JP2008097985A - Direct methanol type fuel battery system and portable electronic equipment using this - Google Patents

Direct methanol type fuel battery system and portable electronic equipment using this Download PDF

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満 野末
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direct methanol type fuel battery system supplying methanol capable of adjusting supply speed of methanol as gas, with the use of solid methanol extremely safe in a fuel cartridge state. <P>SOLUTION: The direct methanol type fuel battery system is provided with a carrier gas source 1 equipped with a compressed-air cylinder of nitrogen gas (N<SB>2</SB>), a solid methanol fuel cartridge 3, and a fuel battery cell 5. The carrier gas source 1 and the solid methanol fuel cartridge 3 are communicated with each other through a carrier gas supply channel 2, and at the same time, the solid methanol fuel cartridge 3 and the fuel battery cell 5 are communicated with each other through a fuel gas circulation channel 4. The fuel battery cell 5 consists of a fuel electrode 6, a solid polymer electrolyte film 7, and an air electrode 8, and the fuel electrode 6 is tightly sealed in a cover 5A where the fuel gas circulation channel 4 and an exhaust gas circulation channel 9 are communicated with each other. The solid methanol fuel cartridge 3 is made by filling a film-forming solid methanol inside. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

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:CHOH + HO → 6H + CO + 6e …[1]
カソード:3/2O + 6H + 6e → 3HO …[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を生成する。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. 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 emitted 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。さらに、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。特にクロスオーバーが発生すると燃料の単位容積当たりの発電効率が低下するばかりでなく、空気極での酸化過程で発生するホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチル等の有害物質の生成が生じるため、これを解決することが直接メタノール形燃料電池の実用化の大きな課題となっている。   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. Furthermore, the disadvantages of using liquid fuel are the degradation of fuel cell performance due to the impurities dissolved in the liquid fuel being 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. In particular, when crossover occurs, not only the power generation efficiency per unit volume of the fuel decreases, but also the generation of harmful substances such as formaldehyde, formic acid, methyl formate, etc. generated in the oxidation process at the air electrode, this is solved. This is a major issue in the practical application of direct methanol fuel cells.

近年開発が進められている直接メタノール形燃料電池システムとしては、燃料の体積密度を向上させるために、より高濃度のメタノールを適用する方法が主流であるが、燃料濃度が高くなるほどクロスオーバーの問題はより深刻になる。そこで、セルに使用される電解質膜等の素材の改良を進めることでクロスオーバーの低減を図ることが検討されているが、いまだ十分なレベルに達しておらず、このことが直接メタノール形燃料電池の商品化への大きな障壁となっている。   As a direct methanol fuel cell system that has been developed in recent years, in order to improve the volume density of the fuel, a method of applying a higher concentration of methanol is the mainstream, but the problem of crossover becomes higher as the fuel concentration becomes higher. Becomes more serious. Therefore, it has been studied to reduce the crossover by improving the materials such as the electrolyte membrane used in the cell, but it has not yet reached a sufficient level, and this is a direct methanol fuel cell. It is a big barrier to commercialization.

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。
特開2006−040629号公報 特開2005−325254号公報 国際公開2005/062410号パンフレット
Therefore, in order to solve such problems such as the safety of methanol, the present applicant has variously reported about "solid methanol fuel" which solidifies methanol by forming a molecular compound, makes it difficult to leak and greatly reduces flammability. Proposed (see Patent Documents 1 to 3). When this solid methanol comes into contact with water, the methanol in the solid is released to the water side. The aqueous methanol solution thus produced can be used directly as a fuel for a methanol fuel cell.
JP 2006-040629 A JP 2005-325254 A International Publication No. 2005/0624210 Pamphlet

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、それ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、ポンプ等の水供給機構が必要となるが、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 Patent Documents 1 to 3 is to extract methanol by bringing solid methanol into contact with water to produce an aqueous methanol solution, which is supplied to the fuel cell. . Therefore, the fuel cell system has problems such as leakage of methanol aqueous solution and crossover as in liquid fuel. In addition, this water supply system requires a water supply mechanism such as a water tank and a pump, but it is preferable that the apparatus has a simple device structure that does not require these to be applied to a portable electronic device or the like.

一方、直接メタノール形燃料電池はその出力の低さが課題となっており、現状では直接メタノール形燃料電池単独で電子機器を稼動するのではなく、直接メタノール形燃料電池と充電可能な二次電池とのハイブリッド形式での運用方法が主流となっているが、直接メタノール形燃料電池を最も効率の良い条件で運転して、安定的に二次電池に充電するような機能が求められている。   On the other hand, low output of direct methanol fuel cells is an issue, and at present, secondary methanol batteries that can be charged with direct methanol fuel cells are not operated directly with direct methanol fuel cells. However, there is a demand for a function that directly operates a methanol fuel cell under the most efficient conditions and charges the secondary battery stably.

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.

上述したような機能の実現に対して、直接メタノール形燃料電池が最も効率よく発電できるようにメタノールを供給してやる、すなわちメタノール供給速度を適正に維持してやることが求められている。しかしながら、従来は、メタノール放出速度を最適なものにすることは非常に困難であった。   In order to realize the functions described above, it is required to supply methanol so that the direct methanol fuel cell can generate power most efficiently, that is, to maintain the methanol supply rate appropriately. Conventionally, however, it has been very difficult to optimize the methanol release rate.

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やクロスオーバーの問題を解決するとともに、メタノールの供給速度の調整が可能な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 solid methanol, which is very safe in the state of a fuel cartridge, and solves the problems of liquid leakage and crossover when using liquid fuel as a system. In addition, an object of the present invention is to provide a direct methanol fuel cell system that supplies methanol as a gas capable of adjusting the supply rate of methanol. 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前記燃料電池セルに供給する燃料ガス供給手段とを備え、前記固体状メタノールの表面に被膜を形成したことを特徴とする直接メタノール形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. There is provided a direct methanol fuel cell system comprising a fuel gas supply means for supplying gas to the fuel cell, wherein a coating is formed on the surface of the solid methanol.

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、被膜を形成した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、被膜の性能に応じた気化速度で徐々に気化して、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 portion by the fuel gas supply means, in the solid methanol having a film formed, the methanol is a molecule such as an inclusion phenomenon inside the material. Since it is gently restrained by the interstitial force, it does not vaporize at once, gradually vaporizes at a vaporization rate according to the performance of the coating, and the fuel gas containing this is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, The vaporized methanol is decomposed on the fuel electrode catalyst to generate power.

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同量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 order to generate power in the fuel cell, it is necessary to supply the same amount of water as methanol to the fuel electrode, but the reaction proceeds by utilizing the water originally retained in 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.

