JP2005011691A - Direct liquid type fuel cell system - Google Patents

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Ryoichi Okuyama
良一 奥山
Tsutomu Watanabe
勉 渡辺
Yukio Fujita
幸雄 藤田
Eiichi Nomura
栄一 野村
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Yuasa Corp
Original Assignee
Yuasa Corp
Yuasa Battery Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direct liquid type fuel cell system capable of easily and efficiently removing impurities like salt content or metal ion infiltrated into the system. <P>SOLUTION: The direct liquid type fuel cell system is enabled to remove the impurities like salt content or metal ion infiltrated into the direct liquid type fuel cell system through an air filter 6 by an impurity removing device 3 mounted on a circulation part 9, and prevented from the lowering of battery characteristics. By the above, reliability of the direct liquid type fuel cell system is improved and a life thereof is prolonged. It is economical because an ion exchanging body or the like used for the impurity removing device 3 can be easily exchanged. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水とプロトン生成液体燃料とを供給して発電する電池部を備えた直接液体型燃料電池システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策の一つとして直接液体型燃料電池システムの開発が活発に行われている。
直接液体型燃料電池システムは、電池部に燃料極と空気極とこれらの間に配されたプロトン導電性高分子固体電解質膜とを備え、前記燃料極に水とプロトン生成液体燃料を、前記空気極に酸化剤ガスを供給して発電を行うものである。また、燃料極と空気極との一連の反応により、空気極で生成した水を燃料極に供給する水として再利用する構成を備えている。
【0003】
ところで、このような直接液体型燃料電池システムにおいては、前記酸化剤ガスに金属イオン等の不純物が含まれている場合に、前記空気極で生成した水に不純物が混じることがある。この水は、再利用されるため不純物の混じった水がプロトン導電性高分子固体電解質膜に到達する。これにより前記電解質膜や燃料極、空気極の触媒層のプロトン導電性が低下し電池特性の低下を招くという問題がある。この電池特性の低下は、酸化剤ガスとして外部から取り入れた空気を用いる場合に非常に大きなものとなる。
【0004】
特に直接メタノール型燃料電池システムは、燃料補給が容易でコンパクトな電源として有望であり、船舶等の補助電源やブイ等の海上若しくは海近傍で作動させる電源としての用途があるところ、海上若しくは海近傍における空気には、非常に多くの金属イオン等が含まれていることから、電池特性の低下がより著しいものとなっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この電池特性の低下について、直接メタノール型燃料電池システムを例に説明する。
直接メタノール型燃料電池システムでは、燃料極に濃度約3%メタノール水溶液を供給し、空気極に酸素を供給すると一連の電池反応で電力を発生する。そして一連の電池反応により空気極で生成した水を燃料極に供給するメタノール水溶液の濃度調整用として循環使用している。
【0006】
そのため前記直接メタノール型燃料電池システムを海上若しくは海近傍の空気で使用すれば、該空気中に含まれたナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン等のアルカリ及びアルカリ土類金属イオンや鉄イオン、ニッケルイオン等の遷移金属イオン等が直接メタノール型燃料電池の空気極に入ってくる。これらの不純物の多くは、空気極で生成した水によって電池外部に流出するが、この生成した水は循環使用されるため、メタノール水溶液に塩分や金属イオン等が混入する。この不純物を含むメタノール水溶液を供給すれば、直接メタノール型燃料電池の電解質に用いるプロトン導電性高分子固体電解質膜の一部に該金属イオンが吸着される。これにより電解質膜や燃料極、空気極の触媒層のプロトン導電性が低下するために電池特性が低下する。
【0007】
