JP2007005163A - Direct methanol fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機溶媒と水を直接供給して発電を行うことができる直接メタノール型燃料電池システムに関するもので、さらに詳しく言えば、燃料タンクから燃料電池本体が複数個積層されてなる発電部に液体燃料を導入させる燃料供給管内の液体燃料の存否が簡便に検出できる機能を備えたシステムに関するものである。 The present invention relates to a direct methanol fuel cell system capable of generating electricity by directly supplying an organic solvent and water. More specifically, the present invention relates to a power generation unit in which a plurality of fuel cell bodies are stacked from a fuel tank. The present invention relates to a system having a function of easily detecting whether liquid fuel is present in a fuel supply pipe into which liquid fuel is introduced.
近年、環境問題や資源問題への対応が重要になってきており、その対策の一つとして燃料電池の開発が活発に行われている。特に、プロトン導電性高分子固体電解質を電解質に用いた固体高分子型燃料電池や直接メタノール型燃料電池は、燃料をガス化または改質せずに直接供給することによって発電できるという特徴を持っているため、構造がシンプルで、小型化、軽量化が容易であり、分散型電源、ポータブル電源として注目されている。 In recent years, dealing with environmental problems and resource problems has become important, and fuel cells are being actively developed as one of the countermeasures. In particular, solid polymer fuel cells and direct methanol fuel cells using proton conductive polymer solid electrolyte as an electrolyte have the feature that they can generate electricity by directly supplying fuel without gasification or reforming. Therefore, the structure is simple, and it is easy to reduce the size and weight, and is attracting attention as a distributed power source and a portable power source.
この直接メタノール型燃料電池は、プロトン導電性高分子固体電解質の両側に空気極および燃料極を接合した燃料電池本体がグラファイト製のセパレータ板で挟持され、それが多数積層されて発電部を構成している。前記空気極は多孔性のカーボンペーパーの表面に白金触媒を担持した炭素粉末が塗布されてなり、前記燃料極は同様のカーボンペーパーの表面に白金−ルテニウム触媒を担持した炭素粉末が塗布されてなる。 In this direct methanol fuel cell, a fuel cell body, in which an air electrode and a fuel electrode are joined to both sides of a proton conductive polymer solid electrolyte, is sandwiched between graphite separator plates, and a large number of them are stacked to form a power generation unit. ing. The air electrode is formed by applying a carbon powder carrying a platinum catalyst on the surface of a porous carbon paper, and the fuel electrode is formed by applying a carbon powder carrying a platinum-ruthenium catalyst on the surface of the same carbon paper. .
また、前記直接メタノール型燃料電池では、燃料極に濃度が3重量%程度のメタノール水溶液を液体燃料(還元剤)として供給し、空気極に空気を酸化剤として供給すると、電池反応によって、燃料極からは炭酸ガスが、空気極からは水が生成して、起電力を発生させる。生成した炭酸ガスと水は、排気側から廃燃料および廃空気とともに排出される。このような直接メタノール型燃料電池においては、燃料タンク内のメタノール水溶液の残量を的確に検知してその補充をすること、あるいは該燃料タンクがカートリッジ式である場合は速やかにその交換をすることが、燃料電池を安定して運転させるうえで不可欠なことである。また、燃料タンクから発電部に液体燃料を導入するための燃料供給管内をメタノール水溶液が円滑に流れていることを検知できるようにもしなければならない。 In the direct methanol fuel cell, when an aqueous methanol solution having a concentration of about 3% by weight is supplied to the fuel electrode as a liquid fuel (reducing agent) and air is supplied to the air electrode as an oxidant, the fuel electrode undergoes a fuel reaction. Carbon dioxide gas is generated from the air, and water is generated from the air electrode to generate an electromotive force. The generated carbon dioxide gas and water are discharged from the exhaust side together with the waste fuel and waste air. In such a direct methanol fuel cell, the remaining amount of the methanol aqueous solution in the fuel tank is accurately detected and replenished, or if the fuel tank is a cartridge type, it should be replaced quickly. However, it is indispensable for the stable operation of the fuel cell. In addition, it must be possible to detect that the aqueous methanol solution is flowing smoothly in the fuel supply pipe for introducing the liquid fuel from the fuel tank to the power generation unit.
メタノール水溶液の残量を検知する方法には、メタノール水溶液の液面を、目視によって検知する方法、フロートセンサーによって検知する方法あるいはフォトセンサーによって検知する方法が知られている。 Known methods for detecting the remaining amount of aqueous methanol solution include a method for visually detecting the level of the aqueous methanol solution, a method for detecting with a float sensor, and a method for detecting with a photosensor.
