JP5332110B2 - Fuel cell and operation method thereof - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池及びその稼働方法に関するものであり、特に、マイクロ燃料電池における経時変化による出力低下を回復させるための構成に特徴のある燃料電池及びその稼働方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell and an operation method thereof, and more particularly, to a fuel cell characterized by a configuration for recovering a decrease in output due to a change with time in a micro fuel cell and an operation method thereof.
近年、携帯電話、PDA(Personal Digital Assistants)、ノートパソコン等の携帯電子機器の著しい進歩により、消費電力の増加、長時間使用化が進み、その駆動電源である電池には更なる性能向上が求められている。 In recent years, with the remarkable progress of portable electronic devices such as mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), notebook computers, etc., power consumption has increased and the use has been extended for a long time. It has been.
しかし、現在ほとんどの携帯機器に搭載されているリチウムイオン二次電池では、材料面、構造面から性能向上がほぼ限界に近づきつつあるが、これに対し、新規の高容量駆動電源として、燃料の理論容量が大きくリチウムイオン電池と比較して数倍の高容量化が期待されるマイクロ燃料電池に注目が集まっている。 However, with lithium-ion secondary batteries currently installed in most portable devices, the performance improvement is approaching the limit in terms of materials and structure. On the other hand, as a new high-capacity drive power supply, Attention has been focused on micro fuel cells, which have a large theoretical capacity and are expected to have a capacity that is several times higher than that of lithium ion batteries.
これは、電解質に高分子固体電解質を用い、電極上にメタノールなどの有機燃料を供給することでエネルギー密度を向上させた燃料電池であり、軽量小型に適している。
例えば、メタノールを燃料として用いるダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)は、燃料極にメタノールと水を液相あるいは気相で供給し、電極触媒上でプロトンと二酸化炭素を生成し、生成されたプロトンは高分子固体電解質膜中を透過して空気極へ運ばれ酸素と化合して水を生成するものであり、その際に、燃料極と空気極とを外部回路に接続することで電力を取り出すものである。
This is a fuel cell in which a polymer solid electrolyte is used as an electrolyte and an energy density is improved by supplying an organic fuel such as methanol onto an electrode, and is suitable for light weight and small size.
For example, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel supplies methanol and water to the fuel electrode in the liquid phase or gas phase, generates protons and carbon dioxide on the electrode catalyst, and the generated protons are Permeated through the polymer electrolyte membrane, transported to the air electrode and combined with oxygen to produce water. At that time, the fuel electrode and air electrode are connected to an external circuit to extract electric power. It is.
このようなDMFCにおける燃料供給方法には、燃料極表面に液体状態の燃料を直接供給する液体供給式と、液体燃料を気化させた後に電極部へ供給する気化供給式とに分類できる(例えば、特許文献1或いは特許文献2参照)。
Such a fuel supply method in the DMFC can be classified into a liquid supply type in which liquid fuel is directly supplied to the fuel electrode surface and a vaporization supply type in which the liquid fuel is vaporized and then supplied to the electrode portion (for example, (See
この内、気化供給式ではタンク内から供給する燃料を高濃度化することが可能となり、同一燃料容積で比較すると低濃度の燃料を使用した場合に比べてエネルギー密度は向上するので、小型化、高エネルギー密度化が要求されている携帯型電子機器用途では、気化供給式が適した方式であると言える。 Among these, in the vaporization supply type, it is possible to increase the concentration of the fuel supplied from the tank, and the energy density is improved compared to the case where low concentration fuel is used when compared with the same fuel volume. It can be said that the vaporization supply method is a suitable method for use in portable electronic devices where high energy density is required.
上述したマイクロ燃料電池について、現在までのところ有機燃料としては、メタノールに焦点が当てられて研究開発が盛んになされており、この場合、メタノールを酸化する燃料極の触媒としてはPt−Ruが主に用いられている。 As for the above-described micro fuel cell, so far, organic fuel has been focused on methanol and research and development has been actively conducted. In this case, Pt-Ru is mainly used as a catalyst for the fuel electrode that oxidizes methanol. It is used for.
しかしながら、このようなDMFCでは、室温において比較的低い出力密度しか得られないという問題があり、さらに、燃料のメタノールが固体高分子電解質膜を通過してしまうクロスオーバが顕著であるという問題があり、クロスオーバした燃料は空気極で直接燃焼してしまい、電気エネルギーに変換されない。 However, such a DMFC has a problem that only a relatively low power density can be obtained at room temperature, and further, there is a problem that a crossover in which fuel methanol passes through the solid polymer electrolyte membrane is remarkable. The crossed-over fuel burns directly at the air electrode and is not converted into electrical energy.
このことは、燃料の本来持っているエネルギーを有効に利用できないということに加え、空気極での余分な発熱をもたらす。
さらに、空気極での電位ドロップが引き起こされることによって電池電圧を下げ、電池の効率が低くなり、これらは、携帯型電子機器用途への適用において非常に不利となる。
This results in excessive heat generation at the air electrode in addition to the fact that the inherent energy of the fuel cannot be used effectively.
