JP2008097984A - Direct methanol type fuel battery system and portable electronic equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体状メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池システムに関し、特に小型携帯用電子機器に好適な直接メタノール形燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a direct methanol fuel cell system using solid methanol as a fuel, and more particularly to a direct methanol fuel cell system suitable for small portable electronic devices.
固体高分子電解質型燃料電池は、パーフルオロスルホン酸膜等の固体電解質膜を電解質とし、この膜の両面に燃料極(アノード)及び酸化剤極(カソード)を接合して構成され、アノードに水素やメタノール、カソードに酸素を供給して電気化学反応により発電する装置である。このうち、メタノールを燃料とする固体高分子電解質型燃料電池は、「直接(ダイレクト)メタノール形燃料電池(DMFC)」と呼ばれ、下記の反応式により発電が行われる。 A solid polymer electrolyte fuel cell has a solid electrolyte membrane such as a perfluorosulfonic acid membrane as an electrolyte, and a fuel electrode (anode) and an oxidant electrode (cathode) are joined to both sides of the membrane, and hydrogen is connected to the anode. It is a device that generates electricity through an electrochemical reaction by supplying oxygen to methanol and cathode. Among these, a solid polymer electrolyte fuel cell using methanol as a fuel is called a “direct methanol fuel cell (DMFC)”, and power is generated by the following reaction formula.
アノード:CH3OH + H2O → 6H+ + CO2 + 6e− …[1]
カソード:3/2O2 + 6H+ + 6e− → 3H2O …[2]
この反応を起こすために、両電極は触媒物質が担持された炭素微粒子と固体高分子電解質との混合体より構成されている。
Anode: CH 3 OH + H 2 O → 6H + + CO 2 + 6e − ... [1]
Cathode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O [2]
In order to cause this reaction, both electrodes are composed of a mixture of carbon fine particles carrying a catalyst material and a solid polymer electrolyte.
このような直接メタノール形燃料電池において、アノードに供給されたメタノールは、電極中の細孔を通過して触媒に達し、この触媒によりメタノールが分解されて、上記反応式[1]の反応で電子と水素イオンとが生成される。水素イオンは、アノード中の電解質及び両電極間の固体電解質膜を通ってカソードに達し、カソードに供給された酸素及び外部回路より流れ込む電子と反応して、上記反応式[2]のように水を生じる。一方、メタノールより放出された電子は、アノード中の触媒担体を通って外部回路へ導き出され、外部回路よりカソードに流れ込む。この結果、外部回路ではアノードからカソードへ向かって電子が流れ、電力が取り出される。 In such a direct methanol fuel cell, the methanol supplied to the anode passes through the pores in the electrode and reaches the catalyst. The methanol is decomposed by this catalyst, and the electrons in the reaction of the above reaction formula [1]. And hydrogen ions are produced. The hydrogen ions reach the cathode through the electrolyte in the anode and the solid electrolyte membrane between the two electrodes, react with oxygen supplied to the cathode and electrons flowing from the external circuit, and water as shown in the above reaction formula [2]. Produce. On the other hand, electrons released from methanol are led to the external circuit through the catalyst carrier in the anode, and flow into the cathode from the external circuit. As a result, in the external circuit, electrons flow from the anode to the cathode, and electric power is taken out.
このメタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池は、作動温度が低く、大掛りな補機が必要ないこと等から携帯用電子機器用の小型電源として有用であり、近年、携帯用コンピューターや携帯電話等の次世代電源として開発が活発化してきている。 The direct methanol fuel cell using methanol as a fuel is useful as a small power source for portable electronic devices because it has a low operating temperature and does not require a large auxiliary machine. Development has been activated as a next-generation power source.
その一方で、燃料に使用するメタノールは液体であるために漏れやすく、またメタノール自体の可燃性及び毒性が懸念されており、安全に使用するための対策が課題となっている。また、液体燃料を使用することによる短所として、液体燃料中に溶解した不純物が燃料電池セルに供給されることによる燃料電池の性能劣化、液体燃料成分であるメタノールが燃料電池セルの電解質膜を浸透して空気極に達してしまうクロスオーバー現象等が挙げられる。 On the other hand, since methanol used for fuel is liquid, it easily leaks, and there are concerns about the flammability and toxicity of methanol itself, and measures for safe use have become issues. In addition, as a disadvantage of using liquid fuel, the performance of the fuel cell is deteriorated when impurities dissolved in the liquid fuel are supplied to the fuel cell, and methanol, which is a liquid fuel component, permeates the electrolyte membrane of the fuel cell. And a crossover phenomenon that reaches the air electrode.
そこで、このようなメタノールの安全性等の課題に対し、分子状化合物を形成することによりメタノールを固形化し、漏れにくくするとともに可燃性を大きく低減した「固体状メタノール燃料」について本出願人は種々提案した(特許文献1〜3参照)。この固体状メタノールは、水と接触することで固体中のメタノールを水側に放出する。こうして生成したメタノール水溶液を直接メタノール形燃料電池の燃料として使用することができるものである。
しかしながら、特許文献1〜3で提案されている使用方法は、固体状メタノールと水とを接触させることでメタノールを抽出してメタノール水溶液を生成し、そのメタノール水溶液を燃料電池セルに供給するというものである。したがって、燃料電池システムとしては、液体燃料と同様にメタノール水溶液の漏れやクロスオーバー等の課題が存在していた。また、この水供給方式では、水タンク、ポンプ等の水供給手段が必要となるが、携帯用電子機器等に適用するにはこれらを必要としないシンプルな装置構造であるのが好ましい。
However, the method of use proposed in
そこで、固体状メタノールからメタノールを気体として取り出して供給する方式の直接メタノール形燃料電池が望まれているが、この方法ではアノードにおいてメタノールと等モル必要な水分が不足しがちであり、効率よく発電を継続可能な直接メタノール形燃料電池が要望されていた。 Therefore, there is a demand for a direct methanol fuel cell system in which methanol is extracted from solid methanol as a gas and supplied. However, this method tends to lack sufficient water equivalent to methanol at the anode. There has been a demand for a direct methanol fuel cell capable of continuing the above.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、燃料カートリッジの状態では非常に安全である固体状メタノールを利用し、システムとしても液体燃料を使用する場合の液漏れ、クロスオーバー、出力低下等の問題を解決した、メタノールを気体として供給する方式の直接メタノール形燃料電池システムを提供することを目的とする。また、本発明は、上記直接メタノール形燃料電池システムを用いた携帯用電子機器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and uses liquid methanol that is very safe in the state of the fuel cartridge, and also uses liquid fuel as a system, such as liquid leakage, crossover, output reduction, etc. An object of the present invention is to provide a direct methanol fuel cell system in which methanol is supplied as a gas, which solves the above problem. Another object of the present invention is to provide a portable electronic device using the direct methanol fuel cell system.
