JP2004185919A - Liquid fuel cell - Google Patents

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JP2004185919A
JP2004185919A JP2002350210A JP2002350210A JP2004185919A JP 2004185919 A JP2004185919 A JP 2004185919A JP 2002350210 A JP2002350210 A JP 2002350210A JP 2002350210 A JP2002350210 A JP 2002350210A JP 2004185919 A JP2004185919 A JP 2004185919A
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liquid fuel
negative electrode
fuel cell
positive electrode
electrode
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JP2002350210A
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Japanese (ja)
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Yasuo Arishima
康夫 有島
Shoji Nishihara
昭二 西原
Hiroshi Kayano
博志 柏野
Shinsuke Shibata
進介 柴田
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Maxell Holdings Ltd
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Hitachi Maxell Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make it possible to provide a compact liquid fuel cell capable of efficiently removing carbon dioxide generated by a cell reaction and with a large energy density. <P>SOLUTION: The cell includes a positive electrode 8 reducing oxygen, a negative electrode 9 oxidizing fuel, a solid electrolyte 10 fitted between the positive electrode 8 and the negative electrode 9, and a liquid fuel storage part 3 storing liquid fuel 4, with an absorbent 6 capable of absorbing the carbon dioxide arranged inside the liquid fuel storage part 3. As the absorbent 6, an OH type anion exchange resin is preferable. Further, the absorbent 6 is preferred to be in the form of a powder, granular, thin-film or fibrous state, or the like. Furthermore, the liquid fuel storage part 3 is preferred to be attachable and detachable. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料として液体を用いた燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータ、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、このリチウムイオン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。
【0003】
このような状況の中で上記要望に応え得る電池として、固体高分子電解質を用いた燃料電池が期待されている。中でも、液体燃料を直接電池の反応に利用する直接メタノール型燃料電池は、液体燃料の供給に毛管力などを利用することで燃料供給装置などの補器を不要にできることから小型化が可能であり、将来のポータブル電源として有望であるとして期待されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−268836号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記直接メタノール型燃料電池では放電の際に、正極で酸素が還元されて水が生成し、負極でメタノールが酸化されて二酸化炭素が発生する。また、補器を使用しない場合には液体燃料は自動的に流動しないため、電池反応で発生した二酸化炭素は液体燃料とともに電池内部に滞留し続ける。このため連続して燃料電池を使用すると電池内圧の上昇を招くとともに、滞留した二酸化炭素により液体燃料の負極への供給が妨げられるという問題が生じる。
