JP2005166486A - Direct type fuel cell system - Google Patents

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樹国 張
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direct type fuel cell system capable of restraining the complication of the fuel cell system, an increase of size, the lowering of energy conversion efficiency caused by catalyst poisoning and cross-over of fuel, and the exhaustion of carbon dioxide. <P>SOLUTION: The direct type fuel cell system uses either phosphoric acid, solid organic electrolyte having heat resistance of ≥100°C, solid inorganic electrolyte, or organic hybrid electrolyte, as its electrolyte, operated at 100 °C to 400°C, and generates power by directly supplying or making directly contact the fuel composed of one or more kinds of methylcyclohexane, decalin, methyldecalin or the like, to or with a fuel electrode without reforming the fuel. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、新規燃料電池システムに関する。更に詳しくは、メチルシクロヘキサン、デカリン、メチルデカリンなどを燃料とし、耐熱性を有する電解質を用い、100℃〜400℃区域内で、効率的に動作する直接型燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a novel fuel cell system. More specifically, the present invention relates to a direct fuel cell system that uses methylcyclohexane, decalin, methyldecalin, or the like as a fuel and uses a heat-resistant electrolyte and operates efficiently in a region of 100 ° C to 400 ° C.

従来の固体高分子型燃料電池(以下、PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)と称す)を用いた燃料電池システムでは、水素ガスを燃料ガスとして用いるか、炭化水素化合物を水蒸気改質して得た水素ガスを用いている。水素ガスを用いる場合には、十分な水素量を確保するため、高圧に耐えるボンベが必要となる。また、炭化水素化合物を改質する場合には、改質反応に伴いCOも生成し、その低減にCO除去工程が不可欠である。   In a fuel cell system using a conventional polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)), hydrogen gas is used as fuel gas or hydrogen obtained by steam reforming a hydrocarbon compound. Gas is used. In the case of using hydrogen gas, a cylinder that can withstand high pressure is required to secure a sufficient amount of hydrogen. In addition, when reforming a hydrocarbon compound, CO is also generated along with the reforming reaction, and a CO removal step is indispensable for the reduction.

たとえば、メタノールを燃料とする燃料電池システムとしては、図2に示すような構成を備えたものが知られている。該燃料電池システムでは、同図に示すように、水・メタノール混合液貯蔵タンク15に水とメタノールの混合液を貯蔵し、この混合液(燃料)から水素リッチな燃料ガスを発生させるために、蒸発器16で気化させた燃料を改質器17に導入し水蒸気改質する。改質器17で改質された改質ガスは高濃度のCOを含むため、後段のCO除去器18によってCOを除去した後、燃料電池11に供給して発電運転を行うようになっている。   For example, a fuel cell system using methanol as a fuel is known which has a configuration as shown in FIG. In the fuel cell system, as shown in the figure, in order to store a mixed liquid of water and methanol in a water / methanol mixed liquid storage tank 15, and to generate hydrogen-rich fuel gas from this mixed liquid (fuel), The fuel vaporized by the evaporator 16 is introduced into the reformer 17 and steam reformed. Since the reformed gas reformed by the reformer 17 contains high-concentration CO, the CO is removed by the subsequent CO remover 18 and then supplied to the fuel cell 11 for power generation operation. .

燃料電池11は、電界質11aを介して、燃料極及び空気極が対向して配されている。空気極には、空気供給器14からの空気が供給される。上記のようなタイプの燃料電池システムにおいて、燃料電池11の燃料極からは廃燃料が、空気極からは水と廃空気が排出され、改質器17及びCO除去器18からは二酸化炭素が排出される。このような改質器を組み込んだ燃料電池システムは、特開平10−334935号公報、特開2000−340245号公報、特開2002−025591号公報等に開示されている(特許文献1〜3参照)。   In the fuel cell 11, the fuel electrode and the air electrode are arranged to face each other through the electrolyte 11a. Air from the air supplier 14 is supplied to the air electrode. In the fuel cell system of the type described above, waste fuel is discharged from the fuel electrode of the fuel cell 11, water and waste air are discharged from the air electrode, and carbon dioxide is discharged from the reformer 17 and the CO remover 18. Is done. A fuel cell system incorporating such a reformer is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-334935, 2000-340245, 2002-025591, and the like (see Patent Documents 1 to 3). ).

