CN1285136C - 燃料电池系统及燃料供给装置 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池系统，燃料电池系统(10)包括利用有机液体燃料动作的燃料电池装置(20)、用于向燃料电池装置(20)供给有机液体燃料的燃料盒(30)、用于将燃料盒(30)的有机液体燃料稀释而向燃料电池装置(20)供给的泵(40)、用于向燃料电池装置(20)供给空气的气泵(50)、用于吸附因燃料电池装置(20)的反应而生成的有害物质的吸附部(60)。在将系统内的气体排出时，使之通过吸附部(60)将有害物质吸附后，从排气口(90)排出。该燃料电池系统的安全性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，特别涉及利用有机液体燃料的燃料电池系统及可以利用于该燃料电池系统的燃料贮藏装置。
背景技术
作为燃料电池的一种形态，近年来，直接型甲醇燃料电池(DirectMethanol Fuel Cell：DMFC)受到关注。DMFC是不对作为燃料的甲醇进行改性而直接向负极供给，利用甲醇和氧的电化学反应而获得电能的电池。甲醇与氢相比，由于每单位体积的能量更高，而且适于贮藏，爆炸等的危险性更小，因此被期待用于汽车或携带机器等的电源中(例如参照专利文献1)。
[专利文献1]特开2001-185185号公报
DMFC中，在负极(燃料极)中，发生由甲醇和水生成二氧化碳和氢离子的反应，在正极(空气极)中，发生由空气中的氧和氢离子生成水的反应。此时，在燃料极侧，作为反应中间生成物或副产物，生成甲醛、甲酸、甲酸甲酯等。这些中间生成物的生成量非常微少，例如在作为家电装置等的电源使用的程度的规模的DMFC中，被认为最高为ppm的数量级。但是，由于不容许甲醛等对人体有害的物质的排出量超过特定的安全基准，因此需要有将有害物质向系统外的排出量抑制在最小限度的技术。
发明内容
鉴于所述情况，本发明的目的在于，提供实现安全性高的燃料电池系统的技术。
本发明的一个方式涉及燃料电池系统。该燃料电池系统的特征是，包括利用有机液体燃料动作的燃料电池装置、吸附从所述燃料电池装置排出的流体中所包含的有害物质的吸附部。通过利用吸附部吸附在燃料电池中生成的甲醛等有害物质，就可以将向系统外排出的有害物质的量限制在最小限度。这样，就可以实现安全性高的燃料电池系统。
所述吸附部也可以被设于从所述燃料电池系统排出气体的排气部上。排气部包括用于排气的构造，例如，包括用于排气的配管、排气口等。通过在从排气口排出之前，使之通过吸附部，就可以抑制有害物质的排出量。所述吸附部也可以被设于所述有机液体燃料的路径上。当使有机液体燃料循环而向燃料电池装置供给时，通过在其循环路径上设置吸附部，就可以使在燃料电池装置中生成的有害物质在循环中吸附在吸附部上而去除。
所述吸附部也可以被可以更换地设置。当生成了超过吸附部的吸附能力的量的有害物质时，虽然有可能有害物质未被吸附就被排出系统外，但是通过更换吸附部，就可以良好地吸附有害物质。燃料电池系统还包括用于向所述燃料电池装置供给有机液体燃料的燃料供给装置，所述吸附部也可以与所述燃料供给装置一体地设置。这样，在燃料供给装置的更换时，可以更换吸附部，从而可以防止吸附部的吸附能力饱和而使有害物质被排出系统外的情况。
燃料电池系统还包括贮藏部，其用于暂时贮藏由所述燃料供给装置所供给的所述有机液体燃料，向所述燃料电池装置供给有机液体燃料，同时从所述燃料电池装置取得未反应的有机液体燃料，而使有机液体燃料循环，包含于所述贮藏部中的气体也可以经过所述吸附部而向所述燃料电池系统之外排出。
