JP2019067490A - Fuel cell system - Google Patents

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寛樹 阿部
Hiroki Abe
寛樹 阿部
唯 桑原
Yui Kuwabara
唯 桑原
卓馬 勝村
Takuma Katsumura
卓馬 勝村
広瀬 哲也
Tetsuya Hirose
哲也 広瀬
洸貴 恵木
Koki Egi
洸貴 恵木
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Daihatsu Motor Co Ltd
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Abstract

To provide a fuel cell system which is superior in power generation efficiency and durability.SOLUTION: A fuel cell system 2 comprises: a fuel cell 3 having an electrolyte layer 8, an anode electrode 9 and a cathode electrode 10; a fuel supplying unit 21 for supplying a liquid fuel to the anode electrode 9; and an air-supplying unit 24 for supplying oxygen to the cathode electrode 10. The air-supplying unit 24 includes a humidity regulator 50 for regulating a relative humidity of air. The liquid fuel contains hydrazine. The anode electrode includes a PtNi alloy and elemental Pt. The humidity regulator 50 regulates the relative humidity of air to 26% or under.SELECTED DRAWING: Figure 1

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、空気供給路を通してカソードに供給される空気を加湿する加湿装置とを含み、加湿装置は、カソードに供給される空気をその相対湿度が20%以上かつ60%以下の範囲内となるように加湿す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 An air supply path for supplying air to the cathode, and a humidifier for humidifying the air supplied to the cathode through the air supply path, the humidifier including the air supplied to the cathode at a relative humidity of at least 20% and A fuel cell system is known which humidifies to be in the range of 60% or less (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)N+4OH→N+4HO+4e(燃料側電極での反応)
(2)O+2HO+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)

特開2015−185525号公報JP, 2015-185525, A

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、耐久性の向上も要求されている。   On the other hand, as a fuel cell system, improvement in power generation efficiency is required, and further, improvement in durability is also required.

本発明は、発電効率および耐久性に優れる燃料電池システムである。   The present invention is a fuel cell system excellent in power generation efficiency and durability.

第1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を備え、前記酸素供給部は、前記空気の相対湿度を調整する湿度調整手段を備え、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、前記湿度調整手段は、前記空気の相対湿度を26%以下に調整する、燃料電池システムを含んでいる。   A first invention [1] is 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; and an oxygen supply unit for supplying air to the cathode electrode, the oxygen supply unit including humidity adjustment means for adjusting the relative humidity of the air; The liquid fuel includes hydrazines, the anode electrode includes a PtNi alloy, and Pt alone, and the humidity control unit includes a fuel cell system that adjusts the relative humidity of the air to 26% or less. There is.

第2発明[2]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、前記電力取出手段は、前記燃料電池から電力を電流密度170〜180mA/cmで取り出す、燃料電池システムを含んでいる。 A second invention [2] is 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; and power extracting means for extracting electric power from the fuel cell, wherein the liquid fuel comprises hydrazines. The fuel cell system includes: the anode electrode includes a PtNi alloy; and Pt alone, and the power extracting means extracts power from the fuel cell at a current density of 170 to 180 mA / cm 2 .

第1発明および第2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 systems of the first and second inventions, 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)N→N+2H
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)2H+4OH→4HO+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)O+2HO+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) N+O→N+2H
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、第1発明では、湿度調整手段によってカソード電極に供給される空気の相対湿度が26%以下に調整される。そのため、第1発明によれば、耐久性の向上を図ることもできる。   In addition, in the first invention, the relative humidity of the air supplied to the cathode electrode is adjusted to 26% or less by the humidity adjusting means. Therefore, according to the first invention, the durability can be improved.

また、第2発明では、電力取出手段によって燃料電池から電力が、電流密度170〜180mA/cmで取り出される。そのため、第2発明によれば、耐久性の向上を図ることができる。 In the second aspect of the invention, the electric power is taken out of the fuel cell by the electric power taking means at a current density of 170 to 180 mA / cm 2 . Therefore, according to the second invention, the durability can be improved.

図1は、第1発明の燃料電池システムの一実施形態を搭載した電動車両の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic block diagram of an electric vehicle equipped with an embodiment of the fuel cell system of the first invention. 図2は、図1に示す燃料電池の単位セルを示す概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration view showing a unit cell of the fuel cell shown in FIG. 図3は、第2発明の燃料電池システムの一実施形態を搭載した電動車両の概略構成図である。FIG. 3 is a schematic block diagram of an electric vehicle equipped with an embodiment of the fuel cell system of the second invention. 図4は、空気の相対湿度と、燃料電池の出力密度および運転時間との関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the relative humidity of air and the power density and operating time of the fuel cell. 図5は、電力を取り出すときの電流密度と、燃料電池の出力密度および運転時間との関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the current density when extracting power and the power density of the fuel cell and the operation time. 図6は、電流密度と出力密度との関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between current density and power density.

I.第1発明
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。
I. First Invention General Configuration of Fuel Cell System In FIG. 1, an electric vehicle 1 is a hybrid vehicle that selectively uses a fuel cell and a battery as a power source, and is equipped with a fuel cell system 2.

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 fuel cell 3, a fuel supply and discharge unit 4, an air supply and discharge unit 5, a control unit 6, and a power unit 7.
(1) Fuel Cell The fuel cell 3 is a solid polymer fuel cell (anion exchange fuel cell) to which liquid fuel is directly supplied. The fuel cell 3 is disposed below the center of the electric vehicle 1.

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 fuel cell 3 is formed in a stack structure in which a plurality of fuel cells (unit cells) including the membrane electrode assembly 11, the fuel supply member 12, and the oxygen supply member 17 are stacked. In FIG. 2, only one of the plurality of unit cells is shown as the fuel cell 3, and the other unit cells are omitted.

