WO2004070865A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2004070865A1
WO2004070865A1 PCT/JP2004/001306 JP2004001306W WO2004070865A1 WO 2004070865 A1 WO2004070865 A1 WO 2004070865A1 JP 2004001306 W JP2004001306 W JP 2004001306W WO 2004070865 A1 WO2004070865 A1 WO 2004070865A1
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WO
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fuel
fuel cell
electrode
reducing agent
product
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PCT/JP2004/001306
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French (fr)
Inventor
Nobuhiko Hojo
Yuu Inatomi
Yukihiro Okada
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co. Ltd.
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system (fuel cell power generation device) including a fuel cell that directly uses an aqueous solution in which an organic substance is dissolved as a fuel and uses oxygen or air as an oxidant.
  • Hydrogen gas and hydrocarbon-based liquid and gaseous fuels are used as fuel for fuel cells.
  • Fuel cells using hydrocarbon-based fuel are classified into two types: a type in which fuel is reformed into hydrogen gas by a reformer and power is generated using hydrogen gas as a fuel, and a type in which hydrocarbon-based fuel is directly supplied to the fuel cell. Is done.
  • the entire fuel cell system as c hydrocarbon fuels can be made compact, high for example energy density methanol
  • Oxidizer electrode 3 Z 2 ⁇ 2 + 6 H + + 6 e— ⁇ 3 H 20
  • the volume energy density is extremely high at 4800 Wh / L because 6 moles of electrons are generated from 1 mole of methanol molecule.
  • 1 mole of carbon dioxide is generated as a fuel oxidation product at the fuel electrode.
  • the generation of diacid There is a problem that the internal pressure of the fuel cell gradually increases as carbonized gas is generated, which tends to cause fuel leakage and decrease in cell performance.
  • FIG. 6 is a diagram showing a fuel cell system provided with a carbon dioxide emission mechanism.
  • a fuel cell system of this type includes an electromotive section 54 of a fuel cell, a fuel supply section 57 for supplying fuel to the electromotive section, and an oxidant supply section for supplying an oxidant to the electromotive section.
  • a part 56 is provided.
  • the fuel supply section 57 includes a fuel container 51, a pump 52, a fuel supply pipe 53, and a carbon dioxide emission mechanism 55.
  • Fuel is supplied from the fuel storage container 51 to the electromotive unit 54 by the pump 52 through the fuel supply pipe 53 in the direction of the arrow L i, and the oxidant is supplied in the direction of the arrow L 2
  • the oxidant is supplied to the electromotive unit 54 by the oxidant supply unit 56, and power is generated.
  • Carbon dioxide produced by the power generation flows therefore in the direction of arrow L 3.
  • the carbon dioxide discharge mechanism 5 5 which consists of gas-liquid separation membrane such as a fluorine-based porous membrane is discharged to the fuel cells system outside, depending on the orientation of the arrow L 4.
  • the gas-liquid separation membrane used as this carbon dioxide discharge mechanism cannot completely and selectively separate carbon dioxide and fuel, and cannot be used as a gas that utilizes the difference in surface tension between the liquid and the separation membrane. It is a liquid separation membrane. Therefore, not only carbon dioxide but also evaporated fuel and oxidation products and by-products other than carbon dioxide generated when the fuel is oxidized (for example, aldehyde) pass through the separation membrane in gaseous form outside the fuel cell. It is discharged to. In other words, there is a problem that such gaseous fuel and by-products leak out of the fuel cell as vapor.
  • alcohol fuels such as ethanol, propanol, and bushanol are difficult to completely burn and oxidize to carbon dioxide, even when electrochemically oxidized.
  • the fuel electrode does not generate carbon dioxide with a large volume expansion from liquid to gas accompanying the oxidation reaction of the fuel, so that the fuel electrode of the fuel cell can be sealed. Then, it is possible to prevent the evaporated fuel, oxidation products and by-products from leaking out of the fuel cell.
  • Fuel electrode C 3 H 7 ⁇ H + 5 H 2 ⁇ ⁇ 3 C ⁇ 2 + 18 H + + 18 e _ Oxidant electrode: 9/202 + 18 H + + 18 e- ⁇ 9 H 20
  • Fuel electrode (CH 2 OH) 2 + 2 H 2 ⁇ ⁇ 2 CO 2 +1 0 H + + 10 e
  • Oxidant electrode 5/20 2 + l 0 H + + 10 e- ⁇ 5 H 2 ⁇
  • Total battery reaction (CH 2 ⁇ H) 2+ 5/202 2 ⁇ 2 C 0 2 +3 H 2 O
  • the product becomes carbon dioxide, and the volumetric energy densities are very high, 710 OWhZL and 580 OWhZL, respectively.
  • the anode can be sealed.
  • the energy density of the fuel is greatly reduced from the above value.
  • 2-propanol is used as fuel
  • 18 moles of electrons are generated from 1 mole of fuel during complete combustion, as shown in equation (2).
  • the product oxidizes only to acetone, and only one mole of fuel produces two moles of electrons.
  • the energy density in this case is approximately
  • the present invention can suppress leakage of fuel, oxidation products, by-products, etc. out of the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can prevent a decrease in energy density due to the above-mentioned contents when a fuel other than methanol is used. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a fuel cell including a fuel electrode, an oxidizer electrode, and an electromotive unit composed of an electrolyte sandwiched therebetween, a fuel supply unit for supplying fuel to the fuel electrode, An oxidant supply unit that supplies an oxidant, comprising: a product reduction mechanism that reduces a fuel oxidation product generated at the fuel electrode with power generation of the fuel cell.
  • the present invention relates to a fuel cell system as a feature.
  • the product reduction mechanism includes a reducing agent that chemically reduces the fuel oxidation product.
  • the product reduction mechanism section includes a reducing agent storage container, a product reduction section, and a fuel solution supply section.
  • the fuel cell system further includes an attachment / detachment section for attaching / detaching only the reducing agent storage container from the fuel cell system or the product reduction mechanism.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an outline of a fuel cell main body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an outline of a fuel cell electromotive section according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an outline of a product reduction unit mechanism according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an outline of another product reduction unit mechanism according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a sectional view showing an outline of still another product reduction unit mechanism according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an outline of a conventional fuel cell. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. Note that the present invention is not limited to only these.
  • the fuel cell system shown in FIG. 1 includes a fuel cell 14 including an electromotive section, a fuel supply section 17 for supplying fuel to the electromotive section, and supplying air or oxygen as an oxidant to the electromotive section.
  • An oxidant supply unit 16 is provided.
  • the fuel supply unit 17 is formed by the fuel container 11, a fuel supply pipe 13 a for supplying fuel from the fuel container 11 to the electromotive unit in the direction of the arrow, a pump 12, and the electromotive unit.
  • a product reduction mechanism 15 for reducing the fuel oxidation products.
  • An exhaust pipe 13 is connected from the fuel cell 14 to the product reduction mechanism 15.
  • FIG. 1 shows the pump 12 for supplying the fuel, but in the present invention, the fuel cell system can be configured without the pump 12.
  • the fuel supply pipe 13a and the discharge pipe 13b can be formed of thin tubes that are capable of causing capillary action.
  • a polyurethane, polyester, cellulose, or fu It can also be filled with a non-woven fabric or a porous material such as a knol-based resin, polypropylene or glass fiber.
