JP5164691B2 - Fuel transport mechanism of direct alcohol fuel cell - Google Patents
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Description
この発明は、ノートパソコン、携帯電話、小型ビデオカメラ用などの小型の機器から自動車および家庭用などの大型機器に至る各種の電気機器の電源として用いることのできる燃料電池に関し、特にその燃料供給装置に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell that can be used as a power source for various electric devices ranging from small devices such as notebook computers, mobile phones, and small video cameras to large devices such as automobiles and homes, and more particularly to the fuel supply device thereof. It is about.
ダイレクトアルコール型の燃料電池は、比較的低い温度での発電が可能なこと、可燃性ガスを使用する燃料電池と比較して、液体燃料を用いるために燃料のエネルギ密度が高いこと、またその結果として燃料容器が小型化できること、さらには貯蔵の難しい水素ガスを燃料に用いないなどのことから、燃料電池全体の構成を小型化することができるなどの特徴を有する。したがって今後ノートパソコン、携帯電話、小型ビデオカメラなどの小型携帯型の機器用電源として有望視される燃料電池である。 Direct alcohol type fuel cells are capable of generating electricity at relatively low temperatures, and have higher fuel energy densities due to the use of liquid fuels compared to fuel cells using flammable gases, and as a result Since the fuel container can be reduced in size, and hydrogen gas that is difficult to store is not used as fuel, the configuration of the entire fuel cell can be reduced. Therefore, it is a fuel cell that is promising as a power source for small portable devices such as notebook computers, mobile phones, and small video cameras.
従来のダイレクトアルコール型の燃料電池は、水素ガスを燃料とした燃料電池と比較して発電される電力が小さいなどの問題があり、発電電力の向上が課題になっている。 Conventional direct alcohol fuel cells have problems such as a small amount of electric power generated compared to a fuel cell using hydrogen gas as a fuel, and improvement of generated electric power has been an issue.
液体燃料としてメタノールを用いたダイレクトメタノール型燃料電池は電池本体への燃料供給方法によって液体燃料をそのまま電池本体に供給する液体供給型と、気化させたメタノールを電池本体に供給する気化供給型とに大別される。 Direct methanol fuel cells using methanol as the liquid fuel are divided into a liquid supply type that supplies liquid fuel directly to the battery body by a fuel supply method to the battery body, and a vaporization supply type that supplies vaporized methanol to the battery body. Broadly divided.
前者の液体供給型のメタノール燃料電池は、電池本体の燃料側にメタノールを供給した場合、そのメタノールはメッシュ状の金属で構成された電極を透過し、さらに多孔質で構成されたガス拡散層を透過して触媒層に到達する。白金/ルテニウムの混合物によって構成された触媒層にメタノールとそれと同量以上の水分が到達あるいは触媒層に存在すると、メタノールは二酸化炭素、プロトン、電子に分解される。
CH3OH + H2O → CO2+ 6H+ + 6e−
この時発生した二酸化炭素は、燃料が透過してきたガス拡散層および電極を通って外部へ放出される。また発生したプロトンは電解質膜中を透過し、空気供給側に移動する。さらにまた発生した電子は、導電体である多孔質のガス拡散層を透過して電極で捕捉され、反対側(空気供給側)の電極との間に形成した回路中を移動して電気を発生する。
In the former liquid supply type methanol fuel cell, when methanol is supplied to the fuel side of the cell main body, the methanol permeates through an electrode made of a mesh-like metal and further forms a porous gas diffusion layer. Permeate to reach the catalyst layer. When methanol and water of the same amount or more reach or exist in the catalyst layer composed of a platinum / ruthenium mixture, the methanol is decomposed into carbon dioxide, protons, and electrons.
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e −
The carbon dioxide generated at this time is released to the outside through the gas diffusion layer and the electrode through which the fuel has permeated. The generated protons pass through the electrolyte membrane and move to the air supply side. Furthermore, the generated electrons pass through the porous gas diffusion layer, which is a conductor, and are captured by the electrodes, and move through the circuit formed between the electrodes on the opposite side (air supply side) to generate electricity. To do.