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 membrane electrode assembly 11 includes an electrolyte layer 8, an anode electrode 9, and a cathode electrode 10. The anode electrode 9 and the cathode electrode 10 are disposed opposite to each other with the electrolyte layer 8 interposed therebetween.

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、50μm以下、好ましくは、30μm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, 50 μm or less, preferably 30 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 cathode electrode 10 is disposed on the other side of the electrolyte layer 8 (the opposite side of the anode electrode 9 with respect to the electrolyte layer 8). The cathode electrode 10 contains, for example, a cathode catalyst. The cathode electrode 10 is formed of, for example, a catalyst carrier (for example, a porous material such as carbon, etc.) supporting a cathode catalyst. Alternatively, the cathode catalyst may be formed directly as the cathode electrode 10 without using a catalyst carrier.

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 cathode electrode 10 is, for example, 0.1 μm or more, preferably 1 μm or more, for example, 100 μm or less, preferably 10 μm or less.

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 fuel supply member 12 is made of a gas impermeable conductive member, and one surface of the fuel supply member 12 is in opposite contact with the anode electrode 9. In the fuel supply member 12, a fuel side flow passage 13 for bringing the fuel into contact with the whole of the anode electrode 9 is formed as a creased groove which is recessed from one surface. Further, the fuel supply member 12 is formed with a supply port 15 and a discharge port 14 communicating with the fuel side flow path 13 at the upstream end and the downstream end.

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 fuel supply member 12, the oxygen supply member 17 is made of a gas-impermeable conductive member, and one surface of the oxygen supply member 17 is in opposite contact with the cathode electrode 10. In the oxygen supply member 17, an oxygen-side flow passage 18 for bringing oxygen (air) into contact with the whole of the cathode electrode 10 is formed as a creased groove recessed from one surface. A supply port 19 and a discharge port 20 communicating with the oxygen-side flow path 18 are formed in the upstream side end and the downstream side end of the oxygen-side flow path 18.

(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 fuel supply unit 21 as an example of a fuel supply unit, a fuel discharge line 31, a gas-liquid separator 23, and a reflux line 32. And have.

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 fuel supply unit 21 is configured to supply liquid fuel to the anode electrode 9. The fuel supply unit 21 includes a fuel tank 22, a fuel supply line 30, a fuel supply pump 33, and a fuel supply valve 34.

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 fuel tank 22 is disposed to the rear of the electric vehicle 1 and to the rear of the fuel cell 3. The fuel tank 22 stores liquid fuel. Liquid fuel includes hydrazines.

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(NHNH)、水加ヒドラジン(NHNH・HO)、炭酸ヒドラジン((NHNHCO)、塩酸ヒドラジン(NHNH・HCl)、硫酸ヒドラジン(NHNH・HSO)、モノメチルヒドラジン(CHNHNH)、ジメチルヒドラジン((CHNNH、CHNHNHCH)、カルボンヒドラジド((NHNHCO)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 hydrazine (CH 3 NHNH 2), dimethylhydrazine ((CH 3) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3), a carboxylic hydrazide ((NHNH 2 2 ) CO) etc.

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 cathode electrode 10, active species (strong In some cases, the output of the fuel cell 3 may be reduced.

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 cathode electrode 10 as the concentration of hydrazines to the liquid fuel is below the above-mentioned upper limit, the reaction between hydrazines and oxygen can be suppressed, and the fuel The output reduction of the battery 3 can be suppressed. Further, when the concentration of hydrazines with respect to the liquid fuel is above the lower limit, the amount of hydrogen necessary for the power generation reaction of the fuel cell 3 can be sufficiently ensured, and the output performance of the fuel cell 3 can be surely ensured.

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 fuel supply line 30 is a pipe for transporting liquid fuel from the fuel tank 22 to the fuel cell 3 (specifically, the fuel side flow path 13). The upstream end of the fuel supply line 30 is connected to the fuel tank 22. The downstream end of the fuel supply line 30 is connected to the supply port 15 of the fuel side flow path 13 (see FIG. 2).

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 fuel supply line 30 between the fuel tank 22 and the fuel cell 3. The fuel supply pump 33 is, for example, a known liquid supply pump.

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 fuel supply valve 34 is provided in the fuel supply line 30 between the fuel supply pump 33 and the fuel tank 22. The fuel supply valve 34 is a known on-off valve for opening and closing the fuel supply line 30.

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 fuel supply valve 34 opens the fuel supply line 30 and the fuel supply pump 33 is driven, whereby liquid fuel is supplied from the fuel tank 22 to the fuel side flow path 13 of the fuel cell 3. The fuel supply unit 21 does not include a reformer for reforming the hydrazine contained in the liquid fuel supplied from the fuel tank 22 to the fuel cell 3 into hydrogen.

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 fuel discharge line 31 is a pipe for transporting the liquid fuel discharged from the fuel cell 3 (specifically, the fuel side flow passage 13). The upstream end of the fuel discharge line 31 is connected to the discharge port 14 of the fuel flow passage 13 (see FIG. 2). The downstream end of the fuel discharge line 31 is connected to the lower part of the gas-liquid separator 23.

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-liquid separator 23 is interposed between the fuel discharge line 31 and the reflux line 32. The gas-liquid separator 23 comprises, for example, a hollow container. The downstream end of the fuel discharge line 31 is connected to the lower portion of the gas-liquid separator 23. In addition, a gas discharge pipe 26 is connected to the upper portion of the gas-liquid separator 23.

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 gas discharge pipe 26 is a pipe for discharging the gas (gas) separated by the gas-liquid separator 23 from the electric vehicle 1. The upstream end of the gas discharge pipe 26 is connected to the top of the gas-liquid separator 23. The downstream end of the gas discharge pipe 26 is open to the atmosphere. A gas discharge valve 27 is provided in the middle of the gas discharge pipe 26.

