JP2007323981A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化学反応により起電力を得る直接メタノール型燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a direct methanol fuel cell that obtains an electromotive force by a chemical reaction.
この種の直接メタノール型燃料電池(DMFC)の膜電極接合体1は図13に示すように構成されている。燃料電池の膜電極接合体1は、固体高分子電解質膜2の両面に燃料極3と空気極4を形成し、固体高分子電解質膜2の一方の側の燃料極3にメタノール水溶液7を供給し、固体高分子電解質膜2のもう一方の側の空気極4に空気8を供給するように構成されている。
The
直接メタノール型燃料電池の発電原理を以下に説明する。 The power generation principle of the direct methanol fuel cell will be described below.
膜電極接合体1の燃料極3にメタノール水溶液7を供給すると、燃料極3の電極触媒層で化学反応が進行して、二酸化炭素とプロトン(H+)と電子とが生成する。
When the
CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e− (1)
プロトン(H+)は固体高分子電解質膜2を透過し、電子は外部回路を経由し、プロトン(H+)と電子と空気極4に供給した空気8に含まれる酸素とで化学反応が進行して、空気極4の電極触媒層で水を生成する。
CH3OH + H2O-> CO2 + 6H ++ 6e- (1)
Proton (H +) passes through the solid
3/2O2 + 6H+ + 6e− → 3H2O (2)
燃料極3や空気極4の電極触媒層は、20〜40nmの炭素粒子9に2〜3nm触媒粒子10を担持した触媒担持カーボンをポリマー電解液で固体高分子電解質膜2に固着させた構造である。
3 / 2O2 + 6H + + 6e− → 3H2O (2)
The electrode catalyst layer of the
燃料極3では、化学式(1)で示すように、メタノールと水から二酸化炭素とプロトンと電子とを生成する。この反応は多段階反応であり、発電に伴う反応中間生成物として一酸化炭素を生成する。生成した一酸化炭素は電極触媒の白金に強く吸着して触媒被毒を生じることから、反応活性を大きく低下させることが知られている。この電極触媒の触媒被毒対策として、直接メタノール型燃料電池の燃料極の触媒材料では、白金(Pt)−ルテニウム(Ru)の2元系触媒材料を使用することが一般的である。しかし、白金−ルテニウムの2元系触媒を用いた場合においても、白金表面に強く結合した一酸化炭素が白金表面と脱離する際にエネルギーが使われて、このエネルギーロスに相当する過電圧が大きくなることから、直接メタノール型燃料電池として取り出せる起電力は、熱力学的理論値である1.21(V)の電圧値より小さくなり、理論値と大きく隔たっているという課題があった。
In the
従来の電極における触媒を被毒する物質を除去する方法として、燃料極と空気極との間に配置した電解質を介して燃料物質と酸化物質とを電気化学的に反応させて起電力を得るとともに、燃料極と空気極との少なくとも一方が触媒を備えている燃料電池において、前記触媒を備えている燃料極もしくは空気極に供給される燃料物質もしくは酸化物質に、前記触媒を被毒させる物質と反応して該物質を除去する被毒物質除去剤が混合されていることを特徴とする燃料電池が示されている。さらに、前記燃料物質がメタノールであるとともに、前記触媒が白金を含み、さらに前記被毒物質除去剤が酸素原子もしくは酸素イオンを放出する酸化剤であることを特徴とした燃料電池装置が示されている。さらに、前記被毒物質除去剤が炭酸であることを特徴とする燃料電池装置が示されている(例えば、特許文献1参照)。 As a method of removing a substance that poisons a catalyst in a conventional electrode, an electromotive force is obtained by electrochemically reacting a fuel substance and an oxidizing substance via an electrolyte disposed between a fuel electrode and an air electrode. A fuel cell in which at least one of the fuel electrode and the air electrode includes a catalyst; and a substance that poisons the catalyst to a fuel material or an oxidizing material supplied to the fuel electrode or the air electrode including the catalyst; Shown is a fuel cell characterized in that it is mixed with a poison remover that reacts to remove the substance. Further, there is shown a fuel cell device characterized in that the fuel substance is methanol, the catalyst contains platinum, and the poisoning substance removing agent is an oxidizing agent that releases oxygen atoms or oxygen ions. Yes. Furthermore, a fuel cell device is shown in which the poisoning substance removing agent is carbonic acid (see, for example, Patent Document 1).
また、従来の燃料極で生成するCOを酸化して触媒に無害なCO2に転化する手段として、過酸化水素、二酸化硫黄、三酸化硫黄、二酸化窒素、過酸化マンガン等から選ばれた酸化剤重量部を燃料100〜1000重量部と共に該燃料電池の燃料極に液体状態で供給することを特徴とする燃料電池の運転方法が示されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、従来の構成では、炭酸や過酸化水素が持つ酸化力が弱いために、触媒被毒している一酸化炭素の酸化に対して十分な効果が得られず、発電特性の向上には大きく寄与することができないという課題を有していた。 However, in the conventional configuration, since the oxidizing power of carbonic acid and hydrogen peroxide is weak, a sufficient effect cannot be obtained for the oxidation of carbon monoxide that is poisoned by the catalyst. It had the problem of not being able to contribute.
本発明は、従来の課題を解決するもので、燃料極の触媒被毒を抑制し、発電特性を向上することができる燃料電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the conventional problems and to provide a fuel cell capable of suppressing catalyst poisoning of a fuel electrode and improving power generation characteristics.
従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に燃料極と空気極とを配置し、電気化学反応させて起電力を得る直接メタノール型燃料電池において、前記空気極と前記燃料極の少なくともいずれか一方の電極に触媒を有し、前記空気極に、酸化物質を供給し、前記燃料極に、燃料物質であるメタノールにオゾンが混合された混合溶液を供給することを特徴としたものであり、直接メタノール型燃料電池の発電特性を向上するものである。 In order to solve the conventional problems, the fuel cell of the present invention is a direct methanol fuel cell in which a fuel electrode and an air electrode are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and an electromotive force is obtained by electrochemical reaction. A catalyst is provided in at least one of the air electrode and the fuel electrode, an oxidizing material is supplied to the air electrode, and a mixed solution in which ozone is mixed with methanol as a fuel material is supplied to the fuel electrode. This is characterized in that the power generation characteristics of the direct methanol fuel cell are improved.
本発明の燃料電池によれば、オゾンの持つ酸化力によって、燃料極の酸化反応を促進させることができ、直接メタノール型燃料電池の発電特性を向上させることができる。 According to the fuel cell of the present invention, the oxidation reaction of the fuel electrode can be promoted by the oxidizing power of ozone, and the power generation characteristics of the direct methanol fuel cell can be improved.
また、本発明の燃料電池によれば、オゾン分解抑制物質として二酸化炭素を含有させることによって、オゾンの分解を抑制し、オゾンの持つ酸化力を持続させることができる。 Further, according to the fuel cell of the present invention, by containing carbon dioxide as an ozone decomposition inhibitor, the decomposition of ozone can be suppressed and the oxidizing power of ozone can be maintained.
さらに、本発明の燃料電池の二酸化炭素を循環させるという構成によれば、オゾン分解抑制物質である二酸化炭素を安定して供給することができ、さらに、燃料電池から排出される二酸化炭素の量を削減することができる。 Further, according to the configuration of circulating the carbon dioxide of the fuel cell of the present invention, it is possible to stably supply the carbon dioxide that is an ozone decomposition inhibitor, and further to reduce the amount of carbon dioxide discharged from the fuel cell. Can be reduced.
さらに、本発明の燃料電池の運転方法によれば、燃料電池を発電しながらオゾンを含有したメタノール水溶液を燃料極に供給するという運転方法によって、燃料電池の運転を停止することなく白金と強く結合した一酸化炭素を容易に除去することができる。 Furthermore, according to the fuel cell operation method of the present invention, the fuel cell is coupled with platinum without stopping the fuel cell operation by the operation method of supplying the methanol aqueous solution containing ozone to the fuel electrode while generating power. Carbon monoxide can be easily removed.
