JP2006032040A - Fuel cell - Google Patents

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重秋 南畑
Shinji Tanaka
伸児 田中
Tamahiko Kanouda
玲彦 叶田
Yasuaki Norimatsu
泰明 乗松
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell with a structure which can discharge carbon dioxide generated by electrochemical reaction effectively and can collect, discharge, or circulate water generated by the electrochemical reaction effectively. <P>SOLUTION: In the fuel cell, a power generating section 1, which is equipped with a cathode electrode 3, an anode electrode 5, an electrolyte membrane for insulating the cathode electrode 3 and the anode electrode 5, a hollow support body 2 for supporting the cathode electrode, the anode electrode 5, and the electrolyte membrane 4, and an oxygen supply means for supplying oxygen to the inside of the hollow support body 2, is immersed into a methanol water solution, and the oxygen and the cathode electrode 3 are in contact at the inside of the power generation section 1 and the methanol water solution and the anode electrode 5 are in contact at the outside of the power generation section 1. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、メタノールなどの有機燃料を供給して発電する燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell that generates electricity by supplying an organic fuel such as methanol.

燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーから直接電気エネルギーを得る電池であり、例えば、メタノールと水(純水)とからなるメタノール水溶液を燃料とした直接形メタノール燃料電池(以下、DMFC:Direct Methanol Fuel Cellという)が知られている。   A fuel cell is a cell that directly obtains electrical energy from the chemical energy of the fuel. For example, a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC: Direct Methanol Fuel) using a methanol aqueous solution composed of methanol and water (pure water) as fuel. Cell)) is known.

特開平9−161822号公報では、電解質膜(電解質)を挟んでアノード(アノード電極)とカソード(カソード電極)とが対設された発電部(燃料電池構造体、セル)をセパレータによって挟持して複数積層することにより構成されたスタック型の燃料電池が開示されている(特許文献1参照)。   In Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-161822, a power generation unit (fuel cell structure, cell) in which an anode (anode electrode) and a cathode (cathode electrode) are opposed to each other with an electrolyte membrane (electrolyte) interposed therebetween is sandwiched by a separator. A stack-type fuel cell configured by stacking a plurality of layers is disclosed (see Patent Document 1).

また、特開2002−343378号公報では、発電部の内側にはアノード、外側にはカソード、アノードとカソードとの間には電解質膜が配置された中空支持体構造の燃料電池であって、発電部の外部に存在する酸素を含む気体が、カソード電極と接触する自然吸気型の燃料電池が開示されている(特許文献2参照)。
特開平9−161822号公報 特開2002−343378号公報
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-343378 discloses a fuel cell having a hollow support structure in which an anode is disposed inside a power generation unit, a cathode is disposed outside, and an electrolyte membrane is disposed between the anode and the cathode. A naturally aspirated fuel cell is disclosed in which a gas containing oxygen existing outside the unit comes into contact with the cathode electrode (see Patent Document 2).
JP-A-9-161822 JP 2002-343378 A

例えば、メタノール水溶液を燃料とする燃料電池、すなわちDMFCでは、以下に示す電気化学反応でメタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。   For example, in a fuel cell using methanol aqueous solution as a fuel, that is, DMFC, the chemical energy possessed by methanol is directly converted into electrical energy by the following electrochemical reaction.

アノード電極側では供給されたメタノール水溶液が(1)式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオン(プロトン)と電子に解離する。   On the anode electrode side, the supplied aqueous methanol solution reacts according to the equation (1) and dissociates into carbon dioxide, hydrogen ions (protons), and electrons.

CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-(1)
生成された水素イオンは電解質膜中をアノードからカソード側に移動し、カソード電極上で酸素ガスと電極上の電子と(2)式に従って反応して水を生成する。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (1)
The generated hydrogen ions move from the anode to the cathode in the electrolyte membrane, and react with oxygen gas and electrons on the electrode according to the formula (2) on the cathode electrode to generate water.

6H++3/2O2+6e-→3H2O(2)
従って発電に伴う全化学反応は(3)式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水を生成し、化学反応式はメタノールの燃焼と同じになる。
6H + + 3 / 2O 2 + 6e → 3H 2 O (2)
Therefore, as shown in the formula (3), the total chemical reaction accompanying power generation is that methanol is oxidized by oxygen to generate carbon dioxide gas and water, and the chemical reaction formula is the same as that of combustion of methanol.

CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O(3)
しかしながら、この副生成物である炭酸ガスおよび水の処理について、以下のような問題があると考えられる。
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 3H 2 O (3)
However, it is considered that the following problems are associated with the treatment of carbon dioxide gas and water, which are by-products.

DMFCのアノード触媒として、例えば、Pt(白金)を用いた場合、メタノールとは以下の(4)式から(8)式の順で化学反応を示す。   For example, when Pt (platinum) is used as an anode catalyst of DMFC, methanol shows a chemical reaction in the order of the following formulas (4) to (8).

Pt+CH3OH→(Pt−CH2OH)+H++e-(4)
(Pt−CH2OH)→(Pt−CHOH)+H++e-(5)
(Pt−CHOH)→(Pt−COH)+H++e-(6)
(Pt−COH)→(Pt−CO)+H++e-(7)
(Pt−CO)+H2O→Pt+CO2+2H++2e-(8)
このように反応途中で生成する炭酸ガス、特に一酸化炭素により、アノード触媒である白金が被毒し、メタノールと反応する白金の面積が減少するため、DMFCの性能を低下させる原因となっている。なお、アノード触媒に、ルテニウムを含む合金などを用いたとしても充分な対策になっていない。
Pt + CH 3 OH → (Pt—CH 2 OH) + H + + e (4)
(Pt—CH 2 OH) → (Pt—CHOH) + H + + e (5)
(Pt—CHOH) → (Pt—COH) + H + + e (6)
(Pt−COH) → (Pt−CO) + H + + e (7)
(Pt-CO) + H 2 O → Pt + CO 2 + 2H + + 2e (8)
In this way, carbon dioxide gas generated in the middle of the reaction, particularly carbon monoxide, poisons platinum, which is an anode catalyst, and the area of platinum that reacts with methanol is reduced, which is a cause of reducing the performance of DMFC. . Even if an alloy containing ruthenium or the like is used for the anode catalyst, it is not a sufficient measure.

また、DMFCを寒冷地環境下で設置、保管していた場合には以下の問題があると考えられる。電解質膜として用いる固体高分子膜には、膜中に水が存在しているため、始動時においては、その膜中の水が氷結して始動が円滑に行えないといった問題がある。また、駆動停止後において、電気化学反応によって生成した水が充分に排水されず残った場合、装置内部に残った水が氷結して、再始動が円滑に行えないといった問題がある。特に、スタック型のDMFCでは、配管系統に残留した水が氷結して再始動が困難となる。   In addition, when the DMFC is installed and stored in a cold district environment, the following problems are considered. Since the solid polymer membrane used as the electrolyte membrane has water in the membrane, there is a problem that at the time of starting, the water in the membrane freezes and the starting cannot be performed smoothly. In addition, when the water generated by the electrochemical reaction is not sufficiently drained and remains after the driving is stopped, there is a problem that the water remaining in the apparatus freezes and cannot be restarted smoothly. In particular, in a stack type DMFC, water remaining in the piping system freezes and it is difficult to restart.

したがって、上記の問題を解決するための新規な構造を提供することは、重要であると考えられる。   Therefore, it is considered important to provide a new structure for solving the above problems.

本発明の目的は、新規な構造の燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fuel cell having a novel structure.

本発明の他の目的は、電気化学反応により生成した炭酸ガスを効果的に放出することができる燃料電池を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a fuel cell capable of effectively releasing carbon dioxide generated by an electrochemical reaction.