  • the oxidizing agent supply unit 16 for supplying the oxidizing agent may have a mechanism for forcibly sending air or oxygen, such as a pump or a fan.
  • the fuel cell system according to the present invention can be configured. In this case, a large number of openings may be provided on the air electrode side of the electromotive section of the fuel cell 14 so that air is easily supplied naturally.
  • fuel is sent to the electromotive section of the fuel cell 14 in the direction of arrow X, and a part of the fuel is oxidized by an oxidation reaction at the fuel electrode.
  • Mixture of unconsumed fuel and fuel oxidation product is sent to the product reduction mechanism unit 1 5 according to the direction of arrow X 2.
  • the product reduction mechanism 15 is configured so that at least a part of the fuel oxidation product is reduced and regenerated into fuel, and circulates again through the fuel supply pipe 13 a in the direction of the arrow X. .
  • the electromotive section of the fuel cell 14 may be composed of a unit cell having a fuel electrode including a catalyst layer, an oxidizer electrode including a catalyst layer, and an electrolyte membrane sandwiched therebetween. Further, a stack obtained by stacking a plurality of the unit cells may be used. Alternatively, a structure obtained by connecting a plurality of the unit cells in series or in parallel in a plurality of planes may be adopted.
  • FIG. 2 shows an example of the configuration of this cell.
  • a fuel diffusion layer 24a a fuel electrode catalyst layer 24b, an electrolyte membrane 24c, an oxidant electrode catalyst layer 24d, and an air diffusion layer 24e
  • the diffusion layer 24a and the fuel electrode catalyst layer 24b constitute a fuel electrode
  • the oxidant electrode catalyst layer 24d and the diffusion layer 24e constitute an oxidant electrode.
  • Product reduction mechanism capable of reducing fuel oxidation products examples include protons released by an electrochemical oxidation reaction, reduction of a fuel oxidation reaction product by electrochemical, chemical, or light, into a fuel. Anything that can be reproduced can be used. Therefore, various organic substances can be used, but among them, an organic fuel having 2 or more carbon atoms can be suitably used. However, even if it has 1 carbon atom, it can be used as long as it does not burn completely by the electrochemical oxidation reaction and is not oxidized to carbon dioxide. Among them, alcohols such as ethanol, propanol, butanol and ethylene glycol, ethers such as dimethyl ether, and organic hydrides such as cyclohexane and decalin can be suitably used.
  • R 3 -C- ⁇ H ⁇ R 3 -C ( ⁇ ) -OH + 4H ++ 4e— (5)
  • R i, R 2 and R 3 are each independently an aliphatic A group (for example, an alkyl group), an aromatic group, a hydroxyl group, an alkoxy group, an aldehyde group or a carboxyl group, wherein the aliphatic group or the aromatic group is at least one oxygen atom, nitrogen atom, and silicon atom. Or a derivative thereof containing a phosphorus atom, a boron atom or a halogen atom.)
  • the energy density of the fuel is determined not by the alcohol that directly oxidizes but by the reducing agent.
  • the volume energy density is approximately 6900 Wh / L, and the reducing agent This is greatly improved compared to the case without using (790 W / L).
  • a chemical reducing agent can be used in the product reduction mechanism.
  • the chemical reducing agent representative besides sodium borohydride above also, for example, water borohydride lithium, potassium borohydride, a metal hydrogen complex compound such as aluminum hydride lithium ⁇ beam, the L a N i 5 Hydrides such as metal hydrides, hydrogen gas, reducing metals such as magnesium metal, and general formulas represented by Grignard reagents R—MgBr (where R is an alkyl group or an aliphatic group) , An aromatic group, a hydroxyl group, an alkoxy group, an aldehyde group, and a propyloxyl group, wherein the alkyl group is linear or cyclic, and has at least one oxygen atom, nitrogen atom, and sulfur. Atom, a silicon atom, a phosphorus atom, a boron atom, or a halogen atom.).
  • FIG. 3 shows an example of the product reduction mechanism using a chemical reducing agent in detail.
  • the product reduction mechanism shown in FIG. 3 is an example of a fuel cell system including the product reduction mechanism according to the present invention, and the present invention is not limited to these.
  • the product reduction mechanism section 35 in FIG. 3 includes a reducing agent storage container 35a, a pump 35b, and a reduction reaction section 35c.
  • a mixture of unconsumed fuel and fuel oxidation products generated in the electromotive section of the fuel cell is introduced into the reduction reaction section 35c through the fuel supply pipe 33a in the direction of arrow P.
  • the fuel in the reducing agent container 35 reducing agent accommodated in the a is supplied to the reduction reaction part 35 c according to the direction of the arrow P 3 by Bonn flop 35 b.
  • Reduction unit 3 in 5 c Oxidation products are reduced. Played Fuel through the fuel supply pipe 3 3 b with the orientation of the arrow P 2, and sent again to the electromotive conductive portion.
  • the fuel oxidation product may be brought into contact with the reducing agent.
  • the fuel oxidation product is usually a liquid
  • the reducing agent is a gas
  • the fuel oxidation product may be bubbled (bubbled) with the reducing agent.
  • a catalyst or the like may be added to the reduction reaction section 35c so that the reduction reaction of the product by the reducing agent proceeds easily.
  • a structure using a pump 35b for sending the reducing agent to the reaction section as shown in Fig. 3 is particularly effective when the reducing agent is in a liquid state or a state in which the reducing agent is dissolved in a liquid. 3 5b may not be present. If the pump 35b is not provided, a structure may be adopted in which the reducing agent storage container 35a and the reduction reaction section 35c are common. Such a case is particularly effective when the reducing agent is in a solid state or a state in which the reducing agent is adsorbed on the solid. If the reducing agent is a gas, there is no pump 35b and it is effective to install a pressure reducing valve instead.
  • FIG. 4 shows a configuration in which a separation section 35d is provided between the reaction section 35c and the fuel supply pipe 33b in the configuration of FIG.
  • the fuel solution and the reducing agent react in the reaction section 35c.
  • the reaction product of the reductive regeneration fuel and the reducing agent are separated in the separation unit 3 5 d, the fuel solution is fed to the fuel supply pipe 3 3 b with the orientation of the arrow P 2, instead formation reaction Motozai object is returned to the reducing agent container 3 5 a in accordance with the direction of the arrow P 4.
  • Separation using a filter or an adsorbent, or distillation separation is used for the separation section 35d.
  • a fuel cell system including a product reduction mechanism using a reducing agent
  • power generation stops when much of the reducing agent and fuel in the fuel supply unit are consumed.
  • the reducing agent may be directly injected into the reducing agent storage container, or in consideration of practical convenience, the used reducing agent storage container and a new unused storage agent may be used.
  • the product reduction mechanism section has a reducing agent storage container, a product reduction section, and a fuel solution supply section, and is used for mounting and removing only the reducing agent storage container from the fuel cell system body. It is practically effective to have a reducing agent storage container loading / unloading section.
  • FIG. 5 shows an example of the product reduction mechanism for electrochemically reducing the product.
  • the product reduction mechanism shown in FIG. 5 is an example of a fuel cell system including the product reduction mechanism of the present invention, and the present invention is not limited to these.
  • the product reduction mechanism 45 in Fig. 5 is sandwiched between a reduction electrode 45d, which is the first electrode for electrochemically reducing the product, and a counter electrode 45b, which is the second electrode.