以下に、本発明の燃料電池の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。 Embodiments of a fuel cell according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1における燃料電池の構成図を示す。 FIG. 1 shows a configuration diagram of a fuel cell in Example 1 of the present invention.
図2は、本発明の実施例1における混合溶液の調製方法のフローチャートを示す。 FIG. 2 shows a flowchart of a method for preparing a mixed solution in Example 1 of the present invention.
図3は、本発明の実施例1における実験例の時間−電圧特性図を示す。 FIG. 3 shows a time-voltage characteristic diagram of an experimental example in Example 1 of the present invention.
図4は、本発明の実施例1における実験例の濃度範囲の電圧特性図を示す。 FIG. 4 is a voltage characteristic diagram of the concentration range of the experimental example in Example 1 of the present invention.
図5は、本発明の実施例1におけるメタノール水溶液カートリッジを取付けた構成図を示す。 FIG. 5 shows a configuration diagram in which a methanol aqueous solution cartridge is mounted in Example 1 of the present invention.
図1において、固体高分子電解質膜2の両側に燃料極3と空気極4とを配置し、燃料極3に燃料物質にオゾンを混合させた混合溶液51を、空気極4に空気8をそれぞれ供給し、燃料極3と空気極4とでそれぞれ電気化学反応させて起電力を得る直接メタノール型燃料電池の構成であって、メタノール水溶液カートリッジ13からメタノール水溶液7を混合器22に供給し、オゾン発生器23で発生させたオゾン21を混合器22に供給する。混合器22でメタノール水溶液7とオゾン21とを混合させて混合溶液51を調製し、この混合溶液51を燃料極3に供給させる構成となっている。
In FIG. 1, a
図2において、第1の工程は、メタノール水溶液カートリッジ13のメタノール水溶液7を混合器22に供給する工程を示している。第2の工程は、混合器22にオゾン21を供給して、メタノール水溶液7とオゾン21とを混合させて混合溶液51を調製する工程を示している。第3の工程は、混合溶液51を燃料極3に供給する工程を示している。この3つの工程により、オゾンを含有するメタノールの水溶液を燃料極に供給するフローチャートを示している。
In FIG. 2, the first step shows a step of supplying the methanol
図3において、本発明の混合溶液(実験例1)と従来例のメタノール水溶液(比較例1)を使ったときの条件で燃料電池を発電させたときの時間経過に伴う電圧変化を表した時間−電圧特性の実験結果のグラフを示している。横軸は時間経過を示しており、単位はH(時間)である。縦軸は電圧変化を示しており、単位はV(ボルト)である。 In FIG. 3, a time representing a change in voltage with the passage of time when the fuel cell is generated under the condition of using the mixed solution of the present invention (Experimental Example 1) and the conventional aqueous methanol solution (Comparative Example 1). -The graph of the experimental result of a voltage characteristic is shown. The horizontal axis indicates the passage of time, and the unit is H (hours). The vertical axis indicates the voltage change, and the unit is V (volt).
図4において、本発明の混合溶液のオゾン濃度を変えた条件で燃料電池を発電させたときの実験結果のグラフを示している。横軸は、0(ゼロ)と0.001と0.01と0.1の4種類のオゾン濃度を示しており、単位は重量パーセント(重量%)である。縦軸は電圧を示しており、単位はV(ボルト)である。 In FIG. 4, the graph of the experimental result when making a fuel cell generate electric power on the conditions which changed the ozone concentration of the mixed solution of this invention is shown. The horizontal axis indicates four types of ozone concentrations of 0 (zero), 0.001, 0.01, and 0.1, and the unit is weight percent (% by weight). The vertical axis represents voltage, and the unit is V (volt).
図5において、図1と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。予め、メタノール水溶液カートリッジ14には、メタノール水溶液7の他に、オゾン発生器23で発生させたオゾン21を混合させて混合溶液51を調製させておく。燃料電池の発電を開始させる時に、このメタノール水溶液カートリッジ14を燃料電池の燃料極の供給口に連結させ、メタノール水溶液カートリッジ14の中の混合溶液51を燃料電池の燃料極3に供給させる構成となっている。
In FIG. 5, the same components as those in FIG. In advance, the methanol
以上のような直接メタノール型燃料電池の構成および混合溶液の調製方法について、以下その動作、作用を説明する。 About the structure of the above direct methanol fuel cells and the preparation method of a mixed solution, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
オゾンは強力な酸化力を持ち、オゾンの酸化反応が進むときの化学反応式は、
O3 + 2H+ + 2e− → O2 + H2O (3)
で示される。この酸化反応の酸化還元電位は、
E○ =+2.07V vs.SHE (4)
である。SHEは、標準水素電極(Standard Hydrogen Electrode)である。
Ozone has a strong oxidizing power, the chemical reaction formula when the oxidation reaction of ozone proceeds,
O3 + 2H ++ 2e-> O2 + H2O (3)
Indicated by The oxidation-reduction potential of this oxidation reaction is
E ○ = + 2.07V vs. SHE (4)
It is. SHE is a standard hydrogen electrode.
このような酸化力を持つオゾンを水に溶解させたものをオゾン水と言う。オゾン水は、水分子が解離して生じる水酸化物イオンと反応し、ヒドロキシラジカルやスーパーオキシドイオンなどの活性酸素種(ROS=Reactive Oxygen Species)が発生し、さまざまな物質に作用することが知られている。このオゾン水による活性酸素種の働きを利用した実用例として、上水道や下水道、医療、食品製造工程などの分野における殺菌作用や、脱臭、食品の貯蔵、衣類の漂白、半導体の洗浄水などの分野で幅広く利用されている。 A solution in which ozone having such oxidizing power is dissolved in water is called ozone water. It is known that ozone water reacts with hydroxide ions generated by the dissociation of water molecules to generate reactive oxygen species (ROS = Reactive Oxygen Species) such as hydroxy radicals and superoxide ions, which act on various substances. It has been. As practical examples using the action of active oxygen species by ozone water, fields such as sterilization, deodorization, food storage, clothing bleaching, semiconductor washing water in fields such as water supply and sewerage, medical care and food production processes Is widely used.
本実施例は、オゾンをメタノール水溶液中に混合させて、オゾンとメタノール水溶液の混合溶液を直接メタノール型燃料電池に供給させる構成であることを特徴とする。すなわち、オゾン水によって生じる活性酸素種の作用によって、燃料極の白金触媒表面に強く結合している一酸化炭素を、エネルギーを費やすことなく白金から容易に脱離させることができることから、エネルギーロスが小さくなる分だけ過電圧を小さくすることができ、燃料極で取り出せる電圧降下を抑制することができる。 The present embodiment is characterized in that ozone is mixed in an aqueous methanol solution and a mixed solution of ozone and the aqueous methanol solution is directly supplied to the methanol fuel cell. In other words, carbon monoxide that is strongly bound to the platinum catalyst surface of the fuel electrode can be easily desorbed from the platinum without spending energy by the action of the active oxygen species generated by the ozone water. The overvoltage can be reduced by the smaller amount, and the voltage drop that can be taken out by the fuel electrode can be suppressed.
なお、オゾンが分解したときの生成物は水と酸素しか生成しないため、燃料電池にオゾンを供給しても分解生成物による劣化などの悪影響が無いことは言うまでもない。 In addition, since the product when ozone decomposes | disassembles produces | generates only water and oxygen, it cannot be overemphasized that even if ozone is supplied to a fuel cell, there is no bad influence, such as degradation by a decomposition product.
次に、本実施例の効果を、図3を用いて具体的に説明する。図3は、本実施例の混合溶液と従来のメタノール水溶液とを使ったときの時間経過に伴う電圧変化の実験結果を時間−電圧特性図にまとめたグラフを示している。
(実験例1)
本実施例では、メタノール水溶液にオゾンを混合させた混合溶液を燃料極に供給する以外の操作は、公知の燃料電池の動作方法によって運転する。
Next, the effect of the present embodiment will be specifically described with reference to FIG. FIG. 3 is a graph summarizing experimental results of voltage change with time when using the mixed solution of this example and a conventional aqueous methanol solution in a time-voltage characteristic diagram.
