JP2008210661A - Direct type fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direct type fuel cell system in which hydrogen gas is not exhausted to the outside of the fuel cell system. <P>SOLUTION: The direct type fuel cell system includes: a direct type fuel cell 11 using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte; a fuel supply means 52 supplying an organic matter or an organic matter solution to an anode of the direct type fuel cell 11; and an oxidant supply means 51 supplying an oxidant to a cathode of the direct type fuel cell 11. Gas exhausted from the anode is supplied to the cathode, hydrogen gas included in the gas is oxidized in the cathode and removed, and then the gas is exhausted from an exhaust port 65 to the outside of the direct type fuel cell system. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は有機物あるいは有機物の溶液を直接アノードに供給して発電を行うことができる直接型燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a direct fuel cell system capable of generating electricity by directly supplying an organic substance or an organic solution to an anode.

近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策のひとつとして燃料電池の開発が活発に行われている。特にアルコールなどの有機物を燃料に用いて改質・ガス化を行う事なく直接発電に利用する事ができる直接型燃料電池は、構造がシンプルで小型化・軽量化が容易であり、分散型電源、可搬型電源、コンピューター用、ポータブル電子機器用、携帯電話用等のコンシューマ電源として有望である。   In recent years, countermeasures against environmental problems and resource problems have become important, and fuel cells have been actively developed as one of the countermeasures. In particular, direct fuel cells that can be used directly for power generation without reforming or gasification using organic substances such as alcohol as fuel, have a simple structure and are easily reduced in size and weight. It is promising as a consumer power source for portable power sources, computers, portable electronic devices, mobile phones and the like.

これらの直接型燃料電池には、電解質膜の両側にカソード極およびアノード極を接合した膜電極接合体(MEA)をカソード極セパレータおよびアノード極セパレータで挟持した単電池セルを多数積層して構成したものや、複数のMEAを平面上に並べ、各MEAを電気的に接続したものなどが開発されている。特に、複数のMEAを平面上に並べた後者の形態は、ラップトップ型コンピュータなどのポータブル電子機器や携帯電話の電源として有望視されている。   These direct fuel cells are configured by laminating a number of unit cells each having a membrane electrode assembly (MEA) in which a cathode electrode and an anode electrode are bonded to both sides of an electrolyte membrane and sandwiched between the cathode electrode separator and the anode electrode separator. A device in which a plurality of MEAs are arranged on a plane and each MEA is electrically connected has been developed. In particular, the latter form in which a plurality of MEAs are arranged on a plane is promising as a power source for portable electronic devices such as laptop computers and mobile phones.

直接型燃料電池ではアノード側に有機物溶液を供給すると、電池反応によって炭酸ガスが発生し、燃料排気側では廃燃料と炭酸ガスが排出される。一方、カソード側では酸化剤として空気を供給すると、電池反応により水が発生し、空気出口から排出される。   In the direct type fuel cell, when an organic solution is supplied to the anode side, carbon dioxide gas is generated by the cell reaction, and waste fuel and carbon dioxide gas are discharged on the fuel exhaust side. On the other hand, when air is supplied as an oxidant on the cathode side, water is generated by the cell reaction and is discharged from the air outlet.

このような直接型燃料電池の中にも、カソードへの空気供給やアノードへの燃料供給にポンプ等の動力装置を用いるアクティブ型と、動力装置を用いないパッシブ型の直接メタノール型燃料電池が検討されてきた。   Among these direct fuel cells, active type using a power unit such as a pump for supplying air to the cathode and fuel to the anode, and passive type direct methanol type fuel cell not using the power unit are considered. It has been.

このようなパッシブ型の燃料電池は、アクティブ型の燃料電池と比較して、出力が取りにくいといった短所がある反面、ポンプ駆動のための電力が不要であり電池の発電効率を高くすることができるという長所がある。また、シンプルでコンパクトなシステムが構成できる、ポンプ駆動音のない静かな発電機となる、といった特長がある。そのため、よりシンプルなシステム構成が可能となり、携帯電話用電源、ラップトップコンピューター用電源といった小型コンシューマー用途に最適な燃料電池となる可能性がある。   Such a passive type fuel cell has a disadvantage that it is difficult to obtain an output as compared with an active type fuel cell. On the other hand, no power is required for driving the pump, and the power generation efficiency of the cell can be increased. There is an advantage. In addition, there is a feature that a simple and compact system can be configured, and that it becomes a quiet generator without pump drive noise. Therefore, a simpler system configuration is possible, and there is a possibility that the fuel cell is optimal for small consumer applications such as a power source for mobile phones and a power source for laptop computers.

我々は、直接型燃料電池の研究開発の過程で、特許文献1に示すように、特定の条件において、直接型燃料電池のアノードから水素が発生する現象を発見した。水素発生条件は、カソードへの酸化剤供給量と単電池電圧とによって決まり、単位電池の開路電圧が300〜800mVの範囲で水素が発生し、燃料電池から負荷に対する電力供給がなされているか否かには関らないことが分っている。
特許第3812581号公報
In the process of research and development of a direct fuel cell, we have discovered a phenomenon in which hydrogen is generated from the anode of the direct fuel cell under specific conditions, as shown in Patent Document 1. The hydrogen generation conditions are determined by the amount of oxidant supplied to the cathode and the cell voltage, and whether hydrogen is generated when the open circuit voltage of the unit cell is in the range of 300 to 800 mV, and whether or not power is supplied from the fuel cell to the load. I know it does n’t matter.
Japanese Patent No. 3812581

このことは、直接型燃料電池システムにおいて、特定の条件下で、意図せずに、直接型燃料電池システムから水素が排出される可能性があることを示している。水素は可燃性の気体であり、空気と、極めて広い混合比で爆発性の混合気を生じるため、直接型燃料電池システムにおける水素の発生は、爆発事故などを引き起す可能性があり、そのような危険性を回避する手段が求められている。   This indicates that in a direct fuel cell system, hydrogen may be unintentionally discharged from the direct fuel cell system under certain conditions. Since hydrogen is a flammable gas and produces an explosive mixture with air at a very wide mixing ratio, the generation of hydrogen in a direct fuel cell system may cause an explosion accident. There is a need for a means to avoid this danger.