  • An electrolyte membrane 45 c a voltage is applied between the first electrode and the second electrode.
  • a voltage applying mechanism 45 f capable of applying a reduction potential to the first electrode, and includes a fuel oxidation product.
  • a mixture of the fuel oxidation product and the unconsumed fuel is supplied from the fuel supply pipe 43 a to the diffusion layer 45 e, receives a reduction potential at the first electrode, is reduced and regenerated into fuel, and the discharge pipe 43 Through b, it is sent to the electromotive section again. At this time, an oxidation reaction is taking place at the counter electrode 45b, which is the second electrode.
  • the counter electrode 45b which is the second electrode.
  • the fuel is regenerated by using an external power source only by replenishing the second electrode with a solvent such as water.
  • a solvent such as water.
  • the external power source a DC power source such as a primary battery and a secondary battery, and an AC power source such as a generator and a household power source can be used.
  • a photocatalyst such as titanium oxide or zinc oxide as the product reduction mechanism, and use a photoreduction reaction to reduce the product by irradiating light to them.
  • the fuel cell system according to the present invention includes the product reduction mechanism that can reduce the fuel oxidation product generated at the fuel electrode during power generation. As a result, for the first time, it is possible to provide a fuel cell system that is extremely safe and has a high energy density without sealing the fuel system and discharging harmful substances to the outside of the battery.
  • a power supply for electronic equipment such as a notebook computer and a camcorder
  • a power supply for transportation equipment such as an automobile, a motorcycle and an electric bicycle
  • a distributed power supply such as a home generator, and the like
  • a wide range of applications can be expected as a high-energy power supply that replaces devices that used primary and secondary batteries.
  • the fuel cell system shown in FIG. 1 was manufactured.
  • Ketjen Black EC (AK Z ⁇ Chemie, the Netherlands), a conductive carbon particle with an average primary particle size of 30 nm, carries platinum particles with an average particle size of about 30 A, The catalyst-carrying particles (50% by weight platinum) on the side were obtained. Also, platinum particles and ruthenium particles having an average particle size of about 30 A are supported on Ketjen Black EC, respectively, and the catalyst supporting particles (25% by weight platinum and 25% by weight ruthenium) on the fuel electrode side are loaded. Obtained.
  • these catalyst-carrying particles and a solution of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte were mixed to prepare a catalyst paste on the oxidant electrode side and a catalyst paste on the fuel electrode side.
  • the weight mixing ratio between the catalyst-carrying particles and the hydrogen ion conductive polymer electrolyte was set to 1: 1.
  • perfluorocarbon sulfonic acid (Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was used as the proton conductive polymer electrolyte.
  • the catalyst paste on the fuel electrode side was printed on one side of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane (Napion 117, DuPont, USA), and the catalyst paste on the oxidant electrode side was printed on the other side. did.
  • the diffusion layer on the fuel electrode side and the diffusion layer on the oxidizer electrode side are superimposed around the proton conductive polymer electrolyte membrane, and joined by hot pressing to form an electrolyte membrane electrode assembly (MEA). ) was prepared.
  • the catalyst area of the fuel electrode and the air electrode was set to 5 cm ⁇ 5 cm.
  • a carbon nonwoven fabric 190 m thick, porosity 78%) was used. Thus, an electromotive section was obtained.
  • An aqueous solution of 2-propanol at a concentration of 1 mol Z liter was used as an aqueous fuel solution.
  • the fuel electrode in the electromotive section of the fuel cell 14 shown in FIG. 1 the fuel supply pipe 13 a, the pump 12, and the fuel container 11 are filled with the above aqueous fuel solution, and the 2-propanol aqueous solution is filled.
  • the volume was 50 cc.
  • the product reduction mechanism unit was composed of a reducing agent storage container, a pump, and a reduction reaction unit.
  • a reducing agent to be filled in the reducing agent container 50 g of a 30% by weight aqueous sodium borohydride solution was used.
  • a small amount of sodium hydroxide was added to the aqueous sodium borohydride solution to increase the stability of the reducing agent solution during storage.
  • no catalyst was used in the reduction reaction section.
  • a separation unit was provided after the reaction unit to separate the reaction product of the reducing agent from the fuel solution.
  • the liquid part and the solid part (residue) were separated, and only the liquid part was returned to the fuel supply pipe.
  • Air is supplied to the oxidizer electrode of the electromotive section at a rate of 200 cc / min by a pump as an oxidant, and the fuel electrode of the electromotive section is pumped with an aqueous fuel solution at a rate of 100 cc / min.
  • a rate of The supply rate of the reducing agent in the product reduction section was 0.5 cc / min.
  • a power generation experiment was performed at a constant current of 2.5 A in a room temperature environment without controlling the temperature of the battery. As a result, the voltage showed a stable value near 0.4 V. Power generation was stable up to 130 minutes from the start of power generation, but after about 130 minutes, the voltage gradually dropped and finally generated power for about 135 minutes. Was completed. This means that it was possible to generate power 1.7 times longer than the conventional example shown in Comparative Example 1.
  • the fuel aqueous solution was similarly taken out of the fuel supply pipe 13c immediately after passing through the product reduction mechanism section, and lcc was taken out.
  • the concentration was measured using a gas chromatograph. It had a mole Z liter. This suggests that the fuel concentration was reduced due to the exhaustion of the reducing agent in the product reduction mechanism, and power generation was stopped. Also, of course, no liquid leakage from the fuel cell system was observed.
  • the fuel cell of the present invention provided with a product reduction mechanism capable of reducing a fuel oxidation product generated at the fuel electrode during power generation, the fuel system is sealed, and harmful substances are removed from the battery. It was possible to provide a fuel cell that is extremely safe and has a high energy density without discharging to the outside.
  • Example 1 2-propanol was used as a fuel, but ethanol, butanol, ethylene glycol, and getyl ether also have a product reduction mechanism containing a reducing agent. As a result, it was possible to generate electricity for a longer period of time than when no reducing agent was used, Comparative Example
  • Example 2 As a comparative example, a fuel cell system having exactly the same configuration as that of Example 1 was prepared except for the following points. That is, the reducing agent was not charged into the reducing agent container of the product reduction mechanism shown in FIG. 4, and instead, the same weight of fuel as the reducing agent used in Example 1, that is, the aqueous solution of 2-propanol was used. 0 g reducing agent The container was filled.
  • Air is supplied as an oxidant to the oxidizer electrode of the electromotive section at a rate of 200 cc / min by pump, and an aqueous fuel solution is supplied to the fuel electrode of the electromotive section at a rate of 10 cc / min by pump.
  • 2-Propanol filled in the reducing agent storage container was supplied to the fuel supply unit at a rate of 1.2 cc / min.
  • Example 1 A power generation experiment was performed at a constant current of 2.5 A in a room temperature environment without controlling the temperature of the battery, and the voltage was shown to be stable around 0.4 V as in Example 1.
  • Power generation was stable up to 75 minutes after the start of power generation, but after about 75 minutes, the voltage gradually dropped and stopped in the last 83 minutes.
  • the power generation time was shorter than in the case where the product reduction mechanism of Example 1 was provided.
  • the present invention for the first time, it is possible to provide a fuel cell that has a sealed fuel system, has no leakage of fuel and fuel oxidation by-products outside the battery, is extremely safe, has a long operating time as a battery, and has a high energy density. You can do it.

