JP2004071449A

JP2004071449A - Fuel cell power generation state display device

Info

Publication number: JP2004071449A
Application number: JP2002231274A
Authority: JP
Inventors: Fumio Takei; 武井　文雄
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2004-03-04

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell power generation state display device that is safe, easy to handle, and useful as a teaching material or an interior article for making recognize and educating in school education or at general households the importance of global environment conservation and energy problem. <P>SOLUTION: The fuel cell power generation state display device is constructed of a fuel cell section that has a precious metal catalyst electrode and a polymer solid electrolyte and generates electricity by an alcoholic fuel, an operating section that operates by the electricity supplied from the fuel cell section, and an evaluation section that displays the relationship of the generation state of the fuel cell section and the operation of the operation section qualitatively and quantitatively. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地球環境保全やエネルギ問題の重要性を学校教育や一般家庭等で認識させ、啓蒙することが可能な、教材やインテリアとして使用できる燃料電池発電状態表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、いわゆる電気分解の逆反応に相当する反応を電極表面で起こし、燃料の分解により発生する電子を取り出し、電気回路に供給することでエネルギを供給するデバイスである。従来から、燃料電池を学校教育や社会一般を啓蒙するための教材として、水素燃料型セルを用いた教材用燃料電池が発明されている。たとえば、特許第２０７３８８号や実用新案登録第３０７３４０５号などに教材用燃料電池の発明が公知化されている。これらは、燃料ガスに水素を、酸化剤ガスに酸素を用いる、いわゆる高分子固体型燃料電池であり、以下の反応を基本としている。
【０００３】
燃料極反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
酸素極反応：２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
全体反応：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
すなわち、燃料としての水素が酸素で酸化されて水を生じる反応を利用するため、生成物は水だけであり、クリーンなエネルギであるとともに、水素は海水などから無尽蔵に採取できるため、環境に配慮しつつ将来のエネルギ問題に道を拓くものと期待できる電池として扱われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素−酸素系の燃料電池にあっては、燃料ガスとして極めて危険な水素ガスを必要とする。水素ガスは無色無臭で、かつ分子サイズが気体分子中最も小さいことから、タンク、ボンベ等の容器や燃料電池への接続配管部、あるいは燃料電池本体から漏洩し易い。
【０００５】
水素は、裸火は言うに及ばず、静電気放電や電気機器類のスイッチ開閉時のスパークなどの極めて小さなエネルギで着火するため、漏洩時には爆発や火災などの危険性が大きい。小中学校において、水素を用いた理科の実験中に爆発・火災事故が発生することが後を絶たないことからも、いかに危険な反応性ガスであるかが示されている。
【０００６】
このため、このような教材において水素ガスを使用することは大きなリスクを孕んでおり、学校教育や一般向けの啓蒙に使用する教材として望ましくない面がある。
【０００７】
また、水素ガスは、その消費速度や残量を測定評価するための手段が複雑になる。たとえば、水素タンク内の残量を調べる場合、圧力計（ブルドン式圧力ゲージや歪みゲージ式圧力センサ）により、適宜残存圧力を測定する必要があり、系が複雑になる上、このような測定手段における水素ガス漏洩の危険性が増大する可能性も孕んでいる。液化水素を用い、水素を液体として扱えば、重量の測定のみで残量を簡便に知ることができるが、このような教材レベルの装置にあっては、−２４０℃の液化水素を用いることは現実的とは言えない。
【０００８】
本発明の目的の一つは、このような安全上の問題を回避でき、しかも、地球環境保全やエネルギ問題の重要性を学校教育や一般家庭等で認識させ、啓蒙することが可能な、新規な燃料電池発電状態表示装置を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに他の目的および利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、貴金属触媒電極と高分子固体電解質とを具備しアルコール系燃料によって発電する燃料電池部と、当該燃料電池部から供給される電気によって作動する動作部と、当該燃料電池部の発電状態と当該動作部の動作との関係を定性的または定量的に表示する評価部とから構成される燃料電池発電状態表示装置が提供される。この装置を使用すれば、安全上の問題を回避でき、しかも、地球環境保全やエネルギ問題の重要性を学校教育や一般家庭等で認識させ、啓蒙することが可能となる。
【００１１】
この装置は、目視で定量可能な燃料残量表示部と発光素子または液晶表示器で確認可能な発電状態表示部とを有することが好ましい。また、動作部が機械的運動を発生せしめる機能を有すること、光と音声との内の少なくともいずれかを発生せしめる機能を有すること、所定の演算、計時または計数を行う機能を有することが好ましい。
【００１２】
なお、以下に説明する発明の実施の形態や図面の中で、本発明の更なる特徴が明らかにされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。これらの図において、同一の要素については同一の符号を付すものとする。
【００１４】
本発明では、燃料電池として貴金属触媒電極と高分子固体電解質とを具備し、アルコール系燃料によって発電する燃料電池部を使用する。
【００１５】
水素に代えてアルコール系燃料を使用することにより、取り扱いが容易になり、上記の安全上の問題が回避できる。しかも、アルコール系燃料が液体であるため、燃料消費速度の測定が容易になり、燃料消費速度と発電量との関係を実感でき、教材としての効果が向上する。
【００１６】
アルコール系燃料としてたとえばメタノールを使用した場合、下記の反応が各電極の触媒表面で生じる。
【００１７】
・燃料極反応：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻
・空気極反応：３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ
・全体反応：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ＋３／２Ｏ_２→３Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２
ここで得られる電子が、電気エネルギとして利用される。この反応から理解されるように、発生する物質は二酸化炭素と水のみであり、この電池はクリーンなエネルギを供給できる。
【００１８】
このような燃料電池部においては、電極として白金微粒子、あるいは白金とルテニウムなどの合金微粒子等、燃料の酸化・還元能等の電極触媒活性を有する金属微粒子を、貴金属触媒として、導電性を有するカーボン微粒子上に担持してなる触媒担持カーボンを採用できる。本発明に係る貴金属触媒電極とはこのような電極を意味する。
【００１９】
ここで、触媒微粒子の直径は、３ｎｍ〜２０ｎｍレベルが一般的である。燃料電池部においては、触媒材料表面における反応速度が発電効率に寄与する比率が高いので、貴金属触媒面積の大きい触媒粒子が好ましい。
【００２０】
本発明に係る燃料電池部では、電解質として高分子固体電解質を使用する。固体電解質にあっては、燃料極で発生した水素イオンを効率よく透過させて空気極側に輸送する性能が求められるため、極性の大きな官能基を有するポリマー材料が用いられる。このような高分子固体電解質としては公知のどのような材料を使用することも可能である。デュポン社製ナフィオン、旭化成（株）製アシプレックス、旭硝子（株）製フレミオンを例示することができる。
【００２１】
本発明に係る燃料電池発電状態表示装置は、燃料電池部の発電状態を各種の手段により、分かりやすく表示する装置であり、上記の燃料電池部とともに、燃料電池部から供給される電気によって作動する動作部と、燃料電池部の発電状態と動作部の動作との関係を定性的または定量的に表示する評価部とを構成要素とする。燃料電池部から供給される電気によって作動する動作部を設けることにより、燃料電池部から供給される電気がどのように消費されるのかを実感することができ、燃料電池部の発電状態と動作部の動作との関係を定性的または定量的に表示する評価部を設ければ、燃料電池部でどの程度の発電がなされると動作部の動作としてどの程度のものが実現できるかを定性的、定量的に理解するのが容易になるからである。また、このように機能を分割すると、コンパクトな燃料電池発電状態表示装置が実現でき、教材やインテリア物品として好ましい場合が多い。
【００２２】
さらに、本発明の場合は、アルコール系燃料を使用するため、目視で定量可能な燃料残量表示部をコンパクトに設けることが容易であり、このような燃料残量表示部を設けることは、電気を得るためにどの程度の原料を消費しなければならないかを直感的に理解できるようになる点でも有用性が高い。発光素子または液晶表示器で確認可能な発電状態表示部を設けることも、同様な理由で有用である。
【００２３】
両者はそれぞれ、どちらか一方を設けてもよいが、両者をともに設けると、原料消費速度と発電状態との関係がより明確に把握でき、有用である。
【００２４】
動作部では、電気を種々の形態で使用することができる。動作部としては、たとえば、機械的運動を発生せしめる機能を有する場合、通信手段を動作せしめる機能を有する場合、光や音声を発生せしめる機能を有する場合、所定の演算、計時または計数を行う機能を有する場合等が考えられ、いずれも、実生活において、電気が以下に重要なものであるかを実感させる意味で有用である。
【００２５】
図１に、本発明の燃料電池部の原理構成を示す。図１において、貴金属触媒電極である燃料極１と貴金属触媒電極である空気極３との間に高分子固体電解質２が挟持され、この構成によって、図１中のＯ_２で示すようにして酸素が消費され、アルコール系燃料であるメタノール（図１中ＣＨ_３ＯＨで示されている）と反応し、発生した二酸化炭素（ＣＯ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とは、図１のようにして排出され、発生した電気は電気負荷である動作部４に流れ、動作部４において種々の形態で消費される。図１中ｅ⁻は電子を意味する。＋と−とは電極の極性を表す。
【００２６】
このような燃料電池部の燃料としては、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコールなどのアルコールを、水に溶解したものが使用できる。これらの燃料成分は、予め所定濃度に希釈したものを用いてもよいし、燃料電池セル中で薄まって所定濃度になるように高濃度の燃料を注入してもよい。
【００２７】
図２は、本発明に係る燃料電池発電状態表示装置を例示するモデル図である。図２には、本発明に係る燃料電池部２１と動作部４と評価部２２と燃料残量表示部２３と発電状態表示部２４とが、燃料電池発電状態表示装置としてコンパクトに収容された様子を示している。
【００２８】
動作部４としてはプロペラ回転装置とクリスマスツリーの電飾を例示してある。発電状態表示部２４では、発電の状態を表す電力値、電力値の積分値、電圧、電流等を表示することができる。評価部２２では、このような発電の状態を表す電力値、電力値の積分値、電圧、電流等と動作部の動作であるプロペラ２５の回転数とを並べて表示し、燃料電池部の発電状態と動作部の動作との関係を示すことができる。このプロペラ２５の回転数は、回転数検出器２６で検出することができる。
【００２９】
評価部で、燃料電池部の発電状態との関係を定性的または定量的に表示するための動作部の動作としては、このような回転の他に、模型の自動車、船、飛行機など移動体の駆動、荷重の移動、光の発生、音声の発生を例示することができる。
【００３０】
具体的には、電力値、電力値の積分値、電圧、電流を、回転体の回転数、模型の自動車、船、飛行機など移動体の駆動量、発生した馬力、荷重の移動量、駆動速度、光の発生量、音声の発生量と比較表示することができる。なお、燃料電池部の発電状態と当該動作部の動作との関係を定性的または定量的に表示する具体的方法としては、両者の測定値を並べて表示する方法の他、これらの物理量をディジタル信号に変換し、コンピュータの表示画面に表示したりプリントアウトする方法等がある。
【００３１】
動作部としては、機械的運動、光や音声の発生、通信手段の駆動、演算装置の駆動などを行うことができる。
【００３２】
機械的運動にあっては、モータの駆動に代表される運動をさせることができる。たとえば、ファン（扇風機）の回転、自動車、船、飛行機等の移動体の駆動、ロボットの駆動、自動動作オブジェの駆動などが該当する。
【００３３】
光の発生については、ＬＥＤ、ＬＤ、ＥＬなどの自己発光素子や、ＬＣＤなどの受動表示デバイスによる表示も含まれる。なお、単に光を発生し注目を集める等の場合も含まれる。
【００３４】
音声の発生については、ＣＤ、ＭＤなどの所謂オーディオ装置が該当する。また、通信手段にあっては、ラジオ、テレビなどの受信機や、一定情報の発信を行うテレメトリ、さらには携帯電話やトランシーバなどの通信手段が該当する。なお、単に音響を発生し注目を集める等の場合も含まれる。
【００３５】
所定の演算、計時または計数を行う機能を有する場合としては、マイクロコンピュータなどに代表される情報処理装置を駆動し、所定の動作の制御を行う場合が該当する。このとき、温度、湿度、光量、音量、圧力、加速度，ｐＨ、導電率などの各種物理量、化学量を電気量に変換し、演算装置に入力後、その演算結果により上記の動作部にフィードバックすることができ、複雑な動作を燃料電池で実現することができる。
【００３６】
燃料の残量は、たとえば燃料電池部に設けた透明窓材部分を通して、目視によって簡便に確認することができる。この結果を使用して、燃料の注入時期を知ることができ、消費量から燃料の利用効率を算出することができる。
【００３７】
燃料電池部での発電状態は、電力値、電力値の積分値、電圧、電流等として、ＬＥＤなどの発光素子の点滅、またはＬＣＤ表示器などにより、定性的、定量的に表示することが可能である。そして上記の燃料消費量との関係を用いれば、さらに正確に燃料の使用効率、すなわち、いわゆる発電効率を求めることができる。
【００３８】
本発明に係る燃料電池発電状態表示装置は、上記に説明したように、クリーンなエネルギ供給源としてのアルコール系燃料を使用することにより、取り扱い性が容易になり、安全性が確保でき、目視で定量可能な燃料残量表示部を設けることも容易であるため、燃料電池部の発電状態と動作部の動作との関係を、定性的または定量的に容易に把握でき、また装置の全体をコンパクトにすることができるため、地球環境保全やエネルギ問題の重要性を学校教育や一般家庭等で認識させ、啓蒙するときに有用である。
【００３９】
さらに、燃料電池に関する知識を広く一般に啓蒙させることができるようになり、次世代の高容量エネルギデバイスである燃料電池を広範囲に普及させることに役立つ。
【００４０】
なお、本発明に係る燃料電池発電状態表示装置は、たとえば２０〜３０ｃｍ平方の小型の装置として作製することができる。それより大型にすることが可能であることは言うまでもない。
【００４１】
【実施例】
次に本発明の実施例および比較例を詳述する。
【００４２】
［実施例１］
白金−ルテニウム触媒担持カーボン（田中貴金属工業製ＴＥＣ６１Ｅ５４）１重量部と固体電解質溶液（デュポン社製ナフィオン２７４７０−４、１重量部）とを混合し、カーボンペーパー（東レインターナショナルＴＧＰ−Ｈ−１２０）の上に厚み５０μｍで塗布し、８０℃で３０分間乾燥して燃料極とした。
【００４３】
同様に、白金触媒担持カーボン（田中貴金属工業製ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１重量部と固体電解質溶液（デュポン社製ナフィオン２７４７０−４、１重量部）とを混合し、カーボンペーパー（東レインターナショナルＴＧＰ−Ｈ−１２０）の上に厚み５０μｍで塗布し、８０℃で３０分間乾燥して空気極とした。
【００４４】
各々の電極を、固体電解質フィルム（デュポン社製ナフィオン１１７）の両面に貼付し、１３０℃にて、１０ＭＰａの圧力で２分間ホットプレスした。この電極膜複合体を、図３，４に示す構造のセルに内蔵し、メタノール駆動型の燃料電池セルを組み立てた。
【００４５】
図３は、本発明に係る燃料電池部で発電される様子を示すモデル図である。図３の左側からメタノールと水との混合物が供給され、右側から空気中の酸素が供給される。メタノールは高分子固体電解質中で酸素と反応し、図３に示すように炭酸ガスと水蒸気とになって系外に排出され、発生した電子は、たとえばステンレススチール製の集電体５を介して動作部４に供給される。
【００４６】
実際に組み立てられた燃料電池部は、図４に示すように、たとえはアクリル樹脂製の筺体６中に貴金属触媒電極である燃料極１とフィルム状の高分子固体電解質２と空気極３と集電体５とを挟持し、ニトリルゴムやブチルゴムよりなるパッキング７でシールした板状体として作製することができる。なお、図３では筺体５は省略されている。
【００４７】
この燃料電池部の出力を、モーター（マブチＦＡ−１３０）に接続し、モーターには回転が明確に視認できるようにファンと、この回転速度を計測可能なタコメーターとを設置した。また、燃料電池部出力とモーターとの間には、小型電流電圧計（パネルメーター）を接続し、電流−電圧をリアルタイムで計測可能とした。
【００４８】
この装置の燃料電池部に、水にメタノール５重量％を溶解した燃料溶液１ｍＬを注入した結果、モーターは２時間回転を続けた。このときの出力電圧は０．３Ｖ、電流は０．２Ａであった。
【００４９】
なお、燃料の残存量は、燃料容器にサイトグラスを取り付けることにより、観察できるようにした。
【００５０】
［実施例２］
実施例１で作製した燃料電池部の出力を、白色ＬＥＤ（日亜化学製）を１０個並列に接続したイルミネーション装置に接続した。この装置の燃料電池部に、水にメタノール５重量％を溶解した燃料溶液１ｍＬを注入した結果、ＬＥＤは５時間発光を続けた。このときの出力電圧は０．３Ｖ、電流は０．０９Ａであった。
【００５１】
［実施例３］
実施例１で作製した燃料電池部の出力を、昇圧回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を介して１．５Ｖに昇圧し、ＭＤ（ミニディスク）再生装置に接続した。この装置の燃料電池部に、水にメタノール５重量％を溶解した燃料溶液２ｍＬを注入した結果、ＭＤは１時間再生動作を続けた。このときの出力電圧は１．５Ｖ、電流は０．３Ａであった。
【００５２】
［実施例４］
実施例１で作製した燃料電池部の出力を、昇圧回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を介して３．６Ｖに昇圧し、携帯電話装置に接続した。この装置の燃料電池部に、水にメタノール５重量％を溶解した燃料溶液３ｍＬを注入した結果、携帯電話は１時間通話動作を続けた。このときの出力電圧は３．６Ｖ、電流は０．５Ａであった。
【００５３】
なお、上記に開示した内容から、下記の付記に示した発明が導き出せる。
【００５４】
（付記１）　貴金属触媒電極と高分子固体電解質とを具備しアルコール系燃料によって発電する燃料電池部と、当該燃料電池部から供給される電気によって作動する動作部と、当該燃料電池部の発電状態と当該動作部の動作との関係を定性的または定量的に表示する評価部とから構成される燃料電池発電状態表示装置。
【００５５】
（付記２）　目視で定量可能な燃料残量表示部を有する付記１に記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００５６】
（付記３）　発光素子または液晶表示器で確認可能な発電状態表示部を有する付記１に記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００５７】
（付記４）　目視で定量可能な燃料残量表示部と発光素子または液晶表示器で確認可能な発電状態表示部とを有する付記１に記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００５８】
（付記５）　前記動作部が機械的運動を発生せしめる機能を有する付記１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００５９】
（付記６）　前記動作部が通信手段を動作せしめる機能を有する付記１〜５のいずれかに記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００６０】
（付記７）　前記動作部が、光と音声との内の少なくともいずれかを発生せしめる機能を有する付記１〜６のいずれかに記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００６１】
（付記８）　前記動作部が、所定の演算、計時または計数を行う機能を有する付記１〜７のいずれかに記載の燃料電池発電状態表示装置。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、地球環境保全やエネルギ問題の重要性を学校教育や一般家庭等で認識させ、啓蒙することが可能な燃料電池発電状態表示装置を提供することができる。
【００６３】
この燃料電池発電状態表示装置は、安全で取り扱いが容易であり、燃料消費速度と発電量との関係を実感できるため、教材やインテリア物品として有用である。
【００６４】
さらに、燃料電池に関する知識を広く一般に啓蒙させることができるようになり、次世代の高容量エネルギデバイスである燃料電池を広範囲に普及させることに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池部の原理構成を示す図である。
【図２】本発明に係る燃料電池発電状態表示装置を表したモデル図である。
【図３】本発明に係る燃料電池部で発電される様子を示すモデル図である。
【図４】本発明に係る燃料電池部が組み立てられた様子を示すモデル図である。
【符号の説明】
１　　燃料極
２　　高分子固体電解質
３　　空気極
４　　動作部
５　　集電体
６　　筺体
７　　パッキング
２１　燃料電池部
２２　評価部
２３　燃料残量表示部
２４　発電状態表示部
２５　プロペラ
２６　回転数検出器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation state display device that can be used as educational materials and interiors, which can be used in school education and ordinary households to recognize and raise the importance of global environmental conservation and energy issues.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a device that causes a reaction corresponding to a so-called reverse reaction of electrolysis on an electrode surface, extracts electrons generated by decomposition of fuel, and supplies energy to an electric circuit to supply energy. 2. Description of the Related Art Hitherto, a teaching material fuel cell using a hydrogen fuel type cell has been invented as a teaching material for a school education and for enlightening society in general. For example, a teaching material fuel cell invention is disclosed in Japanese Patent No. 207388 and Utility Model Registration No. 3073405. These are so-called solid polymer fuel cells using hydrogen as a fuel gas and oxygen as an oxidant gas, and are based on the following reaction.
[0003]
Anode _{^{reaction: H 2 → 2H + + 2e}} -
Oxygen electrode reaction: 2H ⁺ + 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → H ₂ O
Overall reaction: H ₂ + 1 / 2O ₂ → H ₂ O
In other words, because the reaction that generates water by oxidizing hydrogen as oxygen with oxygen is used, the only product is water, which is clean energy and hydrogen can be collected inexhaustibly from seawater, etc. The battery is expected to open the way to future energy issues.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, a hydrogen-oxygen fuel cell requires extremely dangerous hydrogen gas as a fuel gas. Since hydrogen gas is colorless and odorless and has the smallest molecular size among gas molecules, it easily leaks from containers such as tanks and cylinders, connection pipes to fuel cells, or the fuel cell body.
[0005]
Hydrogen ignites with extremely small energy such as electrostatic discharge and sparks when switches of electric devices are opened and closed, not to mention open flames, so that there is a great risk of explosion or fire when leaking. In elementary and junior high schools, explosion and fire accidents occur during science experiments using hydrogen, which indicates how dangerous a reactive gas is.
[0006]
For this reason, the use of hydrogen gas in such teaching materials has a great risk, and is not desirable as a teaching material used for school education or public awareness.
[0007]
Further, the means for measuring and evaluating the consumption rate and remaining amount of hydrogen gas becomes complicated. For example, when checking the remaining amount in the hydrogen tank, it is necessary to appropriately measure the remaining pressure with a pressure gauge (Bourdon-type pressure gauge or strain gauge-type pressure sensor). There is a possibility that the danger of hydrogen gas leakage will increase. If liquefied hydrogen is used and hydrogen is treated as a liquid, the remaining amount can be easily known only by measuring the weight. However, in such a teaching material level device, it is not possible to use liquefied hydrogen at −240 ° C. Not realistic.
[0008]
One of the objects of the present invention is to provide a novel method capable of avoiding such a safety problem, and at the same time, allowing school education and ordinary households to recognize and enlighten the importance of global environmental conservation and energy issues. Another object of the present invention is to provide a fuel cell power generation state display device.
[0009]
Still other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to one embodiment of the present invention, a fuel cell unit that includes a noble metal catalyst electrode and a polymer solid electrolyte and generates power using an alcohol-based fuel, an operating unit that is operated by electricity supplied from the fuel cell unit, and the fuel There is provided a fuel cell power generation state display device including an evaluation unit that qualitatively or quantitatively displays a relationship between a power generation state of a battery unit and an operation of the operation unit. By using this device, safety problems can be avoided, and the importance of global environmental conservation and energy problems can be recognized and enlightened in school education and ordinary households.
[0011]
This device preferably has a fuel remaining amount display unit that can be visually determined and a power generation state display unit that can be confirmed by a light emitting element or a liquid crystal display. In addition, it is preferable that the operating unit has a function of generating mechanical motion, has a function of generating at least one of light and sound, and has a function of performing a predetermined operation, timing, or counting.
[0012]
In addition, further features of the present invention will be clarified in the embodiments and drawings of the invention described below.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, examples, and the like. It should be noted that these drawings, examples, etc., and the description are merely examples of the present invention, and do not limit the scope of the present invention. It goes without saying that other embodiments can also belong to the category of the present invention as long as they conform to the gist of the present invention. In these figures, the same elements are denoted by the same reference numerals.
[0014]
In the present invention, a fuel cell unit including a noble metal catalyst electrode and a polymer solid electrolyte as a fuel cell and generating power using an alcohol-based fuel is used.
[0015]
By using an alcohol-based fuel instead of hydrogen, handling becomes easy and the above-mentioned safety problems can be avoided. Moreover, since the alcohol-based fuel is a liquid, the fuel consumption rate can be easily measured, and the relationship between the fuel consumption rate and the amount of power generation can be realized, thereby improving the effect as a teaching material.
[0016]
When, for example, methanol is used as the alcohol-based fuel, the following reaction occurs on the catalyst surface of each electrode.
[0017]
・ Fuel electrode reaction: CH ₃ OH + H ₂ O → CO ₂ + 6H ⁺ + 6e ⁻
・ Air electrode reaction: 3 / 2O ₂ + 6H ⁺ + 6e ⁻ → 3H ₂ O
- total _{_{reaction: CH 3 OH + H 2 O}} + 3 / 2O 2 → 3H 2 O + CO 2
The electrons obtained here are used as electric energy. As can be understood from this reaction, only carbon dioxide and water are generated, and this battery can supply clean energy.
[0018]
In such a fuel cell unit, metal fine particles having electrode catalyst activity such as oxidation / reduction ability of fuel, such as platinum fine particles or alloy fine particles of platinum and ruthenium, are used as electrodes, and conductive carbon is used as a noble metal catalyst. A catalyst-supporting carbon supported on fine particles can be employed. The noble metal catalyst electrode according to the present invention means such an electrode.
[0019]
Here, the diameter of the catalyst fine particles is generally on the order of 3 nm to 20 nm. In the fuel cell section, catalyst particles having a large noble metal catalyst area are preferable because the rate at which the reaction speed on the catalyst material surface contributes to the power generation efficiency is high.
[0020]
In the fuel cell unit according to the present invention, a solid polymer electrolyte is used as the electrolyte. In the case of a solid electrolyte, a polymer material having a highly polar functional group is used because it is required to efficiently transmit hydrogen ions generated at the fuel electrode and transport it to the air electrode side. As the polymer solid electrolyte, any known material can be used. Examples include Nafion manufactured by DuPont, Aciplex manufactured by Asahi Kasei Corporation, and Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.
[0021]
The fuel cell power generation state display device according to the present invention is a device that displays the power generation state of the fuel cell unit in an easy-to-understand manner by various means, and is operated together with the fuel cell unit by electricity supplied from the fuel cell unit. The configuration includes an operation unit and an evaluation unit that qualitatively or quantitatively displays the relationship between the power generation state of the fuel cell unit and the operation of the operation unit. By providing an operating unit that is operated by the electric power supplied from the fuel cell unit, it is possible to realize how the electric power supplied from the fuel cell unit is consumed. If an evaluation unit that qualitatively or quantitatively displays the relationship with the operation of the fuel cell unit is provided, it is possible to qualitatively determine how much power is generated in the fuel cell unit and how much operation of the operation unit can be realized This is because it is easy to understand quantitatively. Further, when the functions are divided in this way, a compact fuel cell power generation state display device can be realized, which is often preferable as a teaching material or interior article.
[0022]
Further, in the case of the present invention, since an alcohol-based fuel is used, it is easy to provide a compact fuel amount display unit that can be visually determined. The usefulness is high in that it becomes possible to intuitively understand how much raw material must be consumed in order to obtain the same. It is also useful to provide a power generation state display portion that can be confirmed by a light emitting element or a liquid crystal display for the same reason.
[0023]
Either one of them may be provided, but if both are provided, it is useful to be able to more clearly understand the relationship between the raw material consumption rate and the power generation state.
[0024]
In the operating section, electricity can be used in various forms. As the operation unit, for example, if it has a function to generate mechanical motion, if it has a function to operate the communication means, if it has a function to generate light or sound, it has a function to perform a predetermined calculation, timekeeping or counting Any of these cases is conceivable, and both are useful in the sense of realizing whether or not electricity is important below in real life.
[0025]
FIG. 1 shows the principle configuration of the fuel cell unit of the present invention. In FIG. 1, a solid polymer electrolyte 2 is sandwiched between a fuel electrode 1 which is a noble metal catalyst electrode and an air electrode 3 which is a noble metal catalyst electrode. With this configuration, as shown by O ₂ in FIG. Is consumed and reacts with methanol (indicated by CH ₃ OH in FIG. 1), which is an alcohol fuel, and the generated carbon dioxide (CO ₂ ) and water (H ₂ O) are converted as shown in FIG. The generated electricity flows to the operation unit 4 which is an electric load, and is consumed in the operation unit 4 in various forms. 1 in e ^- denotes an electron. + And-represent the polarity of the electrode.
[0026]
As a fuel for such a fuel cell unit, a fuel obtained by dissolving an alcohol such as methanol, ethanol, propanol, or ethylene glycol in water can be used. These fuel components may be used by diluting them to a predetermined concentration in advance, or high-concentration fuel may be injected so as to be diluted to a predetermined concentration in the fuel cell.
[0027]
FIG. 2 is a model diagram illustrating a fuel cell power generation state display device according to the present invention. FIG. 2 shows a state in which the fuel cell unit 21, the operation unit 4, the evaluation unit 22, the remaining fuel amount display unit 23, and the power generation state display unit 24 according to the present invention are compactly housed as a fuel cell power generation state display device. Is shown.
[0028]
The operating unit 4 exemplifies a propeller rotating device and illumination of a Christmas tree. The power generation state display unit 24 can display a power value indicating a power generation state, an integrated value of the power value, a voltage, a current, and the like. The evaluation unit 22 displays the power value indicating the power generation state, the integral value of the power value, the voltage, the current, and the like and the rotation speed of the propeller 25, which is the operation of the operation unit, side by side, and displays the power generation state of the fuel cell unit. And the operation of the operation unit. The rotation speed of the propeller 25 can be detected by a rotation speed detector 26.
[0029]
In the evaluation unit, the operation of the operation unit for qualitatively or quantitatively displaying the relationship with the power generation state of the fuel cell unit includes, in addition to such rotation, the operation of a moving object such as a model car, ship, airplane, etc. Driving, moving a load, generating light, and generating sound can be exemplified.
[0030]
Specifically, the power value, the integral value of the power value, the voltage, and the current are expressed as the number of revolutions of the rotating body, the driving amount of the moving body such as a model car, ship, or airplane, the generated horsepower, the moving amount of the load, and the driving speed. , The amount of light and the amount of sound. In addition, as a specific method of qualitatively or quantitatively displaying the relationship between the power generation state of the fuel cell unit and the operation of the operation unit, a method of displaying both measured values side by side and a method of displaying these physical quantities in a digital signal And printing it out on a display screen of a computer or printing it out.
[0031]
The operation unit can perform mechanical motion, generate light and voice, drive communication means, drive an arithmetic unit, and the like.
[0032]
In the case of mechanical movement, a movement represented by driving a motor can be performed. For example, rotation of a fan (fan), driving of a moving body such as a car, ship, or airplane, driving of a robot, driving of an automatic operation object, and the like are applicable.
[0033]
The generation of light includes a display by a self-luminous element such as an LED, an LD, and an EL, and a passive display device such as an LCD. Note that the case where light is simply generated to attract attention is also included.
[0034]
For generating sound, a so-called audio device such as a CD or an MD is applicable. The communication means includes a receiver such as a radio and a television, a telemetry for transmitting certain information, and a communication means such as a mobile phone and a transceiver. Note that the case where a sound is simply generated to attract attention is also included.
[0035]
A case where a function of performing a predetermined operation, clocking, or counting is performed corresponds to a case where an information processing device represented by a microcomputer or the like is driven to control a predetermined operation. At this time, various physical quantities and chemical quantities such as temperature, humidity, light quantity, sound volume, pressure, acceleration, pH, and conductivity are converted into electrical quantities, input to an arithmetic unit, and fed back to the above operation unit based on the arithmetic results. And a complicated operation can be realized by the fuel cell.
[0036]
The remaining amount of fuel can be easily and visually confirmed through, for example, a transparent window member provided in the fuel cell unit. Using this result, the fuel injection timing can be known, and the fuel use efficiency can be calculated from the consumed amount.
[0037]
The state of power generation in the fuel cell unit can be qualitatively and quantitatively displayed as a power value, an integrated value of the power value, a voltage, a current, etc., by blinking a light emitting element such as an LED or an LCD display. It is. Then, by using the relationship with the fuel consumption, the fuel use efficiency, that is, the so-called power generation efficiency can be obtained more accurately.
[0038]
As described above, the fuel cell power generation state display device according to the present invention facilitates handling, secures safety, and visually confirms the use of alcohol-based fuel as a clean energy supply source. Since it is easy to provide a quantifiable fuel level display, it is easy to qualitatively or quantitatively grasp the relationship between the power generation state of the fuel cell unit and the operation of the operating unit. Therefore, it is useful when school education and ordinary households recognize and enlighten the importance of global environmental conservation and energy issues.
[0039]
Furthermore, knowledge of fuel cells can be widely and generally enlightened, which is useful for widespread use of fuel cells as next-generation high-capacity energy devices.
[0040]
In addition, the fuel cell power generation state display device according to the present invention can be manufactured as a small device having a size of, for example, 20 to 30 cm square. Needless to say, it can be larger.
[0041]
【Example】
Next, examples and comparative examples of the present invention will be described in detail.
[0042]
[Example 1]
1 part by weight of platinum-ruthenium catalyst-supported carbon (TEC61E54 manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo) and a solid electrolyte solution (Nafion 27470-4 manufactured by DuPont, 1 part by weight) were mixed to prepare carbon paper (Toray International TGP-H-120). It was applied on top with a thickness of 50 μm and dried at 80 ° C. for 30 minutes to obtain a fuel electrode.
[0043]
Similarly, 1 part by weight of a platinum catalyst-supporting carbon (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo) and a solid electrolyte solution (1 part by weight of Nafion 27470-4 manufactured by DuPont) are mixed, and carbon paper (Toray International TGP-H-120) is mixed. It was applied on top of a thickness of 50 μm and dried at 80 ° C. for 30 minutes to form an air electrode.
[0044]
Each electrode was attached to both surfaces of a solid electrolyte film (Napion 117 manufactured by DuPont) and hot-pressed at 130 ° C. for 2 minutes at a pressure of 10 MPa. This electrode membrane composite was built in a cell having the structure shown in FIGS. 3 and 4, and a methanol-driven fuel cell was assembled.
[0045]
FIG. 3 is a model diagram showing how the fuel cell unit according to the present invention generates power. A mixture of methanol and water is supplied from the left side of FIG. 3, and oxygen in the air is supplied from the right side. Methanol reacts with oxygen in the polymer solid electrolyte to form carbon dioxide gas and water vapor as shown in FIG. 3 and is discharged out of the system. The generated electrons are passed through a current collector 5 made of, for example, stainless steel. It is supplied to the operation unit 4.
[0046]
As shown in FIG. 4, the fuel cell unit actually assembled is composed of a fuel electrode 1 as a noble metal catalyst electrode, a polymer solid electrolyte 2 in the form of a film, and an air electrode 3 in a housing 6 made of acrylic resin, for example. It can be manufactured as a plate-like body sandwiching the electric body 5 and sealed with a packing 7 made of nitrile rubber or butyl rubber. In FIG. 3, the housing 5 is omitted.
[0047]
The output of the fuel cell unit was connected to a motor (Mabuchi FA-130), and the motor was provided with a fan and a tachometer capable of measuring the rotation speed so that the rotation could be clearly recognized. In addition, a small current voltmeter (panel meter) is connected between the output of the fuel cell unit and the motor, so that current-voltage can be measured in real time.
[0048]
As a result of injecting 1 mL of a fuel solution obtained by dissolving 5% by weight of methanol in water into the fuel cell section of this apparatus, the motor continued to rotate for 2 hours. At this time, the output voltage was 0.3 V and the current was 0.2 A.
[0049]
The remaining amount of the fuel was made observable by attaching a sight glass to the fuel container.
[0050]
[Example 2]
The output of the fuel cell unit manufactured in Example 1 was connected to an illumination device in which ten white LEDs (manufactured by Nichia) were connected in parallel. As a result of injecting 1 mL of a fuel solution obtained by dissolving 5% by weight of methanol in water into the fuel cell section of the device, the LED continued to emit light for 5 hours. At this time, the output voltage was 0.3 V and the current was 0.09 A.
[0051]
[Example 3]
The output of the fuel cell unit manufactured in Example 1 was boosted to 1.5 V via a booster circuit (DC-DC converter) and connected to an MD (mini-disc) reproducing device. As a result of injecting 2 mL of a fuel solution obtained by dissolving 5% by weight of methanol in water into the fuel cell section of the device, the MD continued the regeneration operation for one hour. At this time, the output voltage was 1.5 V and the current was 0.3 A.
[0052]
[Example 4]
The output of the fuel cell unit manufactured in Example 1 was boosted to 3.6 V via a booster circuit (DC-DC converter) and connected to a mobile phone device. As a result of injecting 3 mL of a fuel solution obtained by dissolving 5% by weight of methanol in water into the fuel cell section of the device, the mobile phone continued talking for one hour. At this time, the output voltage was 3.6 V and the current was 0.5 A.
[0053]
From the contents disclosed above, the inventions shown in the following supplementary notes can be derived.
[0054]
(Supplementary Note 1) A fuel cell unit that includes a noble metal catalyst electrode and a polymer solid electrolyte and generates power using an alcohol-based fuel, an operating unit that is operated by electricity supplied from the fuel cell unit, and a power generation state of the fuel cell unit A fuel cell power generation state display device comprising: an evaluation unit that qualitatively or quantitatively displays a relationship between the operation of the operation unit and the operation unit.
[0055]
(Supplementary note 2) The fuel cell power generation state display device according to supplementary note 1, further including a fuel remaining amount display unit that can be visually determined.
[0056]
(Supplementary note 3) The fuel cell power generation state display device according to supplementary note 1, further comprising a power generation state display unit that can be confirmed by a light emitting element or a liquid crystal display.
[0057]
(Supplementary Note 4) The fuel cell power generation state display device according to supplementary note 1, further comprising a fuel remaining amount display unit that can be visually determined and a power generation state display unit that can be confirmed by a light emitting element or a liquid crystal display.
[0058]
(Supplementary Note 5) The fuel cell power generation state display device according to any one of Supplementary Notes 1 to 4, wherein the operating unit has a function of generating mechanical movement.
[0059]
(Supplementary note 6) The fuel cell power generation state display device according to any one of Supplementary notes 1 to 5, wherein the operation unit has a function of operating a communication unit.
[0060]
(Supplementary note 7) The fuel cell power generation state display device according to any one of Supplementary notes 1 to 6, wherein the operating unit has a function of generating at least one of light and sound.
[0061]
(Supplementary Note 8) The fuel cell power generation state display device according to any one of Supplementary notes 1 to 7, wherein the operation unit has a function of performing a predetermined operation, timing, or counting.
[0062]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell power generation state display device capable of recognizing and enlightening the importance of global environmental conservation and energy problems in school education and ordinary households.
[0063]
This fuel cell power generation state display device is safe and easy to handle, and allows the user to feel the relationship between the fuel consumption rate and the amount of power generation, so that it is useful as a teaching material or interior article.
[0064]
Furthermore, knowledge of fuel cells can be widely and generally enlightened, which is useful for widespread use of fuel cells as next-generation high-capacity energy devices.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a principle configuration of a fuel cell unit of the present invention.
FIG. 2 is a model diagram showing a fuel cell power generation state display device according to the present invention.
FIG. 3 is a model diagram showing a state where power is generated by a fuel cell unit according to the present invention.
FIG. 4 is a model diagram showing a state where a fuel cell unit according to the present invention is assembled.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel electrode 2 Polymer solid electrolyte 3 Air electrode 4 Operating part 5 Current collector 6 Housing 7 Packing 21 Fuel cell part 22 Evaluation part 23 Fuel remaining amount display part 24 Power generation state display part 25 Propeller 26 Revolution detector

Claims

貴金属触媒電極と高分子固体電解質とを具備しアルコール系燃料によって発電する燃料電池部と、当該燃料電池部から供給される電気によって作動する動作部と、当該燃料電池部の発電状態と当該動作部の動作との関係を定性的または定量的に表示する評価部とから構成される燃料電池発電状態表示装置。A fuel cell unit having a noble metal catalyst electrode and a solid polymer electrolyte and generating electricity with an alcohol-based fuel; an operating unit operated by electricity supplied from the fuel cell unit; a power generation state of the fuel cell unit and the operating unit And an evaluation unit for qualitatively or quantitatively displaying the relationship with the operation of the fuel cell.

目視で定量可能な燃料残量表示部と発光素子または液晶表示器で確認可能な発電状態表示部とを有する請求項１に記載の燃料電池発電状態表示装置。The fuel cell power generation state display device according to claim 1, further comprising a fuel remaining amount display section that can be visually determined and a power generation state display section that can be confirmed by a light emitting element or a liquid crystal display.

前記動作部が機械的運動を発生せしめる機能を有する請求項１または２に記載の燃料電池発電状態表示装置。3. The fuel cell power generation state display device according to claim 1, wherein the operation unit has a function of generating a mechanical movement. 4.

前記動作部が、光と音声との内の少なくともいずれかを発生せしめる機能を有する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池発電状態表示装置。The fuel cell power generation state display device according to any one of claims 1 to 3, wherein the operation unit has a function of generating at least one of light and sound.

前記動作部が、所定の演算、計時または計数を行う機能を有する請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電状態表示装置。The fuel cell power generation state display device according to any one of claims 1 to 4, wherein the operation unit has a function of performing a predetermined calculation, clocking, or counting.