydrogen, air (oxygen) are supplied through these flow paths. Is generated by an electrochemical reaction generated by supplying the fuel to the fuel electrode and the air electrode, respectively.
  • the fuel cell needs infrastructure to supply, for example, hydrogen as its fuel.
  • methanol which is relatively easily available as a fuel, has a problem that it takes years to distribute.
  • Patent Document 1 a hydrogen generating member that generates hydrogen by reacting water with predetermined metal fine particles is provided in the fuel cell body, and the hydrogen generated by the hydrogen generating member is reduced.
  • a method of supplying the fuel electrode has been proposed. In this method, water necessary for hydrogen generation is covered by water generated by power generation in the fuel cell body, so that it is not necessary to carry water.
  • the hydrogen generated by the hydrogen generating member is supplied to the fuel electrode, and the fuel electrode oxidizes the supplied hydrogen and generates electricity again by generating electricity, so that hydrogen is supplied from the outside. The power generation operation can be continued without the need.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a long-life fuel cell device capable of maintaining stable performance and sustaining power generation for a long time.
  • a power generation unit that generates power by reaction of hydrogen and oxygen;
  • a hydrogen generating member that generates hydrogen by reaction with water generated together with the power generation, and supplies the generated hydrogen to the power generation unit,
  • a fuel cell device comprising: a reduction control unit that controls to reduce the hydrogen generating member oxidized by the reaction with the generated water.
  • a power generation unit that generates power by a reaction between hydrogen and oxygen, and a hydrogen generation member that generates hydrogen by a reaction with water generated together with the power generation and supplies the generated hydrogen to the power generation unit.
  • a reduction control unit that controls to reduce the hydrogen generating member oxidized by the reaction with the generated water.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell device 1 according to an embodiment.
  • the fuel cell device 1 includes a fuel cell body 10, a reduction control unit 20, and the like.
  • the fuel cell main body 10 is shown in a schematic sectional view, and the reduction control unit 20 is shown in a block diagram.
  • the fuel cell body 10 includes an electrolyte membrane 101, a fuel electrode 102, an air electrode 103, a hydrogen generation member 105, a heater 107, a temperature sensor 108, a cover member 110, and the like.
  • the fuel cell main body 10 has a MEA (Membrane Electrode Assembly) structure in which a fuel electrode 102 and an air electrode 103 are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane 101.
  • the power generation unit 104 is configured by the electrolyte membrane 101, the fuel electrode 102, and the air electrode 103.
  • a hydrogen generation member 105 that supplies hydrogen as a fuel gas to the fuel electrode 102 is provided on the fuel electrode 102 side, and an air passage 121 that supplies air as an oxidant gas to the air electrode 103 is provided on the air electrode 103 side.
  • hydrogen or methanol can be used as the fuel
  • oxygen-containing gas can be used as the oxidant gas.
  • hydrogen and air are used as fuel and oxidant gas, respectively.
  • a solid oxide electrolyte using stabilized yttria zirconium (YSZ), Nafion (trademark of DuPont), a cation conductive, anion conductive solid polymer electrolyte, or the like can be used as a material of the electrolyte membrane 101.
  • YSZ stabilized yttria zirconium
  • Nafion trademark of DuPont
  • the present invention is not limited thereto, and any material that satisfies the characteristics as an electrolyte of a fuel cell, such as a material that passes hydrogen ions, a material that passes oxygen ions, or a material that passes hydroxide ions may be used.
  • an electrochemical vapor deposition method (CVD-EVD method; Chemical Vapor Deposition-Electrochemical Vapor Deposition) is used in the case of a solid oxide electrolyte, and a coating method is used in the case of a solid polymer electrolyte. be able to.
  • CVD-EVD method Chemical Vapor Deposition-Electrochemical Vapor Deposition
  • the fuel electrode 102 and the air electrode 103 are each composed of a catalyst layer (for example, platinum black or a platinum alloy supported on carbon black) in contact with the electrolyte membrane 101 and a diffusion electrode such as carbon paper laminated on the catalyst layer.
  • a catalyst layer for example, platinum black or a platinum alloy supported on carbon black
  • a diffusion electrode such as carbon paper laminated on the catalyst layer.
  • the hydrogen generating member 105 Fe or Mg alloy that generates hydrogen by a chemical reaction (for example, oxidation), carbon nanotubes that can desorb hydrogen by molecular structure, and the like can be used. Fe that generates hydrogen is used.
  • the hydrogen generating member 105 may not only generate hydrogen but also be capable of occluding (adsorbing) hydrogen. In this case, the hydrogen generation member 105 can be repeatedly used by generating the hydrogen from the hydrogen generation member 105 and then performing an occlusion (adsorption) operation.
  • a material capable of storing hydrogen a hydrogen storage alloy based on Ni, Fe, Pd, V, Mg, or the like can be used.
  • the discharge surface 105a for releasing hydrogen of the hydrogen generation member 105 and the supply surface 102a for supplying hydrogen of the fuel electrode 102 face each other and are arranged in parallel at regular intervals by spacers such as beads (not shown) to generate hydrogen.
  • the discharge surface 105a of the member 105 releases hydrogen in a planar shape.
  • the heater 107 disposed in contact with the entire surface of the hydrogen generation member 105 except for the discharge surface 105a uniformly raises the temperature of the entire hydrogen generation member 105, so that hydrogen is planarized from the discharge surface 105a. Can be released.
  • the hydrogen generating member 105 can release hydrogen from substantially the entire surface of the discharge surface 105 a toward the substantially entire surface of the supply surface 102 a of the fuel electrode 102.
  • the hydrogen generation speed of the hydrogen generation member 105 is made to be substantially constant regardless of the position on the discharge surface 105a. Specifically, thermochemical equilibrium is used. When the temperature of the hydrogen generating member 105 is raised and lowered, hydrogen corresponding to the deviation from the equilibrium state can be generated. Therefore, by making the temperature of the entire hydrogen generating member 105 uniform using the heater 107, Regardless, hydrogen can be generated at a constant rate.
  • the hydrogen generation rate of the hydrogen generation member 105 can be maintained by keeping the hydrogen concentration at the time of battery activation in the space 125 between the fuel electrode 102 and the hydrogen generation member 105 constant regardless of the location. Can be made constant. This is because the power generated from the power generation unit 104 is constant if the hydrogen concentration at the time of battery activation is constant regardless of the location. That is, the amount of hydrogen consumption is constant regardless of the location. In this case, the chemical equilibrium is shifted due to the consumed hydrogen, and hydrogen corresponding to the shift amount is newly generated from the hydrogen generating member 105. Since the amount of hydrogen consumption is constant regardless of location, the rate of hydrogen generation from the hydrogen generating member 105 is also constant regardless of location.
  • the method of making the hydrogen concentration at the time of starting the battery constant regardless of the location may be that hydrogen is enclosed in the space 125 between the fuel electrode 102 and the hydrogen generating member 105 in advance.
  • the encapsulated hydrogen diffuses naturally, and the concentration in the encapsulated space 125 becomes constant, so that the hydrogen concentration can be made constant regardless of the location.