また、直接メタノール型燃料電池(DMFC)に関して、開路で、酸素欠乏状態の場合に、単一セル内で、電池反応と電解反応が共存し、カソードでCHOH+HO→CO+6H+6eの反応、アノードで6H+6e→3Hの反応が生じ、アノード側から水素が発生することも知られている(非特許文献1及び2参照)。
非特許文献1の論文は、「水素の発生は、運転中のセルにおける電力のアウトプットを減少させるばかりでなく、開路状態で燃料を連続的に消費するので、DMFCが運転中及び待機中のいずれの時でも、カソードに酸素を十分かつ一定に供給し続けることが重要である」と結論付け、非特許文献2の論文も、「大きなMEA面積を有するDMFCについては、システムのシャットダウン及びスタートアップによって引き起こされる水素の蓄積に注意する必要がある」と結論付けているから、アノード側から発生する水素は少なくした方がよい、又は、除去した方がよいという技術的思想は示されているといえるが、いずれの論文にも、水素を除去する手段については記載がない。
Electrochemical and Solid-State Letters,8(1)A52-A54(2005) Electrochemical and Solid-State Letters,8(4)A211-A214(2005)
In addition, in the case of a direct methanol fuel cell (DMFC), when an open circuit is in an oxygen-deficient state, the battery reaction and the electrolytic reaction coexist in a single cell, and CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e at the cathode. - the reaction, an anode in 6H + + 6e - the → 3H 2 reaction occurs, hydrogen is also known to occur from the anode side (see non-Patent documents 1 and 2).
The paper of Non-Patent Document 1 states that “the generation of hydrogen not only reduces the power output in the operating cell, but also consumes fuel continuously in the open circuit, so the DMFC is in operation and on standby. At any time, it is important to keep supplying oxygen to the cathode sufficiently and consistently, ”the paper of Non-Patent Document 2 also states that“ DMFCs with large MEA areas are subject to system shutdown and startup. It is necessary to pay attention to the hydrogen accumulation that is caused ", so it can be said that the technical idea that the amount of hydrogen generated from the anode side should be reduced or removed is shown. However, none of the papers describes a means for removing hydrogen.
Electrochemical and Solid-State Letters, 8 (1) A52-A54 (2005) Electrochemical and Solid-State Letters, 8 (4) A211-A214 (2005)

さらに、特許文献2には、直接メタノール型燃料電池において、アノードから排出されるガスをカソードに送りこみ、該ガスに含まれる気化されたメタノールをカソードで酸化することが記載されているが、水素ガスをカソードで酸化することは示唆されていない。
特開2006−32209号公報
Furthermore, Patent Document 2 describes that in a direct methanol fuel cell, gas discharged from the anode is sent to the cathode, and vaporized methanol contained in the gas is oxidized at the cathode. There is no suggestion of oxidizing the gas at the cathode.
JP 2006-32209 A

水素ガスを燃料とする燃料電池においては、アノードから排出される水素オフガスをカソードから排出されるカソードオフガスと混合し、酸化触媒と接触させることにより、該ガス中の水素濃度を低減させて大気中に排出することが公知である(特許文献3参照)が、水素オフガスを酸化するための装置を別途設ける必要があった。
特開2002−289237号公報
In a fuel cell using hydrogen gas as a fuel, the hydrogen off-gas discharged from the anode is mixed with the cathode off-gas discharged from the cathode, and brought into contact with the oxidation catalyst, thereby reducing the hydrogen concentration in the gas to the atmosphere. However, it is necessary to separately provide a device for oxidizing the hydrogen off-gas.
JP 2002-289237 A

本発明は、上記のような直接型燃料電池システムにおける水素の発生の問題を解決しようとするものであり、水素ガスが燃料電池システム外部に排出されることのない直接型燃料電池システムを提供することを課題とする。   The present invention is intended to solve the problem of hydrogen generation in the direct fuel cell system as described above, and provides a direct fuel cell system in which hydrogen gas is not discharged outside the fuel cell system. This is the issue.

本発明は、上記の課題を解決するために以下の手段を採用する。
(1)固体高分子電解質膜を電解質とする直接型燃料電池と、前記直接型燃料電池のアノードに有機物あるいは有機物溶液を供給する燃料供給手段と、前記直接型燃料電池のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備えた直接型燃料電池システムにおいて、前記アノードから排出されるガスを前記カソードに送りこみ、該ガスに含まれる水素ガスをカソードで酸化して水素ガスを除去した後に、直接型燃料電池システム外に排出することを特徴とする直接型燃料電池システム。
(2)前記アノードから排出されるガスを前記カソードに送りこむ配管に水素透過膜を設けることを特徴とする前記(1)の直接型燃料電池システム。
(3)前記アノードから水素ガスが発生する条件を検知する制御装置を設けて、前記制御装置が水素ガス発生条件を検知した場合に、前記アノードから排出されるガスを前記カソードに送りこむことを特徴とする前記(1)又は(2)の直接型燃料電池システム。
(4)前記アノードから排出されるガスを直接型燃料電池システム外に排出する配管に三方コックを設け、前記制御装置が水素ガス発生条件を検知した場合に、前記三方コックを切り替えて、前記アノードから排出されるガスを前記カソードに送りこむことを特徴とする前記(3)の直接型燃料電池システム。
(5)前記アノードから排出されるガスを、燃料タンクを介して直接型燃料電池システム外に排出することを特徴とする前記(1)〜(4)のいずれか一項の直接型燃料電池システム。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
(1) A direct fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte, a fuel supply means for supplying an organic substance or an organic solution to the anode of the direct fuel cell, and an oxidant for the cathode of the direct fuel cell And a direct fuel cell system comprising: an oxidant supply means configured to supply a gas discharged from the anode to the cathode, and oxidize the hydrogen gas contained in the gas at the cathode to remove the hydrogen gas. The direct fuel cell system is characterized in that it is discharged outside the direct fuel cell system.
(2) The direct fuel cell system according to (1), wherein a hydrogen permeable membrane is provided in a pipe for sending the gas discharged from the anode to the cathode.
(3) A control device for detecting a condition for generating hydrogen gas from the anode is provided, and when the control device detects a hydrogen gas generation condition, gas discharged from the anode is sent to the cathode. The direct fuel cell system according to (1) or (2).
(4) A three-way cock is provided in a pipe for discharging the gas discharged from the anode to the outside of the direct fuel cell system, and when the control device detects a hydrogen gas generation condition, the three-way cock is switched to switch the anode The direct fuel cell system according to (3), wherein the gas discharged from the fuel cell is sent to the cathode.
(5) The direct fuel cell system according to any one of (1) to (4), wherein the gas discharged from the anode is discharged out of the direct fuel cell system through a fuel tank. .

