JPWO2005020361A1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式(2)のようになる。
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式(3)のようになる。
特に、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、燃料電池の小型化および実用化に向けての利点が大きい。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。
また、同文献の実施例(段落0040)には、「本発明に係る分離膜として、厚さ70μm、細孔径0.1μm、気孔率68%のポリエチレンテレフタレートからなる多孔質体を準備した。」と記載されている。
図1は本実施形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。また、図2は、この燃料電池システムの斜視図である。
図3は、本実施形態に係る燃料電池システムのガス排出部を示す断面図である。また、図4は、この燃料電池システムの斜視図である。
図5および図6は、本実施形態における燃料電池システム820の構造を模式的に示した断面図である。図6に示すように、燃料電池システム820は、上室801a、下室801b、取り込み口809、酸素供給口817を備える。本実施形態では、燃料電池単位セル101毎にガス処理部824が設けられている。燃料電池単位セル101は、燃料容器811の開口部813(図6に図示)に設けられ、燃料電池単位セル101の固体電解質膜114に形成された孔823上にフィルタ900が設けられている。このようにすると、ガス処理部824を設ける領域を燃料電池単位セル101が設けられた領域と別に設ける必要がないため、燃料電池システムをコンパクトに構成でき、システムの小型化を図ることができる。
図5の構造では、フィルタ900を介して燃料電池システム内のガスが大気中に放出される。図6の構造では、フィルタ900を透過した微量の副生成物ガスが存在しても、さらに触媒膜805により酸化処理された上で外部に放出されるようになっている。
図7は、本実施形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
本実施形態に係る燃料電池システムの構造を図8に示す。このシステムは、燃料極102および酸化剤極108および固体電解質膜114からなる燃料電池と、ガス排出部とを含む。
図9は、本実施形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した平面図である。図10は、この燃料電池システムのA−A断面図である。
図11(A)は、本実施形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した部分断面平面図である。図11(B)は、この燃料電池システムのC−C断面図である。
まず、フィルタの副生成物並びにメタノールの除去能についての検証を行った。フィルタは、気液分離膜として厚み50μmの多孔質PTFE(孔径1μm)と、二酸化炭素選択透過性膜として、厚み1μmの非多孔質PTFEとした。厚みは、いずれも平均値を示す。フィルタは、多孔質膜PTFE上にPTFE含有液をスピンコートした後、室温で乾燥させることにより作製した。
CO2:280,000cB
O2:99,000cB
N2:49,000cB
メタン:34,000cB
ここで、cBは”centi−BARRIER”なる単位を意味し、その数値は、同一条件で測定を行ったときの膜を透過するガス流量を表す。この非多孔質PTFEは、二酸化炭素を選択的に透過する膜であることがわかる。
なお、燃料電池部分の触媒は、燃料極では白金/ルテニウム、酸化剤極では白金とした。固体電解質膜の構成材料は、ナフィオン(登録商標)とした。
二酸化炭素選択透過性膜の構成材料として、ポリメタクリル酸1H,1H−パーフルオロオクチルを用いたこと以外は実施例1と同様にしてフィルタを作製した。二酸化炭素選択透過性膜は、ポリメタクリル酸1H,1H−パーフルオロオクチルのパーフルオロヘキサン溶液を多孔質膜PTFE上にスピンコートすることにより形成した。
フィルタとして、2層構造のフィルタに代え、厚み50μmの多孔質PTFE(孔径1μm)のみからなる気液分離膜のみでフィルタを構成した。
フィルタを設けない比較例として、多孔質支持体に白金の微粒子を含浸した触媒膜を用意した。
通常の燃料電池の使用環境よりもはるかに大量のメタノール、ギ酸、ギ酸メチルが存在する環境下でフィルタの分離性能を検証した。具体的には、メタノール、ギ酸、ギ酸メチルの混合溶液を、図1に示した燃料容器811の様な容器に入れ、溶液を微加熱することで蒸気化し、フィルタを透過してきた成分をサンプリングすることでフィルタの分離能を検証した。サンプリングされた排出ガスのメタノールの濃度及びギ酸、ギ酸メチルの濃度をガスクロマトグラフィで測定した。その結果を表1に示す。
次に、メタノール、ギ酸、ギ酸メチルの混合溶液を図3で示した燃料容器811の様な容器に入れ、溶液を表2に示したような条件で加熱することで蒸気化し、実施例1、実施例2、比較例1のフィルタ及び触媒膜を透過してきた成分をサンプリングすることでフィルタの分離能を検証し、これを実施例3、実施例4及び比較例3とした。触媒膜としては多孔質支持体に白金の微粒子を含浸したものを用いた。また、同様に比較例1サンプリングされた排出ガスのメタノールの濃度及びギ酸、ギ酸メチルの濃度をガスクロマトグラフィで測定した。その結果を表3に示す。
運転温度:40℃
出力(電流密度):50mA/cm2
上記条件で5時間連続運転した。実施例1〜4については、5時間運転後も顕著な出力の低下は見られなかったのに対し、比較例1では、燃料からのメタノール消費量が大きく燃料濃度が低くなったために出力が大きく低下した。またフィルタを透過してきた排出ガスをサンプリングし、メタノールの濃度及びギ酸、ギ酸メチルの濃度をガスクロマトグラフィで測定した。その結果を表4に示す。
Claims (6)
- 燃料極、酸化剤極およびこれらに挟持される電解質膜を備える燃料電池と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料供給系とからなり、
前記燃料極の反応部を除く、燃料と接する部材の一部にフィルタを具備するガス排出部を備え、
前記フィルタは、基体と、前記基体上に設けられた二酸化炭素選択透過性膜よりなることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
供給される燃料が液体燃料であり、かつ前記基体が気液分離膜であることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記二酸化炭素選択透過性膜の厚みが、5μm以下であることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至3いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記フィルタは、前記二酸化炭素選択透過性膜上にさらに多孔質膜を備えた構造であることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至4いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記ガス排出部は、
前記フィルタを介して前記燃料供給系と連通する室を備え、
前記室内もしくは室の壁面に、触媒が設けられたことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1乃至4いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記ガス排出部は、フィルタの設けられた通気口を有し前記フィルタを介して前記燃料供給系と連通する第一の室と、
前記第一の室と連通し、触媒を室内もしくは室の壁面に具備する第二の室と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
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