上記課題を解決するために、本発明は、メタノールを固体化した固体状メタノールを収容する燃料収容部と、燃料電池セルと、キャリアガスの流通により前記固体状メタノールから気化させたメタノールを含む燃料ガスを燃料電池セルに供給する燃料ガス供給手段とを備える燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給手段に制御可能な空気導入手段を設けたことを特徴とする燃料電池システムを提供する(請求項1)。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a fuel containing portion containing solid methanol obtained by solidifying methanol, a fuel cell, and a fuel containing methanol vaporized from the solid methanol by circulation of a carrier gas. A fuel cell system comprising fuel gas supply means for supplying gas to a fuel cell, wherein the fuel gas supply means is provided with controllable air introduction means (claim) Item 1).
上記発明(請求項1)によれば、燃料ガス供給手段により燃料収容部内の固体状メタノールに気体を供給すると、固体状メタノールでは、メタノールはその材料内部で包接現象等の分子間力でゆるやかに拘束されているため、一気に気化することはなく、徐々に気化して、これを含む燃料ガスが、燃料電池セルの燃料極に供給され、この気化したメタノールが燃料極の触媒上で分解されることにより、発電が行われる。 According to the above invention (invention 1), when gas is supplied to the solid methanol in the fuel storage section by the fuel gas supply means, in the solid methanol, the methanol is loosened by an intermolecular force such as an inclusion phenomenon inside the material. The fuel gas containing the gas is gradually vaporized and supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and the vaporized methanol is decomposed on the fuel electrode catalyst. Power is generated.
このとき、燃料電池セルにおいて、発電を行うには燃料極にメタノールと等モルの水の供給が必要であるが、発電開始時には元々電解質膜が保持していた水分を利用することで反応が進行し、反応が進むに連れて空気極で生成する水が電解質膜を逆浸透し、燃料極に供給されるため、水を供給しなくても発電は起こる。そして、このキャリアガスの供給を継続することにより、燃料極へメタノールが補充されることで発電が継続される。 At this time, in the fuel cell, it is necessary to supply methanol and an equimolar amount of water to the fuel electrode in order to generate power, but the reaction proceeds by utilizing the water originally held by the electrolyte membrane at the start of power generation. However, as the reaction proceeds, water generated at the air electrode reversely osmosis through the electrolyte membrane and is supplied to the fuel electrode. Therefore, power generation occurs without supplying water. And by continuing supply of this carrier gas, methanol is replenished to a fuel electrode, and electric power generation is continued.
しかしながら、本発明者らが研究した結果、燃料電池の燃料極では、等モルのメタノールと水とが反応するが、水の消費量が多い場合、すなわち燃料電池の出力を大きくした場合には、かかる状態で運転を継続すると、空気極から電解質膜を逆浸透し燃料極に供給される水分や空気中の湿度だけでは水分が不足し、経時的に出力が減少する場合があることがわかった。これは燃料極の水が不足すると、反応に必要な水分の供給ができないだけでなく、電解質膜の電気伝導性が低下することが原因と考えられる。 However, as a result of studies by the present inventors, an equimolar amount of methanol and water react at the fuel electrode of the fuel cell, but when the amount of water consumption is large, that is, when the output of the fuel cell is increased, It has been found that if the operation is continued in such a state, the water is insufficient with only the moisture supplied to the fuel electrode by reverse osmosis from the air electrode and the humidity in the air, and the output may decrease over time. . This is considered to be caused by the fact that when the water in the fuel electrode is insufficient, not only the water necessary for the reaction cannot be supplied, but also the electrical conductivity of the electrolyte membrane decreases.
そこで、本発明(請求項1)においては、燃料ガス供給手段に制御可能な空気導入手段を設けることにより、この空気導入手段から微量ずつ連続的又は断続的に空気を導入するか、水分が不足したら空気を導入することで、メタノールが空気中の酸素に酸化されて水が生成し、この水が燃料ガスの流れに沿って燃料極に供給されるので、システムに内に液体としての水を存在させなくても電解質の湿潤及び燃料極での反応に必要な水分を供給でき、安定した発電を行うことができるようになる。 Therefore, in the present invention (Claim 1), by providing a controllable air introduction means in the fuel gas supply means, air is introduced from the air introduction means continuously or intermittently, or moisture is insufficient. Then, by introducing air, methanol is oxidized to oxygen in the air to produce water, and this water is supplied to the anode along the flow of fuel gas, so that water as a liquid is put into the system. Even if it is not present, it is possible to supply moisture necessary for the wetting of the electrolyte and the reaction at the fuel electrode, and stable power generation can be performed.
上記発明(請求項1)においては、前記燃料ガス供給手段が、キャリアガス供給手段と、前記燃料収容部に設けられた前記キャリアガス供給手段に連通したキャリアガス供給路と、前記燃料電池セルの燃料極側に連通した燃料ガス流通路とからなり、前記燃料電池セルには、前記燃料極側に連通して排出ガス流路が設けられており、前記制御可能な空気導入手段を前記キャリアガス供給路又は前記燃料ガス流通路に設け、前記燃料収容部にキャリアガスを供給すると、前記固体状メタノールから気化したメタノールを含む燃料ガスが、前記燃料電池セルの燃料極に供給された後、前記排出ガス流路から排出される構成とすることができる(請求項2)。 In the above invention (invention 1), the fuel gas supply means includes a carrier gas supply means, a carrier gas supply path communicating with the carrier gas supply means provided in the fuel storage portion, and a fuel cell unit. A fuel gas flow passage communicating with the fuel electrode side, and the fuel cell is provided with an exhaust gas flow path communicating with the fuel electrode side, and the controllable air introduction means is connected to the carrier gas. When the carrier gas is provided in the supply path or the fuel gas flow path and the carrier gas is supplied to the fuel storage portion, the fuel gas containing methanol vaporized from the solid methanol is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, It can be set as the structure discharged | emitted from an exhaust gas flow path (Claim 2).
上記発明(請求項2)によれば、ガスボンベ、ポンプ、ブロア等の送風装置によりキャリアガスを燃料収容部に供給すると、固体状メタノール中のメタノールは、その材料内部で包接現象等の分子間力でゆるやかに拘束されているため、一気に気化することはなく、徐々に気化して、これを含む燃料ガスが、燃料電池セルの燃料極に供給され、この気化したメタノールが燃料極の触媒上で分解されることにより、発電が行われる。 According to the above invention (invention 2), when the carrier gas is supplied to the fuel storage portion by a blower such as a gas cylinder, a pump, or a blower, the methanol in the solid methanol is intermolecular such as an inclusion phenomenon inside the material. Since it is gently restrained by force, it does not vaporize at once, but it is gradually vaporized, and the fuel gas containing this is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and this vaporized methanol is fed onto the catalyst of the fuel electrode. Electric power is generated by disassembling in step (b).
そして、このキャリアガスの供給を継続することにより、燃料極へメタノールが補充されることで発電が継続される一方、余剰のメタノールは排出ガス流路から排出される。このように過剰なメタノールが燃料極に供給されることがないので、クロスオーバーや液漏れ等の問題が解消された直接メタノール形燃料電池システムとすることができる。 And by continuing supply of this carrier gas, while a fuel electrode is replenished with methanol and electric power generation is continued, excess methanol is discharged | emitted from an exhaust gas flow path. Thus, since excess methanol is not supplied to a fuel electrode, it can be set as the direct methanol fuel cell system by which problems, such as crossover and a liquid leak, were solved.