Furthermore, the potential drop at the air electrode is caused to lower the battery voltage and the efficiency of the battery is lowered, which is very disadvantageous for application to portable electronic device applications.
そこで、以上に述べたようなDMFCにおける課題を克服するために、燃料としてメタノールと同様に有機液体であるギ酸を使用するとともに、燃料極触媒にPdを使用するという形式の燃料電池が提案されている(例えば、特許文献3或いは特許文献4参照)。
Therefore, in order to overcome the problems in DMFC as described above, there has been proposed a fuel cell in which formic acid, which is an organic liquid, is used as fuel as well as methanol, and Pd is used as a fuel electrode catalyst. (For example, refer to
このようなギ酸−Pd系燃料電池は、メタノール−Pt−Ru系燃料電池と比較して、室温において2〜3倍の出力密度を示し、また、ギ酸はメタノールよりもクロスオーバ量が著しく小さいという特長がある。 Such a formic acid-Pd fuel cell exhibits a power density that is 2-3 times higher at room temperature than a methanol-Pt-Ru fuel cell, and formic acid has a significantly lower crossover amount than methanol. There are features.
したがって、メタノールと比較すると、供給した燃料の大部分を燃料極で電気化学的に反応させることができ、燃料の持つエネルギーを有効に電気エネルギーに変換することができる。
また、空気極での発熱が抑制される。さらに、空気極での電位ドロップの程度が小さく、電池の効率が高くなる。
Therefore, compared with methanol, most of the supplied fuel can be electrochemically reacted at the fuel electrode, and the energy of the fuel can be effectively converted into electrical energy.
Further, heat generation at the air electrode is suppressed. Furthermore, the potential drop at the air electrode is small, and the efficiency of the battery is increased.
このように、ギ酸−Pd系燃料電池は、携帯型電子機器用の電源に適用する場合に非常に有望であると言える。
上述したように、燃料としてギ酸を用いるとともに、燃料極触媒としてPdを用いるギ酸−Pd系マイクロ燃料電池は、DMFCに比べ高い出力密度を示すが、このようなギ酸−Pd系マイクロ燃料電池は連続発電時に出力密度が次第に減少するという特性の経時変化という問題がある。 As described above, a formic acid-Pd micro fuel cell using formic acid as a fuel and Pd as a fuel electrode catalyst shows a higher power density than DMFC, but such a formic acid-Pd micro fuel cell is continuous. There is a problem of a change with time in the characteristic that the power density gradually decreases during power generation.
即ち、この系の大きな特長である高い出力密度を連続的に維持できないという問題があり、上述の特許文献4においても、下降する出力密度を回復させる手段については特段の言及はなされていない。
That is, there is a problem that a high output density, which is a major feature of this system, cannot be continuously maintained, and even in the above-mentioned
したがって、本発明は、簡単な構成により経時変化による出力低下を回復させることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to recover output reduction due to aging with a simple configuration.
図1は本発明の原理的構成図であり、ここで図1を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図1参照
上記の課題を解決するために、本発明は、燃料電池において、電解質1を介して酸素を活物質として還元する空気極3とギ酸或いはギ酸水溶液からなる燃料7を酸化する燃料極2が配置された発電部と、前記燃料極側にのみ洗浄液4を直接供給して燃料極2を洗浄する洗浄機構とを有し、洗浄機構は、空気極3で生成した水を回収して前記洗浄液とする回収機構を有することを特徴とする。
FIG. 1 is a diagram illustrating the basic configuration of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
See FIG. 1 In order to solve the above-mentioned problem, in the fuel cell according to the present invention, an
このように、燃料極側にのみ洗浄液4を直接供給して燃料極2を洗浄する洗浄機構を設けることによって、出力密度が実用上好ましくない値に低下する前に発電を途中で中断し、燃料極2に洗浄液4を通じて洗浄することで低下した出力を回復することができる。特に、洗浄機構に、空気極3で生成した水を回収して洗浄液4とする回収機構を備えているので、水を有効利用することができ、外部から供給しなければならない水の量を減じることができる。
In this way, by providing a cleaning mechanism for supplying the cleaning
この場合の洗浄機構としては、洗浄液4を貯蔵する第1の貯蔵部5と使用済の洗浄液4を貯蔵する第2の貯蔵部6とを有することが望ましく、それによって、反応生成物を含む使用済の洗浄液4を環境に放出することがない。
The cleaning mechanism in this case preferably includes a
また、洗浄液4としては、特に水が有効であり、発電中に生じたPd触媒を被毒する反応生成物を、水で洗浄することにより除去できるために、特性が初期値に回復するものと考えられる。