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Abstract

 本発明の燃料電池システムは、燃料極、酸化剤極およびこれらに挟持された電解質からなる起電部を含む燃料電池と、燃料極へ燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有し、燃料電池の発電に伴って燃料極で生成する燃料酸化生成物を還元する生成物還元機構部を設ける。 これにより、燃料、酸化生成物および副生成物などを燃料電池外へ排出する機構を有さなくても、これらに起因するエネルギー密度の低下を防止することができる。

Description

明 細 書 燃料電池システム 技術分野
本発明は、 燃料として有機物を溶解させた水溶液を直接用い、 酸化剤 に酸素や空気を用いる燃料電池を含む燃料電池システム (燃料電池発電 装置) に関する。 背景技術
燃料電池の燃料としては、 水素ガスならびに炭化水素系の液体および 気体の燃料が用いられている。 炭化水素系燃料を用いた燃料電池は、 燃 料を改質器で水素ガスに改質し、 水素ガスを燃料として発電するタイプ と、 炭化水素系燃料を直接燃料電池に供給するタイプとに分類される。 後者の燃料電池においては、 燃料を燃料極で直接酸化するため、 改質器 を用いる必要がなく、 燃料電池システム全体を小型化することができる c 炭化水素系燃料として、 例えばエネルギー密度の高いメタノールを直 接酸化して用いる燃料電池の反応は、 式 (1) :
燃料極: CH3OH + H2〇→C02+ 6H + + 6 e一
酸化剤極: 3 Z 2〇2+ 6 H + + 6 e—→ 3 H20
全電池反応: CH3〇H+ 3Z202→C02+ 2H20
で表される。
式 ( 1) からわかるように、 メタノール分子 1モルから電子 6モルが 生成するため、 体積エネルギー密度は 48 00 Wh/Lと非常に高い。 また、 この燃料電池では、 燃料極における燃料酸化生成物として、 二酸 化炭素 1モルが生成することがわかる。 このように、 発電によって二酸 化炭素が生成するにつれて、 徐々に燃料電池の内圧が上昇し、 燃料の液 漏れや電池性能の低下などを招いてしまう傾向にあるという問題がある。
このような問題に対して、 例えば、 特開平 1 0— 5 0 7 5 7 2号公報 (第 1 7〜 2 4頁、 第 1〜 2図) ゃ特開 2 0 0 1 — 1 0 2 0 7 0号公報 (第 1〜 5頁、 第 1図) では、 フッ素樹脂の多孔質体を用いて二酸化炭 素と燃料を分離し、 二酸化炭素のみを選択的に燃料電池外に排出する、 二酸化炭素排出機構を備えた燃料電池システムが提案されている。
図 6は、 二酸化炭素排出機構を備えた燃料電池システムを示す図であ る。 図 6において、 このタイプの燃料電池システムは、 燃料電池の起電 部 5 4、 前記起電部に燃料を供給する燃料供給部 5 7、 および前記起電 部に酸化剤を供給する酸化剤供給部 5 6を具備する。 また、 燃料供給部 5 7は、 燃料収納容器 5 1、 ポンプ 5 2、 燃料供給管 5 3および二酸化 炭素排出機構 5 5で構成されている。
燃料は、 燃料収納容器 5 1から、 ポンプ 5 2により、 燃料供給管 5 3 を通って、 矢印 L iの向きにしたがって起電部 5 4に供給され、 酸化剤は 矢印 L 2の向きにしたがって酸化剤供給部 5 6により起電部 5 4へ供給さ れ、 発電が起こる。 発電により生成した二酸化炭素は、 矢印 L 3の向きに したがって流れる。 例えば、 フッ素系多孔膜などの気液分離膜で構成さ れる二酸化炭素排出機構 5 5により、 矢印 L 4の向きにしたがって燃料電 池システム外へ排出される。
しかし、 この二酸化炭素排出機構として用いられている気液分離膜は、 二酸化炭素と燃料を完全に選択的に分離することはできず、 液体と分離 膜との表面張力の差を利用した気体と液体の分離膜である。 そのため、 二酸化炭素だけではなく、 蒸発した燃料ならびに燃料が酸化する際に生 成される二酸化炭素以外の酸化生成物および副生成物 (例えばアルデヒ ドなど) も、 ガス状態で分離膜を通して燃料電池外に排出されてしまう。 すなわち、 このようなガス状の燃料および副生成物が燃料電池外へ蒸気 として漏洩してしまうという問題がある。
このような問題を解決する手段としては、 燃料として、 メタノールで はなく、 電気化学的に完全に燃焼することが難しい'燃料を用いることが 有効である。 例えば、 エタノール、 プロパノールおよびブ夕ノールなど のアルコール燃料は、 電気化学的に酸化しても、 完全燃焼させて二酸化 炭素にまで酸化することは困難である。
この場合、 燃料の酸化反応に伴って、 燃料極で液体から気体への大き な体積膨張を伴う二酸化炭素の生成が起こらないことから、 燃料電池の 燃料極を密閉化することが可能となる。 そして、 蒸発した燃料、 酸化生 成物および副生成物が燃料電池外へ漏洩することを抑制することができ る。
一方、 メタノール以外の燃料を用いると、 燃料、 酸化生成物および副 生成物などを燃料電池外へ排出することのない非常に安全な燃料電池シ ステムを作ることが可能である。 しかし、 燃料の酸化反応自体が不完全 であるため、 燃料のエネルギー密度は非常に低くなつてしまう。 この点 をプロパノールおよびエチレングリコールを例に挙げて簡単に説明する t プロパノールを直接酸化して用いる燃料電池の反応式 (完全燃焼時) は、 式 ( 2) :
燃料極: C3H7〇H+ 5 H2〇→3 C〇2+ 1 8 H + + 1 8 e _ 酸化剤極: 9 / 202 + 1 8 H + + 1 8 e -→ 9 H20
全電池反応 : C 3H7OH+ 9 /2〇2→ 3 C02+ 4 H2
で示される。 また、 エチレングリコールを直接酸化して用いる燃料電池 の反応式 (完全燃焼時) は、 式 ( 3) :
燃料極: (CH2OH) 2+ 2 H2〇→ 2 C O2+ 1 0 H + + 1 0 e一 酸化剤極: 5 /202+ l 0 H + + 1 0 e—→ 5 H2〇 全電池反応: (CH2〇H) 2+ 5 / 202→ 2 C 02+ 3 H2O で示される。 プロパノールおよびエチレングリコールともに、 完全燃焼 すれば生成物が二酸化炭素になり、 体積エネルギー密度はそれぞれ、 7 1 0 OWhZLおよび 5 8 0 OWhZLと非常に高い。
しかし、 実際にこれら燃料を用いた場合、 燃料極での反応は不完全燃 焼となり、 プロパノールを用いた場合はアセトン (例えば、
A. J. Arvia. et al, J. Electroanal. Chem. , 350 (1993) 97.および杉井 裕政, 外 4名、 "電気化学会第 6 9回大会講演要旨集" ( 7 9頁) 、 平成 1 4 年 4月 1 日、 社団法人 電気化学会) が生成し、 エチレングリコールを用 いた場合はグリコール酸およびギ酸 (例えば、 松岡 孝司、 外 7名、 " 電気化学会第 6 9回大会講演要旨集" ( 8 0頁) 、 平成 1 4年 4月 1 日、 社団法人 電気化学会) などが生成することが報告されている。