本发明的另一个方式涉及燃料供给装置。该燃料供给装置的特征是，包括贮藏有机液体燃料的贮藏部、用于将贮藏于所述贮藏部中的所述有机液体燃料向燃料电池装置供给的供给口、用于取得由所述燃料电池装置排出的流体的接受口、将包含于所述流体中的气体排出的排出口、吸附所述气体中包含的有害物质的吸附部。
而且，以上的构成要素的任意的组合、将本发明的表现形式在方法、装置、系统等之间进行了变换的方式也作为本发明的方式而有效。
根据本发明，可以提供实现安全性高的燃料电池系统的技术。
附图说明
图1是表示实施方式1的燃料电池系统的整体构成的图。
图2是表示实施方式2的燃料电池系统的整体构成的图。
图3是表示实施方式3的燃料电池系统的整体构成的图。
图4是表示实施方式4的燃料电池系统的整体构成的图。
图5是表示实施方式5的燃料电池系统的整体构成的图。
图6是表示实施方式6的燃料电池系统的整体构成的图。
其中，10…燃料电池系统，20…燃料电池装置，30…燃料盒，40、42…泵，44…稀释循环罐，50…气泵，60、62…吸附部，70、72、84…配管，80…吸入口，82…排气口，90…排气口
具体实施方式
(实施方式1)
图1表示实施方式1的燃料电池系统10的整体构成。燃料电池系统10包括燃料电池装置20、用于向燃料电池装置20供给有机液体燃料的作为燃料供给装置的一个例子的燃料盒(cartridge)30、用于将燃料盒30的有机液体燃料稀释而向燃料电池装置20供给的泵40、用于向燃料电池装置20供给空气的气泵50、用于吸附有害物质的吸附部60。燃料电池装置20包括夹隔导电性的隔膜多层层叠膜电极接合体(Membrane ElectrodeAssembly：以下表述为「MEA」)而形成的组件(stack)，所述膜电极接合体是在正极层和负极层之间配置Nafion(注册商标)等具有氢离子传导性的固体高分子电解质膜而成的。甲醇、乙醇等醇类或醚类等有机液体燃料被未改性地向MEA的负极(燃料极)直接供给，向MEA的正极(空气极)供给空气。这样，利用MEA中有机液体燃料和氧的电化学反应取得电能。
在燃料电池系统10动作时，有机液体燃料从燃料盒30的供给口32经过泵40提供给燃料电池装置20。此时，当将高浓度的有机液体燃料直接向燃料电池装置20的燃料极供给时，有机液体燃料有可能会穿过MEA的固体高分子电解质膜而向空气极侧移动，在空气极侧有机液体燃料发生反应而产生逆向电动势。所以，为了从未图示的水贮藏罐等供给水，有效地运转燃料电池装置20，将有机液体燃料稀释到最适合的浓度后再向燃料电池装置20供给。为了控制稀释的水的量，也可以设置检测有机液体燃料的浓度的浓度传感器。
在燃料电池装置20的各MEA的燃料极中，有机液体燃料和水反应而生成二氧化碳和氢离子。未反应的有机液体燃料和由反应生成的二氧化碳等生成物经过配管70而返回到燃料盒30的接受口34。燃料盒30中，液体和气体被分离，气体经过吸附部60而从排出口36排出，经过作为排气部的一个例子的配管72及排气口90向系统外排出。
利用气泵50从吸入口80取入的空气提供给燃料电池装置20的各MEA的空气极。在空气极中，空气中的氧和氢离子反应生成水。未反应的空气经过配管84从排气口82向系统外排出。由反应生成的水既可以经过配管70而向燃料盒30供给，也可以向未图示的水贮藏罐供给，还可以从未图示的排水口向系统外排出。
本实施方式的燃料电池装置20中，由于利用有机液体燃料的氧化反应获得电能，因此甲醇等以碳、氢及氧作为构成元素的有机液体燃料经反应后而产生的最终生成物为二氧化碳和水。但是，在反应的途中，能够生成各种各样的反应中间生成物。例如，当将甲醇作为燃料使用时，发现由于甲醇的氧化反应等，会生成甲醛、甲酸、甲酸甲酯等。当甲醛等也许会对人体产生危害的物质有可能作为反应中间产物生成时，就需要使得从燃料电池系统10向系统外排出的该物质的量不超过安全标准。另外，对于有机液体燃料的蒸气，也同样地需要考虑不要使超出安全基准的量向系统外排出。本实施方式中，通过在排气口90的前段设置吸附部60，将有害物质吸附在吸附部60上，从而不会向系统外排出。这样就可以提供安全的燃料电池系统10。