本発明によれば、直接型燃料電池システムのアノードから排出されるガスに含まれる水素ガスをカソードで酸化して水に変えて除去した後に、アノード排出ガスを燃料電池システム外に放出するので、排出ガスに含まれる水素ガスを酸化するための装置を別途設けることなく、アノード排出ガス中の水素ガスを酸化して水に変えることができ、簡単な構成で、漏洩水素による爆発・火災などの事故を防止することができる。
また、カソードに送りこむ配管に水素透過膜を設けた場合には、水素ガスのみを効率的に除去することができる。
さらに、水素ガス発生条件を検知する制御装置を用いた場合には、アノードから排出されるガスを、水素ガスが含まれる場合にのみ、カソードに送り込むことができるから、カソードを水素ガス除去手段として効率良く使用することができると共に、カソードの酸化触媒の寿命を延ばすことができる。
According to the present invention, the hydrogen gas contained in the gas discharged from the anode of the direct fuel cell system is oxidized at the cathode and converted to water, and then the anode exhaust gas is released outside the fuel cell system. Without providing a separate device to oxidize the hydrogen gas contained in the exhaust gas, the hydrogen gas in the anode exhaust gas can be oxidized and changed to water. Accidents can be prevented.
In addition, when a hydrogen permeable membrane is provided in the pipe that is fed to the cathode, only hydrogen gas can be efficiently removed.
Furthermore, when a control device that detects hydrogen gas generation conditions is used, the gas discharged from the anode can be sent to the cathode only when hydrogen gas is included. It can be used efficiently, and the life of the cathode oxidation catalyst can be extended.

本発明の直接型燃料電池システムには、固体高分子電解質膜を電解質とする直接型燃料電池を使用する。固体高分子電解質膜は、有機物あるいは有機物溶液の透過性を持つものであれば良く、通常はプロトン伝導性を持つものが使用される。プロトン伝導性を持つ固体高分子電解質膜としては、デュポン社のナフィオン膜等のスルホン酸基を持つパーフルオロカーボンスルホン酸系膜が好ましい。   In the direct fuel cell system of the present invention, a direct fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte is used. The solid polymer electrolyte membrane only needs to be permeable to organic matter or organic solution, and usually has proton conductivity. The solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity is preferably a perfluorocarbon sulfonic acid membrane having a sulfonic acid group such as a Nafion membrane manufactured by DuPont.

直接型燃料電池のアノードに供給する有機物としては、プロトン伝導性を持つ固体高分子電解質膜を透過し、電気化学的に酸化されてプロトンを生成する液体又は気体燃料であれば良く、メタノール、エタノール、エチレングリコール、2−プロパノールなどのアルコール、ホルムアルデヒドなどのアルデヒド、蟻酸などのカルボン酸、ジエチルエーテルなどのエーテルを含む液体燃料が好ましい。有機物溶液としては、これらの液体燃料と水を含む溶液、その中でも、アルコール、特にメタノールを含む水溶液が好ましい。   The organic substance to be supplied to the anode of the direct type fuel cell may be any liquid or gaseous fuel that passes through a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity and is electrochemically oxidized to generate protons. Liquid fuels containing alcohols such as ethylene glycol and 2-propanol, aldehydes such as formaldehyde, carboxylic acids such as formic acid, and ethers such as diethyl ether are preferred. As the organic solution, a solution containing these liquid fuel and water, and among them, an aqueous solution containing alcohol, particularly methanol, is preferable.

直接型燃料電池のカソードに供給する酸化剤としては、酸素を含む気体又は酸素が好ましく、空気を使用することができる。   As the oxidant supplied to the cathode of the direct fuel cell, a gas containing oxygen or oxygen is preferable, and air can be used.

メタノールを燃料とし、酸素を含む気体を酸化剤とする直接型燃料電池においては、通常、以下のように、アノード側で(A)の反応、カソード側で(B)の反応が起きて、発電が行われている。
(A)CHOH+HO→6H+6e+CO
(B)6H+6e+3/2O→3H
In a direct fuel cell using methanol as a fuel and an oxygen-containing gas as an oxidizer, the reaction (A) on the anode side and the reaction (B) on the cathode side usually occur as described below to generate power. Has been done.
(A) CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e + CO 2
(B) 6H + + 6e + 3 / 2O 2 → 3H 2 O

一方、ナフィオン等のプロトン伝導性固体電解質膜を用いた場合には、CHOHがアノードからカソードへ透過するクロスオーバー現象が知られており、空気流量が低下すると、カソードの酸素供給の不足する領域で、(B)の反応が起きず、クロスオーバーメタノールが電解酸化され、(D)の反応が起き、一方、アノード側では、(C)の反応が起きて水素が発生する。
(C)6H+6e→3H
(D)CHOH+HO→6H+6e+CO
On the other hand, when a proton-conducting solid electrolyte membrane such as Nafion is used, a crossover phenomenon in which CH 3 OH permeates from the anode to the cathode is known, and when the air flow rate decreases, the cathode oxygen supply is insufficient. In the region, the reaction (B) does not occur, the crossover methanol is electrolytically oxidized, and the reaction (D) occurs. On the other hand, the reaction (C) occurs on the anode side to generate hydrogen.
(C) 6H + + 6e → 3H 2
(D) CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e + CO 2