As the cleaning
また、この場合の燃料極2の触媒成分としては、Pd金属或いはPdを含有する合金が典型的なものであり、また、その場合の燃料7としては、ギ酸が典型的なものである。
In this case, the catalyst component of the
この場合の燃料供給方式は、液体供給式または気化供給式のいずれでも良いが、液体供給式の燃料7としては、5〜85重量%のギ酸水溶液が望ましく、一方、気化供給式の燃料7としては、5〜100重量%のギ酸水溶液が望ましい。
The fuel supply method in this case may be either a liquid supply type or a vaporization supply type, but the liquid
また、上述の燃料電池を稼働する場合には、発電時に予め定めた所定の出力値に低下したことを検知した時点で、発電を中断して、空気極3で生成された水を回収した洗浄液4を前記燃料極側にのみ直接供給して燃料極2を洗浄する操作を行うことが望ましく、それによって、出力密度を初期の値に回復させ、高い出力密度を長時間維持することができる。
さらに、発電終了後に、空気極3で生成された水を回収した洗浄液4を前記燃料極側にのみ直接供給して燃料極2を洗浄する操作を行うようにしても良く、それによって、燃料電池を再度使用する際に、初期状態の出力密度を得ることができる。
Further, when operating the above-described fuel cell, when it is detected that the output has decreased to a predetermined output value determined at the time of power generation, the power generation is interrupted, and the cleaning liquid that collects the water generated at the
Further, after the power generation is completed, an operation of cleaning the
また、洗浄時に流す洗浄液量としては、膜−電極接合体の単位電極面積あたり0.60cc/cm2 以上にすることが好適であり、それによって、高い出力密度を長時間維持することができる。 Further, the amount of cleaning liquid to be flowed at the time of cleaning is preferably 0.60 cc / cm 2 or more per unit electrode area of the membrane-electrode assembly, whereby a high output density can be maintained for a long time.
本発明によれば、経時変化により出力密度が所定の値を下回った時点で、燃料極を水等で洗浄することによって反応生成物を除去しているので、ギ酸−Pd系燃料電池の特長である高い出力密度を長時間維持することができる。 According to the present invention, the reaction product is removed by washing the fuel electrode with water or the like when the output density falls below a predetermined value due to a change over time, so the feature of the formic acid-Pd fuel cell is that A certain high power density can be maintained for a long time.
図2参照
図2は、本発明の燃料電池の発電部の概念的構成図であり、発電部はMEA(membrane electrode assembly)とよばれ、燃料極11と空気極15が固体電解質からなる電解質層14を介して対向設置されている。
燃料極11は燃料を酸化してプロトンと電子を取り出すものであり、電解質層14側から燃料極触媒層12、燃料極集電体13の順に積層して配置されている。
なお、ここでは、燃料極触媒層12として、例えば、Pd black触媒(Aldrich製)を用いる。
See Figure 2
FIG. 2 is a conceptual configuration diagram of the power generation unit of the fuel cell according to the present invention. The power generation unit is called MEA (membrane electrode assembly), and the
The
Here, for example, a Pd black catalyst (manufactured by Aldrich) is used as the fuel
一方、空気極15は燃料極11で生成された電子及びプロトンとの反応により酸素が還元することによって水を生成するものであり、電解質層14側から空気極触媒層16、空気極集電体17の順に積層配置されている。
なお、この場合の空気極触媒層16としては、例えば、Pt担持カーボン触媒TEC10E50E(田中貴金属製商品型番)を用いる。
On the other hand, the
In addition, as the air
また、電解質層14は燃料極11において生成したプロトンを空気極15に輸送するための経路であり、電子伝導性を持たず、高いプロトン伝導性を有するものであり、代表的のものとしてはNafion(DuPont社製商品名)膜がある。
なお、電解質層14を構成する電解質としては、例えば、Nafion112(Dupont社製商品名)を用いる。
The
For example, Nafion 112 (trade name manufactured by Dupont) is used as the electrolyte constituting the
この燃料電池の構成においては、燃料貯蔵部18に貯蔵されたギ酸燃料24が配管19及びバルブ20を介して燃料極11へと供給され、発電を連続的に行い、発電に使用されなかった廃燃料は、配管21及びバルブ22を介して廃燃料貯蔵部23に回収される。
In this configuration of the fuel cell, the formic acid fuel 24 stored in the fuel storage unit 18 is supplied to the
また、本発明では、洗浄液貯蔵部31、配管32、バルブ33からなる洗浄液供給系と配管34、バルブ35、使用済洗浄液貯蔵部36からなる洗浄液回収系とにより構成される洗浄機構30を設け、洗浄液貯蔵部31から純水37を燃料極11に供給して燃料極11を洗浄して、発電によって生じた反応生成物を除去する。
In the present invention, a
次に、低下した出力値の回復スキームを説明する。
ギ酸燃料24を供給して発電を開始すると、出力が初期値から経時的に低下していくが、所定値まで出力値が低下したことを検出した時点で、発電を中断してバルブ操作により純水37を供給する経路に切り替えるように制御して燃料極11を洗浄する。
Next, a recovery scheme for the reduced output value will be described.