図3は、メタノールを燃料として、直接供給する直接型メタノール燃料電池(以下、DMFCと示す。)を用いた燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。同図に示すように、DMFCでは、メタノールと水の混合液が、貯蔵タンク5から燃料電池11に直接供給されて、燃料極で改質反応を通じて水素を発生し、発電運転を行う。燃料電池11の燃料極からは、二酸化炭素と廃燃料が、空気極からは、水、廃空気、及び廃燃料が、それぞれ排出されて、廃液分離器9に送られる。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system using a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC) that directly supplies methanol as fuel. As shown in the figure, in the DMFC, a mixed solution of methanol and water is directly supplied from the storage tank 5 to the fuel cell 11, and hydrogen is generated through a reforming reaction at the fuel electrode to perform a power generation operation. Carbon dioxide and waste fuel are discharged from the fuel electrode of the fuel cell 11, and water, waste air, and waste fuel are discharged from the air electrode and sent to the waste liquid separator 9.

DMFCを用いた燃料電池システムは、上述の改質器を有する燃料電池システムよりシンプルであるが、燃料極の触媒活性が十分でないことと、メタノールが有機電解質中を拡散して空気極に達するという短絡現象(この現象は「クロスオーバー」と呼ばれている)によって、空気極の触媒上で酸化剤と直接反応し発電効率の低下を招くという問題がある(非特許文献1参照)。   The fuel cell system using DMFC is simpler than the fuel cell system having the above reformer, but the catalyst activity of the fuel electrode is not sufficient, and methanol diffuses in the organic electrolyte and reaches the air electrode. There is a problem that a short circuit phenomenon (this phenomenon is called “crossover”) causes a direct reaction with an oxidant on the catalyst of the air electrode, resulting in a decrease in power generation efficiency (see Non-Patent Document 1).

また、70〜80℃の温度下に、通常のPEFCにシクロヘキサン、2−プロパノールを燃料として直接供給し発電を行う研究も知られている(非特許文献2参照)。しかし、上記方法は、スルホン酸基を持つポリスチレン系陽イオン交換膜(商標名:Nafion)を電解質とするため、より高い温度での運転は不可能であり、効率よく発電できない。
特開平10−334935号公報 特開2000−340245号公報 特開2002−025591号公報 [M.P.Hogarth and H.A.Hards Platinum Metals Rev.40 (4) 150 (1996)]。 英国化学会速報誌(M.Ichikawa)Chem.Commun.2003、690−691)
In addition, research is also known in which power is generated by directly supplying cyclohexane and 2-propanol as fuel to a normal PEFC at a temperature of 70 to 80 ° C. (see Non-Patent Document 2). However, since the above method uses a polystyrene-based cation exchange membrane (trade name: Nafion) having a sulfonic acid group as an electrolyte, it cannot be operated at a higher temperature and cannot efficiently generate power.
JP-A-10-334935 JP 2000-340245 A JP 2002-025591 A [M. P. Hogarth and H.M. A. Hards Platinum Metals Rev. 40 (4) 150 (1996)]. British Chemical Society Bulletin (M. Ichikawa) Chem. Commun. 2003, 690-691)

上記に示す従来の燃料電池システムの内、図2に示す改質器を有する燃料電池システムでは、燃料電池11に比べ改質器17、CO除去器18が装置として大きく、システムが大きなものとなる。さらにシステム全体の発電運転を行うためには予熱が必要であり、改質器17、CO除去器18の運転温度が150℃〜250℃と燃料電池の70〜80℃に対し高いため、予熱が発電効率を低くするという問題点がある。さらに、燃料にメタノール等の炭化水素を用いると、二酸化炭素を排出するという環境上の問題もある。   Among the conventional fuel cell systems shown above, in the fuel cell system having the reformer shown in FIG. 2, the reformer 17 and the CO remover 18 are larger as devices than the fuel cell 11, and the system becomes larger. . Furthermore, preheating is necessary to perform the power generation operation of the entire system. Since the operating temperatures of the reformer 17 and the CO remover 18 are 150 to 250 ° C., which is higher than the fuel cell 70 to 80 ° C., the preheating is performed. There is a problem of lowering the power generation efficiency. Furthermore, when hydrocarbons such as methanol are used as fuel, there is also an environmental problem of discharging carbon dioxide.