さらに、制御可能な空気導入手段をキャリアガス供給路又は燃料ガス流通路に設け、この空気導入手段から微量ずつ連続的又は断続的に空気を導入するか、水分が不足したら空気を導入することで、キャリアガス又は燃料ガス中に空気が混入し、この空気中の酸素によりメタノールが酸化されて水が生成し、この水が燃料極に供給されるので、システムに内に液体としての水を存在させなくても電解質の湿潤及び燃料極での反応に必要な水分を供給することができる。 Furthermore, a controllable air introduction means is provided in the carrier gas supply path or the fuel gas flow path, and air is introduced from the air introduction means continuously or intermittently, or when moisture is insufficient, air is introduced. In addition, air is mixed in the carrier gas or fuel gas, and methanol is oxidized by oxygen in the air to produce water, and this water is supplied to the fuel electrode, so there is water as a liquid in the system. Even if it does not make it, the water | moisture content required for the wetting of an electrolyte and reaction at a fuel electrode can be supplied.
また、上記発明(請求項1)においては、前記燃料ガス供給手段が、キャリアガス循環手段と、前記燃料収容部に設けられた前記キャリアガス供給手段に連通したキャリアガス供給路と、前記燃料電池セルの燃料極側に連通した燃料ガス流通路と、前記燃料電池セルの燃料極側と前記キャリアガス循環手段とを接続する循環流路とからなり、前記制御可能な空気導入手段をキャリアガス供給路、前記燃料ガス流通路又は前記循環流路に設け、前記キャリアガス循環手段からキャリアガス供給路を経て前記燃料収容部にキャリアガスを供給すると、前記固体状メタノールから気化したメタノールを含む燃料ガスが、前記燃料電池セルの燃料極に供給された後、前記循環流路から前記キャリアガス循環手段に還流する構成とすることができる(請求項3)。 In the above invention (invention 1), the fuel gas supply means includes a carrier gas circulation means, a carrier gas supply path communicating with the carrier gas supply means provided in the fuel accommodating portion, and the fuel cell. A fuel gas flow passage communicating with the fuel electrode side of the cell, and a circulation flow path connecting the fuel electrode side of the fuel cell and the carrier gas circulation means, the controllable air introduction means being supplied with carrier gas A fuel gas containing methanol vaporized from the solid methanol when the carrier gas is provided from the carrier gas circulation means through the carrier gas supply path to the fuel accommodating portion. However, after being supplied to the fuel electrode of the fuel battery cell, the fuel gas can be recirculated from the circulation channel to the carrier gas circulation means. Section 3).
上記発明(請求項3)によれば、ポンプ等のキャリアガス循環手段によりキャリアガスを燃料収容部に供給すると、固体状メタノール中のメタノールは、その材料内部で包接現象等の分子間力でゆるやかに拘束されているため、一気に気化することはなく、徐々に気化して、これを含む燃料ガスが、燃料電池セルの燃料極に供給され、この気化したメタノールが燃料極の触媒上で分解されることにより、発電が行われる。 According to the above invention (invention 3), when the carrier gas is supplied to the fuel storage portion by the carrier gas circulation means such as a pump, the methanol in the solid methanol is intermolecularly forced by the intermolecular force such as the inclusion phenomenon inside the material. Since it is gently restrained, it does not vaporize at once, it is gradually vaporized, and the fuel gas containing this is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and this vaporized methanol is decomposed on the catalyst of the fuel electrode. As a result, power generation is performed.
そして、このキャリアガスの供給を継続することにより、燃料極へメタノールが補充されて発電が継続される一方、余剰のメタノールは循環流路からキャリアガス循環手段に還流して再利用される。このように過剰なメタノールが燃料極に供給されることがないので、クロスオーバーや液漏れ等の問題が解消された直接メタノール形燃料電池システムとすることができる。しかも、キャリアガスを循環して利用するので、ガスボンベ等を別途設ける必要がなく、固体状メタノールに含まれるメタノールの有効利用も図れる。 And by continuing supply of this carrier gas, methanol is replenished to a fuel electrode and electric power generation is continued, On the other hand, surplus methanol recirculates from a circulation flow path to a carrier gas circulation means, and is reused. Thus, since excess methanol is not supplied to a fuel electrode, it can be set as the direct methanol fuel cell system by which problems, such as crossover and a liquid leak, were solved. In addition, since the carrier gas is circulated and used, it is not necessary to separately provide a gas cylinder or the like, and the methanol contained in the solid methanol can be effectively used.
さらに、制御可能な空気導入手段をキャリアガス供給路、前記燃料ガス流通路又は前記循環流路に設け、この空気導入手段から微量ずつ連続的又は断続的に空気を導入するか、水分が不足したら空気を導入することで、キャリアガス又は燃料ガス中に空気が混入し、この空気中の酸素によりメタノールが酸化されて水が生成し、この水が燃料極に供給されるので、システムに内に液体としての水を存在させなくても電解質の湿潤及び燃料極での反応に必要な水分を供給することができる。 Furthermore, if a controllable air introduction means is provided in the carrier gas supply path, the fuel gas flow path or the circulation flow path, air is introduced from the air introduction means continuously or intermittently, or if moisture is insufficient By introducing air, air is mixed into the carrier gas or fuel gas, and methanol is oxidized by the oxygen in the air to produce water, and this water is supplied to the fuel electrode. Even without the presence of water as a liquid, it is possible to supply water necessary for the wetting of the electrolyte and the reaction at the fuel electrode.
上記発明(請求項1〜3)においては、前記燃料収容部が、着脱可能なカートリッジであるのが好ましい(請求項4)。かかる発明(請求項4)によれば、固体状メタノールに含有されているメタノール量が減少し、燃料ガス中のメタノール濃度が低下して、燃料電池の出力が低下したときには、カートリッジを交換することで、再度良好な状態で使用することができる。 In the said invention (Invention 1-3), it is preferable that the said fuel accommodating part is a detachable cartridge (Invention 4). According to this invention (invention 4), when the amount of methanol contained in the solid methanol decreases, the methanol concentration in the fuel gas decreases, and the output of the fuel cell decreases, the cartridge is replaced. Thus, it can be used again in a good state.
また、本発明は、上記発明(請求項1〜4)の直接メタノール形燃料電池システムを備えることを特徴とする携帯用電子機器を提供する(請求項5)。かかる発明(請求項5)によれば、クロスオーバーや液漏れ等の問題が改善され、長期間安定して効率よく発電が可能で、コンパクトな直接メタノール形燃料電池システムを用いることにより、安定して作動でき、コンパクトな携帯用電子機器とすることができる。 Moreover, this invention provides the portable electronic device characterized by including the direct methanol fuel cell system of the said invention (Invention 1-4) (Invention 5). According to this invention (Claim 5), problems such as crossover and liquid leakage are improved, stable power generation is possible stably for a long period of time, and stable by using a compact direct methanol fuel cell system. And can be a compact portable electronic device.