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 gas exhaust valve 27 is a valve for opening the gas exhaust pipe 26 to release the pressure in the gas-liquid separator 23. For example, a known on-off valve is used.

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 reflux line 32 is a pipe for transporting the liquid fuel separated by the gas-liquid separator 23 from the gas-liquid separator 23 to the fuel supply line 30. The upstream end of the reflux line 32 is connected to the lower part of the gas-liquid separator 23. The downstream end of the return line 32 is connected to the fuel supply line 30 between the fuel supply pump 33 and the fuel supply valve 34. Thus, the fuel supply line 30, the fuel cell 3 (fuel side flow path 13), the fuel discharge line 31, the gas-liquid separator 23, and the return line 32 form a closed line (closed flow path).

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 fuel cell 3 flows into the gas-liquid separator 23 through the fuel discharge line 31, and then the gas is separated, and is returned to the fuel supply line 30 through the reflux line 32.

(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 air supply unit 24 as an example of an oxygen supply unit, and an air discharge line 42.

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、湿度調整手段としての湿度調整装置50とを備えている。   The air supply unit 24 is configured to supply oxygen (air) to the cathode electrode 10. The air supply unit 24 includes an air supply line 41, an air supply pump 43, an air supply valve 44, and a humidity adjustment device 50 as humidity adjustment means.

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 air supply line 41 is a pipe for sending air from the outside of the electric vehicle 1 to the fuel cell 3 (specifically, the oxygen-side flow path 18). The upstream end of the air supply line 41 is open to the atmosphere. The downstream end of the air supply line 41 is connected to the supply port 19 of the oxygen-side flow path 18 (see FIG. 2).

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 air supply line 41. The air supply pump 43 is, for example, a known gas pump.

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 air supply valve 44 is provided in the air supply line 41 between the air supply pump 43 and the fuel cell 3. The air supply valve 44 is a known on-off valve for opening and closing the air supply line 41.

湿度調整装置50は、空気供給ライン41において、空気供給ポンプ43および空気供給弁44よりも下流側に設けられている。湿度調整装置50は、空気の湿度を調整するための公知の構成でよく、例えば、加湿器、除湿器、ヒーター、水分計などを備えている。   The humidity adjustment device 50 is provided downstream of the air supply pump 43 and the air supply valve 44 in the air supply line 41. The humidity adjustment device 50 may have a known configuration for adjusting the humidity of air, and includes, for example, a humidifier, a dehumidifier, a heater, a moisture meter, and the like.

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 air supply valve 44 opens the air supply line 41 and the air supply pump 43 is driven so that the air flows from the outside of the electric vehicle 1 to the oxygen side flow of the fuel cell 3. It is supplied to the passage 18.

また、詳しくは後述するが、酸素側流路18に供給される空気は、湿度調整装置50により、相対湿度が調整される。   Further, although the details will be described later, the relative humidity of the air supplied to the oxygen-side flow passage 18 is adjusted by the humidity adjustment device 50.

より具体的には、空気供給ライン41において、空気が湿度調整装置50のヒーターにより所定温度に調整され、また、その温度における空気の相対湿度が、水分計によって測定される。そして、空気の相対湿度が予め設定された値となるように、加湿器または除湿器が作動される。   More specifically, in the air supply line 41, the air is adjusted to a predetermined temperature by the heater of the humidity adjusting device 50, and the relative humidity of the air at that temperature is measured by the moisture meter. Then, the humidifier or the dehumidifier is operated so that the relative humidity of the air becomes a preset value.

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 air discharge line 42 is a pipe for sending the air discharged from the fuel cell 3 (specifically, the oxygen-side flow passage 18). The upstream end of the air discharge line 42 is connected to the discharge port 20 of the oxygen-side flow passage 18. The downstream end of the air discharge line 42 is a drain.

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 fuel cell 3 is discharged to the outside of the electrically powered vehicle 1 via the air discharge line 42.

(4)制御部
制御部6は、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。コントロールユニット29は、各ポンプ(燃料供給ポンプ33および空気供給ポンプ43)および各弁(燃料供給弁34、ガス排出弁27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、各ポンプの駆動および停止を適宜制御するとともに、各弁の開閉を適宜制御する。
(4) Control Unit The control unit 6 includes a control unit 29. The control unit 29 is a unit (for example, an ECU: Electronic Control Unit) that executes electrical control in the electrically powered vehicle 1, and is configured of a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like. The control unit 29 is electrically connected to each pump (the fuel supply pump 33 and the air supply pump 43) and each valve (the fuel supply valve 34, the gas discharge valve 27 and the air supply valve 44) (broken line in FIG. 1). reference). Thus, the control unit 29 appropriately controls the drive and stop of each pump and appropriately controls the opening and closing of each valve.

また、コントロールユニット29は、湿度調整装置50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、湿度調整装置50を制御可能としており、空気供給ライン41内の空気の湿度を調整可能としている。   In addition, the control unit 29 is electrically connected to the humidity adjustment device 50 (see a broken line in FIG. 1). Thus, the control unit 29 can control the humidity adjustment device 50, and can adjust the humidity of the air in the air supply line 41.

(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 motor 37, an inverter 38, a battery 40, and a converter 36.

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 motor 37 converts the electrical energy output from the fuel cell 3 into mechanical energy as a driving force of the electric vehicle 1. The motor 37 is disposed on the front side of the electric vehicle 1 and in front of the fuel cell 3.

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 inverter 38 is a device for converting direct current power generated by the fuel cell 3 into alternating current power. The inverter 38 is disposed between the motor 37 and the fuel cell 3. The inverter 38 is electrically connected to the fuel cell 3 and the motor 37 by wiring.

