メタノール燃料電池の簡単な紹介

メタノール燃料電池は、直接メタノール燃料電池（DMFC）と組換えメタノール燃料電池（RMFC）に分けられ、主に携帯電話やラップトップなどの携帯機器に使用されています。メタノール燃料電池のエネルギー密度は他の種類の燃料電池ほど高くはありませんが、メタノール燃料の持ち運びや保管が容易であるという利点があるため、携帯機器に適しています。

これまでのところ、民間市場に参入する実際のメタノール燃料電池製品はありません。メタノール燃料電池の開発はまだ進行中であり、研究の方向性は主に小型化、バッテリーの耐用年数、エネルギーに集中しています。密度と電力効率の改善、実際の生産へのメタノール燃料電池には時間がかかります。いずれにせよ、ほとんどの人は、携帯機器の主な電源として、メタノール燃料電池が従来のバッテリーに取って代わると信じています。近年、さまざまなメーカーが独自のプロトタイプ/プロトタイプを発売していることがわかります。このホワイトペーパーでは、DMFCの原理について大まかに説明し、DMFCの欠陥がRMFCにつながることを説明し、最後にいくつかのRMFCプロトタイプと製品に焦点を当てました。

A、DMFC

技術原則の観点から、DMFCは成熟しています。すぐに安定したエネルギー源を生成し、反応中にバッテリー本体を冷却する必要がありません。使用されるメタノール燃料は、液体の形で簡単に保管でき、寒い環境では凝縮しません。 DMFCSは、サイズと重量を削減し、安全性を確保するという点でも簡単です。これらすべての利点により、一部のアプリケーション分野でDMFCSを他のタイプの燃料電池よりも多くの利点があります。たとえば、芝刈り機、のこぎり、その他の家庭用電化製品のデバイスでDMFCの図を確認したり、フェリーやショップを確認したりできます。 DMFCSをバックアップ電源として使用すると、マイクロDMFCはより多くのキャリー機器、代替エネルギー源になります。図1は、東芝のdmfcベースの音楽プレーヤーを示しています。

DMFCは通常、透過性電解質膜、DMFCのアノードを通過するメタノール、およびDMFCのカソードを通過する空気で構成されます。メタノールを使用して空気と反応して電気を生成するため、このプロセスは燃焼せず、CO2と水のみを生成します。メタノールは水素とCO2に分解され、プロトンは空気中のO2とH2Oを形成し、電子は外部回路を通ってフィルムの負極に移動します。化学反応の方程式は次のとおりです。

完全な反応式：

CH3OH + o2 = 3/2 CO2 + 2 h2o

アノード：

CH3OH + H2O = CO2 + 6 h + + e-

陰極：

3/2 o2 + 6 h + + e- = 3 h2o

2.DMFCの欠陥

メタノール水性電解質膜燃料電池（DMFC）、主にパーフルオロスルホン酸材料を使用します。この材料は内部クラスターで形成され、水分子（プロトン）に囲まれているため、チャネルのプロトン水和物を形成できるため、プロトン伝導性は非常に高くなります。しかし、メタノールのプロトン水和物の組み合わせが膜を通過し、メタノールの利用を減らすことができるのと同じように、（クロスオーバー）現象を介してメタノールと呼ばれ、メタノールの浸透がカソード触媒で酸素と反応すると、次のような問題が発生しますより低い電圧として。高濃度のメタノール水溶液を使用して電池容量を増やすことは非常に効果的ですが、高濃度のメタノール水溶液もメタノール浸透を引き起こしやすいため、電解質膜には高いプロトン伝導性が必要であると同時に、メタノール浸透が必要です。制御されます。実際、これはDMFCの致命的な欠陥でもあります。水素イオンは、ポリマーフィルムを通して水によって運ばれる必要があります。この状況を回避するために、研究者は現在、撥水性勾配やその他の手段を使用して、メタノールとポリマーフィルムの間の分離層を増やすなど、メタノールの浸透を防ぐためのさまざまな他の方法を採用しています。

