JP5245194B2

JP5245194B2 - 液体燃料直接供給型燃料電池システム

Info

Publication number: JP5245194B2
Application number: JP2005313554A
Authority: JP
Inventors: 利夫佐野; 文也石丸
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: JP2007123054A

Description

本発明は液体燃料直接供給型燃料電池システムに関するもので、さらに詳しく言えば、液体燃料と酸化剤ガスとを直接発電ユニットに供給して発電ができる、分散形電源、移動体用電源、小型携帯用電源に適した液体燃料直接供給型燃料電池の構造に関するものである。

近年、環境問題や資源問題への対策がクローズアップされ、その一環として燃料電池の開発が活発に行われている。特に、プロトン導電性固体高分子膜を電解質に用いた直接メタノール型燃料電池のような液体燃料直接供給型燃料電池は、燃料をガス化または改質せずに直接供給することによって発電できるという特徴を持っているため、構造がシンプルで、小型化、軽量化が容易であり、分散形電源、移動体用電源、小型携帯用電源として注目されている。

この直接メタノール型燃料電池は、プロトン導電性高分子固体高分子膜の電解質の両側に正極および負極を接合したセルをグラファイト製のセパレータで挟持されて、または該セルがグラファイト製のセパレータを介して多数積層されて発電ユニットを構成している。前記正極は多孔性のカーボンペーパーの表面に白金触媒を担持した炭素粉末が塗布されてなり、前記負極は同様のカーボンペーパーの表面に白金−ルテニウム触媒を担持した炭素粉末が塗布されてなる。

上記した直接メタノール型燃料電池は、負極に還元剤としてのメタノール水溶液を供給し、正極に酸化剤としての空気中の酸素を供給し、電解質を介した電気化学反応によって発電を行うものであり、その発電効率やエネルギー密度の点で、ニッケル−水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に代わる電源として注目されている。すなわち、負極に濃度が３％程度のメタノール水溶液を供給し、正極に空気を供給すると、負極の電気化学反応によって二酸化炭素が生成し、正極の電気化学反応によって水が生成し、負極側からは前述した二酸化炭素がメタノール水溶液とともに排出され、正極側からは前述した水が空気とともに排出される。

このような直接メタノール型燃料電池は、二酸化炭素とともに排出されたメタノール水溶液と、空気とともに排出された水とを、負極に供給するためのメタノール水溶液を貯蔵する燃料タンクに戻し、その濃度を３％程度に調製して、再度、負極に供給するようなシステム、すなわち、液体燃料直接供給型燃料電池システムに構成される。

しかしながら、上記したシステムにおいては、直接メタノール型燃料電池の運転温度が８０℃程度であるため、正極側から排出される水の大部分は水蒸気としてシステム外に出てしまい、システム外に出なかった水と、二酸化炭素を除去した後のメタノール水溶液とを燃料タンクに戻して、再度負極に供給しようとすると、水が不足して、メタノール水溶液を適正な濃度にすることができないという問題があった。このような問題を解決するための方法の一つとして、特許文献１に開示されたような提案がなされている。
特開２００５−１０８６５８号公報

特許文献１の提案は、正極側で生成した水蒸気を、ファンを備えたラジエータで冷却して液体の水として回収するものである。

上記のようなラジエータを設けると、正極側で生成した水蒸気を液体の水として回収することはできるが、回収された水には、負極の電気化学反応の過程で、負極側から正極側に透過してきたメタノールの酸化によって生成した、微量のホルムアルデヒドや蟻酸が副生成物として混在し、これらが、熱伝導率の高いことが求められるラジエータの材質である銅やアルミニウム等の金属を溶出させて、銅やアルミニウムの金属イオンを含有した水が前記燃料タンクに戻されるという問題があった。また、長期間の使用により、ラジエータの強度低下に起因する外部応力や残留応力によるストレス破壊の発生も考えられるため、ラジエータの材質である銅やアルミニウム等の金属片を含有した水が前記燃料タンクに戻されるという問題があった。そして、このような金属イオンや金属片がスタック内に入り込むと、電池特性を低下させるという問題もあった。例えば、金属イオンであれば、それがプロトン導電性高分子固体電解質膜に取り込まれて、そのイオン導電性を低下させて、出力特性を低下させることが考えられ、金属片であれば、液体燃料の供給路に蓄積して供給路を閉塞させて、液体燃料の供給不足に陥らせることが考えられる。

上記課題を解決するため、本発明は、プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設し、前記負極に液体燃料が供給され、前記正極に酸化剤ガスが供給されるようにしたセルまたは該セルを複数個積層したセルスタックからなる発電ユニットと、前記正極の電気化学反応によって生成した水を回収して前記負極に供給するための液体燃料を貯蔵する燃料タンクに戻す水供給装置とを備え、前記正、負極の電気化学反応によって起電力を得る液体燃料直接供給型燃料電池システムにおいて、前記水供給装置が、生成した水と、更に副生成物として生成するホルムアルデヒド、および蟻酸を冷却する熱交換器と、冷却された水、ホルムアルデヒドおよび蟻酸から気体成分と液体成分とを分離する気液分離槽と、分離された液体成分中のホルムアルデヒドおよび蟻酸により溶出した金属片または金属イオンを除去するフィルターとを、少なくとも備え、熱交換器が銅またはアルミニウムを含有し、フィルターが耐熱性および耐酸性を有し、スルフォン酸基またはリン酸基のイオン交換基を有していることを特徴とする。前記フィルターは耐熱性および耐酸性を有した不織布であることが好ましい。