これらの場合、 生成物が液体であり、 大きな体積膨張を伴うガス発生 がないため、 燃料極の密閉化が可能である。 しかし、 燃料酸化反応が不 完全燃焼のため、 燃料のエネルギー密度は先ほど示した値より大きく低 下してしまう。 例えば、 2—プロパノールを燃料に用いた場合、 完全燃 焼時は式 ( 2) で示したように燃料 1モルから電子 1 8モルが生成する。 しかし、 実際には生成物が不完全燃焼のため、 アセトンにまでしか酸化 せず、 燃料 1モルからは電子 2モルしか生成されない。
したがって、 この場合のエネルギー密度は、 完全燃焼時のおよそ
2 / 1 8 (= 7 9 0 Wh/L) と非常に低くなつてしまう。 すなわち、 燃料、 酸化生成物および副生成物などを燃料電池外へ排出することのな い燃料電池システムにおいては、 燃料のエネルギー密度が非常に低いと いう問題があった。
上述のような従来技術の問題点に鑑み、 本発明は、 燃料、 酸化生成物 および副生成物などが燃料電池外へ漏洩することを抑制することが可能 なメタノール以外の燃料を使用した場合は、 上述の内容に起因するエネ ルギー密度の低下を防止し得る燃料電池システムを提供することを目的 とする。 発明の開示
本発明は、 燃料極、 酸化剤極およびこれらに挟持された電解質から構 成される起電部を含む燃料電池と、 前記燃料極へ燃料を供給する燃料供 給部と、 前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有する燃料 電池システムであって、 前記燃料電池の発電に伴って前記燃料極で生成 する燃料酸化生成物を還元する生成物還元機構部を具備することを特徴 とする燃料電池システムに関する。
前記生成物還元機構部が、 前記燃料酸化生成物を化学的に還元する還 元剤を含むのが好ましい。
また、 前記生成物還元機構部が、 還元剤収納容器と、 生成物還元部と. 燃料溶液供給部とを有するのが好ましい。
また、 前記燃料電池システムは、 前記燃料電池システムまたは前記生 成物還元機構部から、 前記還元剤収納容器のみを装着および脱着する装 脱着部を具備するのが好ましい。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の一実施の形態である燃料電池本体の概要を表す断面 図である。
図 2は、 本発明の一実施の形態である燃料電池起電部の概要を表す断 面図である。
図 3は、 本発明の一実施の形態である生成物還元部機構の概要を表す 断面図である。 図 4は、 本発明の一実施の形態である他の生成物還元部機構の概要を 表す断面図である。
図 5は、 本発明の一実施の形態であるさらに他の生成物還元部機構の 概要を表す断面図である。
図 6は、 従来の技術である燃料電池の概要を表す断面図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明に係る燃料電池システムは、 燃料電池の燃料極のおける酸化反 応により生成する燃料酸化生成物を還元する生成物還元機構部を具備す ることを特徴とする。 かかる本発明の実施の形態について、 図面を参照 しながら詳細に説明する。 図 1は、 本発明に係る燃料電池システムの一 実施の形態の構成を示す図である。 なお、 本発明はこれらのみに限定さ れるものではない。
図 1に示す燃料電池システムは、 起電部を含む燃料電池 1 4、 前記起 電部に燃料を供給する燃料供給部 1 7、 および前記起電部に酸化剤であ る空気または酸素を供給する酸化剤供給部 1 6を具備する。 燃料供給部 1 7は、 燃料収納容器 1 1、 燃料収納容器 1 1から前記起電部へ燃料を 矢印 の向きに供給する燃料供給管 1 3 a、 ポンプ 1 2、 および前記起 電部で生成した燃料酸化生成物を還元する生成物還元機構部 1 5を有す る。 なお、 燃料電池 1 4から生成物還元機構部 1 5へは排出管 1 3 が 接続されている。
図 1では、 燃料を供給するためのポンプ 1 2を示したが、 本発明にお いてはポンプ 1 2が無くても燃料電池システムを構成することができる。 その際には、 燃料供給管 1 3 aおよび排出管 1 3 bは、 毛管現象が働く 程度の細管で構成することができる。 あるいは、 燃料の供給を補助する ために、 管の内部に、 ポリウレタン、 ポリエステル、 セルロース、 フエ ノール系樹脂、 ポリプロピレンもしくはガラス繊維などの不織布または 多孔質体を充填しておくこともできる。
また、 酸化剤を供給するための酸化剤供給部 1 6は、 例えばポンプも しくはファンなどの強制的に空気もしくは酸素を送り込む機構を有して いてもよい。 また、 このような機構を有しない場合でも、 本発明に係る 燃料電池システムを構成することができる。 その際には、 空気が自然供 給され易いように、 燃料電池 1 4の起電部の空気極側に多数の開口部を 設ければよい。
図 1において、 燃料は矢印 X の向きにしたがって燃料電池 1 4の起電 部に送られ、 その一部が燃料極における酸化反応により酸化される。 未 消費燃料および燃料酸化生成物の混合体が、 矢印 X 2の向きにしたがって 生成物還元機構部 1 5に送られる。 生成物還元機構部 1 5においては、 燃料酸化生成物の少なくとも一部が還元されて燃料に再生され、 再び矢 印 X の向きにしたがって燃料供給管 1 3 aを循環するように構成されて いる。
燃料電池 1 4の起電部は、 触媒層を含む燃料極、 触媒層を含む酸化剤 極およびこれらに狭持された電解質膜を有する単電池で構成すればよい。 また、 前記単電池複数個を積層して得られるスタックで構成してもよく、 または、 前記単電池複数個を複数の平面内で直列または並列に接続して 得られる構造を採ることもできる。
図 2に、 この単電池の構成の一例を示す。 図 2に示すように、 燃料の 拡散層 2 4 a、 燃料極触媒層 2 4 b、 電解質膜 2 4 c、 酸化剤極触媒層 2 4 d、 酸化剤である空気の拡散層 2 4 eとから単電池は構成されてい る。 拡散層 2 4 aと燃料極触媒層 2 4 bとが燃料極を構成し、 酸化剤極 触媒層 2 4 dと拡散層 2 4 eとが酸化剤極を構成する。
本発明に係る燃料酸化生成物を還元することのできる生成物還元機構 部 1 5を具備する燃料電池システムにおいて使用し得る燃料としては、 電気化学的な酸化反応でプロトンを放出し、 電気化学的、 化学的または 光により燃料酸化反応生成物を還元し、 燃料へと再生することができる ものであればよい。 したがって、 種々の有機物を利用することが可能で あるが、 なかでも炭素数が 2以上の有機燃料を好適に用いることができ る。 もっとも、 炭素数が 1であっても、 電気化学的酸化反応により、 完 全燃焼し二酸化炭素にまで酸化されることのない燃料であれば、 使用可 能である。 なかでも、 エタノール、 プロパノール、 ブタノールおよびェ チレングリコールなどのアルコ一ル、 ジェチルェ一テルなどのエーテル、 ならびにシクロへキサン、 デカリンなどの有機ハイ ドライ ドを好適に用 いることができる。