  • the electromotive force generated at the fuel electrode 102 is constant without depending on the location of the fuel electrode 102.
  • a decrease in output due to variations in electromotive force can be suppressed, and fuel efficiency can be increased.
  • the hydrogen generation speed of the hydrogen generation member 105 is substantially constant regardless of the position on the discharge surface 105a, it is possible to further suppress a decrease in output due to variations in electromotive force, thereby further improving fuel efficiency. Can be increased.
  • the discharge surface 105a for releasing hydrogen of the hydrogen generating member 105 and the supply surface 102a for supplying hydrogen of the fuel electrode 102 are opposed to each other and arranged in parallel at regular intervals.
  • the surface 105a and the supply surface 102a may be overlapped and brought into close contact with each other.
  • hydrogen having a more uniform concentration can be supplied over the entire supply surface 102a of the fuel electrode 102, a decrease in output due to variations in electromotive force can be reliably suppressed, and fuel efficiency can be further increased. it can.
  • the cover member 110 is a container that covers the fuel cell main body 10, and an air supply port 122 that supplies air to the air flow path 121 and an air discharge port 123 that discharges excess air are provided on the air electrode 103 side. Air is distributedly supplied to the entire air electrode 103 by passing air from the supply port 122 through the air flow path 121.
  • the fuel cell main body 10 having such a configuration generates power by an electrochemical reaction generated by distributing and supplying hydrogen from the hydrogen generating member 105 to the fuel electrode 102 and supplying air from the air flow path 121 to the air electrode 103. It is. At this time, iron (Fe) that is the hydrogen generating member 105 is oxidized and changed to iron oxide (Fe 3 O 4 ), and the ratio of iron (Fe) in the hydrogen generating member 105 gradually decreases. Details of the power generation operation will be described later.
  • the reduction control unit 20 includes a constant current unit 201, a voltage detection unit 202, a determination unit 203, a switch unit 204, and the like.
  • the reduction control unit 20 causes the fuel cell body 10 to reduce and regenerate the hydrogen generating member 105 that has been oxidized due to the power generation.
  • the reduction control unit 20 electrolyzes water (H 2 O) generated during power generation of the fuel cell main body 10 into the oxidized hydrogen generation member 105 (Fe 3 O 4 ) by the fuel cell main body 10. By reacting hydrogen (H 2 ) produced by the reaction, the oxidized hydrogen generating member (Fe 3 O 4 ) is reduced.
  • the constant current unit 201 supplies the fuel cell body 10 with electric power used for electrolysis.
  • the voltage detection unit 202 detects the output voltage of the constant current unit 201.
  • the determination unit 203 controls the switch unit 204 based on the detection result of the voltage detection unit 202 to turn ON / OFF the supply of power from the constant current unit 201 to the fuel cell main body 10.
  • electric power is supplied to the reduction control unit 20 by connecting the reduction control unit 20 to the power supply 30 provided outside. Details of the reduction operation will be described later.
  • FIG. 2 (a) to 2 (d) are schematic diagrams showing the flow of power generation operation and regeneration operation performed in the fuel cell device 1.
  • FIG. 2 (a) to 2 (d) are schematic diagrams showing the flow of power generation operation and regeneration operation performed in the fuel cell device 1.
  • the fuel electrode 102 and the hydrogen generating member 105 (Fe) are arranged to face each other, and hydrogen (H 2 ) and water (H 2 O) are circulated and used between them. There is no need to provide an introduction mechanism for circulating H 2 ) or water (H 2 O) outside the fuel cell body 10. As a result, it is possible to reduce the size and cost of the fuel cell device.
  • the reduction control unit 20 places the fuel cell body 10 between the fuel electrode 102 and the air electrode 103 in the state shown in FIG. 2C, as shown in FIG.
  • a voltage is applied and energized, in the fuel electrode 102, a reaction represented by the following formula (3) occurs between water (H 2 O) remaining in the space 125 and electrons (e ⁇ ) supplied by the energization, Hydrogen (H 2 ) is generated by electrolysis.
  • the generated hydrogen (H 2 ) is supplied to the hydrogen generating member 105, and the reaction shown in the following formula (4) occurs by the supplied hydrogen (H 2 ), and the hydrogen generating member 105 Iron oxide (Fe 3 O 4 ) is reduced to change to iron (Fe), the ratio of iron (Fe) in the hydrogen generating member 105 gradually increases, and the hydrogen generating member 105 is regenerated.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the relationship between the reduction reaction time, the reduction reaction rate, and the output voltage of the constant current unit 201.
  • the reduction reaction rate in the hydrogen generating member 105 decreases when iron oxide (Fe 3 O 4 ) changes to iron (Fe) by a certain amount (point P1 in FIG. 3).
  • the reaction rate decreases, the generation rate of generated water decreases, and the supply rate of water to the fuel electrode 102 decreases.
  • the rate of electrolysis performed at the fuel electrode 102 decreases, and electrons (e ⁇ ) hardly flow.
  • the output voltage of the constant current unit 201 increases.
  • the ratio of iron (Fe) in the hydrogen generating member 105 that is, the reduction reaction time and the reduction reaction rate have a fixed relationship, and the reduction reaction rate and the output voltage of the constant current unit 201 have a fixed relationship.
  • the determination unit 203 compares the amount of change of the output voltage of the constant current unit 201 detected by the voltage detection unit 202 with respect to the reduction reaction time and a preset threshold value, and when the amount of change exceeds the threshold value. (Point P2 in FIG. 3), the switch unit 204 is controlled, and the supply of power from the constant current unit 201 to the fuel cell main body 10 is stopped. As a result, the reduction operation is stopped.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the relationship between the reduction reaction time, the reduction reaction rate, and the output voltage of the constant current unit 201.
  • the relationship between the reduction reaction time, the reduction reaction rate, and the output voltage of the constant current unit 201 in FIG. 4 is the same as that in FIG.
  • the determination unit 203 compares the output voltage of the constant current unit 201 detected by the voltage detection unit 202 with a preset threshold value Vr (upper limit value), and when the output voltage exceeds the threshold value Vr ( In FIG. 4, point P2), the switch unit 204 is controlled, and the supply of power from the constant current unit 201 to the fuel cell main body 10 is stopped. As a result, the reduction operation is stopped.
  • Vr upper limit value
  • the fuel cell system 1 in the embodiment of the present invention, to generate the hydrogen (H 2) by reaction with generated by the generator water (H 2 O), it generated hydrogen and (H 2)
  • a fuel cell body 10 having a hydrogen generation member 105 to be supplied to the fuel electrode 102, and a hydrogen generation member 105 (Fe 3 O 4 ) oxidized by the reaction with water (H 2 O) is reduced on the fuel cell body 10
  • the reduction control unit 20 is configured to be provided.
  • the reduction control unit 20 reduces and regenerates the oxidized hydrogen generation member 105 (Fe 3 O 4 ). can do.
  • Fuel cell apparatus 10 Fuel cell main body 101 Electrolyte membrane 102 Fuel electrode 103 Air electrode 104 Power generation part 105 Hydrogen generation member 107 Heater 108 Temperature sensor 110 Cover member 121 Air flow path 122 Air supply port 123 Air discharge port 125 Space part 20 Reduction control Unit 201 constant current unit 202 voltage detection unit 203 determination unit 204 switch unit 30 power supply LD load