When the formic acid fuel 24 is supplied and power generation is started, the output decreases with time from the initial value, but when it is detected that the output value has decreased to a predetermined value, power generation is interrupted and The
洗浄後、再び、バルブ操作により純水37からギ酸燃料24を供給する経路に切り替えるよう制御して、発電を再開する。
こうすることで、高出力での長時間運転が可能となる。
なお、発電が終了した後に、燃料極11を水洗浄するよう制御すれば、次回の発電開始時に高出力運転が即時可能となる。
After washing, control is performed again to switch to a path for supplying formic acid fuel 24 from
By doing so, it is possible to operate for a long time at a high output.
If the
図3参照
図3は、洗浄を行った場合の出力密度の経時変化を示した図であり、出力が初期値から経時的に低下して所定値まで出力値が低下した時点で燃料極11の洗浄を繰り返し行うことによって、常に、出力密度の初期値を回復することができる。
See Figure 3
FIG. 3 is a diagram showing a change in output density over time when cleaning is performed. When the output decreases with time from the initial value and the output value decreases to a predetermined value, the cleaning of the
以上述べたような方法で特性が初期値に回復する理由としては次のようなことが考えられる。
発電中に生じた反応生成物により、燃料極触媒の被毒が起こるため特性が低下していくが、これを水で洗浄することにより除去できるために、特性が初期値に回復すると想定される。
The reason why the characteristic is restored to the initial value by the method described above can be considered as follows.
Due to the reaction product generated during power generation, poisoning of the fuel electrode catalyst will occur and the characteristics will deteriorate, but it can be removed by washing with water, so it is assumed that the characteristics will be restored to their initial values. .
後記する測定結果から得られた知見からは、特性が初期値まで完全に回復するためには、ある一定量の洗浄水を通じる必要があることを確認している。
具体的には、例えば、電池電圧0.6Vでの運転時に下限出力密度を80mW/cm2 とした場合には、MEAの単位電極面積あたり0.60cc/cm2 の量の洗浄水が必要になる。
From the knowledge obtained from the measurement results described later, it has been confirmed that a certain amount of washing water needs to be passed in order for the characteristics to completely recover to the initial values.
Specifically, for example, the lower limit power density during the operation of the battery voltage 0.6V in case of a 80 mW / cm 2 is required the washing water in the amount of the unit electrode area per 0.60 cc / cm 2 of the MEA Become.
なお、この測定に伴う液体燃料供給の構成としは、15wt(重量)%のギ酸を燃料に用いて燃料流量を3cc/分、及び、空気極15で供給する空気流量を2L/分として0.6Vの定電圧放電を行った。 The liquid fuel supply configuration associated with this measurement is 0.1 wt.% Using 15 wt (wt) of formic acid as the fuel, a fuel flow rate of 3 cc / min, and an air flow rate of 2 L / min. A 6 V constant voltage discharge was performed.
また、出力の評価においては、下限出力密度を80mW/cm2 と設定して、下限出力密度に達した時点で水洗浄を行った場合の洗浄後の出力密度の値を、発電開始初期値を100%として評価した。 In the output evaluation, the lower limit output density is set to 80 mW / cm 2, and the value of the output density after washing when water washing is performed when the lower limit output density is reached is the initial value of power generation start. Assessed as 100%.
本発明の実施例1においては、上述の測定条件に加えて、
MEA電極面積:25cm2
洗浄水流量:3cc/分
洗浄時間:15分
単位面積当たりの洗浄水量:1.8cc/cm2
の条件で燃料電池を稼働した。
In Example 1 of the present invention, in addition to the measurement conditions described above,
MEA electrode area: 25 cm 2
Wash water flow rate: 3 cc / min Wash time: 15 minutes Wash water volume per unit area: 1.8 cc / cm 2
The fuel cell was operated under the following conditions.
図4参照
図4は、実施例1における洗浄を行った場合の出力密度の経時変化を示した図であり、出力が初期値から経時的に低下して所定値まで出力値が低下した時点で燃料極の洗浄を繰り返し行うことによって、常に、出力密度の初期値を回復することができる。
See Figure 4
FIG. 4 is a diagram showing a change with time in the output density when cleaning is performed in Example 1. When the output decreases with time from the initial value and the output value decreases to a predetermined value, the fuel electrode is changed. By repeatedly performing the cleaning, the initial value of the power density can always be recovered.
因に、この場合の1回目の洗浄後の出力密度回復率は、103%であり、また、10回目の洗浄後の出力密度回復率は、99%であり、洗浄毎にほぼ初期値に回復しているとともに、10回目の洗浄後にもにほぼ初期値に回復していることが確認された。 In this case, the output density recovery rate after the first cleaning in this case is 103%, and the output density recovery rate after the 10th cleaning is 99%. In addition, it was confirmed that the initial value was recovered almost even after the 10th washing.