以下において、 種々の燃料のうち、 アルコールを例に用いて、 生成物 還元機構部 1 5の作用について説明する。 アルコールの酸化反応は、 式 (4) および ( 5 ) で示される。
R i-C (-OH)-R2→R1-C (=0)-R2+ 2 H + + 2 e— (4)
R3- C-〇H→R3- C (=〇)- OH+ 4 H + + 4 e— (5 ) (式中、 R i、 R2、 および R3は、 それぞれ独立して、 脂肪族基 (例えば アルキル基) 、 芳香族基、 ヒドロキシル基、 アルコキシ基、 アルデヒド 基またはカルボキシル基である。 前記脂肪族基または前記芳香族基は、 1個以上の酸素原子、 チッ素原子、 ケィ素原子、 リン原子、 ホウ素原子 またはハロゲン原子を含むこれらの誘導体であってもよい。 ) 。
式 (4) および ( 5) からわかるように、 これらのアルコールを酸化 した場合、 酸化生成物としてケトンおよびカルボン酸が生成する。 この ことは一般に広く知られており、 またケトンゃカルボン酸のアルコール への還元反応も知られている (例えば、 R. F. Nystrom. et al,
J. Am. Chem. Soc. , 1198 (1947) 69, および S. W. Chaikin. et al, J. Am. Chem. Soc. , 122 (1949) 71) 。 式 (4) および ( 5) で示される反応 のように、 燃料電池 1 4の起電部の燃料極における燃料酸化反応により、 アルコールが酸化され、 ケトンまたはカルボン酸などの燃料酸化生成物 が生成する。
通常、 これらの燃料を使用した場合、 二酸化炭素などの体積膨張を伴 うガスの発生がなく、 燃料の循環系統を密閉化することができる。 この ため、 燃料および酸化生成物が燃料電池システム外へ漏洩する心配はな い。 しかし、 不完全燃焼のため、 燃料のエネルギー密度は完全燃焼の場 合に比べて、 1 / 2〜 1 / 1 0程度となり、 非常に小さな値となってし まう。 この燃料電池システムに生成物還元機構部を設けることにより、 エネルギー密度の向上が可能である。
以下、 生成物還元機構部の化学的還元機構部の一例として、 化学還元 剤である水素化ホウ素ナトリゥム水溶液を用いた場合を例に挙げてエネ ルギ一密度向上の効果について説明する。 燃料酸化生成物であるケトン を還元する還元反応は、 式 (6) で示される。
4 R2C〇 + N a BH4→N a B (〇 CHR2)4
N a B (O CHR2) 4+ 2 N a OH + H20
Figure imgf000011_0001
式 ( 6) で示されるように、 還元剤である水素化ホウ素ナトリウム 1 モルによってケトン 4モルが還元される。 このような生成物還元機構部 を具備することにより、 発電により酸化されたアルコールは常に還元剤 により再生され、 燃料電池は、 還元剤が消費し尽くされるまで、 発電を 続けることができる。 また、 還元剤が消費し尽くされたとき、 新たに燃 料であるアルコールを追加するのではなく、 還元剤を追加すればよい。
したがって、 この場合、 燃料のエネルギー密度は、 直接酸化反応をす るアルコールにより決定されるのではなく、 還元剤によって決定される。 例えば、 水素化ホウ素ナトリウムの場合、 燃料にプロパノール、 酸化剤 に酸素を用いた場合の理論電圧 ( 1. I V) で計算すると、 体積エネル ギー密度は、 およそ 6 9 0 0Wh/Lとなり、 還元剤を用いない場合 ( 7 9 0 W /L) に比べて大きく向上する。
また、 生成物還元機構部に化学還元剤を用いることができる。 この化 学還元剤としては、 上述の水素化ホウ素ナトリウム以外にも、 例えば水 素化ホウ素リチウム、 水素化ホウ素カリウム、 水素化アルミニウムリチ ゥムなどの金属水素錯化合物、 L a N i 5に代表される水素吸蔵合金など の金属水素化物、 水素ガス、 マグネシウム金属などの還元力のある金属、 グリニャール試薬に代表される一般式 R— Mg B r (式中、 Rはアルキ ル基、 脂肪族基、 芳香族基、 ヒドロキシル基、 アルコキシ基、 アルデヒ ド基、 力ルポキシル基から選ばれる置換基である。 アルキル基は鎖状ま たは環状であり、 1個以上の酸素原子、 チッ素原子、 硫黄原子、 ケィ素 原子、 リン原子、 ホウ素原子またはハロゲン原子を含む場合がある。 ) で表される還元剤などが挙げられる。
図 3に、 化学還元剤を用いた生成物還元機構部の一例を詳細に図示す る。 なお、 図 3で示す生成物還元機構部は、 本発明に係る生成物還元機 構部を具備する燃料電池システムの一例であり、 本発明はこれらのみに 限定されるものではない。
図 3における生成物還元機構部 3 5は、 還元剤収納容器 3 5 a、 ボン プ 3 5 bおよび還元反応部 3 5 cから構成されている。 燃料電池の起電 部で生成された未消費燃料および燃料酸化生成物の混合体が、 矢印 P の 向きにしたがって、 燃料供給管 3 3 aを通して還元反応部 3 5 cに導入 される。 一方、 還元剤収納容器 3 5 a内に収納されている還元剤がボン プ 3 5 bにより矢印 P 3の向きにしたがって還元反応部 3 5 cに供給され. 還元反応部 3 5 c中において燃料酸化生成物が還元される。 再生された 燃料は、 矢印 P 2の向きにしたがって燃料供給管 3 3 bを通って、 再び起 電部へと送られる。
なお、 還元反応部 3 5 c中においては、 燃料酸化生成物を還元剤に接 触させればよい。 例えば、 燃料酸化生成物は通常液体であるため、 還元 剤がガスであれば、 燃料酸化生成物に還元剤を通気 (パブリング) させ ればよい。
還元反応部 3 5 cには、 還元剤による生成物の還元反応が進行しやす いように触媒などを加えてもよい。 また、 図 3に示すような、 還元剤を 反応部へ送るためのポンプ 3 5 bを用いる構造は、 還元剤が液体状態、 または液体に溶解した状態の場合に特に有効であるが、 このポンプ 3 5 bは無くてもよい。 ポンプ 3 5 bが無い場合は、 還元剤収納容器 3 5 aと還元反応部 3 5 cが共通となる構造にしておけばよい。 このよ うな場合は、 還元剤が固体状態、 または固体に吸着している状態の場合 に特に有効である。 還元剤がガスである場合は、 ポンプ 3 5 bが無く、 その代わりに減圧弁を設置することが有効である。
また、 還元剤が反応後に反応生成物を生じる場合は、 図 4のように反 応部 3 5 cで反応した後、 燃料溶液と反応生成物を分離する分離部 3 5 dを設けることが有効である。 図 4は、 図 3の構成における反応部 3 5 c と燃料供給管 3 3 bとの間に分離部 3 5 dを設置した構成である。 反応部 3 5 cにおいて燃料溶液および還元剤が反応する。 還元再生され た燃料および還元剤の反応生成物は、 分離部 3 5 dにおいて分離され、 燃料溶液は、 矢印 P 2の向きにしたがって燃料供給管 3 3 bに送られ、 還 元剤の反応生成物は、 矢印 P 4の向きにしたがって還元剤収納容器 3 5 a に戻される。 分離部 3 5 dには、 フィルターや吸着剤による分離、 また は蒸留分離などが用いられる。