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 battery 40 stores energy regenerated by the motor 37. The battery 40 is connected by a wire between the inverter 38 and the fuel cell 3. Thereby, the battery 40 can store the electric power from the fuel cell 3 and can supply the electric power to the motor 37.

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 converter 36 has a function of boosting and lowering the output voltage of the fuel cell 3 and has a function of adjusting the power of the fuel cell 3 and the input and output power of the battery 40. Converter 36 is disposed between battery 40 and fuel cell 3. Converter 36 is electrically connected to control unit 29 (see the broken line in FIG. 1), and thereby controls the output of fuel cell 3 in accordance with the input of the output control signal output from control unit 29. .

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 converter 36 is electrically connected to the fuel cell 3 and the battery 40 by wiring, and is electrically connected to the inverter 38 by branching of the wiring. Thus, the power from converter 36 to motor 37 is converted from DC power to AC power in inverter 38 and supplied to motor 37.

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、100m/g以上、好ましくは、300m/g以上、例えば、1200m/g以下、好ましくは、1000m/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、100m/g以上、好ましくは、300m/g以上、例えば、1200m/g以下、好ましくは、1000m/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、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。また、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。
3. Power Generation by Fuel Cell System In the fuel cell system 2 described above, the fuel supply valve 34 is opened by the control of the control unit 29, and the liquid fuel stored in the fuel tank 22 is driven by driving the fuel supply pump 33. The fuel is supplied to the fuel side flow passage 13 via the fuel supply line 30. Further, the air supply valve 44 is opened and the air supply pump 43 is driven, whereby air is supplied to the oxygen-side flow passage 18 through the air supply line 41.

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 fuel channel 13 while being in contact with the anode electrode 9. As a result, electrochemical reactions shown in the following (A) and (B) occur at the anode electrode 9.

(A)N→N+2H(アノード電極9での反応)
(B)2H+4OH→4HO+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 side flow path 13, a part of the liquid fuel passes through the electrolyte layer 8 and leaks to the cathode electrode 10. The liquid fuel contains water produced by the reaction shown in the above (B). Therefore, the water contained in the liquid fuel leaked to the cathode electrode 10 humidifies the air passing through the oxygen-side flow passage 18.

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-side flow passage 18 while being in contact with the cathode electrode 10. Thereby, in the cathode electrode 10, an electrochemical reaction shown in the following (C) occurs.

(C)O+2HO+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 entire fuel cell 3, and an electromotive force is generated in the fuel cell 3.

(D) N+O→N+2HO(燃料電池3全体での反応)
4.湿度の調整
一方、上記の電気化学反応(上記式(A)〜(D))では、カソード電極10に供給される空気の相対湿度によっては、十分な耐久性を得られず、燃料電池システム2の連続運転に伴って、出力が低下する場合がある。
(D) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 3)
4. Adjustment of Humidity On the other hand, in the above-mentioned electrochemical reaction (the above formulas (A) to (D)), sufficient durability can not be obtained depending on the relative humidity of the air supplied to the cathode electrode 10. The output may decrease with the continuous operation of.

そこで、上記した燃料電池システム2では、湿度調整装置50を作動させることにより、空気供給ライン41において空気を加湿および/または除湿し、所定の相対湿度に調整する。   Therefore, in the fuel cell system 2 described above, by operating the humidity adjustment device 50, the air is humidified and / or dehumidified in the air supply line 41, and adjusted to a predetermined relative humidity.

より具体的には、燃料電池システム2では、液体燃料および空気を燃料電池3に供給するときに、コントロールユニット29の制御により、湿度調整装置50を作動させる。   More specifically, in the fuel cell system 2, when liquid fuel and air are supplied to the fuel cell 3, the humidity adjustment device 50 is operated by the control of the control unit 29.

湿度調整装置50が作動すると、ヒーターにより空気供給ライン41中の空気が所定温度に調整され、また、その温度における空気の相対湿度が、水分計によって測定される。そして、空気の相対湿度が予め設定された値となるように、加湿器または除湿器が作動される。   When the humidity adjustment device 50 operates, the heater adjusts the air in the air supply line 41 to a predetermined temperature, and the relative humidity of the air at that temperature is measured by the moisture meter. Then, the humidifier or the dehumidifier is operated so that the relative humidity of the air becomes a preset value.

湿度調整装置50により調整される相対湿度は、26%以下、好ましくは、25%以下、より好ましくは、20%以下、さらに好ましくは、16%以下であり、通常、0%以上である。   The relative humidity adjusted by the humidity adjusting device 50 is 26% or less, preferably 25% or less, more preferably 20% or less, still more preferably 16% or less, and usually 0% or more.

空気の相対湿度が上限を超過する場合、後述するように、空気に含まれる水分が、酸素側流路18に堆積し、酸素の拡散を阻害するため耐久性に劣る。   If the relative humidity of the air exceeds the upper limit, moisture contained in the air is deposited on the oxygen-side flow path 18 to inhibit the diffusion of oxygen, as described later, resulting in poor durability.

これに対して、空気相対湿度が上記の範囲に調整されていれば、優れた出力を得るとともに、燃料電池システム2を連続運転させた場合の出力の低下を抑制することができ、優れた耐久性を得ることができる。   On the other hand, if the relative air humidity is adjusted to the above range, an excellent output can be obtained, and a decrease in the output when the fuel cell system 2 is continuously operated can be suppressed, and the excellent durability You can get sex.

5.第1発明の作用効果
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 of the First Invention 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 cathode electrode 10, the water contained in the liquid fuel humidifies the air passing through the oxygen-side flow passage 18.

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 cathode electrode 10, an electrochemical reaction shown in the above-mentioned formula (C) occurs.

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 entire fuel cell 3 and an electromotive force is generated in the fuel cell.