電極の構造は、液体と気体とを透過させやすく、さらに電気を捕捉しやすいようにメッシュ状が望ましい。また電極の材料には、電気的腐食を受けないように白金あるいは金などの貴金属によってメッキ処理が施されたチタンあるいは鉄あるいは銅などの金属が望ましい。 The structure of the electrode is desirably a mesh shape so that liquid and gas can be easily transmitted and electricity can be easily captured. The electrode material is preferably a metal such as titanium, iron or copper plated with a noble metal such as platinum or gold so as not to be subject to electrical corrosion.
ガス拡散層は、電極と同様に液体と気体とを透過させやすくさらに電気の良導体であるカーボン繊維やカーボン紙などが望ましい。さらに望ましくは、ガス拡散層を構成する素材は、液体を透過させやすいよう水和処理を施しておくとよい。水和処理は酸化錫などをカーボン繊維などを含浸させることが一般的である。 The gas diffusion layer is preferably made of carbon fiber or carbon paper, which is easy to transmit liquid and gas, and is a good electrical conductor, like the electrode. More preferably, the material constituting the gas diffusion layer may be subjected to a hydration treatment so that the liquid can easily pass therethrough. In the hydration treatment, carbon fiber or the like is generally impregnated with tin oxide or the like.
空気供給側では、標準気圧によって吸入した空気中に含まれる酸素が、空気供給側の電極およびガス拡散層を経て触媒層に到達し、燃料供給側から移動してきたプロトンと電解質膜において、電子とともに反応して水が生成する。
3/2O2 +6H+ + 6e− → 3H2O
On the air supply side, oxygen contained in the air sucked by the standard atmospheric pressure reaches the catalyst layer via the electrode and gas diffusion layer on the air supply side, and in the proton and electrolyte membrane that has moved from the fuel supply side, together with electrons Reaction produces water.
3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O
上述した一般的なメタノール燃料電池において、必要とする電力を安定的に取り出そうとする場合に、液体状態のメタノールを標準気圧下で外部からの動力を用いずに供給することは、必要とする電力を安定的に取り出すためには不十分である。そのため従来では、小型ポンプを用いて、メタノールの流量を制御しながら強制的に燃料電極へ供給している。 In the above-described general methanol fuel cell, when the required power is to be stably taken out, it is necessary to supply methanol in a liquid state under the standard pressure without using external power. Is not sufficient for the stable extraction. Therefore, conventionally, a small pump is used to forcibly supply the fuel electrode while controlling the flow rate of methanol.
ところで携帯電話のような携帯型の小型電子機器に同様の燃料電池を用いようとした場合には、上記のような燃料供給用ポンプはその大きさの観点から採用することはできない。また一般的に、ポンプを制御するためには電力が必要であり、燃料電池で発電した電力の一部をポンプの駆動に用いた場合には、燃料電池全体としての出力電力の低下を招く。 When a similar fuel cell is used in a portable small electronic device such as a mobile phone, the fuel supply pump as described above cannot be adopted from the viewpoint of its size. In general, electric power is required to control the pump, and when a part of the electric power generated by the fuel cell is used for driving the pump, the output power of the entire fuel cell is reduced.
後者の気化供給型のメタノール燃料電池は、従来ポンプによって送液されたメタノールを気化させて、ブロワによって供給する方法が知られている。また電極反応性能は液体供給型と比較して高いが、この方法においても気化器などの補器を設ける必要があり、装置の大型化を招く。 As the latter vaporization supply type methanol fuel cell, a method of vaporizing methanol fed by a conventional pump and supplying it by a blower is known. The electrode reaction performance is higher than that of the liquid supply type, but this method also requires an auxiliary device such as a vaporizer, which leads to an increase in the size of the apparatus.
