JPWO2006093098A1 - Low temperature fuel cell system - Google Patents

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高明 橋本
岡村 淳志
淳志 岡村
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Abstract

本発明は、アノード反応の際に副生するホルムアルデヒドなどの有害副生物を、少なくとも大気中に放出しても人体や環境に悪影響のない程度まで分解除去して、排ガスをそのまま大気中に放出することが可能である低温型燃料電池システムに関するものである。本発明の低温型燃料電池システムは、低温型燃料電池と、低温型燃料電池のアノードで生成する有害副生物を分解除去するための手段を有し、当該手段が、アノード由来の反応液および/または当該反応液から分離した排ガスと接触するように設けられていることを特徴とする。The present invention decomposes and removes harmful by-products such as formaldehyde produced during the anode reaction to the extent that they do not adversely affect the human body and the environment even if they are released into the atmosphere, and releases the exhaust gas directly into the atmosphere. The present invention relates to a low-temperature fuel cell system capable of The low-temperature fuel cell system of the present invention has a low-temperature fuel cell and means for decomposing and removing harmful by-products generated at the anode of the low-temperature fuel cell, and the means includes a reaction liquid derived from the anode and / or Or it is provided so that it may contact with the waste gas isolate | separated from the said reaction liquid.

Description

本発明は、低温で作動する燃料電池のシステムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system operating at a low temperature.

燃料電池のうち、直接メタノール型、固体高分子型およびリン酸型の燃料電池は、70〜90℃程度或いは200℃程度と比較的低温で運転されるために、低温型燃料電池ともいわれる。これら低温型燃料電池は、低温で作動できるが故に起動性が高く、携帯機器のみならず、家庭用や業務用、自動車用の比較的小規模な電源としても用いられ得る。     Among fuel cells, direct methanol type, solid polymer type, and phosphoric acid type fuel cells are also called low temperature type fuel cells because they are operated at a relatively low temperature of about 70 to 90 ° C. or about 200 ° C. Since these low-temperature fuel cells can operate at low temperatures, they have high startability, and can be used not only for portable devices but also for relatively small power sources for home use, business use, and automobile use.

燃料電池は、水の電気分解の逆反応により電気を取り出すものなので、理論的な排出物は水のみである。しかし、燃料として水素のみが用いられる訳ではなく、また、様々な副反応が起こるため、有害化合物が排出される場合もある。   Since fuel cells take out electricity by the reverse reaction of water electrolysis, the only theoretical emission is water. However, not only hydrogen is used as a fuel, but also various side reactions occur, so that harmful compounds may be emitted.

例えば、低温型燃料電池の燃料としては水素も用いられることはあるが、安全性が高くより利便性の高いものとしてメタノール等のアルコール類が使用される。この場合、発電時にアルコール類が部分酸化され、アルデヒド類やカルボン酸類などが副生する。例えば、メタノールを燃料とする場合には、主にアノードにおいて、ホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチルなどが副生することが知られている。   For example, although hydrogen is sometimes used as a fuel for a low-temperature fuel cell, alcohols such as methanol are used as a safer and more convenient one. In this case, alcohols are partially oxidized during power generation, and aldehydes and carboxylic acids are by-produced. For example, when methanol is used as a fuel, it is known that formaldehyde, formic acid, methyl formate and the like are by-produced mainly at the anode.

これら副生物の中でも、特にホルムアルデヒドはシックハウス症候群を引き起こす有害化学物質であり、発電時におけるこれらの有害副生物の発生は極力抑制されなければならない。しかし、これら有害副生物抑制に向けた取り組みは、ほとんど為されていないのが実情である。   Among these by-products, formaldehyde is a harmful chemical substance that causes sick house syndrome, and the generation of these harmful by-products during power generation must be suppressed as much as possible. However, the actual situation is that almost no efforts have been made to control these harmful by-products.

その数少ない先例として、特開2003−123777号公報には、触媒層に過酸化物分解触媒を添加した固体高分子型燃料電池が開示されている。当該技術における過酸化物分解触媒は、カーボンブラックやジルコニア等にルテニウム等を担持したものであり、実施例で用いられているものはカーボンブラックに金属を担持したもののみである。   As a few precedents, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-123777 discloses a polymer electrolyte fuel cell in which a peroxide decomposition catalyst is added to a catalyst layer. The peroxide decomposition catalyst in this technique is one in which ruthenium or the like is supported on carbon black, zirconia, or the like, and the one used in the examples is only one in which a metal is supported on carbon black.

ところが、固体高分子型燃料電池の電極用触媒は、カーボンブラックに白金または白金−ルテニウムを担持したものが一般的である。よって、上記公報における過酸化物分解触媒は、従来の電極用触媒と全く区別することができない。   However, an electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell is generally one in which platinum or platinum-ruthenium is supported on carbon black. Therefore, the peroxide decomposition catalyst in the above publication cannot be distinguished at all from conventional electrode catalysts.

上述した様に、低温型の燃料電池において副生物を抑制するための技術は極めて少なく、また、その効果は十分でない。よって、従来の低温型燃料電池では、ホルムアルデヒドなどの有害な副生物が外部に放出され、人体や環境に悪影響を及ぼす可能性があった。   As described above, there are very few techniques for suppressing by-products in a low-temperature fuel cell, and the effect is not sufficient. Therefore, in the conventional low-temperature fuel cell, harmful by-products such as formaldehyde are released to the outside, which may adversely affect the human body and the environment.

そこで本発明の目的は、アノード反応の際に副生するホルムアルデヒドなどの有害副生物を、少なくとも大気中に放出しても人体や環境に悪影響のない程度まで分解除去して、排ガスをそのまま大気中に放出することが可能である低温型燃料電池システムを提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to decompose and remove harmful by-products such as formaldehyde by-produced during the anodic reaction at least to the extent that they do not adversely affect the human body and the environment even if released into the atmosphere, and the exhaust gas is left in the atmosphere as it is. It is an object of the present invention to provide a low-temperature fuel cell system that can be discharged into a battery.