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)N+4OH→N+4HO+4e(アノード電極9での反応)
(F)O+2HO+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では、湿度調整装置50によってカソード電極10に供給される空気の相対湿度が26%以下に調整される。そのため、優れた発電効率を得るとともに、耐久性の向上を図ることもできる。
(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, in the fuel cell system 2 described above, the relative humidity of the air supplied to the cathode electrode 10 is adjusted to 26% or less by the humidity adjustment device 50. Therefore, it is possible to obtain excellent power generation efficiency and to improve durability.

より具体的には、上記式(E)〜(F)で示される従来の電気化学反応では、ヒドラジン類を直接酸化させるため、比較的高濃度の液体燃料を使用することが要求される。   More specifically, conventional electrochemical reactions represented by the above formulas (E) to (F) require the use of a relatively high concentration of liquid fuel in order to directly oxidize hydrazines.

しかるに、比較的高濃度の液体燃料を使用すると、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)が生じる場合があり、電解質層8を損傷する場合がある。そのため、比較的厚い電解質層8を使用して、耐久性の向上を図る必要がある。   However, if a relatively high concentration of liquid fuel is used, the reaction between hydrazines and oxygen may generate active species (strongly attacking species), which may damage the electrolyte layer 8. Therefore, it is necessary to improve durability by using a relatively thick electrolyte layer 8.

さらに、上記式(E)〜(F)で示される従来の電気化学反応では、カソード電極10での反応においては、所定量のHOが要求されるため、空気の相対湿度を比較的高く保つ必要がある。 Furthermore, in the conventional electrochemical reaction represented by the above formulas (E) to (F), a predetermined amount of H 2 O is required in the reaction at the cathode electrode 10, so the relative humidity of air is relatively high. You need to keep it.

しかしながら、空気の相対湿度を比較的高くすると、その水分が酸素側流路18に堆積して空気の拡散を阻害する場合があり、長期の使用に伴って発電効率を低下させるなど、耐久性に劣る。   However, if the relative humidity of the air is relatively high, the moisture may be deposited in the oxygen-side flow path 18 and may inhibit the diffusion of the air, which reduces the power generation efficiency with long-term use, resulting in durability. It is inferior.

これに対して、上記式(A)〜(D)で示される電気化学反応では、液体燃料のヒドラジン濃度は、上記式(A)で示されるヒドラジンの分解反応を惹起できる濃度であれば十分である。そのため、上記式(E)〜(F)で示される電気化学反応に比べ、低濃度の液体燃料を使用することができる。   On the other hand, in the electrochemical reactions shown by the above formulas (A) to (D), the hydrazine concentration of the liquid fuel is sufficient if it is a concentration that can cause the decomposition reaction of the hydrazine shown by the above formula (A) is there. Therefore, liquid fuel with a low concentration can be used compared with the electrochemical reaction shown by the said Formula (E)-(F).

そして、低濃度の液体燃料を使用する場合には、高濃度の液体燃料を使用する場合に比べ、活性種の発生、および、電解質層8の損傷を抑制できるため、高濃度の液体燃料を使用する場合に比べて、電解質層8を薄膜化することができる。   And when using low concentration liquid fuel, compared with using high concentration liquid fuel, generation of active species and damage to the electrolyte layer 8 can be suppressed, so high concentration liquid fuel is used The electrolyte layer 8 can be thinned compared to the case where

電解質層8を薄膜化すると、上記したように、十分な量の液体燃料が電解質層8を通過してカソード電極10に漏出するため、液体燃料に含まれる水により空気を加湿して、上記式(C)で示される反応(カソード電極9における反応)を惹起することができる。   When the electrolyte layer 8 is thinned, as described above, a sufficient amount of liquid fuel passes through the electrolyte layer 8 and leaks to the cathode electrode 10. Therefore, air is humidified by water contained in the liquid fuel, and The reaction shown in (C) (reaction at the cathode electrode 9) can be triggered.

そのため、湿度調整装置50によって過度に加湿することなく、優れた発電効率を得ることができる。また、過度に加湿する必要がないため、水分が酸素側流路18に堆積することを抑制でき、優れた耐久性を得ることもできる。
II.第2発明
1.燃料電池システムの全体構成
図3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。
Therefore, excellent power generation efficiency can be obtained without excessively humidifying by the humidity adjustment device 50. Moreover, since it is not necessary to humidify excessively, it can suppress that a water | moisture content accumulates on the oxygen side flow path 18, and can also acquire the outstanding durability.
II. Second Invention General Configuration of Fuel Cell System In FIG. 3, the electric vehicle 1 is a hybrid vehicle that selectively uses a fuel cell and a battery as a power source, and is equipped with the fuel cell system 2.

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、電力取出手段としての動力部7とを備えている。   The fuel cell system 2 includes a fuel cell 3, a fuel supply and discharge unit 4, an air supply and discharge unit 5, a control unit 6, and a power unit 7 as a power extraction unit.

なお、図3において、燃料電池システム2は、湿度調整装置50を備えていない以外は、図1に示される燃料電池システム2と同じ構成である。   In FIG. 3, the fuel cell system 2 has the same configuration as the fuel cell system 2 shown in FIG. 1 except that the fuel cell system 2 is not provided with the humidity adjusting device 50.

また、図3に示される燃料電池システム2の発電時に生じる電気化学反応も、図1に示される燃料電池システム2の発電時に生じる電気化学反応(上記式(A)〜(D))と同じである。   Also, the electrochemical reaction that occurs during power generation of the fuel cell system 2 shown in FIG. 3 is the same as the electrochemical reaction that occurs during power generation of the fuel cell system 2 shown in FIG. 1 (the above formulas (A) to (D)). is there.