本発明の実施例2においては、上述の測定条件に加えて、
MEA電極面積:25cm2
洗浄水流量:3cc/分
洗浄時間:5分
単位面積当たりの洗浄水量:0.60cc/cm2
の条件で燃料電池を稼働した。
In Example 2 of the present invention, in addition to the measurement conditions described above,
MEA electrode area: 25 cm 2
Washing water flow rate: 3 cc / min Washing time: 5 minutes Washing water amount per unit area: 0.60 cc / cm 2
The fuel cell was operated under the following conditions.
この場合の1回目の洗浄後の出力密度回復率は、97%であり、また、10回目の洗浄後の出力密度回復率は、101%であり、洗浄毎にほぼ初期値に回復していることが確認された。 In this case, the output density recovery rate after the first cleaning is 97%, and the output density recovery rate after the 10th cleaning is 101%, which is almost restored to the initial value for each cleaning. It was confirmed.
本発明の実施例3においては、上述の測定条件に加えて、
MEA電極面積:25cm2
洗浄水流量:6cc/分
洗浄時間:2.5分
単位面積当たりの洗浄水量:0.60cc/cm2
の条件で燃料電池を稼働した。
In Example 3 of the present invention, in addition to the measurement conditions described above,
MEA electrode area: 25 cm 2
Washing water flow rate: 6 cc / min Washing time: 2.5 minutes Washing water amount per unit area: 0.60 cc / cm 2
The fuel cell was operated under the following conditions.
この場合の1回目の洗浄後の出力密度回復率は、98%であり、また、10回目の洗浄後の出力密度回復率は、98%であり、洗浄毎にほぼ初期値に回復していることが確認された。 In this case, the output density recovery rate after the first cleaning is 98%, and the output density recovery rate after the 10th cleaning is 98%, which is almost restored to the initial value for each cleaning. It was confirmed.
本発明の実施例4においては、MEA電極面積を小さくするとともに、上述の測定条件に加えて、
MEA電極面積:5cm2
洗浄水流量:3cc/分
洗浄時間:3分
単位面積当たりの洗浄水量:1.8cc/cm2
の条件で燃料電池を稼働した。
In Example 4 of the present invention, while reducing the MEA electrode area, in addition to the measurement conditions described above,
MEA electrode area: 5 cm 2
Wash water flow rate: 3 cc / min Wash time: 3 minutes Wash water volume per unit area: 1.8 cc / cm 2
The fuel cell was operated under the following conditions.
この場合の1回目の洗浄後の出力密度回復率は、103%であり、また、10回目の洗浄後の出力密度回復率は、101%であり、洗浄毎にほぼ初期値に回復していることが確認された。 In this case, the output density recovery rate after the first cleaning is 103%, and the output density recovery rate after the 10th cleaning is 101%, which is almost restored to the initial value for each cleaning. It was confirmed.
本発明の実施例5においても、MEA電極面積を小さくするとともに、上述の測定条件に加えて、
MEA電極面積:5cm2
洗浄水流量:3cc/分
洗浄時間:1分
単位面積当たりの洗浄水量:0.60cc/cm2
の条件で燃料電池を稼働した。
Also in Example 5 of the present invention, the MEA electrode area is reduced, and in addition to the above measurement conditions,
MEA electrode area: 5 cm 2
Washing water flow rate: 3 cc / min Washing time: 1 minute Washing water amount per unit area: 0.60 cc / cm 2
The fuel cell was operated under the following conditions.
この場合の1回目の洗浄後の出力密度回復率は、98%であり、また、10回目の洗浄後の出力密度回復率は、100%であり、洗浄毎にほぼ初期値に回復していることが確認された。 In this case, the output density recovery rate after the first cleaning is 98%, and the output density recovery rate after the 10th cleaning is 100%, which is almost restored to the initial value for each cleaning. It was confirmed.
本発明の実施例6においても、MEA電極面積を小さくするとともに、上述の測定条件に加えて、
MEA電極面積:5cm2
洗浄水流量:1cc/分
洗浄時間:3分
単位面積当たりの洗浄水量:0.60cc/cm2
の条件で燃料電池を稼働した。
Also in Example 6 of the present invention, the MEA electrode area is reduced, and in addition to the above measurement conditions,
MEA electrode area: 5 cm 2
Washing water flow rate: 1 cc / min Washing time: 3 minutes Washing water amount per unit area: 0.60 cc / cm 2
The fuel cell was operated under the following conditions.
この場合の1回目の洗浄後の出力密度回復率は、99%であり、また、10回目の洗浄後の出力密度回復率は、97%であり、洗浄毎にほぼ初期値に回復していることが確認された。 In this case, the output density recovery rate after the first cleaning is 99%, and the output density recovery rate after the 10th cleaning is 97%, which is almost restored to the initial value for each cleaning. It was confirmed.
