JP2019061918A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム、詳しくは、液体燃料が供給される燃料電池を備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system provided with a liquid fuel supplied fuel cell.
従来、車両などに搭載される燃料電池システムとして、ヒドラジンを含有する液体燃料を使用する燃料電池システムが知られている。 BACKGROUND Conventionally, a fuel cell system using a liquid fuel containing hydrazine is known as a fuel cell system mounted on a vehicle or the like.
そのような燃料電池システムとしては、例えば、電解質膜の一方面および他方面にそれぞれアノードおよびカソードを接合してなる膜/電極接合体を備える燃料電池と、アノードに燃料を供給する燃料供給路と、カソードに空気を供給する空気供給路とを備える燃料電池システムが、知られている(例えば、特許文献1参照。)。 As such a fuel cell system, for example, a fuel cell provided with a membrane / electrode assembly in which an anode and a cathode are respectively joined to one surface and the other surface of an electrolyte membrane, a fuel supply path for supplying fuel to the anode There is known a fuel cell system including an air supply path for supplying air to the cathode (see, for example, Patent Document 1).
そのような燃料電池では、燃料側電極に液体燃料が供給されるとともに、酸素側電極に空気が供給されることによって、下記式(1)および(2)に示す電気化学反応が生じ、起電力が発生する。 In such a fuel cell, the liquid fuel is supplied to the fuel side electrode and the air is supplied to the oxygen side electrode, whereby the electrochemical reaction shown in the following formulas (1) and (2) occurs, and the electromotive force Occurs.
(1)N2H4+4OH−→N2+4H2O+4e−(燃料側電極での反応)
(2)O2+2H2O+4e−→4OH− (酸素側電極での反応)
(1) N 2 H 4 + 4 OH − → N 2 + 4 H 2 O + 4 e − (Reaction at fuel side electrode)
(2) O 2 + 2H 2 O + 4 e − → 4 OH − (Reaction on the oxygen side electrode)
一方、燃料電池システムとしては、発電効率の向上が要求されており、さらには、使用に伴う損傷の抑制も要求されている。 On the other hand, as a fuel cell system, improvement in power generation efficiency is required, and further, suppression of damage associated with use is also required.
本発明は、発電効率に優れ、使用に伴う損傷が抑制された燃料電池システムである。 The present invention is a fuel cell system which is excellent in power generation efficiency and in which damage due to use is suppressed.
本発明[1]は、アニオン成分が移動可能な電解質層と、前記電解質層の一方側に配置されるアノード電極と、前記電解質層の他方側に配置されるカソード電極とを有する燃料電池と、前記アノード電極に液体燃料を供給する燃料供給部と、前記カソード電極に空気を供給する酸素供給部と、前記燃料電池から電力を取り出す電力取出手段と、前記燃料供給部および前記酸素供給部を制御する制御手段とを備え、前記液体燃料は、ヒドラジン類を含み、前記アノード電極は、PtNi合金と、Pt単体とを含み、前記制御手段は、前記燃料電池の運転開始時に、まず、前記酸素供給部に前記空気を供給させ、次いで、前記燃料供給部に前記液体燃料を供給させる、燃料電池システムを含んでいる。 The present invention [1] comprises a fuel cell having an electrolyte layer capable of moving an anion component, an anode electrode disposed on one side of the electrolyte layer, and a cathode electrode disposed on the other side of the electrolyte layer; A fuel supply unit for supplying liquid fuel to the anode electrode, an oxygen supply unit for supplying air to the cathode electrode, power extraction means for extracting electric power from the fuel cell, the fuel supply unit and the oxygen supply unit are controlled Control means, the liquid fuel includes hydrazines, the anode electrode includes PtNi alloy and Pt alone, and the control means first supplies the oxygen at the start of operation of the fuel cell. A fuel cell system for supplying the air to the unit and then supplying the liquid fuel to the fuel supply unit.
本発明の燃料電池システムでは、液体燃料がヒドラジン類を含み、また、アノード電極がPtNi合金およびPt単体を含んでいる。 In the fuel cell system of the present invention, the liquid fuel contains hydrazines, and the anode electrode contains PtNi alloy and Pt alone.
このような燃料電池システムでは、アノード電極に液体燃料が供給されると、アノード電極において、PtNi合金がヒドラジン分解触媒として作用し、下記式(3)に示すように、ヒドラジン類を窒素と水素とに分解する。 In such a fuel cell system, when liquid fuel is supplied to the anode electrode, the PtNi alloy acts as a hydrazine decomposition catalyst at the anode electrode, and as shown in the following formula (3), hydrazines are nitrogen and hydrogen Disassemble.
(3)N2H4→N2+2H2
次いで、アノード電極において、Pt単体が水素酸化触媒として作用し、下記式(4)に示すように、ヒドラジンの分解により生じた水素を酸化する。
(3) N 2 H 4 → N 2 + 2H 2
Next, at the anode electrode, Pt alone acts as a hydrogen oxidation catalyst to oxidize hydrogen generated by decomposition of hydrazine as shown in the following formula (4).
(4)2H2+4OH−→4H2O+4e−
このようにして生じた水は、電解質層を透過してカソード電極に漏出し、カソード電極に供給される空気を加湿する。
(4) 2H 2 + 4 OH − → 4 H 2 O + 4 e −
The water thus generated permeates through the electrolyte layer and leaks to the cathode electrode to humidify the air supplied to the cathode electrode.
これにより、カソード電極において、下記式(5)に示す電気化学反応が生じる。 Thereby, at the cathode electrode, an electrochemical reaction shown in the following formula (5) occurs.
(5)O2+2H2O+4e−→4OH−
つまり、燃料電池全体として下記式(6)に示す反応が連続的に生じて、燃料電池に起電力が発生する。
(5) O 2 + 2H 2 O + 4 e − → 4 OH −
That is, the reaction represented by the following formula (6) continuously occurs in the entire fuel cell, and an electromotive force is generated in the fuel cell.
(6) N2H4+O2→N2+2H2O
このような電気化学反応によれば、上記式(1)および上記式(2)で示されるような、ヒドラジンが直接酸化される電気化学反応に比べ、効率的に電力を取り出すことができる。
(6) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O
According to such an electrochemical reaction, electric power can be efficiently extracted as compared with the electrochemical reaction in which hydrazine is directly oxidized as represented by the above-mentioned formula (1) and the above-mentioned formula (2).