そして、この被膜を形成した固体状メタノールからのメタノールの気化速度は、固体状メタノールの表面に形成した被膜の種類や厚みを変化させることによってコントロールすることができ、これにより燃料電池セルへのメタノールの供給条件を最適なものに制御することが可能になる。   The vaporization rate of methanol from the solid methanol on which the film is formed can be controlled by changing the type and thickness of the film formed on the surface of the solid methanol, and thereby the methanol to the fuel cell. It becomes possible to control the supply conditions of the optimal.

すなわち、被膜の膜厚を厚くするほどメタノールの気化速度が抑制されるのみならず、被膜を形成する材料によってもメタノール気化速度を抑制することは可能である。したがって、使用環境や出力等を勘案して、メタノール気化速度が最適となるような被膜を形成すればよい。この被膜としては、メタノールに溶解しやすいことが必要である。   That is, as the film thickness increases, not only the methanol vaporization rate is suppressed, but also the methanol vaporization rate can be suppressed by the material forming the film. Therefore, a film that optimizes the methanol vaporization rate may be formed in consideration of the use environment and output. This coating must be easily soluble in methanol.

上記発明(請求項1)においては、前記燃料収容部には、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が設けられており、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、前記燃料収容部にキャリアガスを供給すると、被膜を形成した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が好ましい(請求項2)。   In the above invention (invention 1), the fuel accommodating portion is provided with a carrier gas supply passage communicating with the carrier gas supply means and a fuel gas flow passage communicating with the fuel electrode side of the fuel cell. The fuel battery cell is provided with an exhaust gas flow path in communication with the fuel electrode side. When a carrier gas is supplied to the fuel storage portion, the fuel cell is vaporized from the solid methanol having a film formed thereon. It is preferable that the fuel gas containing methanol is discharged from the exhaust gas passage after being supplied to the fuel electrode of the fuel cell.

上記発明(請求項2)によれば、ガスボンベやポンプ、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、被膜を形成した固体状メタノール(以下、被膜形成固体状メタノールという)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、被膜の性能に応じた気化速度で徐々に気化して、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 solid methanol having a film (hereinafter referred to as a film-forming solid methanol) Methanol is gently constrained by intermolecular forces such as clathrate inside the material, so it does not vaporize at once, but gradually vaporizes at a vaporization rate according to the performance of the coating, and a fuel gas containing this Is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and the vaporized methanol is decomposed on the catalyst of the fuel electrode, thereby generating electric power.

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.

上記発明(請求項2)においては、前記キャリアガス供給手段が、送風手段であってもよいし(請求項3)、圧縮気体ボンベであってもよい(請求項4)。さらに、前記キャリアガス供給手段が、加熱装置と、加熱によりガスを発生する物質とを有していてもよい(請求項5)。このようにシステムを採用する機器の状況に応じてキャリアガス供給手段として種々のものを採用することができる。   In the said invention (invention 2), the said carrier gas supply means may be a ventilation means (invention 3), and may be a compressed gas cylinder (invention 4). Furthermore, the carrier gas supply means may include a heating device and a substance that generates gas by heating. As described above, various carrier gas supply means can be adopted according to the situation of the equipment that employs the system.

また、上記発明(請求項1)においては、前記燃料収容部には、前記キャリアガス循環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が設けられており、前記燃料電池セルには、前記燃料極側に連通して前記キャリアガス循環手段に連通した循環流路が設けられており、前記キャリアガス循環手段から前記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、被膜を形成した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が好ましい(請求項6)。   Moreover, in the said invention (invention 1), the said fuel accommodating part has the carrier gas supply path connected to the said carrier gas circulation means, and the fuel gas flow path connected to the fuel electrode side of the said fuel cell. The fuel battery cell is provided with a circulation flow path that communicates with the fuel electrode side and communicates with the carrier gas circulation means, and passes through the carrier gas supply path from the carrier gas circulation means. When a carrier gas is supplied to the fuel storage portion, a fuel gas containing methanol vaporized from the solid methanol having a film is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and then the carrier gas is supplied from the circulation channel. It is preferable to recirculate to the circulation means (claim 6).

上記発明(請求項6)によれば、循環流路にキャリアガスを導入して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循環させて燃料収容部に供給すると、被膜形成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、被膜の性能に応じた気化速度で徐々に気化して、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 6), when the carrier gas is introduced into the circulation flow path, and the carrier gas is circulated by the carrier gas circulation means such as a pump and supplied to the fuel storage unit, Is gently restrained by intermolecular forces such as the inclusion phenomenon within the material, so it will not vaporize at once, but will gradually vaporize at a vaporization rate according to the performance of the coating, and the fuel gas containing this will be The fuel cell is supplied to the fuel electrode, and the vaporized methanol is decomposed on the catalyst of the fuel electrode to generate power.

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、被膜形成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。   Then, by continuing the supply of the carrier gas, the fuel electrode is replenished with methanol and power generation is continued. On the other hand, excess methanol is recirculated from the circulation flow path to the carrier gas circulation means and 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 it is possible to effectively use methanol contained in the film-forming solid methanol.

上記発明(請求項1〜6)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7)。かかる発明(請求項7)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ら、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 1-6), it is preferable that the said fuel accommodating part is a detachable cartridge (invention 7). According to this invention (invention 7), when the amount of methanol contained in solid methanol decreases, the methanol concentration in the fuel gas decreases, and the output of the fuel cell decreases, the cartridge can be replaced. Can be used again in good condition.

上記発明(請求項1〜7)においては、前記燃料電池セルの燃料極に供給されるキャリアガスが、実質的に酸素を含まないことが好ましい(請求項8)。かかる発明(請求項8)によれば、メタノールの酸化によるホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチル等の有害物質の生成を防止することができるとともに、メタノールの酸化による熱の発生やメタノールの消費を防止することができる。   In the said invention (invention 1-7), it is preferable that the carrier gas supplied to the fuel electrode of the said fuel cell does not contain oxygen substantially (invention 8). According to this invention (invention 8), it is possible to prevent the generation of harmful substances such as formaldehyde, formic acid and methyl formate due to the oxidation of methanol, and also prevent the generation of heat and the consumption of methanol due to the oxidation of methanol. Can do.

上記発明(請求項1〜8)においては、前記固体状メタノールが、メタノール水溶液を固体化したものであることが好ましい(請求項9)。また、上記発明(請求項1〜8)においては、前記燃料収容部が、前記固体状メタノールとともに水含有固体材料を含有するものとすることができる(請求項10)。さらに、上記発明(請求項1〜8)においては、前記燃料収容部と前記燃料電池セルとの間に水含有固体材料を含有する補水容器を備えることが好ましい(請求項11)。   In the said invention (invention 1-8), it is preferable that the said solid methanol is what solidified methanol aqueous solution (invention 9). Moreover, in the said invention (invention 1-8), the said fuel accommodating part shall contain a water-containing solid material with the said solid methanol (invention 10). Furthermore, in the said invention (invention 1-8), it is preferable to provide the rehydration container containing a water-containing solid material between the said fuel accommodating part and the said fuel cell (invention 11).