本発明者らは、上記課題を解決すべく、有害な副生物を有効に分解除去できる方法について鋭意研究を重ねた。その結果、アノードから排出される反応液や当該反応液から分離される排ガス中に含まれる副生物を分解除去すれば、有害副生物の外部への排出量を顕著に抑制できることを見出して、本発明を完成した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made extensive studies on a method that can effectively decompose and remove harmful by-products. As a result, it was found that if the reaction product discharged from the anode or the by-product contained in the exhaust gas separated from the reaction solution is decomposed and removed, the amount of harmful by-products released to the outside can be significantly suppressed. Completed the invention.

本発明の低温型燃料電池システムは、
低温型燃料電池と、低温型燃料電池のアノードで生成する有害副生物を分解除去するための手段を有し、
当該手段が、アノード由来の反応液および/または当該反応液から分離した排ガスと接触するように設けられていることを特徴とする。
The low-temperature fuel cell system of the present invention is
A low-temperature fuel cell, and means for decomposing and removing harmful by-products generated at the anode of the low-temperature fuel cell,
The means is provided in contact with the anode-derived reaction liquid and / or the exhaust gas separated from the reaction liquid.

従来の燃料電池では、ホルムアルデヒドなどの有害副生物を抑制することについてほとんど検討されていなかった。一方、本発明の低温型燃料電池システムによれば、人体や環境に悪影響を与える有害副生物の外部への放出を顕著に抑制できる。よって、本発明の低温型燃料電池システムは、家庭用や業務用の発電システム、および携帯機器や自動車の電源などに利用できるものとして、産業上非常に有用である。   In conventional fuel cells, little consideration has been given to suppressing harmful by-products such as formaldehyde. On the other hand, according to the low-temperature fuel cell system of the present invention, the release of harmful by-products that adversely affect the human body and the environment can be significantly suppressed. Therefore, the low-temperature fuel cell system of the present invention is very useful industrially as it can be used for power generation systems for home use and business use, and power sources for portable devices and automobiles.

アノード由来の反応液を循環し燃料として再利用するための燃料循環ラインを有する低温型燃料電池システムの模式図である。It is a schematic diagram of a low temperature fuel cell system having a fuel circulation line for circulating a reaction liquid derived from an anode and reusing it as fuel.

本発明の低温型燃料電池システムは、
低温型燃料電池と、低温型燃料電池のアノードで生成する有害副生物を分解除去するための手段を有し、
当該手段が、アノード由来の反応液および/または当該反応液から分離した排ガスと接触するように設けられていることを特徴とする。
The low-temperature fuel cell system of the present invention is
A low-temperature fuel cell, and means for decomposing and removing harmful by-products generated at the anode of the low-temperature fuel cell,
The means is provided in contact with the anode-derived reaction liquid and / or the exhaust gas separated from the reaction liquid.

本発明の「低温型燃料電池」は、例えば800〜1000℃程度という高温で作動する固体酸化物型燃料電池ではなく、70〜90℃程度或いは200℃程度という比較的低温で作動する直接メタノール型、固体高分子型およびリン酸型の燃料電池などをいう。   The “low temperature fuel cell” of the present invention is not a solid oxide fuel cell that operates at a high temperature of, for example, about 800 to 1000 ° C., but a direct methanol type that operates at a relatively low temperature of about 70 to 90 ° C. or about 200 ° C. And solid polymer type and phosphoric acid type fuel cells.

本発明の「有害副生物」は、低温型燃料電池へ供給される燃料自体から、或いは燃料に付随して供給される物質から、アノード反応により生成する化合物であって、人体や環境に悪影響を及ぼし得るものをいう。より具体的には、例えば燃料としてメタノールを用いる場合、低温型燃料電池のカソードとアノードでは、以下の反応が起こる。   The “hazardous by-product” of the present invention is a compound produced by the anode reaction from the fuel itself supplied to the low-temperature fuel cell or from the substance supplied accompanying the fuel, and has a negative effect on the human body and the environment. It means what can be done. More specifically, for example, when methanol is used as the fuel, the following reaction occurs at the cathode and anode of the low temperature fuel cell.

アノード:CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
カソード:3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2
Anode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
Cathode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O

ところがアノードでは、メタノールが部分酸化されたホルムアルデヒド、ギ酸、およびギ酸メチル等が生成する。特にホルムアルデヒドは、シックハウス症候群を引き起こす有害な化合物である。本発明では、これらホルムアルデヒド等の有害副生物を処理対象とする。   However, at the anode, formaldehyde, formic acid, methyl formate, and the like in which methanol is partially oxidized are generated. In particular, formaldehyde is a harmful compound that causes sick house syndrome. In the present invention, these harmful by-products such as formaldehyde are treated.

上記有害副生物は、主にアノードで生成するため、本発明では、低温型燃料電池のアノードで生成する有害副生物を分解除去するための手段を、アノード由来の反応液および/または当該反応液から分離した排ガスと接触するように設ける。   Since the harmful by-products are mainly produced at the anode, in the present invention, means for decomposing and removing harmful by-products produced at the anode of the low-temperature fuel cell are used as the reaction liquid derived from the anode and / or the reaction liquid. Provided in contact with the exhaust gas separated from

本発明における「アノードで生成する有害副生物を分解除去するための手段」は、アノードで生成した有害副生物を有効に分解できるものであれば特にその種類は問わず、例えば金属触媒を用いる触媒接触分解法などを挙げることができる。   The “means for decomposing and removing harmful by-products generated at the anode” in the present invention is not particularly limited as long as it can effectively decompose harmful by-products generated at the anode, and for example, a catalyst using a metal catalyst. Examples include catalytic cracking.