次に、本発明の実施例における対比効果を確認するための比較例を説明する。
〔比較例1〕
比較例1においては、洗浄を行わずに、
MEA電極面積:25cm2
洗浄水流量:0cc/分
洗浄時間:0分
単位面積当たりの洗浄水量:0cc/cm2
の条件で燃料電池を稼働した。
Next, a comparative example for confirming the comparison effect in the embodiment of the present invention will be described.
[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, without washing,
MEA electrode area: 25 cm 2
Washing water flow rate: 0 cc / min Washing time: 0 minutes Washing water amount per unit area: 0 cc / cm 2
The fuel cell was operated under the following conditions.
図5参照
図5は、比較例1における出力密度の経時変化を示した図であり、出力が初期値から経時的になだらかに低下していくことが確認された。
See Figure 5
FIG. 5 is a graph showing a change with time in the output density in Comparative Example 1, and it was confirmed that the output gradually decreased with time from the initial value.
〔比較例2〕
比較例2においては、上述の測定条件に加えて、
MEA電極面積:25cm2
洗浄水流量:3cc/分
洗浄時間:3分
単位面積当たりの洗浄水量:0.36cc/cm2
の条件で燃料電池を稼働した。
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, in addition to the measurement conditions described above,
MEA electrode area: 25 cm 2
Washing water flow rate: 3 cc / min Washing time: 3 minutes Washing water amount per unit area: 0.36 cc / cm 2
The fuel cell was operated under the following conditions.
この場合の1回目の洗浄後の出力密度回復率は、86%であり、また、10回目の洗浄後の出力密度回復率は、35%であり、1回目の洗浄ではかなりの回復が見られたが、10回目の洗浄後の回復率は非常に低いものであった。 In this case, the output density recovery rate after the first cleaning is 86%, and the output density recovery rate after the 10th cleaning is 35%, and considerable recovery is seen in the first cleaning. However, the recovery rate after the 10th washing was very low.
〔比較例3〕
比較例3においては、電極面積小さくするとともに、上述の測定条件に加えて、
MEA電極面積:5cm2
洗浄水流量:3cc/分
洗浄時間:0.5
単位面積当たりの洗浄水量:0.3cc/cm2
の条件で燃料電池を稼働した。
[Comparative Example 3]
In Comparative Example 3, while reducing the electrode area, in addition to the measurement conditions described above,
MEA electrode area: 5 cm 2
Washing water flow rate: 3cc / min Washing time: 0.5
Washing water amount per unit area: 0.3 cc / cm 2
The fuel cell was operated under the following conditions.
この場合の1回目の洗浄後の出力密度回復率は、83%であり、また、10回目の洗浄後の出力密度回復率は、29%であり、比較例2に比べて回復率が低いものであった。 In this case, the output density recovery rate after the first cleaning is 83%, and the output density recovery rate after the 10th cleaning is 29%, which is lower than that of Comparative Example 2. Met.
図6参照
図6は、上記の実施例1乃至実施例6の測定結果と比較例1乃至比較例3の測定結果とを纏めたものであり、水洗浄により長期使用に耐えうるためには、洗浄水流量や洗浄時間ではなく、MEAの単位電極面積当たり0.60cc/cm2 以上の総水量による洗浄が必要であることが分かる。
See FIG.
FIG. 6 summarizes the measurement results of Examples 1 to 6 above and the measurement results of Comparative Examples 1 to 3, and in order to withstand long-term use by water cleaning, It can be seen that cleaning with a total water amount of 0.60 cc / cm 2 or more per unit electrode area of the MEA is required instead of the cleaning time.
次に、図7を参照して、本発明の実施例7の気体供給式燃料電池を説明する。
図7参照
図7は、本発明の実施例7の気体供給式燃料電池の発電部の概念的構成図であり、発電部は燃料極11と空気極15が固体電解質からなる電解質層14を介して対向設置されている。
燃料極11は燃料を酸化してプロトンと電子を取り出すものであり、電解質層14側から燃料極触媒層12、燃料極集電体13の順に積層して配置されている。
なお、ここでは、燃料極触媒層12として、例えば、Pd black触媒(Aldrich製)を用いる。
Next, a gas supply type fuel cell according to Example 7 of the present invention will be described with reference to FIG.
See FIG.