前述したように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。   As described above, the reaction proceeds by using the water originally retained in the electrolyte membrane at the start of power generation, and as the reaction proceeds, the water generated at the air electrode reversely permeates the electrolyte membrane and supplies it to the fuel electrode. Therefore, power generation occurs even if water is not supplied, but when water consumption is high, that is, when the output of the fuel cell is increased, if the operation is continued in such a state, the electrolyte membrane is removed from the air electrode. Moisture is insufficient with only the moisture that is reverse osmosis and supplied to the fuel electrode or 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、上記発明(請求項9〜11)によれば、メタノールとともに水も固体状としているので、システムに内に液体としての水を存在させなくても、メタノール及び水が気化することで、電解質の湿潤および反応に必要な水分を供給でき、安定した発電が行えるようになる。   Then, according to the said invention (Claims 9-11), since water is also made into solid state with methanol, even if water as a liquid does not exist in a system, methanol and water evaporate, electrolyte can be obtained. Moisture required for the wetting and reaction can be supplied, and stable power generation can be performed.

また、本発明は、上記発明(請求項1〜11)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12)。かかる発明(請求項12)によれば、クロスオーバーや液漏れ等の問題が改善され、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 1-11) (Invention 12). According to this invention (Claim 12), problems such as crossover and liquid leakage are improved, power can be generated efficiently, and stable operation can be achieved by using a compact direct methanol fuel cell system. Portable electronic devices.

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、メタノールの供給速度の調整が可能で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 a crossover and a liquid leak, are improved, the supply rate of methanol can be adjusted, and the direct methanol fuel cell system which can produce 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り、図2は、本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 flowchart showing a direct methanol fuel cell system according to this embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a solid methanol container in the direct methanol fuel cell system according to this embodiment.

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(N)の圧縮気体ボンベを備えたキャリアガス源1と、燃料収容部た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 gas source 1, a solid methanol fuel cartridge 3 serving as a fuel storage unit, and a fuel cell 5 are provided. The carrier gas source 1 and the solid methanol fuel cartridge 3 communicate with each other through a carrier gas supply path 2. The solid methanol fuel cartridge 3 and the fuel battery cell 5 communicate with each other through a fuel gas flow passage 4.

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一方、空気極8は大気解放となっている。   The fuel cell 5 includes a fuel electrode 6, a solid polymer electrolyte membrane 7, and an air electrode 8. The fuel electrode 6 is disposed in a cover 5A in which the fuel gas flow path 4 and the exhaust gas flow path 9 communicate with each other. While being sealed, the air electrode 8 is open to the atmosphere.

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、内部に被膜形成固体状メタノール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、キャリアガスが被膜形成固体状メタノール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 methanol fuel cartridge 3 is provided with a partition wall 3B so as to form a bent channel in the box-shaped casing 3A as shown in FIG. A film-forming solid methanol S is filled. Then, one side (the upper side in the figure) partitioned by the partition wall 3B is connected to the carrier gas supply path 2, and the other side (the lower side in the figure) is connected to the fuel gas flow path 4, so that the carrier gas is The film-forming solid methanol S passes while being in sufficient contact.

上述した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窒素ガス(N)を用いているが、これに限らず、Ar等の不活性ガスや、CO等を供給してもよい。 In the direct methanol fuel cell system as described above, nitrogen gas (N 2 ) is used as a carrier gas in the present embodiment. However, the present invention is not limited to this, and an inert gas such as Ar, CO 2 or the like is supplied. May be.

上記被膜形成固体状メタノールSは、固体状メタノールの表面にコーティングを施すことで被膜を形成し、メタノールの気化温度を調節したものである。この固体状メタノールとしては、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、及び多孔性材料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等、種々の基材にメタノールを保持して固体状としたものを用いることができる。   The film-forming solid methanol S is formed by coating the surface of solid methanol to form a film and adjusting the vaporization temperature of methanol. This solid methanol includes methanol molecular compounds including methanol clathrate, methanol solidified with a polymer or gelled with dibenzylidene-D-sorbitol, etc., and methanol by adsorption on a porous material. It is possible to use solids obtained by holding methanol on various base materials, such as those made solid by holding.

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.

これらの中では被膜を形成しやすいことから、無機多孔性材料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が好ましい。多孔性材料は、メタノールと接触することによりメタノールを取り込むことができ、これを所望の形状に成形することができる。   In these, since it is easy to form a film, what solidified by hold | maintaining methanol by adsorption | suction etc. to an inorganic porous material is preferable. The porous material can take in methanol by contact with methanol, and can mold this into a desired shape.

上記多孔性材料は、表面形状が凹凸になっており、凹部の深さが孔径よりも大きい細孔を有する。多孔性材料の細孔の孔径は、メタノール成分が細孔内に入り込むことができ、当該細孔内にて保持され得る限り特に限定されるものではなく、この多孔性材料は、孔径0.5nm未満のウルトラマイクロ孔、孔径0.5nm以上2nm未満のマイクロ孔、孔径2nm以上50nm未満のメソ孔、又は孔径50nm以上のマクロ孔に区分される細孔を有するものであればよい。このような孔径の細孔を有するものであれば、メタノールを効果的に保持することができる。また、多孔性材料の比表面積は、100〜1500m2/gであることが好ましく、多孔性材料の嵩比容積(タップ)は、2.0〜20mL/gであることが好ましい。   The porous material has irregularities in the surface shape, and has pores in which the depth of the recesses is larger than the pore diameter. The pore diameter of the pores of the porous material is not particularly limited as long as the methanol component can enter the pores and can be retained in the pores. The porous material has a pore diameter of 0.5 nm. As long as it has pores that are classified into ultra-micro pores having a pore diameter of 0.5 nm or more and less than 2 nm, mesopores having a pore diameter of 2 nm or more and less than 50 nm, or macropores having a pore diameter of 50 nm or more. If it has a pore with such a pore size, methanol can be effectively retained. Moreover, it is preferable that the specific surface area of a porous material is 100-1500 m <2> / g, and it is preferable that the bulk specific volume (tap) of a porous material is 2.0-20 mL / g.

多孔性材料の形状としては、例えば、粉状、粒子状、繊維状、膜状、ペレット状等が挙げられる。多孔性材料を形成する基幹となる原料としては、有機体若しくは無機体、又はこれらの複合体を使用することができる。   Examples of the shape of the porous material include powder, particles, fibers, films, and pellets. As the raw material that forms the basis for forming the porous material, an organic substance, an inorganic substance, or a composite thereof can be used.