2.電流密度の調整
上記の電気化学反応(上記式(A)〜(D))では、動力部7により取り出される電力の電流密度によっては、十分な耐久性を得られず、燃料電池システム2の連続運転に伴って、出力が低下する場合がある。
2. Adjustment of current density In the above-mentioned electrochemical reaction (the above formulas (A) to (D)), depending on the current density of the power extracted by the power unit 7, sufficient durability can not be obtained. The output may decrease with the operation.

そこで、上記した燃料電池システム2では、液体燃料および空気を燃料電池3に供給し、燃料電池3から電力を取り出すときに、コントロールユニット29の制御によりコンバータ36を作動させ、取り出される電力の電流密度を調整する。   Therefore, in the fuel cell system 2 described above, when liquid fuel and air are supplied to the fuel cell 3 and power is taken out from the fuel cell 3, the converter 36 is operated by the control of the control unit 29, and the current density of the power taken out Adjust the

取り出される電力の電流密度は、170mA/cm以上であり、180mA/cm以下である。 Current density of power drawn is at 170 mA / cm 2 or more and 180 mA / cm 2 or less.

電流密度が上記下限未満である場合、得られる出力が十分ではなく、また、電流密度が上記上限を超過する場合、後述するように、電解質層8を透過した液体燃料が、酸素側流路18に堆積し、酸素の拡散を阻害するため耐久性に劣る。   When the current density is less than the above lower limit, the obtained output is not sufficient, and when the current density exceeds the above upper limit, the liquid fuel having permeated through the electrolyte layer 8 is the oxygen side flow path 18 as described later. It is less durable because it blocks the diffusion of oxygen.

これらに対して、電流密度が上記の範囲に調整されていれば、優れた出力を得るとともに、燃料電池システム2を連続運転させた場合の出力の低下を抑制することができ、優れた耐久性を得ることができる。   On the other hand, if the current density is adjusted to the above range, an excellent output can be obtained, and a decrease in output when the fuel cell system 2 is continuously operated can be suppressed, and excellent durability is obtained. You can get

3.第2発明の作用効果
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。
3. Operation and Effect of the Second Invention 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 cathode electrode 10, the water contained in the liquid fuel humidifies the air passing through the oxygen-side flow passage 18.

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 cathode electrode 10, an electrochemical reaction shown in the above-mentioned formula (C) occurs.

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 entire fuel cell 3 and an electromotive force is generated in the fuel cell.

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)N+4OH→N+4HO+4e(アノード電極9での反応)
(F)O+2HO+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では、動力部7のコンバータ36によって、燃料電池3から電力が、電流密度170〜180mA/cmで取り出される。そのため、そのため、優れた発電効率を得るとともに、耐久性の向上を図ることもできる。
(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, in the fuel cell system 2 described above, power is taken from the fuel cell 3 at a current density of 170 to 180 mA / cm 2 by the converter 36 of the power unit 7. Therefore, while being able to obtain the outstanding power generation efficiency, durability improvement can also be aimed at.

より具体的には、上記した燃料電池システム2において、燃料電池から取り出す電力の電流密度が過度に低い場合には、十分な出力を得られない。   More specifically, in the fuel cell system 2 described above, when the current density of the power extracted from the fuel cell is excessively low, a sufficient output can not be obtained.

一方、燃料電池から取り出す電力の電流密度が過度に高い場合、過剰量の液体燃料が電解質層8を通過してカソード電極10側に漏出する場合がある。   On the other hand, when the current density of the power extracted from the fuel cell is excessively high, an excessive amount of liquid fuel may leak through the electrolyte layer 8 to the cathode electrode 10 side.

このような場合、漏出した液体燃料が酸素側流路18に堆積し、空気の拡散を阻害するため、長期の使用に伴って発電効率を低下させるなど、耐久性に劣る。   In such a case, the leaked liquid fuel is accumulated in the oxygen-side flow passage 18 to inhibit the diffusion of air, so that the power generation efficiency is lowered with long-term use, and the durability is poor.

これに対して、燃料電池3から電力を、電流密度170〜180mA/cmで取り出すと、優れた出力を得ながら、過剰量の液体燃料が電解質層8を通過することを抑制することができる。 On the other hand, when electric power is taken out from the fuel cell 3 at a current density of 170 to 180 mA / cm 2 , it is possible to suppress an excessive amount of liquid fuel from passing through the electrolyte layer 8 while obtaining excellent output. .

その結果、適量の液体燃料が電解質層8を通過してカソード電極10に漏出するため、液体燃料に含まれる水により十分に空気を加湿して、上記式(C)で示される反応(カソード電極9における反応)を惹起することができる。   As a result, since an appropriate amount of liquid fuel passes through the electrolyte layer 8 and leaks to the cathode electrode 10, air contained in the liquid fuel is sufficiently humidified by air, and the reaction represented by the above formula (C) 9) can be triggered.

そのため、上記した燃料電池システム2によれば、優れた発電効率を得ることができる。また、液体燃料が酸素側流路18に堆積することを抑制できるため、優れた耐久性を得ることもできる。   Therefore, according to the fuel cell system 2 described above, excellent power generation efficiency can be obtained. In addition, since the liquid fuel can be prevented from depositing in the oxygen-side flow passage 18, excellent durability can also be obtained.

以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、それらに限定されない。以下の記載において用いられる配合割合(含有割合)、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合(含有割合)、物性値、パラメータなど該当記載の上限値(「以下」、「未満」として定義されている数値)または下限値(「以上」、「超過」として定義されている数値)に代替することができる。   Although an example is shown below and the present invention is explained still more concretely, the present invention is not limited to them. Specific numerical values such as blending ratios (content ratios), physical property values, parameters, etc. used in the following description are the blending ratios (content ratios) corresponding to those described in the above-mentioned "embodiments for carrying out the invention" ), Physical property values, parameters, etc. may be substituted for the upper limit (numerical values defined as “below”, “less than”) or lower limit (numerical values defined as “above”, “exceed”), etc. it can.