従来ではポンプに替えて毛管作用の生じるウィック構造の燃料供給媒体を用いることが提案されている。ウィック構造を用いることにより、従来の燃料電池のようなアクティブ構造ではなく、パッシブ構造を採用することができる。また燃料の供給に関するエネルギの供給を極力抑え、かつ燃料供給構造をも小さく抑えることができるため、前述した小型携帯型の機器用電源としての可能性をより高めることができる。 Conventionally, it has been proposed to use a fuel supply medium having a wick structure that causes capillary action instead of a pump. By using the wick structure, a passive structure can be adopted instead of an active structure like a conventional fuel cell. In addition, since the energy supply related to the fuel supply can be suppressed as much as possible and the fuel supply structure can be suppressed to be small, the possibility of the power supply for small portable devices described above can be further increased.
ウィック構造の燃料供給媒体を提案した例が下記の特許文献に記載されている。特許文献1および2には、液体燃料を毛細管現象を用いてスタックに導入するように構成されている。またスタックに導入された液体燃料は、発電部の反応熱によって気化されて発電部に供給される。気化された燃料を供給することにより、電極反応性を高めて出力電力が向上されるように構成されている。また燃料気化層内の気体燃料は、ほぼ飽和状態に保たれる。そのため電池反応による燃料の消費分だけ液体燃料が気化される。さらに気化した分だけ液体燃料が毛細管現象によって単電池内に導入される。
An example in which a fuel supply medium having a wick structure is proposed is described in the following patent document.
また特許文献2には、特許文献1の構成に加えて、燃料収容容器内に封入したバネなどの機械的圧力によって、燃料収容容器内部の圧力を一定に保つように構成されている。
Further, in
特許文献1および2に記載された燃料電池は、燃料収容容器内部の圧力を一定に保ち、ウィックの毛細管現象によって液体燃料を押し出してスタックに導入するように構成されている。そのため燃料供給量は燃料消費量に連動しているので、燃料供給量は発電部の燃料消費量に依存する。また燃料電池の起動時に燃料供給量不足を生じる虞がある。さらにまた燃料供給量の調整をおこなうためには、単電池の面積を増減させる必要がある。
The fuel cells described in
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、発電部の燃料消費量に依存せずに安定して燃料を供給することが可能なダイレクトアルコール型燃料電池の燃料輸送機構を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made paying attention to the above technical problem, and provides a fuel transportation mechanism for a direct alcohol fuel cell capable of stably supplying fuel without depending on the fuel consumption of the power generation unit. It is intended to provide.
上記の目的を達成するために、請求項1の発明は、液状のガス発生剤から触媒反応によって非凝縮性ガスを発生させ、その非凝縮性ガスによって燃料を加圧して発電部に輸送するダイレクトアルコール型燃料電池において、前記触媒が固定されるとともに、かつ前記液状のガス発生剤を透過させずに前記非凝縮性ガスを透過させる多孔質部材が、前記非凝縮性ガスを前記燃料に対して供給する管路中に配置されていることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the invention of
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記多孔質部材は、一方の端部が閉じかつ他方の端部が開口した有底円筒状に形成され、かつ前記非凝縮性ガスを前記燃料に送る管路中に同心状に挿入されて該管路の上流側と下流側とを区画していることを特徴とするものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the porous member is formed in a bottomed cylindrical shape with one end closed and the other end opened, and It is characterized by being inserted concentrically into a pipeline that feeds fuel and dividing the upstream side and the downstream side of the pipeline.
請求項3の発明は、請求項1または2の発明において、前記多孔質部材は、多孔質セラミックによって形成されていることを特徴とするものである。 A third aspect of the invention is characterized in that, in the first or second aspect of the invention, the porous member is formed of a porous ceramic.
請求項1の発明によれば、液状のガス発生剤が多孔質部材を透過しないので、液状のガス発生剤と多孔質部材に固定された触媒との反応効率を向上させることができる。 According to the first aspect of the present invention, since the liquid gas generating agent does not permeate the porous member, the reaction efficiency between the liquid gas generating agent and the catalyst fixed to the porous member can be improved.