このような多孔性材料としては、例えば、シリカゲル、粉末シリカ、ゼオライト、活性アルミナ、メタケイ酸アルミン酸マグネシウム、活性炭、モレキュラーシーブ、カーボン、カーボン繊維、活性白土、骨炭、多孔質ガラス;陽極酸化アルミニウム材、酸化チタン、酸化カルシウム等の無機酸化物からなる微粉末;チタン酸カルシウム、ニオブ酸ナトリウム等のペロブスキー型酸化鉱物;セピオライト、カオリナイト、モンモリロナイト、サポナイト等の粘土鉱物;イオン交換樹脂等の合成吸着樹脂等が挙げられる。これらの多孔性材料は、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。なお、これらの多孔性材料は、包接化合物のホストとしても使用可能なものである。   Examples of such porous materials include silica gel, powder silica, zeolite, activated alumina, magnesium metasilicate aluminate, activated carbon, molecular sieve, carbon, carbon fiber, activated clay, bone charcoal, porous glass; anodized aluminum material Fine powders composed of inorganic oxides such as calcium oxide, titanium oxide and calcium oxide; Perovsky type oxide minerals such as calcium titanate and sodium niobate; Clay minerals such as sepiolite, kaolinite, montmorillonite and saponite; Synthetic adsorption of ion exchange resins Examples thereof include resins. These porous materials may be used individually by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for them. These porous materials can also be used as a host for an inclusion compound.

これらの多孔性材料のうち、メタケイ酸アルミン酸マグネシウムを使用することが好ましい。メタケイ酸アルミン酸マグネシウムは、製造方法次第では、嵩比容積をより小さくすることができるため、ダイレクトメタノール型燃料電池のようにコンパクト化が求められる製品への使用に好適である。また、メタケイ酸アルミン酸マグネシウムは、胃腸薬製剤の原料としても使用されている材料であるため、人体への安全性が認められている観点からしても好適に使用することができる。   Of these porous materials, it is preferable to use magnesium aluminate metasilicate. Magnesium aluminate metasilicate is suitable for use in products that require compactness, such as direct methanol fuel cells, because the bulk specific volume can be reduced depending on the production method. In addition, since magnesium aluminate metasilicate is a material that is also used as a raw material for gastrointestinal preparations, it can be suitably used from the viewpoint of safety to the human body.

多孔性材料には、メタノールとともに水を取り込ませたものを固体状メタノールとして使用してもよい。水とメタノールとを多孔性材料に取り込ませることにより得られる固体状メタノールは、水とメタノールとの二成分系としてメタノールが多孔性材料に取り込まれるため、メタノールのみの一成分系としてメタノールが多孔性材料に取り込まれた場合よりも蒸気圧が低下し、引火点や発火点が上昇する。一方、メタノールとともに水も気化するので、燃料極2にメタノールと水の両方が供給されることになる。   As the porous material, a material in which water is taken together with methanol may be used as solid methanol. Solid methanol obtained by incorporating water and methanol into the porous material is methanol as a binary component of water and methanol, so methanol is porous as a single component system of methanol only. The vapor pressure is lower than when taken into the material, and the flash point and ignition point rise. On the other hand, since water is vaporized together with methanol, both methanol and water are supplied to the fuel electrode 2.

多孔性材料にメタノールと水とを取り込ませる際の水の配合量は、少量でよく、具体的には、メタノール1質量部に対して、0.01〜1質量部の水を配合すればよい。なお、多孔性材料にメタノールとともに水を取り込ませる場合、メタノールを取り込んだ多孔性材料に水を取り込ませてもよいし、メタノールの水溶液を多孔性材料に取り込ませてもよい。   The amount of water used for incorporating methanol and water into the porous material may be small, specifically, 0.01 to 1 part by mass of water may be added to 1 part by mass of methanol. . When water is taken into the porous material together with methanol, water may be taken into the porous material into which methanol has been taken in, or an aqueous solution of methanol may be taken into the porous material.

メタノールを多孔性材料に取り込ませる方法は、特に限定されるものではなく、例えば、メタノール(水溶液を含む)に多孔性材料を加えて、十分に攪拌することにより、メタノールが多孔性材料に取り込まれた固体状メタノールを製造することができる。この場合、多孔性材料の配合量は、メタノール1質量部に対して0.2〜1質量部であることが好ましい。多孔性材料の配合量が上記範囲内であれば、メタノールを効果的に取り込むことができるとともに、メタノールを多孔性材料に取り込ませて得られた固体状メタノールを効果的に成形することができる。   The method for incorporating methanol into the porous material is not particularly limited. For example, methanol is incorporated into the porous material by adding the porous material to methanol (including an aqueous solution) and stirring sufficiently. Solid methanol can be produced. In this case, it is preferable that the compounding quantity of a porous material is 0.2-1 mass part with respect to 1 mass part of methanol. If the blending amount of the porous material is within the above range, methanol can be taken up effectively, and solid methanol obtained by taking methanol into the porous material can be effectively molded.

メタノールを多孔性材料に取り込ませる際の温度条件及び圧力条件は、特に限定されるものではなく、常温・常圧下でメタノールを多孔性材料に取り込ませればよい。メタノールと多孔性材料とを常温常圧下で混合し、十分に攪拌することで、メタノールが多孔性材料に取り込まれた固体状メタノールを製造することができる。なお、メタノールとして気体状の燃料を使用する場合には、加圧下でメタノールを多孔性材料に取り込ませることが好ましい。   The temperature conditions and pressure conditions for incorporating methanol into the porous material are not particularly limited, and methanol may be incorporated into the porous material at room temperature and normal pressure. By mixing methanol and a porous material under normal temperature and normal pressure, and sufficiently stirring, solid methanol in which methanol is taken into the porous material can be produced. In addition, when using gaseous fuel as methanol, it is preferable to make methanol take in a porous material under pressure.

得られた固体状メタノールを一定の形状に成形する。これにより、固体状メタノールの成形体を得ることができる。上記形状は、メタノールを使用する燃料電池に適応した形状であればよく、例えば、球状、四角形状、円柱形状等の定形固形物であってもよいし、薄膜状、繊維状であってもよい。これらのうち、球状であることが好ましい。得られた固体状メタノールを成形する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、バインダー等を用いて固体状メタノールを球状に成形する方法が挙げられる。   The obtained solid methanol is formed into a certain shape. Thereby, a molded body of solid methanol can be obtained. The shape may be any shape that is suitable for a fuel cell using methanol. For example, it may be a solid shape such as a spherical shape, a square shape, or a cylindrical shape, or may be a thin film shape or a fibrous shape. . Of these, a spherical shape is preferable. The method for forming the obtained solid methanol is not particularly limited, and examples thereof include a method for forming the solid methanol into a spherical shape using a binder or the like.