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

　安定した性能を維持し、長時間発電を持続することが可能な寿命の長い燃料電池装置を提供することを目的とする。そのための燃料電池装置は、水素と酸素の反応により発電する発電部と、前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御する還元制御部と、備える。

Description

燃料電池装置
　本発明は、燃料電池装置に関し、特に水素発生部材を有する燃料電池装置に関する。
　近年、携帯電話、携帯型情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器等の携帯用電子機器の多機能化、高性能化が進展するに伴い、その駆動用電池の大容量化に対する要求が高まってきている。従来、このような携帯用電子機器の駆動用電池としては、リチウム電池やニッカド電池が用いられているが、その容量は、限界に近づいており飛躍的な増大は望めない。そこで、リチウム電池やニッカド電池に代わりエネルギー密度が高く大容量化が可能な燃料電池の開発が盛んに行われている。
　また、燃料電池は、水素と空気中の酸素から電力を取り出すものであり、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高い為、省エネルギーになるだけでなく、発電時の排出物が水のみであり二酸化炭素や窒素酸化物を排出しない為、環境に優れた発電方式であり、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。
　このような燃料電池は、典型的に、固体ポリマーイオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜やイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質膜等を燃料極と空気極とで両側から挟みこみ、その外側を一対のセパレータで挟持して形成されたものを１つのセル構成としている。そして、セルには、燃料極に燃料ガスである例えば水素を供給する水素流路、及び空気極に空気を供給する空気流路が設けられ、これらの流路を介して水素、空気（酸素）をそれぞれ燃料極、空気極に供給することで生じる電気化学反応によって発電するものである。
　しかしながら、燃料電池は、その燃料である例えば水素を供給する為のインフラ整備が必要である。また、燃料として比較的入手が容易なメタノールにおいてもその流通には年月を要するといった問題がある。
　そこで、このような問題に対応する為、特許文献１では、所定の金属微粒子に水を反応させることで水素を発生する水素発生部材を燃料電池本体に設け、該水素発生部材で発生した水素を燃料極に供給する方法が提案されている。この方法では、水素発生に必要となる水を燃料電池本体内で発電により生成された水から賄う為、水の携行が不要となる。水素発生部材で発生した水素は燃料極に供給され、燃料極では、供給された水素を酸化し発電することによって再び水が生成されるといった循環の利用形態となり、外部から水素を供給することを必要とせず発電動作の持続を可能とするものである。
特開２００９－９９４９１号公報
　しかしながら、特許文献１に記載されている構成においては、発電に伴い、水素発生部材の酸化が進行し、水素発生能力が低下する。例えば、水素発生部材として、鉄（Ｆｅ）を用いた場合、下記式（２）に示すように、鉄（Ｆｅ）は水（Ｈ２Ｏ）との反応により酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）に変化し、水素発生部材に占める鉄（Ｆｅ）の割合が低下する。この為、やがては発電を停止し再起困難となる。よって特許文献１に記載している構成では、鉄（Ｆｅ）の酸化が進行して水素発生能力が低下した場合は、水素発生部材を取り出して新しい水素発生部材と交換する手間が生じる。
　４Ｈ２Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ２＋Ｆｅ３Ｏ４　　　　　（２）
　本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、安定した性能を維持し、長時間発電を持続することが可能な寿命の長い燃料電池装置を提供することを目的とする。
　上記目的は、下記に記載の発明によって達成される。
　水素と酸素の反応により発電する発電部と、
　前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、
　前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御する還元制御部と、を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
　本発明によれば、水素と酸素の反応により発電する発電部と、前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御する還元制御部と、を備える構成とした。これにより、発電に伴う水素発生部材の酸化の進行により、水素発生能力が低下した場合、還元制御部により、酸化された水素発生部材を還元し再生することができる。その結果、安定した性能を維持し、長時間発電を持続することが可能な寿命の長い燃料電池装置を実現することができる。
本発明の実施形態における燃料電池装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の実施形態における燃料電池装置で行われる発電動作と再生動作の流れを示す模式図である。 本発明の実施形態における還元反応制御方法の一例による還元反応時間に対する還元反応速度及び定電流部の出力電圧の関係を示す模式図である。 本発明の実施形態における還元反応制御方法の別の例による還元反応時間に対する還元反応速度及び定電流部の出力電圧の関係を示す模式図である。