本発明の分解除去手段としての触媒の種類は、生成する副生成物の種類により適宜選択すればよい。例えば、Pt、Pd、Ru、Ir、AuおよびAgからなる群より選択される1または2以上の元素を含む固体触媒を挙げることができる。このような固体触媒は一般によく知られており、本発明においては、これら公知の固体触媒のいずれをも使用することができる。例えば、活性炭などの炭素を含有する担体や、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニアなどの金属酸化物、シリカ−アルミナ、チタニア−シリカ、チタニア−ジルコニアなどの多金属酸化物、あるいはチタン−ケイ素複合酸化物、チタン−ジルコニウム複合酸化物などのチタン系複合酸化物のような複合酸化物を担体とし、これに貴金属を担持した固体触媒を挙げることができる。これらのなかでも、活性炭などの炭素を含有する担体に上記貴金属を担持した固体触媒が好適に用いられる。例えば、活性炭を含有する固体触媒を湿式下で使用すると、液中の酸素を選択的に吸着するため有害物質の分解反応が効率よく進行する。これら固体触媒は一般に知られている方法に従って容易に調製することができる。   What is necessary is just to select suitably the kind of catalyst as a decomposition removal means of this invention according to the kind of by-product to produce | generate. For example, a solid catalyst containing one or more elements selected from the group consisting of Pt, Pd, Ru, Ir, Au, and Ag can be given. Such solid catalysts are generally well known, and any of these known solid catalysts can be used in the present invention. For example, carbon-containing carriers such as activated carbon, metal oxides such as silica, alumina, titania, zirconia, multi-metal oxides such as silica-alumina, titania-silica, titania-zirconia, or titanium-silicon composite oxide Examples thereof include a solid catalyst in which a composite oxide such as a titanium-based composite oxide such as a titanium-zirconium composite oxide is used as a carrier and a noble metal is supported thereon. Among these, a solid catalyst in which the noble metal is supported on a carbon-containing carrier such as activated carbon is preferably used. For example, when a solid catalyst containing activated carbon is used under wet conditions, oxygen in the liquid is selectively adsorbed, so that the decomposition reaction of harmful substances proceeds efficiently. These solid catalysts can be easily prepared according to generally known methods.

担体として用いる活性炭は、半径4nm以上10nm未満の細孔容積が0.05mL/g以上、より好ましくは0.2mL/g以上のものが好適である。当該範囲の細孔構造を有する活性炭を担体として用いれば、有害副生物の除去をより効率的に行なうことができる。ここで、活性炭の細孔容積は、例えば、ベックマンコールター社製のオムニソープ360CX等の自動ガス吸着装置を用い、77K、10.5Torr以下(約1400Pa以下)の条件で行なう窒素吸着法で測定した吸着等温線からBJH法により細孔分布曲線を算出することで求めることができる。   The activated carbon used as the carrier preferably has a pore volume with a radius of 4 nm or more and less than 10 nm of 0.05 mL / g or more, more preferably 0.2 mL / g or more. If activated carbon having a pore structure in the above range is used as a carrier, harmful by-products can be removed more efficiently. Here, the pore volume of the activated carbon was measured by a nitrogen adsorption method performed under conditions of 77K, 10.5 Torr or less (about 1400 Pa or less) using an automatic gas adsorption device such as Omni soap 360CX manufactured by Beckman Coulter, for example. It can be determined by calculating a pore distribution curve from the adsorption isotherm by the BJH method.

本発明の分解除去手段であり、貴金属を含む固体触媒において、貴金属の含有量は、通常、0.05質量%以上50質量%未満であり、好ましくは0.05質量%以上10質量%未満である。含有量が0.05質量%より少ないと十分な性能が得られない場合がある一方で、50質量%以上としても効果が飽和して触媒性能の向上は認めらないおそれがある。   In the solid catalyst containing the noble metal, which is the decomposition and removal means of the present invention, the content of the noble metal is usually 0.05% by mass or more and less than 50% by mass, preferably 0.05% by mass or more and less than 10% by mass. is there. If the content is less than 0.05% by mass, sufficient performance may not be obtained. On the other hand, if the content is 50% by mass or more, the effect may be saturated and the catalyst performance may not be improved.

固体触媒の形状については、特に制限はなく、固体触媒の表面上に処理すべき液体が満遍なく接触できるように適宜選択することができる。例えば、ハニカム状の担体に貴金属元素を担持した固体触媒などが好適に用いられる。また、有害副生物の分解の条件も、有害副生物の種類などにより適宜調節すればよく、例えば常温、常圧とすることができるが、加熱してもよい。但し、加熱する場合には、燃料自体が分解されてしまうおそれがあるので、温度は注意して決定すべきである。   There is no restriction | limiting in particular about the shape of a solid catalyst, It can select suitably so that the liquid which should be processed on the surface of a solid catalyst can contact uniformly. For example, a solid catalyst in which a noble metal element is supported on a honeycomb-shaped carrier is preferably used. Furthermore, the conditions for decomposing harmful by-products may be appropriately adjusted depending on the type of harmful by-products, and can be set to room temperature and normal pressure, for example, but may be heated. However, when heating, the temperature of the fuel should be determined with caution because the fuel itself may be decomposed.