また、図3に示すDMFCを用いた燃料電池システムは、システム簡素化によって、かなり改善されたとはいえ、燃料電池の出力及び効率が低いという欠点をもっている。その原因としては、燃料極の電極触媒の活性が十分でないことと、メタノールのクロスオーバーによって、空気極の触媒上で酸化剤と直接反応し、燃料電池の発電効率には限界がある等が挙げられる。また、これらの燃料電池システムには、燃料が消費されるとともに二酸化炭素が排出され、環境に悪影響を及ぼすという問題点もある。   In addition, the fuel cell system using the DMFC shown in FIG. 3 has the disadvantage that the output and efficiency of the fuel cell are low, although it is considerably improved by the simplification of the system. The reasons are that the electrode catalyst activity of the fuel electrode is not sufficient, and that the methanol crossover reacts directly with the oxidant on the air electrode catalyst, and the power generation efficiency of the fuel cell is limited. It is done. In addition, these fuel cell systems also have a problem that fuel is consumed and carbon dioxide is discharged, which adversely affects the environment.

また、燃料にシクロヘキサン、2−プロパノールを用いた上記従来の燃料電池システムは、燃料電池の温度が70〜80℃と低いため、燃料の改質効率が低く、発電効率も改質器を用いた燃料電池システムに比べると低いという問題がある(Chem.Commun.,2003、690−691)。   The conventional fuel cell system using cyclohexane and 2-propanol as the fuel has a low fuel reforming efficiency and a power generation efficiency using a reformer because the temperature of the fuel cell is as low as 70 to 80 ° C. There is a problem that it is lower than that of a fuel cell system (Chem. Commun., 2003, 690-691).

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、その目的は、改質器を備えたことによる燃料電池システムの複雑化・大型化や、触媒被毒や燃料のクロスオーバーによるエネルギー変換効率の低下、さらには、二酸化炭素の排出を抑えることのできる直接型燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to make the energy of the fuel cell system more complicated and larger due to the provision of the reformer, catalyst poisoning, and fuel crossover. It is an object of the present invention to provide a direct fuel cell system capable of suppressing reduction in conversion efficiency and further emission of carbon dioxide.

本願発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討した。その結果、実質的に酸素を含まない含水素化合物、すなわち、炭化水素化合物を燃料として燃料電池へ直接供給することにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。   The inventors of the present application have made extensive studies in order to solve the above problems. As a result, it has been found that the above object can be achieved by directly supplying a hydrogen-containing compound substantially free of oxygen, that is, a hydrocarbon compound, as a fuel to the fuel cell, and the present invention has been completed.

請求項1の直接型燃料電池システムは、上記の課題を解決するために、炭化水素化合物を燃料とし、かつ、作動温度が100℃〜400℃の範囲内であって、前記燃料を、直接、燃料電池に供給する、または、燃料電池の電極に接触させることを特徴としている。   In order to solve the above-described problem, the direct fuel cell system according to claim 1 uses a hydrocarbon compound as a fuel, and an operating temperature is in a range of 100 ° C to 400 ° C. It is characterized in that it is supplied to the fuel cell or brought into contact with the electrode of the fuel cell.