また、燃料供給管内をメタノール水溶液が円滑に流れていることを検知する方法としては、特許文献1記載の方法が知られている。この特許文献1記載の方法は、メタノール水溶液が円滑に流れていることを検知するものではないが、液体供給路の一部に光透過性の管体を設け、該管体の側面に、発光部と受光部からなる検知部を備えたフォトセンサーを取り付け、前記発光部から投射された光が前記管体の壁面を通過して受光部に入射した際の量の変化を経時的に読み取って管体内の液体の有無を検知するものである。
上記した直接メタノール型燃料電池において、メタノール水溶液の液面を目視によって検知する方法は信頼性の点で問題があり、フロートセンサーやフォトセンサーによって検知する方法は部品点数の点で問題がある。また、燃料タンクの液面を上記した方法で検知するためには、目視用の加工を燃料タンクに設けたり、フロートセンサーやフォトセンサーを燃料タンクに設けたりしなければならず、カートリッジ式の燃料タンクを用いた直接メタノール型燃料電池では、コスト面での問題があった。 In the above direct methanol fuel cell, the method of visually detecting the liquid level of the aqueous methanol solution has a problem in terms of reliability, and the method of detecting by a float sensor or a photo sensor has a problem in terms of the number of parts. In addition, in order to detect the liquid level of the fuel tank by the above-described method, visual processing must be provided in the fuel tank, or a float sensor or photosensor must be provided in the fuel tank. The direct methanol fuel cell using a tank has a problem in cost.
上記した課題を解決するため、本発明は、プロトン導電性高分子固体電解質、その両側に配された一対の空気極と燃料極とを備えた燃料電池本体と、前記燃料極に供給するための液体燃料を収容する燃料タンクと、前記燃料電池本体の燃料極に燃料タンク内の液体燃料を導入させる燃料供給管と、前記燃料電池本体の空気極に空気中の酸素を導入させる空気導入管とを備えるとともに前記燃料電池本体が複数個積層されてなる発電部を備えた直接メタノール型燃料電池システムにおいて、前記燃料供給管を電磁波が透過する材料で構成し、燃料供給管内の液体燃料の存否による電磁波の伝播状態を検出して燃料供給管内の液体燃料の存否を検出する機能を備えたことを特徴(請求項1)とし、また、前記直接メタノール型燃料電池システムにおいて、高濃度液体燃料を貯蔵する高濃度燃料タンクを有し、この高濃度燃料タンクから燃料タンクに前記高濃度液体燃料を導入する高濃度燃料供給管を備え、この高濃度燃料供給管を電磁波が透過する材料で構成し、高濃度燃料供給管内の高濃度液体燃料の存否による電磁波の伝播状態を検出して高濃度燃料供給管内の高濃度液体燃料の存否を検出する機能を備えたことを特徴(請求項2)とし、前記電磁波は紫外線、可視光線、赤外線またはこれらを組み合わせたものであることを特徴(請求項3)とし、燃料供給管はフッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、シリコン樹脂からなる、耐有機溶媒性の、電磁波透過性の材料からなることを特徴(請求項4)とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a proton conductive polymer solid electrolyte, a fuel cell main body including a pair of air electrodes and fuel electrodes disposed on both sides thereof, A fuel tank that contains liquid fuel; a fuel supply pipe that introduces liquid fuel in the fuel tank into the fuel electrode of the fuel cell body; and an air introduction pipe that introduces oxygen in the air into the air electrode of the fuel cell body; And a direct methanol fuel cell system having a power generation unit in which a plurality of the fuel cell main bodies are stacked, the fuel supply pipe is made of a material that transmits electromagnetic waves, and the presence or absence of liquid fuel in the fuel supply pipe The present invention has a function of detecting the propagation state of electromagnetic waves and detecting the presence or absence of liquid fuel in the fuel supply pipe (Claim 1), and the direct methanol fuel cell system includes A high-concentration fuel tank for storing the high-concentration liquid fuel, and a high-concentration fuel supply pipe for introducing the high-concentration liquid fuel from the high-concentration fuel tank to the fuel tank. It has a function to detect the presence or absence of high-concentration liquid fuel in the high-concentration fuel supply pipe by detecting the propagation state of electromagnetic waves due to the presence or absence of high-concentration liquid fuel in the high-concentration fuel supply pipe. According to the present invention (Claim 2), the electromagnetic wave is ultraviolet light, visible light, infrared light or a combination thereof, and the fuel supply pipe is made of fluororesin, polypropylene, polyethylene, or silicon resin. It is made of an organic solvent-resistant and electromagnetic wave-transmitting material (claim 4).