上記バインダーとしては、例えば、デンプン、コーンスターチ、糖蜜、乳糖、セルロース、セルロース誘導体、ゼラチン、デキストリン、アラビアゴム、アルギン酸、ポリアクリル酸、グリセリン、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルピロリドン(PVP)、水、メタノール、エタノール等が挙げられる。これらは1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。   Examples of the binder include starch, corn starch, molasses, lactose, cellulose, cellulose derivatives, gelatin, dextrin, gum arabic, alginic acid, polyacrylic acid, glycerin, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl pyrrolidone (PVP), Water, methanol, ethanol and the like can be mentioned. These may be used individually by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for them.

ダイレクトメタノール型燃料電池に使用する燃料がメタノールであることからすると、使用するバインダーはメタノールであることが好ましく、さらにいえばメタノールと接触すると増粘する性質を有し、その粘化作用により粒子同士の結合に寄与する物質とメタノールとを併用することが好ましい。この点を考慮すると、バインダーとして、メタノールとセルロース誘導体又はPVP等とを併用することが好ましい。なお、バインダーとしてメタノールを使用する場合には、メタノールであるメタノールを多孔性材料に取り込ませる工程を省略してもよい。この場合、多孔性材料にバインダーとしてのメタノールを加えて成形することで、メタノールであるメタノールを多孔性材料に取り込ませつつ固体状メタノール成形体を得ることができる。   In view of the fact that the fuel used in the direct methanol fuel cell is methanol, the binder used is preferably methanol, and more specifically, it has the property of thickening when it comes into contact with methanol. It is preferable to use together a substance that contributes to the bonding and methanol. Considering this point, it is preferable to use methanol and a cellulose derivative or PVP or the like as a binder. In addition, when using methanol as a binder, you may abbreviate | omit the process of taking in methanol which is methanol into a porous material. In this case, by adding methanol as a binder to the porous material and molding, a solid methanol molded body can be obtained while taking methanol as methanol into the porous material.

バインダーとしてメタノールとセルロース誘導体又はPVPとを併用する場合、バインダーにおけるメタノールとセルロース誘導体又はPVPとの配合比(質量基準)は、1000:1〜10:1であることが好ましい。配合比がこの範囲内であれば、固体状メタノールを効果的に成形することができる。   When methanol and a cellulose derivative or PVP are used in combination as a binder, the blending ratio (mass basis) of methanol and the cellulose derivative or PVP in the binder is preferably 1000: 1 to 10: 1. If the blending ratio is within this range, solid methanol can be effectively molded.

バインダーを用いて固体状メタノール成形体を得る方法としては、例えば、メタノールとセルロース誘導体等とを接触させた粘性流体を固体状メタノール又は多孔性材料に添加しながら造粒成形する方法、セルロース誘導体等を粉体のまま固体状メタノール又は多孔性材料に混合し、メタノールを添加しながら造粒成形する方法等が挙げられる。   Examples of a method for obtaining a solid methanol molded body using a binder include, for example, a method of granulating and forming a viscous fluid obtained by bringing methanol into contact with a cellulose derivative or the like to solid methanol or a porous material, a cellulose derivative or the like. The powder is mixed with solid methanol or a porous material in a powder form, and granulated and molded while adding methanol.

具体的には、ドラム型造粒機、皿型造粒機等を使用した転動造粒法;フレキソミックス、バーティカルグラニュレーター等を使用した混合攪拌造粒法;スクリュー型押出造粒機、ロール型押出造粒機、ブレード型押出造粒機、自己成形型押出造粒機等を使用した押出造粒法;打錠形造粒機、ブリケット形造粒機等を使用した圧縮造粒法;吹き上げる流体(主として空気)中に固体状メタノールを浮遊懸濁させた状態に保ちながらバインダーを噴霧して造粒する流動層造粒法等が挙げられるが、球状に成形すること、及びバインダーとしてアルコール類(メタノール)を使用することを考慮すると、転動造粒法又は混合攪拌造粒法が好ましい。   Specifically, rolling granulation method using drum granulator, dish granulator, etc .; mixed stirring granulation method using flexo-mix, vertical granulator, etc .; screw-type extrusion granulator, roll Extrusion granulation using a mold extrusion granulator, blade extrusion granulator, self-molding extrusion granulator, etc .; compression granulation using a tablet-type granulator, briquette granulator, etc .; Examples include fluidized bed granulation, which involves granulating by spraying a binder while keeping solid methanol suspended and suspended in a fluid to be blown up (mainly air). In consideration of the use of a class (methanol), the rolling granulation method or the mixed stirring granulation method is preferable.

バインダーの配合量は、特に限定されるものではなく、固体状メタノール又は多孔性材料1質量部に対し、0.001〜5質量部であることが好ましい。バインダーの配合量が上記範囲内であれば、固体状メタノールを効果的に成形することができる。   The compounding quantity of a binder is not specifically limited, It is preferable that it is 0.001-5 mass parts with respect to 1 mass part of solid methanol or a porous material. If the blending amount of the binder is within the above range, solid methanol can be effectively formed.

上述したような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ることにより、被膜の形成が容易で粒径を調節することで気化速度を制御することができ、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 as mentioned above, various forms, such as a sheet form, a block form (lump form), and a granular form, can be used. Among these, the particulate form is preferable. By using particulate methanol as the solid methanol, it is easy to form a film, the vaporization rate can be controlled by adjusting the particle size, and the generated methanol vapor can be easily moved.

固体状メタノールの粒径としては取扱い性や充填性、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。なお、合成樹脂製メッシュ12A等の透過性材料は、これら固体状メタノールの態様に応じ、これがこぼれないようなものを適宜選択して用いればよい。   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. The permeable material such as the synthetic resin mesh 12A may be appropriately selected and used so that it does not spill depending on the form of the solid methanol.

本実施形態においては、このような固体状メタノールの表面に被膜を形成する。これにより、形成された被膜の内部に閉じ込められた多孔性材料やゲル等の基材に保持されているメタノールの気化を制御することができる。固体状メタノールの表面に被膜を形成する方法としては、例えば、固体状メタノールとコーティング剤とを接触させる方法等が挙げられる。   In the present embodiment, a film is formed on the surface of such solid methanol. This makes it possible to control the vaporization of methanol held on a substrate such as a porous material or gel confined inside the formed coating. Examples of the method for forming a film on the surface of solid methanol include a method of bringing solid methanol into contact with a coating agent.

コーティング剤としては、造膜作用を有する高分子材料が好ましく、例えば、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースアセテートサクシネート等のセルロース系材料;ポリビニルアルコール(PVA)等の水溶性ポリマー(ポリビニルアルコール)系材料;ポリビニルピロリドン(PVP)等の水・アルコール両溶性ポリマー、及びポリアクリル酸系材料等が挙げられる。これらは1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。   As the coating agent, a polymer material having a film forming action is preferable, for example, a cellulose type such as methylcellulose, ethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, hydroxyethylmethylcellulose, carboxymethylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose acetate succinate, etc. Materials: Water-soluble polymer (polyvinyl alcohol) -based materials such as polyvinyl alcohol (PVA); water / alcohol-compatible polymers such as polyvinyl pyrrolidone (PVP), and polyacrylic acid-based materials. These may be used individually by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for them.