本発明によれば、クロスオーバーや液漏れ等の問題が改善され、出力低下等の問題を解決して効率よく発電が可能な直接メタノール形燃料電池システムを提供することができる。しかも、水供給手段等の装置を設ける必要がないので、直接メタノール形燃料電池システムのコンパクト化も図れるという効果も奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, problems, such as crossover and a liquid leak, are improved, problems, such as a power fall, can be solved, and the direct methanol type fuel cell system which can generate electric power efficiently can be provided. In addition, since it is not necessary to provide a device such as a water supply means, the direct methanol fuel cell system can be made compact.
以下、本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムについて、図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態による直接メタノール形燃料電池システムを示すフロー図であり、図2は、図1における固体状メタノール収容容器を示す断面図である。
Hereinafter, a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a flow diagram showing a direct methanol fuel cell system according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a solid methanol container in FIG.
図1及び図2に示すように、本実施形態の直接メタノール形燃料電池システムは、燃料極に酸素が供給されないようにキャリアガス供給手段たる窒素ガス(N2)の圧縮気体ボンベを備えたキャリアガス源1と、固体状メタノールを収容する固体状メタノール燃料カートリッジ3と、燃料電池セル5とを備え、キャリアガス源1と固体状メタノール燃料カートリッジ3とは、キャリアガス供給路2により連通しているとともに、固体状メタノール燃料カートリッジ3と燃料電池セル5とは、燃料ガス流通路4により連通している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the direct methanol fuel cell system of the present embodiment includes a carrier having a compressed gas cylinder of nitrogen gas (N 2 ) serving as carrier gas supply means so that oxygen is not supplied to the fuel electrode. A
また、燃料電池セル5は、燃料極6と固体高分子電解質膜7と空気極8とからなり、燃料極6は、燃料ガス流通路4と排出ガス流路9とが連通したカバー5A内に密封されている。なお、空気極8は大気解放となっている。
The
本実施形態においては、これらキャリアガス供給手段たるキャリアガス源1と、キャリアガス供給路2と、燃料ガス流通路4とにより燃料ガス供給手段が構成される。
In the present embodiment, the carrier gas supply means, which is the carrier gas supply means 1, the carrier
そして、キャリアガス供給路2(1)又は燃料ガス流通路4(2)に空気導入手段たるエアポンプ10A又はエアポンプ10Bを接続する。このエアポンプ10A,10Bは、燃料電池セル5の出力センサを備えた制御手段(図示せず)に接続されていて、常時は停止しているが、燃料電池セル5の出力が所定の値以下になったら、所定量の空気を供給するように制御されている。
Then, an air pump 10A or an air pump 10B as air introduction means is connected to the carrier gas supply path 2 (1) or the fuel gas flow path 4 (2). The air pumps 10A and 10B are connected to a control means (not shown) having an output sensor of the
このような直接メタノール形燃料電池システムにおいて、固体状メタノール燃料カートリッジ3は、図2に示すように箱型のケーシング3A内に屈曲状の流路を形成するように仕切り壁3Bを設け、内部に固体状メタノールSを充填してなる。そして、仕切り壁3Bにより仕切られた一側(図示上側)がキャリアガス供給路2に接続しているとともに、他側(図示下側)が燃料ガス流通路4に接続することで、キャリアガスが固体状メタノールSに充分に接触しながら通過する。
In such a direct methanol fuel cell system, the solid
上述したような第1の実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムにおいて、キャリアガスとして窒素ガス(N2)を用いているが、これに限られるものではなく、例えば、Ar等の不活性ガスや、CO2等を供給してもよい。 In the direct methanol fuel cell system according to the first embodiment as described above, nitrogen gas (N 2 ) is used as the carrier gas. However, the present invention is not limited to this, for example, an inert gas such as Ar. Alternatively, CO 2 or the like may be supplied.
また、固体状メタノールSとしては、メタノールの包接化合物を始めとするメタノールの分子化合物、メタノールをポリマーとともに固体化又はジベンジリデン−D−ソルビトール等によりゲル化したもの、メタケイ酸アルミン酸マグネシウム等の無機材に吸着等によりメタノールを保持することで固体状としたもの、及びこれらにコーティングを施すことによりメタノールの気化温度を調節したもの等、メタノールを包含し、かつ固体の状態を示す物質であればどのようなものでも使用することができる。 Further, as the solid methanol S, a methanol molecular compound including a clathrate compound of methanol, methanol solidified with a polymer or gelled with dibenzylidene-D-sorbitol, magnesium aluminate metasilicate, etc. Substances that contain methanol and show a solid state, such as those made solid by holding methanol by adsorption or the like on inorganic materials, and those in which the vaporization temperature of methanol is adjusted by coating them. Anything can be used.
分子化合物とは、単独で安定に存在することのできる化合物の2種類以上の化合物が水素結合やファンデルワールス力等に代表される、共有結合以外の比較的弱い相互作用によって結合した化合物であり、水化物、溶媒化物、付加化合物、包接化合物等が含まれる。 A molecular compound is a compound in which two or more kinds of compounds that can exist stably alone are bonded by a relatively weak interaction other than a covalent bond, such as a hydrogen bond or van der Waals force. Hydrates, solvates, addition compounds, inclusion compounds and the like.
このような分子化合物は、分子化合物を形成する化合物とメタノールとの接触反応により形成することができ、メタノールを固体状の化合物に変化させることができ、比較的軽量で安定にメタノールを貯蔵することができる。特に、ホスト化合物とメタノールとの反応によりメタノールを包接した包接化合物が好ましい。 Such a molecular compound can be formed by a contact reaction between a compound that forms the molecular compound and methanol, can convert methanol into a solid compound, and can store methanol in a relatively lightweight and stable manner. Can do. In particular, an inclusion compound in which methanol is included by a reaction between a host compound and methanol is preferable.
固体状メタノールとしては、シート状、ブロック状(塊状)、粒状等の種々の形態のものを用いることができる。これらの中では、粒子状のものが好ましい。固体状メタノールとして粒子状のものを用い、粒径を小さくすることにより、メタノールの気化速度を大きくでき、かつ発生したメタノール蒸気の移動が容易となる。 As solid methanol, the thing of various forms, such as a sheet form, block shape (block shape), and a granular form, can be used. Among these, the particulate form is preferable. By using particulate methanol as the solid methanol and reducing the particle size, the vaporization rate of methanol can be increased and the generated methanol vapor can be easily transferred.
固体状メタノールの粒径としては、取扱性、充填性、ガス移動性等を考慮すると、1μm〜10mm、特に100μm〜5mmの範囲が望ましい。 The particle size of the solid methanol is preferably in the range of 1 μm to 10 mm, particularly 100 μm to 5 mm in consideration of handling properties, filling properties, gas mobility and the like.
このような固体状メタノールは、基材1質量部に対し、メタノール1〜3質量部が取り込まれたものであることが好ましい。 Such solid methanol is preferably obtained by incorporating 1 to 3 parts by mass of methanol with respect to 1 part by mass of the base material.