【0006】
この問題を解決するため、従来は気液分離膜を備えた気液分離孔を電池に設けることにより、発生した二酸化炭素をこの気液分離孔から電池外に排出する方法が採用されていた。
【0007】
しかし、この方法では、燃料電池のエネルギー密度を向上させるためにメタノールの濃度を上げると、メタノールが気液分離膜を透過して外部に漏れるという新たな問題が生じる。
【0008】
本発明は、電池反応で発生した二酸化炭素を効率的に除去でき、エネルギー密度が大きく、小型の液体燃料電池を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質と、液体燃料貯蔵部とを含む液体燃料電池であって、
前記液体燃料貯蔵部の内部に、二酸化炭素を吸着可能な吸着剤を配置したことを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【0011】
本発明の一実施形態は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、正極と負極との間に設けられた電解質と、液体燃料貯蔵部とを含む液体燃料電池であり、その液体燃料貯蔵部の内部に、二酸化炭素を吸着可能な吸着剤を配置したものである。
【0012】
これにより、負極の電池反応で発生した二酸化炭素を効果的に除去することが可能になり、電池内圧の上昇が抑制され、液体燃料の負極への供給が阻害されない。また、気液分離膜を備えた気液分離孔を設ける必要がなくなるため、高濃度の液体燃料を使用しても液体燃料が電池外に漏れることがなくなり、電池のエネルギー密度を向上できる。
【0013】
上記吸着剤としては、例えば、化学吸着するものとしてOH型アニオン交換樹脂、物理吸着するものとして活性炭、ゼオライト、中空糸膜、シリカゲル、およびセルロース、パルプ、椰子がら、石炭、フェノール、合成繊維などを原料とする炭素繊維系材料、化学吸着および化学反応するものとしてアルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物、酸化物、炭酸塩などが使用できる。
【0014】
この中でも特にOH型アニオン交換樹脂が好ましい。OH型アニオン交換樹脂は二酸化炭素の吸着力が大きく、また電池容器内に塗工することにより配置できるため、その取り扱いが容易だからである。さらに、負極の電池反応の中間生成物であるギ酸などの酸性化合物についても、酸塩基反応により除去可能だからである。
【0015】
上記OH型アニオン交換樹脂としては、一般に市販されているCl型アニオン交換樹脂をKOH水溶液またはNaOH水溶液に浸漬させて、Cl型からOH型にイオン交換したものを使用できる。市販のCl型アニオン交換樹脂としては、例えば、四弗化エチレンを骨格に持つフッ素系アニオン交換樹脂膜としては東ソー社製の“TOSFLEX”(商品名)、スチレン−ジビニルベンゼン系を主とする炭化水素系アニオン交換樹脂膜としては旭硝子社製の“セレミオン”(商品名)およびトクヤマ社製の“ネオセプタ”(商品名)、粉末または顆粒状の炭化水素系アニオン交換樹脂としてはローム・アンド・ハース社製の“アンバーライト”(商品名)などを使用できる。その他では、特表平9−501722号公報に記載のポリエピクロロヒドリンを骨格とする4級アンモニウム塩型のアニオン交換樹脂などを使用できる。
【0016】
上記アニオン交換樹脂を液体燃料貯蔵部の内部に配置する際の形態としては、予め薄膜状に形成したアニオン交換樹脂を液体燃料貯蔵部の内壁部に取り付ける方法、粉末状、顆粒状のアニオン交換樹脂をポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの高分子バインダ溶液に分散させた後に、液体燃料貯蔵部の内壁部に塗工する方法、粉末状、顆粒状、繊維状のアニオン交換樹脂をそのまま液体燃料貯蔵部の内部に配置する方法などがある。
【0017】
また、本実施形態の液体燃料電池は、その液体燃料貯蔵部が着脱可能であることが好ましい。液体燃料の交換・補充が容易となるからである。
【0018】
また、本実施形態の液体燃料電池の正極と、負極と、電解質とは、電極・電解質一体化物を形成し、複数の電極・電解質一体化物が同一平面上に配置されていることが好ましい。電池の厚さを薄くすることができるからである。
【0019】
正極は、例えば、多孔性の炭素材料を含む拡散層と、触媒を担持した炭素粉末を含む触媒層とを積層して構成される。この触媒層は酸素を電気化学的に還元する機能を有しており、その触媒には、例えば、白金微粒子や、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムまたは金などと白金との合金微粒子などが用いられる。また、上記触媒層には、PTFE樹脂やプロトン交換樹脂が含まれる場合がある。プロトン交換樹脂としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂やスルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などを用いることができる。
【0020】
電解質としては、電子伝導性を持たずプロトンを輸送することが可能な材料により構成された固体電解質を用いることができる。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜、具体的には、デュポン社製の“ナフィオン”(商品名)、旭硝子社製の“フレミオン”(商品名)、旭化成工業社製の“アシプレックス”(商品名)などにより固体電解質膜を構成することができる。その他では、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂膜、スルホン化ポリイミド樹脂膜、硫酸ドープポリベンズイミダゾール膜、固体電解質であるリン酸ドープSiO膜、高分子と固体電解質のハイブリッド膜、または高分子および酸化物に酸性溶液を含浸したゲル電解質などからも構成することができる。