本発明の他の目的は、電気化学反応により生成した水を効果的に捕集し、排出または循環することができる燃料電池を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a fuel cell that can effectively collect, discharge or circulate water generated by an electrochemical reaction.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

本発明による燃料電池は、カソードと、アノードと、前記カソードおよびアノードを絶縁するための電解質膜と、前記カソード、アノードおよび電解質膜を支持するための中空の支持体と、前記中空の支持体に酸素を供給するための酸素供給手段とを備えた発電部とを有し、前記発電部が液体燃料中に浸漬された燃料電池であって、前記発電部の内部で前記酸素と前記カソードとが接触し、前記発電部の外部で前記液体燃料と前記アノードとが接触していることを特徴とする。   A fuel cell according to the present invention includes a cathode, an anode, an electrolyte membrane for insulating the cathode and the anode, a hollow support for supporting the cathode, the anode, and the electrolyte membrane, and the hollow support. A power generation unit including an oxygen supply means for supplying oxygen, wherein the power generation unit is immersed in liquid fuel, wherein the oxygen and the cathode are inside the power generation unit. The liquid fuel and the anode are in contact with each other outside the power generation unit.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

電気化学反応により生成した炭酸ガスを効果的に外気(燃料電池の外部)へ放出することができ、また、電気化学反応により生成した水を効果的に捕集し、循環または排出することができる。   Carbon dioxide generated by the electrochemical reaction can be effectively released to the outside air (outside the fuel cell), and water generated by the electrochemical reaction can be effectively collected and circulated or discharged. .

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.

(実施の形態1)
本実施の形態の燃料電池、例えばDMFCを図1〜図2を参照して説明する。図1は、DMFCの発電部1の概略を示す断面図である。図2は、発電部1を備えたDMFC6の概略を示す説明図である。
(Embodiment 1)
A fuel cell of this embodiment, for example, DMFC, will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an outline of a power generation unit 1 of a DMFC. FIG. 2 is an explanatory diagram showing an outline of the DMFC 6 including the power generation unit 1.

まず、DMFCの発電部1の概略構造について説明する。図1に示すように、DMFCの発電部1は、閉鎖型の中空支持体2の外側面にカソード電極3、電解質膜4およびアノード電極5の順でそれらを重ね合わせて形成される。なお、この発電部1に中空支持体2に酸素(酸素を含む気体)を供給するための酸素供給手段(例えば、中空支持体2外部から内部に延在した管によって、中空支持体の内部へ酸素を供給する)を備えた場合、この酸素供給手段により中空支持体2の内部に供給された酸素が、カソード電極3と接触することとなる。また、発電部1を液体燃料中に浸漬した場合、発電部1の外側で液体燃料とアノード電極5とが接触することとなる。   First, a schematic structure of the DMFC power generation unit 1 will be described. As shown in FIG. 1, the DMFC power generation unit 1 is formed by superposing a cathode electrode 3, an electrolyte membrane 4, and an anode electrode 5 in this order on the outer surface of a closed hollow support 2. Note that an oxygen supply means for supplying oxygen (a gas containing oxygen) to the power generation unit 1 to the hollow support 2 (for example, to the inside of the hollow support by a tube extending from the outside to the inside of the hollow support 2. When oxygen is supplied), oxygen supplied into the hollow support 2 by the oxygen supply means comes into contact with the cathode electrode 3. Further, when the power generation unit 1 is immersed in the liquid fuel, the liquid fuel and the anode electrode 5 are in contact with each other outside the power generation unit 1.

中空支持体2は、例えば円筒形状であり、その内部に供給された酸素がカソード電極3と接触するように、貫通孔網目状または貫通型多孔質壁面構造になっている。なお、本実施の形態では、発電部1を構成する中空支持体2は円筒型であるが、その形状は直方体型、円錐型、多角柱、多角錐、球型、あるいはその他の形状であっても発電部1の電極(カソード/アノード)面積が十分に取れる形状であれば特に制限はない。しかしながら発電部1を規定の容器(槽)に浸漬するには円筒型は、加工性、コンパクト性などの点で好ましい形状といえる。   The hollow support 2 has, for example, a cylindrical shape, and has a through-hole network shape or a through-type porous wall surface structure so that oxygen supplied into the hollow support 2 comes into contact with the cathode electrode 3. In the present embodiment, the hollow support 2 constituting the power generation unit 1 is a cylindrical shape, but the shape thereof is a rectangular parallelepiped shape, a conical shape, a polygonal column, a polygonal pyramid, a spherical shape, or other shapes. There is no particular limitation as long as the electrode (cathode / anode) area of the power generation unit 1 is sufficiently large. However, in order to immerse the power generation unit 1 in a specified container (tank), the cylindrical shape can be said to be a preferable shape in terms of processability and compactness.

中空支持体2の材料は、電気化学的に不活性であり、使用環境下での耐久性、薄型であっても十分な強度を持つ材料であることが好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、塩化ビニル、ポリアクリル系樹脂その他のエンジニアリング樹脂やこれらを各種のフィラー等で強度補強した電気絶縁性の材料や生成した水の雰囲気で、耐食性に優れた炭素材料、ステンレス系鋼、或いは通常の鉄、ニッケル、銅、アルミニウム及びそれらの合金の表面を耐食化処理した電気導電性の材料をあげることができる。また、耐食性に劣る卑金属を上記の樹脂で被覆した絶縁性の材料を用いることも有効である。いずれにしても形状を支持する強度、耐食性と電気化学的に不活性な材料であれば特に限定されるものではない。   The material of the hollow support 2 is preferably a material that is electrochemically inactive, durable in the use environment, and has sufficient strength even when thin. For example, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, vinyl chloride, polyacrylic resins, other engineering resins, and electrically insulating materials that are reinforced with various fillers, etc., and carbon materials with excellent corrosion resistance in the generated water atmosphere Further, there can be mentioned an electrically conductive material obtained by subjecting the surface of stainless steel, or ordinary iron, nickel, copper, aluminum and alloys thereof to corrosion resistance. It is also effective to use an insulating material obtained by coating a base metal having poor corrosion resistance with the above resin. In any case, the material is not particularly limited as long as the material supports the shape, the corrosion resistance, and the electrochemically inactive material.

カソード電極3は、炭素系担体に触媒として白金微粒子を分散担持したものから形成される。また、アノード電極5は、炭素系粉末担体に触媒として白金とルテニウム或いは白金/ルテニウム合金の微粒子を分散担持したものから形成される。これらの触媒は容易に製造、利用できる材料である。なお、カソード電極3およびアノード電極5の触媒は、通常のDMFCに用いられるものであれば特に制限されるものではない。   The cathode electrode 3 is formed from a carbon-based carrier in which platinum fine particles are dispersed and supported as a catalyst. The anode electrode 5 is formed of a carbon-based powder carrier in which platinum and ruthenium or platinum / ruthenium alloy fine particles are dispersed and supported as a catalyst. These catalysts are materials that can be easily manufactured and used. In addition, the catalyst of the cathode electrode 3 and the anode electrode 5 will not be restrict | limited especially if it is used for normal DMFC.