燃料電池の空気極に供給する空気中に含まれる微細な塵埃、塩分等の不純物の除去手段として空気取り入れ口に湿潤フィルターを設ける方法がある(特許文献1参照)。しかし、この方法ではいったん水に不純物が混じった場合には、もはや除去することができず電池特性の低下が避けられない。
【0008】
【特許文献1】
特開2001−185193号公報(第2−5頁)。
【0009】
本発明は、上記の問題に鑑み、いったん水に混じった不純物を簡便且つ効率よく除去して電池特性の低下を防止し、電池寿命の長期化を図ることを課題としたものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するための手段として本発明は、水とプロトン生成液体燃料とが供給される燃料極と、該燃料極に対向するように配された酸化剤ガスが供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に配されたプロトン導電性高分子固体電解質膜とを備え、前記燃料極にて水とプロトン生成液体燃料とを反応させて電子とプロトンとを生成させ、前記空気極にて該プロトンと前記酸化剤ガスとを反応させて水を生成させる一連の反応によって発電する電池部と、該電池部の空気極にて生成した水を、前記燃料極に循環させる循環部とを備えた直接液体型燃料電池システムにおいて、前記システムは、前記電池部に供給される水とプロトン生成液体燃料または酸化剤ガスの少なくとも一方から不純物を除去する手段を備えていることを特徴とする直接液体型燃料電池システムを提供する。
前記不純物は、前記空気極にて生成した水に存在する金属イオンであって、前記不純物を除去する手段が循環部に備えられた不純物除去装置であることを特徴とする。この不純物除去装置はイオン交換体又は吸着体又はこれらの組み合わせであるのがよい。
また、前記不純物は、酸化剤ガス中に混入する微粒子であって、前記不純物を除去する手段が酸化剤ガスの供給路に備えられた空気フィルターであることを特徴とする。この空気フィルターはイオン交換体又は吸着体もしくは微孔膜フィルター又はエアシャワー又はこれらの組み合わせであるのがよい。
【0011】
空気極に供給される酸化剤ガスに金属イオン等の不純物が混入している場合、循環利用する生成した水に不純物が含まれることになる。しかし、本発明によれば、循環部に備えた不純物除去装置や酸化剤ガスの供給路に備えた空気フィルターで不純物を除去することができるので、不純物がプロトン導電性高分子固体電解質膜や燃料極、空気極の触媒層に達することを抑制できる。
従って、電池特性の低下を防止し、電池寿命の長期化を図ることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図1に示すように本発明の直接液体型燃料電池システムは、水とプロトン生成液体燃料とが供給される燃料極と、酸化剤ガスが供給される空気極と、該空気極と該燃料極との間に配されたプロトン導電性高分子固体電解質膜とを備えた電池部4と、前記空気極にて生成した水を前記燃料極に供給する水として再利用するように該燃料極に循環させる循環部9とを備えて構成されている。
【0013】
前記燃料極と前記空気極とは、板状の形態を成し互いに対向するように配されている。
【0014】
前記プロトン導電性高分子固体電解質膜は、薄膜状に形成されており該プロトン導電性高分子固体電解質膜を構成する高分子としては、テフロン骨格にスルフォン酸基を末端に付けた側鎖が、ぶら下がった構造のパーフルオロスルフォン酸ポリマー(ナフィオン)等が使用される。
【0015】
前記燃料極は、プロトン導電性高分子固体電解質膜側の表面に水とプロトン生成燃料との反応を促進させる触媒層が配され、前記触媒層表面に水とプロトン生成液体燃料とを拡散させて触媒層と接触させるための拡散層が設けられた積層構造で構成されている。
前記触媒層には、一般に炭素粉末上に白金やルテニウムの合金の微粉末を担持した触媒、触媒層に撥水性を付与してガスの拡散を円滑に行うためのPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)粉末及び触媒層中にイオン導電路を形成するためのプロトン導電性樹脂が含まれている。
前記拡散層には、多孔質炭素焼結体等の多孔質炭素材料が使用されている。
前記燃料極に供給されるプロトン生成液体燃料とは、触媒の存在下、水と反応して電子とプロトンとを放出する有機燃料を意味し、該プロトン生成液体燃料としては、通常メタノールやエタノール等のアルコール類やヒドラジン類等が使用される。
尚、本実施形態における該プロトン生成液体燃料と水とは、混合されて水溶液の状態で供給されている。
【0016】
前記空気極は、該プロトン導電性高分子固体電解質膜側の表面に酸素と電子とプロトンとの反応を促進させる触媒層が配され、前記触媒層表面に酸素分子を拡散させて触媒層と接触させる拡散層が設けられた積層構造で構成されている。
前記触媒層としては、一般に白金の微粉末を担持した触媒、触媒層に撥水性を付与してガスの拡散を円滑に行うためのPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)粉末及び触媒層中にイオン導電路を形成するためのプロトン導電性樹脂が含まれている。 前記拡散層としては、多孔質炭素焼結体等の多孔質炭素材料が使用されている。
前記酸化剤ガスとしては、通常外部から導入された空気が使用される。
【0017】
本実施形態の直接液体型燃料電池システムは、燃料極でプロトン生成液体燃料が水と反応してプロトン、電子を生成し、生成したプロトンがプロトン導電性高分子固体電解質膜中を移動して空気極で酸素、電子と結合して水を生成するという一連の電池反応により、外部の回路に電流が取り出される。