調製例1
カーボン(ケッチェンブラック、商品名:ECP600JD、ライオン社製)0.5gを、0.4Lの純水に分散させた。次いで、その分散液に、硝酸ニッケル(Ni(NO・6HO、キシダ化学社製)と、ヘキサクロロ白金(IV)酸(H(PtCl)・6HO、キシダ化学社製)とを、NiとPtとの原子数比率が1:1になり、触媒全質量に対して金属質量が20質量%になるように添加して、24時間撹拌した。
Preparation Example 1
0.5 g of carbon (Ketjen black, trade name: ECP 600 JD, manufactured by Lion Corporation) was dispersed in 0.4 L of pure water. Then, to the dispersion, nickel nitrate (Ni (NO 3) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) and, hexachloroplatinic (IV) acid (H 2 (PtCl 6) · 6H 2 O, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd. Were added such that the atomic ratio of Ni to Pt was 1: 1, and the metal mass was 20% by mass with respect to the total mass of the catalyst, and stirred for 24 hours.

次いで、ろ過により、ろ液と触媒原料とに分離した。触媒原料は、カーボンと、硝酸ニッケルと、ヘキサクロロ白金(IV)酸とを含有していた。   Then, it was separated into a filtrate and a catalyst raw material by filtration. The catalyst raw material contained carbon, nickel nitrate and hexachloroplatinum (IV) acid.

次いで、触媒原料を、純水で洗浄した後、100℃で10時間乾燥させた。その後、乾燥させた触媒原料を、アルゴン雰囲気下で600℃、2時間焼成した。   Then, the catalyst raw material was washed with pure water and then dried at 100 ° C. for 10 hours. Thereafter, the dried catalyst raw material was calcined at 600 ° C. for 2 hours under an argon atmosphere.

これにより、PtNi合金を担持した触媒担体(PtNi担持担体)を調製した。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、50モル%であった。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、50モル%であった。   Thus, a catalyst support (PtNi supported support) supporting a PtNi alloy was prepared. The content ratio of platinum in the PtNi alloy was 50 mol% with respect to the total number of moles of platinum and nickel. The content ratio of nickel in the PtNi alloy was 50 mol% with respect to the total number of moles of platinum and nickel.

調製例2
カーボン(ケッチェンブラック、商品名:ECP600JD、ライオン社製)0.5gを、0.4Lの純水に分散させた。次いで、その分散液に、ヘキサクロロ白金(IV)酸(H(PtCl)・6HO、キシダ化学社製)を触媒全質量に対して金属質量が20質量%になるように添加して、24時間撹拌した。
Preparation Example 2
0.5 g of carbon (Ketjen black, trade name: ECP 600 JD, manufactured by Lion Corporation) was dispersed in 0.4 L of pure water. Then, hexachloroplatinum (IV) acid (H 2 (PtCl 6 ) · 6H 2 O, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) is added to the dispersion so that the metal mass is 20 mass% with respect to the total mass of the catalyst. Stir for 24 hours.

次いで、ろ過により、ろ液と触媒原料とに分離した。触媒原料は、カーボンと、ヘキサクロロ白金(IV)酸とを含有していた。   Then, it was separated into a filtrate and a catalyst raw material by filtration. The catalyst raw material contained carbon and hexachloroplatinum (IV) acid.

次いで、触媒原料を、純水で洗浄した後、100℃で10時間乾燥させた。その後、乾燥させた触媒原料を、アルゴン雰囲気下で600℃、2時間焼成した。   Then, the catalyst raw material was washed with pure water and then dried at 100 ° C. for 10 hours. Thereafter, the dried catalyst raw material was calcined at 600 ° C. for 2 hours under an argon atmosphere.

これにより、Pt単体を担持した触媒担体(Pt単体担持担体)を調製した。   In this way, a catalyst carrier supporting Pt alone (Pt single carrier) was prepared.

製造例1
調製例1のPtNi担持担体0.5gと、調製例2のPt単体担持担体0.5gとを混合して、アノード触媒を調製した。そして、そのアノード触媒と、アイオノマー(商品名:トクヤマAS4)と、2−プロパノール(有機溶媒)とを、アイオノマー質量/触媒質量の比率が50質量%になるように混合し、全量30gのインクを調製し分散させて、アノード電極インクを調製した。
Production Example 1
An anode catalyst was prepared by mixing 0.5 g of the PtNi-supported carrier of Preparation Example 1 and 0.5 g of the Pt-only supported carrier of Preparation Example 2. Then, the anode catalyst, ionomer (trade name: Tokuyama AS 4), and 2-propanol (organic solvent) are mixed so that the ratio of ionomer mass / catalyst mass is 50% by mass, and the total amount of ink of 30 g is obtained. It was prepared and dispersed to prepare an anode electrode ink.

また、調製例2のPt単体担持担体1gと、アイオノマー(商品名:トクヤマA201)と、2−プロパノール(有機溶媒)とを、アイオノマー質量/触媒質量の比率が50質量%になるように混合し、全量30gのインクを調製し分散させて、カソード電極インクを調製した。   Further, 1 g of the Pt-supported carrier of Preparation Example 2, an ionomer (trade name: Tokuyama A201), and 2-propanol (organic solvent) are mixed so that the ratio of ionomer mass / catalyst mass is 50 mass%. A total of 30 g of ink was prepared and dispersed to prepare a cathode electrode ink.