【0021】
負極は、例えば、多孔性の炭素材料を含む拡散層と、触媒を担持した炭素粉末を含む触媒層とを積層して構成される。この触媒層は、燃料からプロトンを生成する機能、即ち燃料を電気化学的に酸化する機能を有しており、その触媒には、例えば、白金微粒子単独、またはルテニウム、インジウム、イリジウム、スズ、鉄、チタン、金、銀、クロム、ケイ素、亜鉛、マンガン、モリブデン、タングステン、レニウム、アルミニウム、鉛、パラジウム、オスミウムなどと白金との合金微粒子などが用いられる。
【0022】
液体燃料としては、例えば、メタノール水溶液、エタノール水溶液、1−プロパノール水溶液、2−プロパノール水溶液、ジメチルエーテル水溶液、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液などが用いられる。
【0023】
なお、液体燃料の酸化剤については、正極と接する部分に設けた空気孔を通して取り入れる大気中の酸素が用いられる。
【0024】
次に、本発明を図面に基づき説明する。図1は、本発明の一実施形態における液体燃料電池の断面図である。正極8は、例えば、多孔性の炭素材料からなる拡散層8aと、触媒を担持した炭素粉末からなる触媒層8bとを積層して構成される。固体電解質10は、電子伝導性を持たずプロトンを輸送することが可能な材料により構成される。負極9は、拡散層9aと触媒層9bとからなり、燃料からプロトンを生成する機能、即ち燃料を酸化する機能を有しており、例えば、上記正極8と同様に構成することができる。
【0025】
上記正極8、負極9および固体電解質10は、積層されて電極・電解質一体化物を構成している。また、この電極・電解質一体化物は同一電池容器内の同一平面上に複数個備えられている。
【0026】
負極9の固体電解質10と反対側には液体燃料4を貯蔵する液体燃料貯蔵部3が隣接して設けられている。なお、この液体燃料貯蔵部3は前述のとおり着脱可能とすることができる。液体燃料貯蔵部3は、例えば、PTFE、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することができる。ただし、液体燃料貯蔵部3を金属で構成する場合には、同一電池容器内に配置されているそれぞれの負極同士が電気的に短絡しないように、液体燃料貯蔵部3の表面を絶縁体で被覆する必要がある。液体燃料貯蔵部3の負極9と接する部分には燃料供給孔3aが設けられており、この部分から液体燃料4が負極9へと供給される。
【0027】
また、液体燃料を含浸して保持し且つ負極に液体燃料を供給する液体燃料含浸材5が、上記燃料供給孔3a内および液体燃料貯蔵部3内に配置されている。これにより、液体燃料4が消費されても、液体燃料4を燃料供給孔3aまで吸い上げることができ、液体燃料4を最後まで使い切ることができる。液体燃料含浸材5としては、例えばガラス繊維などを用いることができるが、燃料の含浸によって寸法が余り変化せず、化学的にも安定なものであれば他の材料を用いてもよい。
【0028】
また、液体燃料貯蔵部3の例えば底面部には、負極9で生成した二酸化炭素を吸着するための吸着剤6が薄膜または塗工の形態で配置されている。
【0029】
正極8の固体電解質10と反対側にはカバー板2が設けられており、カバー板2の正極8と接する部分には空気孔1が設けられている。これにより、空気孔1を通して大気中の酸素が正極8と接することになる。なお、図1では、液体燃料を補充するための充填口の図示を省略している。
【0030】
隣接する正極8と負極9との間には集電体7が設置されており、両者は電気的に接続されている。集電体7は隣接する電極・電解質一体化物を電気的に直列に接続する役割を持ち、同一電池容器内に並べられた全ての電極・電解質一体化物は集電体7によって電気的に直列に接続されている。集電体7は、例えば、白金、金などの貴金属や、ステンレス鋼などの耐食性金属、またはカーボンなどから構成することができる。
【0031】
図2は、本発明の他の実施形態における液体燃料電池の断面図である。本実施形態では、液体燃料貯蔵部3の例えば底面部には、負極9で生成した二酸化炭素を吸着するための吸着剤6が、液体燃料4中に四散することがないようにフィルター6aなどの内部に粉末状または顆粒状の状態で充填されて配置されていること以外は、図1と同様の構造である。フィルター6aとしては、ポリオレフィン系、ポリエステル系、PTFE系、セルロース系の材料からなる微孔性フィルムまたは不織布などから形成できる。
【0032】
図3は、本発明のさらに他の実施形態における液体燃料電池の断面図である。本実施形態では、液体燃料貯蔵部3の例えば液体燃料4中には、負極9で生成した二酸化炭素を吸着するための吸着剤6が、液体燃料4中に四散することがないようにマイクロカプセル6bなどの内部に粉末状または顆粒状の状態で充填されて配置されていること以外は、図1と同様の構造である。マイクロカプセル6bとしては、ポリビニルアルコール(PVA)架橋膜、ナイロン膜、スチレン−ジビニルベンゼン共重合膜、ゼラチン−アラビアゴム膜、シリカ(TEOS)重合膜などから形成できる。
【0033】
【実施例】
以下、本発明の液体燃料電池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。
【0034】