また、 還元剤を用いた生成物還元機構部を具備する燃料電池システム では、 還元剤および燃料供給部内の燃料の多くが消費され尽くした場合 に、 発電が停止する。 この場合、 さらに発電を続けるためには、 燃料電 池に新たに還元剤を追加する必要がある。 還元剤を追加する方法として は、 還元剤収納容器内に、 還元剤を直接注入してもよいし、 実用上の利 便性を考えると、 使用済みの還元剤収納容器と、 新しい未使用の還元剤 の充填された還元剤収納容器を交換することが望ましい。 したがって、 生成物還元機構部が、 還元剤収納容器と、 生成物還元部と、 燃料溶液供 給部とを有し、 これらおよび燃料電池システム本体から還元剤収納容器 のみを装着および脱着するための還元剤収納容器装脱着部を具備するこ とが、 実用上有効である。
生成物を還元する方法としては、 上で述べた化学還元剤を用いた化学 反応による方法以外にも、 電気化学的に還元する機構もある。 図 5に、 電気化学的に生成物を還元する生成物還元機構部の一例を詳細に図示す る。 なお、 図 5で示す生成物還元機構部は、 本発明の生成物還元機構部 を具備する燃料電池システムの一例であり、 本発明はこれらのみに限定 されるものではない。
図 5の生成物還元機構部 4 5は、 生成物を電気化学的に還元する第一 の電極である還元極 4 5 dと、 第二の電極である対極 4 5 bと、 それに 挟まれた電解質膜 4 5 cと、 第一の電極と第二の電極間に電圧を印加し. 第一の電極に還元電位を印加することのできる電圧印加機構 4 5 f と、 燃料酸化生成物を含んだ燃料を拡散させる拡散層 4 5 eと、 水、 あるい は対極で酸化反応を起こすことが可能であるその他溶媒を拡散させる拡 散層 4 5 aとからなる。 燃料酸化生成物および未消費燃料の混合体は燃 料供給管 4 3 aから拡散層 4 5 eへ供給され、 第一電極で還元電位を受 け、 還元され燃料に再生され、 排出管 4 3 bを通して、 再び起電部へと 送られる。 このとき、 第二電極である対極 4 5 bでは、 酸化反応が起こっており . 例えば拡散層 4 5 a中の溶媒が水では、 この場合、 水が酸化され、 酸素 が発生する。 したがって、 この場合、 発生した酸素を燃料電池システム 外へ排出し、 消費した水の補給が必要となる。 このように、 溶媒が水で ある場合は、 水の補給をするだけで、 外部電源からエネルギーを供給し, 燃料を再生することができる。 通常、 燃料電池は、 充電することはでき ず、 燃料を常に補給しつづける必要がある。 これに対して、 図 4に示す 生成物還元機構部を具備する燃料電池システムでは、 第二電極に、 例え ば水のような溶媒を補給するだけで、 外部電源を用いて、 燃料を再生し, いわば充電電池の如き扱いが可能となる。 また、 この外部電源としては, 一次電池および二次電池などの直流電源、 発電機および家庭用電源など における交流電源などを用いることができる。
さらには、 生成物還元機構部として、 酸化チタンまたは酸化亜鉛など の光触媒を用い、 それらに光を当てることにより、 生成物を還元する光 還元反応を利用することも可能である。
以上のように、 本発明に係る燃料電池システムは、 発電に伴って燃料 極で生成する燃料酸化生成物を、 還元することができる生成物還元機構 部を具備する。 これにより、 初めて、 燃料系統を密閉化し、 有害物質を 電池外へ排出せず、 極めて安全、 かつエネルギー密度の高い燃料電池シ ステムを提供することができる。
本発明に係る燃料電池システムによれば、 例えば、 ノートパソコンお よびカムコーダなどの電子機器用電源、 自動車、 自動二輪車および電動 自転車などの輸送機器用電源、 家庭用発電機などの分散型電源、 ならび に、 これまで一次電池および二次電池が用いられていた機器の代替の高 エネルギー電源として、 幅広い用途が期待できる。
以下に、 実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、 本発明はこ れらのみに限定されるものではない。 実施例
本実施例においては図 1に示す燃料電池システムを作製した。
3 0 nmの平均一次粒径を持つ導電性カーボン粒子であるケッチェン ブラック E C (オランダ国、 AK Z〇 C h e m i e社) に、 平均粒径 約 3 0 Aの白金粒子を担持させて、 酸化剤極側の触媒担持粒子 ( 5 0重 量%白金) を得た。 また、 ケッチェンブラック E Cに、 平均粒径約 3 0 Aの白金粒子とルテニウム粒子とを、 それぞれ担持させて、 燃料極側の 触媒担持粒子 ( 2 5重量%白金、 2 5重量%ルテニウム) を得た。
次に、 これらの触媒担持粒子と水素イオン伝導性高分子電解質の溶液 とをそれぞれ混合し、 酸化剤極側の触媒ペーストおよび燃料極側の触媒 ペーストを作成した。 このとき、 触媒担持粒子と水素イオン伝導性高分 子電解質との重量混合比は 1 : 1 とした。 また、 水素イオン伝導性高分 子電解質としてはパ一フルォロカーボンスルホン酸 (旭硝子 (株) 製の フレミオン) を用いた。
次に、 水素イオン伝導性高分子電解質膜 (米国デュポン社、 ナフィォ ン 1 1 7 ) の一方の面に燃料極側の触媒ペーストを印刷し、 他方の面に 酸化剤極側の触媒ペーストを印刷した。 ついで、 燃料極側の拡散層と酸 化剤極側の拡散層とを、 水素イオン伝導性高分子電解質膜を中心として 重ね合わせ、 ホッ トプレス法で接合することで、 電解質膜電極接合体 (MEA) を作製した。 このとき、 燃料極および空気極の触媒面積は 5 c mX 5 c mとなるようにした。 燃料極側の拡散層および酸化剤極側 の拡散層としては、 カーボン不織布 (膜厚 1 9 0 m、 気孔率 7 8 %) を用いた。 このようにして、 起電部を得た。
燃料水溶液として濃度 1モル Zリッ トルの 2—プロパノール水溶液を 用いた。 図 1に示した図中の燃料電池 1 4の起電部の燃料極、 燃料供給 管 1 3 a、 ポンプ 1 2、 燃料収納容器 1 1に上記燃料水溶液を充填した, 2—プロパノール水溶液の充填量は 5 0 c cとした。
生成物還元機構部としては、 図 4で示した還元剤を用いる生成物還元 機構部を作成した。 すなわち、 生成物還元機構部は、 還元剤収納容器、 ポンプ、 還元反応部で構成した。 また、 還元剤収納容器内に充填する還 元剤としては、 濃度 3 0重量%の水素化ホウ素ナトリゥム水溶液 5 0 g を用いた。 水素化ホウ素ナトリウム水溶液には、 保存時の還元剤溶液の 安定性を高めるため、 微量の水酸化ナトリウムを加えた。 本実施例にお いては、 還元反応部内に触媒は用いなかった。
また、 還元剤または還元剤の反応生成物の燃料溶液への混入を防ぐた め、 反応部の後に分離部を設け、 還元剤の反応生成物と燃料溶液とを分 離した。 分離部にエバポレー夕を用い、 液体部と固体部 (残渣) とに分 離し、 液体部のみを燃料供給管へ戻した。