このような固体状メタノールとしては、純度100%のメタノールを固体状としたものでなくてもよく、メタノールに水を添加して所望の濃度のメタノール水溶液としてこれを固体状としたものを用いてもよい。 Such solid methanol does not have to be 100% pure methanol, but water added to methanol to obtain a methanol aqueous solution with a desired concentration. Also good.
また、水分不足が顕著な場合には、燃料カートリッジ3内に固体状メタノールSとともに水含有固体材料を含有させてもよい。水含有固体材料としては、水が液体として漏れ出さない程度に拘束できるものであればよく、メタケイ酸アルミン酸マグネシウム等の無機多孔質体、有機多孔質体、繊維状素材、吸水性高分子素材等を適用できる。具体的には、シリカ系やチタニア系の無機多孔質体、活性炭、多孔質ガラス素材、ガラス繊維、一般的な布や紙等の繊維材料、セルロースファイバ、ポリアミド系吸水性樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、水含有固体材料にコーティングを施すことにより水の気化温度を調節したもの等を用いてもよい。
If the water shortage is significant, the
このような水含有固体材料は、基材1質量部に対し、水1〜3質量部が取り込まれたものであることが好ましい。 Such a water-containing solid material is preferably obtained by incorporating 1 to 3 parts by mass of water with respect to 1 part by mass of the base material.
このような構成を有する第1の実施形態の直接メタノール形燃料電池システムについて、その動作を説明する。
図1において、キャリアガス源1からN2ガスを供給すると、このN2ガスはキャリアガス供給路2を通って固体状メタノール燃料カートリッジ3に流入する。
The operation of the direct methanol fuel cell system of the first embodiment having such a configuration will be described.
1, when the
燃料カートリッジ3内の固体状メタノールSは、その材料内部で包接現象をはじめとする分子間力でゆるやかにメタノールが拘束されているため、一気に気化することはないが、徐々に気化する。そして、固体状メタノールSの表面から徐々に気化したメタノール分子は、N2ガスと混合されて、燃料ガスとして燃料ガス流通路4から、燃料電池セル5の燃料極6に供給される。
The solid methanol S in the
この結果、下記の反応式により発電が行われる。
アノード:CH3OH + H2O → 6H+ + CO2 + 6e− …[1]
カソード:3/2O2 + 6H+ + 6e− → 3H2O …[2]
As a result, power generation is performed according to the following reaction formula.
Anode: CH 3 OH + H 2 O → 6H + + CO 2 + 6e − ... [1]
Cathode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O [2]
このとき、燃料極6近傍のメタノール濃度は、液体のメタノール(水溶液)を直接供給する方式に比べるとかなり希薄となるが、液体供給方式でも燃料極6のメタノールが全て反応するわけではなく、触媒活性の限界によって一部だけしか分解されない。また、メタノールが過剰であればあるほど、空気極8側にクロスオーバーするメタノール量も増える。
At this time, the methanol concentration in the vicinity of the
したがって、燃料極6におけるメタノールの濃度が高濃度であることは必ずしもメリットにならず、固体状メタノールからN2ガスをキャリアガスとして気化しただけの濃度のメタノールでも、液体供給方式とほぼ同等の出力が得られる。
Therefore, the high concentration of methanol in the
そして、メタノールが燃料極6で分解されて減少する一方で、キャリアガス源1からのN2ガスの供給を連続することで、固体状メタノールからのメタノールガスも供給されるので、上記発電反応が継続することになる。
Then, while the methanol is reduced is decomposed in the
このとき上記反応式[1]においては、メタノールと等モルの水が必要であり、キャリアガス中の湿気が少なく、カソードの反応で生じる水分だけでは、アノードでの反応に必要な水分の供給ができず、さらに固体高分子電解質膜7の電気伝導性が低下するため、燃料電池セル5の出力が低下するおそれがある。
At this time, in the above reaction formula [1], equimolar water with methanol is required, the moisture in the carrier gas is low, and only the water generated by the cathode reaction can supply the water necessary for the reaction at the anode. In addition, since the electrical conductivity of the solid polymer electrolyte membrane 7 is lowered, the output of the
そこで、燃料電池セル5の出力が所定の値を下回ったら、制御装置(図示せず)によりエアポンプ10A又はエアポンプ10Bを起動して、所定量の空気を供給する。
Therefore, when the output of the
この空気中の酸素によりメタノールが酸化されて水が生成し、この水が燃料ガスとともに燃料極6に供給されるので、システム内に液体としての水を存在させなくてもMEAの湿潤及び燃料極6での反応に必要な水分を供給することができるので、水分の不足によりDMFCの出力の低下が生じない。
Methanol is oxidized by oxygen in the air to generate water, and this water is supplied to the
なお、確実に初期発電を行うためには、あらかじめ燃料極6に水を含ませておいてもよい。そして、メタノールと水との反応により、メタノールと等モルの二酸化炭素ガスが生じるが、この二酸化炭素ガスは、排出ガス流路9から外部環境に放出される。
In order to reliably perform initial power generation, the
そして、固体状メタノールは、発電に伴い内部に含まれるメタノールが燃料電池に供給されることでメタノール含有量が少なくなるので、所定時間発電させるか、所定のレベルの出力電圧を下回るようになったら、燃料カートリッジ3ごと交換することで発電を継続することができる。
Then, since solid methanol is supplied to the fuel cell with methanol contained in the power generation, the methanol content is reduced, so when power is generated for a predetermined time or when the output voltage falls below a predetermined level. The power generation can be continued by exchanging the
次に本発明の第2の実施形態について、図3に基づいて詳細に説明する。
図3は、本発明の第2の実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムを示すフロー図である。
Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail based on FIG.
FIG. 3 is a flowchart showing a direct methanol fuel cell system according to the second embodiment of the present invention.