【0018】
前記循環部9は、前記電池部4へ供給するプロトン生成液体燃料の水溶液を貯留する燃料タンク1と、前記電池部4にて生成した水を該燃料タンク1へ返送する返送系10と、前記燃料タンク1から該電池部4へプロトン生成液体燃料の水溶液を供給する供給系11とからなる。
尚、前記燃料タンク1には、該燃料タンク1内のプロトン生成液体燃料の濃度が低下した場合に、高濃度プロトン生成液体燃料を供給する高濃度燃料タンク7が連結されている。
【0019】
本実施形態の直接液体型燃料電池システムは、前記返送系10に気液分離装置5を備え、前記供給系11に燃料供給ポンプ2と不純物除去装置3とを備えている。
【0020】
前記気液分離装置5は、前記電池部4の空気極側で生成した水及び未反応空気と、燃料極側で生成したガス及び未反応プロトン生成液体燃料の水溶液とを、気体と液体とに分離するものである。
前記燃料供給ポンプ2は、前記燃料タンク1から前記電池部4の燃料極へプロトン生成液体燃料の水溶液を供給するものである。
前記不純物除去装置3は、プロトン生成液体燃料の水溶液を通し、該プロトン生成液体燃料の水溶液に含まれている金属イオン等の不純物を除去するものである。本実施形態のシステムでは、該不純物除去装置3を前記供給系11に設けたが、前記循環部9の何れかに少なくても1個以上設けることができる。
【0021】
前記不純物除去装置3は、イオン交換体又は吸着体を備え、イオン交換体又は吸着体にプロトン生成液体燃料の水溶液を通して不純物を除去しうるように構成されている。前記イオン交換体としては、イオン交換樹脂、イオン交換膜、ゼオライト等が使用できる。前記イオン交換樹脂としては、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂の混合物が使用できる。陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂の混合物としては、1対1に混合したもの又は使用する場所により混合比が調整されたものを使用することもできる。
前記吸着体としては、活性炭、シリカゲル等が使用できる。
尚、不純物除去装置3としては、イオン交換体と吸着体の双方を備えたものであってもよい。このイオン交換体や吸着体は粒状、多孔体状、クロス状またはフェルト状等の各種の形状考えられるが、圧損を少なくするためには、多孔体状、クロス状またはフェルト状にするのが好ましい。
【0022】
本実施形態のシステムは、前記電池部4の空気極側に、外部空気を強制的に取り入れる空気ブロワー8と、取り入れた空気中に含まれる微細な塵埃などの微粒子を除去する空気フィルター6とを備えている。
この空気フィルター6にも前述したイオン交換体又は吸着体又はこれらの組み合わせからなるものを備えておくのがよいが、微粒子、特に電池部4での反応で金属イオンになる塩分などの成分を除去するには、微孔膜フィルター、静電フィルター、エアシャワー又はこれらの組み合わせからなるものを備えておくのがよい。これにより、電池部4での反応で金属イオンになる塩分などの成分が電池部4に取り込まれる前に除去することができる。
【0023】
本実施形態の直接液体型燃料電池システムの動きをプロトン生成液体燃料としてメタノールを用いて説明する。
本実施形態の直接メタノール型燃料電池システムにおいては、空気フィルター6を介して空気ブロワー8にて空気極に外部空気が供給され、燃料極にメタノール水溶液が供給され、電池反応により発電される。
この電池反応で空気極側に生成した水及び未反応空気と、燃料極側で生成した炭酸ガス及び未反応メタノール水溶液とが、該電池部4から排出され、前記炭酸ガスは気液分離装置5を介して外部に排出され、前記未反応メタノール水溶液は前記返送系10を通って前記燃料タンク1へ戻される。そして再度、前記燃料タンク1内のメタノール水溶液は、該燃料タンク1から供給系11の前記燃料供給ポンプ2及び前記不純物除去装置3を経由して該電池部4の燃料極に供給される。
【0024】
外部空気に含まれる塩分や金属イオン等の不純物は、その多くが空気フィルター6によって浮遊微粒子とともに除かれて電池部4の空気極側に導入されることはないが、除かれなかった微量の塩分や金属イオン等は空気とともに前記電池部4の空気極側に導入され、該塩分や金属イオン等は、前記電池反応で生成した水に溶解し、前記返送系10を通って前記燃料タンク1に戻っていき、メタノール水溶液に溶存することになる。ところが、この金属イオン等が溶存したメタノール水溶液は、前記供給系11に配置された不純物除去装置3によってイオン交換されるので、金属イオン等を含まないメタノール水溶液となって燃料極に供給されることになる。そこで、前記空気フィルター6にイオン交換体又は吸着体もしくは微孔膜フィルター、静電フィルター又はエアシャワーを備えておくと、さらに多くの塩分や金属イオン等を浮遊微粒子とともに除くことができる。従って、このような空気フィルター6と前記不純物除去装置3を併用すれば、さらに上記した効果を高めることができる。
【0025】
このように本実施形態によれば、一旦混入した金属イオンを除去できるので、金属イオン等が混入することによって生じる電池特性の低下を防止することができる。尚、該不純物除去装置3や空気フィルター6のイオン交換体等を取り外し可能な状態で設置されていることが好ましい。斯かる構成によれば、一定期間毎に交換することができ長期間、直接メタノール型燃料電池システムを安定して作動させることができる。