次いで、アニオン交換形電解質膜(商品名:トクヤマA201)の一方の表面にアノード触媒(PtNi合金およびPt単体)の量が3.2mg/cmとなり、かつ、乾燥後の表面の面積が4cmとなるように、アノード電極インクを塗布した。 Next, the amount of the anode catalyst (PtNi alloy and Pt alone) is 3.2 mg / cm 2 on one surface of the anion exchange electrolyte membrane (trade name: Tokuyama A201), and the surface area after drying is 4 cm 2 The anode electrode ink was applied so that

また、アニオン交換形電解質膜の他方の表面にカソード触媒(Pt単体)の量が1.0mg/cmとなり、かつ、乾燥後の表面の面積が4cmとなるように、カソード電極インクを塗布した
その後、溶媒を常温の大気中で蒸発させ、12MPaの圧力で油圧プレス機により、膜電極接合体を2分加圧して、膜電極接合体を製造した。
In addition, the cathode electrode ink is applied to the other surface of the anion exchange electrolyte membrane so that the amount of cathode catalyst (Pt alone) is 1.0 mg / cm 2 and the area of the surface after drying is 4 cm 2. Thereafter, the solvent was evaporated in the air at normal temperature, and the membrane electrode assembly was pressurized for 2 minutes with a hydraulic press at a pressure of 12 MPa to produce a membrane electrode assembly.

評価方法
1.湿度の調整
燃料電池評価セル(ラボセル、ダイハツ工業社製)に、製造例1で得られた膜電極接合体をセットして、アノード電極に液体燃料(1.5質量%水加ヒドラジン、5.3質量%水酸化カリウム)を6.3cc/minの流速で供給した。
Evaluation method 1. Adjustment of Humidity The membrane electrode assembly obtained in Production Example 1 was set in a fuel cell evaluation cell (Labcell, manufactured by Daihatsu Kogyo Co., Ltd.), and a liquid fuel (1.5% by mass hydrazine hydrate, 5. 3% by mass potassium hydroxide was supplied at a flow rate of 6.3 cc / min.

また。カソード電極に空気を300cc/minの流速で供給した。   Also. Air was supplied to the cathode electrode at a flow rate of 300 cc / min.

このとき、空気の相対湿度を、15.52%、25.96%、41.94%とした。   At this time, the relative humidity of air was set to 15.52%, 25.96%, and 41.94%.

そして、電流密度200mA/cmで電力を取り出しながら、出力密度と運転時間とを測定した。その結果を、図4に示す。 Then, the power density and the operation time were measured while taking out the power at a current density of 200 mA / cm 2 . The results are shown in FIG.

また、測定条件(セル温度および背圧)を以下に示す。
セル温度;80℃
背圧;アノード:0kPa、カソード:0kPa
2.電流密度の調整
燃料電池評価セル(ラボセル、ダイハツ工業社製)に、製造例1で得られた膜電極接合体をセットして、アノード電極に液体燃料(1.5質量%水加ヒドラジン、5.3質量%水酸化カリウム)を6.3cc/minの流速で供給した。
Moreover, measurement conditions (cell temperature and back pressure) are shown below.
Cell temperature: 80 ° C
Back pressure; anode: 0 kPa, cathode: 0 kPa
2. Adjustment of current density The membrane electrode assembly obtained in Production Example 1 is set in a fuel cell evaluation cell (Labcell, manufactured by Daihatsu Kogyo Co., Ltd.), and a liquid fuel (1.5 mass% hydrazine hydrate, 5 .3 mass% potassium hydroxide) was supplied at a flow rate of 6.3 cc / min.

また。カソード電極に空気を300cc/minの流速で供給した。   Also. Air was supplied to the cathode electrode at a flow rate of 300 cc / min.

このとき、空気の相対湿度を、41.94%とした。   At this time, the relative humidity of air was set to 41.94%.

そして、170mA/cm、180mA/cm、190mA/cm、200mA/cmのそれぞれの電流密度で電力を取り出しながら、出力密度と運転時間とを測定した。その結果を、図5に示す。 Then, while drawing power at each current density of 170mA / cm 2, 180mA / cm 2, 190mA / cm 2, 200mA / cm 2, to measure the output density and operating time. The results are shown in FIG.

また、運転から0時間目における電流密度と出力密度との関係(運転初期の特性)を図6に示す。   Further, FIG. 6 shows the relationship between the current density and the output density at the 0th hour from the operation (the characteristic at the beginning of the operation).

また、測定条件(セル温度および背圧)を以下に示す。
セル温度;80℃
背圧;アノード:0kPa、カソード:0kPa
Moreover, measurement conditions (cell temperature and back pressure) are shown below.
Cell temperature: 80 ° C
Back pressure; anode: 0 kPa, cathode: 0 kPa

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
50 湿度調整装置
Reference Signs List 2 fuel cell system 3 fuel cell 8 electrolyte layer 9 anode electrode 10 cathode electrode 21 fuel supply unit 24 air supply unit 50 humidity adjustment device

Claims (2)

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
を備え、
前記酸素供給部は、前記空気の相対湿度を調整する湿度調整手段を備え、
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、
前記湿度調整手段は、前記空気の相対湿度を26%以下に調整する
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;
And an oxygen supply unit for supplying air to the cathode electrode,
The oxygen supply unit includes humidity adjusting means for adjusting the relative humidity of the air;
The liquid fuel includes hydrazines,
The anode electrode contains PtNi alloy and Pt alone,
The fuel cell system, wherein the humidity adjusting means adjusts the relative humidity of the air to 26% or less.
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
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、
前記電力取出手段は、前記燃料電池から電力を電流密度170〜180mA/cmで取り出す
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 extraction means for extracting power from the fuel cell;
The liquid fuel includes hydrazines,
The anode electrode contains PtNi alloy and Pt alone,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the power extracting means extracts power from the fuel cell at a current density of 170 to 180 mA / cm 2 .
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