上記の構成によれば、酸素を実質的に含まない含水素化合物である、炭化水素化合物を燃料として用い、また、直接燃料電池に燃料を供給することで、改質器、CO除去器を必要としないシンプルで、かつ、二酸化炭素を排出しない燃料電池システムを構築することができる。また、作動温度を上記範囲とすることで、100℃〜400℃の燃料電池の発熱によって、燃料の脱水素反応を促進することができ、脱水素反応が容易に進行するため、効率の高い燃料電池システムを構築できる。また、燃料が脱水素反応のみで発電するため、電極触媒毒となるCOは生成することがない。   According to the above configuration, a reformer and a CO remover are required by using a hydrocarbon compound, which is a hydrogen-containing compound substantially free of oxygen, as a fuel, and by directly supplying fuel to the fuel cell. A simple fuel cell system that does not emit carbon dioxide can be constructed. Further, by setting the operating temperature within the above range, the dehydrogenation reaction of the fuel can be promoted by the heat generation of the fuel cell at 100 ° C. to 400 ° C., and the dehydrogenation reaction easily proceeds. A battery system can be constructed. Further, since the fuel generates power only by the dehydrogenation reaction, CO that becomes an electrode catalyst poison is not generated.

請求項2の直接型燃料電池システムは、上記の課題を解決するために、炭化水素化合物が、分子量40以上の脂肪族炭化水素及び分子量40以上の脂環式炭化水素より選ばれる少なくとも1種以上の化合物であることを特徴としている。   The direct fuel cell system according to claim 2, wherein the hydrocarbon compound is at least one selected from an aliphatic hydrocarbon having a molecular weight of 40 or more and an alicyclic hydrocarbon having a molecular weight of 40 or more in order to solve the above-mentioned problem. It is characterized by being a compound of

請求項3の直接型燃料電池システムは、上記の課題を解決するために、炭化水素化合物がメチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、1,3,5−トリメチルシクロヘキサン、デカリン、メチルデカリン、テトラデカヒドロアントラセンからなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物であることを特徴としている。   In the direct fuel cell system according to claim 3, in order to solve the above-mentioned problem, the hydrocarbon compound is composed of methylcyclohexane, dimethylcyclohexane, 1,3,5-trimethylcyclohexane, decalin, methyldecalin, and tetradecahydroanthracene. It is at least one compound selected from the group.

上記の構成によれば、燃料の分子量がメタノールよりも大きいため、DMFCを用いた燃料電池システムで生じるクロスオーバーの問題を回避することができる。   According to said structure, since the molecular weight of a fuel is larger than methanol, the problem of the crossover which arises in the fuel cell system using DMFC can be avoided.

請求項4の直接型燃料電池システムは、上記の課題を解決するために、リン酸を電解質とすることを特徴としている。   The direct type fuel cell system according to claim 4 is characterized in that phosphoric acid is used as an electrolyte in order to solve the above-mentioned problems.

上記の構成によれば、リン酸を電解質とすることで、100℃〜400℃で作動する燃料電池システムを提供することができる。   According to said structure, the fuel cell system which operate | moves at 100 to 400 degreeC can be provided by making phosphoric acid into electrolyte.

請求項5の直接型燃料電池システムは、上記の課題を解決するために、いずれも耐熱性が100℃以上の、固体有機電解質膜、固体無機電解質膜、有機無機ハイブリッド電解質膜を一種或いは二種類以上用いて電解質とすることを特徴としている。   In order to solve the above problems, the direct fuel cell system according to claim 5 has one or two kinds of solid organic electrolyte membrane, solid inorganic electrolyte membrane, and organic-inorganic hybrid electrolyte membrane each having a heat resistance of 100 ° C. or higher. It is characterized by using it as an electrolyte.

上記の構成によれば、100℃以上の耐熱性がある固体有機電解質膜、無機固体電解質膜、有機無機ハイブリッド電解質のいずれかを電解質とすることによって100℃〜400℃で動作する燃料電池を提供することが可能となる。 According to said structure, the fuel cell which operate | moves at 100 to 400 degreeC by using as an electrolyte any one of the solid organic electrolyte membrane which has heat resistance of 100 degreeC or more, an inorganic solid electrolyte membrane, and an organic inorganic hybrid electrolyte membrane. It becomes possible to provide.