本発明においては、アノード側で上記(C)の反応により生成した水素ガスをそのまま直接型燃料電池システム外に排出すると上記のような危険性があるので、アノードから排出されるガスをカソードに送りこみ、該ガスに含まれる水素ガスをカソードで酸化して水素ガスを除去することを特徴とする。この場合、カソード触媒が、酸化触媒となって水素ガスが酸化される。   In the present invention, if the hydrogen gas generated by the reaction (C) on the anode side is directly discharged out of the direct fuel cell system, there is a danger as described above. Therefore, the gas discharged from the anode is sent to the cathode. The hydrogen gas contained in the gas is oxidized at the cathode to remove the hydrogen gas. In this case, the cathode catalyst serves as an oxidation catalyst to oxidize hydrogen gas.

水素ガスのみを効率的に除去するために、アノードから排出されるガスを前記カソードに送りこむ配管に水素透過膜を設けることが好ましい。水素透過膜は限定されるものではないが、厚さが5〜50μmであって、無機多孔層上に形成されて選択的に水素を透過させることができる水素透過性の金属膜を使用することができる。無機多孔層は水素透過性の金属膜を保持するための担体であって、厚さが0.1mmから1mmの範囲で多孔性のステンレス鋼不織布、セラミックス、ガラス等から形成される。水素透過性の金属膜としてはPdを含む合金、Niを含む合金又はVを含む合金を使用することができるが、Pdを含む合金が好ましい。Pdを含む合金としてはPd・Ag合金、Pd・Y合金、Pd・Ag・Au合金等を挙げることができる。   In order to efficiently remove only hydrogen gas, it is preferable to provide a hydrogen permeable membrane in a pipe for sending the gas discharged from the anode to the cathode. Although the hydrogen permeable membrane is not limited, use a hydrogen permeable metal membrane having a thickness of 5 to 50 μm and capable of selectively permeating hydrogen formed on the inorganic porous layer. Can do. The inorganic porous layer is a carrier for holding a hydrogen permeable metal film, and is formed of a porous stainless steel nonwoven fabric, ceramics, glass or the like in a thickness range of 0.1 mm to 1 mm. As the hydrogen permeable metal film, an alloy containing Pd, an alloy containing Ni, or an alloy containing V can be used, but an alloy containing Pd is preferable. Examples of the alloy containing Pd include a Pd / Ag alloy, a Pd / Y alloy, and a Pd / Ag / Au alloy.

また、本発明においては、カソードを水素ガス除去手段として効率良く使用し、カソードの酸化触媒の寿命を延ばすために、アノードから水素ガスが発生する条件を検知する制御装置を設けて、制御装置が水素ガス発生条件を検知した場合に、アノードから排出されるガスをカソードに送りこむことが好ましい。
特許文献1に示されているように、水素ガスの発生は、開路電圧に依存し、空気流量が低下し、開路電圧が300〜800mVになると、水素ガスが発生することが分かっているから、直接型燃料電池の単位電池の電圧を計測する電圧計測手段を備え、該電圧計測手段によって計測された単位電池の開路電圧が、800mV以下となった場合に、アノードから排出されるガスをカソードに送りこむようにする手段を採用することができる。例えば、アノードから排出されるガスを直接型燃料電池システム外に排出する配管に三方コックを設け、制御装置が水素ガス発生条件を検知した場合に、三方コックを切り替えて、アノードから排出されるガスをカソードに送りこむようにしてもよい。
Further, in the present invention, in order to efficiently use the cathode as a hydrogen gas removing means and extend the life of the oxidation catalyst of the cathode, a control device for detecting a condition for generating hydrogen gas from the anode is provided. When the hydrogen gas generation conditions are detected, it is preferable to send the gas discharged from the anode to the cathode.
As shown in Patent Document 1, it is known that the generation of hydrogen gas depends on the open circuit voltage, and when the air flow rate decreases and the open circuit voltage becomes 300 to 800 mV, hydrogen gas is generated. A voltage measuring means for measuring the voltage of the unit cell of the direct fuel cell is provided, and when the open circuit voltage of the unit cell measured by the voltage measuring means is 800 mV or less, the gas discharged from the anode is used as the cathode. Means for feeding can be employed. For example, a three-way cock is provided in a pipe that discharges the gas discharged from the anode to the outside of the direct fuel cell system, and the gas discharged from the anode by switching the three-way cock when the control device detects a hydrogen gas generation condition. May be sent to the cathode.

以下、燃料としてメタノール水溶液を用いる直接メタノール型燃料電池を例に、図を用いながら、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings, taking a direct methanol fuel cell using a methanol aqueous solution as a fuel as an example.

(比較例)
白金とルテニウムとを活性炭素に担持させてなる燃料極触媒に、テフロン(登録商標)分散液およびナフィオン(登録商標)溶液を混合して作製した燃料極ペーストを、カーボンペーパー上に塗布してアノード1を得、白金を活性炭素に担持させてなる空気極触媒に、テフロン(登録商標)分散液およびナフィオン(登録商標)溶液を混合して作製した空気極ペーストを、カーボンペーパーに塗布してカソードを得た。アノード・カソードとも、電極面積は64cm、触媒担持量は1mg/cmとした。
(Comparative example)
A fuel electrode paste prepared by mixing a Teflon (registered trademark) dispersion and a Nafion (registered trademark) solution with a fuel electrode catalyst in which platinum and ruthenium are supported on activated carbon is applied onto carbon paper to form an anode. 1 is applied to an air electrode catalyst obtained by supporting platinum on activated carbon and a Teflon (registered trademark) dispersion and a Nafion (registered trademark) solution mixed with carbon paper. Got. For both the anode and cathode, the electrode area was 64 cm 2 , and the catalyst loading was 1 mg / cm 2 .