電解質膜4は、例えば水素イオン導電性を示す固体高分子膜から形成される。このような材料としてポリパーフルオロスチレンスルフォン酸、パーフルオロカーボン系スルフォン酸などに代表されるスルフォン化したフッ素系ポリマーやポリスチレンスルフォン酸、スルフォン化ポリエーテルスルフォン類などの炭化水素系ポリマーをスルフォン化した材料を用いることができる。これらの材料を電解質膜4として用いれば一般に燃料電池を80℃以下の温度で作動することができる。また、タングステン酸化物水和物、ジルコニウム酸化物水和物、スズ酸化物水和物などの水素イオン導電性無機物を耐熱性樹脂にミクロ分散した複合電解質膜等を用いることによって、より高温域まで作動する燃料電池とすることもできる。いずれにしても水素イオン伝導性が高く、メタノール透過性の低い電解質膜を用いると燃料の発電利用率を高くすることができる。例えば、ナフィオン(登録商標)を用いることができる。   The electrolyte membrane 4 is formed from, for example, a solid polymer membrane that exhibits hydrogen ion conductivity. Examples of such materials include sulfonated fluoropolymers such as polyperfluorostyrene sulfonic acid and perfluorocarbon sulfonic acid, and sulfonated hydrocarbon polymers such as polystyrene sulfonic acid and sulfonated polyether sulfonates. Can be used. If these materials are used as the electrolyte membrane 4, the fuel cell can generally be operated at a temperature of 80 ° C. or lower. In addition, by using a composite electrolyte membrane, etc., in which hydrogen ion conductive inorganic substances such as tungsten oxide hydrate, zirconium oxide hydrate, tin oxide hydrate and the like are micro-dispersed in a heat resistant resin, etc. It can also be a working fuel cell. In any case, when an electrolyte membrane having high hydrogen ion conductivity and low methanol permeability is used, the power generation utilization rate of fuel can be increased. For example, Nafion (registered trademark) can be used.

なお、これまでは、DMFCの発電部1が、閉鎖型の中空支持体2の外側面にカソード電極3、電解質膜4およびアノード電極5の順でそれらを重ね合わせて形成した構造について説明したが、DMFCの発電部1が、閉鎖型の中空支持体2の外側面ではなく、内側面にアノード電極5、電解質膜4およびカソード電極3の順でそれらを重ね合わせて形成した構造であってもよい。いずれにしても、発電部1の内部に存在する酸素と、発電部1の内側のカソード電極3とが接触し、発電部1の外部に存在する液体燃料と、発電部1の外側のアノード電極5とが接触する構造となっていれば良い。   Heretofore, the structure in which the power generation unit 1 of the DMFC is formed by superposing the cathode electrode 3, the electrolyte membrane 4 and the anode electrode 5 in this order on the outer surface of the closed hollow support 2 has been described. Even if the power generation unit 1 of the DMFC has a structure in which the anode electrode 5, the electrolyte membrane 4 and the cathode electrode 3 are stacked in this order on the inner side instead of the outer side of the closed hollow support 2 Good. In any case, the oxygen present inside the power generation unit 1 and the cathode electrode 3 inside the power generation unit 1 are in contact with each other, the liquid fuel existing outside the power generation unit 1, and the anode electrode outside the power generation unit 1 What is necessary is just to become the structure which 5 contacts.

ここで、図1に示すDMFCの発電部1の製造方法は、(a1)カソード触媒と電解質膜4と同一物質を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液をバインダーとして混練してペースト状にしたものを中空支持体2の多孔質部分に10〜50μm程度の一定厚さに塗布して、中空支持体2の外周上にカソード電極3を形成する工程、(b1)予め揮発性有機溶媒に溶解した電解質溶液をカソード電極3の上に電解質膜4形成後の厚さが20〜50μm程度となるように塗布する工程、(c1)アノード触媒と電解質膜4と同一物質を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液をバインダーとして混練してペースト状にしたものを電解質膜4の上に10〜50μm程度の一定厚さに塗布してアノード電極5を形成する工程とを有する。   Here, the manufacturing method of the power generation unit 1 of the DMFC shown in FIG. 1 is (a1) a paste prepared by kneading a solution prepared by previously dissolving the same material as the cathode catalyst and the electrolyte membrane 4 in a volatile organic solvent as a binder. Is applied to the porous portion of the hollow support 2 at a constant thickness of about 10 to 50 μm to form the cathode electrode 3 on the outer periphery of the hollow support 2, (b1) previously dissolved in a volatile organic solvent A step of applying an electrolyte solution on the cathode electrode 3 so that the thickness after forming the electrolyte membrane 4 is about 20 to 50 μm; (c1) dissolving the anode catalyst and the same material as the electrolyte membrane 4 in a volatile organic solvent in advance A step of forming the anode electrode 5 by applying a paste obtained by kneading the obtained solution as a binder onto the electrolyte membrane 4 to a constant thickness of about 10 to 50 μm.

また、別の製造方法では、電解質膜4のそれぞれの側にカソード電極3とアノード電極5を形成し、その電極上に電気的抵抗を下げるための網目状集電板を重ねたモジュールを別途作成する工程、そのモジュールを閉鎖型中空支持体2の外壁部分に貼り付ける工程とを有する。   In another manufacturing method, a module in which a cathode electrode 3 and an anode electrode 5 are formed on each side of the electrolyte membrane 4 and a mesh current collector plate for lowering electrical resistance is stacked on the electrodes is separately prepared. And a step of attaching the module to the outer wall portion of the closed hollow support 2.

また、DMFCの発電部1が、閉鎖型の中空支持体2の外側面ではなく、内側面にアノード電極5、電解質膜4およびカソード電極3の順でそれらを重ね合わせて形成した発電部1の製造方法は、(a2)アノード触媒と電解質膜4と同一物質を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液をバインダーとして混練してペースト状にしたものを中空支持体2の多孔質部分に10〜50μm程度の一定厚さに塗布して、中空支持体2の内周上にアノード電極5を形成する工程、(b2)予め揮発性有機溶媒に溶解した電解質溶液をアノード電極5の上に電解質膜4形成後の厚さが20〜50μm程度となるように塗布する工程、(c2)カソード触媒と電解質膜4と同一物質を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液をバインダーとして混練してペースト状にしたものを電解質膜4の上に10〜50μm程度の一定厚さに塗布してカソード電極3を形成する工程とを有する。   In addition, the power generation unit 1 of the DMFC is not the outer side surface of the closed hollow support 2 but the power generation unit 1 formed by superposing the anode electrode 5, the electrolyte membrane 4 and the cathode electrode 3 in this order on the inner side surface. The manufacturing method is as follows: (a2) A paste prepared by kneading a solution prepared by previously dissolving the same material as the anode catalyst and the electrolyte membrane 4 in a volatile organic solvent as a binder into a porous portion of the hollow support 2 to 10 to 50 μm. (B2) An electrolyte solution previously dissolved in a volatile organic solvent is applied on the anode electrode 5 to the electrolyte membrane 4. A step of coating so that the thickness after formation is about 20 to 50 μm, (c2) a paste prepared by kneading a solution prepared by previously dissolving the same material as the cathode catalyst and the electrolyte membrane 4 in a volatile organic solvent as a binder A step of coating the electrolyte film 4 on the electrolyte membrane 4 to a constant thickness of about 10 to 50 μm to form the cathode electrode 3.

いずれにしても、発電部1の内側から外側へカソード電極3、電解質膜4、アノード電極5が重ね合わせて接合され、カソード電極3と電解質膜4との間、およびアノード電極5と電解質膜4との間に、十分な反応界面を形成する方法であれば、製造方法に特別な制限はなく、新規な構造の燃料電池を製造することができる。   In any case, the cathode electrode 3, the electrolyte membrane 4, and the anode electrode 5 are overlapped and joined from the inside to the outside of the power generation unit 1, and between the cathode electrode 3 and the electrolyte membrane 4 and between the anode electrode 5 and the electrolyte membrane 4. The manufacturing method is not particularly limited as long as a sufficient reaction interface is formed therebetween, and a fuel cell having a novel structure can be manufactured.