本発明の直接型燃料電池システムに用いられる、炭化水素化合物とは、炭化水素、すなわち、炭素と水素だけからなる化合物、いいかえれば、酸素を実質的に含まない含水素化合物をいい、鎖式炭化水素(脂肪属炭化水素)と、環式炭化水素(脂環式炭化水素)とが含まれる。   The hydrocarbon compound used in the direct fuel cell system of the present invention refers to a hydrocarbon, that is, a compound consisting only of carbon and hydrogen, in other words, a hydrogen-containing compound substantially free of oxygen, and is a chain carbonization. Hydrogen (aliphatic hydrocarbon) and cyclic hydrocarbon (alicyclic hydrocarbon) are included.

本発明の炭化水素化合物は、分子量が40以上の脂肪族炭化水素または分子量が40以上の脂環式炭化水素化合物であることがより好ましく、いずれの場合も分子量80以上であることがさらに好ましい。これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。本発明の炭化水素化合物としては、具体的には、例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、1,3,5−トリメチルシクロヘキサン等の単環式炭化水素;デカリン,メチルデカリン等の2環式炭化水素;テトラデカヒドロアントラセン等の3環式炭化水素;等が挙げられる。上記例示の炭化水素化合物は、1種のみを用いてもよく、また、2種以上を混合して用いてもよい。   The hydrocarbon compound of the present invention is more preferably an aliphatic hydrocarbon having a molecular weight of 40 or more or an alicyclic hydrocarbon compound having a molecular weight of 40 or more. In any case, the molecular weight is more preferably 80 or more. These may use only 1 type and may mix and use 2 or more types. Specific examples of the hydrocarbon compound of the present invention include monocyclic hydrocarbons such as cyclohexane, methylcyclohexane, dimethylcyclohexane and 1,3,5-trimethylcyclohexane; bicyclic carbonization such as decalin and methyldecalin. And hydrogen; tricyclic hydrocarbons such as tetradecahydroanthracene; and the like. The hydrocarbon compounds exemplified above may be used alone or in combination of two or more.

本発明に係る燃料電池に用いられる電解質としては、いずれも100℃以上の耐熱性を有する、固体有機電解質、無機固体電解質、有機無機ハイブリッド電解質等が挙げられる。   Examples of the electrolyte used in the fuel cell according to the present invention include solid organic electrolytes, inorganic solid electrolytes, and organic-inorganic hybrid electrolytes each having heat resistance of 100 ° C. or higher.

固体有機電解質としては、例えば、スルホン酸基またはホスホン酸基を導入した芳香族ポリエーテル、ポリスルフィド等の芳香族プロトン電解質が挙げられる。固体無機電解質としては、例えば、HZr(PO−ガラス複合体、CsHSO−ガラス複合体等のプロトン伝導ガラスやプロントン伝導セラミックス等が挙げられる。有機無機ハイブリッド電解質としては、例えば、ゼオライト−ポリテトラフルオロエチレン複合材料、シリカ−イオン交換ゲルポリマー複合材料等、多孔質セラミックス材料やゼオライトに無機酸、有機酸、プロトン伝導高分子材料の一種或いは一種類以上含有させた材料が挙げられる。電解質の形態は、膜状、板状、サンドイッチ状などがより好ましく使用できる。 Examples of the solid organic electrolyte include aromatic proton electrolytes such as aromatic polyethers and polysulfides into which sulfonic acid groups or phosphonic acid groups are introduced. Examples of the solid inorganic electrolyte include proton conductive glass such as HZr 2 (PO 4 ) 3 -glass composite, CsHSO 4 -glass composite, and Pronton conductive ceramics. Examples of the organic-inorganic hybrid electrolyte include a porous ceramic material such as a zeolite-polytetrafluoroethylene composite material, a silica-ion exchange gel polymer composite material, and zeolite, and an inorganic acid, an organic acid, a proton conductive polymer material, or one of them. Examples include materials that contain more than one type. More preferably, the electrolyte is in the form of a membrane, plate, sandwich, or the like.

