DMFCの反応時におけるメタノールの相について

DMFCにおいてメタノール水溶液を電解質膜に供給した時、メタノールと水の反応でプロトンが取れる反応を起こしますが、この時反応しているメタノールは液相もしくは気相どちらでしょうか。色々調べますと室温～80℃であったり、ダイムラークライスラーでは110℃の作動温度で行っていたりと沸点で考えますと液相と気相と色々あるような感じでどっちの相なのか良く分からなくなっております。どうかご教授よろしくお願いします。

No.3 ベストアンサー 回答者： colorful-miyo 回答日時： 2004/10/24 20:11

高温の方が出力密度が高くなる理由

1) 高温になると分子のエネルギーが高くなり、活性化エネルギーという山を乗り越える分子が多くなるため、反応速度が速くなります。
2) また、メタノールが液体ですと拡散速度が遅くなります。高電流密度領域では触媒へのメタノール供給が間に合わなくなり、そのため電池特性が著しく悪くなります。気体ですと拡散がスムーズにいき、高電流密度領域においても触媒には燃料がきちんと供給されるので、電池特性が良くなります。

以上は私が知っている限りの情報であり（私も未熟者なので）、これが100%ではないかもしれません。

>液相MeOHの未反応のまま反応系外に出てしまうMeOHが多くあるように思われます。
そうですね。液体と気体が同じ速度で供給された場合、液体の方がメタノールの消費速度が遅いので、クロスオーバーは多いかもしれません。

>MeOHの供給速度を遅くする事が出来ない
メタノールの供給方式には、何もしない「自然呼気」型とポンプなどで送液する「強制給気」型の2種がありますが、
供給速度の速い「強制給気」型の方が出力密度が高いです。供給速度が速いほうが、触媒にメタノールを行く渡らせることができるからです。

>単位体積当たりのmol数が液体と気体とで絶対的に異なることから液相の方がカートリッジ交換時期が早くなるのではと考えましたがいかがでしょうか。
1) 液相の方がクロスオーバーの量が多いとすると、同じ大きさの燃料タンク中で使える燃料の量は気相の方が多いことになります。
2) 反応速度は気相の方が大きいです。
単位体積当たりのmol数は液体の方が気体よりも大きいですが（○千倍？）、燃料タンク中のメタノールは液体なので、燃料量はどちらも同じです。
気体メタノールの反応速度は速いので、同じ量の燃料があれば気相の方が早く燃料を消費してしまうと思います。
あとはクロスオーバー量の差がどれだけあるかですよね。
クロスオーバー量の差が小さければ気相の方が早く燃料が無くなってしまうでしょうし、
クロスオーバー量の差が大きれば、液相の方が早いでしょう。

よく考えましたが、これ以上のことは私にはわかりません。すみません…。

No.2 回答者： colorful-miyo 回答日時： 2004/10/16 15:39

再度回答致します。

>液相から気相になる点での問題点などないのでしょうか（出力密度などに差は出ないのでしょうか？）。
気相の方が高温ですので、出力密度は高いです。
室温ですと58mW/cm2しかない出力密度が、90℃になると200mW/cm2を超えます。

>液相での問題点
反応温度が低いことですね。
気相と液相のクロスオーバーの大小についてはちょっとわかりません。気相の方が圧力が掛かりますから、大きそうですけどね。

>液で反応させるとMeOHカートリッジの交換時期が早くなったりする問題などないでしょうか？
このような問題点は聞いたことはありませんが、
気相の方が反応速度が速いので早く燃料が消費されると思います。あとはクロスオーバーがどちらが大きいかですね。

あまり回答できなくてすみません。

この回答へのお礼

重ね重ね回答いただき、ありがとうございました。高温の方が出力密度が高くなるというのは2つの原因を考えてみました。一つは通常の触媒反応と同じように活性化エネルギーによるもの。もう一点は液相の場合、ガスに比べて触媒接触面とそうでない場でのMeOHの濃度差が非常に出やすいと思われます。そのため流通式で反応を行った場合、液相MeOHの未反応のまま反応系外に出てしまうMeOHが多くあるように思われます。このような２つの考え方で宜しいのでしょうか。あと燃料消費については、上記のような背景から常に高い出力を得るためには触媒接触面に高濃度のMeOHを供給する必要があるため液体のMeOHの供給速度を遅くする事が出来ないこと。また、単位体積当たりのmol数が液体と気体とで絶対的に異なることから液相の方がカートリッジ交換時期が早くなるのではと考えましたがいかがでしょうか。以上ご教授いただければ幸いです。

お礼日時：2004/10/18 11:36

No.1 回答者： colorful-miyo 回答日時： 2004/10/09 00:53

DMFCというのは、ノートパソコン、携帯電話、PDAなど比較的小型の機器への使用を想定していますから（大型になると効率が落ちるそうです）、室温～60℃の使用が一般的です。

触媒反応は温度が高いほどよく進むので、本当は作動温度を120℃以上にするのが望ましいようですが。
よって、普通はメタノールは液体です。
ダイムラーのDMFCでは温度から想定すると気体になっているのかもしれませんが、特殊な場合であると思います。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。高温にすると望ましいというのが確かに言われておりますが、液相から気相になる点での問題点などないのでしょうか（出力密度などに差は出ないのでしょうか？）。逆に液相での問題点などはどのようなものがあるかご存知でしたらご教授よろしくお願いします。なんとなく液相の方がMeOHのクロスオーバーしやすいような気がして出力が高くないような感じですが。また液で反応させるとMeOHカートリッジ（カートリッジタイプの場合）の交換時期が早くなったりする問題などないでしょうか？

お礼日時：2004/10/12 18:08