本発明の分解除去手段の設置方法は、使用する分解除去手段により決定すればよい。例えば、分解除去手段として固体触媒を用いる場合には、球状、リング状、円柱状、ハニカム状などに成形した固体触媒を充填した充填層を、低温型燃料電池からアノード由来の反応液を排出するためのライン中に設ければよい。また、当該ライン中の他または当該ラインに加えて、アノード由来の反応液から分離した排ガスを排出するためのライン中に設けてもよい。   What is necessary is just to determine the installation method of the decomposition removal means of this invention by the decomposition removal means to be used. For example, when a solid catalyst is used as the decomposition and removal means, the reaction solution derived from the anode is discharged from the low-temperature fuel cell through a packed bed filled with the solid catalyst formed into a spherical shape, ring shape, cylindrical shape, honeycomb shape, or the like. It may be provided in the line for Moreover, you may provide in the line for discharging | emitting the waste gas isolate | separated from the reaction liquid derived from an anode other than the said line or the said line.

本発明の低温型燃料電池システムとしては、さらに、アノード由来の反応液を循環し燃料として再利用するための燃料循環ラインを有するものが好適である。燃料を循環再利用することにより効率的な発電が可能になると共に、アノードにおいて有害副生物が生成した場合において、有害副生物の外部への排出をより一層低減できるからである。かかる低温型燃料電池システムを図面に基づいて説明する。図1は、本発明の低温型燃料電池システムの一態様を示した系統図であり、1は燃料電池、2は水分離装置、3は燃料タンク、4は燃料循環タンクを示す。   The low-temperature fuel cell system of the present invention preferably further has a fuel circulation line for circulating the anode-derived reaction liquid and reusing it as fuel. This is because the fuel can be efficiently recycled by recycling the fuel, and when harmful by-products are generated at the anode, emission of harmful by-products to the outside can be further reduced. Such a low-temperature fuel cell system will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of the low-temperature fuel cell system of the present invention, where 1 is a fuel cell, 2 is a water separator, 3 is a fuel tank, and 4 is a fuel circulation tank.

当該低温型燃料電池システムは、低温型燃料電池と共に、少なくともアノード由来の反応液を循環し燃料として再利用するための燃料循環ラインを有する。即ち、燃料電池ではアノードへ燃料を供給するが、アノード反応後、未反応の燃料等が排出される。この態様ではこれを回収し、不要化合物を分離した後に燃料等と混合して再びアノードへ供給する。それによって、効率的な発電を可能にすると共に、外部へ放出される有害副生物を低減することができる。   The low-temperature fuel cell system has a fuel circulation line for circulating at least the reaction liquid derived from the anode and reusing it as fuel together with the low-temperature fuel cell. That is, in the fuel cell, fuel is supplied to the anode, but unreacted fuel and the like are discharged after the anode reaction. In this embodiment, this is recovered, and unnecessary compounds are separated, mixed with fuel and the like, and supplied to the anode again. Thereby, it is possible to efficiently generate power and to reduce harmful by-products released to the outside.

即ちこの態様では、アノード反応により生成した有害副生物を分解してその濃度を低減することから、有害副生物の揮発を顕著に抑制して環境を汚染することがない上に、さらにアノード反応液を循環して用いることから有害副生物の外部への排出量を減らすことができる。以下、図1に基づいて、本発明の燃料循環ラインにつき詳述する。   That is, in this embodiment, harmful by-products generated by the anode reaction are decomposed and the concentration thereof is reduced, so that volatilization of harmful by-products is not significantly suppressed and the environment is not contaminated. Since it is recycled, the amount of harmful by-products emitted to the outside can be reduced. Hereinafter, the fuel circulation line of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

図1では、燃料としてメタノールを用いた場合を例示している。即ち、燃料供給ライン14からアノードへメタノールと水を供給すると、未反応のメタノールと水と共に、二酸化炭素が排出される。この二酸化炭素は、アノード反応液回収ライン15によりメタノールと水と共に回収され、燃料循環タンク4へ運ばれる。   FIG. 1 illustrates the case where methanol is used as the fuel. That is, when methanol and water are supplied from the fuel supply line 14 to the anode, carbon dioxide is discharged together with unreacted methanol and water. The carbon dioxide is recovered together with methanol and water by the anode reaction liquid recovery line 15 and is carried to the fuel circulation tank 4.

「燃料循環タンク」は、回収されたアノード反応液から二酸化炭素を分離し、燃料等と混合した後に、再び燃料電池のアノードへ供給するためのものである。より具体的には、二酸化炭素を排出するための排ガス放出ライン16;回収したアノード反応液に占める燃料の濃度を測定する濃度計;当該濃度に基づいて、回収したアノード反応液と燃料や水等を適切な割合で混合する混合器などを備える。燃料循環タンク4は、アノード反応液回収ライン15や燃料供給ライン14と共に、燃料循環ラインを構成する。   The “fuel circulation tank” is for separating carbon dioxide from the collected anode reaction liquid, mixing it with fuel and the like, and then supplying it again to the anode of the fuel cell. More specifically, the exhaust gas discharge line 16 for discharging carbon dioxide; a concentration meter that measures the concentration of fuel in the recovered anode reaction solution; the recovered anode reaction solution, fuel, water, and the like based on the concentration A mixer that mixes the components at an appropriate ratio is provided. The fuel circulation tank 4 constitutes a fuel circulation line together with the anode reaction liquid recovery line 15 and the fuel supply line 14.