(実施例1)
以下のようにして、図1と同様の構造の実施例1の液体燃料電池を作製した。
【0035】
先ず、ローム・アンド・ハース社製の粉末状のCl型アニオン交換樹脂“アンバーライトIRA400”(商品名)を準備し、これを濃度1mol/dmのNaOH水溶液中に1時間浸漬してOH型にイオン交換した。また、バインダとしてダイキン社製のPTFEエマルジョン溶液“D1”(商品名、エマルジョン濃度60質量%)を準備した。
【0036】
次に、このOH型イオン交換樹脂50質量部と、このPTFEエマルジョン溶液50質量部とを混合し、この混合溶液を液体燃料貯蔵部の底面に厚さ2mmで塗工した。
【0037】
正極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、エレクトロケミ(Electrochem)社製のプロトン導電性物質“ナフィオン(Nafion)”(商品名、固形分濃度5質量%)を75質量部、バインダとして上記PTFEエマルジョン溶液“D1”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、拡散層であるカーボンクロスに白金量が8mg/cmになるように塗布して乾燥した。次に、120℃、10MPaの条件で2分間熱プレスを行ない電極として成型し、正極を得た。
【0038】
負極は次のように作製した。先ず、上記“ケッチェンブラックEC”を50質量部、平均粒子径3nmの白金ルテニウム合金(合金比1:1)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、上記“ナフィオン”を75質量部、バインダとして上記PTFEエマルジョン溶液“D1”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均一に混合分散し、拡散層であるカーボンクロスに白金量が8mg/cmになるように塗布して乾燥した。次に、120℃、10MPaの条件で2分間熱プレスを行ない電極として成型し、負極を得た。
【0039】
電解質は、デュポン社製の固体高分子膜“ナフィオン117”(商品名)を用い、正極および負極でこの固体電解質を挟持し、120℃、10MPaの条件で3分間熱プレスを行ない、電極・電解質一体化物を作製した。なお、電極面積は正極、負極ともに10cmとした。
【0040】
カバー板および液体燃料貯蔵部は、ステンレス(SUS316)に絶縁性の塗膜として日本ペイント社製のフェノール樹脂系塗料“マイカスA”(商品名)を塗布したもので構成した。正極集電体は厚さ10μmの金製のシートからなり、それをエポキシ樹脂を用いて正極と接着した。液体燃料としては、5質量%のメタノール水溶液を用いた。負極集電体は正極集電体と同様の材質からなるメッシュ状シートで構成した。
【0041】
また、液体燃料を含浸・保持し、負極に液体燃料を供給する液体燃料含浸材を燃料供給孔内および液体燃料貯蔵部の側面と上面に配置した。この液体燃料含浸材はガラス繊維から構成した。
【0042】
(比較例1)
二酸化炭素を吸着可能な吸着剤を全く使用しなかったこと以外は実施例1と同様にして比較例1の液体燃料電池を作製した。
【0043】
実施例1と比較例1の液体燃料電池について、温度25℃における電池特性(分極特性)を測定した。電池特性は、電池電圧をそれぞれ0.5V、0.4V、0.3Vに設定した場合における電流密度を測定して評価した。その結果を図4に示す。図4から明らかなように、比較例1では高電流密度領域になるほど、分極特性、電圧安定度ともに大きく低下しているのに対し、実施例1では分極特性、電圧安定度ともに比較例1よりも良好であることが分かる。これは比較例1では、負極で発生した二酸化炭素がメタノールの負極への供給を阻害していると考えられるのに対し、実施例1では、液体燃料貯蔵部の内部に配置した吸着剤によって負極で発生した二酸化炭素が吸着除去されているためと考えられる。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の液体燃料電池は、電池反応で発生した二酸化炭素を効率的に除去でき、エネルギー密度が大きく、小型の液体燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態における液体燃料電池の断面図である。
【図2】本発明の他の実施形態における液体燃料電池の断面図である。
【図3】本発明のさらに他の実施形態における液体燃料電池の断面図である。
【図4】実施例1と比較例1における液体燃料電池の電池特性を示す図である。
【符号の説明】
1 空気孔
2 カバー板
3 液体燃料貯蔵部
3a 燃料供給孔
4 液体燃料
5 液体燃料含浸材
6 吸着剤
6a フィルター
6b マイクロカプセル
7 集電体
8 正極
8a 拡散層
8b 触媒層
9 負極
9a 拡散層
9b 触媒層
10 固体電解質
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell using a liquid as a fuel.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, with the spread of cordless devices such as personal 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 ion secondary battery has not yet reached a level that guarantees sufficient continuous use time.