また、本発明は、燃料供給管または高濃度燃料供給管に混入する空気が電磁波の伝播状態を変化させ、この変化を検出して燃料供給管内または高濃度燃料供給管内の液体燃料の存否を検出することを特徴(請求項5)とし、前記高濃度燃料タンク内の高濃度液体燃料が少なくなることによって高濃度燃料供給管に空気が混入し、該空気による電磁波の伝播状態の変化を検出して高濃度液体燃料の追加信号を送出することを特徴(請求項6)とし、前記燃料タンクから燃料電池本体に液体燃料の供給が停止することによって燃料供給管に空気が混入し、該空気による電磁波の伝播状態の変化を検出してシステムの運転停止信号を送出することを特徴(請求項7)とする。 The present invention also detects the presence or absence of liquid fuel in the fuel supply pipe or the high-concentration fuel supply pipe by detecting the change caused by the air mixed into the fuel supply pipe or the high-concentration fuel supply pipe. (5), the high-concentration liquid fuel in the high-concentration fuel tank is reduced, so that air is mixed into the high-concentration fuel supply pipe, and a change in the propagation state of electromagnetic waves due to the air is detected. And an additional signal of the high-concentration liquid fuel is sent out (Claim 6), and the supply of the liquid fuel from the fuel tank to the fuel cell main body is stopped, whereby air is mixed into the fuel supply pipe, A change in the propagation state of the electromagnetic wave is detected and a system operation stop signal is transmitted (claim 7).
本発明は、上記したとおりであるから、目視用の加工を燃料タンクに設けたり、フロートセンサーやフォトセンサーを燃料タンクに設けたり、といったことを必要とせず、また、燃料供給管のすべてを電磁波が透過する材料で構成できるので、カートリッジ式の燃料タンクを用いた直接メタノール型燃料電池のコスト面の改善に寄与することができる。 Since the present invention is as described above, it is not necessary to provide visual processing in the fuel tank, or to provide a float sensor or photo sensor in the fuel tank, and all of the fuel supply pipes are electromagnetic waves. Therefore, it can contribute to the improvement of the cost of the direct methanol fuel cell using the cartridge type fuel tank.
以下、本発明の実施形態について説明する。
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1に係る直接メタノール型燃料電池システムの構成を示した図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
Example 1
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a direct methanol fuel cell system according to
図1において、燃料電池本体1は、一対の燃料極3と空気極5とがプロトン導電性高分子固体電解質4の両側に配されてなり、前記燃料極3に供給する液体燃料を収容するための燃料タンク2との間に燃料ポンプ20を介して燃料供給管10が設けられるとともに、前記空気極5に空気中の酸素を空気ブロワ21を介して導入するための空気導入管11が設けられている。また、発電部6は、前記燃料極3の、プロトン導電性高分子固体電解質4に接する面と反対側に図示していないグラファイト製の燃料極側セパレータが、前記空気極5の、プロトン導電性高分子固体電解質4に接する面と反対側に図示していないグラファイト製の空気極側セパレータが、それぞれ配されて40個積層されて構成している。なお、前記燃料極側セパレータと空気極側セパレータは、発電部の中間に位置するものを、1枚の板の両側にそれぞれの機能が設けられるようにすることもできる。
In FIG. 1, a fuel cell
前記燃料供給管10は、液体燃料の存否を検出するために、電磁波が透過する材料で構成した。たとえば、電磁波として赤外線を使用し、赤外線発光ダイオードと赤外線フォトトランジスタとを組み合わせたセンサーを使用する場合、燃料供給管10にはシリコンチューブを使用し、燃料供給管10内に液体燃料が存在するかどうかが検出できるように、赤外線発光ダイオードから照射された電磁波がシリコンチューブを透過して赤外線フォトトランジスタで受光できるように前記センサーを配置する。なお、燃料供給管10の材質は、使用する電磁波の種類に応じて適宜変更できる。すなわち、シリコン樹脂以外の材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレンが使用でき、赤外線以外の電磁波としては、紫外線、可視光線等が使用できる。
The
このような構成からなる直接メタノール型燃料電池システムを用い、燃料タンク2内に、液体燃料として、濃度が3重量%のメタノール水溶液を収容し、空気流量を5リットル/分、燃料流量を100ミリリットル/分になるようにして、一定の電流密度(100mA/cm2)、一定の温度(60℃)で運転して、その電流−電圧特性を測定するとともに、燃料供給管10としてのシリコンチューブに設けたセンサーの出力を測定した。