燃料を循環して再利用する場合における副生物の分解除去手段は、燃料循環ライン中に設置する。例えば、図1のアノード反応液回収ライン15、燃料循環タンク4の内部、排ガス放出ライン16、または燃料供給ライン14に設ければよい。好適には、効率的な処理を行なうために、燃料循環ライン中でも、回収したアノード反応液が燃料等と混合される前に設ける。即ち、アノード反応液回収ライン15、燃料循環タンク4の内部、排ガス放出ライン16、またはこれらの2以上に設けるのが好ましい。これにより、排ガス放出ライン16から大気中に放出される二酸化炭素ガス中のホルムアルデヒドなどの有害物質の濃度を効果的に低減することができる。また、排ガス放出ライン16に分解除去手段を直接設ければ、外部に放出されるガスに含まれる有害副生物を直接分解処理することができる。   By-product decomposition and removal means when the fuel is circulated and reused is installed in the fuel circulation line. For example, the anode reaction liquid recovery line 15, the inside of the fuel circulation tank 4, the exhaust gas discharge line 16, or the fuel supply line 14 of FIG. Preferably, in order to perform an efficient process, it is provided in the fuel circulation line before the collected anode reaction liquid is mixed with fuel or the like. That is, it is preferably provided in the anode reaction liquid recovery line 15, the inside of the fuel circulation tank 4, the exhaust gas discharge line 16, or two or more thereof. Thereby, the density | concentration of harmful substances, such as formaldehyde in the carbon dioxide gas discharge | released in the air | atmosphere from the exhaust gas discharge line 16, can be reduced effectively. Further, if a decomposition and removal means is directly provided in the exhaust gas discharge line 16, harmful by-products contained in the gas released to the outside can be directly decomposed.

有害副生物を酸素とともに固体触媒に接触させると有害物質をより効果的に分解除去できる。よって、例えばアノード反応液回収ライン15に分解除去手段を設ける場合、固体触媒の設置箇所の前に酸素ガスや空気などの酸素含有ガスを導入する入口を設け、回収したアノード反応液に酸素含有ガスを供給するのが好ましい。燃料循環タンク4に設ける場合は、酸素と固体触媒とが効果的に接触するような箇所に酸素含有ガスを導入する入口を設ければよい。   When harmful by-products are brought into contact with the solid catalyst together with oxygen, harmful substances can be decomposed and removed more effectively. Therefore, for example, when disposing and removing means is provided in the anode reaction liquid recovery line 15, an inlet for introducing an oxygen-containing gas such as oxygen gas or air is provided in front of the location where the solid catalyst is installed, and the oxygen-containing gas is collected in the recovered anode reaction liquid. Is preferably supplied. In the case where the fuel circulation tank 4 is provided, an inlet for introducing the oxygen-containing gas may be provided at a location where the oxygen and the solid catalyst effectively contact each other.

一方、カソード側では、主に供給された酸素とプロトンが反応して水が生成する。また、未反応の酸素や、それに加えて酸素含有ガスとして空気が供給される場合には窒素もカソード側から排出される。他には、アノード側に供給された燃料の一部が電解質膜を透過し、カソード側で酸化されることで微量の二酸化炭素が生成する。   On the other hand, on the cathode side, mainly supplied oxygen and protons react to generate water. In addition, when air is supplied as unreacted oxygen or an oxygen-containing gas in addition thereto, nitrogen is also discharged from the cathode side. In addition, a part of the fuel supplied to the anode side permeates the electrolyte membrane and is oxidized on the cathode side, thereby generating a trace amount of carbon dioxide.

これらカソードからの排出成分は、カソード側ライン11を通って水分離装置2に運搬され、ここで二酸化炭素等の気体成分と水に分離される。得られた水は、ライン12を通じて運ばれ、燃料タンク3から供給される燃料と混合されて、ライン13を通じて燃料循環タンク4へ運搬される。   These exhaust components from the cathode are conveyed to the water separation device 2 through the cathode side line 11 where they are separated into gaseous components such as carbon dioxide and water. The obtained water is transported through the line 12, mixed with the fuel supplied from the fuel tank 3, and transported to the fuel circulation tank 4 through the line 13.

ライン12には水分貯留タンクを設け、過剰なカソード生成水を保持すると共に、水が不足した場合には供給できる様にしてもよい。かかるライン12からライン13への水供給量は、燃料循環タンク4に設置されたメタノール濃度計により計測された燃料中のメタノール濃度に基づいて調節することができる。   The line 12 may be provided with a moisture storage tank so as to hold excess cathode-generated water and supply it when water is insufficient. The amount of water supplied from the line 12 to the line 13 can be adjusted based on the methanol concentration in the fuel measured by a methanol concentration meter installed in the fuel circulation tank 4.

水分離装置2は、カソードからの排出成分から二酸化炭素等の気体成分を分離して外部へ排出する装置であり、通常の気液分離装置を用いることができる。また、燃料タンク3は、燃料または燃料と水との混合物を保持し、必要に応じて燃料等を燃料循環タンク4へライン13を通じて供給する装置であり、通常の燃料タンクを用いることができる。   The water separation device 2 is a device that separates a gas component such as carbon dioxide from a discharge component from the cathode and discharges it to the outside, and a normal gas-liquid separation device can be used. The fuel tank 3 is a device that holds fuel or a mixture of fuel and water and supplies fuel or the like to the fuel circulation tank 4 through the line 13 as necessary, and a normal fuel tank can be used.

燃料タンク3から供給された燃料等は、カソードで生成した水と混合され、さらに燃料循環タンク4の内部で回収されたアノード反応液と混合され、再びアノードへ供給される。その結果、効率的に発電を行うことができる。   The fuel or the like supplied from the fuel tank 3 is mixed with water produced at the cathode, further mixed with the anode reaction solution collected inside the fuel circulation tank 4, and supplied again to the anode. As a result, power can be generated efficiently.

本発明の低温型燃料電池システムによれば、従来の燃料電池から放出され人体や環境に悪影響を及ぼすおそれのあった有害な副生物の外部への放出量を顕著に抑制できる。よって、本発明は、業務用や家庭用の電源などとしての利用が期待されている燃料電池をより一層実用に近付けるものである。   According to the low-temperature fuel cell system of the present invention, it is possible to remarkably suppress the amount of harmful by-products released from a conventional fuel cell to the outside that may adversely affect the human body and the environment. Therefore, the present invention brings the fuel cell, which is expected to be used as a power source for business use and home use, to a practical use.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例により制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, but may be appropriately modified within a range that can meet the purpose described above and below. It is also possible to implement, and they are all included in the technical scope of the present invention.