それに加えて、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池の運転開始時には、制御手段が、まず、酸素供給部に空気を供給させ、次いで、燃料供給部に液体燃料を供給させる。 In addition, in the fuel cell system of the present invention, at the start of operation of the fuel cell, the control means first causes the oxygen supply unit to supply air, and then causes the fuel supply unit to supply liquid fuel.
すなわち、燃料電池の運転開始時において、液体燃料よりも先に、空気の供給が開始される。 That is, at the start of operation of the fuel cell, the supply of air is started prior to the liquid fuel.
そのため、上記式(1)で示されるように、液体燃料が水素および窒素に分解され、その水素がカソード電極に漏出する場合にも、カソード電極側において、水素を空気により持ち出すことができ、水素が堆積することを抑制できる。これにより、カソード電極側において、水素の濃度を爆発限界(4体積%)以下に維持することができる。 Therefore, as shown in the above equation (1), even when the liquid fuel is decomposed into hydrogen and nitrogen and the hydrogen leaks to the cathode electrode, the hydrogen can be carried out by the air on the cathode electrode side, so that hydrogen Can be prevented from depositing. Thereby, on the cathode electrode side, the concentration of hydrogen can be maintained at the explosion limit (4% by volume) or less.
その結果、本発明の燃料電池システムによれば、カソード電極側における水素爆発の発生を防止することができ、燃料電池の使用に伴う損傷を抑制することができる。 As a result, according to the fuel cell system of the present invention, it is possible to prevent the occurrence of hydrogen explosion on the cathode electrode side, and it is possible to suppress the damage associated with the use of the fuel cell.
1.燃料電池システムの全体構成
図1において、電動車両1は、燃料電池およびバッテリを選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、燃料電池システム2を搭載している。
1. General Configuration of Fuel Cell System In FIG. 1, an
燃料電池システム2は、燃料電池3と、燃料給排部4と、空気給排部5と、制御部6と、動力部7とを備えている。
(1)燃料電池
燃料電池3は、液体燃料が直接供給される固体高分子型燃料電池(アニオン交換型燃料電池)である。燃料電池3は、電動車両1の中央下側に配置されている。
The fuel cell system 2 includes a
(1) Fuel Cell The
燃料電池3は、膜電極接合体11と、燃料供給部材12と、酸素供給部材17とを備える燃料電池セル(単位セル)が、複数積層されたスタック構造に形成されている。なお、図2では、複数の単位セルのうち1つだけを燃料電池3として表し、その他の単位セルについては省略している。
The
図2に示すように、膜電極接合体11は、電解質層8と、アノード電極9と、カソード電極10とを備えている。アノード電極9およびカソード電極10は、電解質層8を挟んで対向配置される。
As shown in FIG. 2, the
電解質層8は、アニオン成分が移動可能であって、アニオン交換膜から形成されている。アニオン交換膜としては、アニオン成分(例えば、水酸化物イオン(OH−)など)が移動可能な媒体であれば、特に限定されず、例えば、4級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜(アニオン交換樹脂)が挙げられる。 The electrolyte layer 8 is capable of moving an anion component, and is formed of an anion exchange membrane. The anion exchange membrane, anion component (e.g., a hydroxide ion (OH -), etc.) as long as the movable medium is not particularly limited, for example, quaternary ammonium groups, the anion-exchange group such as a pyridinium group The solid polymer membrane (anion exchange resin) which it has can be mentioned.
電解質層8の厚みは、例えば、5μm以上、好ましくは、10μm以上であり、例えば、200μm以下、好ましくは、50μm以下である。 The thickness of the electrolyte layer 8 is, for example, 5 μm or more, preferably 10 μm or more, and for example, 200 μm or less, preferably 50 μm or less.
アノード電極9は、電解質層8の一方側に配置される。アノード電極9の厚みは、例えば、10μm以上、好ましくは、20μm以上、例えば、200μm以下、好ましくは、100μm以下である。なお、アノード電極9の詳細については後述する。 The anode electrode 9 is disposed on one side of the electrolyte layer 8. The thickness of the anode electrode 9 is, for example, 10 μm or more, preferably 20 μm or more, for example, 200 μm or less, preferably 100 μm or less. The details of the anode electrode 9 will be described later.
カソード電極10は、電解質層8の他方側(電解質層8に対してアノード電極9の反対側)に配置される。カソード電極10は、例えば、カソード触媒を含有している。カソード電極10は、例えば、カソード触媒を担持した触媒担体(例えば、カーボンなどの多孔質物質など)により形成されている。また、触媒担体を用いずに、カソード触媒を、直接、カソード電極10として形成してもよい。
The
カソード触媒としては、例えば、金属単体、遷移金属錯体などが挙げられる。 As a cathode catalyst, a metal simple substance, a transition metal complex, etc. are mentioned, for example.
金属単体としては、例えば、白金族元素(ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt))、鉄族元素(鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni))などの周期表第8〜10(VIII)族元素や、例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)などの周期表第11(IB)族元素、さらには亜鉛(Zn)などが挙げられる。このような金属単体は、単独使用または2種以上併用することができる。 Examples of the metal simple substance include platinum group elements (ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt)), iron group elements (iron (Fe) Periodic table group 8 to 10 (VIII) elements such as cobalt (Co) and nickel (Ni), for example, periodic table 11 (IB) such as copper (Cu), silver (Ag) and gold (Au) Group elements, furthermore, zinc (Zn) and the like. Such a single metal can be used alone or in combination of two or more.
遷移金属錯体は、遷移金属元素(中心金属)に有機化合物が配位した金属錯体である。遷移金属元素としては、例えば、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)が挙げられる。このような遷移金属は、単独使用または2種以上併用することができる。 The transition metal complex is a metal complex in which an organic compound is coordinated to a transition metal element (central metal). As a transition metal element, for example, scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper ( Cu), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), technetium (Tc), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), lanthanum ( La), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au). Such transition metals can be used alone or in combination of two or more.
遷移金属元素に配位する有機化合物としては、例えば、ピロール、ポルフィリン、テトラメトキシフェニルポルフィリン、ジベンゾテトラアザアヌレン、フタロシアニン、コリン、クロリン、フェナントロリン、サルコミン、ナイカルバジン、ピペミド酸系化合物、アミノベンズイミダゾール、アミノアンチピリン、またはこれらの重合体が挙げられる。このような有機化合物は、単独使用または2種以上併用することができる。 Examples of the organic compound which coordinates to the transition metal element include pyrrole, porphyrin, tetramethoxyphenyl porphyrin, dibenzotetraazaannulene, phthalocyanine, choline, chlorin, phenanthroline, sarcomine, nicarbazin, pipemidic acid type compound, aminobenzimidazole, amino Antipyrine or polymers thereof are mentioned. Such organic compounds can be used alone or in combination of two or more.