(Experimental example 1)
In this embodiment, operations other than supplying a mixed solution obtained by mixing ozone in a methanol aqueous solution to the fuel electrode are operated by a known fuel cell operation method.
実験例1では、電解質膜の両面に燃料極と空気極を形成した膜電極接合体(Electrochem社製)を使用する。この膜電極接合体は、5cm×5cmの正方形の電極形状を有している。 In Experimental Example 1, a membrane electrode assembly (manufactured by Electrochem) having a fuel electrode and an air electrode formed on both surfaces of an electrolyte membrane is used. This membrane electrode assembly has a square electrode shape of 5 cm × 5 cm.
電解質膜の材料は、公知のカチオン交換樹脂系イオン交換膜を用いる。具体的には、ナフィオン膜(デュポン社商標)やフレミオン膜(旭硝子(株)商標)やアシプレックス膜(旭化成(株)商標)等のパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜を用いる。 As the material of the electrolyte membrane, a known cation exchange resin ion exchange membrane is used. Specifically, perfluorosulfonic acid ion exchange membranes such as Nafion membrane (trademark of DuPont), Flemion membrane (trademark of Asahi Glass Co., Ltd.) and Aciplex membrane (trademark of Asahi Kasei Co., Ltd.) are used.
燃料極の電極触媒材料は、金属又は合金を使用して、導電性カーボンに触媒材料を担持させたものに電解質膜のバインダーを添加して燃料極を形成する。具体的に、触媒として用いる材料として白金とルテニウムの合金が望ましい。また、3元系合金を使用してもよい。燃料極の触媒材料を合金化することによりメタノール酸化反応の活性が高くなる理由として、「2元機能機構(bifunctional mechanism)」や「Rideal機構」などの反応メカニズムが提唱されている。 As the electrode catalyst material for the fuel electrode, a fuel electrode is formed by adding a binder of an electrolyte membrane to a material in which a catalyst material is supported on conductive carbon using a metal or an alloy. Specifically, an alloy of platinum and ruthenium is desirable as a material used as a catalyst. A ternary alloy may be used. Reaction mechanisms such as “bifunctional mechanism” and “Rideal mechanism” have been proposed as the reason why the activity of the methanol oxidation reaction is increased by alloying the catalyst material of the fuel electrode.
燃料極に供給する燃料として、アルコール類、より好ましくはメタノールであることが望ましい。言うまでもなく、メタノール以外のアルコール類でも使用可能である。また、ジメチルエーテルのように常温常圧で気体である物質や加圧等によって液体となる物質を燃料極に供給することもできる。 The fuel supplied to the fuel electrode is desirably alcohols, more preferably methanol. Needless to say, alcohols other than methanol can also be used. Further, a substance that is a gas at normal temperature and pressure, such as dimethyl ether, or a substance that becomes liquid by pressurization can be supplied to the fuel electrode.
一方、空気極の電極触媒材料は白金を使用して、導電性カーボンに白金を担持させたものに電解質膜のバインダーを添加して空気極を形成する。空気極に供給するガスは、必ずしも空気のみに限定される必要はなく、酸素等の酸化物質を含むガスであってもよい。 On the other hand, platinum is used as an electrode catalyst material for the air electrode, and an air electrode is formed by adding a binder of an electrolyte membrane to a conductive carbon supported platinum. The gas supplied to the air electrode is not necessarily limited to air, but may be a gas containing an oxidizing substance such as oxygen.
この膜電極接合体を2枚のカーボンセパレータで挟み、2枚のカーボンセパレータをネジ止めして固定する。ネジ止めはトルクレンチを使って3(N・m)の一定トルクで全てのネジを締める。このスタックを直立させた状態で燃料電池評価装置(東陽テクニカ製)に組み込む。 The membrane electrode assembly is sandwiched between two carbon separators, and the two carbon separators are fixed with screws. Use a torque wrench to tighten all screws with a constant torque of 3 (N · m). This stack is installed upright in a fuel cell evaluation device (manufactured by Toyo Technica).
燃料極のカーボンセパレータには本実施例の混合溶液を供給する配管を接続し、空気極のカーボンセパレータには空気ボンベ(図示せず)の空気を供給する配管を接続する。 A pipe for supplying the mixed solution of this embodiment is connected to the carbon separator of the fuel electrode, and a pipe for supplying air from an air cylinder (not shown) is connected to the carbon separator of the air electrode.
電極の供給口と排出口との位置関係を説明する。燃料極では、供給口を電極下部に、排出口を電極上部になるように接続し、空気極では、供給口を電極上部に、排出口を電極下部になるように接続する。このような上下関係の位置で接続させる理由は、燃料極にメタノール水溶液あるいはメタノール水溶液を含む混合溶液を供給するので、電極下部から徐々に液体を貯めて、メタノール水溶液を安定して電極に送液させるためである。一方、空気極では電極反応が進むことによって水が生成し、生成水が重力によって下へ流れることから電極下部から速やかに生成水を排水させるためである。 The positional relationship between the electrode supply port and the discharge port will be described. In the fuel electrode, the supply port is connected to the lower part of the electrode and the discharge port is connected to the upper part of the electrode. In the air electrode, the supply port is connected to the upper part of the electrode and the discharge port is connected to the lower part of the electrode. The reason for the connection in such a vertical position is that a methanol aqueous solution or a mixed solution containing a methanol aqueous solution is supplied to the fuel electrode, so that liquid is gradually stored from the bottom of the electrode, and the methanol aqueous solution is stably fed to the electrode. This is to make it happen. On the other hand, at the air electrode, water is generated as the electrode reaction proceeds, and the generated water flows downward due to gravity, so that the generated water is quickly drained from the lower part of the electrode.
本実施例によって混合させた0.01重量%のオゾンと3重量%のメタノールの混合溶液を燃料極に0.8ml/分で供給する。一方、空気の供給量は、1000ml/分で供給する。温度を25℃として燃料電池を発電させたときの電圧測定の結果、48時間後の開回路電圧は0.723(V)である。
(比較例1)
オゾンを含まない3重量%メタノール水溶液(従来のメタノール水溶液)を用いて実験し、これ以外の実験条件は、全て実験例1と同様に行う。電圧測定の結果、48時間後の開回路電圧は0.681(V)である。
(実験例2)
オゾンの含有量を0.001重量%とし、メタノールを3重量%含有させた混合溶液を用いる以外は実験例1と同様に行う。電圧測定の結果、48時間後の開回路電圧は0.693(V)である。
(実験例3)
オゾンの含有量を0.1重量%とし、メタノールを3重量%含有させた混合溶液を用いる以外は実験例1と同様に行う。電圧測定の結果、48時間後の開回路電圧は0.683(V)である。
(実験例4)
オゾンの含有量を1重量%とし、メタノールを3重量%含有させた混合溶液を用いる以外は実験例1と同様に行う。電圧測定の結果、48時間後の開回路電圧は0.256(V)となり、燃料電池で取り出せる電圧は極端に低い(図示せず)。
A mixed solution of 0.01% by weight of ozone and 3% by weight of methanol mixed according to this example is supplied to the fuel electrode at 0.8 ml / min. On the other hand, the supply amount of air is supplied at 1000 ml / min. As a result of voltage measurement when the fuel cell is generated at a temperature of 25 ° C., the open circuit voltage after 48 hours is 0.723 (V).
(Comparative Example 1)
Experiments were performed using a 3 wt% aqueous methanol solution (conventional aqueous methanol solution) that did not contain ozone, and all other experimental conditions were the same as in Experimental Example 1. As a result of the voltage measurement, the open circuit voltage after 48 hours is 0.681 (V).
(Experimental example 2)
The same procedure as in Experimental Example 1 is performed except that a mixed solution containing 0.001% by weight of ozone and 3% by weight of methanol is used. As a result of the voltage measurement, the open circuit voltage after 48 hours is 0.693 (V).
(Experimental example 3)
The same procedure as in Experimental Example 1 is performed except that a mixed solution containing 0.1% by weight of ozone and 3% by weight of methanol is used. As a result of the voltage measurement, the open circuit voltage after 48 hours is 0.683 (V).