　以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態における燃料電池装置を説明する。尚、本発明は、該実施の形態に限られない。
　最初に、実施形態における燃料電池装置の構成を図１を用いて説明する。図１は、実施形態における燃料電池装置１の概略構成を示す模式図である。
　燃料電池装置１は、図１に示すように、燃料電池本体１０、還元制御部２０等から構成される。尚、図１において、燃料電池本体１０は断面模式図、還元制御部２０はブロック図で示す。
　燃料電池本体１０は、電解質膜１０１、燃料極１０２、空気極１０３、水素発生部材１０５、ヒータ１０７、温度センサ１０８、及びカバー部材１１０等から構成される。
　燃料電池本体１０は、電解質膜１０１の両面に燃料極１０２と空気極１０３を接合したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ；膜・電極接合体）構造である。これらの電解質膜１０１、燃料極１０２、空気極１０３の３つによって、発電部１０４が構成される。
　燃料極１０２側には燃料極１０２に燃料ガスである水素を供給する水素発生部材１０５が設けられ、空気極１０３側には空気極１０３に酸化剤ガスである空気を供給する空気流路１２１が形成されている。ここで、燃料としては水素やメタノール等、また、酸化剤ガスとしては酸素を含有するガスを用いることができる。本実施形態においては、燃料、酸化剤ガスとしてそれぞれ水素、空気を用いる。
　電解質膜１０１の材料としては、安定化イットリアジルコニウム（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質、ナフィオン（デュポン社の商標）やカチオン導電性、アニオン導電性の固体高分子電解質等を用いることができるが、これらに限定されることなく、水素イオンを通すものや酸素イオンを通すもの、また、水酸化物イオンを通すもの等、燃料電池の電解質としての特性を満たすものであればよい。
　電解質膜１０１の成膜方法としては、固体酸化物電解質の場合は、電気化学蒸着法（ＣＶＤ－ＥＶＤ法；Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ－Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、固体高分子電解質の場合は、塗布法等を用いることができる。
　燃料極１０２、空気極１０３は、何れも電解質膜１０１に接する触媒層（例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの）と触媒層に積層されたカーボンペーパ等の拡散電極から構成される。燃料極１０２、空気極１０３の形成方法としては、例えば蒸着法を用いることができる。
　水素発生部材１０５としては、化学反応（例えば酸化）によって水素を発生するＦｅやＭｇ合金、分子の構造によって水素を脱吸着できるカーボンナノチューブ等を用いることができるが、本実施形態においては、酸化により水素を発生するＦｅを用いる。また、水素発生部材１０５は、水素を発生させるだけでなく、水素を吸蔵（吸着）できるものでもよい。この場合、水素発生部材１０５から水素を発生させた後、吸蔵（吸着）作業を行うことで、繰り返し水素発生部材１０５を用いることができる。水素を吸蔵できる材料としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇ等を基材料とする水素吸蔵合金を用いることができる。
　ここで、水素発生部材１０５の水素を放出する放出面１０５ａと燃料極１０２の水素が供給される供給面１０２ａは、対向し図示しないビーズ等のスペーサにより一定の間隔で平行に配置され、水素発生部材１０５の放出面１０５ａは水素を面状に放出する。
　具体的には、水素発生部材１０５の放出面１０５ａを除く全面に接して配置されたヒータ１０７により、水素発生部材１０５全体の温度を一様に上昇させることで、放出面１０５ａから水素を面状に放出させることができる。これにより、水素発生部材１０５は、その放出面１０５ａの略全面から水素を燃料極１０２の供給面１０２ａの略全面に向けて放出することができる。
　また、水素発生部材１０５の水素発生速度は、放出面１０５ａ上の位置に依らず、略一定になるようにする。具体的には熱化学平衡を用いる。水素発生部材１０５の温度を昇降させると、平衡状態からのずれに応じた水素を発生させることができるので、水素発生部材１０５全体の温度を、ヒータ１０７を用いて均一にすることで、場所に依らず一定の速度で水素を発生させることができる。
　また、化学平衡を用いると、燃料極１０２と水素発生部材１０５との間の空間部１２５の電池起動時の水素濃度を場所に依らず一定にしておくことでも、水素発生部材１０５の水素発生速度を一定にすることができる。これは、電池起動時の水素濃度が場所に依らず一定であれば、発電部１０４から発生する電力が一定となる。つまり、水素の消費量も場所に依らず一定となる。この場合、消費された水素によって化学平衡がずれ、そのずれ量に応じた水素が新たに水素発生部材１０５から発生する。水素の消費量が場所に依らず一定なので、水素発生部材１０５からの水素発生速度も場所に依らず一定になる。
　尚、電池起動時の水素濃度を場所に依らず一定にする方法は、予め燃料極１０２と水素発生部材１０５との間の空間部１２５に水素を封入しておけばよい。封入された水素は、自然に拡散し、封入された空間部１２５内での濃度が一定になる為、水素濃度を場所に依らず一定にすることができる。
　これらにより、燃料極１０２の供給面１０２ａ全面に渡り均一な濃度の水素を供給することができるので、燃料極１０２で発生する起電力は、燃料極１０２の場所に依り異なることなく一定となる。その結果、起電力のばらつきによる出力の低下を抑え、燃料効率を高めることができる。また、水素発生部材１０５の水素発生速度は、放出面１０５ａ上の位置に依らず、略一定なるようにしているので、起電力のばらつきによる出力の低下をさらに抑えることができ、燃料効率をより高めることができる。