また、イオン交換体等は、再生使用することができるので経済的である。
【0026】
尚、本実施形態では、空気ブロワー8を用いて空気を強制的に供給するタイプの燃料電池システムへの適用例を示したが、上記した如く、メタノール水溶液に溶存した金属イオン等を除去するものであるから、自然拡散型の直接メタノール型燃料電池システムに対しても本発明を適用できる。
【0027】
以下、上記実施形態の直接メタノール型燃料電池システムを用いて本発明の効果を確認すべく以下の試験を行った。
試験例1
図2は、直接メタノール型燃料電池の燃料に海水を混入した場合の電池特性について示したものである。
前記特性は、有効面積60cm2の直接メタノール型燃料電池の単電池において、90℃の温度条件下で空気を3リットル/分、燃料として3%メタノール水溶液を6ml/分で供給し、0.3Vの定電圧を出力させて運転した場合の出力電流値の変化を示したものである。
また、同様な条件下で燃料全量(重量)の2%及び5%の海水を添加した場合の電池特性を比較したものである。
【0028】
図2より燃料中に海水を混入すると、電池特性は大きく低下し、海水を2%添加した場合には、電池特性が約30%低下したことが認められる。この電池特性の低下は、海水中の塩分や金属イオン等が直接メタノール型燃料電池の電解質に用いているプロトン導電性高分子固体電解質膜等に吸着されるためである。
これにより電解質膜等のプロトン導電性が低下し、電池特性が低下する。
【0029】
試験例2
図3は、本発明による直接メタノール型燃料電池システムと、従来の直接メタノール型燃料電池システムとを海辺(海岸から30m程離れた倉庫内に設置)で作動させた場合の電池特性の変化について比較したものである。
電池部として試験例1と同じ単電極の電池を用い、90℃の温度条件下で、空気を3リットル/分、燃料として3%メタノール水溶液を6ml/分で供給し、0.3Vの定電圧を出力させて運転した。
本発明の直接メタノール型燃料電池システムの方には、燃料供給ポンプ2と電池部4の間に50gのイオン交換樹脂(オルガノ製、アンバーライトEG−4)を充填した不純物除去装置3を設け、従来のシステムにはこれを設けなかった。
【0030】
図3からわかるように本発明のシステムによれば、長期間の運転においても電池特性の低下は僅かであった。
本発明の直接メタノール型燃料電池システムは、電池特性の低下を抑制することができ、信頼性に優れたものであると認められる。
これは空気極から侵入した塩分や金属イオン等が、直接メタノール型燃料電池システム内に設けられた不純物除去装置3のイオン交換樹脂でイオン交換され、プロトン導電性高分子固体電解質膜等のプロトン導電性の低下が抑えられるためである。
【0031】
【発明の効果】
本発明の直接液体型燃料電池システムによれば、電池特性の低下が抑えられ、電池寿命の長期化を図ることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のフロー図である。
【図2】直接メタノール型燃料電池の燃料に海水を混入した場合の電池特性の変化を比較したものである。
【図3】本発明システムと従来システムを比較したものである。
【符号の説明】
1.燃料タンク
2.燃料供給ポンプ
3.不純物除去装置
4.電池部
5.気液分離装置
6.空気フィルター
7.高濃度燃料タンク
8.空気ブロワー
9.循環部
10.返送系
11.供給系
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a direct liquid fuel cell system including a battery unit that generates water by supplying water and proton-producing liquid fuel.
[0002]
[Prior art]
In recent years, countermeasures against environmental problems and resource problems have become important, and development of direct liquid fuel cell systems has been actively conducted as one of the countermeasures.
The direct liquid fuel cell system includes a fuel electrode, an air electrode, and a proton conductive polymer solid electrolyte membrane disposed therebetween in a battery unit, and water and a proton-generating liquid fuel are supplied to the fuel electrode. Electric power is generated by supplying an oxidant gas to the electrode. Moreover, the structure which reuses the water produced | generated by the air electrode by the series of reaction of a fuel electrode and an air electrode as the water supplied to a fuel electrode is provided.