DMFCが直面しているもう1つの問題は、CO2排出量です。メタノールは受動的に（つまり、ポンプを使用せずに）供給することができますが、触媒にCO2が蓄積すると、触媒の利用率が低下します。また、ポンプシステムを使用すると、システムの複雑さが増し、容量が増加します。最後に、炭素原子と酸素原子がCO2を生成すると、COも生成します。白金触媒を使用するシステムでは、COが一時的に白金触媒を汚染します。ルテニウム原子などの電極を追加して、被毒触媒のCOを反応させ、触媒から分離させることができますが、CO濃度が高すぎると、燃料電池は電極のルテニウム含有量を増やす必要があります。 DMFCの電極活性面積がPEMFCの10倍である理由。

二輪車用DMFCシステムを開発。図4に、システムの構造とデバイスの各部分の名前を示します。図5は、発電の原理とバッテリーのテーマの構造も示しています。このシステムは、定格出力500W、定格電圧24V、重量20kgを要求します。このシステムには、燃料タンクと水タンクが含まれています。燃料タンクには、50％の濃度のメタノール溶液が貯蔵されています。水タンクの役割は、バッテリー本体に供給されるメタノール水溶液を1M / L（3.2％質量）の一定濃度に維持することです。電池本体の水溶液には、化学反応により発生したCO2気泡が含まれており、パイプループを介してタンクに戻され、気泡が分離されます。ヤマハは、メタノール濃度を監視するための特別な濃度センサーと制御回路を開発しました。このシステムの動作原理は、メタノール溶液中のバッテリー本体がある程度低濃度になると、システムが制御信号を生成することです。 、それらの濃度を改善するために、高濃度のメタノール溶液の溶液中で反応するためのメタノールタンク移送から。さらに、ヤマハは、スクリーニングプログラムを含め、バッテリー本体のカソードに空気を送り込む独自の高効率エアポンプを開発しました。最後に、空気は熱交換装置を介して蒸気装置を通過し、そこで熱が溶液の濃縮を加速するために使用され、最後にそれらはシステムから移送されます。低濃度の溶液タンクでは、使用済み溶液の含水率が制御され、余分な水分がシステムから排出されます。このシステムをバイクに統合するには、バイクの形状に合わせてバッテリー構造を調整し、重量バランスをとる必要があります。

軍事用に開発されたDMFC。 2006年11月の燃料電池ショーで展示された燃料電池は、MTIが軍用に開発したポータブル燃料電池「MOBION1M」を展示しています。燃料として100％メタノールを使用し、定格出力は0.7w、寸法は34mm x 95mm x153mmです。燃料ボックスが内蔵されており、1回の充電で150Whのエネルギー密度が得られます。 MITのモビオン技術を使用することにより、100％メタノールをDMFCのアノードに直接注入できるため、他のDMFCSに必要な水、およびマイクロポンプとマイクロを追加するサブシステムでメタノールをバッテリー本体に注入する問題を回避できます。 -システムへのカテーテル。その原理は、100％濃度のメタノールの一定供給を維持するように制御し、ポンプを使用せずにバッテリー本体全体に均一に分散させることにより、MTIテクノロジーで参照できます。

第二に、RMFC

RMFCは実際には組換えメタノールPEMFCであり、ここでも主原料としてメタノールのみを使用しています。違いは、外部の再結合器、通常はマイクロメタノール再結合器が使用されることです。 RMFCでは、メタノールが化学反応のためにバッテリー本体に直接入ることがないため、上記のDMFCの欠陥を回避でき、DMFC出力電力の不足を補うこともできます。昨年のカシオと日立の研究によると、メタノール燃料電池は出力エネルギー密度を200mW / cm2以上に上げる可能性があり、これはポータブルデバイスを駆動するための出力電力が10ワットを超える可能性があることを意味します。

1、はじめに

PEMFCのエネルギー密度を維持し、外部再結合によって引き起こされる電力減衰を回避するため。また、再結合過程では一定の温度環境が必要となるため、再結合温度を上げると、メタノールの水素・酸素転化率が高くなります。したがって、温度と化学薬品の投与量を適切に制御することで、水素と酸素の予想濃度を得ることができます。蒸気の再構築または自己加熱の温度は、200〜300℃まで低くすることができます。外部再結合を使用する別の利点は、再結合されたガスがCOを定性的に酸化できるため、COの問題が減少し、触媒の量が減少することです。ただし、一酸化炭素中毒に強い高温燃料電池も使用できます。