カソード電極10の厚みは、例えば、0.1μm以上、好ましくは、1μm以上、例えば、100μm以下、好ましくは、10μm以下である。
The thickness of the
燃料供給部材12は、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面がアノード電極9に対向接触されている。燃料供給部材12には、アノード電極9の全体に燃料を接触させるための燃料側流路13が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。また、燃料供給部材12には、その上流側端部および下流側端部に、燃料側流路13に連通する供給口15および排出口14が形成されている。
The
酸素供給部材17は、燃料供給部材12と同様に、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面がカソード電極10に対向接触されている。酸素供給部材17には、カソード電極10の全体に酸素(空気)を接触させるための酸素側流路18が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。酸素側流路18には、その上流側端部および下流側端部に、酸素側流路18に連通する供給口19および排出口20が形成されている。
Similar to the
(2)燃料給排部
図1に示すように、燃料給排部4は、燃料供給部の一例としての燃料供給ユニット21と、燃料排出ライン31と、気液分離器23と、還流ライン32とを備えている。
(2) Fuel Supply and Discharge Unit As shown in FIG. 1, the fuel supply and discharge unit 4 includes a
燃料供給ユニット21は、アノード電極9に液体燃料を供給するように構成されている。燃料供給ユニット21は、燃料タンク22と、燃料供給ライン30と、燃料供給ポンプ33と、燃料供給弁34とを備えている。
The
燃料タンク22は、電動車両1の後側であって、燃料電池3よりも後方に配置されている。燃料タンク22には、液体燃料が貯留されている。液体燃料は、ヒドラジン類を含む。
The
詳しくは、液体燃料は、ヒドラジン類と、水とを含有しており、好ましくは、ヒドラジン類と、水とからなる。つまり、液体燃料は、ヒドラジン類が水に溶解される水溶液である。 Specifically, the liquid fuel contains hydrazines and water, and preferably comprises hydrazines and water. That is, the liquid fuel is an aqueous solution in which hydrazines are dissolved in water.
ヒドラジン類としては、例えば、ヒドラジン(NH2NH2)、水加ヒドラジン(NH2NH2・H2O)、炭酸ヒドラジン((NH2NH2)2CO2)、塩酸ヒドラジン(NH2NH2・HCl)、硫酸ヒドラジン(NH2NH2・H2SO4)、モノメチルヒドラジン(CH3NHNH2)、ジメチルヒドラジン((CH3)2NNH2、CH3NHNHCH3)、カルボンヒドラジド((NHNH2)2CO)などが挙げられる。
As the hydrazines, for example, hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrazine hydrate (NH 2 NH 2 · H 2 O), hydrazine carbonate ((NH 2 NH 2 ) 2 CO 2 ), hydrazine hydrochloride (NH 2 NH 2) · HCl), hydrazine sulfate (NH 2 NH 2 · H 2 SO 4), monomethyl
ヒドラジン類は、単独または2種類以上併用することができる。ヒドラジン類のなかでは、好ましくは、炭素を含まないヒドラジン類、すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどが挙げられ、さらに好ましくは、水加ヒドラジンが挙げられる。 The hydrazines can be used alone or in combination of two or more. Among hydrazines, preferably, non-carbon-containing hydrazines, that is, hydrazine, hydrazine hydrate, hydrazine sulfate and the like can be mentioned, and more preferably hydrazine hydrate can be mentioned.
液体燃料に対するヒドラジン類の濃度は、例えば、0.1体積%以上、好ましくは、0.5体積%以上、例えば、20体積%未満、好ましくは、10体積%以下、さらに好ましくは、5体積%以下である。 The concentration of hydrazines to the liquid fuel is, for example, 0.1% by volume or more, preferably 0.5% by volume or more, for example, less than 20% by volume, preferably 10% by volume or less, more preferably 5% by volume It is below.
しかるに、アノード電極9に供給された液体燃料が、電解質層8を透過してカソード電極10に漏出すると、カソード電極10において、液体燃料に含まれるヒドラジン類と酸素との反応によって、活性種(強い攻撃種)が生じ、燃料電池3の出力が低下する場合がある。
However, when the liquid fuel supplied to the anode electrode 9 permeates the electrolyte layer 8 and leaks to the
しかし、液体燃料に対するヒドラジン類の濃度が上記上限以下であると、例え、液体燃料が電解質層8を透過してカソード電極10に漏出しても、ヒドラジン類と酸素との反応を抑制でき、燃料電池3の出力低下を抑制できる。また、液体燃料に対するヒドラジン類の濃度が上記下限以上であると、燃料電池3の発電反応に必要な水素量を十分に確保することができ、燃料電池3の出力性能を確実に確保できる。
However, even if the liquid fuel passes through the electrolyte layer 8 and leaks to the
また、液体燃料は、好ましくは、支持電解質として、アルカリ金属水酸化物を含有する。すなわち、液体燃料は、好ましくは、ヒドラジン類と、水と、アルカリ金属水酸化物とからなる。 In addition, the liquid fuel preferably contains an alkali metal hydroxide as a supporting electrolyte. That is, the liquid fuel preferably comprises hydrazines, water and an alkali metal hydroxide.
アルカリ金属水酸化物としては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどが挙げられる。これらは、単独使用または2種類以上併用することができる。アルカリ金属水酸化物として、好ましくは、水酸化カリウムが挙げられる。 Examples of the alkali metal hydroxide include potassium hydroxide and sodium hydroxide. These can be used alone or in combination of two or more. As an alkali metal hydroxide, Preferably, potassium hydroxide is mentioned.
液体燃料に対するアルカリ金属水酸化物の濃度は、例えば、1質量%以上、好ましくは、1.5質量%以上、より好ましくは、2質量%以上、さらに好ましくは、2.5質量%以上であり、例えば、10質量%以下、好ましくは、8質量%以下、より好ましくは、7質量%以下、さらに好ましくは、6質量%以下である。 The concentration of the alkali metal hydroxide relative to the liquid fuel is, for example, 1% by mass or more, preferably 1.5% by mass or more, more preferably 2% by mass or more, and still more preferably 2.5% by mass or more. For example, the content is 10% by mass or less, preferably 8% by mass or less, more preferably 7% by mass or less, and still more preferably 6% by mass or less.
液体燃料がアルカリ金属水酸化物を上記の割合で含んでいれば、発電効率の向上を図ることができる。 If the liquid fuel contains an alkali metal hydroxide in the above proportion, the power generation efficiency can be improved.