　尚、本実施形態においては、水素発生部材１０５の水素を放出する放出面１０５ａと燃料極１０２の水素が供給される供給面１０２ａを対向させ一定の間隔で平行に配置する構成としたが、放出面１０５ａと供給面１０２ａを重ねて密着させる構成としてもよい。この場合、燃料極１０２の供給面１０２ａ全面に渡りより均一な濃度の水素を供給することができるので、起電力のばらつきによる出力の低下を確実に抑えることができ、燃料効率をより高めることができる。
　カバー部材１１０は燃料電池本体１０を覆う容器であり、その空気極１０３側には、空気流路１２１に空気を供給する空気供給口１２２、余剰空気を排出する空気排出口１２３が設けられ、空気供給口１２２から空気を空気流路１２１に通すことで空気極１０３全体に空気が分散供給される。
　このような構成の燃料電池本体１０は、水素発生部材１０５から燃料極１０２に水素を分散供給し、空気流路１２１から空気極１０３に空気を分散供給することで生じる電気化学反応によって発電するものである。また、この時、水素発生部材１０５である鉄（Ｆｅ）は酸化され酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）へと変化し、水素発生部材１０５に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に低下していく。尚、発電動作の詳細は後述する。
　還元制御部２０は、定電流部２０１、電圧検知部２０２、判定部２０３、及びスイッチ部２０４等から構成される。還元制御部２０は、発電停止時、燃料電池本体１０に、発電に伴い酸化が進行した水素発生部材１０５を還元させ再生するものである。
　具体的には、還元制御部２０は、酸化された水素発生部材１０５（Ｆｅ３Ｏ４）に、燃料電池本体１０の発電時に生成された水（Ｈ２Ｏ）を燃料電池本体１０で電気分解させることにより生成される水素（Ｈ２）を反応させることにより、酸化された水素発生部材（Ｆｅ３Ｏ４）を還元する。
　定電流部２０１は、燃料電池本体１０に電気分解に用いる電力を供給する。電圧検知部２０２は、定電流部２０１の出力電圧を検知する。判定部２０３は、電圧検知部２０２の検知結果に基づきスイッチ部２０４を制御し、定電流部２０１から燃料電池本体１０への電力の供給をＯＮ／ＯＦＦする。還元動作時には、外部に設けられた電源３０に還元制御部２０を接続することにより還元制御部２０へ電力が供給される。尚、還元動作の詳細は後述する。
　ここで燃料電池装置１で行われる、発電動作、再生（還元）動作の詳細を図２を用いて説明する。図２（ａ）～図２（ｄ）は、燃料電池装置１で行われる発電動作、再生動作の流れを示す模式図である。
　（発電動作）
　先ず、図２（ａ）に示すように、発電の初期状態として、燃料電池本体１０の空間部１２５には、水素（Ｈ２）が封入されている。
　次に、図２（ｂ）に示すように空気供給口１２２を開け、空気流路１２１を介して空気極１０３に空気を供給すると、燃料極１０２では、空間部１２５に封入されている水素（Ｈ２）と空気極１０３でイオン化し電解質膜１０１を通過した酸素イオン（Ｏ２－）とで下記式（１）に示す反応が生じ、電子（ｅ－）が発生し蓄積される。すなわち起電力が発生し発電する。燃料極１０２と空気極１０３の間に負荷ＬＤを接続すると、燃料極１０２に蓄積された電子（ｅ－）は、空気極１０３に流れ負荷ＬＤを駆動することができる。
　Ｈ２＋Ｏ２－→Ｈ２Ｏ＋２ｅ－　　　　　（１）
　また、この時、式（１）で示したように、燃料極１０２では水（Ｈ２Ｏ）が生成される。生成された水（Ｈ２Ｏ）は水素発生部材１０５（Ｆｅ）に供給され、水素発生部材１０５（Ｆｅ）では、供給された水（Ｈ２Ｏ）により下記式（２）に示す反応が生じ、水素（Ｈ２）を発生する。そして、発生した水素（Ｈ２）は燃料極１０２に供給され、燃料極１０２では、供給された水素（Ｈ２）を酸化し発電することによって再び水（Ｈ２Ｏ）が生成されるといった循環の利用形態となり発電動作が持続される。
　このように燃料極１０２と水素発生部材１０５（Ｆｅ）とが対面して配置されており、両者の間で水素（Ｈ２）と水（Ｈ２Ｏ）の循環利用が行われるため、水素（Ｈ２）や水（Ｈ２Ｏ）を循環させるための導入機構を燃料電池本体１０の外部に設ける必要がない。その結果、燃料電池装置の小型化及びコスト削減が可能となる。
　４Ｈ２Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ２＋Ｆｅ３Ｏ４　　　　　（２）
　尚、この時、水素発生部材１０５は、鉄（Ｆｅ）が酸化され酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）へと変化し、水素発生部材１０５に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に低下していく。
　このような状態で、図２（ｃ）に示すように、空気供給口１２２を閉じ、空気極１０３への空気の供給を停止すると、発電を停止させることができる。この時、空間部１２５には、前述の式（１）、式（２）の反応によりそれぞれ生成された水（Ｈ２Ｏ）、水素（Ｈ２）が残留する。
　（再生動作）
　燃料電池本体１０が発電停止時、図２（ｃ）に示した状態で、図２（ｄ）に示すように、還元制御部２０より燃料電池本体１０の燃料極１０２と空気極１０３の間に電圧を印加し通電すると、燃料極１０２では、空間部１２５に残留している水（Ｈ２Ｏ）と通電により供給された電子（ｅ－）とで下記式（３）に示す反応が生じ、電気分解により水素（Ｈ２）が発生する。
　Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋Ｏ２－　　　　　（３）
　そして、発生した水素（Ｈ２）は水素発生部材１０５に供給され、水素発生部材１０５では、供給された水素（Ｈ２）により下記式（４）に示す反応が生じ、水素発生部材１０５中の酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）は還元され鉄（Ｆｅ）へと変化し、水素発生部材１０５に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に増加し、水素発生部材１０５は再生される。