(Experimental example 4)
The same procedure as in Experimental Example 1 is performed except that a mixed solution containing 1% by weight of ozone and 3% by weight of methanol is used. As a result of the voltage measurement, the open circuit voltage after 48 hours is 0.256 (V), and the voltage that can be taken out by the fuel cell is extremely low (not shown).
図4は、実験例1〜実験例3と比較例1の実験結果を示している。 FIG. 4 shows the experimental results of Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
実験例1と比較例1とで実験結果を比較すると、本実施例の実験条件(実験例1)の方が約6.2%という電圧上昇が見られることがわかる。 Comparing the experimental results between Experimental Example 1 and Comparative Example 1, it can be seen that the voltage increase of about 6.2% is observed under the experimental condition of this example (Experimental Example 1).
本実施例の燃料電池では、燃料極に供給する混合溶液にオゾンを含んでいることにより、白金表面に強く結合した一酸化炭素の酸化反応が促進されるため、白金表面から脱離する際に使われるエネルギーロスに相当する過電圧が小さくなる。この結果、直接メタノール型燃料電池の燃料極から取り出せる電圧が向上することから、従来のメタノール水溶液と比較して、燃料電池の出力特性は向上する。 In the fuel cell of this example, since the mixed solution supplied to the fuel electrode contains ozone, the oxidation reaction of carbon monoxide that is strongly bonded to the platinum surface is promoted. The overvoltage corresponding to the energy loss used is reduced. As a result, since the voltage that can be directly taken out from the fuel electrode of the methanol fuel cell is improved, the output characteristics of the fuel cell are improved as compared with a conventional aqueous methanol solution.
図4の実験結果を比較すると、オゾン濃度による発電電圧を大きいものの順に並べると、0.01重量%、0.001重量%、0.1重量%、0重量%、1重量%となる。実験1のオゾン含有量0.01重量%の時が、もっとも顕著な効果が見られることがわかる。
Comparing the experimental results of FIG. 4, when the power generation voltage due to the ozone concentration is arranged in descending order, they are 0.01 wt%, 0.001 wt%, 0.1 wt%, 0 wt%, and 1 wt%. It can be seen that the most remarkable effect is observed when the ozone content in
また、実験例4の実験結果から、メタノール水溶液中にオゾンが多く含有されると、燃料電池として取り出せる電圧が大きく降下する。これは、オゾンの分解によって酸素が生成し、生成する酸素が燃料極で反応するためであり、本実施例の効果が十分に得られないことがわかる。 From the experimental results of Experimental Example 4, when a large amount of ozone is contained in the aqueous methanol solution, the voltage that can be taken out as a fuel cell greatly decreases. This is because oxygen is generated by the decomposition of ozone, and the generated oxygen reacts at the fuel electrode, and it is understood that the effect of this example cannot be sufficiently obtained.
これらの結果より、メタノール水溶液中のオゾンの含有量には最適な範囲が存在することから、オゾンを含まないメタノール水溶液を使ったときの電圧を基準にすれば、本実施例の効果を十分に発現させるためのオゾンの濃度は、0.001重量%以上0.1重量%未満の範囲であることがわかる。 From these results, there is an optimum range for the content of ozone in the aqueous methanol solution. Therefore, if the voltage when using the aqueous methanol solution that does not contain ozone is used as a reference, the effect of this embodiment is sufficiently obtained. It can be seen that the concentration of ozone for expression is in the range of 0.001 wt% or more and less than 0.1 wt%.
以上、本実施例1では、オゾン発生器や混合器といった装置を付属させた構成の燃料電池を使って説明したが、燃料電池の装置にオゾン発生器や混合器などの装置を付属させない構成であっても本実施例は実施可能である。すなわち、予め、オゾン発生器で発生させたオゾンをメタノール水溶液カートリッジの中のメタノール水溶液に注入させておき、燃料電池の発電を開始させる時にメタノール水溶液カートリッジを燃料電池の装置に装着させる構成としても本実施例1は実施可能であるので、以下、その動作、作用を説明する。 As described above, in the first embodiment, the description has been given using the fuel cell having the configuration including the ozone generator and the mixer, but the configuration of the fuel cell device does not include the ozone generator and the mixer. Even if it exists, a present Example can be implemented. In other words, the ozone generated by the ozone generator is previously injected into the methanol aqueous solution in the methanol aqueous solution cartridge, and the methanol aqueous solution cartridge is attached to the fuel cell device when starting the power generation of the fuel cell. Since the first embodiment can be implemented, the operation and action will be described below.
一般的に、直接メタノール型燃料電池では、メタノール水溶液を貯蔵する容器としてメタノール水溶液カートリッジを用いる。このメタノール水溶液カートリッジは燃料電池と分離可能な構成とし、燃料電池の発電を開始する時に、メタノール水溶液カートリッジを燃料電池の所定の位置に差し込んでメタノール水溶液カートリッジと燃料電池とを連結させて、メタノール水溶液カートリッジの中のメタノール水溶液を燃料電池に供給して発電させる。このような構成の時にも本実施例が実現できることを、図5を用いて説明する。 Generally, in a direct methanol fuel cell, a methanol aqueous solution cartridge is used as a container for storing an aqueous methanol solution. The methanol aqueous solution cartridge is configured to be separable from the fuel cell, and when the power generation of the fuel cell is started, the methanol aqueous solution cartridge is inserted into a predetermined position of the fuel cell to connect the methanol aqueous solution cartridge and the fuel cell. The methanol aqueous solution in the cartridge is supplied to the fuel cell to generate power. The fact that the present embodiment can be realized even with such a configuration will be described with reference to FIG.
予め、メタノール水溶液カートリッジ14には、メタノール水溶液7の他に、オゾン発生器23で発生させたオゾン21を混合させて混合溶液51を調製させておく。燃料電池の発電を開始する時に、このメタノール水溶液カートリッジ14を燃料電池の燃料極の供給口に連結させ、メタノール水溶液カートリッジ14の中の混合溶液51を燃料電池の燃料極3に供給させる。このようにして、燃料電池の発電を開始させると、オゾンを混入させたメタノール水溶液が燃料極に供給されることにより、本実施例の効果が得られる。
In advance, the methanol
このような構成によって、燃料電池の装置構成にオゾン発生器や混合器を備えない構成であっても本実施例は実施可能であり、オゾン発生器や混合器を備えない直接メタノール型燃料電池の装置構成を小型軽量化できることから、携帯用燃料電池の用途として好適である。 With such a configuration, this embodiment can be implemented even if the configuration of the fuel cell does not include an ozone generator or a mixer, and the direct methanol fuel cell without an ozone generator or a mixer can be used. Since the device configuration can be reduced in size and weight, it is suitable for use as a portable fuel cell.
以上、本実施例1において、メタノール水溶液中にオゾンを含有させた混合溶液を燃料極に供給することにより、オゾンの持つ酸化力によって一酸化炭素の酸化を促進して、燃料極での触媒被毒の被毒物質を除去することができる。この結果、燃料極の酸化反応の活性が高まって、燃料極での酸化反応で消費される過電圧が小さくなり、燃料電池から大きい起電力を取り出すことができるので、直接メタノール型燃料電池の発電特性を向上させることができる。 As described above, in Example 1, by supplying a mixed solution containing ozone in a methanol aqueous solution to the fuel electrode, the oxidation of carbon monoxide is promoted by the oxidizing power of ozone, and the catalyst coverage at the fuel electrode is increased. Poison poison can be removed. As a result, the activity of the oxidation reaction at the fuel electrode is increased, the overvoltage consumed by the oxidation reaction at the fuel electrode is reduced, and a large electromotive force can be extracted from the fuel cell. Can be improved.
図6は、本発明の実施例2における燃料電池の構成図を示す。 FIG. 6 shows a block diagram of a fuel cell in Example 2 of the present invention.
図7は、本発明の実施例2における混合溶液の調製方法のフローチャートを示す。 FIG. 7 shows a flowchart of a method for preparing a mixed solution in Example 2 of the present invention.