燃料供給ライン30は、燃料タンク22から燃料電池3(具体的には、燃料側流路13)に液体燃料を輸送するための配管である。燃料供給ライン30の上流側端部は、燃料タンク22に接続されている。燃料供給ライン30の下流側端部は、燃料側流路13の供給口15に接続されている(図2参照)。
The
燃料供給ポンプ33は、燃料タンク22と燃料電池3との間において、燃料供給ライン30に設けられている。燃料供給ポンプ33は、例えば、公知の送液ポンプである。
The fuel supply pump 33 is provided on the
燃料供給弁34は、燃料供給ポンプ33と燃料タンク22との間において、燃料供給ライン30に設けられている。燃料供給弁34は、燃料供給ライン30を開閉するための公知の開閉弁である。
The
そして、燃料供給弁34が燃料供給ライン30を開放するとともに、燃料供給ポンプ33が駆動することにより、液体燃料が、燃料タンク22から燃料電池3の燃料側流路13に供給される。なお、燃料供給ユニット21は、燃料タンク22から燃料電池3に供給される液体燃料に含まれるヒドラジンを、水素に改質するための改質機を備えていない。
Then, the
燃料排出ライン31は、燃料電池3(具体的には、燃料側流路13)から排出される液体燃料を輸送するための配管である。燃料排出ライン31の上流側端部は、燃料側流路13の排出口14に接続されている(図2参照)。燃料排出ライン31の下流側端部は、気液分離器23の下部に接続されている。
The
気液分離器23は、燃料排出ライン31と還流ライン32との間に介在されている。気液分離器23は、例えば、中空の容器からなる。気液分離器23の下部には、燃料排出ライン31の下流側端部が接続されている。また、気液分離器23の上部には、ガス排出管26が接続されている。
The gas-
ガス排出管26は、気液分離器23で分離されたガス(気体)を電動車両1から排出するための配管である。ガス排出管26の上流側端部は、気液分離器23の上部に接続されている。ガス排出管26の下流側端部は大気開放されている。ガス排出管26の途中には、ガス排出弁27が設けられている。
The
ガス排出弁27は、ガス排出管26を開放して気液分離器23内の圧力を開放するための弁であって、例えば、公知の開閉弁が用いられる。
The
還流ライン32は、気液分離器23で分離された液体燃料を、気液分離器23から燃料供給ライン30に輸送するための配管である。還流ライン32の上流側端部は、気液分離器23の下部に接続されている。還流ライン32の下流側端部は、燃料供給ポンプ33と燃料供給弁34との間において、燃料供給ライン30に接続されている。これにより、燃料供給ライン30、燃料電池3(燃料側流路13)、燃料排出ライン31、気液分離器23および還流ライン32は、クローズドライン(閉流路)を形成する。
The
そして、燃料電池3から排出された液体燃料は、燃料排出ライン31を介して、気液分離器23に流入した後、ガスが分離され、還流ライン32を介して燃料供給ライン30に戻される。
The liquid fuel discharged from the
(3)空気給排部
空気給排部5は、酸素供給部の一例としての空気供給ユニット24と、空気排出ライン42とを備えている。
(3) Air Supply and Discharge Unit The air supply and discharge unit 5 includes an
空気供給ユニット24は、カソード電極10に酸素(空気)を供給するように構成されている。空気供給ユニット24は、空気供給ライン41と、空気供給ポンプ43と、空気供給弁44とを備えている。
The
空気供給ライン41は、電動車両1の外部から燃料電池3(具体的には、酸素側流路18)に空気を送るための配管である。空気供給ライン41の上流側端部は、大気中に開放されている。空気供給ライン41の下流端部は、酸素側流路18の供給口19に接続されている(図2参照)。
The
空気供給ポンプ43は、空気供給ライン41の途中に設けられている。空気供給ポンプ43は、例えば、公知のガスポンプである。
The air supply pump 43 is provided in the middle of the
空気供給弁44は、空気供給ポンプ43と燃料電池3との間において、空気供給ライン41に設けられている。空気供給弁44は、空気供給ライン41を開閉するための公知の開閉弁である。
The
このような空気給排部5では、空気供給弁44が空気供給ライン41を開放するとともに、空気供給ポンプ43が駆動することにより、空気が、電動車両1の外部から燃料電池3の酸素側流路18に供給される。
In the air supply / discharge unit 5 as described above, the
空気排出ライン42は、燃料電池3(具体的には、酸素側流路18)から排出される空気を送るための配管である。空気排出ライン42の上流側端部は、酸素側流路18の排出口20に接続されている。空気排出ライン42の下流側端部は、ドレンとされる。
The
そして、燃料電池3から排出された空気は、空気排出ライン42を介して、電動車両1の外部に排出される。
Then, the air discharged from the
(4)制御部
制御部6は、制御手段の一例としてのコントロールユニット29を備えている。コントロールユニット29は、電動車両1における電気的な制御を実行するユニット(例えば、ECU:Electronic Control Unit)であり、CPU、ROMおよびRAMなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。
(4) Control part The control part 6 is equipped with the control unit 29 as an example of a control means. The control unit 29 is a unit (for example, an ECU: Electronic Control Unit) that executes electrical control in the electrically
コントロールユニット29は、燃料供給ユニット21および空気供給ユニット24に電気的に接続されており、燃料供給ユニット21および空気供給ユニット24を制御可能としている。
The control unit 29 is electrically connected to the
より具体的には、コントロールユニット29は、燃料供給ユニット21の燃料供給ポンプ33および燃料供給弁34に電気的に接続されている(図1の破線参照)。これにより、コントロールユニット29は、燃料供給ポンプ33の駆動および停止を適宜制御するとともに、燃料供給弁34の開閉を適宜制御する。
More specifically, the control unit 29 is electrically connected to the fuel supply pump 33 and the
また、コントロールユニット29は、空気供給ユニット24の空気供給ポンプ43および空気供給弁44に電気的に接続されている(図1の破線参照)。これにより、コントロールユニット29は、空気供給ポンプ43の駆動および停止を適宜制御するとともに、空気供給弁44の開閉を適宜制御する。
The control unit 29 is also electrically connected to the air supply pump 43 and the
さらに、コントロールユニット29は、ガス排出弁27にも電気的に接続されており、これにより、ガス排出弁27の開閉を適宜制御する。
Furthermore, the control unit 29 is also electrically connected to the
(5)動力部
動力部7は、モータ37と、インバータ38と、バッテリ40と、コンバータ36とを備えている。
(5) Power Unit The power unit 7 includes a
モータ37は、燃料電池3から出力される電気エネルギーを電動車両1の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ37は、電動車両1の前側であって、燃料電池3よりも前方に配置されている。
The
インバータ38は、燃料電池3で発電された直流電力を交流電力に変換する装置である。インバータ38は、モータ37と燃料電池3との間に配置されている。インバータ38は、配線により、燃料電池3およびモータ37にそれぞれ電気的に接続されている。
The
バッテリ40は、モータ37による回生エネルギーを蓄電する。バッテリ40は、インバータ38と燃料電池3との間の配線により接続される。これにより、バッテリ40は、燃料電池3からの電力を蓄電可能、かつ、モータ37に電力を供給可能である。
The
コンバータ36は、燃料電池3の出力電圧を昇降圧する機能を有し、燃料電池3の電力およびバッテリ40の入出力電力を調整する機能を有している。コンバータ36は、バッテリ40と燃料電池3との間に配置されている。コンバータ36は、コントロールユニット29と電気的に接続されており(図1の破線参照)、これにより、コントロールユニット29から出力される出力制御信号の入力に応じて、燃料電池3の出力を制御する。
The
また、コンバータ36は、配線により、燃料電池3およびバッテリ40にそれぞれ電気的に接続されているとともに、配線の分岐により、インバータ38に電気的に接続されている。これにより、コンバータ36からモータ37への電力は、インバータ38において直流電力から交流電力に変換され、モータ37に供給される。
The
2.アノード電極の詳細
図2に示すように、アノード電極9は、アノード触媒として、PtNi合金と、Pt単体とを含有している。
2. Details of Anode Electrode As shown in FIG. 2, the anode electrode 9 contains a PtNi alloy and a single Pt as an anode catalyst.