図3に示すように、本実施形態の直接メタノール形燃料電池システムは、普通の空気(エア)をキャリアガスとして取り入れたキャリアガス循環手段たるポンプ11と、固体状メタノールの燃料収容部たる固体状メタノール燃料カートリッジ13と、燃料電池セル15とを備え、ポンプ11の排気側と固体状メタノール燃料カートリッジ13とは、キャリアガス供給路12により連通しているとともに、固体状メタノール燃料カートリッジ13と燃料電池セル15とは、燃料ガス流通路14により連通している。
As shown in FIG. 3, the direct methanol fuel cell system of the present embodiment includes a pump 11 that is a carrier gas circulation means that takes in normal air (air) as a carrier gas, and a solid state that is a solid methanol fuel storage unit. A
また、燃料電池セル15は、燃料極16と固体高分子電解質膜17と空気極18とからなり、燃料極16は、燃料ガス流通路14と、ポンプ11の吸気側に接続した循環流路19とが連通したカバー15A内に密封されている一方、空気極18は大気解放となっている。なお、この循環流路19には図示しない圧力調整弁を備えている。
The
本実施形態においては、これらキャリアガス循環手段たるポンプ11と、キャリアガス供給路12と、燃料ガス流通路14と、循環流路19とにより燃料ガス供給手段が構成される。
In the present embodiment, the fuel gas supply means is constituted by the pump 11 serving as the carrier gas circulation means, the carrier
そして、キャリアガス供給路12(1)、燃料ガス流通路14(2)、又は循環流路19(3)のいずれかに空気導入手段たるエアポンプ20A、エアポンプ20B又はエアポンプ20Cを接続する。このエアポンプ20A,20B又は20Cは、燃料電池セル5の出力センサを備えた制御手段(図示せず)に接続していて、常時は停止しているが、燃料電池セル15の出力が所定の値以下になったら、所定量の空気を供給するように制御されている。
Then, an air pump 20A, an air pump 20B, or an air pump 20C, which is an air introduction unit, is connected to any one of the carrier gas supply path 12 (1), the fuel gas flow path 14 (2), and the circulation flow path 19 (3). The air pump 20A, 20B or 20C is connected to a control means (not shown) having an output sensor of the
なお、エアポンプ20A,20B,20Cは、いずれか1箇所でよいが、キャリアガス供給路12と、燃料ガス流通路14に設けること、すなわちエアポンプ20A,20Bが好ましい。これは循環流路19にエアポンプ20Cを設けた場合、燃料ガス中のメタノール濃度が低くなるおそれがあるためである。
The air pumps 20A, 20B, and 20C may be provided at any one location, but are preferably provided in the carrier
このような直接メタノール形燃料電池システムにおいて、キャリアガスとして本実施形態においては通常の空気(エア)を用いているが、これに限らず窒素ガス(N2)やAr等の不活性ガス等を供給してもよい。なお、キャリアガスとしてエアを用いると、酸素が含まれているので、メタノールの酸化により水の他、ホルムアルデヒドやギ酸、ギ酸メチル等の有害物質が生じる。しかしながら、本実施形態においては、キャリアガスは循環利用されるので酸素はすぐに消費され、初期においてのみこの酸化反応は生じない。したがって、有害物質は実質的にほとんど問題ないだけでなく、初期状態で発生した水分が燃料極に供給されることになる。 In such a direct methanol fuel cell system, normal air (air) is used as a carrier gas in the present embodiment, but not limited thereto, an inert gas such as nitrogen gas (N 2 ) or Ar is used. You may supply. Note that when air is used as a carrier gas, oxygen is contained, so that oxidation of methanol produces harmful substances such as formaldehyde, formic acid, and methyl formate in addition to water. However, in this embodiment, since the carrier gas is recycled, oxygen is consumed immediately, and this oxidation reaction does not occur only in the initial stage. Therefore, the harmful substance has substantially no problem, and moisture generated in the initial state is supplied to the fuel electrode.
また、固体状メタノール燃料カートリッジ13としては、前述した第1の実施形態と同じものを用いることができる。また、固体状メタノールとしても前述した第1の実施形態と同じものを用いることができる。
Further, as the solid
このような構成を有する第2の実施形態の直接メタノール形燃料電池システムについて、その動作を説明する。
図3において、循環流路にエアを導入してポンプ11によりエアを循環させると、このエアはキャリアガス供給路12を通って固体状メタノール燃料カートリッジ13に流入する。
The operation of the direct methanol fuel cell system of the second embodiment having such a configuration will be described.
In FIG. 3, when air is introduced into the circulation flow path and is circulated by the pump 11, the air flows into the solid
燃料カートリッジ13内の固体状メタノールSは、その材料内部で包接現象をはじめとする分子間力でゆるやかにメタノールが拘束されているため、一気に気化することはないが、徐々に気化する。そして、固体状メタノールSの表面から徐々に気化したメタノール分子は、エアと混合されて、燃料ガスとして燃料ガス流通路14から、燃料電池セル15の燃料極16に供給される。
The solid methanol S in the
この結果、下記の反応式により発電が行われる。
アノード:CH3OH + H2O → 6H+ + CO2 + 6e− …[1]
カソード:3/2O2 + 6H+ + 6e− → 3H2O …[2]
As a result, power generation is performed according to the following reaction formula.
Anode: CH 3 OH + H 2 O → 6H + + CO 2 + 6e − ... [1]
Cathode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O [2]
このとき、燃料極16近傍のメタノール濃度は、液体のメタノール(水溶液)を直接供給する方式に比べるとかなり希薄となるが、液体供給方式でも燃料極16のメタノールが全て反応するわけではなく、触媒活性の限界によって一部だけしか分解されない。また、メタノールが過剰であればあるほど、空気極18側にクロスオーバーするメタノール量も増える。
At this time, the methanol concentration in the vicinity of the
したがって、燃料極16におけるメタノールの濃度が高濃度であることは必ずしもメリットにならず、固体状メタノールからN2ガスをキャリアガスとして気化しただけの濃度のメタノールでも、液体供給方式とほぼ同等の出力が得られる。
Therefore, a high concentration of methanol in the
そして、メタノールが燃料極16で分解されて減少する一方で、ポンプ11によるキャリアガスの供給を連続することで、固体状メタノールからのメタノールガスも供給されるので、上記発電反応が継続することになる。
And while methanol is decomposed | disassembled and reduced by the
このとき、上記反応式[1]においては、メタノールと等モルの水が必要であるが、本実施形態では空気をキャリアガスとして循環させており、初期状態においてはメタノールの酸化反応により水が生じるので、このメタノールの酸化による水分と、元々固体高分子電解質膜17が保持していた水分とにより、反応が開始される。しかしながら、キャリアガス中の酸素は、循環に伴い速やかに消費されるので、カソードの反応で生じる水分だけでは、アノードでの反応に必要な水分を継続して供給ができず、さらに固体高分子電解質膜17の電気伝導性が低下するため、燃料電池セル15の出力が低下するおそれがある。
At this time, in the above reaction formula [1], equimolar water with methanol is required, but in this embodiment, air is circulated as a carrier gas, and water is generated by an oxidation reaction of methanol in the initial state. Therefore, the reaction is started by the moisture resulting from the oxidation of methanol and the moisture originally held by the solid
そこで、燃料電池セル15の出力が所定の値を下回ったら、制御装置(図示せず)によりエアポンプ20A、20B又は20Cを起動して、所定量の空気を供給する。
Therefore, when the output of the
この空気中の酸素によりメタノールが酸化されて水が生成し、この水が燃料ガスとともに燃料極16に供給されるので、システムに内に液体としての水を存在させなくても固体高分子電解質膜17の湿潤及び燃料極16での反応に必要な水分を供給することができる。したがって、水分の不足により直接メタノール形燃料電池システムの出力の低下が生じない。
Methanol is oxidized by oxygen in the air to generate water, and this water is supplied to the
なお、確実に初期発電を行うためには、あらかじめ燃料極16に水を含ませておいてもよい。
In order to reliably perform initial power generation, the
そして、メタノールと水との反応により、メタノールと等モルの二酸化炭素ガスが生じるが、この二酸化炭素ガスは、外部環境に放出されず、循環流路19からポンプ11に還流されて循環する。また、燃料極16で反応せずに残存したメタノール(ガス)も、循環流路19からポンプ11に還流されて循環する。これにより、固体状メタノールSに含有されるメタノールが外部環境に拡散することがないので、メタノールの有効利用が図れ、燃料カートリッジ13の寿命を長くすることができるという効果も奏する。さらに、キャリアガスボンベ等を別途用意する必要もない。
The reaction between methanol and water produces carbon dioxide gas in an equimolar amount with methanol, but this carbon dioxide gas is not released to the external environment but is circulated back to the pump 11 from the
なお、アノード反応により生じた二酸化炭素ガスやエアポンプ20A、20B又は20Cから供給される空気等により、循環経路内が所定の圧力を超えた場合には、循環流路19に設けた圧力調整弁(図示せず)から適量のキャリアガスを逃がしてやればよい。 When the pressure in the circulation path exceeds a predetermined pressure due to carbon dioxide gas generated by the anode reaction or air supplied from the air pumps 20A, 20B, or 20C, a pressure adjusting valve ( An appropriate amount of carrier gas may be released from (not shown).