メタノール燃料電池の動作温度が200〜300℃とマイクロ再構築され、現在のRMFCが直面している問題は開始時間と開始温度であるため、マイクロRMFCは開始を高速化するために、通常、触媒の燃焼を維持します。すぐに再構築に到達するためのアッパーの再構築開始温度。 DMFCとRMFCはどちらも、突然の電力需要に対応するためにマイクロ充電式バッテリーを追加する必要があります。また、ハイブリッド燃料電池と二次電池を使用して、燃料電池の電力需要を削減することもできます。

2.カシオが開発したRMFCプロトタイプ

2006年11月、カシオの組換えメタノール燃料電池のプロトタイプが実証されました。このプロトタイプでは、システムがデジタルカメラに電力を供給できます。プロトタイプは再構築（リフォーマー）、燃料電池本体（CellStack）、2つの燃料ボックス（Fuelcartridge）を一緒にコンパクトにし、燃料パイプは下部に取り付けられます。他のデバイスの構成には、バッテリーのメインメタノールを供給するために使用される2つの液体ポンプ、メタノールの流量を測定するために使用される液体フローセンサー、メタノールの供給を制御するために使用されるオン/オフスイッチバルブ、空気と水素を供給するポンプが含まれます、2つの異なるバルブが空気の流れを調整します。2つは補助装置として空気流センサーを測定するために使用されます。プロトタイプからわかるように、制御回路は統合されていません。 DC / DC回路と制御回路は周辺回路であり、図8には示されていません。

（1）カシオプロトタイプの構造。このシステムは、燃料として60％の質量のメタノールを使用します。メタノールは、2つの8mL燃料タンク（直径18mm、長さ10mm）から2つの液体ポンプによって再結合器にポンプで送られ、流量は液体センサーによって制御されます。液体ポンプは、カシオとドイツの研究機関であるFraunhoferIZMが共同で開発しました。再結合器は、蒸気再結合によってメタノールから水素を生成します。得られた水素は、燃料電池本体に移送されるか、再結合器で燃焼されて、触媒を始動に適した温度に保ちます。このため、オン/オフバルブはさまざまな流路の流れを制御するために使用されます。

エアポンプは、燃料電池本体に空気を供給するだけでなく、再結合器に空気を供給して関連するCOを除去する必要があります。さらに、水素の燃焼用に空気を供給して、再結合器内の触媒の反応速度を促進します。空気は、バルブを必要とせずに燃料電池本体に直接送り込まれます。空気の流れを正確に制御するために、空気の流れセンサーとさまざまなタイプのバルブがリコンビネーターの各チャネルに取り付けられています。燃料電池で生成された電力は、DC / DCコンバータ回路を介して供給され、デジタルカメラを駆動するための別個の電圧を提供します。燃料電池本体は、デモに示されている方法でデジタルカメラに電力を供給するために4つのバッテリーを使用しているようですが、カシオは20のバッテリーでラップトップに電力を供給できると主張しています。 2008年に商品化される予定で、同社はプロトタイプをアップグレードした後、燃料電池サンプルをリリースする予定です。

（2）カシオプロトタイプのいくつかの重要なコンポーネント。プロトタイプの中には、昨年11月29日に発売された電子浸透（EO）ポンプがあります。この装置は、0.5ccの圧縮セルに高圧のメタノール燃料を正確に割り当てます。それはナノフュージョン技術によって生産された材料から作られています。カシオのRMFCでの成功経験には、図9に示すように、メタノールから水素を抽出するために使用される断熱リコンバイナーや燃料電池本体など、他の主要コンポーネントが含まれます。いわゆるEOポンプは小型の燃料ポンプです。電気浸透材料、液体と接触すると電位を生成するシリコンのような誘電体で構成されています。電圧をかけると内部の液体が流れます。サイズに関係なく高圧で液体を分配し、モータードライブを使用せず、さらに重要なことに、ノイズなしで動作し、振動などの問題を排除します。カシオは、特許取得済みの技術とNanoFusionの電気浸透材料（直径1mm、厚さ1mm）を組み合わせて、主にRMFCモバイルデバイスで使用される液体燃料ポンプを開発しました。カシオは、衝突による電気浸透材料の磁化変化や、液体電解での蒸気泡の蓄積など、EOポンプに固有の問題を修正しました。最終的に、EOポンプは0.5ccの容器に濃縮され、100kPaの圧力でも90 L / minの流量を維持できます。