請求項2の発明によれば、請求項1の発明による効果と同様の効果に加えて、多孔質部材は有底円筒状に形成されているので、触媒を平面上に固定した場合と比較して、触媒を固定させる面積を増大させることができる。また燃料に対して非凝縮性ガスを供給する管路に挿入されているので、省スペース化を図ることができる。さらにまた多孔質部材は有底円筒状に形成され管路に挿入されているので、その形状から管路の上流側と下流側とを区画することができる。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、請求項1または2の発明による効果と同様の効果に加えて、多孔質部材は多孔質セラミックによって形成されているので、形状設計の自由度が得られ、組み付け性の向上を図ることができる。また材質がセラミックであるから、耐熱性が得られる。
According to the invention of claim 3, in addition to the effect similar to the effect of the invention of
つぎにこの発明に係るダイレクトアルコール型燃料電池の燃料輸送機構を実施例に基づいて説明する。図1に、この発明における多孔質部材1を模式的に示してある。この発明に係る機構は、燃料であるアルコールを非凝縮性ガス2によって圧送して図示しない発電部へ供給する。この発明における多孔質部材1は、非凝縮性ガス2を発生させる液状のガス発生剤3を透過させず、触媒反応によって発生した非凝縮性ガス2を透過させることができる多孔構造を有している。これらの孔または表面には、触媒反応によって液状のガス発生剤3から非凝縮性ガス2を発生させる触媒4が固定化されている。そのため例えば内壁面1aに液状のガス発生剤3が接触した場合は、触媒反応によって発生した非凝縮性ガス2が多孔質部材1を透過して外壁面1bから管路5に導出される。これとは反対に外壁面1bに接触した場合は、触媒反応によって発生した非凝縮性ガス2が多孔質部材1を透過して内壁面1aから管路5に導出される。その結果、液状のガス発生剤3は多孔質部材1を透過しないので、未反応の液状のガス発生剤3が漏出することを防止もしくは抑制することができる。
Next, a fuel transport mechanism of a direct alcohol fuel cell according to the present invention will be described based on examples. FIG. 1 schematically shows a
図2には、上記の多孔質部材1が非凝縮性ガス2を供給する管路5に挿入された例を模式的に示してある。この多孔質部材1と管路5との間に生じる間隙は、液状のガス発生剤3を漏出させないようにOリング6などのシール材6によって埋められている。また多孔質部材1の内壁1aに接触してウィック7が挿入されている。そのため液状のガス発生剤3はウィック7の生じる毛細管力によって送液される。ウィック7の生じる毛細管力によって送液された液状のガス発生剤3が内壁面1aに接触した場合に、触媒反応によって発生した非凝縮性ガス2が多孔質部材1を透過して外壁面1bから管路5に導出される。これとは反対に外壁面1bに接触してウィック7が設けられた場合には、ウィック7によって外壁面1bに液状のガス発生剤3が供給され、触媒反応によって発生した非凝縮性ガス2が多孔質部材1を透過して内壁面1aから管路5に導出される。その結果、多孔質部材1と管路5との間に生じる間隙はOリング6などのシール材6によって埋められるので、未反応の液状のガス発生剤3が漏出することを防止もしくは抑制することができる。また触媒反応によって発生させた非凝縮性ガス2が逆流することを防止もしくは抑制することができる。さらにまた、液状のガス発生剤3の供給にウィック7が用いられるので、液状のガス発生剤3を滞らせずに供給することができる。
FIG. 2 schematically shows an example in which the
図3には、この発明に係るダイレクトアルコール型燃料電池の燃料輸送機構の酸素発生量の評価装置を模式的に示してある。液状のガス発生剤3は、ガス発生剤タンク8に貯留されるように構成されている。またガス発生剤3は、毛細管力を有するウィック7によって管路5の内部に挿入された多孔質部材1に導入されるように構成されている。多孔質部材1に導入されて、触媒反応によって発生した非凝縮性ガス2の量を水上置換法によってビーカー9に収集して計測した。図4は、図3において、管路5に挿入した多孔質部材1およびウィック7の簡略化した拡大図を示してある。
FIG. 3 schematically shows an apparatus for evaluating the amount of oxygen generated by the fuel transport mechanism of a direct alcohol fuel cell according to the present invention. The liquid gas generating agent 3 is configured to be stored in the gas generating
液状のガス発生剤3には、水を用いて希釈した3vol%の過酸化水素水3を使用した。過酸化水素3を分解し、非凝縮性ガス2を発生させる触媒4には二酸化マンガン4を用いた。過酸化水素3は二酸化マンガン4の触媒作用によって分解されて非凝縮性ガス3である酸素3を発生させる。
2H2O2 → 2H2O + O2
As the liquid gas generating agent 3, 3 vol% hydrogen peroxide solution 3 diluted with water was used.