Using the direct methanol fuel cell system having such a structure, a methanol aqueous solution having a concentration of 3% by weight is accommodated as a liquid fuel in the
その結果、燃料タンク2から液体燃料が継続的に供給されている間は電流−電圧特性は安定しており、センサーの出力も一定の電圧値を示しているが、燃料タンク2内の液体燃料の液面位が液面検出線付近になると、燃料タンク2から供給される液体燃料が断続的になって電流−電圧特性もセンサーの出力もパルス状になって不安定になる傾向が認められた。
As a result, while the liquid fuel is continuously supplied from the
これは、燃料タンク2内において、液体燃料の液面位が低下し、液面検出線付近になると、燃料供給管10としてのシリコンチューブ内に空気が混入してセンサーの赤外線の一部が拡散されることによる。
In the
次に、燃料タンク2内に液体燃料が十分存在する状況下において、運転中に燃料供給管10としてのシリコンチューブを切断したところ、前記シリコンチューブに配置したセンサーからは出力が得られなくなって、電流−電圧特性は急激に低下することが認められた。
Next, in a situation where there is sufficient liquid fuel in the
このことから、燃料電池本体1に液体燃料が送出されないような故障の発生が検出できたことがわかり、この信号によってシステムの運転を停止させると、システムの安全な運転に寄与することができる。
(実施例2)
図2は、本発明の実施例2に係る直接メタノール型燃料電池システムの構成を示した図であるが、図1と同じ機能を有した部分には同じ符号を付してその説明は省略する。
From this, it can be seen that the occurrence of a failure that prevents the liquid fuel from being delivered to the fuel cell
(Example 2)
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a direct methanol fuel cell system according to
実施例2は、高濃度液体燃料を貯蔵する高濃度燃料タンク22と、この高濃度燃料タンク22から燃料タンク2に高濃度液体燃料を導入する高濃度燃料供給管23とが設けられ、前記高濃度燃料供給管23を電磁波が透過する材料で構成し、高濃度燃料供給管23内の高濃度液体燃料の存否が電磁波の伝播状態の変化によって検出できるようにしている。
In the second embodiment, a high
このような構成からなる直接メタノール型燃料電池システムを用い、燃料タンク2内に、液体燃料として、濃度が3重量%のメタノール水溶液を収容し、高濃度燃料タンク22内に、高濃度液体燃料として、濃度が60重量%のメタノール水溶液を収容し、空気流量を5リットル/分になるようにして、一定の電流密度(100mA/cm2)、一定の温度(60℃)で運転して、その電流−電圧特性を測定するとともに、高濃度燃料供給管23としてのシリコンチューブに設けたセンサーの出力を測定した。なお、高濃度燃料タンク22から燃料タンク2内には、高濃度液体燃料が一定の割合で滴下されて燃料タンク2内の液体燃料のメタノール濃度が3重量%に保たれるようにした。
Using the direct methanol fuel cell system having such a configuration, a methanol aqueous solution having a concentration of 3% by weight is accommodated as a liquid fuel in the
その結果、高濃度燃料タンク22から高濃度液体燃料が継続的に供給されている間は電流−電圧特性は安定しており、センサーの出力も一定の電圧値を示しているが、高濃度燃料タンク22内の高濃度液体燃料の液面位が底面付近になると、高濃度燃料タンク22から供給される高濃度液体燃料が断続的になって、センサーの出力がパルス状になって不安定になり、電圧の低下が認められた。
As a result, while the high-concentration liquid fuel is continuously supplied from the high-
これは、高濃度燃料タンク22内において、高濃度液体燃料の液面位が底面付近になると、高濃度液体燃料供給管23としてのシリコンチューブ内に空気が混入してセンサーの赤外線の一部が拡散されるとともに、高濃度液体燃料の供給量が減少することによって燃料タンク2内のメタノール濃度が低下することによる。
In the high
次に、高濃度燃料タンク22内に高濃度液体燃料が十分存在する状況下において、運転中に高濃度液体燃料供給管23としてのシリコンチューブを切断したところ、前記シリコンチューブに配置したセンサーからは出力が得られなくなって、電圧が急激に低下することが認められた。
Next, in a situation where there is sufficient high-concentration liquid fuel in the high-
このことから、高濃度燃料タンク22内の高濃度液体燃料がなくなったとき、あるいは燃料タンク2に高濃度液体燃料が送出されないような故障の発生が検出できたことがわかり、この信号によって高濃度液体燃料の追加の必要性を知ることができ、また、この信号によってシステムの運転を停止させると、システムの安全な運転に寄与することができる。
From this, it can be seen that when the high-concentration liquid fuel in the high-
上記実施例1、2では、プロトン導電性高分子固体電解質にはデュポン社製のナフィオン(登録商標)117からなる膜を用い、前記燃料極および空気極にはそれぞれ田中貴金属株式会社製のPt−Ru/C触媒、Pt/C触媒をカーボンペーパーに塗布したものを用い、燃料電池本体1はホットプレス法によってこれらを一体化して膜−電極接合体(MEA)とし、さらにこれを上述した如く、グラファイト製のセパレータ板で挟持して積層したものである。