起電部の酸化剤極には、 酸化剤として空気をポンプで毎分 2 0 0 c c の速度で供給し、 また、 起電部の燃料極には、 燃料水溶液をポンプで毎 分 1 0 c cの速度で供給した。 生成物還元部内の還元剤の供給速度は毎 分 0 . 5 c cとした。
電池の温度制御は行わず、 室温環境で、 電流値 2 . 5 Aの定電流で発 電実験を行ったところ、 電圧はほぼ 0 . 4 V付近を安定して示した。 発 電開始から、 1 3 0分までは安定して発電することができたが、 1 3 0 分を過ぎた辺りから、 電圧が徐々に降下し、 最終、 約 1 3 5分間発電す ることができた。 これは、 比較例 1に示した従来例のおよそ 1 . 7倍も の長時間発電を可能にしたことを意味している。
なお、 発電後の燃料水溶液が、 生成物還元機構部を通り抜けた直後の 燃料供給管 1 3 じから、 シリンジを用いて、 発電開始後から、 5 0分後 および 1 0 0分後と燃料溶液をそれぞれ 1 c cずつ取り出し、 2一プロ パノールの濃度をガスク口マトグラフィ一により調べたところ、 それぞ れ、 0 . 9 6モル Zリッ トル、 0 . 9 4モル/リッ トルとなっていた。 これにより、 生成物還元機構部により、 生成物が還元されていることが 確認された。
また、 発電停止後も、 同様に燃料水溶液を、 生成物還元機構部を通り 抜けた直後の燃料供給管 1 3 cから、 l c c取り出し、 ガスクロマトグ ラフィ一で濃度を測定したところ、 0 . 4 3モル Zリッ トルとなってい た。 このことから、 生成物還元機構部内の還元剤が消費し尽くされたた め、 燃料濃度が減少し、 そのため発電が止まったものと推察される。 また、 燃料電池システムからの漏液はもちろん見られなかった。 念の ため、 燃料電池の酸化剤極のみ空気が自由に出入りできる開放状態にし て、 燃料極から燃料供給部、 燃料収納容器、 ポンプ、 生成物還元部まで を全てテフロンバッグに入れ密封して運転し、 運転終了後にテフロンバ ッグ内の空気をガスク口マトグフィ一にて分析を行った。 この場合、 2—プロパノールおよびその他の燃料に由来する有機物は検出されなか つた。 したがって、 燃料電池システムからの漏液はもちろん、 燃料およ び燃料酸化生成物、 副生成物の燃料電池システム外への漏洩もないこと が確認された。
したがって、 本発明の、 発電に伴って燃料極で生成する燃料酸化生成 物を、 還元することが出来る生成物還元機構を具備した燃料電池によつ て、 燃料系統を密閉化し、 有害物質を電池外へ排出せず、 極めて安全、 かつエネルギー密度の高い燃料電池を提供することが出来た。
また、 上記と以下の点を除き、 すべて同じ条件で発電実験を行った。 すなわち、 生成物還元に用いる化学還元剤を、 水素化ホウ素ナトリウム から、 水素化ホウ素カリゥムまたは水素化ホウ素リチウムなどの他の金 属水素錯化合物に代え、 発電実験を行った。 これら還元剤は、 全て濃度 3 0重量%の水溶液とし、 また、 使用量は 5 0 gとした。 結果を表 1に まとめて示した。 表 1に示したように、 いずれの場合も還元剤を使用し ない場合よりも長時間の発電が可能であった。 また、 これら三種の還元 剤の中では、 もつとも分子量の小さな水素化ホウ素リチウムを用いた場 合が、 もっとも長時間の発電が可能であった。 表 1
Figure imgf000019_0001
また、 本実施例 1では、 燃料として、 2—プロパノールを用いたが、 これ以外にもエタノール、 ブ夕ノール、 エチレングリコール、 ジェチル エーテルも同様に、 還元剤を含んだ生成物還元機構を具備することによ り、 還元剤のない場合に比べてそれぞれ、 長時間の発電が可能であった, 比較例
比較例として、 以下の点を除き実施例 1 と全く同じ構成の燃料電池シ ステムを作製した。 すなわち、 図 4に示した生成物還元機構部の還元剤 収納容器内に、 還元剤を入れず、 その代わりに実施例 1で使用した還元 剤と同重量の燃料、 すなわち 2 —プロパノール水溶液を 5 0 g還元剤収 納容器内に充填した。
また、 本比較例では、 還元剤を用いていないため、 分離部は必要ない が、 比較のため、 実施例と同様にエバポレー夕を用いた。
起電部の酸化剤極には、 酸化剤として空気をポンプで毎分 2 0 0 c c の速度で、 起電部の燃料極には、 燃料水溶液をポンプで毎分 1 0 c cの 速度で供給した。 還元剤収納容器内に充填した 2—プロパノールは毎分 1 . 2 c cの速度で燃料供給部へ供給した。
電池の温度制御は行わず、 室温環境で、 電流値 2 . 5 Aの定電流で発 電実験を行ったところ、 電圧は実施例 1と同じくほぽ 0 . 4 V付近を安 定して示した。 発電開始から、 7 5分までは安定して発電することがで きたが、 7 5分を過ぎた辺りから、 電圧が徐々に降下を起こし、 最終 8 3分間の発電で止まってしまった。 この結果は、 表 1中の比較例の欄 に並べて示したように、 実施例 1の生成物還元機構を具備した場合より も、 発電時間が短かった。
なお、 発電後の燃料水溶液が、 生成物還元機構を通り抜けた直後の燃 料供給管 1 3 じから、 シリンジを用いて、 発電開始後から 5 0分後と、 発電停止後の燃料溶液を 1 c cずつ取り出し、 2—プロパノールの濃度 をガスクロマトグラフィーにより調べたところ、 それぞれ、 1 . 0 2モ ル /リッ トル、 0 . 3 8モル/リットルとなっていることがわかった。 このことから、 生成物還元機構部内の還元剤が消費し尽くされたため、 燃料濃度が減少し、 そのため発電が止まったものと推察される。 産業上の利用の可能性
本発明により、 燃料系統を密閉化し、 燃料、 燃料酸化副生成物等の電 池外への漏洩が全くなく極めて安全、 かつ、 電池としての駆動時間が長 くエネルギー密度の高い燃料電池を初めて提供することが出来る。

Claims

m 求 の 範 囲
1 . 燃料極、 酸化剤極およびこれらに挟持された電解質から構成される 起電部を含む燃料電池と、 前記燃料極へ燃料を供給する燃料供給部と、 前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有する燃料電池シス テムであって、
前記燃料電池の発電に伴って前記燃料極で生成する燃料酸化生成物を 還元する生成物還元機構部を具備することを特徴とする燃料電池システ ム。
2 . 前記生成物還元機構部が、 前記燃料酸化生成物を化学的に還元する 還元剤を含む請求の範囲第 1項記載の燃料電池システム。
3 . 前記生成物還元機構部が、 還元剤収納容器と、 生成物還元部と、 燃 料溶液供給部とを有する請求の範囲第 2項記載の燃料電池システム。 I
4 . 前記燃料電池システムまたは前記生成物還元機構部から、 前記還元 剤収納容器のみを装着および脱着する装脱着部を具備する請求の範囲第 3項記載の燃料電池システム。
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