[0003]
In such a situation, a fuel cell using a solid polymer electrolyte is expected as a battery that can meet the above demand. Above all, direct methanol fuel cells, which directly use liquid fuel for the reaction of the cell, can be miniaturized because auxiliary equipment such as a fuel supply device can be eliminated by using capillary force or the like to supply liquid fuel. It is expected to be a promising portable power source in the future (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2000-268836 A
[Problems to be solved by the invention]
In the direct methanol fuel cell, upon discharge, oxygen is reduced at the positive electrode to generate water, and methanol is oxidized at the negative electrode to generate carbon dioxide. When the auxiliary device is not used, the liquid fuel does not flow automatically, so that the carbon dioxide generated by the cell reaction continues to stay inside the cell together with the liquid fuel. Therefore, when the fuel cell is continuously used, the internal pressure of the cell is increased, and the remaining carbon dioxide impedes the supply of the liquid fuel to the negative electrode.
[0006]
In order to solve this problem, a method has conventionally been adopted in which a gas-liquid separation hole provided with a gas-liquid separation membrane is provided in a battery to discharge generated carbon dioxide from the gas-liquid separation hole to the outside of the battery.
[0007]
However, in this method, when the concentration of methanol is increased in order to improve the energy density of the fuel cell, a new problem arises in that methanol leaks to the outside through the gas-liquid separation membrane.
[0008]
The present invention provides a small-sized liquid fuel cell capable of efficiently removing carbon dioxide generated by a cell reaction, having a high energy density, and a small size.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a liquid fuel cell including a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing fuel, an electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode, and a liquid fuel storage unit,
An adsorbent capable of adsorbing carbon dioxide is disposed inside the liquid fuel storage unit.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0011]
One embodiment of the present invention is a liquid fuel cell including a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing fuel, an electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode, and a liquid fuel storage unit. An adsorbent capable of adsorbing carbon dioxide is disposed inside the fuel storage unit.
[0012]
This makes it possible to effectively remove carbon dioxide generated by the battery reaction of the negative electrode, suppress an increase in the internal pressure of the battery, and do not hinder the supply of the liquid fuel to the negative electrode. Further, since there is no need to provide a gas-liquid separation hole having a gas-liquid separation membrane, even when a high-concentration liquid fuel is used, the liquid fuel does not leak out of the battery, and the energy density of the battery can be improved.
[0013]
Examples of the adsorbent include OH-type anion exchange resin for chemically adsorbing, activated carbon, zeolite, hollow fiber membrane, silica gel, and cellulose, pulp, coconut, coal, phenol, and synthetic fibers for physically adsorbing. As a carbon fiber material as a raw material, hydroxides, oxides, carbonates and the like of alkali metals or alkaline earth metals can be used as those which undergo chemical adsorption and chemical reaction.
[0014]
Among these, an OH-type anion exchange resin is particularly preferred. This is because the OH-type anion exchange resin has a large carbon dioxide adsorbing power and can be disposed by coating in a battery container, so that its handling is easy. Furthermore, acidic compounds such as formic acid, which are intermediate products of the battery reaction of the negative electrode, can be removed by an acid-base reaction.
[0015]
As the OH-type anion exchange resin, a commercially available Cl-type anion exchange resin obtained by immersing a commercially available Cl-type anion exchange resin in a KOH aqueous solution or an NaOH aqueous solution and ion-exchanging from Cl-type to OH-type can be used. As a commercially available Cl-type anion exchange resin, for example, as a fluorine-based anion exchange resin membrane having ethylene tetrafluoride as a skeleton, “TOSFLEX” (trade name) manufactured by Tosoh Corp. As the hydrogen-based anion exchange resin membrane, "Selemion" (trade name) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. and "Neosepta" (trade name) manufactured by Tokuyama Corporation, and Rohm and Haas as powdered or granular hydrocarbon anion exchange resin "Amberlite" (trade name) manufactured by the company can be used. In addition, a quaternary ammonium salt type anion exchange resin having a polyepichlorohydrin skeleton described in JP-A-9-501722 can be used.
[0016]
As a form when the anion exchange resin is disposed inside the liquid fuel storage unit, a method in which an anion exchange resin previously formed into a thin film is attached to the inner wall portion of the liquid fuel storage unit, a powdery or granular anion exchange resin Is dispersed in a polymer binder solution such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and then applied to the inner wall of the liquid fuel storage unit. The powder, granular, or fibrous anion exchange resin is directly stored in the liquid fuel storage For example, there is a method of arranging it inside the unit.
[0017]
Further, in the liquid fuel cell of the present embodiment, it is preferable that the liquid fuel storage unit is detachable. This is because the liquid fuel can be easily exchanged and replenished.
[0018]
Further, it is preferable that the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte of the liquid fuel cell of the present embodiment form an electrode-electrolyte integrated body, and that the plurality of electrode-electrolyte integrated bodies be arranged on the same plane. This is because the thickness of the battery can be reduced.