これらのコーティング剤のうち、セルロース誘導体及び/又はPVAを使用することが好ましく、特にセルロース誘導体を使用することが好ましい。セルロース誘導体の多くは、医療分野において錠剤・顆粒剤の結合材、徐放性錠剤用マトリックス基剤、ゼリー剤等として使用されており、食品分野において増粘・ゲル化剤、健康食品フィルムコーティング剤、カプセル剤、フライ・パンケーキ等に含まれる型崩れ防止剤等として使用されており、人体への安全性が認められているため、乳幼児の誤飲等があった場合においても安全性の面で好適である。   Of these coating agents, cellulose derivatives and / or PVA are preferably used, and cellulose derivatives are particularly preferably used. Most cellulose derivatives are used as binders for tablets and granules, matrix bases for sustained-release tablets, jelly agents, etc. in the medical field. Thickening / gelling agents and health food film coating agents are used in the food field. It is used as an anti-deformation agent contained in capsules, frying pancakes, etc., and it is recognized as safe for the human body. It is suitable.

固体状メタノールとコーティング剤とを接触させて、固体状メタノールの表面に被膜を形成する方法としては、例えば、流動層コーティング法、転動流動複合コーティング法、ドラムコーティング法、パンコーティング法等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、コーティング方式としては、フィルムコーティング、シュガーコーティング等が挙げられるが、形成される被膜の膜厚を極力薄くして、固体状メタノール中のメタノール含有率を大きくするという観点からは、フィルムコーティングが好ましい。   Examples of the method for forming a film on the surface of solid methanol by bringing solid methanol into contact with the coating agent include a fluidized bed coating method, a rolling fluidized composite coating method, a drum coating method, and a pan coating method. However, it is not limited to these. In addition, examples of the coating method include film coating, sugar coating, and the like. From the viewpoint of increasing the methanol content in solid methanol by reducing the film thickness of the formed film as much as possible, preferable.

コーティング剤の配合量は、固体状メタノール成形体1質量部に対して、0.0001〜0.1質量部であることが好ましい。コーティング剤の配合量が上記範囲内であれば、固体状メタノール成形体の表面に所望の膜厚の被膜を効果的に形成することができる。   It is preferable that the compounding quantity of a coating agent is 0.0001-0.1 mass part with respect to 1 mass part of solid methanol molded objects. When the blending amount of the coating agent is within the above range, a film having a desired film thickness can be effectively formed on the surface of the solid methanol molded body.

このようにして被膜を形成した固体状メタノール(被膜形成固体状メタノール)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。また、水とメタノールとが多孔性材料に取り込まれてなる被膜形成固体状メタノールの場合、基材1質量部に対し、メタノールと水とが合計で1〜3質量部取り込まれたものであることが好ましい。   The solid methanol (film-forming solid methanol) having a film formed in this manner is preferably one in which 1 to 3 parts by mass of methanol is incorporated with respect to 1 part by mass of the base material. Further, in the case of a film-forming solid methanol in which water and methanol are incorporated into a porous material, 1 to 3 parts by mass of methanol and water are incorporated in total for 1 part by mass of the base material. Is preferred.

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.
In FIG. 1, when N 2 gas is supplied from the carrier gas source 1, the N 2 gas flows into the solid methanol fuel cartridge 3 through the carrier gas supply path 2.

燃料カートリッジ3内の被膜形成固体状メタノール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、被膜の性能に応じた気化速度で徐々に気化する。このとき、あらかじめ被膜の材料及び厚さを適宜設定することにより、メタノールの気化速度を所望のものに調製しておく。被膜形成固体状メタノールSの表面から徐々に気化したメタノール分子は、N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 film-forming solid methanol S in the fuel cartridge 3 does not vaporize at a stroke because methanol is gently restrained by the intermolecular force including the inclusion phenomenon inside the material. Vaporizes gradually at a suitable vaporization rate. At this time, the vaporization rate of methanol is adjusted to a desired value by appropriately setting the material and thickness of the coating in advance. Methanol molecules gradually vaporized from the surface of the film-forming solid methanol S are mixed with N 2 gas and supplied as fuel gas from the fuel gas flow passage 4 to the fuel electrode 6 of the fuel cell 5.

この結果、下記の反応式により発電が行われる。
アノード:CHOH + HO → 6H + CO + 6e …[1]
カソード:3/2O + 6H + 6e → 3HO …[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 fuel electrode 6 is considerably dilute compared with the method of directly supplying liquid methanol (aqueous solution), but not all of the methanol in the fuel electrode 6 reacts even in the liquid supply method. Only partly decomposed due to the limit of activity. Moreover, the more methanol is, the more methanol is crossed over to the air electrode 8 side.

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N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 fuel electrode 6 is not necessarily a merit, and even with methanol having a concentration obtained by vaporizing N 2 gas from solid methanol as a carrier gas, an output almost equivalent to that of the liquid supply method is obtained. Is obtained.

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Nガスの供給を連続することで、被膜形成固体状メタノールS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 fuel electrode 6, by continuous supply of N 2 gas from the carrier gas source 1, the methanol gas from the film forming solid methanol S is also supplied, the The power generation reaction will continue.

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 fuel electrode 6 may contain water in advance. The reaction between methanol and water produces carbon dioxide gas that is equimolar with methanol, and this carbon dioxide gas is released from the exhaust gas passage 9 to the external environment.

そして、被膜形成固体状メタノールS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。   And since the methanol content contained in the film-forming solid methanol S is reduced by supplying methanol to the fuel cell along with power generation, power generation is performed for a predetermined time or the output voltage is lower than a predetermined level. Then, the power generation can be continued by replacing the fuel cartridge 3 together.

なお、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、本実施形態においては、水を必須要件とはしない。これは以下のような理由によると考えられる。   In the reaction formula [1], water equivalent to methanol is required, but in the present embodiment, water is not an essential requirement. This is considered due to the following reasons.

すなわち、発電開始時には元々固体高分子電解質膜7が保持していた水分を燃料極6で利用することで反応が開始され、反応が進むに連れて反応式[2]で示すように空気極8で生成する水が固体高分子電解質膜7を逆浸透し、燃料極6に供給されるためである。ただし、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。   That is, when the power generation is started, the reaction is started by utilizing the water originally held in the solid polymer electrolyte membrane 7 in the fuel electrode 6, and as the reaction proceeds, the air electrode 8 as shown in the reaction formula [2]. This is because the water generated in the above process reversely osmosis the solid polymer electrolyte membrane 7 and is supplied to the fuel electrode 6. However, in order to reliably perform initial power generation, water may be included in the fuel electrode 6 in advance.