PtNi合金は、ヒドラジン分解触媒であって、白金(Pt)とニッケル(Ni)との合金である。 The PtNi alloy is a hydrazine decomposition catalyst and is an alloy of platinum (Pt) and nickel (Ni).
PtNi合金における白金の含有割合は、白金およびニッケルの総モル数に対して、例えば、1モル%以上、好ましくは、5モル%以上、例えば、70モル%以下、好ましくは、60モル%以下である。 The content ratio of platinum in the PtNi alloy is, for example, 1 mol% or more, preferably 5 mol% or more, for example 70 mol% or less, preferably 60 mol% or less, based on the total number of moles of platinum and nickel. is there.
PtNi合金におけるニッケルの含有割合は、白金およびニッケルの総モル数に対して、例えば、30モル%以上、好ましくは、40モル%以上、例えば、99モル%以下、好ましくは、95モル%以下である。 The content ratio of nickel in the PtNi alloy is, for example, 30 mol% or more, preferably 40 mol% or more, for example 99 mol% or less, preferably 95 mol% or less, based on the total number of moles of platinum and nickel. is there.
このようなPtNi合金は、好ましくは、触媒担体に担持される。つまり、アノード電極9は、好ましくは、PtNi合金を担持した触媒担体(以下、PtNi担持担体とする。)を含有する。 Such PtNi alloy is preferably supported on a catalyst support. That is, preferably, the anode electrode 9 contains a catalyst support carrying a PtNi alloy (hereinafter, referred to as a PtNi carrying support).
触媒担体としては、例えば、カーボンなどの多孔質物質が挙げられる。カーボンとしては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ランプブラックなどが挙げられる。カーボンブラックのなかでは、好ましくは、ケッチェンブラックが挙げられる。これらカーボンブラックは、単独使用または2種類以上併用することができる。 Examples of the catalyst carrier include porous materials such as carbon. Examples of carbon include ketjen black, acetylene black, furnace black, channel black, thermal black, lamp black and the like. Among the carbon blacks, preferably ketjen black is mentioned. These carbon blacks can be used alone or in combination of two or more.
PtNi担持担体の平均一次粒子径は、例えば、0.001μm以上、好ましくは、0.005μm以上、例えば、0.1μm以下、好ましくは、0.05μm以下である。なお、平均一次粒子径は、透過電子顕微鏡により測定できる。 The average primary particle diameter of the PtNi-supported carrier is, for example, 0.001 μm or more, preferably 0.005 μm or more, for example, 0.1 μm or less, preferably 0.05 μm or less. The average primary particle size can be measured by a transmission electron microscope.
PtNi担持担体の比表面積は、例えば、100m2/g以上、好ましくは、300m2/g以上、例えば、1200m2/g以下、好ましくは、1000m2/g以下である。なお、比表面積は、JIS Z 8830(2013)に準拠したキャリアガス法により測定される。 The specific surface area of the PtNi-supported carrier is, for example, 100 m 2 / g or more, preferably 300 m 2 / g or more, for example, 1200 m 2 / g or less, preferably 1000 m 2 / g or less. In addition, a specific surface area is measured by the carrier gas method based on JISZ 8830 (2013).
このようなPtNi合金を調製するには、例えば、ニッケルの塩と、白金錯体と、必要により触媒担体とを、上記の割合となるように混合して、触媒原料を調製する。 In order to prepare such a PtNi alloy, for example, a salt of nickel, a platinum complex and, if necessary, a catalyst support are mixed in the above proportions to prepare a catalyst raw material.
ニッケルの塩としては、例えば、無機塩(例えば、硫酸塩、硝酸塩、塩化物、りん酸塩など)、有機酸塩(例えば、酢酸塩、しゅう酸塩など)などが挙げられ、好ましくは、無機塩、さらに好ましくは、硝酸塩が挙げられる。ニッケルの塩は、単独使用または2種以上併用することができる。 Examples of the salt of nickel include inorganic salts (eg, sulfate, nitrate, chloride, phosphate etc.), organic acid salts (eg, acetate, oxalate etc.) and the like, preferably inorganic Salts, more preferably nitrates. The salts of nickel can be used alone or in combination of two or more.
白金錯体としては、例えば、ヘキサクロロ白金(IV)酸、ジクロロ白金(II)酸などが挙げられ、好ましくは、ヘキサクロロ白金(IV)酸が挙げられる。白金錯体は、単独使用または2種以上併用することができる。 As a platinum complex, a hexachloro platinum (IV) acid, a dichloro platinum (II) acid, etc. are mentioned, for example, Preferably, a hexachloro platinum (IV) acid is mentioned. The platinum complexes can be used alone or in combination of two or more.