本発明に係る燃料電池の作動温度は特に限定されないが、100℃〜400℃の範囲内であることがより好ましい。作動温度を上記範囲内とすることで、100℃〜400℃の燃料電池の発熱によって、燃料の脱水素反応を促進することができ、脱水素反応が容易に進行するため、より効率の高い燃料電池システムが構築できる。また、本発明の場合、燃料が脱水素反応のみで発電するため、電気触媒毒となるCOは生成することがない。   The operating temperature of the fuel cell according to the present invention is not particularly limited, but is more preferably within a range of 100 ° C to 400 ° C. By setting the operating temperature within the above range, the dehydrogenation reaction of the fuel can be promoted by the heat generation of the fuel cell at 100 ° C. to 400 ° C., and the dehydrogenation reaction easily proceeds. A battery system can be constructed. In the case of the present invention, since the fuel generates power only by the dehydrogenation reaction, CO that becomes an electrocatalytic poison is not generated.

本発明に係る燃料電池は、作動温度を上記100℃〜400℃の範囲内とするために、リン酸を電解質として用いることがより好ましい。   In the fuel cell according to the present invention, it is more preferable to use phosphoric acid as an electrolyte in order to set the operating temperature within the range of 100 ° C. to 400 ° C.

燃料電池を100℃〜400℃に予熱するためには、燃料電池システム内に、燃焼器を設置し、燃焼器用燃料を燃焼させるか、または燃料電池用燃料を部分燃焼させ、その燃焼熱を利用する方法を用いる。その他、発電運転時にはその廃熱を利用する方法、または太陽光線の集光装置による加熱機構を用いる方法等が挙げられる。   In order to preheat the fuel cell to 100 ° C. to 400 ° C., a combustor is installed in the fuel cell system and the fuel for the combustor is combusted or the fuel for the fuel cell is partially combusted and the combustion heat is used. The method to be used is used. In addition, the method of using the waste heat at the time of a power generation operation, the method of using the heating mechanism by the condensing device of sunlight, etc. are mentioned.

以上のように本発明によれば、燃料にメチルシクロヘキサン、デカリン、メチルデカリン等の、実質的に酸素を含まない含水素化合物である、炭化水素化合物を用い、100℃〜400℃に予熱された燃料電池に直接供給することにより、100℃〜400℃の作動温度範囲で、燃料改質器、CO除去器を必要としないシンプルでエネルギー効率の高い燃料電池システムの発電運転が可能となる。また、DMFCを用いた燃料電池システムにおける触媒被毒やクロスオーバーの問題が回避され、発電効率を高めるという効果がある。さらに、二酸化炭素を排出することがなく耐環境性を高めるという効果も奏する。   As described above, according to the present invention, a hydrocarbon compound, which is a hydrogen-containing compound that does not substantially contain oxygen, such as methylcyclohexane, decalin, and methyldecalin, is used as the fuel, and the fuel is preheated to 100 ° C to 400 ° C. By supplying directly to the fuel cell, it is possible to perform a power generation operation of a simple and energy efficient fuel cell system that does not require a fuel reformer and a CO remover in an operating temperature range of 100 ° C. to 400 ° C. In addition, the problem of catalyst poisoning and crossover in the fuel cell system using DMFC is avoided, and the power generation efficiency is improved. In addition, there is an effect of improving environmental resistance without discharging carbon dioxide.

《実施の形態1》
本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。
Embodiment 1
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本実施の形態に係る直接型燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池1には、電解質1aにリン酸が電解液として充填されている。また、燃料極、空気極の電極基板には炭素材を用いており、バインダとしてはポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEと示す。)あるいはフェノール系樹脂を用いて形成した基板に、白金、白金−ルテニウム、ニッケル、または白金−ロジウムを炭素紛上に担持させた触媒を保持した炭素基板からなる。   FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a direct fuel cell system according to the present embodiment. In the fuel cell 1, the electrolyte 1a is filled with phosphoric acid as an electrolytic solution. In addition, carbon materials are used for the electrode substrates of the fuel electrode and the air electrode, and platinum, platinum--on the substrate formed using polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE) or phenolic resin as the binder. It consists of a carbon substrate holding a catalyst in which ruthenium, nickel, or platinum-rhodium is supported on carbon powder.