[0019]
The positive electrode is configured by, for example, stacking a diffusion layer containing a porous carbon material and a catalyst layer containing a carbon powder supporting a catalyst. The catalyst layer has a function of electrochemically reducing oxygen, and the catalyst includes, for example, platinum fine particles and alloy fine particles of platinum with iron, nickel, cobalt, tin, ruthenium, or gold. Used. The catalyst layer may include a PTFE resin or a proton exchange resin in some cases. As the proton exchange resin, for example, a polyperfluorosulfonic acid resin, a sulfonated polyethersulfonic acid resin, a sulfonated polyimide resin, or the like can be used.
[0020]
As the electrolyte, a solid electrolyte made of a material having no electron conductivity and capable of transporting protons can be used. For example, a polyperfluorosulfonic acid resin membrane, specifically, "Nafion" (trade name) manufactured by DuPont, "Flemion" (trade name) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., "Aciplex" (trade name) manufactured by Asahi Kasei Corporation The solid electrolyte membrane can be formed by (name). Others include a sulfonated polyether sulfonic acid resin film, a sulfonated polyimide resin film, a sulfuric acid-doped polybenzimidazole film, a phosphoric acid-doped SiO 2 film as a solid electrolyte, a hybrid film of a polymer and a solid electrolyte, or a polymer and an oxidized film. It can also be composed of a gel electrolyte impregnated with an acidic solution.
[0021]
The negative electrode is configured by, for example, laminating a diffusion layer containing a porous carbon material and a catalyst layer containing a carbon powder supporting a catalyst. This catalyst layer has a function of generating protons from the fuel, that is, a function of electrochemically oxidizing the fuel, and the catalyst includes, for example, platinum fine particles alone, ruthenium, indium, iridium, tin, and iron. Alloy fine particles of platinum with titanium, gold, silver, chromium, silicon, zinc, manganese, molybdenum, tungsten, rhenium, aluminum, lead, palladium, osmium and the like are used.
[0022]
Examples of the liquid fuel include methanol aqueous solution, ethanol aqueous solution, 1-propanol aqueous solution, 2-propanol aqueous solution, dimethyl ether aqueous solution, sodium borohydride aqueous solution, potassium borohydride aqueous solution, and lithium borohydride aqueous solution.
[0023]
As the oxidizing agent for the liquid fuel, oxygen in the air taken in through an air hole provided in a portion in contact with the positive electrode is used.
[0024]
Next, the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a liquid fuel cell according to one embodiment of the present invention. The positive electrode 8 is configured by, for example, laminating a diffusion layer 8a made of a porous carbon material and a catalyst layer 8b made of carbon powder supporting a catalyst. The solid electrolyte 10 is made of a material having no electron conductivity and capable of transporting protons. The negative electrode 9 includes a diffusion layer 9a and a catalyst layer 9b, and has a function of generating protons from fuel, that is, a function of oxidizing fuel. For example, the negative electrode 9 can be configured in the same manner as the positive electrode 8 described above.
[0025]
The positive electrode 8, the negative electrode 9, and the solid electrolyte 10 are stacked to form an electrode-electrolyte integrated body. In addition, a plurality of the electrode / electrolyte integrated materials are provided on the same plane in the same battery container.
[0026]
A liquid fuel storage unit 3 for storing the liquid fuel 4 is provided adjacent to the negative electrode 9 on the side opposite to the solid electrolyte 10. The liquid fuel storage unit 3 can be made detachable as described above. The liquid fuel storage unit 3 can be made of, for example, a synthetic resin such as PTFE, hard polyvinyl chloride, polypropylene, or polyethylene, or a corrosion-resistant metal such as stainless steel. However, when the liquid fuel storage unit 3 is made of a metal, the surface of the liquid fuel storage unit 3 is covered with an insulator so that the respective negative electrodes disposed in the same battery container are not electrically short-circuited. There is a need to. A fuel supply hole 3a is provided in a portion of the liquid fuel storage section 3 which is in contact with the negative electrode 9, and the liquid fuel 4 is supplied to the negative electrode 9 from this portion.
[0027]
In addition, a liquid fuel impregnating material 5 that impregnates and holds the liquid fuel and supplies the liquid fuel to the negative electrode is disposed in the fuel supply hole 3a and the liquid fuel storage unit 3. Thereby, even if the liquid fuel 4 is consumed, the liquid fuel 4 can be sucked up to the fuel supply hole 3a, and the liquid fuel 4 can be completely used up. As the liquid fuel impregnating material 5, for example, glass fiber or the like can be used, but other materials may be used as long as the material does not change much in size due to fuel impregnation and is chemically stable.