混合方法としては、特に制限されず、例えば、湿式混合、乾式混合などの公知の方法が挙げられ、好ましくは、湿式混合が挙げられる。 The mixing method is not particularly limited, and examples thereof include known methods such as wet mixing and dry mixing, and preferably include wet mixing.
ニッケルの塩と白金錯体とを湿式により混合するには、必要により触媒担体が分散された水に、ニッケルの塩と白金錯体とを溶解して撹拌する。 In order to wet-mix the nickel salt and the platinum complex, the nickel salt and the platinum complex are dissolved and stirred in water where the catalyst support is dispersed, if necessary.
混合時間(撹拌時間)としては、例えば、5時間以上、好ましくは、10時間以上、例えば、50時間以下、好ましくは、40時間以下である。 The mixing time (stirring time) is, for example, 5 hours or more, preferably 10 hours or more, for example, 50 hours or less, preferably 40 hours or less.
次いで、触媒原料を、必要により乾燥させた後、焼成する。具体的には、触媒原料を、例えば、不活性ガス(例えば、窒素ガス、アルゴンガスなど)や、還元ガス(例えば、窒素ガスおよび水素ガスの混合ガス)の雰囲気下において焼成する。好ましくは、不活性ガス雰囲気下において、触媒原料を焼成する。 Next, the catalyst raw material is dried if necessary and then calcined. Specifically, the catalyst raw material is fired, for example, under an atmosphere of an inert gas (for example, nitrogen gas, argon gas or the like) or a reducing gas (for example, a mixed gas of nitrogen gas and hydrogen gas). Preferably, the catalyst raw material is calcined under an inert gas atmosphere.
焼成条件としては、焼成温度が、例えば、400℃以上、好ましくは、500℃以上、例えば、1500℃以下、好ましくは、1000℃以下、さらに好ましくは、900℃以下である。 As the firing conditions, the firing temperature is, for example, 400 ° C. or more, preferably 500 ° C. or more, for example, 1500 ° C. or less, preferably 1000 ° C. or less, more preferably 900 ° C. or less.
しかるに、ヒドラジンの分解反応では、アンモニアに分解される場合と、窒素および水素に分解される場合がある。焼成温度が上記範囲内であると、ヒドラジンの分解反応において、窒素および水素に分解される選択性の向上を図ることができ、水素を効率よく生成することができる。 However, in the decomposition reaction of hydrazine, it may be decomposed into ammonia or may be decomposed into nitrogen and hydrogen. When the calcination temperature is in the above range, the selectivity for decomposition to nitrogen and hydrogen can be improved in the decomposition reaction of hydrazine, and hydrogen can be efficiently generated.
焼成時間は、例えば、15分以上、好ましくは、30分以上、例えば、5時間以下、好ましくは、3時間以下である。なお、触媒原料は、一段階または多段階で焼成することができる。 The baking time is, for example, 15 minutes or more, preferably 30 minutes or more, for example, 5 hours or less, preferably 3 hours or less. The catalyst raw material can be calcined in one step or in multiple steps.
これによって、触媒原料が焼成されて、PtNi合金(PtNi担持担体)が調製される。 By this, the catalyst raw material is calcined to prepare a PtNi alloy (PtNi-supported carrier).
Pt単体は、水素酸化触媒であって、白金の金属単体である。 Pt alone is a hydrogen oxidation catalyst and is a platinum single metal.
Pt単体の含有割合は、PtNi合金1質量部に対して、例えば、0.1質量部以上、好ましくは、0.5質量部以上、例えば、10質量部以下、好ましくは、5質量部以下である。 The content ratio of the single Pt is, for example, 0.1 parts by mass or more, preferably 0.5 parts by mass or more, for example, 10 parts by mass or less, preferably 5 parts by mass or less with respect to 1 part by mass of the PtNi alloy. is there.
Pt単体の含有割合は、PtNi合金およびPt単体の総質量に対して、例えば、9質量%以上、好ましくは、33質量%以上、例えば、90質量%以下、好ましくは、83質量%以下である。 The content ratio of the single Pt is, for example, 9% by mass or more, preferably 33% by mass or more, for example 90% by mass or less, preferably 83% by mass or less based on the total mass of the PtNi alloy and the single Pt .
Pt単体の含有割合は、アノード電極9の総質量に対して、例えば、5質量%以上、好ましくは、25質量%以上、例えば、80質量%以下、好ましくは、70質量%以下である。 The content ratio of Pt alone is, for example, 5% by mass or more, preferably 25% by mass or more, for example, 80% by mass or less, preferably 70% by mass or less, based on the total mass of the anode electrode 9.
このようなPt単体は、好ましくは、上記の触媒担体に担持される。つまり、アノード電極9は、好ましくは、Pt単体を担持した触媒担体(以下、Pt単体担持担体とする。)を含有する。 Such Pt alone is preferably supported on the above catalyst support. That is, preferably, the anode electrode 9 contains a catalyst support (hereinafter, referred to as a Pt-supporting support) supporting the Pt-supporting unit.
Pt単体担持担体の平均一次粒子径は、例えば、0.001μm以上、好ましくは、0.003μm以上、例えば、0.1μm以下、好ましくは、0.05μm以下である。 The average primary particle diameter of the Pt-supported single carrier is, for example, 0.001 μm or more, preferably 0.003 μm or more, for example, 0.1 μm or less, preferably 0.05 μm or less.
Pt単体担持担体の比表面積は、例えば、100m2/g以上、好ましくは、300m2/g以上、例えば、1200m2/g以下、好ましくは、1000m2/g以下である。 The specific surface area of the single Pt-supporting carrier is, for example, 100 m 2 / g or more, preferably 300 m 2 / g or more, for example, 1200 m 2 / g or less, preferably 1000 m 2 / g or less.
Pt単体担持担体を調製するには、上記の白金錯体と触媒担体とを、上記と同様に混合した後、焼成する。 In order to prepare a Pt single-support carrier, the platinum complex and the catalyst carrier described above are mixed in the same manner as described above and then fired.
また、アノード電極9は、さらに、アイオノマーを含有してもよい。アイオノマーは、例えば、炭化水素系アイオノマー、フッ素系アイオノマー、ウレタン系アイオノマーなどが挙げられ、好ましくは、炭化水素系アイオノマーが挙げられる。アイオノマーは、単独使用または2種以上併用することができる。 The anode electrode 9 may further contain an ionomer. Examples of the ionomer include hydrocarbon-based ionomers, fluorine-based ionomers, urethane-based ionomers and the like, preferably hydrocarbon-based ionomers. The ionomers can be used alone or in combination of two or more.