図8は、本発明の実施例2における実験結果の説明図を示す。 FIG. 8 is an explanatory diagram of an experimental result in Example 2 of the present invention.
図6において、図1と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。混合器24でメタノール水溶液7に二酸化炭素31を混合させて混合溶液52を調製し、混合器24にはpH計41を備えて、混合溶液52中の二酸化炭素31の濃度を測定する。この混合溶液52を混合器25に供給し、オゾン発生器23で発生させたオゾン21と混合溶液52とを混合させて混合溶液53を調製し、この混合溶液53を燃料極3に供給させる構成となっている。
In FIG. 6, the same components as those in FIG. The
図7において、第1の工程は、メタノール水溶液カートリッジ13のメタノール水溶液7を混合器24に供給する工程を示している。第2の工程は、混合器24に二酸化炭素31を供給してメタノール水溶液7と二酸化炭素31とを混合させて混合溶液52を調製する工程を示している。第3の工程は、混合溶液52を混合器25に供給する工程を示している。第4の工程は、オゾン発生器23で発生させたオゾン21を混合器25に供給して混合溶液52とオゾン21とを混合させて混合溶液53を調製する工程を示している。第5の工程は、混合溶液53を燃料極3に供給する工程を示している。この5つの工程により、オゾンと二酸化炭素を含有したメタノール水溶液を燃料極に供給するフローチャートを示している。
In FIG. 7, the first step shows a step of supplying the methanol
図8において、本発明の混合溶液(実験例1および実験例5)と従来例のメタノール水溶液(比較例1)を使ったときの条件で燃料電池を発電させたときの実験結果のグラフを示している。横軸は各実験の実験名を示している。縦軸は電圧を示しており、単位はV(ボルト)である。 FIG. 8 shows a graph of experimental results when the fuel cell is generated under the conditions when the mixed solution of the present invention (Experimental Examples 1 and 5) and the conventional aqueous methanol solution (Comparative Example 1) are used. ing. The horizontal axis indicates the experiment name of each experiment. The vertical axis represents voltage, and the unit is V (volt).
以上のような直接メタノール型燃料電池の構成および混合溶液の調製方法について、以下その動作、作用を説明する。 About the structure of the above direct methanol fuel cells and the preparation method of a mixed solution, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
オゾンは化学的に不安定な物質であり、自己分解性の性質を持つことが知られている。そこで、本実施例の効果を十分に発現させるために、燃料極に供給する混合溶液にオゾンの分解を抑制させる物質を混合させることを特徴とする。具体的には、オゾン分解抑制物質として二酸化炭素を混合させる。 Ozone is a chemically unstable substance and is known to have self-degrading properties. Therefore, in order to fully develop the effect of the present embodiment, a mixed solution supplied to the fuel electrode is mixed with a substance that suppresses decomposition of ozone. Specifically, carbon dioxide is mixed as an ozone decomposition inhibitor.
次に、オゾンと二酸化炭素をメタノール水溶液に混合させる工程について具体的に説明する。 Next, the process of mixing ozone and carbon dioxide with a methanol aqueous solution will be specifically described.
本実施例の燃料極に供給する混合溶液53は、メタノール水溶液7とオゾン21と二酸化炭素31とから構成されている。この混合溶液の調製方法は、まず、メタノール水溶液7を混合器24に供給する第1の工程と、次に、混合器24に二酸化炭素31を供給してメタノール水溶液7と二酸化炭素31とを混合して混合溶液52を調製する第2の工程と、次に、混合溶液52を混合器25に供給する第3の工程と、次に、オゾン発生器23で発生させたオゾン21を混合器25に供給して混合溶液52とオゾン21を混合して混合溶液53を調製する第4の工程と、次に、混合溶液53を燃料極3に供給する第5の工程との順序で行う。このような方法で混合させた混合溶液を使って燃料電池を発電させる。
The
燃料極に供給する混合溶液を上記の順序で混合させる理由は、二酸化炭素の溶解度は水よりメタノール水溶液の方が大きいという理由と、オゾンを入れる前にオゾン分解抑制物質である二酸化炭素を予め混合させておくという理由と、化学的に分解しやすい物質であるオゾンを最後に入れるという理由との3つの理由によるもので、この工程の順序で混合させることが本実施例の特徴となっている。 The reason why the mixed solution supplied to the fuel electrode is mixed in the above order is that the solubility of carbon dioxide is larger in methanol aqueous solution than water, and carbon dioxide, which is an ozone decomposition inhibitor, is mixed in advance before adding ozone. This is due to three reasons, that is, the reason why the ozone is a substance that is easily decomposed chemically, and the reason that ozone is added last, and this embodiment is characterized by mixing in the order of these steps. .
このような順序でオゾンとオゾン分解抑制物質をメタノール水溶液に混合させる調製方法により、燃料電池に供給するオゾンを安定して供給することができる。この結果、メタノール水溶液中に含まれたオゾンの持つ酸化力が持続されて、燃料極での酸化反応が促進されて、燃料極の酸化反応の反応効率を向上させることができる。 Ozone supplied to the fuel cell can be stably supplied by the preparation method in which ozone and the ozone decomposition inhibitor are mixed with the methanol aqueous solution in this order. As a result, the oxidizing power of ozone contained in the methanol aqueous solution is maintained, the oxidation reaction at the fuel electrode is promoted, and the reaction efficiency of the oxidation reaction at the fuel electrode can be improved.
なお、オゾン分解抑制として混合させる二酸化炭素は、燃料極の反応が進むに伴って増加することから、オゾンの分解が進みにくくなり、本実施例の効果が維持されることは言うまでもない。 In addition, since the carbon dioxide mixed as ozone decomposition suppression increases as reaction of a fuel electrode advances, it cannot be overemphasized that decomposition | disassembly of ozone becomes difficult and the effect of a present Example is maintained.
また、オゾンを含む混合液体が酸性すなわちpHが7未満であれば、オゾンの分解を抑制する作用がある。一般に、二酸化炭素が溶解した水は炭酸水と呼ばれるが、炭酸水のpHは7未満を示す。本実施例は、オゾンを含む混合液体に二酸化炭素を混合させることを特徴としており、二酸化炭素を混合させた混合溶液は酸性を示すことから、二酸化炭素を混合させた混合溶液のpHを測定する手段により、二酸化炭素の濃度を知ることができる。本実施例では、メタノール水溶液と二酸化炭素を混合させる混合器にpH計41を付属させる構成により、混合溶液中の二酸化炭素の濃度を知ることができるので、混合溶液52中の二酸化炭素の濃度を確認することができる。
In addition, when the mixed liquid containing ozone is acidic, that is, when the pH is less than 7, there is an action of suppressing decomposition of ozone. Generally, water in which carbon dioxide is dissolved is called carbonated water, but the pH of carbonated water is less than 7. The present embodiment is characterized in that carbon dioxide is mixed with a mixed liquid containing ozone, and the mixed solution in which carbon dioxide is mixed exhibits acidity, and therefore the pH of the mixed solution in which carbon dioxide is mixed is measured. By means, the concentration of carbon dioxide can be known. In this embodiment, since the
具体的なpH制御の方法は、予めpH計41のpH値を5.5に設定しておき、メタノール水溶液に二酸化炭素を混合させると、pHは7から徐々に下がっていくので、pHが5.5を示す時に二酸化炭素の供給を停止させれば、所定の濃度の二酸化炭素を混合した混合溶液が調製できる。
As a specific pH control method, the pH value of the
なお、図6ではpH計を備えた構成を示しているが、必ずしも本実施例2において、pH計を備える必要が無いことは言うまでもない。所定の二酸化炭素を混合させることで、混合溶液52を調製することも可能である。
In addition, although the structure provided with the pH meter is shown in FIG. 6, it cannot be overemphasized that it is not always necessary to provide the pH meter in the second embodiment. It is also possible to prepare the
次に、本発明の効果を、図8を用いて具体的に説明する。図8は、本発明の混合溶液と従来のメタノール水溶液とを使って燃料電池を発電させた実験結果を示している。
(実験例5)
ナフィオン117膜(デュポン社の商標)の両面に電極を形成した膜電極接合体(Electrochem社製)を使用する。この膜電極接合体は、5cm×5cmの正方形の電極形状を有している。この膜電極接合体を2枚のカーボンセパレータで挟み、2枚のカーボンセパレータをネジ止めして固定してスタックにする。このスタックを直立させた状態で、燃料電池評価装置(東陽テクニカ製)に組み込む。燃料極には本実施例の混合溶液を供給する配管を接続し、空気極には空気ボンベ(図示せず)の空気を供給する配管を接続する。電極の供給口と排出口との位置関係は、燃料極では、供給口を電極下部に、排出口を電極上部になるように接続し、空気極では、供給口を電極上部に、排出口を電極下部になるように接続する。
Next, the effect of the present invention will be specifically described with reference to FIG. FIG. 8 shows the results of an experiment in which a fuel cell was generated using the mixed solution of the present invention and a conventional aqueous methanol solution.