次に、図1に示すように、上記のようにして作製したアノード1及びカソード(図示せず)をナフィオン117(登録商標)からなる電解質膜(2)の両面にホットプレスで接合し、得られた膜電極接合体10個を、シリコンゴム製のパッキン(3)とグラファイト製のバイポーラ型セパレータ(4)を介して積層した。さらに、図2に示すように、この積層体(5)を2枚の金属製集電板(6)で挾持したものを、シリコンゴム製の絶縁板(7)を介して、2枚の金属性エンドプレート(8)で挾持し、図3に示すように、これらエンドプレート同士をボルト(9)とナット(10)で結合することによって、直接メタノール型燃料電池スタック(11)を作製した。   Next, as shown in FIG. 1, the anode 1 and the cathode (not shown) produced as described above were joined to both surfaces of the electrolyte membrane (2) made of Nafion 117 (registered trademark) by hot pressing. Ten membrane electrode assemblies thus obtained were laminated via a silicon rubber packing (3) and a graphite bipolar separator (4). Further, as shown in FIG. 2, the laminate (5) held between two metal current collector plates (6) is joined to two metal plates via an insulating plate (7) made of silicon rubber. The end plate (8) was held, and as shown in FIG. 3, these end plates were joined together with bolts (9) and nuts (10) to produce a direct methanol fuel cell stack (11).

上記バイポーラ型セパレータ(4)には、片面に燃料供給用の溝(12)〔図示せず。図1においては、セパレータ(4)の裏面に形成されている。〕が設けられるとともに、燃料供給用の溝(12)に燃料を供給するためのマニホールド穴(13)がセパレータ(4)を貫通して形成されている。各セパレータ(4)の燃料供給用マニホールド穴(13)はスタック(11)を組み立てた状態で相互に連通するとともに、集電板(6)、積層体(5)、絶縁板(7)、エンドプレート(8)に設けられた燃料供給用マニホールド穴とも連通している。また、上記バイポーラ型セパレータ(4)には、燃料供給用の溝(12)から燃料を排出するためのマニホールド穴(14)がセパレータ(4)を貫通して形成されている。各セパレータ(4)の燃料排出用マニホールド穴(14)はスタック(11)を組み立てた状態で相互に連通するとともに、集電板(6)、積層体(5)、絶縁板(7)、エンドプレート(8)に設けられた燃料排出用マニホールド穴とも連通している。このことによって、燃料電池スタック(11)の外部からエンドプレート(8)の燃料供給用マニホールド穴に供給された燃料は、各バイポーラ型セパレータ(4)の燃料供給用の溝(12)を流れて各単電池のアノード(1)に供給される。アノード(1)で消費されなかった燃料は、アノード(1)で発生した反応生成物とともに、エンドプレート(8)の燃料排出用マニホールド穴から排出される。   The bipolar separator (4) has a fuel supply groove (12) on one side [not shown. In FIG. 1, it is formed on the back surface of the separator (4). ] And a manifold hole (13) for supplying fuel to the fuel supply groove (12) is formed through the separator (4). The fuel supply manifold holes (13) of each separator (4) communicate with each other in the assembled state of the stack (11), as well as the current collector plate (6), the laminate (5), the insulating plate (7), and the end. It communicates with a fuel supply manifold hole provided in the plate (8). The bipolar separator (4) is formed with a manifold hole (14) for discharging fuel from the fuel supply groove (12) so as to penetrate the separator (4). The fuel discharge manifold holes (14) of each separator (4) communicate with each other in the assembled state of the stack (11), as well as the current collector plate (6), the laminate (5), the insulating plate (7), and the end. It also communicates with a fuel discharge manifold hole provided in the plate (8). Thus, the fuel supplied from the outside of the fuel cell stack (11) to the fuel supply manifold hole of the end plate (8) flows through the fuel supply groove (12) of each bipolar separator (4). It is supplied to the anode (1) of each unit cell. The fuel not consumed at the anode (1) is discharged from the fuel discharge manifold hole of the end plate (8) together with the reaction product generated at the anode (1).

また、上記バイポーラ型セパレータ(4)には、燃料供給用の溝が設けられた面と反対側の面に、酸化剤供給用の溝(15)が設けられるとともに、酸化剤供給用の溝(15)に酸化剤を供給するためのマニホールド穴(16)がセパレータ(4)を貫通して形成されている。各セパレータ(4)の酸化剤供給用マニホールド穴(16)はスタック(11)を組み立てた状態で相互に連通するとともに、集電板(6)、積層体(5)、絶縁板(7)、エンドプレート(8)に設けられた酸化剤供給用マニホールド穴とも連通している。また、上記バイポーラ型セパレータ(4)には、酸化剤供給用の溝(15)から酸化剤を排出するためのマニホールド穴(17)がセパレータ(4)を貫通して形成されている。各セパレータ(4)の酸化剤排出用マニホールド穴(17)はスタック(11)を組み立てた状態で相互に連通するとともに、集電板(6)、積層体(5)、絶縁板(7)、エンドプレート(8)に設けられた酸化剤排出用マニホールド穴とも連通している。このことによって、燃料電池スタック(11)の外部からエンドプレート(8)の酸化剤供給用マニホールド穴に供給された酸化剤は、各バイポーラ型セパレータ(4)の酸化剤供給用の溝(15)を流れて各単電池のカソードに供給される。カソードで消費されなかった酸化剤は、カソードで発生した反応生成物とともに、エンドプレート(8)の酸化剤排出用マニホールド穴から排出される。   The bipolar separator (4) is provided with an oxidant supply groove (15) on the surface opposite to the surface on which the fuel supply groove is provided, and an oxidant supply groove ( A manifold hole (16) for supplying an oxidant to 15) is formed through the separator (4). The oxidant supply manifold holes (16) of the separators (4) communicate with each other in the assembled state of the stack (11), and the current collector plate (6), the laminate (5), the insulating plate (7), It communicates with an oxidant supply manifold hole provided in the end plate (8). The bipolar separator (4) is formed with a manifold hole (17) for discharging the oxidant from the groove (15) for supplying the oxidant so as to penetrate the separator (4). The oxidant discharge manifold holes (17) of the separators (4) communicate with each other in the assembled state of the stack (11), and the current collector plate (6), the laminate (5), the insulating plate (7), It communicates with an oxidant discharge manifold hole provided in the end plate (8). As a result, the oxidant supplied from the outside of the fuel cell stack (11) to the oxidant supply manifold hole of the end plate (8) becomes the oxidant supply groove (15) of each bipolar separator (4). Is supplied to the cathode of each unit cell. The oxidant not consumed at the cathode is discharged from the oxidant discharge manifold hole of the end plate (8) together with the reaction product generated at the cathode.