触媒調製例1
8〜32メッシュの破砕状活性炭(クラレケミカル社製、GLC)を、所定量のジニトロジアンミン白金の硝酸酸性溶液へ含浸した。次いで、窒素雰囲気中90℃で乾燥した後、5%水素含有窒素気流中300℃で2時間還元処理した。得られた触媒を触媒Aという。この触媒Aの白金含有量は3質量%であった。
Catalyst preparation example 1
8-32 mesh crushed activated carbon (GLC Chemical Co., Ltd., GLC) was impregnated into a predetermined amount of a dinitrodiammine platinum nitrate acidic solution. Subsequently, after drying at 90 ° C. in a nitrogen atmosphere, reduction treatment was performed at 300 ° C. for 2 hours in a 5% hydrogen-containing nitrogen stream. The obtained catalyst is referred to as catalyst A. The platinum content of the catalyst A was 3% by mass.

触媒調製例2
ジニトロジアンミン白金の硝酸酸性溶液の代わりにジニトロジアンミンパラジウムの硝酸酸性溶液を用いた以外は触媒調製例1と同様にして、触媒Bを調製した。得られた触媒Bのパラジウム含有量は5質量%であった。
Catalyst preparation example 2
Catalyst B was prepared in the same manner as in Catalyst Preparation Example 1, except that a nitric acid acidic solution of dinitrodiammine palladium was used instead of an acidic nitric acid solution of dinitrodiammine platinum. The obtained catalyst B had a palladium content of 5% by mass.

触媒調製例3
ジニトロジアンミン白金の硝酸酸性溶液の代わりに硝酸ルテニウム水溶液を用いた以外は触媒調製例1と同様にして、触媒Cを調製した。得られた触媒Cのルテニウム含有量は5質量%であった。
Catalyst preparation example 3
Catalyst C was prepared in the same manner as in Catalyst Preparation Example 1 except that an aqueous ruthenium nitrate solution was used instead of the acidic solution of dinitrodiammineplatinum nitrate. The obtained catalyst C had a ruthenium content of 5% by mass.

触媒調製例4
二酸化チタン粉末(ローヌ・プーラン社製、DT51)を打錠成型器で圧縮成型した後に粉砕し、8〜32メッシュに篭分けし、整粒した。この8〜32メッシュ二酸化チタンを、所定量のジニトロジアンミン白金の硝酸酸性溶液へ含浸した。次いで、窒素雰囲気中90℃で乾燥した後、5%水素含有窒素気流中300℃で2時間還元処理した。得られた触媒を触媒Dという。この触媒Dの白金含有量は3質量%であった。
Catalyst preparation example 4
Titanium dioxide powder (manufactured by Rhône-Poulenc, DT51) was compression molded with a tableting machine and then crushed, divided into 8-32 meshes, and sized. The 8-32 mesh titanium dioxide was impregnated into a predetermined amount of an acidic solution of dinitrodiammineplatinum nitrate. Subsequently, after drying at 90 ° C. in a nitrogen atmosphere, reduction treatment was performed at 300 ° C. for 2 hours in a 5% hydrogen-containing nitrogen stream. The obtained catalyst is referred to as catalyst D. The platinum content of the catalyst D was 3% by mass.

触媒調製例5
ジニトロジアンミン白金の硝酸酸性溶液の代わりにジニトロジアンミンパラジウムの硝酸酸性溶液を用いた以外は触媒調製例4と同様にして、触媒Eを調製した。得られた触媒Eのパラジウム含有量は5質量%であった。
Catalyst preparation example 5
Catalyst E was prepared in the same manner as in Catalyst Preparation Example 4, except that an acidic solution of dinitrodiammine palladium nitrate was used instead of the acidic solution of nitric acid platinum nitrate. The palladium content of the obtained catalyst E was 5% by mass.

触媒調製例6
二酸化ジルコニウム粉末(第一希元素社製、EPL)を打錠成型器で圧縮成型した後に粉砕し、8〜32メッシュに篭分けし、整粒した。この8〜32メッシュ二酸化ジルコニウムを、所定量のジニトロジアンミン白金の硝酸酸性溶液へ含浸した。次いで、窒素雰囲気中90℃で乾燥した後、5%水素含有窒素気流中300℃で2時間還元処理した。得られた触媒を触媒Fという。この触媒Fの白金含有量は3質量%であった。
Catalyst preparation example 6
Zirconium dioxide powder (EPL, manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd.) was compression molded with a tableting machine and then pulverized, divided into 8-32 meshes, and sized. The 8-32 mesh zirconium dioxide was impregnated into a predetermined amount of a dinitrodiammineplatinic acid nitrate solution. Subsequently, after drying at 90 ° C. in a nitrogen atmosphere, reduction treatment was performed at 300 ° C. for 2 hours in a 5% hydrogen-containing nitrogen stream. The obtained catalyst is referred to as catalyst F. The platinum content of the catalyst F was 3% by mass.

触媒調製例7
カーボンブラック粉末(三菱化学社製、Ketjen Black)を、所定量のジニトロジアンミンパラジウムの硝酸酸性溶液へ含浸した。次いで、窒素雰囲気中90℃で乾燥した後、5%水素含有窒素気流中300℃で2時間還元処理した。得られた触媒を触媒Gという。この触媒Gの白金含有量は60質量%であった。
Catalyst preparation example 7
Carbon black powder (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, Ketjen Black) was impregnated into an acidic solution of dinitrodiammine palladium in a predetermined amount. Subsequently, after drying at 90 ° C. in a nitrogen atmosphere, reduction treatment was performed at 300 ° C. for 2 hours in a 5% hydrogen-containing nitrogen stream. The obtained catalyst is referred to as catalyst G. The platinum content of the catalyst G was 60% by mass.