本発明によれば、気液分離槽によって分離された液体成分中の金属片または金属イオンを除去するフィルターを備えていて、金属片はフィルターによって捕捉して除去し、金属イオンはフィルターに導入されたイオン交換基によって捕捉して除去するようにしたから、電池特性を低下させたり、液体燃料の供給路を閉塞させたり、といったことなく、回収した水を再利用に供することができる。

以下、本発明を、その実施の形態に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る液体燃料直接供給型燃料電池システムの例として示した直接メタノール型燃料電池システムの構成図であり、その特徴は、プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質５を介して負極６と正極７とを対設したセル１を発電ユニットとし、前記負極６に、液体燃料としてのメタノール水溶液を、その電気化学反応に適した濃度（約３％）にして貯蔵する燃料タンク２から供給し、正極７に、酸化剤ガスとしての空気を、図示していないポンプによって供給するようにしたことである。前記正極７では、その電気化学反応よって水が生成し、この水と反応に関与しなかった空気とが冷却ファン９の風が当たっている熱交換器８を通過して気液分離槽４に導入され、ここで気体と液体とに分離され、液体成分としての水が、ポンプ１０によって、前記熱交換器８から溶出した金属イオンや金属片を除去するためのフィルター１１を介して、燃料タンク２に導入され、負極６では、その電気化学反応によって二酸化炭素が生成し、この二酸化炭素と反応に関与しなかったメタノール水溶液とが気液分離槽３に導入され、ここで気体と液体に分離され、液体成分としてのメタノール水溶液が燃料タンク２に導入されるように構成される。また、気液分離槽４で分離された気体成分（空気）と気液分離槽３で分離された気体成分（二酸化炭素）とは気体成分回収手段１２に導入され、必要な処理をした後大気中に放出される。

上記した実施の形態では、ポンプ１０を設けたものを水供給装置としているが、気液分離槽４を燃料タンク２より上方に設けて重力によって生成した水が燃料タンク２に導入されるようにすれば、熱交換器８、気液分離槽４およびフィルター１１のみで水供給装置としてもよい。

また、上記した実施の形態では、燃料タンク２に供給される水とメタノール水溶液によって電気化学反応に適した濃度（約３％）になるようにしているが、別に高濃度（約６０％）のメタノール水溶液を貯蔵する高濃度メタノールタンクを設け、この高濃度メタノールタンクから高い濃度のメタノール水溶液を導入して前述した濃度になるように制御してもよい。

また、前記フィルター１１は、熱交換器８の材質として広く用いられる銅やアルミニウムの金属片を除去する点では、耐熱性や耐酸性にすぐれた不織布がよく、さらにスルホン酸基やリン酸基のようなイオン交換基を導入した不織布やイオン交換樹脂とすることにより、前記金属片とともに銅イオンやアルミニウムイオンの除去も可能である。なお、ここで用いる不織布やイオン交換樹脂は、その形状については特に限定されるものではない。

図２は、図１の実施の形態に対し、セル１を密閉容器１３に収納した例である。このようにセル１を密閉容器１３に収納することにより、図１の実施の形態において懸念される廃熱などの熱管理のような問題の解消が可能である。

上記した実施の形態では、液体燃料にメタノール水溶液を用いた直接メタノール型燃料電池システムを例にして説明したが、メタノール水溶液以外の液体燃料、たとえばエチルアルコール、ブタノール、ジメチルエーテル等を用いた液体燃料直接供給形燃料電池にも適用することができる。

また、上記した実施の形態では、発電ユニットが単一のセル１からなるもので説明したが、このセル１を複数個積層したセルスタックとし、これを発電ユニットとしたものであってもよい。

以上のように、本発明によれば、メタノール水溶液を改質、ガス化することなく発電を行うことができる直接メタノール型燃料電池に代表される液体燃料直接供給型燃料電池を、携帯用電源、コンピューター用電源といった小型コンシューマー用途に適用するに際し、正極で生成される水を回収し、その水に含まれる熱交換器から溶出する金属イオンや金属片を確実に除去して再利用するから、上記した用途に適した、電池の連続運転時間を大きく向上させる直接メタノール型燃料電池システムの構成に寄与することができる。

本発明の実施の形態に係る液体燃料直接供給型燃料電池システムの構成図である。図１の実施の形態の変形例に係る液体燃料直接供給型燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１セル
２燃料タンク
３、４気液分離槽
５電解質
６負極
７正極
８熱交換器
９ファン
１０ポンプ
１１フィルター
１２気体成分回収手段

Claims

プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設し、前記負極に液体燃料が供給され、前記正極に酸化剤ガスが供給されるようにしたセルまたは該セルを複数個積層したセルスタックからなる発電ユニットと、前記正極の電気化学反応によって生成した水を回収して前記負極に供給するための液体燃料を貯蔵する燃料タンクに戻す水供給装置とを備え、前記正、負極の電気化学反応によって起電力を得る液体燃料直接供給型燃料電池システムにおいて、前記水供給装置が、生成した水と、更に副生成物として生成するホルムアルデヒド、および蟻酸を冷却する熱交換器と、冷却された水、ホルムアルデヒドおよび蟻酸から気体成分と液体成分とを分離する気液分離槽と、分離された液体成分中のホルムアルデヒドおよび蟻酸により溶出した金属片または金属イオンを除去するフィルターとを、少なくとも備え、
熱交換器が銅またはアルミニウムを含有し、
フィルターが耐熱性および耐酸性を有し、スルフォン酸基またはリン酸基のイオン交換基を有していることを特徴とする液体燃料直接供給型燃料電池システム。
請求項１記載の液体燃料直接供給型燃料電池システムにおいて、フィルターは耐熱性および耐酸性を有した不織布であることを特徴とする液体燃料直接供給型燃料電池システム。