上記燃料電池スタック(11)を用いて、図4に示す燃料電池システムを構成した。ブロア(51)は、酸化剤としての空気を燃料電池スタック(11)に送り込む。ポンプ(52)は、燃料としての約3重量パーセントのメタノール水溶液を、燃料タンク(56)から燃料電池スタック(11)に送り込む。燃料電池スタック(11)では、空気中の酸素とメタノールが反応し、電力を発生する。発生した電力は、電力端子(63)および(64)から負荷に供給される。燃料電池スタック(11)の酸化剤排出用マニホールドからは、反応によって生成した水と、未反応の空気が排出され、ラジエータ(53)によって冷却された後に、排気口(65)から燃料電池システム外へ排出される。ラジエータ(53)で凝縮した水は、水タンク(54)へ回収される。   A fuel cell system shown in FIG. 4 was constructed using the fuel cell stack (11). The blower (51) sends air as an oxidant into the fuel cell stack (11). The pump (52) sends about 3 weight percent methanol aqueous solution as fuel from the fuel tank (56) to the fuel cell stack (11). In the fuel cell stack (11), oxygen in the air and methanol react to generate electric power. The generated electric power is supplied to the load from the power terminals (63) and (64). The water generated by the reaction and unreacted air are discharged from the oxidant discharge manifold of the fuel cell stack (11), cooled by the radiator (53), and then discharged from the exhaust port (65) to the outside of the fuel cell system. Is discharged. The water condensed by the radiator (53) is collected in the water tank (54).

運転に伴い、燃料中のメタノールが燃料電池スタック(11)で消費されるため、燃料タンク(56)の燃料中のメタノール濃度は徐々に低下する。燃料タンク(56)に設置されたメタノール濃度センサー(図示せず)および燃料温度センサー(図示せず)からの信号(92)が、制御装置(60)に送られ、制御装置(60)はこれらの信号(92)から燃料中のメタノール濃度を推定する。燃料中のメタノール濃度が2重量パーセント以下と推定された場合には、制御装置(60)は、信号(91)をバルブ(62)に送り、バルブ(62)を開く。これにより、高濃度燃料タンク(55)に貯蔵されている50〜60重量パーセントのメタノール水溶液が燃料タンク(56)に補給され、燃料タンク(56)の燃料のメタノール濃度を約3重量パーセントに調整する。   During operation, methanol in the fuel is consumed in the fuel cell stack (11), so that the concentration of methanol in the fuel in the fuel tank (56) gradually decreases. A signal (92) from a methanol concentration sensor (not shown) and a fuel temperature sensor (not shown) installed in the fuel tank (56) is sent to the control device (60), and the control device (60) The methanol concentration in the fuel is estimated from the signal (92). If the methanol concentration in the fuel is estimated to be 2 percent by weight or less, the controller (60) sends a signal (91) to the valve (62) and opens the valve (62). Thereby, 50 to 60 weight percent methanol aqueous solution stored in the high concentration fuel tank (55) is replenished to the fuel tank (56), and the methanol concentration of the fuel in the fuel tank (56) is adjusted to about 3 weight percent. To do.

また、燃料タンク(56)の液量が減少したことを、燃料タンク(56)に設置された液量センサー(図示せず)が検知すると、液量センサーから制御装置(60)に信号(92)が送られる。信号(92)を受け取った制御装置(60)は、バルブ(61)に信号(90)を送ってバルブ(61)を開く。これにより、水タンク(54)に貯蔵されている水が、燃料タンク(56)に補給され、燃料タンク(56)中の燃料液量を回復する。また、燃料中のメタノール濃度が4重量パーセントを越えたと制御装置(60)が推定した場合には、制御装置(60)は、信号(90)をバルブ(61)に送り、バルブ(61)を開く。これにより、水タンク(54)に貯蔵されている水が燃料タンク(56)に補給され、燃料タンク(56)の燃料のメタノール濃度を約3重量パーセントに調整する。   Further, when a liquid level sensor (not shown) installed in the fuel tank (56) detects that the liquid level in the fuel tank (56) has decreased, a signal (92) is sent from the liquid level sensor to the control device (60). ) Is sent. Upon receiving the signal (92), the control device (60) sends a signal (90) to the valve (61) to open the valve (61). Thereby, the water stored in the water tank (54) is replenished to the fuel tank (56), and the amount of fuel liquid in the fuel tank (56) is recovered. Further, when the control device (60) estimates that the methanol concentration in the fuel exceeds 4 weight percent, the control device (60) sends a signal (90) to the valve (61) and turns the valve (61) on. open. Thereby, the water stored in the water tank (54) is replenished to the fuel tank (56), and the methanol concentration of the fuel in the fuel tank (56) is adjusted to about 3 weight percent.