[0028]
An adsorbent 6 for adsorbing carbon dioxide generated by the negative electrode 9 is disposed in a thin film or a coating form, for example, on a bottom surface of the liquid fuel storage unit 3.
[0029]
A cover plate 2 is provided on a side of the positive electrode 8 opposite to the solid electrolyte 10, and an air hole 1 is provided in a portion of the cover plate 2 in contact with the positive electrode 8. As a result, oxygen in the atmosphere comes into contact with the positive electrode 8 through the air hole 1. In FIG. 1, the illustration of a filling port for replenishing the liquid fuel is omitted.
[0030]
A current collector 7 is provided between the adjacent positive electrode 8 and negative electrode 9, and both are electrically connected. The current collector 7 has a role of electrically connecting adjacent electrode / electrolyte integrated bodies in series, and all the electrode / electrolyte integrated bodies arranged in the same battery container are electrically connected in series by the current collector 7. It is connected. The current collector 7 can be made of, for example, a noble metal such as platinum or gold, a corrosion-resistant metal such as stainless steel, or carbon.
[0031]
FIG. 2 is a sectional view of a liquid fuel cell according to another embodiment of the present invention. In the present embodiment, an adsorbent 6 for adsorbing carbon dioxide generated by the negative electrode 9 is provided on, for example, a bottom portion of the liquid fuel storage unit 3 such as a filter 6 a so that the adsorbent 6 does not scatter into the liquid fuel 4. The structure is the same as that of FIG. 1 except that the inside is filled and arranged in a powdery or granular state. The filter 6a can be formed from a microporous film or nonwoven fabric made of a polyolefin-based, polyester-based, PTFE-based, or cellulose-based material.
[0032]
FIG. 3 is a sectional view of a liquid fuel cell according to still another embodiment of the present invention. In this embodiment, for example, in the liquid fuel 4 of the liquid fuel storage unit 3, the adsorbent 6 for adsorbing the carbon dioxide generated at the negative electrode 9 is microcapsulated so that the adsorbent 6 does not scatter into the liquid fuel 4. The structure is the same as that shown in FIG. 1 except that the inside is filled and arranged in the form of powder or granules such as 6b. The microcapsules 6b can be formed from a polyvinyl alcohol (PVA) crosslinked film, a nylon film, a styrene-divinylbenzene copolymer film, a gelatin-arabic rubber film, a silica (TEOS) polymer film, or the like.
[0033]
【Example】
Hereinafter, the liquid fuel cell of the present invention will be specifically described based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[0034]
(Example 1)
A liquid fuel cell of Example 1 having a structure similar to that of FIG. 1 was manufactured as follows.
[0035]
First, a powdery Cl-type anion exchange resin “Amberlite IRA400” (trade name) manufactured by Rohm and Haas Co., Ltd. was prepared, and immersed in a 1 mol / dm 3 NaOH aqueous solution for 1 hour to form an OH-type. Was ion-exchanged. Further, a PTFE emulsion solution “D1” (trade name, emulsion concentration: 60% by mass) manufactured by Daikin was prepared as a binder.
[0036]
Next, 50 parts by mass of the OH-type ion exchange resin and 50 parts by mass of the PTFE emulsion solution were mixed, and the mixed solution was applied to the bottom surface of the liquid fuel storage unit at a thickness of 2 mm.
[0037]
The positive electrode 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 supporting 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 the proton conductive substance "Nafion" (trade name, solid content concentration: 5% by mass), 10 parts by mass of the PTFE emulsion solution "D1" as a binder, and 5 parts by mass of water were prepared. These were mixed and dispersed with a homogenizer, applied to a carbon cloth as a diffusion layer so that the amount of platinum became 8 mg / cm 2 , and dried. Next, hot pressing was performed at 120 ° C. and 10 MPa for 2 minutes to form an electrode, thereby obtaining a positive electrode.
[0038]
The negative electrode was manufactured as follows. First, 50 parts by mass of the above-mentioned "Ketjen Black EC", 10 parts by mass of platinum-supported carbon carrying 50 parts by mass of platinum-ruthenium alloy (alloy ratio 1: 1) fine particles having an average particle diameter of 3 nm, and 75 parts of the above-mentioned "Nafion" 10 parts by mass of the PTFE emulsion solution "D1" and 5 parts by mass of water were prepared as a mass part, a binder. These were uniformly mixed and dispersed with a homogenizer, applied to a carbon cloth as a diffusion layer so that the amount of platinum was 8 mg / cm 2 , and dried. Next, hot pressing was performed for 2 minutes at 120 ° C. and 10 MPa to form an electrode to obtain a negative electrode.