次に、本実施の形態で示すDMFC6の概略構造について説明する。図2に示すように、DMFC6は、中空支持体2の底部に水溜まり部7を加工形成した発電部1に酸素供給管8および水排出管9を配置し、槽10内のメタノール水溶液中に発電部1を浸漬させた構造である。また、酸素供給管8には、フィルタ11と空気ポンプ12が設けられている。なお、図2において、発電部1を構成する中空支持体2、カソード電極3、電解質膜4およびアノード電極5は、図1を参照することができるため、図示していない。   Next, a schematic structure of the DMFC 6 shown in the present embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the DMFC 6 has an oxygen supply pipe 8 and a water discharge pipe 9 arranged in a power generation unit 1 in which a water reservoir 7 is processed and formed at the bottom of a hollow support 2, and generates power in a methanol aqueous solution in a tank 10. This is a structure in which the part 1 is immersed. The oxygen supply pipe 8 is provided with a filter 11 and an air pump 12. In FIG. 2, the hollow support 2, the cathode electrode 3, the electrolyte membrane 4, and the anode electrode 5 constituting the power generation unit 1 are not shown because FIG. 1 can be referred to.

上記水溜まり部7は、発電部1(中空支持体2)内部で電気化学反応により生成した水を溜めるために形成された部分である。また、酸素供給管8は、中空支持体2の内部に酸素を供給する酸素供給手段に用いられ、外気からフィルタ11を通して空気ポンプ12により吸気した酸素を含む気体を、中空支持体2の内部に供給するための管であり、その一端が発電部1(中空支持体2)の内部へ配置されている。   The water reservoir 7 is a portion formed to store water generated by an electrochemical reaction inside the power generation unit 1 (hollow support 2). The oxygen supply pipe 8 is used as an oxygen supply means for supplying oxygen into the hollow support 2, and gas containing oxygen sucked from the outside air through the filter 11 by the air pump 12 is introduced into the hollow support 2. It is a pipe | tube for supplying, The one end is arrange | positioned inside the electric power generation part 1 (hollow support body 2).

上記水排出管9は、水溜まり部7に溜まった水を発電部1外部に排出するための管であり、水溜まり部7が設けられている発電部1(中空支持体2)内部の底付近から発電部1外部へと延在して配置されている。   The water discharge pipe 9 is a pipe for discharging the water accumulated in the water reservoir 7 to the outside of the power generator 1, and from the vicinity of the bottom inside the power generator 1 (hollow support 2) where the water reservoir 7 is provided. The power generation unit 1 is arranged to extend to the outside.

上記槽10は、メタノール水溶液を貯蔵するための容器であり、その上部には、アノード電極5で生成された炭酸ガスを放出するための開口部13が設けられている。すなわち、電気化学反応により生成した炭酸ガスを、効果的に外気へ放出するために、液体燃料は開放型の容器である槽10に入れられている。   The tank 10 is a container for storing an aqueous methanol solution, and an opening 13 for releasing the carbon dioxide gas generated by the anode electrode 5 is provided at the upper part thereof. That is, in order to effectively release the carbon dioxide gas generated by the electrochemical reaction to the outside air, the liquid fuel is put in the tank 10 which is an open container.

なお、中空支持体2内部に配置する酸素供給管8の一端は、中空支持体2内部の水排出管9の排出口より高い位置となるように設置することが良い。水溜まり部7に溜まった水を効率良く排出するため、また凍結時において酸素供給管8に水が入り中空支持体2に酸素を供給することができなくなることを防止するためである。   It should be noted that one end of the oxygen supply pipe 8 disposed inside the hollow support 2 is preferably installed at a position higher than the discharge port of the water discharge pipe 9 inside the hollow support 2. This is to efficiently discharge the water accumulated in the water reservoir 7 and to prevent water from entering the oxygen supply pipe 8 and being unable to supply oxygen to the hollow support 2 during freezing.

本実施の形態で示すDMFC6は、アノード電極5に供給されたメタノール水溶液が前記(1)式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオン(プロトン)と電子に解離する。この生成された水素イオンは電解質膜4中をアノード電極5からカソード電極3側に移動し、カソード電極3上で酸素とその電極上の電子と前記(2)式に従って反応して水を生成する。したがって、発電に伴う全化学反応は前記(3)式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水を生成し、メタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。   In the DMFC 6 shown in the present embodiment, the aqueous methanol solution supplied to the anode electrode 5 reacts according to the equation (1) to dissociate into carbon dioxide, hydrogen ions (protons), and electrons. The generated hydrogen ions move in the electrolyte membrane 4 from the anode electrode 5 to the cathode electrode 3 side, and react with oxygen and electrons on the electrode on the cathode electrode 3 to generate water. . Therefore, as shown in the above formula (3), the total chemical reaction associated with power generation is such that methanol is oxidized by oxygen to produce carbon dioxide and water, and the chemical energy of methanol is directly converted into electrical energy. Power is generated.

このように、本実施の形態で示すDMFC6は、前記特許文献1のようなスタック型のDMFCで必要となる燃料ポンプ等を必要とせず、その構成が容易であるため材料費および加工費を抑えることができる。燃料ポンプに関して、本実施の形態で示すDMFC6では、メタノール水溶液中に発電部1を浸漬させるため、燃料ポンプによる供給を必要としないで、アノード電極で燃料の酸化反応をさせることができる。   Thus, the DMFC 6 shown in the present embodiment does not require a fuel pump or the like required for the stack type DMFC as in the above-mentioned Patent Document 1, and the material cost and processing cost are suppressed because the configuration is easy. be able to. Regarding the fuel pump, in the DMFC 6 shown in the present embodiment, since the power generation unit 1 is immersed in an aqueous methanol solution, the fuel can be oxidized at the anode electrode without the need for supply by the fuel pump.

また、前記特許文献1のようなスタック型のDMFCでは、発電部と発電部とを接合するために両者の接合部をネジ止めしているが、電極面積が大きく、面圧が一定でないため接合部で燃料漏れが発生する問題がある。この点、本実施の形態で示すDMFC6は、このような接合部がないため、燃料漏れの発生を回避することができる。   Further, in the stack type DMFC as in the above-mentioned Patent Document 1, in order to join the power generation unit and the power generation unit, both joints are screwed. However, since the electrode area is large and the surface pressure is not constant, the joining is performed. There is a problem that fuel leakage occurs in the part. In this respect, the DMFC 6 shown in the present embodiment does not have such a joint portion, and therefore it is possible to avoid the occurrence of fuel leakage.

また、前記特許文献2のような自然吸気型のDMFCでは、外気(酸素を含む気体)と発電部外周に配置されたカソード電極とが接触して、カソード電極へ酸素を供給しているため、電極が外部に露出している状態の構造である。この点、本実施の形態で示すDMFC6では、槽10に入ったメタノール水溶液中に発電部1を浸漬させるため、電極が外部に露出せず高い信頼性を確保することができる。   Further, in the naturally aspirated DMFC such as Patent Document 2, the outside air (gas containing oxygen) is in contact with the cathode electrode disposed on the outer periphery of the power generation unit, and oxygen is supplied to the cathode electrode. In this structure, the electrode is exposed to the outside. In this regard, in the DMFC 6 shown in the present embodiment, since the power generation unit 1 is immersed in the aqueous methanol solution in the tank 10, the electrode is not exposed to the outside and high reliability can be ensured.

また、前記特許文献1のようなスタック型のDMFCでは、大出力を得るために、発電部を直列接続するために積層構造となるが、十分な強度を確保するためには、大きな構造材が必要となる。この点、本実施の形態で示すDMFC6では、単にメタノール水溶液中に発電部1を直列接続するだけで、大出力を得ることができる。   In addition, in the stack type DMFC as in the above-mentioned Patent Document 1, in order to obtain a large output, a stacked structure is formed in order to connect the power generation units in series. Necessary. In this regard, in the DMFC 6 shown in the present embodiment, a large output can be obtained simply by connecting the power generation unit 1 in series in an aqueous methanol solution.