(Experimental example 5)
A membrane / electrode assembly (manufactured by Electrochem) having electrodes formed on both sides of a Nafion 117 membrane (trademark of DuPont) is used. This membrane electrode assembly has a square electrode shape of 5 cm × 5 cm. The membrane / electrode assembly is sandwiched between two carbon separators, and the two carbon separators are screwed and fixed to form a stack. This stack is installed in a fuel cell evaluation device (manufactured by Toyo Technica) in an upright state. A pipe for supplying the mixed solution of this embodiment is connected to the fuel electrode, and a pipe for supplying air from an air cylinder (not shown) is connected to the air electrode. The positional relationship between the supply port and the discharge port of the electrode is such that, at the fuel electrode, the supply port is connected to the lower part of the electrode and the discharge port is connected to the upper part of the electrode. Connect to the bottom of the electrode.
本実施例の工程の混合手順で調製した0.01重量%のオゾンと0.1重量%の二酸化炭素と3重量%のメタノールの混合溶液を燃料極に0.8ml/分で供給する。二酸化炭素を混合させる方法として、二酸化炭素をメタノール水溶液中でバブリングさせる方法や、大気中の二酸化炭素を吸収する方法によって、二酸化炭素をメタノール水溶液に混合させることができる。また、オゾンを混合させる方法として、二酸化炭素を含有したメタノール水溶液中でオゾンをバブリングさせる方法によって、二酸化炭素を含んだメタノール水溶液にオゾンを混合させることができる。また、空気の供給量は、1000ml/分で供給する。温度を25℃として燃料電池を発電させたときの電圧測定の結果、48時間後の開回路電圧は0.741(V)である。 A mixed solution of 0.01% by weight of ozone, 0.1% by weight of carbon dioxide and 3% by weight of methanol prepared by the mixing procedure of the process of this example is supplied to the fuel electrode at 0.8 ml / min. As a method of mixing carbon dioxide, carbon dioxide can be mixed into an aqueous methanol solution by a method of bubbling carbon dioxide in an aqueous methanol solution or a method of absorbing carbon dioxide in the atmosphere. As a method of mixing ozone, ozone can be mixed with a methanol aqueous solution containing carbon dioxide by a method of bubbling ozone in a methanol aqueous solution containing carbon dioxide. Moreover, the supply amount of air is supplied at 1000 ml / min. As a result of voltage measurement when the fuel cell is generated at a temperature of 25 ° C., the open circuit voltage after 48 hours is 0.741 (V).
図8で、実験例5の結果を実験例1の結果と比較すると、本実施例の実験条件(実験例5)の方が約2.5%という電圧上昇が見られる。また、従来のメタノール水溶液を用いる場合(従来例1)の結果と比較すると、約8.8%という電圧上昇が見られる。 In FIG. 8, when the result of Experimental Example 5 is compared with the result of Experimental Example 1, a voltage increase of about 2.5% is observed under the experimental condition of this Example (Experimental Example 5). In addition, a voltage increase of about 8.8% is observed as compared with the result obtained when the conventional aqueous methanol solution is used (conventional example 1).
これらの実験結果から、本実施例の燃料電池では、燃料極に供給する混合溶液にオゾンだけでなく二酸化炭素も含んでいることにより、燃料電池の出力特性が従来のメタノール水溶液に比較して向上していることが認められ、オゾンによる一酸化炭素の酸化が促進されて白金触媒の活性が向上することを示している。 From these experimental results, in the fuel cell of this example, the mixed solution supplied to the fuel electrode contains not only ozone but also carbon dioxide, so that the output characteristics of the fuel cell are improved as compared with the conventional aqueous methanol solution. This indicates that the oxidation of carbon monoxide by ozone is promoted and the activity of the platinum catalyst is improved.
以上、本実施例2において、メタノール水溶液中にオゾンと二酸化炭素を含有させた混合溶液を燃料極に供給することにより、オゾンの分解抑制をすることができて、オゾンの持つ酸化力によって一酸化炭素の酸化を促進して、燃料極での触媒被毒の被毒物質を除去することができる。この結果、メタノール水溶液中に含まれるオゾンの持つ酸化力が維持される。このことによって、燃料極の酸化反応の活性が高まって、燃料極での酸化反応で消費される過電圧が小さくなり、燃料電池から大きい起電力を取り出すことができるので、直接メタノール型燃料電池の発電特性を向上させることができる。さらに、オゾン分解抑制物質として混合させる二酸化炭素は、燃料極で生成する二酸化炭素によって本実施例に非常に有利に働くので、直接メタノール型燃料電池に供給するメタノール水溶液として好適である。 As described above, in the second embodiment, by supplying a mixed solution containing ozone and carbon dioxide in a methanol aqueous solution to the fuel electrode, it is possible to suppress the decomposition of ozone, and to oxidize by the oxidizing power of ozone. The oxidation of the carbon can be promoted, and the poisoning substance of the catalyst poisoning at the fuel electrode can be removed. As a result, the oxidizing power of ozone contained in the methanol aqueous solution is maintained. This increases the activity of the oxidation reaction at the fuel electrode, reduces the overvoltage consumed by the oxidation reaction at the fuel electrode, and can extract a large electromotive force from the fuel cell. Characteristics can be improved. Furthermore, carbon dioxide to be mixed as an ozone decomposition inhibitor is very advantageous for the present embodiment due to carbon dioxide produced at the fuel electrode, and is therefore suitable as an aqueous methanol solution supplied directly to a methanol fuel cell.
図9は、本発明の実施例3における燃料電池の構成図を示す。 FIG. 9 shows a configuration diagram of a fuel cell in Example 3 of the present invention.
図9において、図6と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。二酸化炭素31は燃料極3の排出物質11を回収して再利用する構成となっている。気液分離器32を使って、燃料極3の排出物質11から気体成分の二酸化炭素31を分離し、分離した二酸化炭素31を混合器24に供給する。
9, the same components as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. The
以上のような直接メタノール型燃料電池の構成について、以下その動作、作用を説明する。 The operation and action of the configuration of the direct methanol fuel cell as described above will be described below.
直接メタノール型燃料電池の燃料極3では、化学式(1)で示す反応が進むことによって二酸化炭素を生成する。燃料極の排出物質11は、生成した二酸化炭素と未反応メタノール水溶液を含んだ気体と液体の混合物であり、気体成分は二酸化炭素31である。この排出物質11を、気液分離器を使って気体成分と液体成分33とに分離させ、気体成分である二酸化炭素31を回収して再利用してメタノール水溶液7に混合させる。
In the
気液分離器の具体例として、特開2005−238217号公報に記載されているように、液体を通過させて気体の通過を規制する液体抽出材と、気体を通過させて液体の通過を規制する気体抽出材とで構成される気液分離室に気体混合液体を送り込んで気液分離する手法を用いると良い。 As a specific example of a gas-liquid separator, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-238217, a liquid extraction material that restricts the passage of gas by allowing a liquid to pass therethrough and a passage of liquid that restricts the passage of gas by passing a gas. It is preferable to use a method in which a gas-liquid mixture is fed into a gas-liquid separation chamber composed of a gas extraction material that performs gas-liquid separation.