2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2
二酸化マンガン4は、多孔質部材1に焼結によって固定化させた。具体的には、10vol%の濃度となるようにエタノールを用いて希釈された硝酸マンガン(六水和物)に、あらかじめ洗浄された多孔質部材1を30分間浸漬して105℃にて1時間乾燥させた後に、酸素雰囲気下、400℃にて1時間加熱して担持させた。
Mn(NO2) → MnO2 + NO2
なお過酸化水素3を分解する触媒4に、二酸化マンガン4以外では白金を用いてもよい。また多孔質部材1には、平均孔径10μmに調整されたアルミナ製チューブ1を用いた。
Mn (NO 2 ) → MnO 2 + NO 2
Platinum other than
図5に、上記のように構成したアルミナ製チューブ1の酸素発生量を示してある。比較対象として、上記のアルミナ製チューブ1の長さを基準として、同長のガラス製ウィックex1および1.5倍の長さのガラス製ウィックex2ならびに2倍の長さのガラス製ウィックex3に上記と同様の方法によって二酸化マンガン4を固定化して評価した。なお、ガラス製ウィックの太さはアルミナ製チューブ1と同径とした。その結果、ウィック7に触媒4を固定化した場合と比較して、多孔質部材1に触媒4を固定化した場合の酸素発生量が最も多かった。すなわち過酸化水素水3の触媒4による分解量は触媒4の量に依存し、特に触媒4が固定化される表面積に依存するので、多孔質部材1の有効面積が広いと言える。言い換えるとウィック7に触媒4を固定化した場合と比較して、多孔質部材1は触媒4の固定化される有効面積が大きいので、充分な酸素発生量を確保できる。また有効面積が大きいので、燃料電池の小型化に寄与することができる。
FIG. 5 shows the oxygen generation amount of the
図6にアルミナ製チューブ1の平均孔径を調整し、管路5と多孔質部材1との間に生じる間隙から過酸化水素水3の漏出の有無を確認した結果を示してある。触媒4を固定した後に測定した平均孔径が50μmよりも小さい場合には、間隙から過酸化水素水3の漏出は認められなかった。これとは反対に、平均孔径が50μmよりも大きい場合には、間隙からの過酸化水素水3の漏出が認められた。過酸化水素水3が間隙から漏出すると、多孔質部材1に固定された触媒4と過酸化水素水3との接触量が少なくなるので、酸素発生量が低下する。そのため多孔質部材1の平均孔径を50μmよりも小さく調整することによって、触媒4と過酸化水素水3との触媒反応を最適化することができる。
FIG. 6 shows the result of adjusting the average pore diameter of the
なお、前述した例では多孔質部材1にアルミナを用いた例を示したが、平均孔径が図5に示す範囲に調整できるその他の材質を用いてもい。
In addition, although the example which used the alumina for the
1…多孔質部材、 2…非凝縮性ガス、 3…ガス発生剤、 4…触媒、 5…管路。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記触媒が固定されるとともに、かつ前記液状のガス発生剤を透過させずに前記非凝縮性ガスを透過させる多孔質部材が、前記非凝縮性ガスを前記燃料に対して供給する管路中に配置されていること
を特徴とするダイレクトアルコール型燃料電池の燃料輸送機構。 In a direct alcohol fuel cell that generates a non-condensable gas from a liquid gas generant by a catalytic reaction, pressurizes the fuel with the non-condensable gas, and transports the fuel to a power generation unit.
A porous member that fixes the catalyst and allows the non-condensable gas to permeate without allowing the liquid gas generating agent to permeate is provided in a pipe that supplies the non-condensable gas to the fuel. A fuel transport mechanism for a direct alcohol fuel cell, wherein the fuel transport mechanism is arranged.
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