また、前記特許文献2のような自然吸気型のDMFCでは、外部からの空気を効率良く吸気するため、発電部外部にフィルタを設けず、カソード電極に酸素を供給しているので、カソード電極が汚れる問題がある。この点、本実施の形態で示すDMFC6では、フィルタ11を通して外部から酸素を含んだ気体(空気)を吸気し、空気ポンプ12によってカソード電極3へ供給することができるので、塵埃を除去することができ、カソード電極3が汚れることを防止することができる。なお、フィルタ11の代わりに、酸素富化膜を用いることで、カソード電極3の酸素濃度を上げて、より発電効率を向上することができる。   Further, in the natural intake type DMFC as in Patent Document 2, oxygen is supplied to the cathode electrode without providing a filter outside the power generation unit in order to efficiently intake air from the outside. There is a problem of getting dirty. In this regard, in the DMFC 6 shown in the present embodiment, a gas (air) containing oxygen can be sucked from the outside through the filter 11 and can be supplied to the cathode electrode 3 by the air pump 12, so that dust can be removed. It is possible to prevent the cathode electrode 3 from becoming dirty. In addition, by using an oxygen-enriched film instead of the filter 11, the oxygen concentration of the cathode electrode 3 can be increased and the power generation efficiency can be further improved.

また、発電部1内部のカソード電極3に酸素供給管8からの酸素が供給され、電気的化学反応により水が生成した場合、その水は、中空支持体2の底部の水溜まり部7に溜まることとなる。このように、水溜まり部7を設けることで、生成した水を効果的に捕集することができる。また、中空支持体2の内部が酸素供給管8から供給される酸素を含む気体が閉じ込められるような閉鎖型の構造をしているため、上記捕集した水を、酸素を含む気体の圧力によって押し上げて水排出管9から効果的に中空支持体2の外部に排出することができる。このように、効果的に水が排出されるので、たとえ寒冷地環境下にDMFC6が設置されていたとしても、氷結することを防止することができ、容易に再始動を行うことができる。なお、発電部1から排出した水を、単に排水するだけでなく、循環させて利用することもできる。   Further, when oxygen is supplied from the oxygen supply pipe 8 to the cathode electrode 3 inside the power generation unit 1 and water is generated by an electrochemical reaction, the water is collected in the water reservoir 7 at the bottom of the hollow support 2. It becomes. Thus, by providing the water reservoir 7, the generated water can be collected effectively. Moreover, since the inside of the hollow support 2 has a closed structure in which the gas containing oxygen supplied from the oxygen supply pipe 8 is confined, the collected water is separated by the pressure of the gas containing oxygen. It can be pushed up and effectively discharged from the water discharge pipe 9 to the outside of the hollow support 2. As described above, since water is effectively discharged, even if the DMFC 6 is installed in a cold region environment, it is possible to prevent icing and to easily perform restart. The water discharged from the power generation unit 1 can be used not only by draining but also circulating.

また、前記特許文献1のようなスタック型のDMFCでは、アノード電極に供給するための水や、カソード電極で生成した水を排水しなければ発電を停止することができない。また、前記特許文献2のような自然吸気型のDMFCでは、中空支持体内部に供給したメタノール水溶液が消費されるまで発電を停止することができない。この点、本実施の形態で示すDMFC6では、その始動において、酸素供給管8から、酸素が中空支持体2内部に供給されると、発電部1において電気化学反応が起こり、メタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電されることとなる。一方、DMFC6を停止する場合は、酸素供給管8から中空支持体2内部への酸素の供給を停止する。したがって、カソード電極3(中空支持体2内部)への酸素の供給の有無だけで、発電のオン/オフ制御が容易に行うことができる。   In addition, in the stack type DMFC as in Patent Document 1, power generation cannot be stopped unless the water supplied to the anode electrode or the water generated at the cathode electrode is drained. Further, in the naturally aspirated DMFC as in Patent Document 2, power generation cannot be stopped until the aqueous methanol solution supplied into the hollow support is consumed. In this regard, in the DMFC 6 shown in the present embodiment, when oxygen is supplied from the oxygen supply pipe 8 to the inside of the hollow support 2 at the start, an electrochemical reaction occurs in the power generation unit 1 and the methanol has. Electricity is generated in the form of chemical energy converted directly into electrical energy. On the other hand, when the DMFC 6 is stopped, the supply of oxygen from the oxygen supply pipe 8 into the hollow support 2 is stopped. Therefore, on / off control of power generation can be easily performed only by the presence or absence of oxygen supply to the cathode electrode 3 (inside the hollow support 2).

メタノール水溶液が入った槽10の上部に開口部13が設けられているため、メタノール水溶液中に浸漬された発電部1のアノード電極5で電気化学反応により発生する炭酸ガスを、発生と同時にメタノール水溶液中から外気に放出することができる。したがって、アノード触媒に例えば白金を用いたとしても、炭酸ガスによる白金の被毒を防止することができ、燃料電池の性能の低下を防止することができる。また、DMFC6の停止時において、炭酸ガスを放出するための開口部13に、シャッター(弁)を取り付けることで燃料の自然蒸散を防止することができる。   Since the opening 13 is provided in the upper part of the tank 10 containing the methanol aqueous solution, the carbon dioxide gas generated by the electrochemical reaction is generated at the anode electrode 5 of the power generation unit 1 immersed in the methanol aqueous solution. It can be released from the inside to the outside air. Therefore, even if platinum is used for the anode catalyst, for example, platinum poisoning by carbon dioxide gas can be prevented, and deterioration of the performance of the fuel cell can be prevented. In addition, when the DMFC 6 is stopped, natural evaporation of fuel can be prevented by attaching a shutter (valve) to the opening 13 for releasing carbon dioxide gas.

また、本実施の形態で示すDMFC6において、メタノール水溶液(液体燃料)の補給は、槽10へ適宜投入するだけで良いため、液体燃料の量の管理が容易である。なお、槽10が透明であれば、目視で量の判別をすることができる。   Further, in the DMFC 6 shown in the present embodiment, the methanol aqueous solution (liquid fuel) need only be replenished to the tank 10 as appropriate, so that the amount of liquid fuel can be easily managed. If the tank 10 is transparent, the amount can be determined visually.

また、酸素供給管8から供給される酸素の圧力によって、中空支持体2内部から外部にも圧力が加わることとなるため、アノード電極5に供給されるメタノールの一部が、電解質膜4を透過してカソード電極3に到達する現象(クロスオーバー現象)を抑制できると考えることができる。したがって、クロスオーバー現象を抑制することができれば、DMFC6の出力および効率を向上することができる。   In addition, since the pressure of oxygen supplied from the oxygen supply pipe 8 applies pressure from the inside to the outside of the hollow support 2, a part of methanol supplied to the anode electrode 5 permeates the electrolyte membrane 4. Thus, it can be considered that the phenomenon of reaching the cathode electrode 3 (crossover phenomenon) can be suppressed. Therefore, if the crossover phenomenon can be suppressed, the output and efficiency of the DMFC 6 can be improved.

また、前記特許文献1のようなスタック型のDMFCより、本実施の形態で示したDMFC6は液体燃料に発電部を浸漬させて発電する構造であるため、小型とすることができる。よって、発電機発動機、自動車の発電機等として利用することができる。なお、自動車の発電機として用いた場合、DMFC6で発生した熱を車内の暖房として利用することができる。   Further, since the DMFC 6 shown in the present embodiment has a structure in which a power generation unit is immersed in liquid fuel and generates power, the stack type DMFC as in Patent Document 1 can be reduced in size. Therefore, it can be used as a generator motor, a generator for automobiles, and the like. When used as an automobile generator, the heat generated by the DMFC 6 can be used as heating in the vehicle.