また、アイオノマーの含有割合は、アノード触媒(PtNi合金およびPt単体の混合物)1質量部に対して、例えば、0.1質量部以上、好ましくは、0.3質量部以上、例えば、1.0質量部以下、好ましくは、0.8質量部以下である。 In addition, the content ratio of the ionomer is, for example, 0.1 parts by mass or more, preferably 0.3 parts by mass or more, for example, 1.0 part by mass, with respect to 1 part by mass of the anode catalyst (a mixture of PtNi alloy and Pt alone). It is not more than mass part, preferably not more than 0.8 mass part.
このようなアノード電極9を調製するには、まず、PtNi合金(好ましくは、PtNi担持担体)とPt単体(好ましくは、Pt単体担持担体)とを、上記の割合で混合する。 In order to prepare such an anode electrode 9, first, a PtNi alloy (preferably, a PtNi-supported carrier) and a Pt simple substance (preferably, a Pt single-supported carrier) are mixed in the above ratio.
混合方法としては、特に制限されず、例えば、湿式混合、乾式混合などの公知の方法が挙げられ、好ましくは、乾式混合が挙げられる。混合装置としては、例えば、ボールミルなどの公知の混合機が挙げられる。 The mixing method is not particularly limited, and examples thereof include known methods such as wet mixing and dry mixing, and preferred examples include dry mixing. As a mixing apparatus, well-known mixers, such as a ball mill, are mentioned, for example.
以上によって、PtNi合金およびPt単体を含有するカソード触媒が調製される。 Thus, a cathode catalyst containing PtNi alloy and Pt alone is prepared.
次いで、カソード触媒と、必要に応じてアイオノマーとを溶媒中に分散させて分散液(カソード電極インク)を調製する。 Then, a cathode catalyst and, if necessary, an ionomer are dispersed in a solvent to prepare a dispersion (cathode electrode ink).
溶媒としては、例えば、アルコール類(例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノールなど)、エーテル類(例えば、テトラヒドロフランなど)などの有機溶媒、例えば、水などが挙げられる。これら溶媒は、単独使用または2種類以上併用することができる。 Examples of the solvent include organic solvents such as alcohols (for example, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol and the like), ethers (for example, tetrahydrofuran and the like) and the like, for example, water and the like. These solvents can be used alone or in combination of two or more.
次いで、その分散液を、電解質層8の一方の表面に塗布して乾燥する。これによって、電解質層8の一方の表面に定着したアノード電極9が調製される。 Then, the dispersion is applied to one surface of the electrolyte layer 8 and dried. Thus, the anode electrode 9 fixed on one surface of the electrolyte layer 8 is prepared.
3.燃料電池システムによる発電
上記した燃料電池システム2では、コントロールユニット29の制御により、空気供給弁44が開かれ、空気供給ポンプ43が駆動されることにより、空気が空気供給ライン41を介して酸素側流路18に供給される。また、燃料供給弁34が開かれ、燃料供給ポンプ33が駆動されることにより、燃料タンク22に貯留される液体燃料が、燃料供給ライン30を介して、燃料側流路13に供給される。
3. Power Generation by Fuel Cell System In the fuel cell system 2 described above, the
すると、液体燃料がアノード電極9と接触しながら燃料側流路13を通過する。これにより、アノード電極9において、下記(A)および(B)に示す電気化学反応が生じる。
Then, the liquid fuel passes through the
(A)N2H4→N2+2H2(アノード電極9での反応)
(B)2H2+4OH−→4H2O+4e−(アノード電極9での反応)
また、液体燃料が燃料側流路13を通過するときに、液体燃料の一部が、電解質層8を透過して、カソード電極10に漏出する。その液体燃料には、上記(B)に示す反応により生じた水が含有されている。そのため、カソード電極10に漏出した液体燃料に含まれる水が、酸素側流路18を通過する空気を加湿する。
(A) N 2 H 4 → N 2 + 2H 2 (reaction at the anode electrode 9)
(B) 2H 2 + 4 OH − → 4 H 2 O + 4 e − (Reaction at the anode electrode 9)
In addition, when the liquid fuel passes through the fuel
そして、加湿された空気は、カソード電極10と接触しながら酸素側流路18を通過する。これにより、カソード電極10において、下記(C)に示す電気化学反応が生じる。
Then, the humidified air passes through the oxygen-
(C)O2+2H2O+4e−→4OH−(カソード電極10での反応)
つまり、燃料電池3全体として下記式(D)に示す反応が連続的に生じて、燃料電池3に起電力が発生する。
(C) O 2 + 2H 2 O + 4 e − → 4 OH − (Reaction at cathode electrode 10)
That is, a reaction represented by the following formula (D) continuously occurs in the
(D) N2H4+O2→N2+2H2O(燃料電池3全体での反応)
4.コントロールユニットによる制御
一方、上記の電気化学反応では、上記式(A)で示されるように、アノード電極9に供給されるヒドラジン類が、水素と窒素とに分解される。
(D) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 3)
4. Control by Control Unit On the other hand, in the above-mentioned electrochemical reaction, as shown in the above-mentioned formula (A), hydrazines supplied to the anode electrode 9 are decomposed into hydrogen and nitrogen.
このような場合、燃料電池3の運転開始時において、液体燃料をアノード電極9に供給する一方、空気をカソード電極10に供給しない時間があると、アノード電極9において生成した水素が、カソード電極10側に漏出(クロスリーク)して、酸素側流路18に滞留する場合がある。
In such a case, when there is a time when the liquid fuel is supplied to the anode electrode 9 and the air is not supplied to the
このような状態で、カソード電極10に空気を供給すると、酸素側流路18内で水素と酸素との混合ガスが発生するため、場合により、水素爆発などを惹起する可能性がある。
In such a state, when air is supplied to the
そこで、上記の燃料電池システム2では、コントロールユニット29の制御によって、燃料電池3の運転開始時に、まず、空気供給ユニット24により空気を供給する。
Therefore, in the fuel cell system 2 described above, air is first supplied by the
すなわち、燃料供給弁34を閉状態とし、また、燃料供給ポンプ33の駆動を停止した状態で、空気供給弁44を開状態とし、また、空気供給ポンプ43を駆動させる。
That is, with the
これにより、アノード電極9に液体燃料を供給する前に、まず、カソード電極10に空気を供給する。
Thus, air is first supplied to the
次いで、空気の供給が開始された状態で、燃料供給弁34を開状態とし、また、燃料供給ポンプ33を駆動させる。
Next, with the air supply started, the
これにより、アノード電極9に液体燃料が供給され、上記式(A)〜(D)で示される電気化学反応が生じる。 As a result, liquid fuel is supplied to the anode electrode 9 to cause the electrochemical reaction shown by the above formulas (A) to (D).