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、被膜形成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 according to the present embodiment is a pump 11 serving as a carrier gas circulation means that takes in normal air as a carrier gas, and serves as a fuel storage unit for film-forming solid methanol. The solid methanol fuel cartridge 13 and the fuel cell 15 are provided. The exhaust side of the pump 11 and the solid methanol fuel cartridge 13 are communicated with each other by a carrier gas supply path 12. The fuel cell 15 communicates with the fuel gas flow passage 14.

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 fuel cell 15 includes a fuel electrode 16, a solid polymer electrolyte membrane 17, and an air electrode 18, and the fuel electrode 16 is connected to the fuel gas flow passage 14 and the circulation channel 19 connected to the intake side of the pump 11. The air electrode 18 is open to the atmosphere. The circulation channel 19 is provided with a pressure regulating valve (not shown).

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(N)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、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、初期においてしか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 generates 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 occurs 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、被膜形成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 methanol fuel cartridge 13, the same one as in the first embodiment described above can be used. Moreover, the same thing as 1st Embodiment mentioned above can also be used as film formation solid-state methanol.

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、ポンプ11からエアを供給すると、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 supplied from the pump 11, the air flows into the solid methanol fuel cartridge 13 through the carrier gas supply path 12.

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、被膜の性能に応じた気化速度で徐々に気化する。このとき、あらかじめ被膜の材料及び厚さを適宜設定することにより、メタノールの気化速度を所望のものに調製しておく。そして、被膜形成固体状メタノール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 fuel cartridge 13 is not vaporized all at once because the methanol is gently restrained by the intermolecular force including the inclusion phenomenon inside the material, but depending on the performance of the coating. It gradually vaporizes at the vaporization rate. At this time, the vaporization rate of methanol is adjusted to a desired value by appropriately setting the material and thickness of the coating in advance. The methanol molecules gradually vaporized from the surface of the film-forming solid methanol S are mixed with air and supplied as fuel gas from the fuel gas flow passage 14 to the fuel electrode 16 of the fuel cell 15.

この結果、下記の反応式により発電が行われる。
アノード:CHOH + HO → 6H + CO + 6e …[1]
カソード:3/2O + 6H + 6e → 3HO …[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 fuel electrode 16 is considerably dilute compared with the method of supplying liquid methanol (aqueous solution) directly, but even in the liquid supply method, not all of the methanol in the fuel electrode 16 reacts, and the catalyst Only partly decomposed due to the limit of activity. Moreover, the more methanol is, the more methanol is crossed over to the air electrode 18 side.

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N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 fuel electrode 16 is not necessarily a merit, and even with methanol having a concentration obtained by vaporizing N 2 gas from a solid methanol as a carrier gas, an output almost equivalent to that of the liquid supply method is obtained. Is obtained.

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 fuel electrode 16, since the methanol gas from solid methanol is also supplied by continuing supply of carrier gas by the pump 11, the said electric power generation reaction will continue. Become.

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しているので、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。   At this time, in the above reaction formula [1], water equivalent to methanol is required, but in this embodiment, air is circulated as a carrier gas. As a result, the reaction is started by the moisture resulting from the oxidation of methanol and the moisture originally retained in the solid polymer electrolyte membrane 17.

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 fuel electrode 16 may contain water in advance.

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、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、被膜形成固体状メタノール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. This carbon dioxide gas is circulated from the circulation flow path 19 to the pump 11. Further, methanol (gas) remaining without reacting at the fuel electrode 16 is also circulated from the circulation flow path 19 to the pump 11. Thereby, since the methanol contained in the film-forming solid methanol S does not diffuse into the external environment, the methanol can be effectively used and the life of the fuel cartridge 13 can be extended. Furthermore, it is not necessary to prepare a carrier gas cylinder or the like separately.

なお、アノード反応により生じた二酸化炭素ガス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, an appropriate amount of carrier gas can be released from a pressure regulating valve (not shown) provided in the circulation channel 19. That's fine.

そして、被膜形成固体状メタノールS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 contained in the film-forming solid methanol S is reduced by supplying methanol to the fuel cell along with power generation, power generation is performed for a predetermined time or the output voltage is lower than a predetermined level. Then, the power generation can be continued by replacing the fuel cartridge 13 together.

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、被膜形成固体状メタノールS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溶液としてこれを固体状としたものを用いてもよい。さらには、被膜形成固体状メタノールと、同様の方法により固体状とした水(被膜形成固体状水)とを併用してもよい。この場合、燃料カートリッジ3(13)に被膜形成固体状メタノールSと被膜形成固体状水とを混在させてもよいし、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。   For example, the film-forming solid methanol S does not have to be 100% pure methanol in solid form, but water added to methanol to obtain a methanol solution with a desired concentration is used as a solid solution. May be. Furthermore, you may use together film-forming solid methanol and the water (film-forming solid water) made into the solid state by the same method. In this case, the film-forming solid methanol S and the film-forming solid water may be mixed in the fuel cartridge 3 (13), or the water-containing solid material cartridge separately from the solid methanol fuel cartridge 3 (13). A (water replenishment container) may be provided between the fuel cartridge 3 (13) and the fuel cell 5 (15), that is, in the fuel gas flow path 4 (14).

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。
[Direct methanol fuel cell system]
2 g of the film-forming solid methanol particles were filled in the cartridge 3 shown in FIG. 2 having a size of 40 × 40 × 10 (mm) and mounted on the system shown in FIG. 1 to prepare a system. At this time, as the fuel electrode 6 of the fuel cell 5, pure water was previously stretched and wetted, pure water was removed before the test, and water droplets were removed with a nitrogen gas flow.

[比較例1]
実施例1において、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% methanol aqueous solution was supplied to the fuel electrode 6 of the fuel cell 5.

[参考例]
実施例1において、被膜を形成することなく、固体状メタノール粒子をそのまま充填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 solid methanol particles were filled as they were without forming a film.

[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。
[Example 2]
2 g of the film-forming solid methanol produced in Example 1 was filled in the cartridge 3 shown in FIG. 2 having a size of 40 × 40 × 10 (mm) and mounted on the system shown in FIG. At this time, as the fuel electrode 6 of the fuel cell 5, pure water was previously stretched and wetted, pure water was removed before the test, and water droplets were removed with a nitrogen gas flow.

[発電試験]
実施例1、実施例2、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、すなわち、最高出力時のセル電圧(V)、最高出力時の負荷電流密度(mA/cm)、最高出力(mW/cm)及び燃料電池セル温度(℃)を測定した。
[Power generation test]
For the direct methanol fuel cell systems of Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Reference Example, an electric current was passed by the electronic load device, and the characteristics of the fuel cell, that is, the cell voltage (V) at the maximum output, The load current density (mA / cm 2 ) at the maximum output, the maximum output (mW / cm 2 ), and the fuel cell temperature (° C.) were measured.