以上、本実施例3において、燃料電池の発電で生成する排出物質からニ酸化炭素を回収させて利用することから、オゾン分解抑制物質の二酸化炭素を安定して供給することができるので、オゾンの持つ酸化力を持続させることができる。オゾンの持つ酸化力によって一酸化炭素の酸化を促進して、燃料極での触媒被毒の被毒物質を除去することができる。この結果、燃料極の酸化反応の活性が高まって、燃料極での酸化反応で消費される過電圧が小さくなり、燃料電池から大きい起電力を取り出すことができるので、直接メタノール型燃料電池の発電特性を向上させることができる。 As described above, in Example 3, since carbon dioxide is recovered and used from the emissions generated by the power generation of the fuel cell, the ozone decomposition inhibitor carbon dioxide can be stably supplied. The oxidative power it has can be sustained. Oxidizing power of ozone promotes the oxidation of carbon monoxide, and the poisoning substance of catalyst poisoning at the fuel electrode can be removed. As a result, the activity of the oxidation reaction at the fuel electrode is increased, the overvoltage consumed by the oxidation reaction at the fuel electrode is reduced, and a large electromotive force can be extracted from the fuel cell. Can be improved.
また、オゾン分解抑制として混合させる二酸化炭素は、燃料極で生成する二酸化炭素によって本実施例に非常に有利に働くので、直接メタノール型燃料電池に供給するメタノール水溶液として最適である。 In addition, carbon dioxide to be mixed for suppressing ozone decomposition works very favorably in the present embodiment due to carbon dioxide produced at the fuel electrode, and is therefore optimal as an aqueous methanol solution supplied directly to a methanol fuel cell.
さらに、本実施例の構成によって、燃料電池の発電に伴って燃料極から大気中へ放出される二酸化炭素の量を削減することができて、地球温暖化防止にも貢献するという利点もある。 Furthermore, the configuration of this embodiment has the advantage that the amount of carbon dioxide released from the fuel electrode into the atmosphere as the fuel cell generates power can be reduced, thereby contributing to the prevention of global warming.
図10は、本発明の実施例4における燃料電池の構成図を示す。 FIG. 10 shows a configuration diagram of a fuel cell in Example 4 of the present invention.
図11は、本発明の実施例4における燃料電池の運転方法のフローチャートを示す。 FIG. 11 shows a flowchart of a method of operating a fuel cell in Example 4 of the present invention.
図12は、本発明の実施例4における実験結果の説明図を示す。 FIG. 12 is an explanatory diagram of an experimental result in Example 4 of the present invention.
図10において、図6と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。二酸化炭素を混合器24に混合させる配管にはバルブ27を設置し、オゾン発生器23と混合器25との間にはバルブ26を設置した構成となっている。
10, the same components as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. A
図11において、第1の工程は、バルブ26とバルブ27を閉じて、メタノール水溶液7を燃料極3に供給する通常運転の工程である。第2の工程は、燃料電池の起電力が所定の設定電圧よりも低下していることを検知する工程である。第3の工程は、バルブ27とバルブ26を開けて、メタノール水溶液7とオゾン21と二酸化炭素31の混合溶液53を燃料極3に供給する工程である。第4の工程は、バルブ26とバルブ27を閉じて、メタノール水溶液7を燃料極3に供給する通常の運転に戻る工程である。この4つの工程により、燃料電池を発電しながら、オゾンを含有したメタノール水溶液を燃料極に供給するという運転方法を示している。
In FIG. 11, the first step is a normal operation step in which the
図12において、本発明の混合溶液(実験例1および実験例6)と従来例のメタノール水溶液(比較例1)を使ったときの条件で燃料電池を発電させたときの実験結果のグラフを示している。横軸は各実験の実験名を示している。縦軸は電圧を示しており、単位はV(ボルト)である。 FIG. 12 shows a graph of experimental results when the fuel cell is generated under the conditions when the mixed solution of the present invention (Experimental Examples 1 and 6) and the conventional aqueous methanol solution (Comparative Example 1) are used. ing. The horizontal axis indicates the experiment name of each experiment. The vertical axis represents voltage, and the unit is V (volt).
以上のような直接メタノール型燃料電池の運転方法について、以下その動作、作用を説明する。 The operation and action of the direct methanol fuel cell operation method as described above will be described below.
直接メタノール型燃料電池を長時間発電させていくと、触媒表面が一酸化炭素で触媒被毒されることにより、徐々に起電力が降下するという課題がある。本実施例では、オゾンとオゾン分解抑制物質を供給する運転方法によって、燃料電池の発電を停止することなく燃料極の触媒被毒を除去することができるという優れた特徴を有している。 When a direct methanol fuel cell is allowed to generate power for a long time, there is a problem that the electromotive force gradually decreases due to catalyst poisoning of the catalyst surface with carbon monoxide. The present embodiment has an excellent feature that the catalyst poisoning of the fuel electrode can be removed without stopping the power generation of the fuel cell by the operation method of supplying ozone and the ozonolysis inhibiting substance.
燃料電池の運転方法について具体的に説明する。 A method for operating the fuel cell will be specifically described.
直接メタノール型燃料電池の通常運転として、バルブ26とバルブ27を閉めてメタノール水溶液7を燃料物質として燃料極3に供給させる。しかし、このような運転方法で燃料電池を連続運転させると、白金ルテニウム2元系合金を使った触媒材料であっても、触媒被毒によって徐々に電圧が降下していく。そこで、予め、所定の起電力の値を設定しておき、起電力が設定電圧よりも下がったときに本実施例で示すような運転条件の切替を行う。本実施例の運転方法では、バルブ26とバルブ27を開けて、オゾン21と二酸化炭素31を混合させた混合溶液53を燃料電池の燃料極3に供給させる。この結果、オゾン21のもつ酸化力によって白金触媒の触媒被毒を容易に除去することができる。しかも、オゾン21を燃料極3に供給している間も、燃料電池の発電電圧はほとんど降下することが無い。触媒被毒を除去できた後は、バルブ26とバルブ27を閉じて燃料極3にメタノール水溶液7を供給して通常の運転に戻る。
As a normal operation of the direct methanol fuel cell, the
次に、本発明の効果を、図12を用いて具体的に説明する。図12は、本発明の運転方法と従来の運転方法とでそれぞれ燃料電池を発電させて燃料電池を発電させた実験結果を示している。
(実験例6)
ナフィオン117膜(デュポン社の商標)の両面に電極を形成した膜電極接合体(Electrochem社製)を使用する。この膜電極接合体は、5cm×5cmの正方形の電極形状を有している。この膜電極接合体を2枚のカーボンセパレータで挟み、2枚のカーボンセパレータをネジ止めして固定してスタックにする。このスタックを直立させた状態で、燃料電池評価装置(東陽テクニカ製)に組み込む。燃料極には本実施例の混合溶液を供給する配管を接続し、空気極には空気ボンベ(図示せず)の空気を供給する配管を接続する。電極の供給口と排出口との位置関係は、燃料極では、供給口を電極下部に、排出口を電極上部になるように接続し、空気極では、供給口を電極上部に、排出口を電極下部になるように接続する。
Next, the effect of the present invention will be specifically described with reference to FIG. FIG. 12 shows the results of an experiment in which the fuel cell is generated by generating power with the operation method of the present invention and the conventional operation method.
(Experimental example 6)
A membrane / electrode assembly (manufactured by Electrochem) having electrodes formed on both sides of a Nafion 117 membrane (trademark of DuPont) is used. This membrane electrode assembly has a square electrode shape of 5 cm × 5 cm. The membrane / electrode assembly is sandwiched between two carbon separators, and the two carbon separators are screwed and fixed to form a stack. This stack is installed in a fuel cell evaluation device (manufactured by Toyo Technica) in an upright state. A pipe for supplying the mixed solution of this embodiment is connected to the fuel electrode, and a pipe for supplying air from an air cylinder (not shown) is connected to the air electrode. The positional relationship between the supply port and the discharge port of the electrode is such that, at the fuel electrode, the supply port is connected to the lower part of the electrode and the discharge port is connected to the upper part of the electrode. Connect to the bottom of the electrode.