　４Ｈ２＋Ｆｅ３Ｏ４→４Ｈ２Ｏ＋３Ｆｅ　　　　　（４）
　また、この時、式（４）で示したように、水素発生部材１０５では水（Ｈ２Ｏ）が生成される。生成された水（Ｈ２Ｏ）は燃料極１０２に供給され、燃料極１０２では、供給された水（Ｈ２Ｏ）を電気分解することによって再び水素（Ｈ２）が生成されるといった循環の利用形態となり再生動作が持続される。
　ところで、このような再生動作においては、還元反応をいつ停止させるかが重要である。還元反応は吸熱反応でもあるため、反応を促進するためには継続して高温加熱することが必要である。しかし、長時間還元反応を継続させると、燃料電池装置１が搭載される機器へ影響を及ぼす。また、過度の還元反応は、燃料極１０２、空気極１０３、及び水素発生部材１０５等の特性を劣化させるといった問題がある。この為、還元反応の制御を適切に行う必要がある。以下に、燃料電池装置１で行われる還元反応制御の方法を説明する。
　（還元反応制御方法１）
　図１、及び図３を用いて還元反応制御方法の一例を説明する。図３は、還元反応時間と還元反応速度、定電流部２０１の出力電圧の関係を示す模式図である。
　水素発生部材１０５における還元反応速度は、酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が鉄（Ｆｅ）に一定量変化した場合低下する（図３中、Ｐ１点）。反応速度が低下すると生成される水の生成速度が低下し、燃料極１０２への水の供給速度が低下する。その結果、燃料極１０２で行われる電気分解の速度が低下し、電子（ｅ－）が流れ難くなる。電子が流れ難くなると定電流部２０１の出力電圧が上昇する。
　つまり、水素発生部材１０５中の鉄（Ｆｅ）の割合すなわち還元反応時間と還元反応速度は一定の関係を有し、還元反応速度と定電流部２０１の出力電圧は一定の関係を有することになる。
　そこで、判定部２０３は、電圧検知部２０２で検知される定電流部２０１の出力電圧の還元反応時間に対する変化量と予め設定しておいた閾値とを比較し、変化量が閾値を上回った時（図３中、Ｐ２点）、スイッチ部２０４を制御し、定電流部２０１から燃料電池本体１０への電力の供給を停止させる。これにより還元動作は停止する。
　このように還元反応制御方法１においては、定電流部２０１の出力電圧の時間に対する変化量が閾値を上回った時、すなわち水素発生部材１０５中の酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が鉄（Ｆｅ）に所定量変化した時、還元動作を停止させるので、過度の還元反応を防止することができる。
　（還元反応制御方法２）
　図１、及び図４を用いて還元反応制御方法の別例を説明する。図４は、還元反応時間と還元反応速度、定電流部２０１の出力電圧の関係を示す模式図である。尚、図４における還元反応時間と還元反応速度、定電流部２０１の出力電圧の関係は、図３の場合と同様なのでその説明は省略する。
　燃料極１０２に印加できる電圧には、上限がある。本来、燃料電池本体１０で行われる化学反応（還元）に必要な酸素イオン（Ｏ２－）のみが電解質膜１０１を通過するよう、定電流部２０１から燃料極１０２に電子（ｅ－）が供給されればよい。しかし、燃料極１０２に印加する電圧がこの上限値を上回ると、還元に寄与しない電子（ｅ－）が燃料極１０２から流れだし、燃料極１０２が劣化してしまう。
　そこで、判定部２０３は、電圧検知部２０２で検知される定電流部２０１の出力電圧と予め設定しておいた閾値Ｖｒ（上限値）とを比較し、出力電圧が閾値Ｖｒを上回った時（図４中、Ｐ２点）、スイッチ部２０４を制御し、定電流部２０１から燃料電池本体１０への電力の供給を停止させる。これにより還元動作は停止する。
　このように還元反応制御方法２においては、定電流部２０１の出力電圧が閾値Ｖｒ（上限値）を上回った時、すなわち水素発生部材１０５中の酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が鉄（Ｆｅ）に所定量変化した時、還元動作を停止させるので、過度の還元反応を防止することができる。
　このように本発明の実施形態における燃料電池装置１においては、発電により生成された水（Ｈ２Ｏ）と反応させることにより水素（Ｈ２）を発生し、発生した該水素（Ｈ２）を燃料極１０２に供給する水素発生部材１０５を有する燃料電池本体１０と、該燃料電池本体１０に、水（Ｈ２Ｏ）との反応により酸化された水素発生部材１０５（Ｆｅ３Ｏ４）を還元させる還元制御部２０と、を備える構成とした。これにより、発電に伴う水素発生部材１０５（Ｆｅ）の酸化の進行により、水素発生能力が低下した場合、還元制御部２０により、酸化された水素発生部材１０５（Ｆｅ３Ｏ４）を還元し再生することができる。その結果、安定した性能を維持し、長時間発電を持続することが可能な寿命の長い燃料電池装置１を実現することができる。
　また、再生動作においては、定電流部２０１の出力電圧の時間に対する変化量が閾値を上回った時や定電流部２０１の出力電圧が閾値Ｖｒ（上限値）を上回った時、すなわち水素発生部材１０５中の酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が鉄（Ｆｅ）に所定量変化した時、還元動作を停止させるようにしたので過度の還元反応を防止することができる。その結果、安全、且つ高い性能を維持することができる。
　１　燃料電池装置
　１０　燃料電池本体
　１０１　電解質膜
　１０２　燃料極
　１０３　空気極
　１０４　発電部
　１０５　水素発生部材
　１０７　ヒータ
　１０８　温度センサ
　１１０　カバー部材
　１２１　空気流路
　１２２　空気供給口
　１２３　空気排出口
　１２５　空間部
　２０　還元制御部
　２０１　定電流部
　２０２　電圧検知部
　２０３　判定部
　２０４　スイッチ部
　３０　電源
　ＬＤ　負荷