そして、固体状メタノールは発電に伴い内部に含まれるメタノールが燃料電池に供給されることでメタノール含有量が少なくなるので、所定時間発電させるか、所定のレベルの出力電圧を下回るようになったら、燃料カートリッジ13ごと交換することで発電を継続することができる。
And, since the methanol content in the solid methanol is reduced by supplying methanol to the fuel cell along with the power generation, if the power is generated for a predetermined time or falls below a predetermined level of output voltage, Power generation can be continued by exchanging the
以上、本発明について実施形態に基づき説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形実施が可能である。 As mentioned above, although this invention has been demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation implementation is possible.
例えば、エアポンプ10A又は10B、あるいはエアポンプ20A、20B又は20Cは、前記各実施形態においては、出力センサの出力値に基づき制御装置により制御しているが、このような制御を行わなくても所定時間ごとに間欠的に所定量の空気を供給してもよいし、連続的に又は断続的に少量の空気を供給しつづけてもよい。 For example, the air pump 10A or 10B or the air pump 20A, 20B, or 20C is controlled by the control device based on the output value of the output sensor in each of the above embodiments. A predetermined amount of air may be intermittently supplied every time, or a small amount of air may be continuously or intermittently supplied.
また、固体状メタノールと、水含有固体材料とを併用する場合、前記実施形態のように燃料カートリッジ3(13)に固体状メタノールと水含有固体材料とを混合する必要はなく、固体状メタノールの燃料カートリッジ3(13)とは別に水含有固体材料のカートリッジ(補水容器)を、燃料カートリッジ3(13)と、燃料電池セル5(15)との間、すなわち燃料ガス流路4(14)に設けてもよい。 Further, when solid methanol and a water-containing solid material are used in combination, it is not necessary to mix the solid methanol and the water-containing solid material into the fuel cartridge 3 (13) as in the above embodiment. Separately from the fuel cartridge 3 (13), a water-containing solid material cartridge (refill container) is placed between the fuel cartridge 3 (13) and the fuel cell 5 (15), that is, in the fuel gas flow path 4 (14). It may be provided.
上述したような本発明の直接メタノール形燃料電池システムは、システム内部に液体を有さず、コンパクト化が図れ、固体状メタノールが所定量のメタノールを有する限り、出力低下等がないので、小型化要求される携帯用電子機器の電源として特に好適である。 The direct methanol fuel cell system of the present invention as described above does not have a liquid inside the system, can be made compact, and as long as the solid methanol has a predetermined amount of methanol, there is no decrease in output, etc. It is particularly suitable as a required power source for portable electronic devices.
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、何ら以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to the following examples as long as the gist of the present invention is not exceeded.
[実施例1]
[燃料電池セル]
試験用の燃料電池セルとして以下の仕様のものを使用した。
MEA:ケミックス社製DMFC用MEA
・電解質膜;Nafion117(デュポン社製,膜厚50μm)
・アノード(燃料極)触媒;Pt−Ru/C
・カソード(空気極)触媒;Pt/C
・有効膜面積:40×40mm
集電材料:SUSメッシュ(Auメッキ)
燃料極:密閉構造
空気極:解放構造
[Example 1]
[Fuel battery cell]
The following fuel cell was used for the test.
MEA: MEA for DMFC manufactured by Chemix
・ Electrolyte membrane: Nafion117 (DuPont, film thickness 50μm)
・ Anode (fuel electrode) catalyst; Pt-Ru / C
・ Cathode (air electrode) catalyst; Pt / C
-Effective membrane area: 40 x 40 mm
Current collecting material: SUS mesh (Au plating)
Fuel electrode: sealed structure Air electrode: open structure
[被膜形成固体状メタノールの作製]
メタケイ酸アルミン酸マグネシウムの粉末(100g)にヒドロキシプロピルセルロース(2g)とメタノール(300g)を配合後、造粒装置にて直径約3mmの球形粒子に造粒して、固体状メタノール粒子を得た。
[Preparation of film-forming solid methanol]
After blending hydroxypropyl cellulose (2 g) and methanol (300 g) with magnesium aluminate metasilicate powder (100 g), the mixture was granulated into spherical particles having a diameter of about 3 mm using a granulator to obtain solid methanol particles. .
この固体状メタノール粒子をコーティング装置に導入後、被膜形成材料であるエチルセルロースの0.5%メタノール水溶液を10mL/minの流量で5分間吹き付けつつ乾燥させ、表面に厚さ約30μmのエチルセルロースの被膜を形成し、被膜形成固体状メタノール粒子を作製した。この被膜形成固体状メタノール粒子のメタノール含有率は約65%であった。 After introducing the solid methanol particles into the coating apparatus, a 0.5% methanol aqueous solution of ethyl cellulose, which is a film forming material, is sprayed at a flow rate of 10 mL / min for 5 minutes and dried to form a film of ethyl cellulose having a thickness of about 30 μm on the surface. The film-forming solid methanol particles were formed. The methanol content of the film-forming solid methanol particles was about 65%.
[直接メタノール形燃料電池システム]
この被膜形成固体状メタノール粒子を寸法が40×40×10(mm)の図2に示すカートリッジ3に5g充填し、図1に示すシステムに装着してシステムを作製した。この際、燃料電池セル5の燃料極6として、あらかじめ純水を張って湿潤させておき、試験前に純水を除去し、窒素ガス流で水滴を除去したものを使用した。なお、キャリアガスであるN2ガスの流量は80mL/minとし、4分ごとに20mLの空気を燃料ガス流通路4からエアポンプにより供給した。
[Direct methanol fuel cell system]
2 g of the film-forming solid methanol particles were filled in the
[比較例1]
実施例1において、キャリアガスを用いずに、3%メタノール水溶液を燃料電池セル5の燃料極6に供給した以外は同様にして、直接メタノール形燃料電池システム(比較例1)を作製した。
[Comparative Example 1]
A direct methanol fuel cell system (Comparative Example 1) was produced in the same manner as in Example 1 except that a 3% aqueous methanol solution was supplied to the
[参考例]
実施例1において、ポンプを設けず空気を混入しない構成とした以外は同様にして、直接メタノール形燃料電池システム(参考例)を作製した。
[Reference example]
A direct methanol fuel cell system (reference example) was produced in the same manner as in Example 1 except that no pump was provided and no air was mixed.