通常運転として、メタノール水溶液を燃料極に0.8ml/分で供給する。また、空気を1000ml/分で供給し、燃料電池の温度を25℃として、燃料電池を連続運転させる。 As a normal operation, an aqueous methanol solution is supplied to the fuel electrode at 0.8 ml / min. Further, air is supplied at 1000 ml / min, the temperature of the fuel cell is set to 25 ° C., and the fuel cell is continuously operated.
直接メタノール型燃料電池は、長時間連続運転していると燃料極の触媒表面が被毒されて徐々に発電電圧が下がっていくので、予め、所定の切替電圧を設定しておき、発電電圧が切替電圧よりも下がったときに本実施例の運転方法の切替を行う。具体的には、起電力が0.70(V)を示す直接メタノール型燃料電池であれば、予め、運転切替電圧を0.65(V)に設定しておく。この燃料電池を長時間発電させていくと、やがて触媒被毒により、0.65(V)を下回る電圧を示すようになる。この電圧値を検知した後、バルブ26とバルブ27とを開けて、メタノール水溶液にオゾンと二酸化炭素を混合させた混合溶液を調製し、この混合溶液を燃料極に0.8ml/分で10分間供給する。10分後に、バルブ26とバルブ27を閉めて、混合溶液をメタノール水溶液に戻して、燃料電池を発電させて電圧測定を行った結果、48時間後の開回路電圧は0.721(V)である。
When a direct methanol fuel cell is operated continuously for a long time, the catalyst surface of the fuel electrode is poisoned and the generated voltage gradually decreases. Therefore, a predetermined switching voltage is set in advance, and the generated voltage is When the voltage drops below the switching voltage, the operation method of this embodiment is switched. Specifically, if the direct methanol fuel cell has an electromotive force of 0.70 (V), the operation switching voltage is set to 0.65 (V) in advance. When this fuel cell is allowed to generate power for a long time, it eventually shows a voltage lower than 0.65 (V) due to catalyst poisoning. After detecting this voltage value, the
図12では、実験例6と実験例1と比較例1の3つの実験結果を示している。 In FIG. 12, three experimental results of Experimental Example 6, Experimental Example 1, and Comparative Example 1 are shown.
実験例6を比較例1と比較すると、本実施例の実験条件(実験例6)の方が約5.9%という電圧上昇が見られる。この実験結果から、本実施例の燃料電池では、燃料電池の発電を停止させることなく、オゾンによって燃料極の白金被毒を除去することができるので、白金触媒の活性が再び向上していることを示している。 When the experimental example 6 is compared with the comparative example 1, a voltage increase of about 5.9% is observed under the experimental condition of this example (experimental example 6). From this experimental result, in the fuel cell of the present example, the platinum poisoning of the fuel electrode can be removed by ozone without stopping the power generation of the fuel cell, so that the activity of the platinum catalyst is improved again. Is shown.
以上、本実施例4において、燃料電池を発電しながらオゾンを含有させたメタノール水溶液を燃料極に供給するという運転方法を行うことにより、燃料極での触媒被毒の被毒物質を除去することができる。この結果、燃料極の酸化反応の活性が高まって、燃料極での酸化反応で消費される過電圧が小さくなり、燃料電池から大きい起電力を取り出すことができて、直接メタノール型燃料電池の発電特性を向上させることができる。さらに、一定電圧を発電させながら触媒被毒を容易に除去することができることから、燃料電池の運転を停止することなく、安定した発電を維持することができる。 As described above, in Example 4, by performing the operation method of supplying the methanol aqueous solution containing ozone to the fuel electrode while generating power from the fuel cell, the poisoning substance of catalyst poisoning at the fuel electrode is removed. Can do. As a result, the activity of the oxidation reaction at the fuel electrode is increased, the overvoltage consumed by the oxidation reaction at the fuel electrode is reduced, and a large electromotive force can be extracted from the fuel cell. Can be improved. Furthermore, since catalyst poisoning can be easily removed while generating a constant voltage, stable power generation can be maintained without stopping the operation of the fuel cell.
なお、上記の実施例1から実施例4では、メタノール水溶液を燃料として供給する直接メタノール型燃料電池の実験を基にした実験の具体例について説明したが、燃料として使用するメタノールの他に、例えば、エタノール、プロパノール、エタンジオール等のアルコール類を供給して発電する燃料電池に適用可能なことは言うまでもない。 In Examples 1 to 4 above, specific examples of experiments based on experiments of a direct methanol fuel cell that supplies an aqueous methanol solution as a fuel have been described. In addition to methanol used as a fuel, for example, Needless to say, the present invention can be applied to fuel cells that generate electricity by supplying alcohols such as ethanol, propanol, and ethanediol.
さらには、アルコール以外の液体燃料を供給して発電する燃料電池に適用可能なことも言うまでもない。 Furthermore, it goes without saying that the present invention can be applied to a fuel cell that generates power by supplying liquid fuel other than alcohol.
さらには、マイクロ化学分析などMEMSを用いた小型分析装置に適用可能なことも言うまでもない。 Furthermore, it goes without saying that the present invention can be applied to a small analyzer using MEMS such as microchemical analysis.
本発明にかかる燃料電池は、燃料極の触媒被毒を防止する特徴を有し、直接メタノール型燃料電池等として有用である。また、本発明にかかる燃料電池は、燃料電池の起電力を向上させることが必要な直接メタノール型燃料電池等の用途にも適用できる。 The fuel cell according to the present invention has a feature that prevents catalyst poisoning of the fuel electrode, and is useful as a direct methanol fuel cell or the like. The fuel cell according to the present invention can also be applied to uses such as a direct methanol fuel cell that needs to improve the electromotive force of the fuel cell.
1 膜電極接合体
2 固体高分子電解質膜
3 燃料極
4 空気極
7 メタノール水溶液
8 空気
9 カーボン粒子
10 触媒粒子
11 燃料極排出物質
12 空気極排出物質
13 メタノール水溶液カートリッジ
14 オゾンを混合させたメタノール水溶液カートリッジ
21 オゾン
22 混合器(オゾンとメタノール水溶液を混合)
23 オゾン発生器
24 混合器(メタノール水溶液と二酸化炭素を混合)
25 混合器(メタノール水溶液と二酸化炭素の混合溶液にオゾンを混合)
26 バルブ(オゾン供給のバルブ)
27 バルブ(二酸化炭素供給のバルブ)
31 二酸化炭素(オゾン分解抑制物質)
32 気液分離器
33 排気気体
41 pH計
51 混合溶液(メタノール水溶液とオゾンの混合溶液)
52 混合溶液(メタノール水溶液と二酸化炭素の混合溶液)
53 混合溶液(メタノール水溶液と二酸化炭素とオゾンの混合溶液)
DESCRIPTION OF
23
25 Mixer (mixed aqueous solution of methanol and carbon dioxide with ozone)
26 Valve (ozone supply valve)
27 Valve (CO2 supply valve)
31 Carbon dioxide (Ozone decomposition inhibitor)
32 Gas-
52 Mixed solution (Methanol aqueous solution and carbon dioxide mixed solution)
53 Mixed solution (Methanol aqueous solution, carbon dioxide and ozone mixed solution)
Claims (6)
前記空気極と前記燃料極の少なくともいずれか一方の電極に触媒を有し、
前記空気極に、酸化物質を供給し、
前記燃料極に、燃料物質であるメタノールにオゾンが混合された混合溶液を供給することを特徴とする直接メタノール型燃料電池。 In a direct methanol fuel cell in which a fuel electrode and an air electrode are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and an electromotive force is obtained by electrochemical reaction,
Having a catalyst on at least one of the air electrode and the fuel electrode;
Supplying an oxidizing substance to the air electrode;
A direct methanol fuel cell, characterized in that a mixed solution in which ozone is mixed with methanol as a fuel material is supplied to the fuel electrode.
2. The direct methanol fuel cell according to claim 1, wherein the ozone concentration contained in the mixed solution is in the range of 0.001 wt% to 0.1 wt%.
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JP2009218039A (en) * | 2008-03-10 | 2009-09-24 | Hitachi Ltd | Fuel cell system |
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