[0003]
By the way, in such a direct liquid fuel cell system, when impurities such as metal ions are contained in the oxidant gas, impurities may be mixed in the water generated at the air electrode. Since this water is reused, water mixed with impurities reaches the proton conductive polymer solid electrolyte membrane. As a result, there is a problem in that the proton conductivity of the catalyst layer of the electrolyte membrane, the fuel electrode, and the air electrode is lowered and the battery characteristics are lowered. This deterioration in battery characteristics becomes very large when air taken from the outside is used as the oxidant gas.
[0004]
The direct methanol fuel cell system is particularly promising as a compact power source that can be easily refueled, and is used as an auxiliary power source for ships and power sources that operate near the sea such as buoys. Since the air in the above contains a large amount of metal ions and the like, the deterioration of the battery characteristics is more remarkable.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
This decrease in battery characteristics will be described using a direct methanol fuel cell system as an example.
In the direct methanol fuel cell system, when a methanol aqueous solution having a concentration of about 3% is supplied to the fuel electrode and oxygen is supplied to the air electrode, electric power is generated by a series of cell reactions. The water generated at the air electrode by a series of battery reactions is circulated and used for adjusting the concentration of the aqueous methanol solution that supplies the fuel electrode.
[0006]
Therefore, if the direct methanol fuel cell system is used in the air at or near the sea, alkali and alkaline earth metal ions such as sodium ions, potassium ions, magnesium ions, calcium ions and iron ions contained in the air In addition, transition metal ions such as nickel ions directly enter the air electrode of the methanol fuel cell. Most of these impurities flow out of the battery due to water generated at the air electrode, but since the generated water is circulated and used, salt and metal ions are mixed in the methanol aqueous solution. When the aqueous methanol solution containing this impurity is supplied, the metal ions are adsorbed to a part of the proton conductive polymer solid electrolyte membrane used directly for the electrolyte of the methanol fuel cell. As a result, the proton conductivity of the catalyst layer of the electrolyte membrane, the fuel electrode, and the air electrode is lowered, so that the battery characteristics are lowered.
[0007]
As a means for removing impurities such as fine dust and salt contained in the air supplied to the air electrode of the fuel cell, there is a method of providing a wet filter at the air intake (see Patent Document 1). However, in this method, once impurities are mixed in water, it can no longer be removed, and deterioration of battery characteristics cannot be avoided.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2001-185193 A (page 2-5).
[0009]
In view of the above problems, an object of the present invention is to easily and efficiently remove impurities once mixed in water to prevent deterioration of battery characteristics and prolong battery life.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a means for solving this problem, the present invention includes a fuel electrode to which water and a proton-generating liquid fuel are supplied, an air electrode to which an oxidant gas arranged to face the fuel electrode is supplied, A proton conductive polymer solid electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the air electrode, and reacting water and a proton-generating liquid fuel at the fuel electrode to generate electrons and protons; A battery unit that generates electric power by a series of reactions in which the proton and the oxidant gas are reacted at the air electrode to generate water, and water generated at the air electrode of the battery unit is circulated to the fuel electrode. In the direct liquid fuel cell system including a circulation unit, the system includes means for removing impurities from at least one of water supplied to the cell unit and proton-generating liquid fuel or oxidant gas. Special It provides a direct liquid fuel cell system according to.
The impurity is a metal ion present in water generated in the air electrode, and the impurity removing device is provided with a circulation unit having means for removing the impurity. This impurity removal device may be an ion exchanger or an adsorbent or a combination thereof.
The impurities are fine particles mixed in the oxidant gas, and the means for removing the impurities is an air filter provided in the supply path of the oxidant gas. The air filter may be an ion exchanger or adsorbent or microporous membrane filter or air shower or a combination thereof.
[0011]
When impurities such as metal ions are mixed in the oxidant gas supplied to the air electrode, the generated water to be circulated contains impurities. However, according to the present invention, the impurities can be removed by the impurity removing device provided in the circulation section or the air filter provided in the supply path for the oxidant gas, so that the impurities are proton conductive polymer solid electrolyte membrane or fuel. It can suppress reaching the catalyst layer of the electrode and the air electrode.
Therefore, it is possible to prevent the battery characteristics from deteriorating and prolong the battery life.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the direct liquid fuel cell system of the present invention includes a fuel electrode to which water and a proton-generating liquid fuel are supplied, an air electrode to which an oxidant gas is supplied, the air electrode and the fuel electrode. A battery unit 4 having a proton conductive polymer solid electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the fuel electrode so that the water generated in the air electrode is reused as water to be supplied to the fuel electrode. And a circulation part 9 for circulation.
[0013]
The fuel electrode and the air electrode have a plate shape and are arranged to face each other.
[0014]
The proton conductive polymer solid electrolyte membrane is formed in a thin film, and as a polymer constituting the proton conductive polymer solid electrolyte membrane, a side chain having a sulfonic acid group attached to the end of a Teflon skeleton, A perfluorosulfonic acid polymer (Nafion) having a hanging structure is used.