燃料貯蔵タンク2は、燃料としてのデカリンを貯蔵するためのものであり、ここから燃料が燃料電池1の燃料極に直接供給される。そして燃料極では脱水素燃料が生じるため、これは脱水素燃料回収タンク3によって回収される。一方、燃料電池1の空気極へは空気供給器4から空気が供給される。   The fuel storage tank 2 is for storing decalin as fuel, from which fuel is directly supplied to the fuel electrode of the fuel cell 1. Since dehydrogenated fuel is generated at the fuel electrode, it is recovered by the dehydrogenated fuel recovery tank 3. On the other hand, air is supplied from the air supplier 4 to the air electrode of the fuel cell 1.

次に実施の形態1の発電運転中の動作を説明する。燃料電池1は燃料供給前に予熱が必要である。170℃〜220℃に予熱された燃料電池1の燃料極に、デカリンが燃料貯蔵タンク2から直接供給される。170℃〜220℃に予熱された燃料電池1の熱によって燃料極では燃料中に化合物の形で貯蔵された水素の脱離反応が生じる。燃料極で生じた水素と、空気供給器4から空気極に供給された空気中の酸素とが反応して発電運転を行うが、この時、同時に熱も発生する。燃料電池1内で発生した熱と適度な保温により、燃料電池1は170℃〜220℃の温度を維持しながら発電運転を継続する。発電運転によって燃料極では脱水素燃料が生じるが脱水素燃料回収タンク3によって回収し、空気極で生じた水と廃空気は排出する。   Next, the operation during the power generation operation of the first embodiment will be described. The fuel cell 1 needs to be preheated before supplying the fuel. Decalin is directly supplied from the fuel storage tank 2 to the fuel electrode of the fuel cell 1 preheated to 170 ° C. to 220 ° C. The heat of the fuel cell 1 preheated to 170 ° C. to 220 ° C. causes a desorption reaction of hydrogen stored in the form of a compound in the fuel at the fuel electrode. Hydrogen generated at the fuel electrode reacts with oxygen in the air supplied from the air supplier 4 to the air electrode to perform a power generation operation. At this time, heat is also generated at the same time. Due to the heat generated in the fuel cell 1 and appropriate heat retention, the fuel cell 1 continues the power generation operation while maintaining a temperature of 170 ° C. to 220 ° C. Although dehydrogenated fuel is generated at the fuel electrode by the power generation operation, it is recovered by the dehydrogenated fuel recovery tank 3, and water and waste air generated at the air electrode are discharged.

実施の形態1において、燃料にデカリンを用いたときの電池反応は(式1)に示す。デカリンと酸素との反応によって、水と脱水素燃料であるナフタレンが生成する。実施の形態1の燃料電池システムの起電力は1.11Vであった。
1018+5/2O→5HO+C10 (式1)
《実施の形態2》
次に本実施の形態2を説明する。燃料電池システムの構成は、実施の形態1と同じく図1に示す燃料電池システムから成る。ただし燃料電池1は電解質1aに100℃以上の耐熱性を持つ有機無機ハイブリッド電解質としてのCsHSO微結晶とポリテトラフルオロエチレンの混合物から成る膜を充填しており、燃料極、空気極の電極基板は白金、白金−ルテニウム、白金−ロジウムを炭素紛上に担持させた触媒を保持した炭素基板からなる。このとき、燃料電池は電解質以外の構成要素:燃料貯蔵タンク、脱水素燃料回収タンク、空気供給器及び燃料:デカリンは実施の形態1と同じである。そして、発電運転は燃料電池1を190℃に予熱し燃料極に燃料を燃料貯蔵タンク2から直接供給し、燃料極で脱水素反応によって生じた水素と、空気極へ空気供給器4から供給した空気中の酸素との反応によって発電運転を行う。また、燃料極で生じた脱水素燃料は、脱水素燃料回収タンク3によって回収され、空気極で生じた水と廃空気は排出される。
In Embodiment 1, the cell reaction when decalin is used as the fuel is shown in (Formula 1). The reaction between decalin and oxygen produces naphthalene, which is water and dehydrogenated fuel. The electromotive force of the fuel cell system of Embodiment 1 was 1.11V.
C 10 H 18 + 5 / 2O 2 → 5H 2 O + C 10 H 8 (Formula 1)
<< Embodiment 2 >>
Next, the second embodiment will be described. The configuration of the fuel cell system is the fuel cell system shown in FIG. However, in the fuel cell 1, the electrolyte 1a is filled with a film made of a mixture of CsHSO 4 microcrystals and polytetrafluoroethylene as an organic-inorganic hybrid electrolyte having a heat resistance of 100 ° C. or higher, and an electrode substrate for a fuel electrode and an air electrode Consists of a carbon substrate holding a catalyst in which platinum, platinum-ruthenium, and platinum-rhodium are supported on carbon powder. At this time, the fuel cell is the same as the first embodiment in the components other than the electrolyte: the fuel storage tank, the dehydrogenated fuel recovery tank, the air supplier, and the fuel: decalin. In the power generation operation, the fuel cell 1 is preheated to 190 ° C., and the fuel is directly supplied to the fuel electrode from the fuel storage tank 2. Power generation is performed by reaction with oxygen in the air. The dehydrogenated fuel generated at the fuel electrode is recovered by the dehydrogenated fuel recovery tank 3, and the water and waste air generated at the air electrode are discharged.