触媒調製例8
カーボンブラック粉末(三菱化学社製、Ketjen Black)を、所定量のジニトロジアンミン白金と硝酸ルテニウムの硝酸酸性溶液へ含浸した。次いで、窒素雰囲気中90℃で乾燥した後、5%水素含有窒素気流中300℃で2時間還元処理した。得られた触媒を触媒Hという。この触媒Hの白金とルテニウムの含有量は、それぞれ40質量%と20質量%であった。
Catalyst preparation example 8
Carbon black powder (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, Ketjen Black) was impregnated into a predetermined amount of a dinitrodiammine platinum and ruthenium nitrate acidic solution. Subsequently, after drying at 90 ° C. in a nitrogen atmosphere, reduction treatment was performed at 300 ° C. for 2 hours in a 5% hydrogen-containing nitrogen stream. The obtained catalyst is referred to as catalyst H. The platinum and ruthenium contents of the catalyst H were 40% by mass and 20% by mass, respectively.

実施例1
パーフルオロメタンスルホン酸樹脂溶液(アルドリッチ社製、5質量%ナフィオン溶液)と有機溶媒との混合溶液へ、触媒調製例7で得た触媒Gを加え、混合攪拌してペースト状の電極組成物を調製した。このペースト状電極組成物を導電性カーボンペーパーに塗布し、カソード電極を作製した。カソード電極への触媒Gの塗布量は、白金重量に換算して2mg/cm2とした。また、触媒調製例8で得た触媒Hを用い、同様にしてアノード電極を作製した。これら電極と固体高分子電解質膜(デュポン社製、Nafion117)とを、触媒塗布面が固体高分子電解質膜と接する様に重ね合わせた後、温度130℃、圧力100kg/cm2の条件で5分間ホットプレスして、膜電極接合体を作製した。この膜電極接合体の電極面積は、25cm2とした。この膜電極接合体を実験用の燃料電池単セルに組み込んで燃料電池とした。
Example 1
The catalyst G obtained in Catalyst Preparation Example 7 was added to a mixed solution of a perfluoromethanesulfonic acid resin solution (manufactured by Aldrich, 5 mass% Nafion solution) and an organic solvent, and the mixture was stirred to obtain a paste-like electrode composition Prepared. This paste electrode composition was applied to conductive carbon paper to prepare a cathode electrode. The amount of the catalyst G applied to the cathode electrode was 2 mg / cm 2 in terms of platinum weight. Further, an anode electrode was produced in the same manner using the catalyst H obtained in Catalyst Preparation Example 8. These electrodes and a solid polymer electrolyte membrane (Nafion 117, manufactured by DuPont) were overlapped so that the catalyst-coated surface was in contact with the solid polymer electrolyte membrane, and then the temperature was 130 ° C. and the pressure was 100 kg / cm 2 for 5 minutes. The membrane electrode assembly was produced by hot pressing. The electrode area of this membrane electrode assembly was 25 cm 2 . This membrane electrode assembly was incorporated into an experimental fuel cell unit cell to obtain a fuel cell.

得られた燃料電池のアノード側に4mol/Lメタノール水溶液を5mL/分で供給し、カソード側に酸素を250mL/分で供給し、セル温度を90℃にして400mA/cm2で発電した。この際、アノードの出口側ライン(図1のアノード反応液回収ラインに相当)に、触媒調製例1で得た触媒Aを300mL充填した触媒充填層を設置した。また、触媒充填層の入口側から空気を35mL/分で供給し、アノード反応液が空気と十分に混合された状態で触媒充填層を通過する様にした。A 4 mol / L aqueous methanol solution was supplied to the anode side of the obtained fuel cell at 5 mL / min, oxygen was supplied to the cathode side at 250 mL / min, and the cell temperature was 90 ° C. to generate power at 400 mA / cm 2 . At this time, a catalyst packed bed filled with 300 mL of the catalyst A obtained in Catalyst Preparation Example 1 was installed on the anode outlet side line (corresponding to the anode reaction liquid recovery line in FIG. 1). In addition, air was supplied from the inlet side of the catalyst packed bed at a rate of 35 mL / min so that the anode reaction liquid passed through the catalyst packed bed in a sufficiently mixed state with air.

触媒充填層の入口側と出口側でのホルムアルデヒド濃度を、2,4−ジニトロフェニルヒドラジン−高速液体クロマトグラフ法により測定した。詳しくは、0.5質量%のホウ酸水溶液を入れたガラス製捕集管を氷水バス中に浸し、このガラス製捕集管へ測定対象であるアノード反応液を10分間導入した。次いで、この捕集液に純水を加えて所定量にし、測定試料とした。この試料0.1gを試験管に計り取り、さらに2,4−ジニトロフェニルヒドラジンの過塩素酸水溶液を0.9g添加混合し、試料に含まれるホルムアルデヒドと2,4−ジニトロフェニルヒドラジンとを反応させ、2,4−ジニトロフェニルヒドラゾンを生成させた。その後、アセトニトリルを1g添加し、得られた溶液中の2,4−ジニトロフェニルヒドラゾンを高速液体クロマトグラフィにより分析し、ホルムアルデヒドを定量した。   The formaldehyde concentration at the inlet side and outlet side of the catalyst packed bed was measured by 2,4-dinitrophenylhydrazine-high performance liquid chromatograph method. Specifically, a glass collecting tube containing a 0.5% by mass boric acid aqueous solution was immersed in an ice water bath, and the anode reaction solution to be measured was introduced into the glass collecting tube for 10 minutes. Next, pure water was added to the collected liquid to make a predetermined amount to obtain a measurement sample. 0.1 g of this sample is weighed into a test tube, 0.9 g of a perchloric acid aqueous solution of 2,4-dinitrophenylhydrazine is added and mixed, and formaldehyde contained in the sample is reacted with 2,4-dinitrophenylhydrazine. 2,4-dinitrophenylhydrazone was produced. Thereafter, 1 g of acetonitrile was added, and 2,4-dinitrophenylhydrazone in the obtained solution was analyzed by high performance liquid chromatography to quantify formaldehyde.