[0015]
In the fuel electrode, a catalyst layer that promotes a reaction between water and a proton-generating fuel is disposed on the surface of the proton conductive polymer solid electrolyte membrane, and water and a proton-generating liquid fuel are diffused on the surface of the catalyst layer. It is comprised by the laminated structure in which the diffusion layer for making it contact with a catalyst layer was provided.
The catalyst layer generally includes a catalyst in which fine powder of platinum or ruthenium alloy is supported on carbon powder, and PTFE (polytetrafluoroethylene) powder for imparting water repellency to the catalyst layer to facilitate gas diffusion. And a proton conductive resin for forming an ion conductive path in the catalyst layer.
A porous carbon material such as a porous carbon sintered body is used for the diffusion layer.
The proton-generating liquid fuel supplied to the fuel electrode means an organic fuel that reacts with water in the presence of a catalyst to release electrons and protons. Examples of the proton-generating liquid fuel include usually methanol and ethanol. Alcohols and hydrazines are used.
In this embodiment, the proton-producing liquid fuel and water are mixed and supplied in the form of an aqueous solution.
[0016]
In the air electrode, a catalyst layer for promoting a reaction between oxygen, electrons and protons is disposed on the surface of the proton conductive polymer solid electrolyte membrane side, and oxygen molecules are diffused on the surface of the catalyst layer to contact the catalyst layer. It is comprised by the laminated structure in which the diffused layer to be provided was provided.
The catalyst layer generally includes a catalyst supporting platinum fine powder, PTFE (polytetrafluoroethylene) powder for imparting water repellency to the catalyst layer and facilitating gas diffusion, and an ion conduction path in the catalyst layer. The proton conductive resin for forming is contained. As the diffusion layer, a porous carbon material such as a porous carbon sintered body is used.
As the oxidant gas, air introduced from the outside is usually used.
[0017]
In the direct liquid fuel cell system of the present embodiment, the proton-generating liquid fuel reacts with water at the fuel electrode to generate protons and electrons, and the generated protons move through the proton-conductive polymer solid electrolyte membrane and air. By a series of battery reactions in which water is generated by combining oxygen and electrons at the pole, current is extracted to an external circuit.
[0018]
The circulation unit 9 includes a fuel tank 1 that stores an aqueous solution of proton-generating liquid fuel to be supplied to the battery unit 4, a return system 10 that returns water generated in the battery unit 4 to the fuel tank 1, and It comprises a supply system 11 for supplying an aqueous solution of proton-producing liquid fuel from the fuel tank 1 to the battery unit 4.
The fuel tank 1 is connected to a high-concentration fuel tank 7 for supplying a high-concentration proton-producing liquid fuel when the concentration of the proton-producing liquid fuel in the fuel tank 1 is lowered.
[0019]
In the direct liquid fuel cell system of this embodiment, the return system 10 includes a gas-liquid separator 5, and the supply system 11 includes a fuel supply pump 2 and an impurity removal device 3.
[0020]
The gas-liquid separation device 5 converts water and unreacted air generated on the air electrode side of the battery unit 4, gas generated on the fuel electrode side and an aqueous solution of unreacted proton-generated liquid fuel into gas and liquid. To separate.
The fuel supply pump 2 supplies an aqueous solution of proton-generating liquid fuel from the fuel tank 1 to the fuel electrode of the battery unit 4.
The impurity removing device 3 passes an aqueous solution of proton-generating liquid fuel and removes impurities such as metal ions contained in the aqueous solution of proton-generating liquid fuel. In the system of the present embodiment, the impurity removal device 3 is provided in the supply system 11, but at least one or more of the circulation units 9 can be provided.
[0021]
The impurity removing device 3 includes an ion exchanger or an adsorbent, and is configured to remove impurities through an aqueous solution of proton-generating liquid fuel through the ion exchanger or adsorbent. As the ion exchanger, ion exchange resins, ion exchange membranes, zeolites and the like can be used. As the ion exchange resin, a mixture of a cation exchange resin and an anion exchange resin can be used. As the mixture of the cation exchange resin and the anion exchange resin, a one-to-one mixture or a mixture whose ratio is adjusted depending on the place of use can be used.
As the adsorbent, activated carbon, silica gel or the like can be used.
The impurity removing device 3 may include both an ion exchanger and an adsorbent. The ion exchanger and adsorbent may be in various shapes such as granular, porous, cloth or felt, but in order to reduce pressure loss, it is preferable to use a porous, cloth or felt shape. .
[0022]
In the system of the present embodiment, an air blower 8 forcibly taking in external air and an air filter 6 for removing fine particles such as fine dust contained in the taken-in air are provided on the air electrode side of the battery unit 4. I have.
The air filter 6 is preferably provided with the above-described ion exchanger, adsorbent, or a combination thereof, but removes fine particles, particularly components such as salt that become metal ions by the reaction in the battery unit 4. For this purpose, it is preferable to provide a microporous membrane filter, an electrostatic filter, an air shower, or a combination thereof. Thereby, components such as salt that become metal ions by the reaction in the battery unit 4 can be removed before being taken into the battery unit 4.
[0023]
The movement of the direct liquid fuel cell system of this embodiment will be described using methanol as the proton-generating liquid fuel.
In the direct methanol fuel cell system of the present embodiment, external air is supplied to the air electrode by the air blower 8 through the air filter 6, and an aqueous methanol solution is supplied to the fuel electrode, and power is generated by a cell reaction.
Water and unreacted air generated on the air electrode side in this battery reaction, and carbon dioxide gas and unreacted methanol aqueous solution generated on the fuel electrode side are discharged from the battery unit 4, and the carbon dioxide gas is separated from the gas-liquid separator 5. The unreacted aqueous methanol solution is returned to the fuel tank 1 through the return system 10. Again, the aqueous methanol solution in the fuel tank 1 is supplied from the fuel tank 1 to the fuel electrode of the battery unit 4 via the fuel supply pump 2 of the supply system 11 and the impurity removing device 3.
[0024]
Most of the impurities such as salt and metal ions contained in the external air are removed together with the suspended fine particles by the air filter 6 and are not introduced into the air electrode side of the battery unit 4. And metal ions are introduced into the air electrode side of the battery unit 4 together with air, and the salt and metal ions are dissolved in the water generated by the battery reaction and pass through the return system 10 to the fuel tank 1. It goes back and dissolves in the methanol aqueous solution. However, since the aqueous methanol solution in which the metal ions and the like are dissolved is ion-exchanged by the impurity removing device 3 disposed in the supply system 11, the aqueous methanol solution does not contain metal ions and the like and is supplied to the fuel electrode. become. Therefore, if the air filter 6 is provided with an ion exchanger, an adsorbent, a microporous membrane filter, an electrostatic filter, or an air shower, more salt and metal ions can be removed together with suspended fine particles. Therefore, if the air filter 6 and the impurity removing device 3 are used in combination, the above-described effects can be further enhanced.
[0025]
As described above, according to the present embodiment, once mixed metal ions can be removed, it is possible to prevent deterioration of battery characteristics caused by mixing metal ions or the like. The impurity removing device 3 and the ion exchanger of the air filter 6 are preferably installed in a removable state. According to such a configuration, it can be exchanged at regular intervals, and the direct methanol fuel cell system can be stably operated for a long period of time.
In addition, ion exchangers and the like can be recycled and are economical.
[0026]
In this embodiment, an example of application to a fuel cell system in which air is forcibly supplied using the air blower 8 has been shown. However, as described above, metal ions dissolved in an aqueous methanol solution are removed. Therefore, the present invention can also be applied to a natural diffusion type direct methanol fuel cell system.
[0027]
Hereinafter, the following tests were conducted to confirm the effects of the present invention using the direct methanol fuel cell system of the above embodiment.
Test example 1
FIG. 2 shows cell characteristics when seawater is mixed in the fuel of a direct methanol fuel cell.
The characteristics are as follows. In a direct methanol fuel cell unit having an effective area of 60 cm 2, air was supplied at 3 liters / minute under a temperature condition of 90 ° C., and 3% methanol aqueous solution as fuel was supplied at 6 ml / minute, and 0.3V It shows the change in the output current value when operating with a constant voltage output.
In addition, the battery characteristics are compared when 2% and 5% of seawater is added under the same conditions.
[0028]
It can be seen from FIG. 2 that when seawater is mixed in the fuel, the battery characteristics are greatly reduced, and when 2% of seawater is added, the battery characteristics are reduced by about 30%. This deterioration in battery characteristics is because salt, metal ions, and the like in seawater are directly adsorbed on the proton conductive polymer solid electrolyte membrane used in the electrolyte of the methanol fuel cell.
As a result, proton conductivity of the electrolyte membrane and the like is lowered, and battery characteristics are lowered.
[0029]
Test example 2
FIG. 3 compares changes in battery characteristics when the direct methanol fuel cell system according to the present invention and a conventional direct methanol fuel cell system are operated at the seaside (installed in a warehouse 30 m away from the coast). It is a thing.
The same single electrode battery as in Test Example 1 was used as the battery part, air was supplied at 3 liters / minute, and 3% methanol aqueous solution was supplied at 6 ml / minute as a fuel at a temperature of 90 ° C., and a constant voltage of 0.3V. Was operated.
The direct methanol fuel cell system of the present invention is provided with an impurity removing device 3 filled with 50 g of an ion exchange resin (manufactured by Organo, Amberlite EG-4) between the fuel supply pump 2 and the battery unit 4. This is not provided in the conventional system.
[0030]
As can be seen from FIG. 3, according to the system of the present invention, the battery characteristics were slightly lowered even during long-term operation.
It is recognized that the direct methanol fuel cell system of the present invention can suppress deterioration of battery characteristics and is excellent in reliability.
This is because salt, metal ions, and the like that have entered from the air electrode are directly ion-exchanged by the ion exchange resin of the impurity removal device 3 provided in the methanol fuel cell system, and proton conductivity such as a proton conductive polymer solid electrolyte membrane. This is because the deterioration of the property can be suppressed.
[0031]
【The invention's effect】
According to the direct liquid fuel cell system of the present invention, it is possible to suppress the deterioration of the battery characteristics and to prolong the battery life.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flow diagram of the present invention.
FIG. 2 is a comparison of changes in cell characteristics when seawater is mixed into direct methanol fuel cell fuel.
FIG. 3 is a comparison between the system of the present invention and a conventional system.
[Explanation of symbols]
1. 1. Fuel tank 2. Fuel supply pump Impurity removing device 4. Battery part 5. Gas-liquid separator 6. 6. Air filter 7. High concentration fuel tank Air blower9. Circulation unit 10. Return system 11. Supply system

Claims (4)

水とプロトン生成液体燃料とが供給される燃料極と、該燃料極に対向するように配された酸化剤ガスが供給される空気極と、該燃料極と前記空気極との間に配されたプロトン導電性高分子固体電解質膜とを備え、前記燃料極にて水とプロトン生成液体燃料とを反応させて電子とプロトンとを生成させ、前記空気極にて該プロトンと前記酸化剤ガスとを反応させて水を生成させる一連の反応によって発電する電池部と、
該電池部の空気極にて生成した水を、前記燃料極に供給する水として再利用しうるように、前記燃料極に循環させる循環部とを備えた直接液体型燃料電池システムにおいて、
前記システムは、前記電池部に供給される水とプロトン生成液体燃料または酸化剤ガスの少なくとも一方から不純物を除去する手段を備えていることを特徴とする直接液体型燃料電池システム。
A fuel electrode to which water and a proton-generating liquid fuel are supplied, an air electrode to which an oxidant gas is provided so as to face the fuel electrode, and the fuel electrode and the air electrode. A proton conductive polymer solid electrolyte membrane, wherein water and a proton-generating liquid fuel are reacted at the fuel electrode to generate electrons and protons, and the proton and the oxidant gas are generated at the air electrode. A battery unit that generates electricity by a series of reactions that cause water to react with each other, and
In a direct liquid fuel cell system comprising a circulation unit that circulates water generated at an air electrode of the battery unit to the fuel electrode so that the water can be reused as water supplied to the fuel electrode.
The direct liquid fuel cell system is characterized in that the system includes means for removing impurities from at least one of water, proton-generating liquid fuel, and oxidant gas supplied to the battery unit.
前記不純物が前記空気極にて生成した水に存在する金属イオンであって、前記不純物を除去する手段が循環部に備えられた不純物除去装置であり、該不純物除去装置がイオン交換体又は吸着体又はこれらの組み合わせである請求項1記載の直接液体型燃料電池システム。The impurity is a metal ion present in the water generated in the air electrode, and the impurity removing device is provided with a circulation unit as a means for removing the impurity, and the impurity removing device is an ion exchanger or an adsorbent. 2. The direct liquid fuel cell system according to claim 1, which is a combination thereof. 前記不純物が酸化剤ガス中に混入する微粒子であって、前記不純物を除去する手段が酸化剤ガスの供給路に備えられた空気フィルターであり、該空気フィルターがイオン交換体又は吸着体もしくは微孔膜フィルター又はエアシャワー又はこれらの組み合わせである請求項1記載の直接液体液体型燃料電池システム。The impurities are fine particles mixed in the oxidant gas, and the means for removing the impurities is an air filter provided in the supply path of the oxidant gas, and the air filter is an ion exchanger, an adsorbent or a micropore. 2. The direct liquid liquid fuel cell system according to claim 1, which is a membrane filter, an air shower, or a combination thereof. 前記空気フィルターが塩分を除去する機能を備えてなる請求項3記載の直接液体液体型燃料電池システム。4. The direct liquid liquid fuel cell system according to claim 3, wherein the air filter has a function of removing salt.
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