In Examples 1 and 2 described above, a membrane made of Nafion (registered trademark) 117 manufactured by DuPont was used as the proton conductive polymer solid electrolyte, and Pt- Using a carbon paper coated with Ru / C catalyst and Pt / C catalyst, the
上記した実験は、運転温度、液体燃料濃度、燃料流量、空気流量および電流密度を一定にして行っているが、これらを任意に変化させた場合も同様に検出できることも確認できた。 The above experiments were performed with the operating temperature, liquid fuel concentration, fuel flow rate, air flow rate, and current density kept constant, but it was also confirmed that detection was possible when these were arbitrarily changed.
また、上記した実験では、燃料供給管10や高濃度液体燃料供給管23の材質にシリコン樹脂製のものを使用したが、フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの耐有機溶媒性、電磁波透過性を備えた樹脂であれば特に限定されるものではない。
Further, in the above-described experiment, the material of the
また、上記した直接メタノール型燃料電池システムおいては、燃料供給管10や高濃度液体燃料供給管23にセンサーを設けているが、燃料タンク2や高濃度燃料タンク22にも液面検出器を設けておき、センサーの出力が得られなくなった原因が、燃料タンク2内あるいは高濃度燃料タンク22内の液面位が低下したことによるものか、液体燃料の供給系統に不具合が発生したことによるものかが、わかるようにすることもできる。すなわち、燃料タンク2の液面位あるいは高濃度燃料タンク22の液面位を検知するセンサーから正常な出力が得られていた場合は、液体燃料の供給系統あるいは高濃度液体燃料の供給系統に不具合が発生していることが考えられる。
In the direct methanol fuel cell system described above, sensors are provided in the
本発明によれば、燃料タンクから燃料電池本体に液体燃料を供給するための燃料供給管内の液体燃料の有無を簡便に検出することができるので、燃料不足や液体燃料の供給系統の不具合による転極を引き起こすといったことなく、システムの安定した運転に寄与することができ、直接メタノール型燃料電池システムの産業上の利用可能性が大である。 According to the present invention, the presence or absence of liquid fuel in the fuel supply pipe for supplying liquid fuel from the fuel tank to the fuel cell main body can be easily detected. It can contribute to the stable operation of the system without causing a pole, and the industrial applicability of the direct methanol fuel cell system is great.
1 燃料電池本体
2 燃料タンク
3 燃料極
4 プロトン導電性高分子固体電解質
5 空気極
6 センサー
10 燃料供給管
11 空気導入管
20 燃料ポンプ
21 空気ブロワ
22 高濃度燃料タンク
23 高濃度液体燃料供給管
DESCRIPTION OF
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005184801A JP2007005163A (en) | 2005-06-24 | 2005-06-24 | Direct methanol fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005184801A JP2007005163A (en) | 2005-06-24 | 2005-06-24 | Direct methanol fuel cell system |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2007005163A true JP2007005163A (en) | 2007-01-11 |
Family
ID=37690573
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005184801A Pending JP2007005163A (en) | 2005-06-24 | 2005-06-24 | Direct methanol fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007005163A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009024763A (en) * | 2007-07-19 | 2009-02-05 | Daido Metal Co Ltd | Oil air lubrication system |
-
2005
- 2005-06-24 JP JP2005184801A patent/JP2007005163A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2009024763A (en) * | 2007-07-19 | 2009-02-05 | Daido Metal Co Ltd | Oil air lubrication system |
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