本発明は、例えば、産業排熱回収用または家庭用コジェネレーション発電システムに用いられる直接型燃料電池システムとして特に有用である。   The present invention is particularly useful as a direct fuel cell system used in, for example, industrial waste heat recovery or household cogeneration power generation systems.

本発明の実施の形態1及び形態2における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system in Embodiment 1 and Embodiment 2 of this invention. 従来の改質器、CO除去器を備えた燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system provided with the conventional reformer and CO removal device. 従来のメタノールを直接供給する燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the conventional fuel cell system which supplies methanol directly.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池
1a 電解質
2 燃料貯蔵タンク
3 脱水素燃料回収タンク
4 空気供給器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 1a Electrolyte 2 Fuel storage tank 3 Dehydrogenation fuel recovery tank 4 Air supply device

Claims (5)

炭化水素化合物を燃料とし、かつ、作動温度が100℃〜400℃の範囲内であって、前記燃料を、直接、燃料電池に供給する、または、燃料電池の電極に接触させることを特徴とする直接型燃料電池システム。 A hydrocarbon compound is used as a fuel, and an operating temperature is in a range of 100 ° C. to 400 ° C., and the fuel is supplied directly to a fuel cell or brought into contact with an electrode of the fuel cell. Direct fuel cell system. 炭化水素化合物が、分子量40以上の脂肪族炭化水素及び分子量40以上の脂環式炭化水素より選ばれる少なくとも1種以上の化合物であることを特徴とする請求項1の直接型燃料電池システム。 2. The direct fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrocarbon compound is at least one compound selected from an aliphatic hydrocarbon having a molecular weight of 40 or more and an alicyclic hydrocarbon having a molecular weight of 40 or more. 炭化水素化合物が、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、1,3,5−トリメチルシクロヘキサン、デカリン、メチルデカリン、テトラデカヒドロアントラセンからなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物であることを特徴とする請求項1または2記載の直接型燃料電池システム。 The hydrocarbon compound is at least one compound selected from the group consisting of methylcyclohexane, dimethylcyclohexane, 1,3,5-trimethylcyclohexane, decalin, methyldecalin, and tetradecahydroanthracene. Or the direct type fuel cell system of 2. リン酸を電解質として用いることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の直接型燃料電池システム。 The direct fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein phosphoric acid is used as an electrolyte. いずれも耐熱性が100℃以上である、固体有機電解質膜、固体無機電解質膜、有機無機ハイブリッド電解質膜を一種或いは二種以上用いて電解質とすることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の直接型燃料電池システム。 Either one of the solid organic electrolyte membrane, the solid inorganic electrolyte membrane, and the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane, each having a heat resistance of 100 ° C. or higher, is used as an electrolyte. 2. The direct fuel cell system according to item 1.
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