Claims (10)

  1. 　水素と酸素の反応により発電する発電部と、
    　前記発電とともに生成される水との反応により水素を発生し、発生した水素を前記発電部に供給する水素発生部材と、を有する燃料電池本体と、
    　前記生成された水との反応により酸化された前記水素発生部材を還元させるよう制御する還元制御部と、
    　を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
  2. 　前記発電部は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成された燃料極と、前記電解質膜の他方の面に形成された空気極とを有し、前記燃料極と前記空気極にそれぞれ水素、酸素を供給することによって生じる反応によって発電することを特徴とする請求項１に記載の燃料電離装置。
  3. 　前記還元制御部は、酸化された前記水素発生部材に、前記燃料電池本体において発生した水素を反応させることにより、前記水素発生部材を還元させるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
  4. 　前記還元制御部は、前記燃料電池本体において電気分解により水素を発生させる際に用いる電力を供給し、
    　前記還元制御部は、酸化された前記水素発生部材の還元速度の変化に基づき、前記電力の供給を制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
  5. 　前記還元制御部は、前記電力を供給する定電流部を備え、
    　前記還元制御部は、前記定電流部の出力電圧に基づき、前記還元速度の変化を検知することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
  6. 　前記還元制御部は、前記定電流部の前記出力電圧の時間に対する変化量が所定の値を上回った時、前記電力の供給を停止するよう制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
  7. 　前記還元制御部は、前記定電流部の前記出力電圧が所定の値を上回った時、前記電力の供給を停止するよう制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
  8. 　前記水素発生部材は、反応により水素を発生する金属又は合金からなることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
  9. 　前記水素発生部材は、前記燃料極と接合され、又は前記燃料極との間に一定の空間を設けて、配置されていることを特徴とする請求項２から８のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
  10. 　前記燃料電池本体は、前記水素発生部材の水素放出面以外の面に接した加熱部材を更に設け、前記加熱部材による加熱によって前記水素発生部材の温度を上昇させ、前記反応による水素の発生を促すことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
PCT/JP2010/065113 2009-09-30 2010-09-03 燃料電池装置 Ceased WO2011040182A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP10820302.7A EP2485311A4 (en) 2009-09-30 2010-09-03 FUEL ELEMENT
JP2011502963A JP4788847B2 (ja) 2009-09-30 2010-09-03 燃料電池装置
US13/498,497 US8962201B2 (en) 2009-09-30 2010-09-03 Fuel cell apparatus

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009226795 2009-09-30
JP2009-226795 2009-09-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011040182A1 true WO2011040182A1 (ja) 2011-04-07

Family

ID=43826010

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2010/065113 Ceased WO2011040182A1 (ja) 2009-09-30 2010-09-03 燃料電池装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8962201B2 (ja)
EP (1) EP2485311A4 (ja)
JP (1) JP4788847B2 (ja)
WO (1) WO2011040182A1 (ja)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011165371A (ja) * 2010-02-05 2011-08-25 Konica Minolta Holdings Inc 燃料電池
WO2012165097A1 (ja) * 2011-06-01 2012-12-06 コニカミノルタホールディングス株式会社 ２次電池型燃料電池システム
WO2012165245A1 (ja) * 2011-06-03 2012-12-06 コニカミノルタホールディングス株式会社 ２次電池型燃料電池システム
JPWO2011077969A1 (ja) * 2009-12-24 2013-05-02 コニカミノルタホールディングス株式会社 反応容器及びそれを用いた燃料電池システム
WO2013111758A1 (ja) 2012-01-24 2013-08-01 コニカミノルタ株式会社 ２次電池型燃料電池システム
JPWO2012008266A1 (ja) * 2010-07-15 2013-09-09 コニカミノルタ株式会社 燃料電池
WO2013137033A1 (ja) 2012-03-12 2013-09-19 コニカミノルタ株式会社 ２次電池型燃料電池システム
WO2013150946A1 (ja) 2012-04-03 2013-10-10 コニカミノルタ株式会社 燃料電池システム
WO2014065135A1 (ja) * 2012-10-23 2014-05-01 コニカミノルタ株式会社 ２次電池型燃料電池システム及びその製造方法
KR102228132B1 (ko) * 2020-11-02 2021-03-17 (주)시그넷이브이 수소연료전지차량 및 전기차량 충전을 위한 ess 시스템