[発電試験]
これら実施例1、比較例1及び参考例の直接メタノール形燃料電池システムに対し、電子負荷装置により電流を流し、燃料電池セルの特性を測定したところ、実施例1の直接メタノール形燃料電池システムでは、測定中のセル電圧は安定しており、最高出力は約16mW/cm2であった。さらに、その状態で2時間運転した際にも出力の低下はほとんどなかった。
[Power generation test]
With respect to the direct methanol fuel cell systems of Example 1, Comparative Example 1 and Reference Example, a current was passed by an electronic load device and the characteristics of the fuel cell were measured. In the direct methanol fuel cell system of Example 1, The cell voltage during measurement was stable, and the maximum output was about 16 mW / cm 2 . Furthermore, there was almost no decrease in output even when operating for 2 hours in that state.
これに対し、メタノール水溶液を供給した比較例1の直接メタノール形燃料電池システムでは、測定中のセル電圧は安定していたが、最高出力は約14mW/cm2と低く、その状態で1時間運転した際には出力の低下が認められた。これは、二酸化炭素ガスにより燃料極6での反応性の低下に一因があるものと考えられる。
In contrast, in the direct methanol fuel cell system of Comparative Example 1 to which an aqueous methanol solution was supplied, the cell voltage during measurement was stable, but the maximum output was as low as about 14 mW / cm 2, and the operation was continued for 1 hour in that state. When this was done, a decrease in output was observed. This is considered to be due to a decrease in reactivity at the
また、定期的に空気を供給しなかった参考例の直接メタノール形燃料電池システムでは、測定中のセル電圧は安定しており、最高出力は約16mW/cm2と高かったが、その状態で1時間運転した際には出力の低下が認められた。これは、水分の不足に一因があるものと考えられる。 In the direct methanol fuel cell system of the reference example in which air was not supplied regularly, the cell voltage during measurement was stable and the maximum output was as high as about 16 mW / cm 2. A decrease in output was observed when operated for hours. This is thought to be due to the lack of moisture.
[実施例2]
実施例1で製造した被膜形成固体状メタノールを寸法が40×40×10(mm)の図2に示すカートリッジ3に5g充填し、図3に示すシステムに装着してシステムを作製した。この際、燃料電池セル5の燃料極6として、あらかじめ純水を張って湿潤させておき、試験前に純水を除去し、窒素ガス流で水滴を除去したものを使用した。なお、キャリアガスであるである空気は80mL/minで循環させ、4分ごとに20mLの空気を燃料ガス流通路14からエアポンプにより供給した。
[Example 2]
2 g of the film-forming solid methanol produced in Example 1 was filled in the
この実施例2の直接メタノール形燃料電池システムに対し、実施例1と同様の発電試験を行い、燃料電池セルの特性を測定したところ、実施例1と同等の結果が得られた。 The direct methanol fuel cell system of Example 2 was subjected to a power generation test similar to that of Example 1, and the characteristics of the fuel cell were measured. As a result, results equivalent to those of Example 1 were obtained.
1…キャリアガス源(キャリアガス供給手段)
2,12…キャリアガス供給路
3…固体状メタノール燃料カートリッジ(燃料収容部)
4,14…燃料ガス流通路
5,15…燃料電池セル
6,16…燃料極
7,17…固体高分子電解質膜
8,18…空気極
9…排出ガス流路
10A,20A…エアポンプ(空気導入手段)
10B,20B…エアポンプ(空気導入手段)
11…ポンプ(キャリアガス循環手段)
13…固体状メタノール燃料カートリッジ(燃料収容部)
19…循環流路
20C…エアポンプ(空気導入手段)
S…固体状メタノール
1 ... Carrier gas source (carrier gas supply means)
2, 12 ... Carrier
4, 14 ... Fuel
10B, 20B ... Air pump (air introduction means)
11 ... Pump (carrier gas circulation means)
13. Solid methanol fuel cartridge (fuel storage part)
19 ... circulation flow path 20C ... air pump (air introduction means)
S: Solid methanol
Claims (5)
燃料電池セルと、
キャリアガスの流通により前記固体状メタノールから気化させたメタノールを含む燃料ガスを燃料電池セルに供給する燃料ガス供給手段と
を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給手段に制御可能な空気導入手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel storage section for storing solid methanol obtained by solidifying methanol;
A fuel cell;
A fuel cell system comprising fuel gas supply means for supplying a fuel cell containing fuel gas containing methanol vaporized from the solid methanol by circulation of carrier gas,
A fuel cell system comprising a controllable air introduction means in the fuel gas supply means.
前記燃料電池セルには、前記燃料極側に連通して排出ガス流路が設けられており、
前記制御可能な空気導入手段を前記キャリアガス供給路又は前記燃料ガス流通路に設け、
前記燃料収容部にキャリアガスを供給すると、前記固体状メタノールから気化したメタノールを含む燃料ガスが、前記燃料電池セルの燃料極に供給された後、前記排出ガス流路から排出されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel gas supply means includes a carrier gas supply means, a carrier gas supply path that communicates with the carrier gas supply means provided in the fuel accommodating portion, and a fuel gas flow path that communicates with the fuel electrode side of the fuel cell. And consist of
The fuel battery cell is provided with an exhaust gas passage in communication with the fuel electrode side,
The controllable air introduction means is provided in the carrier gas supply path or the fuel gas flow path,
When a carrier gas is supplied to the fuel storage unit, a fuel gas containing methanol vaporized from the solid methanol is supplied to the fuel electrode of the fuel cell and then discharged from the exhaust gas flow path. The fuel cell system according to claim 1.
前記制御可能な空気導入手段を前記キャリアガス供給路、前記燃料ガス流通路又は前記循環流路に設け、
前記キャリアガス循環手段からキャリアガス供給路を経て前記燃料収容部にキャリアガスを供給すると、前記固体状メタノールから気化したメタノールを含む燃料ガスが、前記燃料電池セルの燃料極に供給された後、前記循環流路から前記キャリアガス循環手段に還流することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel gas supply means includes a carrier gas circulation means, a carrier gas supply path that communicates with the carrier gas supply means provided in the fuel storage portion, and a fuel gas flow path that communicates with the fuel electrode side of the fuel cell. And a circulation channel connecting the fuel electrode side of the fuel cell and the carrier gas circulation means,
The controllable air introduction means is provided in the carrier gas supply path, the fuel gas flow path or the circulation flow path,
When the carrier gas is supplied from the carrier gas circulation means to the fuel storage portion via the carrier gas supply path, after the fuel gas containing methanol vaporized from the solid methanol is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas is returned from the circulation flow path to the carrier gas circulation means.
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