FIG. 7 is a conceptual configuration diagram of a power generation unit of a gas supply type fuel cell according to Example 7 of the present invention. In the power generation unit, a
The
Here, for example, a Pd black catalyst (manufactured by Aldrich) is used as the fuel
また、燃料極11に接するようにガス拡散層41、燃料気化部42、及び、燃料室43が順次設けられており、液体燃料貯蔵部44に貯蔵されたギ酸燃料45はバルブ46及び配管47を介して燃料室43に供給される。
A gas diffusion layer 41, a fuel vaporization unit 42, and a fuel chamber 43 are sequentially provided so as to be in contact with the
一方、空気極15は燃料極11で生成された電子及びプロトンとの反応により酸素が還元することによって水を生成するものであり、電解質層14側から空気極触媒層16、空気極集電体17の順に積層配置されている。
なお、この場合の空気極触媒層16としては、例えば、Pt担持カーボン触媒TEC10E50E(田中貴金属製商品型番)を用いる。
On the other hand, the
In addition, as the air
また、電解質層14は燃料極11において生成したプロトンを空気極15に輸送するための経路であり、電子伝導性を持たず、高いプロトン伝導性を有するものであり、代表的のものとしてはNafion(DuPont社製商品名)膜がある。
なお、電解質層14を構成する電解質としては、例えば、Nafion112(Dupont社製商品名)を用いる。
The
For example, Nafion 112 (trade name manufactured by Dupont) is used as the electrolyte constituting the
また、この実施例7においても、洗浄液貯蔵部31、配管32、バルブ33からなる洗浄液供給系と配管34、バルブ35、使用済洗浄液貯蔵部36からなる洗浄液回収系とにより構成される洗浄機構30を設け、洗浄液貯蔵部31から純水37を燃料極11に供給して燃料極11を洗浄して、発電によって生じた反応生成物を除去する。
Also in the seventh embodiment, a
この実施例7の気体供給式燃料電池の稼働方法は、上記の液体供給式燃料電池と全く同様であり、例えば、下限出力密度を80mW/cm2 と設定して、下限出力密度に達した時点で水洗浄を行って初期出力を回復するものであり、この場合も、MEAの単位電極面積当たり0.60cc/cm2 以上の総水量による洗浄により運用する。 The operation method of the gas supply type fuel cell of Example 7 is exactly the same as the above liquid supply type fuel cell, for example, when the lower limit output density is set to 80 mW / cm 2 and the lower limit output density is reached. The initial output is restored by washing with water in this case, and in this case as well, operation is performed by washing with a total water amount of 0.60 cc / cm 2 or more per unit electrode area of the MEA.
以上、本発明の各実施例を説明したが、本発明は各実施例に示した構成、条件、数値に限られるものではなく、各種の変更が可能である。 As mentioned above, although each Example of this invention was described, this invention is not restricted to the structure, conditions, and numerical value which were shown to each Example, A various change is possible .
また、上記の各実施例に示した燃料極、空気極、或いは、電解質膜の材料は単なる一例であり、公知技術の範囲内において各種の変更が可能であり、例えば、燃料極はPdに限られるものではなく、Pd−VやPd−Mo等のPd合金を用いても良いものである。 In addition, the fuel electrode, air electrode, or electrolyte membrane material shown in each of the above-described embodiments is merely an example, and various modifications are possible within the scope of the known technology. For example, the fuel electrode is limited to Pd. Instead, Pd alloys such as Pd—V and Pd—Mo may be used.
また、上記の各実施例においては特に言及していないが、一旦発電を終了した直後に、出力低下状況とは別個に燃料極を洗浄するようにしても良く、それによって、次に、燃料電池を稼働する場合に、最初から通常の初期値の出力密度を得ることができる。 Although not particularly mentioned in each of the above embodiments, the fuel electrode may be washed separately from the output reduction state immediately after the power generation is once finished. When operating the system, it is possible to obtain a normal initial power density from the beginning.
また、上記の各実施例においては、燃料として、15重量%のギ酸水溶液を用いているが、15重量%のギ酸水溶液に限られるものではなく、液体供給式の場合には、5〜85重量%のギ酸水溶液が望ましく、また、気体供給式の場合には、5〜105重量%のギ酸水溶液が望ましい。 In each of the above embodiments, a 15% by weight aqueous formic acid solution is used as the fuel. However, the present invention is not limited to a 15% by weight aqueous formic acid solution. % Formic acid aqueous solution is desirable, and in the case of a gas supply type, 5 to 105% by weight aqueous formic acid aqueous solution is desirable.