280℃に加熱された水蒸気とメタノール抽出水素の理論を使用したもう1つの重要な再構築機のメインデバイス。その構造を図10に示します。実際、リコンバイナーは数回変更されており、現在、断熱、長い起動時間、大量のCOの生成の問題を解決すると言われており、カシオはリコンバイナーのサンプルを出荷すると主張しています内部構造に関しては、リコンビネーターの主要コンポーネントは2つのガラス基板であり、断熱材を利用して基板の内面を金の薄膜でコーティングし、熱放射を最小限に抑えています。報告によると、表面温度が室温より40℃、20℃以上高い再構築の作業条件。リコンビネーターは3つのチャネルで構成されます。 1つは、メタノールを水素に再結合するための熱を提供するために使用される水素燃焼チャネルです。燃料と水蒸気が反応する再結合経路。 CO除去チャネルは、CO副産物を除去するために使用されます。

3、Ultracell25

2005年に、Ultracellは通常のリチウムイオン電池の2倍のエネルギー密度を持っていると主張するRMFCを発売しました。これは、約40オンスで平らな紙の小説のサイズです。ウルトラセルの技術により、使用済みの廃燃料を「ホットスワップ」して再利用し、継続的な電力供給を確保できます。もともと軍用にウルトラセルによって開発されたRMFCモデルXX90は、45ワットの電力を供給します。商用ultracell25は2006年にリリースされました。これは、エンタープライズ、産業、およびモバイルデバイスで使用できます。その軍事的対応物はXX25です。図11は、軍用のUltracellのRMFC XX25製品を示しています。これは、生産設備に中断することなく72時間電力を供給できると言われています。

Iii。いくつかの燃料電池の比較

その他の燃料電池には、溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）、固体酸素型燃料電池（SOFC）、リン酸塩型燃料電池（PAFC）があり、これらは発電や発熱にも使用されます。 MCFCSは通常、天然ガスで稼働します。 SOFCは、炭化水素化合物またはH2を燃料として使用します。 MCFCとSOFCは高温（それぞれ> 650℃、800-1000℃）で動作し、SOFCは最高の電力効率（44％50％）を提供でき、共生（コージェネレーション）モードは80％以上になります。また、高分子電解質薄膜FC（PEMFC）は、電気自動車にも一般的に使用されていますが、固定発電にも使用できます。有害物質を排出しないために、PEMFCは純粋なH2入力を必要とし、反応プロセスでCO2を生成することはできません。それらは低温で動作し、35〜40パーセントの変換効率を提供します。燃料電池車は主にPEMFCで走行し、PEMFCは小型固体燃料電池市場でも70〜80％のシェアを占めています。中長期的には、MCFCとSOFCが大型固体燃料電池市場を支配すると予想されます。 SOFCは現在、このセグメントの15〜20％のシェアを持っています。毎年世界中で数千のFCSが生産されており、80％は固定およびモバイルデバイス用で、残りは燃料電池車のデモンストレーションプロジェクト用です。

H2と燃料電池のコストが大幅に削減され、CO2排出量を制限する規則が実施され、効果的に施行されれば、FCは今後10年間で大幅な市場成長を遂げることができます（2050年までに30％の市場シェアに達する）。固定FC流通の成長の可能性は、原材料の価格設定ルール、つまり電子材料と天然ガスの価格に依存します。天然ガスを主燃料とするSOFCとMCFCは、2050年までに世界の燃料電池市場の5％を占めるようになるでしょう。

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