Figure 2008097985
Figure 2008097985

表1から明らかなとおり、実施例1の燃料電池システムは、最高出力は17.43mW/cmで燃料電池セル温度は34.6℃であり、実施例2の燃料電池システムは、最高出力は18.13mW/cmで燃料電池セル温度は34.9℃であった。これに対し、参考例の燃料電池システムは、最高出力は11.75mW/cmであったが、燃料電池セル温度は44.6℃と高かった。この燃料電池セルの発熱の原因は、高濃度のメタノール蒸気が供給されたためにメタノールのクロスオーバーが起こり、空気極の酸化反応により発熱してしまったものと考えられる。 As is clear from Table 1, the fuel cell system of Example 1 has a maximum output of 17.43 mW / cm 2 and a fuel cell temperature of 34.6 ° C., and the fuel cell system of Example 2 has a maximum output of The fuel cell temperature was 34.9 ° C. at 18.13 mW / cm 2 . In contrast, the fuel cell system of the reference example had a maximum output of 11.75 mW / cm 2 , but the fuel cell temperature was as high as 44.6 ° C. The cause of the heat generation of the fuel cell is thought to be that the methanol crossover occurred due to the supply of high-concentration methanol vapor, and heat was generated by the oxidation reaction of the air electrode.

さらに比較例1の燃料電池システムは、最高出力は13.86mW/cmで燃料電池セル温度は29.9℃であった。この各実施例と比較例1との間の最高出力の差は、各実施例の燃料電池システムにおいて、メタノールを気体として供給しているためと考えられる。 Further, the fuel cell system of Comparative Example 1 had a maximum output of 13.86 mW / cm 2 and a fuel cell temperature of 29.9 ° C. The difference in the maximum output between each Example and Comparative Example 1 is considered because methanol is supplied as a gas in the fuel cell system of each Example.

本発明の第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を示すフロー図である。1 is a flowchart showing a direct methanol fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第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の燃料カートリッジを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the fuel cartridge of the direct methanol fuel cell system which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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。It is a flowchart which shows the direct methanol fuel cell system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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
3,13…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
11…ポンプ(キャリアガス循環手段)
19…循環流路
S…被膜形成固体状メタノール
1 ... Carrier gas source (carrier gas supply means)
2, 12 ... Carrier gas supply path 3, 13 ... Solid methanol fuel cartridge (fuel storage part)
4, 14 ... Fuel gas flow passages 5, 15 ... Fuel cells 6, 16 ... Fuel electrodes 7, 17 ... Solid polymer electrolyte membranes 8, 18 ... Air electrode 9 ... Exhaust gas passage 11 ... Pump (carrier gas circulation means) )
19: Circulating flow path S: Film-forming solid methanol

Claims (12)

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前記燃料電池セルに供給する燃料ガス供給手段と
を備え、
前記固体状メタノールの表面に被膜を形成したことを特徴とする直接メタノール形燃料電池システム。
A fuel storage section for storing solid methanol obtained by solidifying methanol;
A fuel cell;
Fuel gas supply means for supplying a fuel gas containing methanol vaporized from the solid methanol by circulation of a carrier gas to the fuel cell,
A direct methanol fuel cell system, wherein a film is formed on the surface of the solid methanol.
前記燃料収容部には、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が設けられており、
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、
前記燃料収容部にキャリアガスを供給すると、被膜を形成した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に燃料電池システム。
The fuel storage portion is provided with a carrier gas supply path that communicates with the carrier gas supply means, and a fuel gas flow path that communicates with the fuel electrode side of the fuel cell,
The fuel battery cell is provided with an exhaust gas passage in communication with the fuel electrode side,
When the carrier gas is supplied to the fuel storage portion, the fuel gas containing methanol vaporized from the solid methanol having a film 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.
前記キャリアガス供給手段が、送風手段であることを特徴とする請求項2に記載の直接メタノール形燃料電池システム。   3. The direct methanol fuel cell system according to claim 2, wherein the carrier gas supply means is an air blowing means. 前記キャリアガス供給手段が、圧縮気体ボンベであることを特徴とする請求項2に記載の直接メタノール形燃料電池システム。   The direct methanol fuel cell system according to claim 2, wherein the carrier gas supply means is a compressed gas cylinder. 前記キャリアガス供給手段が、加熱装置と、加熱によりガスを発生する物質とを有することを特徴とする請求項1に記載の直接メタノール形燃料電池システム。   2. The direct methanol fuel cell system according to claim 1, wherein the carrier gas supply means includes a heating device and a substance that generates gas by heating. 前記燃料収容部には、前記キャリアガス循環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が設けられており、
前記燃料電池セルには、前記燃料極側に連通して前記キャリアガス循環手段に連通した循環流路が設けられており、
前記キャリアガス循環手段から前記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、被膜を形成した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 storage portion is provided with a carrier gas supply path that communicates with the carrier gas circulation means, and a fuel gas flow path that communicates with the fuel electrode side of the fuel cell,
The fuel battery cell is provided with a circulation flow path that communicates with the fuel electrode side and communicates with the carrier gas circulation means.
When a carrier gas is supplied from the carrier gas circulation means to the fuel storage portion via the carrier gas supply path, a fuel gas containing methanol vaporized from the solid methanol having a film formed on the fuel electrode of the fuel cell. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein after being supplied, the fuel cell system recirculates from the circulation flow path to the carrier gas circulation means.
前記燃料収容部が、着脱可能なカートリッジであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システム。   The direct methanol fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel storage unit is a detachable cartridge. 前記燃料電池セルの燃料極に供給されるキャリアガスが、実質的に酸素を含まないことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システム。   The direct methanol fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the carrier gas supplied to the fuel electrode of the fuel cell substantially does not contain oxygen. 前記固体状メタノールが、メタノール水溶液を固体化したものであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システム。   The direct methanol fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein the solid methanol is a solidified methanol aqueous solution. 前記燃料収容部が、前記固体状メタノールとともに水含有固体材料を含有することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システム。   The direct methanol fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein the fuel storage unit contains a water-containing solid material together with the solid methanol. 前記燃料収容部と前記燃料電池セルとの間に水含有固体材料を含有する補水容器を備えることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システム。   The direct methanol fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, further comprising a water refill container containing a water-containing solid material between the fuel storage unit and the fuel cell. 請求項1〜11のいずれかに記載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。   A portable electronic device comprising the direct methanol fuel cell system according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109404957A (en) * 2018-12-11 2019-03-01 约伯(宁夏)环保节能科技发展有限公司 A kind of methanol gasifying device

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