ここで、再び図1を参照して、改めて、本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図1参照
(付記1) 電解質1を介して酸素を活物質として還元する空気極3とギ酸或いはギ酸水溶液からなる燃料7を酸化する燃料極2が配置された発電部と、前記燃料極側にのみ洗浄液4を直接供給して燃料極2を洗浄する洗浄機構とを有し、前記洗浄機構は、前記空気極3で生成した水を回収して前記洗浄液とする回収機構を有することを特徴とする燃料電池。
(付記2) 前記洗浄機構が、洗浄液4を貯蔵する第1の貯蔵部5と使用済の洗浄液4を貯蔵する第2の貯蔵部6とを有することを特徴とする付記1に記載の燃料電池。
(付記3) 前記燃料極2が、触媒成分としてPd金属或いはPdを含有する合金を含むことを特徴とする付記1または付記2に記載の燃料電池。
(付記4) 前記ギ酸或いはギ酸水溶液からなる燃料7を貯蔵する燃料貯蔵部8と、前記燃料貯蔵部8と前記燃料極2との間に燃料気化部を備え、前記燃料極2に前記燃料7を気体状態で供給することを特徴とする付記1乃至付記3のいずれか1に記載の燃料電池。
(付記5) 電解質1を介して酸素を活物質として還元する空気極3とギ酸或いはギ酸水溶液からなる燃料7を酸化する燃料極2が配置された発電部において、発電時に予め定めた所定の出力値に低下したことを検知した時点で、発電を中断して、前記空気極3で生成された水を回収した洗浄液4を前記燃料極側にのみ直接供給して前記燃料極2を洗浄する操作を行うことを特徴とする燃料電池の稼働方法。
(付記6) 電解質1を介して酸素を活物質として還元する空気極3とギ酸或いはギ酸水溶液からなる燃料7を酸化する燃料極2が配置された発電部において、発電終了後に、前記空気極3で生成された水を回収した洗浄液4を前記燃料極側にのみ直接供給して前記燃料極2を洗浄する操作を行うことを特徴とする燃料電池の稼働方法。
(付記7) 前記洗浄時に流す洗浄液量を、膜−電極接合体の単位電極面積あたり0.60cc/cm2以上にすることを特徴とする付記5または付記6に記載の燃料電池の稼働方法。
Here, referring to FIG. 1 again, the detailed features of the present invention will be described again.
Again see Figure 1
(Supplementary note 1) A power generation part in which an
(Additional remark 2) The said washing | cleaning mechanism has the
(Supplementary note 3 ) The fuel cell according to
(Additional remark 4 ) The
(Additional remark 5 ) In the electric power generation part by which the
(Additional remark 6 ) In the electric power generation part by which the
(Additional remark 7 ) The operating method of the fuel cell of
本発明の活用例としては、携帯電話、PDA、或いは、ノート型パソコン等の携帯電子機器の電源としても燃料電池が典型的なものであるが、携帯電子機器の電源に限られるものではなく、デスクトップ型のパーソナルコンピュータや他の比較的大型の電子機器の電源としても使用されるものである。 As an application example of the present invention, a fuel cell is typical as a power source of a portable electronic device such as a mobile phone, a PDA, or a notebook personal computer, but is not limited to the power source of the portable electronic device, It is also used as a power source for desktop personal computers and other relatively large electronic devices.
1 電解質
2 燃料極
3 空気極
4 洗浄液
5 第1の貯蔵部
6 第2の貯蔵部
7 燃料
8 燃料貯蔵部
11 燃料極
12 燃料極触媒層
13 燃料極集電体
14 電解質層
15 空気極
16 空気極触媒層
17 空気極集電体
18 燃料貯蔵部
19 配管
20 バルブ
21 配管
22 バルブ
23 廃燃料貯蔵部
24 ギ酸燃料
30 洗浄機構
31 洗浄液貯蔵部
32 配管
33 バルブ
34 配管
35 バルブ
36 使用済洗浄液貯蔵部
37 純水
41 ガス拡散層
42 燃料気化部
43 燃料室
44 液体燃料貯蔵部
45 ギ酸燃料
46 バルブ
47 配管
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料極側にのみ洗浄液を直接供給して前記燃料極を洗浄する洗浄機構とを有し、
前記洗浄機構は、前記空気極で生成した水を回収して前記洗浄液とする回収機構を有することを特徴とする燃料電池。 A power generation unit in which an air electrode that reduces oxygen as an active material through an electrolyte and a fuel electrode that oxidizes fuel made of formic acid or a formic acid aqueous solution are disposed;
A cleaning mechanism that supplies the cleaning liquid directly only to the fuel electrode side to clean the fuel electrode;
The fuel cell according to claim 1, wherein the cleaning mechanism includes a recovery mechanism that recovers water generated at the air electrode to form the cleaning liquid.
前記空気極で生成された水を回収した洗浄液を前記燃料極側にのみ直接供給して前記燃料極を洗浄する操作を行うことを特徴とする燃料電池の稼働方法。 It was detected that the power generation part in which the air electrode for reducing oxygen as an active material through the electrolyte and the fuel electrode for oxidizing the fuel made of formic acid or a formic acid aqueous solution were lowered to a predetermined output value predetermined during power generation was detected. At that point, power generation was interrupted,
A method of operating a fuel cell, wherein an operation for cleaning the fuel electrode is performed by directly supplying a cleaning liquid obtained by collecting water generated at the air electrode only to the fuel electrode side .
前記空気極で生成された水を回収した洗浄液を前記燃料極側にのみ直接供給して前記燃料極を洗浄する操作を行うことを特徴とする燃料電池の稼働方法。 In the power generation unit in which an air electrode that reduces oxygen as an active material through an electrolyte and a fuel electrode that oxidizes fuel made of formic acid or a formic acid aqueous solution are disposed,
A method of operating a fuel cell, wherein an operation for cleaning the fuel electrode is performed by directly supplying a cleaning liquid obtained by collecting water generated at the air electrode only to the fuel electrode side .
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