(実施の形態2)
本実施の形態の燃料電池、例えばDMFCを、図3および図4を参照して説明する。図3および図4は、本実施の形態で示すDMFC21の概略を示す説明図である。本実施の形態は、前記実施の形態1で示したDMFC6の発電部1に補液材22a(図3参照)、22b(図4参照)を配置した点で前記実施の形態1と相違する。なお、本実施の形態の発電部1は、前記実施の形態1の発電部1とその構造などは同様であるため、その説明は省略する。
(Embodiment 2)
The fuel cell of this embodiment, for example, DMFC will be described with reference to FIGS. 3 and 4 are explanatory views showing an outline of the DMFC 21 shown in the present embodiment. The present embodiment is different from the first embodiment in that the replacement fluids 22a (see FIG. 3) and 22b (see FIG. 4) are arranged in the power generation unit 1 of the DMFC 6 shown in the first embodiment. The power generation unit 1 according to the present embodiment is the same as the power generation unit 1 according to the first embodiment, and the description thereof is omitted.

図3に示すように、メタノール水溶液が入った槽10内で、発電部1を覆うように補液材22aが全体に配置されている。この補液材22aは、発電部1に備えられているアノード電極に常にメタノール水溶液が供給されるために配置される材料であり、例えば毛管力によって吸い上げる材料からなる。したがって、DMFC6が振動などにより傾いたとしても、補液材22aによって吸い上げられたメタノール水溶液がアノード電極へ供給されることとなり、DMFC21の効率低下を防止することができる。また、DMFC21を駆動することによって、メタノール水溶液が減り、その液位が下がったとしても、補液材22aを介してアノード電極へメタノール水溶液が供給されることとなり、DMFC21の発電効率低下を防止することができる。   As shown in FIG. 3, the replacement fluid 22 a is disposed throughout the tank 10 containing the aqueous methanol solution so as to cover the power generation unit 1. The replenisher 22a is a material that is disposed so that an aqueous methanol solution is always supplied to the anode electrode provided in the power generation unit 1, and is made of, for example, a material that is sucked up by capillary force. Therefore, even if the DMFC 6 is tilted due to vibration or the like, the methanol aqueous solution sucked up by the replacement fluid 22a is supplied to the anode electrode, and the efficiency of the DMFC 21 can be prevented from being lowered. Further, by driving the DMFC 21, even if the methanol aqueous solution is reduced and the liquid level thereof is lowered, the methanol aqueous solution is supplied to the anode electrode through the replacement fluid 22a, thereby preventing a decrease in power generation efficiency of the DMFC 21. Can do.

また、槽10全体を補液材22aで満たすことにより、補液材22aを用いない場合よりも発電部1を安定させることができる。   Moreover, the electric power generation part 1 can be stabilized by satisfy | filling the tank 10 whole with the replacement fluid 22a rather than the case where the replacement fluid 22a is not used.

次に図4に示すように、槽10内を満たす補液材22aとは異なり、発電部1の外周面に厚さが薄い補液材22bが配置されている。この補液材22bは、補液材22aと同様に、アノード電極5面に常にメタノール水溶液が供給されるために配置される材料であり、例えば毛管力によって吸い上げる材料からなる。したがって、図4に示すように、メタノール水溶液の水面が傾き、カソード電極5が液面外に露出したとしても、補液材22bを介してアノード電極5へメタノール水溶液が供給されることとなり、DMFC21の効率低下を防止することができる。また、DMFC21を駆動することによって、メタノール水溶液が減り、その液位が下がったとしても、補液材22bを介してアノード電極5へメタノール水溶液が供給されることとなり、DMFC21の発電効率低下を防止することができる。   Next, as shown in FIG. 4, unlike the replacement fluid 22 a that fills the tank 10, a thin replacement fluid 22 b is disposed on the outer peripheral surface of the power generation unit 1. Similar to the replacement fluid 22a, the replacement fluid 22b is a material that is disposed so that a methanol aqueous solution is always supplied to the surface of the anode electrode 5. For example, the replacement fluid 22b is made of a material that is sucked up by capillary force. Therefore, as shown in FIG. 4, even if the water surface of the methanol aqueous solution is inclined and the cathode electrode 5 is exposed outside the liquid surface, the methanol aqueous solution is supplied to the anode electrode 5 through the replacement fluid 22b. A decrease in efficiency can be prevented. Further, by driving the DMFC 21, even if the methanol aqueous solution is reduced and the liquid level thereof is lowered, the methanol aqueous solution is supplied to the anode electrode 5 through the replacement fluid 22b, thereby preventing a decrease in power generation efficiency of the DMFC 21. be able to.

また、槽10全体に補液材22aを配置した場合より、発電部1を覆う補液材22bの厚さが薄いため、カソード電極で電気化学反応により生成した炭酸ガスをより効果的に放出することができる。   Moreover, since the thickness of the replacement fluid 22b covering the power generation unit 1 is thinner than the case where the replacement fluid 22a is disposed in the entire tank 10, the carbon dioxide generated by the electrochemical reaction at the cathode electrode can be released more effectively. it can.

このように、本実施の形態で示したDMFC21のアノード電極を、メタノール水溶液を常に供給するための補液材22aまたは補液材22bによって覆うことにより、その設置、配置等するに際し振動の激しい場所(自転車、自動二輪車、自動車など)でも配置等することができる。   As described above, the anode electrode of the DMFC 21 shown in the present embodiment is covered with the replacement fluid 22a or the replacement fluid 22b for always supplying the aqueous methanol solution, so that the place (bicycle) is vibrated when installing, arranging, or the like. , Motorcycles, automobiles, etc.).

(実施の形態3)
本実施の形態の燃料電池、例えばDMFCを、図5を参照して説明する。図5は、本実施の形態におけるDMFC31の概略を示す説明図である。
(Embodiment 3)
The fuel cell of this embodiment, for example, DMFC will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an explanatory diagram showing an outline of the DMFC 31 in the present embodiment.

このDMFC31は、水たまり部7を備えた発電部1と、発電部1に酸素を供給するための酸素供給手段と、発電部1で電気化学反応により生成した水を排出または循環するための排出循環手段と、発電部1に燃料を供給するための燃料供給手段と、発電部1に供給される燃料の温度を上昇するための昇温手段とから構成される。なお、この発電部1および水たまり部7は、前記実施の形態1または2で示した発電部1および水たまり部7と同様であるため、その説明は省略する。   The DMFC 31 includes a power generation unit 1 having a puddle unit 7, an oxygen supply unit for supplying oxygen to the power generation unit 1, and a discharge circulation for discharging or circulating water generated by an electrochemical reaction in the power generation unit 1. Means, fuel supply means for supplying fuel to the power generation unit 1, and temperature raising means for increasing the temperature of the fuel supplied to the power generation unit 1. In addition, since this electric power generation part 1 and the puddle part 7 are the same as that of the power generation part 1 and the puddle part 7 which were shown in the said Embodiment 1 or 2, the description is abbreviate | omitted.

酸素供給手段は、酸素供給管32と、フィルタ33と、始動用の手動空気ポンプ34と、電動空気ポンプ35と、非常用の酸素排出管36および酸素排出弁37とを用いて、外部から発電部1を構成するカソード電極へ酸素を供給する。   The oxygen supply means uses an oxygen supply pipe 32, a filter 33, a manual air pump 34 for start-up, an electric air pump 35, an emergency oxygen discharge pipe 36 and an oxygen discharge valve 37 to generate power from the outside. Oxygen is supplied to the cathode electrode constituting part 1.