このような燃料電池システム2によれば、上記式(A)で示されるように、液体燃料が水素および窒素に分解され、その水素がカソード電極10側(すなわち、酸素側流路18)に漏出する場合にも、カソード電極10側において、水素を空気により持ち出すことができ、水素が堆積することを抑制できる。これにより、カソード電極10側(すなわち、酸素側流路18)において、水素の濃度を爆発限界(4体積%)以下に維持することができる。
According to such a fuel cell system 2, the liquid fuel is decomposed into hydrogen and nitrogen as shown by the above-mentioned formula (A), and the hydrogen leaks to the
その結果、上記の燃料電池システム2によれば、カソード電極10側における水素爆発の発生を防止することができ、燃料電池3の使用に伴う損傷を抑制することができる。
As a result, according to the fuel cell system 2 described above, the occurrence of hydrogen explosion on the
また、このような制御は、燃料電池3の暖機運転時(燃料電池3に、加熱した液体燃料を供給する場合)に、とりわけ好適である。 In addition, such control is particularly suitable during warm-up operation of the fuel cell 3 (when the heated liquid fuel is supplied to the fuel cell 3).
5.作用効果
上記した燃料電池システム2では、液体燃料が、ヒドラジン類を含む。また、アノード電極9は、PtNi合金と、Pt単体とを含んでいる。
5. Operation and Effect In the fuel cell system 2 described above, the liquid fuel contains hydrazines. Further, the anode electrode 9 contains a PtNi alloy and a single Pt.
このような燃料電池システム2では、アノード電極9に液体燃料が供給されると、アノード電極9において、PtNi合金がヒドラジン分解触媒として作用し、上記式(A)に示すように、ヒドラジン類を窒素と水素とに分解する。そのため、燃料電池システム2では、ヒドラジン類を水素に改質するための改質機が必要ない。 In such a fuel cell system 2, when liquid fuel is supplied to the anode electrode 9, the PtNi alloy acts as a hydrazine decomposition catalyst at the anode electrode 9 and, as shown in the above formula (A), hydrazines are nitrogen And hydrogen. Therefore, the fuel cell system 2 does not need a reformer for reforming hydrazines to hydrogen.
次いで、アノード電極9において、Pt単体が水素酸化触媒として作用し、上記式(B)に示すように、ヒドラジンの分解により生じた水素を酸化する。 Next, at the anode electrode 9, Pt alone acts as a hydrogen oxidation catalyst to oxidize hydrogen generated by the decomposition of hydrazine as shown in the above-mentioned formula (B).
また、液体燃料には、上記(B)に示す反応により生じた水が含有される。そのため、その液体燃料がカソード電極10に漏出すると、液体燃料に含まれる水が、酸素側流路18を通過する空気を加湿する。
Further, the liquid fuel contains water produced by the reaction shown in the above (B). Therefore, when the liquid fuel leaks to the
これにより、カソード電極10において、上記式(C)に示す電気化学反応が生じる。
Thereby, in the
つまり、燃料電池3全体として上記式(D)に示す反応が連続的に生じて、燃料電池に起電力が発生する。
That is, the reaction represented by the above-mentioned formula (D) continuously occurs in the
このような電気化学反応によれば、下記式(E)および下記式(F)で示されるような、ヒドラジンが直接酸化される電気化学反応に比べ、効率的に電力を取り出すことができる。 According to such an electrochemical reaction, electric power can be efficiently extracted as compared with the electrochemical reaction in which hydrazine is directly oxidized as represented by the following formula (E) and the following formula (F).
(E)N2H4+4OH−→N2+4H2O+4e−(アノード電極9での反応)
(F)O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード電極10での反応)
それに加えて、上記した燃料電池システム2によれば、上記式(A)で示されるように、液体燃料が水素および窒素に分解され、その水素がカソード電極10側に漏出する場合にも、カソード電極10側において、水素を空気により持ち出すことができ、水素が堆積することを抑制できる。これにより、カソード電極10側において、水素の濃度を爆発限界(4体積%)以下に維持することができる。
(E) N 2 H 4 + 4 OH − → N 2 + 4 H 2 O + 4 e − (reaction at the anode electrode 9)
(F) O 2 + 2H 2 O + 4 e − → 4 OH − (Reaction at cathode electrode 10)
In addition, according to the fuel cell system 2 described above, as shown by the above formula (A), even when the liquid fuel is decomposed into hydrogen and nitrogen and the hydrogen leaks to the
その結果、上記の燃料電池システム2によれば、カソード電極10側における水素爆発の発生を防止することができ、燃料電池3の使用に伴う損傷を抑制することができる。
As a result, according to the fuel cell system 2 described above, the occurrence of hydrogen explosion on the
2 燃料電池システム
3 燃料電池
8 電解質層
9 アノード電極
10 カソード電極
21 燃料供給ユニット
24 空気供給ユニット
29 コントロールユニット
Reference Signs List 2
Claims (1)
前記アノード電極に液体燃料を供給する燃料供給部と、
前記カソード電極に空気を供給する酸素供給部と、
前記燃料電池から電力を取り出す電力取出手段と、
前記燃料供給部および前記酸素供給部を制御する制御手段と
を備え、
前記液体燃料は、ヒドラジン類を含み、
前記アノード電極は、PtNi合金と、Pt単体とを含み、
前記制御手段は、前記燃料電池の運転開始時に、まず、前記酸素供給部に前記空気を供給させ、次いで、前記燃料供給部に前記液体燃料を供給させる
ことを特徴とする、燃料電池システム。
A fuel cell comprising an electrolyte layer capable of moving an anion component, an anode electrode disposed on one side of the electrolyte layer, and a cathode electrode disposed on the other side of the electrolyte layer;
A fuel supply unit for supplying liquid fuel to the anode electrode;
An oxygen supply unit for supplying air to the cathode electrode;
Power extracting means for extracting power from the fuel cell;
Control means for controlling the fuel supply unit and the oxygen supply unit;
The liquid fuel includes hydrazines,
The anode electrode contains PtNi alloy and Pt alone,
The fuel cell system, wherein the control means first causes the oxygen supply unit to supply the air and then causes the fuel supply unit to supply the liquid fuel at the start of operation of the fuel cell.
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