この燃料電池システムを用いて、毎分5リットルの空気と、毎分1リットルの燃料を燃料電池スタック(11)に供給したところ、70Wの電力が発生した。燃料タンク(56)に取り付けたベント(66)から排出された気体を収集し、ガスクロマトグラフィーで成分分析したところ、水素は検出されなかった。   When this fuel cell system was used to supply 5 liters of air per minute and 1 liter of fuel per minute to the fuel cell stack (11), 70 W of power was generated. When gas discharged from the vent (66) attached to the fuel tank (56) was collected and analyzed by gas chromatography, hydrogen was not detected.

続いて、この状態で、空気流量を毎分500ミリリットルに低下させたところ、燃料電池スタック(11)の電極間電圧は約4Vとなり、5Wの電力が発生した。燃料タンク(56)に取り付けたベント(66)から排出された気体を収集し、ガスクロマトグラフィーで分析したところ、水素の発生が確認された。水素発生速度は、毎分約10ミリリットルであった。   Subsequently, when the air flow rate was reduced to 500 milliliters per minute in this state, the voltage between the electrodes of the fuel cell stack (11) was about 4 V, and 5 W of power was generated. The gas discharged from the vent (66) attached to the fuel tank (56) was collected and analyzed by gas chromatography, and generation of hydrogen was confirmed. The hydrogen generation rate was about 10 milliliters per minute.

比較例の燃料電池システムに機能を付加し、ブロア(51)と燃料電池スタック(11)を接続する配管と、燃料タンク(56)の排気口(65)とを逆止弁(67)を介して接続した。逆止弁(67)は、ブロア(51)から燃料電池スタック(11)に供給される空気が燃料タンク(56)に流れないようにするための物である。接続部(68)はベンチュリ管構造になっており、ブロア(51)の吐出する空気の流れに燃料タンク(56)からの排気ガスが引き込まれるようになっている。従って、燃料電池スタック(11)のアノードから排出されたアノード排気ガスは、燃料タンク(56)を経由して、燃料電池スタック(11)のカソードに送り込まれる。アノード排気ガスに含まれる水素は、燃料電池スタック(11)のカソード内でカソード触媒によって酸化されて水になり、一部はラジエータ(53)によって回収されて、水タンク(54)に送られ、残りは排気口(65)から燃料電池システム外に排出される。本実施例の燃料電池システムの構成を図5に示す。   A function is added to the fuel cell system of the comparative example, and a pipe connecting the blower (51) and the fuel cell stack (11) and an exhaust port (65) of the fuel tank (56) are connected via a check valve (67). Connected. The check valve (67) is for preventing air supplied from the blower (51) to the fuel cell stack (11) from flowing into the fuel tank (56). The connecting portion (68) has a venturi structure, and exhaust gas from the fuel tank (56) is drawn into the flow of air discharged from the blower (51). Therefore, the anode exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell stack (11) is sent to the cathode of the fuel cell stack (11) via the fuel tank (56). Hydrogen contained in the anode exhaust gas is oxidized by the cathode catalyst in the cathode of the fuel cell stack (11) to become water, and part of it is recovered by the radiator (53) and sent to the water tank (54). The rest is discharged out of the fuel cell system through the exhaust port (65). The configuration of the fuel cell system of this example is shown in FIG.

上記の燃料電池システムを用いて、毎分5リットルの空気と、毎分1リットルの燃料を燃料電池スタック(11)に供給したところ、70Wの電力が発生した。   When the above fuel cell system was used to supply 5 liters of air per minute and 1 liter of fuel per minute to the fuel cell stack (11), 70 W of power was generated.

続いて、この状態で、空気流量を毎分500ミリリットルに低下させたところ、燃料電池スタック(11)の電極間電圧は約3Vとなり、4Wの電力が発生した。排気口(65)から排出された気体を収集し、ガスクロマトグラフィーで分析したところ、水素は検出されなかった。   Subsequently, in this state, when the air flow rate was reduced to 500 milliliters per minute, the voltage between the electrodes of the fuel cell stack (11) was about 3 V, and 4 W of power was generated. When gas discharged from the exhaust port (65) was collected and analyzed by gas chromatography, hydrogen was not detected.

実施例1において、比較例と比べて、電圧および電力が低下している原因は、アノード排気ガスをカソードに送っているために、カソードで水素およびメタノール蒸気の酸化反応が起ること、および、カソード排ガス中の二酸化炭素によって、カソードにおける酸素分圧が下るためと考えられる。後者の現象は、通常運転時に充分な酸素供給がなされているために水素発生が起らない条件においても生じ、燃料電池システムの効率を下げる。これを回避するために、図6に示すように、燃料タンク(56)からの排気を三方コック(69)で切り替えるようにして、制御装置(60)が水素発生条件を検知した場合のみ、信号(93)によって三方コック(69)を切り替えて燃料タンク(56)からの排気ガスを燃料電池スタック(11)のカソードに導くようにした。   In Example 1, compared with the comparative example, the cause of the decrease in voltage and power is that the anode exhaust gas is sent to the cathode, so that an oxidation reaction of hydrogen and methanol vapor occurs at the cathode, and It is thought that the oxygen partial pressure at the cathode decreases due to carbon dioxide in the cathode exhaust gas. The latter phenomenon occurs even under conditions in which hydrogen generation does not occur because sufficient oxygen is supplied during normal operation, thereby reducing the efficiency of the fuel cell system. In order to avoid this, as shown in FIG. 6, the exhaust from the fuel tank (56) is switched by the three-way cock (69), and the signal is generated only when the control device (60) detects the hydrogen generation condition. The three-way cock (69) is switched by (93) to guide the exhaust gas from the fuel tank (56) to the cathode of the fuel cell stack (11).

なお、上記の実施例は、本発明への理解を容易にするために例として挙げたものに過ぎず、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施例では、ポンプなどの動力装置で燃料や空気を燃料電池スタックに送り込む、アクティブ型と呼ばれる直接メタノール型燃料電池システムを例にとって説明を行ったが、燃料や空気の供給にポンプなどの動力機器を用いない、パッシブ型と呼ばれるタイプの直接メタノール型燃料電池システムにも、本発明は好適に用いられる。   In addition, said Example is only what was given as an example in order to make an understanding to this invention easy, and does not limit the scope of the present invention at all. In the embodiments, a direct methanol fuel cell system called an active type in which fuel or air is sent to a fuel cell stack by a power device such as a pump has been described as an example. However, a power device such as a pump is used to supply fuel or air. The present invention is also suitably used for a direct methanol fuel cell system of a type called a passive type that does not use the.