発電部1に酸素を含んだ空気を外気から供給するための酸素供給管32が、発電部1外部から内部へ延在して配置されている。この酸素供給管32の外気側には、フィルタ33が配置されており、酸素を含む気体がフィルタ33を通過することで酸素を含む気体中の塵埃を除去することができる。   An oxygen supply pipe 32 for supplying air containing oxygen from the outside to the power generation unit 1 extends from the outside of the power generation unit 1 to the inside. A filter 33 is disposed on the outside air side of the oxygen supply pipe 32, and the dust in the gas containing oxygen can be removed by the gas containing oxygen passing through the filter 33.

このフィルタ33から発電部1の区間では、酸素供給管32が分岐してそれぞれ始動用手動空気ポンプ34、電動空気ポンプ35が配置されている。フィルタ33を通過した酸素を含む気体は、始動時には始動用手動空気ポンプ34によって、また、駆動時には電動空気ポンプ35によって、発電部1に酸素を含んだ気体が供給される。したがって、発電される前の始動時においては手動空気ポンプ34により発電部1に酸素を含む気体を供給し、発電後においては電動空気ポンプ35に切り替えるようにすることで、本実施の形態で示すDMFC31は、発電部1で発電される電力以外必要としない構成とすることができる。   In the section from the filter 33 to the power generation unit 1, the oxygen supply pipe 32 branches and a starting manual air pump 34 and an electric air pump 35 are arranged, respectively. The gas containing oxygen that has passed through the filter 33 is supplied to the power generation unit 1 by the manual air pump 34 for starting at the time of startup and by the electric air pump 35 at the time of driving. Therefore, in the present embodiment, the manual air pump 34 supplies a gas containing oxygen to the power generation unit 1 at the start before power generation, and the electric air pump 35 is switched after the power generation. The DMFC 31 can be configured to require no power other than the power generated by the power generation unit 1.

始動用空気ポンプ34または電動空気ポンプ35と発電部1の区間では、酸素供給管32の一部が、メタノール水溶液中に浸漬されるように配置され、例えば蛇管状の形をして配置される。このため、発電時の熱で暖められたメタノール水溶液中に浸漬された酸素供給管32を、酸素を含む気体が通過するとき、酸素を含む気体も暖められて発電部1に供給されるので、発電効率を向上することができる。   In the section between the starting air pump 34 or the electric air pump 35 and the power generation unit 1, a part of the oxygen supply pipe 32 is disposed so as to be immersed in the aqueous methanol solution, for example, in the form of a snake tube. . For this reason, when the gas containing oxygen passes through the oxygen supply pipe 32 immersed in the aqueous methanol solution heated by the heat during power generation, the gas containing oxygen is also warmed and supplied to the power generation unit 1. Power generation efficiency can be improved.

また、発電部1には、発電部1内部から外部へ延在するように酸素排出管36が配置され、その酸素排出管36には酸素排出弁37が配置されている。例えばDMFC31が寒冷地環境下で設置、保管されていた場合、発電停止後に残留した水が、発電部1内部や種々の管内で氷結し、酸素を含んだ気体を供給しても発電しなくなることがある。このような非常時においては、発電による熱などにより氷が溶解するまで、手動空気ポンプ34により発電部1に酸素を含んだ気体を供給して発電を行うことができる。すなわち、その発電に関与しなかった酸素を含んだ気体を、酸素排出弁37を開放して酸素排出管36から排出することで、非常事態を回避することができる。   Further, in the power generation unit 1, an oxygen discharge pipe 36 is disposed so as to extend from the inside of the power generation unit 1 to the outside, and an oxygen discharge valve 37 is disposed in the oxygen discharge pipe 36. For example, when the DMFC 31 is installed and stored in a cold region, water remaining after power generation stops freezes in the power generation unit 1 and various pipes, and even if oxygen-containing gas is supplied, power generation does not occur. There is. In such an emergency, power can be generated by supplying a gas containing oxygen to the power generation unit 1 by the manual air pump 34 until the ice melts due to heat generated by the power generation. That is, an emergency situation can be avoided by opening the oxygen discharge valve 37 and discharging the oxygen-containing gas that was not involved in the power generation from the oxygen discharge pipe 36.

排出循環手段は、水排出管38および分水器39を用いて、発電部1で電気化学反応により生成した水を水溜まり部7で捕集してから、発電部1の外部に排出し、排出した水の一部を連続的にあるいは間欠的に液体燃料に循環する。   The discharge circulation means uses the water discharge pipe 38 and the water diverter 39 to collect the water generated by the electrochemical reaction in the power generation unit 1 in the water reservoir 7 and then discharges the water to the outside of the power generation unit 1 for discharge. Part of the collected water is circulated continuously or intermittently to the liquid fuel.

発電部1で電気化学反応により生成した水を発電部1の外部に排出するための水排出管38が、発電部1内部の底付近から外部に延在するように配置されている。したがって、発電部1内部の底部付近に配置された水排出管38の一端から、発電部1内部の底部に溜まった水が、発電部1内部に供給された酸素を含む気体の圧力によって、発電部1の外部へ排出される。   A water discharge pipe 38 for discharging water generated by an electrochemical reaction in the power generation unit 1 to the outside of the power generation unit 1 is disposed so as to extend from the vicinity of the bottom inside the power generation unit 1 to the outside. Therefore, water accumulated at the bottom of the power generation unit 1 from one end of the water discharge pipe 38 disposed near the bottom of the power generation unit 1 is generated by the pressure of the gas containing oxygen supplied into the power generation unit 1. It is discharged outside the unit 1.

この水排出管38には、発電部1内部から排出された水を分離するための分水器39が配置されている。この分水器39によって、分離された水の一部は、循環水として、メタノール水溶液が貯蔵されている槽40に送られ、分離された水の残りは、DMFC31の外部に排出される。したがって、発電によって生成した水を循環させ、最適な濃度のメタノール水溶液となるように、分水器39によって水量を調整すれば、後述の高濃度メタノール水溶液と混合させることができる。   The water discharge pipe 38 is provided with a water diverter 39 for separating the water discharged from the power generation unit 1. A part of the water separated by the water separator 39 is sent as circulating water to a tank 40 in which an aqueous methanol solution is stored, and the remainder of the separated water is discharged outside the DMFC 31. Accordingly, if the amount of water is adjusted by the water diverter 39 so that the water generated by the power generation is circulated and the aqueous methanol solution has an optimal concentration, it can be mixed with the high-concentration methanol aqueous solution described later.

燃料供給手段は、メタノール水溶液を入れる槽40と、このメタノール水溶液より高濃度のメタノール水溶液を入れる槽41とを用いて、発電部1を構成するアノード電極に燃料を供給する。なお、この燃料供給手段は、槽40のメタノール水溶液が発電等により減少した場合に、槽41から槽40へ高濃度のメタノール水溶液を補給する補給手段を有している。   The fuel supply means supplies fuel to the anode electrode constituting the power generation unit 1 by using a tank 40 in which a methanol aqueous solution is placed and a tank 41 in which a methanol aqueous solution having a higher concentration than the methanol aqueous solution is placed. The fuel supply means has replenishing means for replenishing the tank 40 with a high-concentration methanol aqueous solution when the methanol aqueous solution in the tank 40 is reduced by power generation or the like.

図5に示すように、槽40に貯蔵されたメタノール水溶液に発電部1が、浸漬されているため、発電部1のアノード電極とメタノール水溶液とが接触している。ここで、発電により槽40のメタノール水溶液が減少すると、槽41から高濃度メタノール水溶液が槽40内に供給され、上記循環水と、最適なメタノール水溶液となるように混合することができる。なお、槽40には、アノード電極で生成した炭酸ガスを排出するための開口部42が設けられている。   As shown in FIG. 5, since the power generation unit 1 is immersed in the aqueous methanol solution stored in the tank 40, the anode electrode of the power generation unit 1 and the aqueous methanol solution are in contact with each other. Here, when the methanol aqueous solution in the tank 40 is reduced by power generation, a high-concentration methanol aqueous solution is supplied from the tank 41 into the tank 40 and can be mixed with the circulating water so as to be an optimal methanol aqueous solution. The tank 40 is provided with an opening 42 for discharging the carbon dioxide gas generated by the anode electrode.