高速液体クロマトグラフィの条件は、以下の通りである:
使用機器:日立 HPLC−UV
カラム:資生堂CAPCELLPAK C18AQ(5μm、4.6mmφ、25cm)
カラム温度:40℃
溶離液:水/アセトニトリル=50/50(質量換算)
流量:0.5mL/分
UV検出波長:355nm
測定結果を表1に示す。
The conditions for high performance liquid chromatography are as follows:
Equipment used: Hitachi HPLC-UV
Column: Shiseido CAPCELLPAK C18AQ (5 μm, 4.6 mmφ, 25 cm)
Column temperature: 40 ° C
Eluent: Water / acetonitrile = 50/50 (mass conversion)
Flow rate: 0.5 mL / min UV detection wavelength: 355 nm
The measurement results are shown in Table 1.

実施例2〜6
触媒Aの代わりに触媒B〜Fを用いた以外は実施例1と同様にして発電を行ない、アノード反応液中のホルムアルデヒト濃度を測定した。結果を表1に示す。
Examples 2-6
Electricity was generated in the same manner as in Example 1 except that the catalysts B to F were used in place of the catalyst A, and the formaldehyde concentration in the anode reaction solution was measured. The results are shown in Table 1.

上記結果の通り、もともと20mg/Lであったアノード反応液中のホルムアルデヒド濃度を、何れも1.5mg/L未満まで低減することができた。アノード反応液中の濃度をこの程度まで低減できれば、揮発して二酸化炭素と共に排出されるホルムアルデヒドは、ほとんど問題ない量であると考えられる。さらに触媒処理後のアノード反応液を循環して用いれば、外部へのホルムアルデヒドの排出量をより一層抑制できると考えられる。以上の通り、実施例によって、本発明のシステムによれば環境へ有害な副生物を放出することなく効率的に発電できることが実証された。   As can be seen from the above results, the formaldehyde concentration in the anode reaction solution that was originally 20 mg / L could be reduced to less than 1.5 mg / L. If the concentration in the anode reaction solution can be reduced to this level, the amount of formaldehyde that volatilizes and is discharged together with carbon dioxide is considered to be a problem-free amount. Furthermore, if the anode reaction solution after the catalyst treatment is circulated and used, it is considered that the amount of formaldehyde discharged to the outside can be further suppressed. As described above, it has been demonstrated by the examples that the system of the present invention can efficiently generate power without releasing harmful by-products to the environment.

Claims (7)

低温型燃料電池と、低温型燃料電池のアノードで生成する有害副生物を分解除去するための手段を有し、
当該手段が、アノード由来の反応液および/または当該反応液から分離した排ガスと接触するように設けられていることを特徴とする低温型燃料電池システム。
A low-temperature fuel cell, and means for decomposing and removing harmful by-products generated at the anode of the low-temperature fuel cell,
A low-temperature fuel cell system, wherein the means is provided so as to come into contact with an anode-derived reaction liquid and / or exhaust gas separated from the reaction liquid.
さらに、アノード由来の反応液を循環し燃料として再利用するための燃料循環ラインを有する請求項1に記載の低温型燃料電池システム。   The low-temperature fuel cell system according to claim 1, further comprising a fuel circulation line for circulating the anode-derived reaction liquid and reusing it as fuel. 燃料としてメタノールを用いるためのものである請求項1または2に記載の低温型燃料電池システム。   The low-temperature fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein methanol is used as a fuel. 有害副生物として、ホルムアルデヒド、ギ酸およびギ酸メチルを分解除去するためのものである請求項3に記載の低温型燃料電池システム。   The low-temperature fuel cell system according to claim 3, which is for decomposing and removing formaldehyde, formic acid and methyl formate as harmful by-products. 有害副生物を分解除去するための手段が、Pt、Pd、Ru、Ir、AuおよびAgからなる群より選択される1または2以上の元素、および炭素を含む固体触媒である請求項1〜4の何れかに記載の低温型燃料電池システム。   The means for decomposing and removing harmful by-products is a solid catalyst containing one or more elements selected from the group consisting of Pt, Pd, Ru, Ir, Au and Ag, and carbon. A low-temperature fuel cell system according to any one of the above. 燃料循環ラインが、アノード反応液回収ライン、燃料循環タンク、および燃料供給ラインを有し、
有害副生物を分解除去するための手段を、アノード反応液回収ラインおよび/または燃料循環タンクの内部に有する請求項2に記載の低温型燃料電池システム。
The fuel circulation line has an anode reaction liquid recovery line, a fuel circulation tank, and a fuel supply line;
3. The low-temperature fuel cell system according to claim 2, wherein means for decomposing and removing harmful by-products is provided inside the anode reaction liquid recovery line and / or the fuel circulation tank.
燃料循環ラインが、アノード反応液回収ライン、燃料循環タンク、および燃料供給ラインを有し、
当該燃料循環タンクが、回収されたアノード反応液から分離された排ガスを放出するための排ガス放出ラインを有し、
有害副生物を分解除去するための手段を、当該排ガス放出ラインに有する請求項2または6に記載の低温型燃料電池システム。
The fuel circulation line has an anode reaction liquid recovery line, a fuel circulation tank, and a fuel supply line;
The fuel circulation tank has an exhaust gas discharge line for discharging exhaust gas separated from the recovered anode reaction liquid,
The low-temperature fuel cell system according to claim 2 or 6, wherein the exhaust gas emission line has means for decomposing and removing harmful by-products.
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