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101621616B1 (ko) * 2014-07-24 2016-05-19 대우조선해양 주식회사 잠수함의 금속연료 재생 시스템 및 방법
NL2034504B1 (en) * 2023-04-05 2024-10-14 Manfred Hermann Weninger Bernhard Hybrid energy storage and electrolyser device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007145686A (ja) * 2005-03-18 2007-06-14 Tokyo Institute Of Technology 水素生成装置、レーザ還元装置、エネルギー変換装置、水素生成方法および発電システム
JP2009062215A (ja) * 2007-09-05 2009-03-26 Nissan Motor Co Ltd 水素発生材料、水素発生材料の製造方法、水素発生材料の容器、水素燃料車両、及び携帯用機器
JP2009099491A (ja) 2007-10-19 2009-05-07 Sharp Corp 燃料電池システムおよび電子機器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4204033A (en) * 1979-01-02 1980-05-20 Massachusetts Institute Of Technology Electrical cell construction
US5492777A (en) * 1995-01-25 1996-02-20 Westinghouse Electric Corporation Electrochemical energy conversion and storage system
US20040126632A1 (en) * 2002-12-27 2004-07-01 Pearson Martin T. Regenerative fuel cell electric power plant and operating method
US7482078B2 (en) * 2003-04-09 2009-01-27 Bloom Energy Corporation Co-production of hydrogen and electricity in a high temperature electrochemical system
WO2005001960A2 (en) * 2003-06-27 2005-01-06 Ultracell Corporation Fuel preheat in fuel cells and portable electronics
EP1860718B1 (en) * 2006-05-23 2012-04-11 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Fuel cell system and operation method therefor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007145686A (ja) * 2005-03-18 2007-06-14 Tokyo Institute Of Technology 水素生成装置、レーザ還元装置、エネルギー変換装置、水素生成方法および発電システム
JP2009062215A (ja) * 2007-09-05 2009-03-26 Nissan Motor Co Ltd 水素発生材料、水素発生材料の製造方法、水素発生材料の容器、水素燃料車両、及び携帯用機器
JP2009099491A (ja) 2007-10-19 2009-05-07 Sharp Corp 燃料電池システムおよび電子機器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2485311A4

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2011077969A1 (ja) * 2009-12-24 2013-05-02 コニカミノルタホールディングス株式会社 反応容器及びそれを用いた燃料電池システム
JP2011165371A (ja) * 2010-02-05 2011-08-25 Konica Minolta Holdings Inc 燃料電池
JPWO2012008266A1 (ja) * 2010-07-15 2013-09-09 コニカミノルタ株式会社 燃料電池
WO2012165097A1 (ja) * 2011-06-01 2012-12-06 コニカミノルタホールディングス株式会社 ２次電池型燃料電池システム
JPWO2012165097A1 (ja) * 2011-06-01 2015-02-23 コニカミノルタ株式会社 ２次電池型燃料電池システム
JPWO2012165245A1 (ja) * 2011-06-03 2015-02-23 コニカミノルタ株式会社 ２次電池型燃料電池システム
WO2012165245A1 (ja) * 2011-06-03 2012-12-06 コニカミノルタホールディングス株式会社 ２次電池型燃料電池システム
WO2013111758A1 (ja) 2012-01-24 2013-08-01 コニカミノルタ株式会社 ２次電池型燃料電池システム
JPWO2013111758A1 (ja) * 2012-01-24 2015-05-11 コニカミノルタ株式会社 ２次電池型燃料電池システム
WO2013137033A1 (ja) 2012-03-12 2013-09-19 コニカミノルタ株式会社 ２次電池型燃料電池システム
JPWO2013137033A1 (ja) * 2012-03-12 2015-08-03 コニカミノルタ株式会社 ２次電池型燃料電池システム
WO2013150946A1 (ja) 2012-04-03 2013-10-10 コニカミノルタ株式会社 燃料電池システム
JP5582273B1 (ja) * 2012-10-23 2014-09-03 コニカミノルタ株式会社 ２次電池型燃料電池システム及びその製造方法
WO2014065135A1 (ja) * 2012-10-23 2014-05-01 コニカミノルタ株式会社 ２次電池型燃料電池システム及びその製造方法
KR102228132B1 (ko) * 2020-11-02 2021-03-17 (주)시그넷이브이 수소연료전지차량 및 전기차량 충전을 위한 ess 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2011040182A1 (ja) 2013-02-28
JP4788847B2 (ja) 2011-10-05
EP2485311A4 (en) 2014-05-07
US20120183870A1 (en) 2012-07-19
EP2485311A1 (en) 2012-08-08
US8962201B2 (en) 2015-02-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4788847B2 (ja) 燃料電池装置
JP4821937B2 (ja) 燃料電池装置
US9005826B2 (en) Electrochemical battery
JP2004501480A (ja) 混合反応物燃料セル
JP5668755B2 (ja) 燃料電池装置及びこれを備えた燃料電池システム
KR20120011598A (ko) 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법
JP2006216547A (ja) オールインワンタイプのハイブリッド燃料電池システム
JP5198412B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法
JP5516735B2 (ja) 燃料電池
JP5494799B2 (ja) 燃料電池装置
JP5516726B2 (ja) 燃料電池装置
JP2006156040A (ja) 燃料電池システム
JP5358988B2 (ja) 燃料電池システム
JP2009070691A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法
JP5682184B2 (ja) 燃料電池
JP5895736B2 (ja) ２次電池型燃料電池システム及びそれを備えた給電システム
JP5817419B2 (ja) ２次電池型燃料電池
JP5265032B2 (ja) 燃料電池システム及びその発電停止方法
JPWO2013137033A1 (ja) ２次電池型燃料電池システム
JP2011165371A (ja) 燃料電池
KR100859457B1 (ko) Ｂ화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조
KR20020056164A (ko) 연료전지의 온도조절장치
JP2006059554A (ja) 燃料電池およびその運転方法
JP2008066186A (ja) 燃料電池システム及びその発電停止方法並びに発電停止保管方法
JP2008293778A (ja) 電気化学セルシステムおよびこれを搭載した車両

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011502963

Country of ref document: JP

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10820302

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010820302

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13498497

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE