JP2004172111A - Liquid fuel cell and power generator using liquid fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料として液体を用いた液体燃料電池およびそれを用いた発電装置に関する。 The present invention relates to a liquid fuel cell using a liquid as fuel and a power generator using the same.
近年、ラップトップコンピュータ、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れる二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証する程度までには至っていない。 2. Description of the Related Art In recent years, with the spread of cordless devices such as laptop computers and mobile phones, there has been a demand for smaller and higher-capacity secondary batteries as power sources. At present, lithium ion secondary batteries have been put to practical use as secondary batteries having a high energy density and can be reduced in size and weight, and demand for portable power sources is increasing. However, depending on the type of cordless device used, this lithium secondary battery has not yet reached a level where sufficient continuous use time is guaranteed.
このような状況の中で、上記要望に応え得る電池の一例として、空気電池、燃料電池などが考えられる(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。 In such a situation, an air battery, a fuel cell, or the like can be considered as an example of a battery that can meet the above demand (for example, see Patent Documents 1 and 2).
空気電池は、空気中の酸素を正極の活物質として利用する電池であり、電池内容積の大半を負極の充填に費やすことが可能であることから、エネルギー密度を増加させるためには好適な電池であると考えられる。しかし、この空気電池には、電解液として使用するアルカリ溶液が空気中の二酸化炭素と反応して劣化してしまうという問題がある。 An air battery is a battery that uses oxygen in the air as an active material of a positive electrode. Since most of the internal volume of the battery can be used for filling the negative electrode, a battery suitable for increasing the energy density is used. It is considered to be. However, this air battery has a problem that an alkaline solution used as an electrolytic solution reacts with carbon dioxide in the air and deteriorates.
また、燃料電池については、用いる燃料に関していくつかの候補が挙げられているが、それぞれ種々の問題点を有しており、最終的な決定がいまだなされていない。例えば、燃料として純水素を用いる場合には、水素スタンドなどの燃料供給設備の整備に時間と膨大な資金が必要である。また、水素は非常に軽い可燃性ガスであるためその取り扱いが難しく、安全性の面でも問題がある。さらに、燃料としてガソリンを用い、ガソリンを改質して水素を取り出す場合には改質装置が必要となり、また改質の効率があまり高くないなどの問題もある。また、燃料としてメタノールを用いる場合には、改質メタノールを使用するときにはガソリンと同じような問題が生じ、改質せずにそのままメタノールを燃料として使用すると、出力や効率などが低くなり、燃料であるメタノールが電解質膜を透過してしまう量も大きいという問題がある。 In addition, some candidates for the fuel cell to be used are listed as fuel cells, but each has various problems, and a final decision has not been made yet. For example, when pure hydrogen is used as a fuel, it takes time and a huge amount of money to maintain a fuel supply facility such as a hydrogen station. Further, hydrogen is a very light combustible gas, so its handling is difficult, and there is a problem in terms of safety. Further, when gasoline is used as fuel and reforming gasoline to extract hydrogen requires a reformer, there is also a problem that the reforming efficiency is not very high. In addition, when methanol is used as a fuel, a problem similar to that of gasoline occurs when using reformed methanol.Using methanol as fuel without reforming results in lower output and efficiency, resulting in lower fuel efficiency. There is a problem that a certain amount of methanol permeates the electrolyte membrane.
そこで、新たな水素燃料源として水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)が注目されてきた。水素化ホウ素ナトリウムは下記反応式により水素を発生させる。 Therefore, sodium borohydride (NaBH 4 ) has attracted attention as a new hydrogen fuel source. Sodium borohydride generates hydrogen according to the following reaction formula.
(化1)
NaBH4 + 2H2O → NaBO2 + 4H2
上記加水分解反応はアルカリ水溶液中では起こりにくいため、水素化ホウ素ナトリムをアルカリ水溶液中で安定に保存可能であり、新規な水素燃料源として期待されている。
(Formula 1)
NaBH 4 + 2H 2 O → NaBO 2 + 4H 2
Since the above hydrolysis reaction hardly occurs in an alkaline aqueous solution, sodium borohydride can be stably stored in an alkaline aqueous solution, and is expected as a novel hydrogen fuel source.
近年、水素吸蔵合金を負極に用いた電池を、NaBH4、KBH4、LiAlH4、KH、NaHなどの可溶性金属水素化物燃料で、充電状態にするアルカリ燃料電池が開発されている(例えば、特許文献3、特許文献4参照。)。このアルカリ燃料電池は、負極に燃料が供給されて水素が発生し、この水素を一旦負極に吸収させて反応させる。水素が負極に吸収貯蔵されることにより、放電レートに応じて水素を反応に用いることができる。また、燃料である金属水素化物は、水溶液などの液体に溶解させて用いられる。特に、NaBH4はアルカリ水溶液中で安定であるので、アルカリ水溶液に溶解させて用いられる。このアルカリ燃料電池は、正極に空気極を用いる場合は、燃料および酸素の供給さえ行えば連続的に使用することができる。
上記アルカリ燃料電池に金属水素化物水溶液を燃料として供給すると、燃料と負極である水素吸蔵合金が接することにより金属水素化物の加水分解反応が起こり、燃料電池が発電をしていなくても燃料中の金属水素化物の分解反応が継続する。この場合、負極と金属水素化物との反応で生成した水素は発電に利用されることはなく、燃料を無駄に消費してしまうことになる。このため用意した燃料の一部しか電力として取り出すことができず、燃料電池のエネルギー密度を大きく低下させる原因となっていた。 When an aqueous solution of metal hydride is supplied as fuel to the alkaline fuel cell, a hydrolysis reaction of the metal hydride occurs due to the contact between the fuel and the hydrogen storage alloy as the negative electrode, and even when the fuel cell is not generating power, the fuel in the fuel is not contained in the fuel. The decomposition reaction of the metal hydride continues. In this case, the hydrogen generated by the reaction between the negative electrode and the metal hydride is not used for power generation, but wastes fuel. For this reason, only a part of the prepared fuel can be taken out as electric power, which causes the energy density of the fuel cell to be greatly reduced.
ここで、燃料の負極への供給をコントロールする補器を用いることで、燃料の無駄な消費は抑制できる。しかし、この場合、補器を用いることにより燃料電池全体の体積が大きくなってしまう。加えて、燃料電池の構造が複雑になり、燃料電池を小型ポータブル電源として用いることが困難となる。 Here, by using an auxiliary device for controlling the supply of fuel to the negative electrode, useless consumption of fuel can be suppressed. However, in this case, the use of the auxiliary device increases the volume of the entire fuel cell. In addition, the structure of the fuel cell becomes complicated, and it becomes difficult to use the fuel cell as a small portable power supply.
これに対し、正極、電解質層および負極に弾力性を付与し、負極と燃料が反応して発生する水素ガスを燃料と負極との間に貯めることにより、発電しているときのみ負極と燃料が接触するようにした燃料電池も考えられる。例えば、正極、電解質層および負極の一体化物に弾力性を付与し、水素ガスが発生すると、この一体化物が燃料とは反対側に湾曲することにより、負極と燃料との接触を遮断する方法が考えられる。 On the other hand, by giving elasticity to the positive electrode, the electrolyte layer, and the negative electrode and storing hydrogen gas generated by the reaction between the negative electrode and the fuel between the fuel and the negative electrode, the negative electrode and the fuel are only generated during power generation. A fuel cell in contact is also conceivable. For example, a method of imparting elasticity to an integrated body of a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode and generating hydrogen gas causes the integrated body to curve to the opposite side to the fuel, thereby cutting off the contact between the negative electrode and the fuel. Conceivable.
しかし、上記方法では負極に水素吸蔵合金を用いる場合には、負極に上記機能を実現できるような弾力性を与えることは難しい。また、上記方法では負極と燃料との間の水素ガスに高い圧力がかかるため、水素ガスが正極側に流出するおそれがある。これを防ぐためには、電解質層にガスを透過しない膜状のイオン伝導性電解質を配置する必要があり、コスト高になる。さらに、上記正極、電解質、負極一体化物が変形を繰り返すため、正極から触媒層が、または負極から水素吸蔵合金が、それぞれ脱落しやすくなり、電極の耐久性にも問題がある。 However, in the above method, when a hydrogen storage alloy is used for the negative electrode, it is difficult to give the negative electrode elasticity that can realize the above function. In addition, in the above method, since a high pressure is applied to the hydrogen gas between the negative electrode and the fuel, the hydrogen gas may flow out to the positive electrode side. In order to prevent this, it is necessary to arrange a film-like ion-conductive electrolyte that does not allow gas to pass through the electrolyte layer, which increases the cost. Further, since the positive electrode, the electrolyte, and the negative electrode are repeatedly deformed, the catalyst layer from the positive electrode or the hydrogen storage alloy from the negative electrode easily falls off, and there is a problem in durability of the electrode.
本発明は、発電停止時または低率発電時における液体燃料の反応を抑制するとともに、水素ガスの吸収を増大させることにより、エネルギー密度の高い液体燃料電池を提供するものである。 An object of the present invention is to provide a liquid fuel cell having a high energy density by suppressing the reaction of liquid fuel at the time of stopping power generation or low-rate power generation and increasing the absorption of hydrogen gas.
本発明の液体燃料電池は、酸素を還元する正極と、水素吸蔵材料を含む負極と、前記正極と前記負極との間に配置された電解質層と、液体燃料とを含み、前記負極によって前記液体燃料が酸化される際に気体が発生する液体燃料電池であって、前記液体燃料から発生した気体を利用して、発電電気量に応じて前記負極によって前記液体燃料が酸化される反応を調節する調整手段を備えていることを特徴とする。 The liquid fuel cell of the present invention includes a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode containing a hydrogen storage material, an electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode, and a liquid fuel. A liquid fuel cell in which a gas is generated when fuel is oxidized, wherein a gas generated from the liquid fuel is used to control a reaction in which the liquid fuel is oxidized by the negative electrode according to an amount of generated electricity. It is characterized by having adjusting means.
また、本発明の発電装置は、複数の発電要素が、直列および並列から選ばれたいずれか一方で電気的に接続された発電装置であって、前記発電要素の少なくとも一つが、上記液体燃料電池であることを特徴とする。 Further, the power generation device of the present invention is a power generation device in which a plurality of power generation elements are electrically connected to any one selected from series and parallel, and at least one of the power generation elements includes the liquid fuel cell. It is characterized by being.
本発明は、発電停止時または低率発電時における液体燃料の反応を抑制するとともに、水素ガスの吸収を増大させることにより、エネルギー密度の高い液体燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION This invention can provide the liquid fuel cell of high energy density by suppressing the reaction of the liquid fuel at the time of electric power generation stop or low-rate electric power generation, and increasing the absorption of hydrogen gas.
以下、本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
本発明の液体燃料電池の一実施形態は、酸素を還元する正極と、水素吸蔵材料を含む負極と、正極と負極との間に配置された電解質層と、金属水素化物を含む液体燃料を貯蔵した液体燃料貯蔵部とを含み、負極と液体燃料との接触部には、液体燃料から発生した気体を集めて保持することができる気体保持部を設けたものである。また、気体保持部は、液体燃料から発生した気体を保持した状態で、液体燃料と負極とが接触しないように配置されている。 One embodiment of the liquid fuel cell of the present invention includes a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode including a hydrogen storage material, an electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode, and storing a liquid fuel including a metal hydride. And a gas holding portion capable of collecting and holding gas generated from the liquid fuel at a contact portion between the negative electrode and the liquid fuel. The gas holding unit is arranged so that the liquid fuel does not come into contact with the negative electrode while holding the gas generated from the liquid fuel.
負極と液体燃料との接触部に液体燃料から発生した気体を集めて保持することができる気体保持部を設けることにより、発電停止時または低率発電時において負極と液体燃料とが反応して発電に利用されない水素が発生すると、その水素が気体保持部に蓄積される。この気体保持部に水素が蓄積されると、負極と液体燃料との接触がこの蓄積された水素により遮断され、負極と液体燃料との反応が停止する。これにより、液体燃料の無駄な消費を抑制することができ、液体燃料電池のエネルギー密度を向上できる。なお、燃料電池の通常の発電時には気体保持部内の水素が消費され、この気体保持部に液体燃料が流入し、再び負極と液体燃料とが接触することにより、負極と液体燃料とが反応して水素が発生し、発電を継続できる。 By providing a gas holding part that can collect and hold the gas generated from the liquid fuel at the contact part between the anode and the liquid fuel, the anode and the liquid fuel react when the power generation is stopped or during low-rate power generation to generate electricity. When hydrogen that is not used for the gas is generated, the hydrogen is accumulated in the gas holding unit. When hydrogen is accumulated in the gas holding unit, the contact between the negative electrode and the liquid fuel is cut off by the accumulated hydrogen, and the reaction between the negative electrode and the liquid fuel is stopped. Thereby, wasteful consumption of the liquid fuel can be suppressed, and the energy density of the liquid fuel cell can be improved. During normal power generation of the fuel cell, hydrogen in the gas holding unit is consumed, liquid fuel flows into the gas holding unit, and the negative electrode and the liquid fuel come into contact with each other, so that the negative electrode and the liquid fuel react with each other. Hydrogen is generated, and power generation can be continued.
液体燃料電池の発電電気量が多いときは気体保持部内に蓄積された水素が大量に消費されるため、気体保持部に流入する液体燃料も多くなる。従って、負極と液体燃料とが接する面積も増大し、水素も大量に発生する。一方、発電電気量が少ないときは気体保持部の水素の消費は少ないため、気体保持部に流入する液体燃料も少なくなる。従って、負極と液体燃料とが接する面積も減少し、水素の発生も少なくなる。即ち、発電電気量に応じて負極と液体燃料との反応を調節することができる。 When the amount of electricity generated by the liquid fuel cell is large, a large amount of hydrogen stored in the gas holding unit is consumed, so that the amount of liquid fuel flowing into the gas holding unit also increases. Therefore, the area where the anode and the liquid fuel are in contact with each other increases, and a large amount of hydrogen is generated. On the other hand, when the amount of generated electricity is small, the consumption of hydrogen in the gas holding unit is small, so that the amount of liquid fuel flowing into the gas holding unit is also small. Therefore, the area where the anode and the liquid fuel are in contact with each other is reduced, and the generation of hydrogen is also reduced. That is, the reaction between the negative electrode and the liquid fuel can be adjusted according to the amount of generated electricity.
気体保持部の構造としては、液体燃料が流入する開口部を備えるとともに、発生した気体を負極の液体燃料側の表面に保持することができる構造であれば、特にその種類は限定されるものではない。例えば、負極の液体燃料側の表面に発生した水素ガスを集めることができるように、液体燃料貯蔵部と負極との間に仕切り部材により蓄積部を形成する構造により、気体保持部の機能を発揮させることができる。 The structure of the gas holding unit is not particularly limited as long as it has an opening through which the liquid fuel flows and can hold the generated gas on the surface of the negative electrode on the liquid fuel side. Absent. For example, the function of the gas holding part is exhibited by a structure in which a storage part is formed by a partition member between the liquid fuel storage part and the negative electrode so that hydrogen gas generated on the surface of the negative electrode on the liquid fuel side can be collected. Can be done.
さらに、気体保持部を管形状にしてその管状部の設置方向を二方向以上とすることにより、燃料電池の設置方向にかかわらず発生した気体を気体保持部に保持することができるようになるため、発電効率が向上する。 Further, since the gas holding portion is formed in a tubular shape and the installation direction of the tubular portion is set to two or more directions, the generated gas can be held in the gas holding portion regardless of the installation direction of the fuel cell. The power generation efficiency is improved.
また、管形状の気体保持部の両端には、発生する気体の圧力によって作動する逆止弁が、管状部内の液体燃料および気体が一方向に流れるように設置されていることが好ましい。これにより、液体燃料が循環し、燃料の利用率が向上する。 Further, it is preferable that a check valve operated by the pressure of the generated gas is installed at both ends of the tubular gas holding portion so that the liquid fuel and the gas in the tubular portion flow in one direction. Thereby, the liquid fuel circulates, and the utilization rate of the fuel is improved.
気体保持部の材質としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、硬質ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの合成樹脂、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼などの耐食性金属から構成することができるが、液体燃料中で化学的に安定であり、気体を透過しない材料であれば特にその種類は限定されない。 As a material of the gas holding portion, for example, a synthetic resin such as polytetrafluoroethylene, hard polyvinyl chloride, polypropylene, and polyethylene, a stainless steel, and a corrosion-resistant metal such as nickel-plated steel can be used. The type is not particularly limited as long as the material is chemically stable and does not transmit gas.
負極の気体保持部側(液体燃料側)の表面には撥水処理が施されていることが好ましい。気体保持部に蓄積した水素ガスを利用して発電する際、負極表面に撥水処理を施していると負極である水素吸蔵材料への水素の吸収が速やかに起こるからである。 It is preferable that the surface of the negative electrode on the gas holding portion side (liquid fuel side) is subjected to a water-repellent treatment. This is because, when generating power using the hydrogen gas accumulated in the gas holding unit, if the surface of the negative electrode is subjected to water repellent treatment, the absorption of hydrogen into the hydrogen storage material as the negative electrode occurs promptly.
また、この撥水処理は、負極の表面にフッ素樹脂を塗布することによりなされていることが好ましい。フッ素樹脂は撥水性に優れているからである。このフッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレンなどを使用することができる。 Further, it is preferable that the water repellent treatment is performed by applying a fluororesin to the surface of the negative electrode. This is because fluororesins are excellent in water repellency. Examples of the fluororesin include polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, polyvinylidene fluoride, Polychlorotrifluoroethylene and the like can be used.
また、負極の気体保持部側(液体燃料側)の表面には、さらに水素を原子状に解離させる機能および水素を酸化する機能から選択された少なくとも一つの機能を備えた触媒が付与されていることが好ましい。水素を原子状に解離させる機能を備えた触媒を付与すると、水素吸蔵材料への水素の吸収を促進することができる。また、水素を酸化する機能を備えた触媒を付与すると、水素の酸化を促進して、負極での放電を補助することができる。なお、この触媒は負極中に含有させてもよい。 Further, a catalyst having at least one function selected from a function of dissociating hydrogen into atoms and a function of oxidizing hydrogen is provided on the surface of the negative electrode on the side of the gas holding portion (liquid fuel side). Is preferred. When a catalyst having a function of dissociating hydrogen into atoms is provided, absorption of hydrogen into the hydrogen storage material can be promoted. In addition, when a catalyst having a function of oxidizing hydrogen is provided, oxidation of hydrogen can be promoted and discharge at the negative electrode can be assisted. This catalyst may be contained in the negative electrode.
上記触媒は、燃料電池の使用温度で水素を原子状に解離させる機能または水素を酸化する機能を備えていればよく、例えば、Pt、Pd、Rh、Niなどの金属を用いることができる。この中でも特にPtは上記触媒機能に優れているため、好適に用いることができる。 The catalyst only needs to have a function of dissociating hydrogen into atoms or a function of oxidizing hydrogen at the operating temperature of the fuel cell. For example, metals such as Pt, Pd, Rh, and Ni can be used. Among them, Pt is particularly excellent in the above-mentioned catalytic function, and thus can be preferably used.
また、この触媒は、多孔性のカーボンに担持されていることが好ましい。触媒を多孔性のカーボンに担持することにより、触媒全体の表面積を増加でき、水素と触媒との反応面積が増加して、水素の解離または酸化反応を促進することができるからである。 Further, this catalyst is preferably supported on porous carbon. By supporting the catalyst on porous carbon, the surface area of the entire catalyst can be increased, the reaction area between hydrogen and the catalyst can be increased, and the dissociation or oxidation reaction of hydrogen can be promoted.
また、触媒を担持する担体はカーボンが好ましい。触媒が水素を酸化するときに電子移動を伴うが、その際に導電性を有するカーボンを用いると反応が円滑に進行するからである。 Further, the carrier supporting the catalyst is preferably carbon. This is because, when the catalyst oxidizes hydrogen, it involves electron transfer. At that time, if carbon having conductivity is used, the reaction proceeds smoothly.
さらに、気体保持部に生成した水素を酸化するために、負極の一部を水素を酸化する機能を有するガス拡散電極とすることも有効である。水素吸蔵材料を含む負極の表面では金属水素化物の分解反応を行わせ、ガス拡散電極では気体保持部に生成した水素の酸化反応を行わせることにより、負極の表面に水素を酸化する機能を有する層を形成するよりも、効率よく気体保持部に生成した水素を消費することができるからである。 Further, in order to oxidize the hydrogen generated in the gas holding unit, it is also effective to use a part of the negative electrode as a gas diffusion electrode having a function of oxidizing hydrogen. The surface of the negative electrode containing the hydrogen storage material has a function of oxidizing hydrogen on the surface of the negative electrode by causing a decomposition reaction of metal hydride on the surface of the negative electrode and a gas diffusion electrode performing an oxidation reaction of hydrogen generated on the gas holding portion. This is because hydrogen generated in the gas holding portion can be consumed more efficiently than when a layer is formed.
ガス拡散電極は、水素を原子状に解離させる機能または水素を酸化する機能を備えた触媒を含んでいる。その触媒としては、例えば、Pt、Pd、Rh、Niなどの金属を用いることができる。この中でも特にPtは上記触媒機能に優れているため、好適に用いることができる。 The gas diffusion electrode includes a catalyst having a function of dissociating hydrogen into atoms or a function of oxidizing hydrogen. As the catalyst, for example, a metal such as Pt, Pd, Rh, and Ni can be used. Among them, Pt is particularly excellent in the above-mentioned catalytic function, and thus can be preferably used.
また、この触媒は、多孔性のカーボンに担持されていることが好ましい。触媒を多孔性のカーボンに担持することにより、触媒全体の表面積を増加でき、水素と触媒との反応面積が増加して、水素ガスの解離または酸化反応を促進することができるからである。 Further, this catalyst is preferably supported on porous carbon. By supporting the catalyst on porous carbon, the surface area of the entire catalyst can be increased, the reaction area between hydrogen and the catalyst can be increased, and the dissociation or oxidation reaction of hydrogen gas can be promoted.
また、触媒を担持する担体はカーボンが好ましい。触媒が水素を酸化するときに電子移動を伴うが、その際に導電性を有するカーボンを用いると反応が円滑に進行するからである。 Further, the carrier supporting the catalyst is preferably carbon. This is because, when the catalyst oxidizes hydrogen, it involves electron transfer. At that time, if carbon having conductivity is used, the reaction proceeds smoothly.
また、ガス拡散電極は、フッ素樹脂を含むことが好ましい。フッ素樹脂は撥水性に優れているため、水素ガスの解離または酸化反応を促進することができるからである。このフッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレンなどを使用することができる。 Further, the gas diffusion electrode preferably contains a fluororesin. This is because fluororesins are excellent in water repellency and can accelerate the dissociation or oxidation reaction of hydrogen gas. Examples of the fluororesin include polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, polyvinylidene fluoride, Polychlorotrifluoroethylene and the like can be used.
液体燃料と負極が反応して発生した気体と液体燃料とを分離するために、気液分離膜を気体保持部あるいは気体保持部と繋がるいずれかの場所に配置することも有効である。特に、ガス拡散電極の液体燃料側に気液分離膜を配置すると、発生した気体と液体燃料が分離してガス拡散電極には発生したガスのみが接するようになるため、ガス拡散電極の表面が濡れることがなく、高い水素酸化能力を維持することができる。 In order to separate the liquid fuel from the gas generated by the reaction between the liquid fuel and the negative electrode, it is also effective to arrange the gas-liquid separation membrane at a gas holding portion or at any place connected to the gas holding portion. In particular, when a gas-liquid separation membrane is arranged on the liquid fuel side of the gas diffusion electrode, the generated gas and the liquid fuel are separated, and only the generated gas comes into contact with the gas diffusion electrode. High hydrogen oxidizing ability can be maintained without wetting.
気液分離膜は、気体と液体を分離できる膜であり、液体燃料に対して化学的に安定であればよいが、微孔性ポリテトラフルオロエチレン膜が好適に用いられる。 The gas-liquid separation membrane is a membrane that can separate a gas and a liquid, and may be chemically stable with respect to a liquid fuel. However, a microporous polytetrafluoroethylene membrane is preferably used.
また、水素吸蔵材料としては、水素吸蔵合金またはカーボンナノチューブが好ましい。これらは、水素の吸蔵能力に優れているからである。 Further, as the hydrogen storage material, a hydrogen storage alloy or a carbon nanotube is preferable. This is because they have excellent hydrogen storage capacity.
また、電解質層としては、KOH、NaOHおよびLiOHからなる群から選択された少なくとも一つを溶解した水溶液を含んでいることが好ましい。高いイオン伝導性を付与できるからである。 The electrolyte layer preferably contains an aqueous solution in which at least one selected from the group consisting of KOH, NaOH and LiOH is dissolved. This is because high ionic conductivity can be imparted.
また、液体燃料としては、金属水素化物を溶解したアルカリ水溶液が好ましい。金属水素化物はアルカリ水溶液中で安定に保存可能だからである。この金属水素化物としては、負極である水素吸蔵材料と接することにより加水分解反応が起こる化合物であればよく、中でもNaBH4、KBH4、LiAlH4、KHおよびNaHからなる群から選択された少なくとも一つであることが好ましい。これらは、水に容易に溶解でき、また単位質量当たりの水素供給量が多いからである。 As the liquid fuel, an alkaline aqueous solution in which a metal hydride is dissolved is preferable. This is because metal hydrides can be stably stored in an aqueous alkali solution. The metal hydride may be any compound that undergoes a hydrolysis reaction when it comes into contact with the hydrogen storage material serving as the negative electrode, and at least one selected from the group consisting of NaBH 4 , KBH 4 , LiAlH 4 , KH and NaH. It is preferably one. This is because they can be easily dissolved in water and supply a large amount of hydrogen per unit mass.
一つの液体燃料電池では起電力1.23V以下であり、多くの電子機器を駆動するには起電力が不足する。複数の液体燃料電池を直列に接続して発電装置を構成することにより、様々な電子機器を駆動することのできる起電力が得られる。 The electromotive force of one liquid fuel cell is 1.23 V or less, and the electromotive force is insufficient to drive many electronic devices. By configuring a power generation device by connecting a plurality of liquid fuel cells in series, an electromotive force capable of driving various electronic devices can be obtained.
高い起電力の発電装置を構成するために、本発明の液体燃料電池と他の発電要素、例えば燃料電池、二次電池、キャパシターを直列に接続することもできる。また、液体燃料電池と並列に、液体燃料電池より短時間の高率放電特性に優れたキャパシターあるいは二次電池を接続することにより、高率放電特性に優れたエネルギー密度の高い発電装置を構成することができる。 In order to configure a high electromotive force power generation device, the liquid fuel cell of the present invention and other power generation elements such as a fuel cell, a secondary battery, and a capacitor can be connected in series. In addition, by connecting a capacitor or a secondary battery having excellent high-rate discharge characteristics in a shorter time than the liquid fuel cell in parallel with the liquid fuel cell, a high-energy-density power generation device having excellent high-rate discharge characteristics is configured. be able to.
液体燃料電池と直列または並列に接続する発電要素として、水素および酸素から発電する燃料電池が好ましい。酸素は空気に含まれるため、酸素用の特別な貯蔵部が不要で、酸素を還元する電極だけあればよく、エネルギー密度が高い電池となる。また、水素は本発明の液体燃料電池で、金属水素化物と水素吸蔵合金の反応により発生する水素を利用できるため、液体燃料電池用の金属水素化物用貯蔵部以外の新たな水素用の貯蔵部を必要としない。 As a power generation element connected in series or parallel with the liquid fuel cell, a fuel cell that generates power from hydrogen and oxygen is preferable. Since oxygen is contained in air, a special storage unit for oxygen is not required, and only an electrode for reducing oxygen is required, so that a battery having a high energy density is obtained. Since hydrogen generated by the reaction between the metal hydride and the hydrogen storage alloy can be used in the liquid fuel cell of the present invention, a new hydrogen storage unit other than the metal hydride storage unit for the liquid fuel cell can be used. Do not need.
同一発電装置内において、水素を燃料とする燃料電池を、本発明の液体燃料電池と直列あるいは並列に接続する場合、液体燃料電池の気体保持部から、水素を燃料とする燃料電池の水素極部(負極部)へ水素を導くための導管を設けることが好ましい。これにより、液体燃料電池から発生した水素を利用することで、水素を燃料とする燃料電池のための水素貯蔵部を新たに設ける必要がなくなり、発電装置を小型化できるからである。 When a fuel cell using hydrogen as a fuel is connected in series or in parallel with the liquid fuel cell of the present invention in the same power generator, the hydrogen electrode of the fuel cell using hydrogen as a fuel is supplied from the gas holding portion of the liquid fuel cell. It is preferable to provide a conduit for guiding hydrogen to the (negative electrode part). This is because, by using the hydrogen generated from the liquid fuel cell, it is not necessary to newly provide a hydrogen storage unit for the fuel cell using hydrogen as a fuel, and the power generation device can be downsized.
液体燃料電池の負極と液体燃料との接触部に液体燃料から発生する気体を集めて保持することができる気体保持部を設けることにより、液体燃料電池の発電停止時または低率発電時において、負極と液体燃料とが反応して発電に利用されない水素が発生すると、その水素が気体保持部に蓄積される。この蓄積された水素は導管により他の水素を燃料とする燃料電池の水素極部へ導かれる。この気体保持部および水素極部に水素が蓄積されると、負極と液体燃料との接触がこの蓄積された水素により遮断され、負極と液体燃料との反応が停止する。これにより、液体燃料の無駄な消費を抑制することができ、液体燃料電池のエネルギー密度を向上できる。なお、液体燃料電池の通常の発電時には水素極部および気体保持部の水素が消費され、この気体保持部には液体燃料貯蔵部から新たに液体燃料が流入し、再び負極と液体燃料とが接触することにより、負極と液体燃料とが反応して水素が発生し、発電を継続できる。 By providing a gas holding portion capable of collecting and holding gas generated from the liquid fuel at a contact portion between the negative electrode of the liquid fuel cell and the liquid fuel, the negative electrode can be provided when the power generation of the liquid fuel cell is stopped or at a low rate of power generation. Reacts with the liquid fuel to generate hydrogen that is not used for power generation, and the hydrogen is accumulated in the gas holding unit. The stored hydrogen is led by a conduit to the hydrogen electrode of a fuel cell using other hydrogen as fuel. When hydrogen is accumulated in the gas holding portion and the hydrogen electrode portion, the contact between the negative electrode and the liquid fuel is interrupted by the accumulated hydrogen, and the reaction between the negative electrode and the liquid fuel stops. Thereby, wasteful consumption of the liquid fuel can be suppressed, and the energy density of the liquid fuel cell can be improved. During normal power generation of the liquid fuel cell, hydrogen in the hydrogen electrode portion and the gas holding portion is consumed. Liquid fuel flows from the liquid fuel storage portion into the gas holding portion, and the anode and the liquid fuel come into contact again. By doing so, the negative electrode reacts with the liquid fuel to generate hydrogen, and power generation can be continued.
水素を燃料とする燃料電池の水素極部へ水素を導くための導管に気液分離膜を設けて、液体燃料と水素を分離することも有効である。水素極部に水素のみを供給することにより、安定に発電することができるからである。 It is also effective to provide a gas-liquid separation membrane in a conduit for guiding hydrogen to the hydrogen electrode of a fuel cell using hydrogen as fuel to separate liquid fuel and hydrogen. This is because power can be stably generated by supplying only hydrogen to the hydrogen electrode.
次に、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1における液体燃料電池の断面図である。正極1は、例えば、多孔質炭素粉末に触媒を担持した炭素粉末からなるカーボン層1bと、ポリテトラフルオロエチレンからなる気液分離シート1aとを積層して構成される。正極1は酸素を還元する機能を有しており、多孔質炭素粉末に触媒を担持することによりその性能を向上させることができる。その触媒には、銀、白金、ルテニウム、酸化イリジウム、希土類酸化物、酸化マンガン、または銀、白金、ルテニウムを少なくとも一つ含む合金などが用いられる。また、正極1のカーボン層1bには、撥水性を付与するためポリテトラフルオロエチレン樹脂粒子が含有されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a sectional view of a liquid fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. The positive electrode 1 is configured by, for example, laminating a
負極2a(水素吸蔵合金極)は、水素吸蔵材料を導電性基体に固着して形成され、燃料を酸化する機能を有している。水素吸蔵材料としては、水素吸蔵合金、またはカーボンナノチューブなどの炭素材料を用いることができ、特に水素吸蔵合金が適している。その水素吸蔵合金としては特にその種類は限定されることはないが、例えば、LaNi5で代表されるAB5型水素吸蔵合金、ZnMn2またはその置換体で代表されるAB2型水素吸蔵合金、Mg2Niまたはその置換体で代表されるマグネシウム系のA2B型水素吸蔵合金、固溶体型バナジウム系水素吸蔵合金などを用い得る。それらの中でも、希土類元素の混合物であるミッシュメタル(Mm)を用い、且つNiの一部をCoなどで置換したMmNi5系のAB5型水素吸蔵合金が特に好適に用いられる。耐久性および水素の吸蔵・放出の能力に優れているからである。
The
負極2aの導電性基体としては、電解質に対して耐食性を持つ材料からなり、水素吸蔵材料から電気的な接触が得られる基体であればよく、例えば、ニッケル製またはニッケルメッキした鉄製のパンチングメタル、発泡金属体などが用いられる。
The conductive substrate of the
負極2aの水素吸蔵材料を導電性基体に固着させるための結着剤としては、電解質中で化学的に安定で粘着性を有する材料であればよく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ラテックスなどを用いることができる。中でもポリテトラフルオロエチレンは負極2aに撥水性を付与することから好適に用いられる。
As the binder for fixing the hydrogen storage material of the
負極2bは、水素を電気化学的に酸化する機能を備えたガス拡散電極であり、負極2aと同一平面上に配置されている。このガス拡散電極としては、正極1のカーボン層1bと同様の構成のものを用いることができ、その触媒としては、例えば白金微粒子などを用いることができる。負極2bの液体燃料側の面には気液分離シート1aが設置されている。また、負極2aと2bは電気的に並列に接続されている。
The
本実施形態の電解質としては、液状のものであれば種々のものを用い得るが、特にアルカリ水溶液が好適に用いられる。このアルカリ水溶液としては、例えば、KOH、NaOH、LiOHなどのアルカリ金属の水酸化物を10〜40質量%程度水に溶解したものが好ましく、複数のアルカリ金属の水酸化物を含んでいる混合電解質も用いることができる。 As the electrolyte of the present embodiment, various electrolytes can be used as long as they are liquid, and an alkaline aqueous solution is particularly preferably used. As the alkaline aqueous solution, for example, a solution in which a hydroxide of an alkali metal such as KOH, NaOH, or LiOH is dissolved in water at about 10 to 40% by mass is preferable, and a mixed electrolyte containing a plurality of hydroxides of an alkali metal is preferable. Can also be used.
上記電解質を保持して電解質層を構成するため、正極1と負極2aおよび2bとの間にセパレータ3を配置する。セパレータ3の材質は電解質に対して安定であれば特にその種類は限定されず、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンなどからなる不織布が用いられる。また、電解質溶媒に水を用いる場合、セパレータ3の表面を親水化処理することが好ましい。
In order to form an electrolyte layer while holding the above electrolyte, a
液体燃料4の水素供給源としては金属水素化物が用いられるが、その金属水素化物としては、例えば、NaBH4、KBH4、LiBH4、LiAlH4、NaAlH4、KAlH4、KH、NaHなどが用いられ、特にNaBH4が好適に用いられる。NaBH4は、水またはアルカリ水溶液中で他の金属水素化物より安定であり、また、水素吸蔵合金との反応も穏やかだからである。水素供給源である金属水素化物は、液体電解質に溶解または混合された状態で用いることができる。
As a hydrogen supply source of the
正極1、電解質層を構成するセパレータ3、負極2aおよび2bは、それぞれシート状の形状であり、正極1、セパレータ3、負極2aおよび2bの順に積層されて、電極・電解質一体化物を構成している。
The positive electrode 1, the
負極2a、2bのセパレータ3と反対側には液体燃料4を貯蔵する燃料タンク5が隣接して設けられている。燃料タンク5は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、硬質ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの合成樹脂や、ステンレス鋼などの耐食性金属から構成されている。ただし、燃料タンク5を金属で構成する場合で、複数のセルを直列に接続して燃料電池モジュールを構成する場合は、それぞれのセル同士が電気的に短絡しないように燃料タンク5の表面を絶縁体で被覆する必要がある。
A
負極2a、2bと液体燃料4との接触部には、液体燃料4から発生した気体を集めて保持することができる気体保持部6が設けられている。本実施形態の気体保持部6は、液体燃料貯蔵部である燃料タンク5と負極2a、2bとの間に設けられた仕切り板5aにより形成されている。この仕切り板5aの負極側の面には、図2に示すのようなジグザグ状の溝状部が形成されている。この溝状部と負極2a、2bとにより、気体保持部6は管状部を形成している。
At a contact portion between the
気体保持部6の両端には、気体保持部6内の液体燃料4および液体燃料4から発生した気体が一方向に流れるように逆止弁7aおよび7bが設置されている。気体保持部6内の液体燃料4と負極2aが反応して水素ガスが発生すると、気体保持部6内の内圧が上昇して逆止弁7aが閉鎖する。さらに、水素ガスが発生すると気体保持部6内の液体燃料4は逆止弁7b側へ押し出され、気体保持部6内は水素ガスで満たされた状態になる。発電を始めると、気体保持部6内の水素ガスは負極2b(ガス拡散電極)によって酸化される。このとき、気体保持部6内は減圧状態になるため逆止弁7bが閉鎖され、逆止弁7aより液体燃料4が気体保持部6内に流入する。上記の仕組みにより気体保持部6内の液体燃料4は一方向に循環する。
Check
上記液体燃料4の循環の仕組みを効率よく行うためには、気体保持部6内の液体燃料4の流れ方向に対して、負極2aと2bはこの順で設置されていなければならない。そうすることにより、気体保持部6内の水素ガスは負極2bによって消費され、逆止弁7bより液体燃料4のみが燃料タンク5に戻ることができる。
In order to efficiently circulate the
上記気体保持部6内の液体燃料4と水素ガスが管状部内で混在するように、管状部の管径は細くすることが好ましく、具体的には管径は1〜3mmが好ましく、1〜2mmがより好ましい。管径を大きくすると、管内で液体燃料4と水素ガスが入れ替わり、液体燃料4は燃料電池設置面側に流れてしまう。これに対し、管径を細くすると、表面張力により液体燃料4と水素ガスが重力によって入れ替わることなく混在することができる。このため、上記循環により、液体燃料4および水素ガスは重力の方向とは関係なく一方向に流れるようになる。従って、本実施形態の燃料電池は設置方向が限定されず、ポジションフリーとすることができる。
The tube diameter of the tubular portion is preferably small so that the
また、正極1のセパレータ3と反対側にはカバー板8が設けられており、カバー板8の正極1と接する部分には空気孔9が設けられている。これにより、空気孔9を通して大気中の酸素が正極1と接することができる。
A
正極1および負極2aには集電体10が接続されており、集電体10は、例えば、白金、金などの貴金属や、ニッケルもしくはニッケルメッキをした耐食性金属、またはカーボンなどから構成されている。
A
燃料タンク5には液体燃料4を供給するための燃料供給口11が設けられている。液体燃料4は燃料供給口11から供給されて燃料タンク5に補充される。燃料電池が発電するときは、燃料供給口11は密閉されて液体燃料4が燃料電池より漏れないようにする。
The
燃料タンク5の電極面側以外の面には気液分離孔12aと気液分離膜12bとが設置されている。気液分離膜12bは、上記負極2b(ガス拡散電極)によって消費されなかった水素が燃料タンク5に排出された場合、燃料タンク5内の内圧が上昇してタンクが破裂するのを防ぐために、ガスのみをタンク外へ排出する機能を有している。
A gas-
また、カバー板8の気液分離シート1aと燃料タンク5との間には、ゴム製のシール材13が配置されている。
Further, a
(実施形態2)
図3は、本発明の実施形態2における液体燃料電池の断面図である。本実施形態は、実施形態1の液体燃料電池の負極を負極2a(水素吸蔵合金極)のみとし、新たに固体高分子型燃料電池16を設け、気体保持部6を固体高分子型燃料電池16にまで導いた構造である。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a sectional view of a liquid fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. In the present embodiment, a negative electrode of the liquid fuel cell of the first embodiment is only the
固体高分子型燃料電池16の正極は、拡散層15と正極触媒層17からなり、負極は拡散層15と負極触媒層18からなる。また、その正極触媒層17と負極触媒層18との間には固体高分子電解質膜14が配置されている。さらに、負極触媒層18の液体燃料側には、気液分離シート1aが配置されている。固体高分子型燃料電池16は、負極2aと液体燃料4との反応で発生した水素と空気中の酸素により発電する。本実施形態は、2組の正極および負極を電気的に直列に接続することにより、高い電圧が得られる。
The positive electrode of the polymer
以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
以下のようにして実施形態1と同様の構造の液体燃料電池を作製した。
(Example 1)
A liquid fuel cell having a structure similar to that of the first embodiment was manufactured as follows.
正極1は次にように作製した。カボット(CABOT)社製の白金微粒子を担持したカーボン“BP−2000”(商品名)0.25gを30cm3の蒸留水に添加して10分間混合・攪拌した後、濃度60質量%のポリテトラフルオロエチレンの水性分散液0.18gを添加し、さらに20分間混合・攪拌した。その後、n−ブタノール8cm3を添加して20分間混合・攪拌し、さらに200℃に加温して20分間混合・攪拌した後、凝集体を沈降させ、上澄みを除去して、正極触媒ペーストを得た。得られたペーストを40メッシュのニッケルメッシュ板電極支持体に塗布して乾燥してカーボン層1bとし、これをジャパンゴアテックス社製のポリテトラフルオロエチレンシートである“ゴアテックス”(商品名、厚さ100μm、空孔率50%)フィルム(気液分離シート1a)に9MPaの圧力で圧着して正極1とした。
The positive electrode 1 was produced as follows. 0.25 g of carbon "BP-2000" (trade name) carrying platinum fine particles manufactured by CABOT was added to 30 cm 3 of distilled water, and mixed and stirred for 10 minutes. 0.18 g of an aqueous dispersion of fluoroethylene was added, and the mixture was further mixed and stirred for 20 minutes. Thereafter, 8 cm 3 of n-butanol was added and mixed and stirred for 20 minutes, and further heated to 200 ° C. and mixed and stirred for 20 minutes. Then, aggregates were settled, the supernatant was removed, and the cathode catalyst paste was removed. Obtained. The obtained paste is applied to a 40 mesh nickel mesh plate electrode support and dried to form a
負極2a(水素吸蔵合金極)は次のように作製した。組成式:MmNi3.48Co0.74Mn0.4Al0.3(Mmは、La33質量%、Ce47質量%、Pr5質量%、Nd15質量%からなるミッシュメタル)からなる水素吸蔵合金100gに、5質量%のポリ−N−ビニルアセトアミド水溶液6g、カルボキシメチルセルロース0.1gおよび50質量%のラテックスの水性分散液1.3gを添加して混合し、負極合剤含有ペーストを得た。得られたペーストをニッケル発泡体からなる基体に塗布・充填し、乾燥して負極合剤層を形成した後、加圧成形して負極2aとした。
The
負極2b(ガス拡散電極)は正極と同様の方法で作製した。ただし、カーボンの代わりに白金微粒子を担持させた活性炭(白金微粒子および活性炭の全質量に対する白金微粒子の割合は5質量%)を用いた。なお、白金の塗布量は、4mg/cm2とした。
The
電解質は30質量%のKOH水溶液を用い、セパレータ3は厚さ120μmのスルホン化ポリプロピレン製の不織布を用い、液体燃料は1.6質量%のNaBH4のアルカリ水溶液を用いた。アルカリ水溶液としては、29.5質量%のKOH水溶液を用いた。
The electrolyte used was a 30% by mass aqueous KOH solution, the
なお、気体保持部6は、断面2×2mmの管状とした。
In addition, the
(実施例2)
以下のようにして実施形態2と同様の構造の液体燃料電池を作製した。
(Example 2)
A liquid fuel cell having the same structure as that of the second embodiment was manufactured as follows.
本実施例は、図3に示したように、実施例1で作製した液体燃料電池において、負極2b(ガス拡散電極)を配置する代わりに、負極全体を負極2a(水素吸蔵合金極)にした電池を1個、および固体高分子型燃料電池16を1個結合して作製した。また、液体燃料電池の気体保持部6は、図3に示したように固体高分子型燃料電池16の気体保持部6’と連結した。それぞれの液体燃料電池および固体高分子型燃料電池16は電気的に直列に接続して発電装置を構成した。
In this example, as shown in FIG. 3, in the liquid fuel cell manufactured in Example 1, instead of disposing the
本実施例で用いた固体高分子型燃料電池は、次のようにして作製した。先ず、ライオンアクゾ社製の“ケッチェンブラックEC”(商品名)を50質量部、平均粒子径3nmの白金微粒子を50質量部担持した白金担持カーボンを10質量部、エレクトロケム(Electrochem)社製のプロトン伝導性物質“ナフィオン”(商品名、固形分濃度5質量%)溶液を75質量部、フッ素樹脂バインダとしてダイキン社製のポリテトラフルオロエチレンエマルジョン溶液“D1”(商品名、エマルジョン濃度60質量%)を10質量部および水を5質量部準備した。これらをホモジナイザーで混合・分散し、カーボンクロス(拡散層15)に白金量が0.3mg/cm2になるように塗布して乾燥した。次に、120℃、10MPaの条件で2分間熱プレスを行い電極として成形し、正極触媒層17および負極触媒層18を得た。
The polymer electrolyte fuel cell used in this example was manufactured as follows. First, 50 parts by mass of "Ketjen Black EC" (trade name) manufactured by Lion Akzo, 10 parts by mass of platinum-supported carbon carrying 50 parts by mass of platinum fine particles having an average particle diameter of 3 nm, and 10 parts by mass of Electrochem. 75 parts by mass of a solution of the proton conductive substance "Nafion" (trade name, solid content concentration: 5% by mass), and a polytetrafluoroethylene emulsion solution "D1" (trade name, emulsion concentration: 60 parts by mass) as a fluororesin binder %) And 5 parts by mass of water. These were mixed and dispersed with a homogenizer, applied to a carbon cloth (diffusion layer 15) so that the platinum amount was 0.3 mg / cm 2 , and dried. Next, hot pressing was performed at 120 ° C. and 10 MPa for 2 minutes to form electrodes, whereby a positive
固体高分子電解質膜14は、デュポン社製の“ナフィオン117”(商品名)を用い、正極触媒層17および負極触媒層18でこの固体高分子電解質膜14を挟持し、120℃、10MPaの条件で3分間熱プレスを行った。
The solid
(比較例1)
図4は、比較例1における従来の液体燃料電池の断面図である。本比較例は、負極全体を負極2a(水素吸蔵合金極)とし、且つ気体保持部および気液分離孔を備えていないこと、および電池の設置方向を変えたこと以外は、実施例1と同様の構成である。本比較例では、液体燃料4と負極2aとは常に接触しているため、燃料電池の発電停止時においても水素ガスが発生し続けることになり、液体燃料4の一部が無駄に消費されることになる。
(Comparative Example 1)
FIG. 4 is a sectional view of a conventional liquid fuel cell in Comparative Example 1. This comparative example is the same as Example 1 except that the entire negative electrode was a
(比較例2)
図5は、比較例2における従来の液体燃料電池の断面図である。本比較例では、燃料タンク5に発生した水素ガスを排出するための気液分離孔12aおよび気液分離膜12bを備えていること以外は、比較例1と同様の構成である。
(Comparative Example 2)
FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional liquid fuel cell in Comparative Example 2. This comparative example has the same configuration as the comparative example 1 except that a gas-
実施例1、2、比較例1、2の各電池に液体燃料をフル充填し、正負端子間をオープンにした状態で観察した。その結果、実施例1、2の電池では、すべて観察開始から10分以内に水素ガスの発生は停止した。これに対し、比較例1の電池では水素ガスの発生が継続し、電池内の圧力が上昇してポリテトラフルオロエチレンシート(気液分離シート1a)が破損し、電池として機能しなくなった。一方、比較例2の電池は、気液分離孔12aおよび気液分離膜12bを設けたので電池内の圧力は上昇しなかったが、液体燃料中の水素化ホウ素ナトリウムがすべて加水分解されるまで水素ガスの発生が継続した。
Each of the batteries of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 was fully filled with liquid fuel, and observation was performed in a state where the positive and negative terminals were open. As a result, in the batteries of Examples 1 and 2, generation of hydrogen gas was stopped within 10 minutes from the start of observation. On the other hand, in the battery of Comparative Example 1, the generation of hydrogen gas continued, the pressure inside the battery increased, and the polytetrafluoroethylene sheet (gas-
次に、実施例1、2および比較例2の各電池から使用済みの液体燃料を全て排出した後、新たに液体燃料をフル充填し、10mA/cm2の電流密度で電池電圧が0.5Vになるまで定電流放電を行い、放電容量を測定した。その結果を表1に示す。放電容量は、実施例1の放電容量を100%としたときの相対値で示した。 Next, after all the used liquid fuel was discharged from each of the cells of Examples 1 and 2 and Comparative Example 2, the liquid fuel was fully charged and the battery voltage was 0.5 V at a current density of 10 mA / cm 2. , And the discharge capacity was measured. Table 1 shows the results. The discharge capacity was shown as a relative value when the discharge capacity of Example 1 was set to 100%.
また、実施例1に比べて実施例2の放電容量が大きいのは、実施例2は実施例1に比べて気体保持部の体積が固体高分子型燃料電池の部分だけ大きいため、発生した水素ガスとの反応が効率よく起ったためと考えられる。 Further, the reason why the discharge capacity of the second embodiment is larger than that of the first embodiment is that the volume of the gas holding portion of the second embodiment is larger than that of the first embodiment only in the portion of the polymer electrolyte fuel cell, and thus the generated hydrogen It is considered that the reaction with the gas occurred efficiently.
本発明は、発電停止時または低率発電時における液体燃料の反応を抑制するとともに、水素ガスの吸収を増大させることにより、エネルギー密度の高い液体燃料電池を提供することができるので、ラップトップコンピュータ、携帯電話などのコードレス機器の電源の小型化、高容量化を図ることができる。 The present invention can provide a liquid fuel cell having a high energy density by suppressing the reaction of liquid fuel at the time of power generation stop or low-rate power generation and increasing the absorption of hydrogen gas, so that a laptop computer can be provided. In addition, a power source of a cordless device such as a mobile phone can be reduced in size and capacity can be increased.
1 正極
1a 気液分離シート
1b カーボン層
2a 負極(水素吸蔵合金極)
2b 負極(ガス拡散電極)
3 セパレータ
4 液体燃料
5 燃料タンク
5a 仕切り板
6 気体保持部
6’ 気体保持部
7a 逆止弁
7b 逆止弁
8 カバー板
9 空気孔
10 集電体
11 燃料供給口
12a 気液分離孔
12b 気液分離膜
13 シール材
14 固体高分子電解質膜
15 拡散層
16 固体高分子型燃料電池
17 正極触媒層
18 負極触媒層
1
2b negative electrode (gas diffusion electrode)
Claims (25)
前記液体燃料から発生した気体を利用して、発電電気量に応じて前記負極によって前記液体燃料が酸化される反応を調節する調整手段を備えていることを特徴とする液体燃料電池。 A positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode containing a hydrogen storage material, an electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode, and a liquid fuel, and a gas when the liquid fuel is oxidized by the negative electrode. A liquid fuel cell in which
A liquid fuel cell, comprising: adjusting means for adjusting a reaction in which the liquid fuel is oxidized by the negative electrode according to the amount of electricity generated by using a gas generated from the liquid fuel.
前記発電要素の少なくとも一つが、請求項1〜22のいずれかに記載の液体燃料電池であることを特徴とする発電装置。 A plurality of power generation elements, a power generator electrically connected to one selected from series and parallel,
A power generator, wherein at least one of the power generating elements is the liquid fuel cell according to any one of claims 1 to 22.
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