本発明によって、直接メタノール型燃料電池システムから外部環境への水素の放出が抑制されるため、安全性の高い直接メタノール型燃料電池システムが得られる。特に、飛行機や鉄道などの輸送機関に持ち込まれたり、衣服のポケット内に携帯される直接メタノール型燃料電池の安全性を高める事ができるため、直接メタノール型燃料電池の実用化に本発明は大きく貢献できる。   According to the present invention, since the release of hydrogen from the direct methanol fuel cell system to the external environment is suppressed, a highly safe direct methanol fuel cell system can be obtained. In particular, since the safety of a direct methanol fuel cell that is brought into a transportation system such as an airplane or railroad or carried in a pocket of clothes can be improved, the present invention is greatly applied to the practical application of a direct methanol fuel cell. Can contribute.

実施例および比較例の単電池の構成図であるIt is a block diagram of the cell of an Example and a comparative example. 実施例および比較例の燃料電池スタックの構成図であるIt is a block diagram of the fuel cell stack of an Example and a comparative example. 実施例および比較例の燃料電池スタックの斜視図であるIt is a perspective view of the fuel cell stack of an Example and a comparative example. 比較例の燃料電池システムの構成図であるIt is a block diagram of the fuel cell system of a comparative example. 実施例1の燃料電池システムの構成図であるIt is a block diagram of the fuel cell system of Example 1. 実施例2の燃料電池システムの構成図であるIt is a block diagram of the fuel cell system of Example 2.

符号の説明Explanation of symbols

1 アノード
2 電解質膜
3 パッキン
4 セパレータ
5 積層体
6 集電板
7 絶縁板
8 エンドプレート
9 ボルト
10 ナット
11 燃料電池スタック
12 燃料供給用の溝
13 燃料供給用マニホールド穴
14 燃料排出用マニホールド穴
15 酸化剤供給用の溝
16 酸化剤供給用マニホールド穴
17 酸化剤排出用マニホールド穴
51 ブロア
52 ポンプ
53 ラジエータ
54 水タンク
55 高濃度燃料タンク
56 燃料タンク
60 制御装置
61,62 バルブ
63,64 電力端子
65 排気口
66 ベント
67 逆止弁
68 接続部
69 三方コック
90〜93 信号
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Anode 2 Electrolyte membrane 3 Packing 4 Separator 5 Laminate 6 Current collecting plate 7 Insulating plate 8 End plate 9 Bolt 10 Nut 11 Fuel cell stack 12 Groove for fuel supply 13 Manifold hole for fuel supply 14 Manifold hole for fuel discharge 15 Oxidation Groove for supplying agent 16 Manifold hole for supplying oxidant 17 Manifold hole for discharging oxidant 51 Blower 52 Pump 53 Radiator 54 Water tank 55 High concentration fuel tank 56 Fuel tank 60 Controller 61, 62 Valve 63, 64 Power terminal 65 Exhaust Port 66 Vent 67 Check valve 68 Connection part 69 Three-way cock 90-93 Signal

Claims (5)

固体高分子電解質膜を電解質とする直接型燃料電池と、前記直接型燃料電池のアノードに有機物あるいは有機物溶液を供給する燃料供給手段と、前記直接型燃料電池のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備えた直接型燃料電池システムにおいて、前記アノードから排出されるガスを前記カソードに送りこみ、該ガスに含まれる水素ガスをカソードで酸化して水素ガスを除去した後に、直接型燃料電池システム外に排出することを特徴とする直接型燃料電池システム。   A direct fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte, a fuel supply means for supplying an organic substance or an organic solution to the anode of the direct fuel cell, and an oxidant for supplying an oxidant to the cathode of the direct fuel cell A direct fuel cell system comprising: a supply means; a gas discharged from the anode is sent to the cathode, and hydrogen gas contained in the gas is oxidized at the cathode to remove the hydrogen gas; A direct fuel cell system, wherein the direct fuel cell system is discharged outside the fuel cell system. 前記アノードから排出されるガスを前記カソードに送りこむ配管に水素透過膜を設けることを特徴とする請求項1に記載の直接型燃料電池システム。   2. The direct fuel cell system according to claim 1, wherein a hydrogen permeable membrane is provided in a pipe for sending the gas discharged from the anode to the cathode. 前記アノードから水素ガスが発生する条件を検知する制御装置を設けて、前記制御装置が水素ガス発生条件を検知した場合に、前記アノードから排出されるガスを前記カソードに送りこむことを特徴とする請求項1又は2に記載の直接型燃料電池システム。   A control device for detecting a condition for generating hydrogen gas from the anode is provided, and when the control device detects a hydrogen gas generation condition, gas discharged from the anode is sent to the cathode. Item 3. The direct fuel cell system according to Item 1 or 2. 前記アノードから排出されるガスを直接型燃料電池システム外に排出する配管に三方コックを設け、前記制御装置が水素ガス発生条件を検知した場合に、前記三方コックを切り替えて、前記アノードから排出されるガスを前記カソードに送りこむことを特徴とする請求項3に記載の直接型燃料電池システム。   A three-way cock is provided in a pipe for discharging the gas discharged from the anode to the outside of the direct fuel cell system, and when the control device detects a hydrogen gas generation condition, the three-way cock is switched to be discharged from the anode. The direct fuel cell system according to claim 3, wherein a gas is sent to the cathode. 前記アノードから排出されるガスを、燃料タンクを介して直接型燃料電池システム外に排出することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の直接型燃料電池システム。   The direct fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the gas discharged from the anode is discharged out of the direct fuel cell system via a fuel tank.
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