[0039]
As the electrolyte, a solid polymer membrane “Nafion 117” (trade name) manufactured by DuPont was used. The solid electrolyte was sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and hot pressed at 120 ° C. and 10 MPa for 3 minutes. An integrated product was produced. The electrode area was 10 cm 2 for both the positive electrode and the negative electrode.
[0040]
The cover plate and the liquid fuel storage unit were configured by applying a phenolic resin paint “Mycus A” (trade name) manufactured by Nippon Paint Co. as an insulating coating film to stainless steel (SUS316). The positive electrode current collector was made of a 10-μm-thick gold sheet, which was bonded to the positive electrode using an epoxy resin. As the liquid fuel, a 5% by mass aqueous methanol solution was used. The negative electrode current collector was composed of a mesh sheet made of the same material as the positive electrode current collector.
[0041]
Further, a liquid fuel impregnating material for impregnating and holding the liquid fuel and supplying the liquid fuel to the negative electrode was disposed in the fuel supply hole and on the side and top surfaces of the liquid fuel storage unit. The liquid fuel impregnated material was made of glass fiber.
[0042]
(Comparative Example 1)
A liquid fuel cell of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1, except that no adsorbent capable of adsorbing carbon dioxide was used.
[0043]
The cell characteristics (polarization characteristics) of the liquid fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1 at a temperature of 25 ° C. were measured. The battery characteristics were evaluated by measuring the current density when the battery voltage was set to 0.5 V, 0.4 V, and 0.3 V, respectively. The result is shown in FIG. As is clear from FIG. 4, in the comparative example 1, the polarization characteristics and the voltage stability are greatly reduced in the higher current density region, whereas in the example 1, both the polarization characteristics and the voltage stability are smaller than those in the comparative example 1. Is also good. This is thought to be because in Comparative Example 1, carbon dioxide generated at the negative electrode hindered the supply of methanol to the negative electrode. It is considered that the carbon dioxide generated in the step was adsorbed and removed.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, the liquid fuel cell of the present invention can efficiently remove carbon dioxide generated by the cell reaction, provide a large energy density, and provide a small liquid fuel cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a liquid fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of a liquid fuel cell according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of a liquid fuel cell according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing cell characteristics of liquid fuel cells in Example 1 and Comparative Example 1.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 air hole 2 cover plate 3 liquid fuel storage section 3a fuel supply hole 4 liquid fuel 5 liquid fuel impregnating material 6 adsorbent 6a filter 6b microcapsule 7 current collector 8 positive electrode 8a diffusion layer 8b catalyst layer 9 negative electrode 9a diffusion layer 9b catalyst Layer 10 Solid electrolyte

Claims (5)

酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質と、液体燃料貯蔵部とを含む液体燃料電池であって、
前記液体燃料貯蔵部の内部に、二酸化炭素を吸着可能な吸着剤を配置したことを特徴とする液体燃料電池。
A liquid fuel cell including a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing fuel, an electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode, and a liquid fuel storage unit,
A liquid fuel cell, wherein an adsorbent capable of adsorbing carbon dioxide is disposed inside the liquid fuel storage unit.
前記吸着剤が、OH型アニオン交換樹脂を含む請求項1に記載の液体燃料電池。The liquid fuel cell according to claim 1, wherein the adsorbent includes an OH-type anion exchange resin. 前記吸着剤が、粉末状、顆粒状、薄膜状および繊維状から選ばれる少なくとも一つの形態からなる請求項1または2に記載の液体燃料電池。3. The liquid fuel cell according to claim 1, wherein the adsorbent has at least one form selected from powder, granule, thin film, and fibrous forms. 前記液体燃料貯蔵部が、着脱可能である請求項1〜3のいずれかに記載の液体燃料電池。The liquid fuel cell according to claim 1, wherein the liquid fuel storage unit is detachable. 前記正極と、前記負極と、前記電解質とが、電極・電解質一体化物を形成し、複数の前記電極・電解質一体化物が同一平面上に配置されている請求項1〜4のいずれかに記載の液体燃料電池。The positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte form an electrode-electrolyte integrated body, and a plurality of the electrode-electrolyte integrated bodies are arranged on the same plane. Liquid fuel cell.
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