昇温手段は、昇温具43を用いて、メタノール水溶液の温度を上げる。この昇温具43は、DMFC31が寒冷地環境下で配置、保管されていた場合等、低温となっているメタノール水溶液が効率よく発電するために、メタノール水溶液の温度を上昇させるものである。したがって、昇温具43が、電気的な昇温具、例えば温度制御可能な加熱ヒータであれば、メタノール水溶液が発電に最も適した温度(80℃程度)に調整できるので、DMFC31の発電効率を向上することができる。また昇温具43は、加熱ヒータのように電力を必要としない化学的な昇温具、例えば酸化カルシウムと水との化学反応により熱を発生させるものでも良い。このような化学的昇温具は、電力が全くないような場所でDMFC31を始動させるために、メタノール水溶液などを暖める場合に特に有効である。   The temperature raising means raises the temperature of the aqueous methanol solution using the temperature raising tool 43. The temperature raising tool 43 increases the temperature of the aqueous methanol solution so that the low temperature aqueous methanol solution efficiently generates power when the DMFC 31 is placed and stored in a cold region environment. Therefore, if the temperature raising device 43 is an electrical temperature raising device, for example, a temperature-controllable heater, the aqueous methanol solution can be adjusted to a temperature most suitable for power generation (about 80 ° C.). Can be improved. The temperature raising tool 43 may be a chemical temperature raising tool that does not require electric power, such as a heater, such as one that generates heat by a chemical reaction between calcium oxide and water. Such a chemical heating device is particularly effective when warming an aqueous methanol solution or the like in order to start the DMFC 31 in a place where there is no electric power.

また、本実施の形態で示したDMFC31は、例えば非常用電源、僻地でのモニター/センサ用電源などに利用することができる。また、低温時の始動性が良いため、自動車の燃料電池にも利用することができる。   Further, the DMFC 31 shown in the present embodiment can be used, for example, as an emergency power source or a monitor / sensor power source in remote areas. Moreover, since the startability at a low temperature is good, it can also be used for automobile fuel cells.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

例えば、前記実施の形態で示した燃料電池は、新規な構造の燃料電池であるため、単体としての機能等について説明したが、発動発電機、自動車および自動二輪車、非常用電源、僻地でのモニター/センサ用電源などに幅広く用いることができる。   For example, since the fuel cell shown in the above embodiment is a fuel cell having a novel structure, its function as a single unit has been described. However, a motor generator, an automobile and a motorcycle, an emergency power source, a remote monitor / Can be widely used for power supplies for sensors.

本発明は、燃料電池を製造する製造業に幅広く利用されるものである。   The present invention is widely used in the manufacturing industry for manufacturing fuel cells.

本発明の実施の形態1におけるDMFCの発電部の概略を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the outline of the electric power generation part of DMFC in Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1で示すDMFCの概略を示す説明図である。2 is an explanatory diagram showing an outline of a DMFC shown in Embodiment 1. FIG. 本発明の実施の形態2におけるDMFCの概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of DMFC in Embodiment 2 of this invention. 実施の形態2で示すDMFCの概略を示す説明図である。6 is an explanatory diagram showing an outline of a DMFC shown in Embodiment 2. FIG. 本発明の実施の形態3におけるDMFCの概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of DMFC in Embodiment 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 発電部
2 中空支持体
3 カソード電極
4 電解質膜
5 アノード電極
6 DMFC
7 水溜まり部
8 酸素供給管
9 水排出管
10 槽
11 フィルタ
12 空気ポンプ
13 開口部
21 DMFC
22a、22b 補液材
31 DMFC
32 酸素供給管
33 フィルタ
34 手動空気ポンプ
35 電動空気ポンプ
36 酸素排出管
37 酸素排出弁
38 水排出管
39 分水器
40 槽
41 槽
42 開口部
43 昇温具
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power generation part 2 Hollow support body 3 Cathode electrode 4 Electrolyte membrane 5 Anode electrode 6 DMFC
7 Water reservoir 8 Oxygen supply pipe 9 Water discharge pipe 10 Tank 11 Filter 12 Air pump 13 Opening 21 DMFC
22a, 22b Fluid replacement material 31 DMFC
32 Oxygen supply pipe 33 Filter 34 Manual air pump 35 Electric air pump 36 Oxygen discharge pipe 37 Oxygen discharge valve 38 Water discharge pipe 39 Divider 40 Tank 41 Tank 42 Opening 43 Heating tool

Claims (5)

カソードと、アノードと、前記カソードおよびアノードを絶縁するための電解質膜と、前記カソード、アノードおよび電解質膜を支持するための中空の支持体と、前記中空の支持体の内部に酸素を供給するための酸素供給手段とを備えた発電部を有し、前記発電部が液体燃料中に浸漬された燃料電池であって、
前記発電部の内部で前記酸素と前記カソードとが接触し、前記発電部の外部で前記液体燃料と前記アノードとが接触していることを特徴とする燃料電池。
A cathode, an anode, an electrolyte membrane for insulating the cathode and the anode, a hollow support for supporting the cathode, the anode and the electrolyte membrane, and supplying oxygen into the hollow support A fuel cell having a power generation unit provided with oxygen supply means, wherein the power generation unit is immersed in liquid fuel,
The fuel cell, wherein the oxygen and the cathode are in contact with each other inside the power generation unit, and the liquid fuel and the anode are in contact with each other outside the power generation unit.
請求項1記載の燃料電池において、
前記液体燃料は、メタノールと水とからなるメタノール水溶液であって、
前記発電部の内部で電気化学反応により生成した水を前記発電部の内部から外部へ排出し、排出された水の一部を前記メタノール水溶液へ連続的または間欠的に循環するための排出循環手段を有することを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The liquid fuel is a methanol aqueous solution composed of methanol and water,
Discharge / circulation means for discharging water generated by an electrochemical reaction inside the power generation unit from the inside of the power generation unit to the outside and circulating a part of the discharged water continuously or intermittently to the aqueous methanol solution A fuel cell comprising:
請求項2記載の燃料電池において、
前記メタノール水溶液より高い濃度の高濃度メタノール水溶液を補給するための補給手段を有し、
前記排水循環手段で循環された水によって低い濃度となった前記メタノール水溶液に、前記高濃度メタノール水溶液を補給して、前記メタノール水溶液が一定濃度に調整されることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 2, wherein
Replenishment means for replenishing a high-concentration methanol aqueous solution having a higher concentration than the methanol aqueous solution;
A fuel cell, wherein the aqueous methanol solution having a low concentration by water circulated by the drainage circulation means is supplemented with the aqueous high-concentration methanol solution to adjust the aqueous methanol solution to a constant concentration.
請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記酸素供給手段は、塵埃を除去するためのフィルタまたは酸素富化膜を配置して、前記酸素を取り入れることを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell as described in any one of Claims 1-3,
The fuel cell according to claim 1, wherein the oxygen supply means includes a filter or an oxygen-enriched film for removing dust and takes in the oxygen.
請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記酸素供給手段は、前記酸素が前記液体燃料の熱で暖められて前記中空の支持体内に供給されることを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell as described in any one of Claims 1-4,
The fuel cell according to claim 1, wherein the oxygen supply means supplies the oxygen to the hollow support body after being heated by the heat of the liquid fuel.
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