吸附部60是为了吸附或吸收燃料电池系统10内存在的有害物质而设置的。吸附部60包括吸附或吸收例如甲醛、甲酸、甲酸甲酯、醇等的吸附材料。吸附材料既可以是利用物理吸附来吸附有害物质的材料，也可以是利用化学吸附来吸附有害物质的材料，还可以是利用化学反应来吸收有害物质的材料。作为吸附材料的一个例子，也可以使用海泡石、椰子壳活性炭、沸石、丝沸石、2，4-二苯基肼等。吸附部60既可以由1种吸附材料构成，也可以组合多种吸附材料而构成。吸附部60既可以是仅对特定的有害物质选择性地吸附或吸收的材料，也可以是对有害物质以外的物质也同时吸附或吸收的材料。吸附部60海可以是利用化学反应将有害物质变换为无害物质的材料。
本实施方式种，由于使由泵40稀释而向燃料电池装置20供给的有机液体燃料当中的未反应部分回到燃料盒30中，因此燃料盒30内的有机液体燃料会随着运转而变少。当燃料盒30内的有机液体燃料的浓度在应当向燃料电池装置供给的燃料的浓度之下时，就需要更换燃料盒30。为了判别更换时期，也可以设置检测燃料盒30内的有机液体燃料的浓度的浓度传感器。该浓度传感器也可以与用于判断所述的稀释水的量的浓度传感器共用。
本实施方式中，在燃料盒30的更换时，为了还可以更换吸附部60，将吸附部60与燃料盒30一体化地设置。这样，就可以降低因连续使用吸附部60使吸附能力饱和而导致未吸附完系统内的有害物质就向系统外排出的可能性。形成如下的市场模式，即，燃料盒30的提供主体从用户处回收使用完的燃料盒30，再次填充燃料，使吸附部60再生，然后将该燃料盒30再次投入市场。作为吸附部60的再生方法，在利用物理吸附或化学吸附来吸附有害物质的情况下，也可以对吸附材料进行加热，通过在特定的温度下保持特定时间，使吸附的物质脱离。当利用化学反应吸收有害物质时，也可以利用化学反应使之恢复到原来的状态。
也可以不将吸附部60与燃料盒30一体化地设置，而设于有机液体燃料的循环路径的任意的位置上。此时，虽然最好将吸附部60可以更换地设置，但是在吸附部60的吸附能力足够高，吸附部60的寿命与燃料电池装置20等的燃料电池系统10内的其他的构成的寿命相同程度或在其之上时，就没有该限制。当将吸附部60设于有机液体燃料的循环路径中时，由于可以去除向燃料电池装置20供给的有机液体燃料中的甲醛、甲酸、甲酸甲酯等杂质，因此就可以防止由这些杂质引起的电动势降低等情况。
(实施方式2)
图2表示实施方式2的燃料电池系统10的整体构成。本实施方式的燃料电池系统10除了图1所示的实施方式1的燃料电池系统10以外，还在空气极侧的排气口82上设有吸附部62。对于除此以外的构成，与实施方式1相同，对同样的构成使用相同的符号。
如前所述，有机液体燃料有可能透过固体高分子电解质膜而向空气极侧移动，在空气极侧也产生有害物质。所以，本实施方式中，在来自空气极的配管84和排气口82之间，设置与燃料盒30一体设置的吸附部62。这样，由于可以将空气极侧生成的微量的有害物质也适当地处理，防止向系统外排出，因而可以提供安全性更高的燃料电池系统10。对于吸附部62的构成，与实施方式1中说明的吸附部60的构成相同。
虽然本实施方式中，对于吸附部62，也与吸附部60相同，为了可以与燃料盒30同时地更换，与燃料盒30一体地设置，但是，在其他的例子中，也可以设于从燃料电池装置20到空气的排气口82的配管的任意的位置。另外，当使空气循环而向燃料电池装置20供给时，也可以在循环路径的任意的位置上设置吸附部62。
(实施方式3)
图3表示实施方式3的燃料电池系统10的整体构成。本实施方式的燃料电池系统10在图2所示的实施方式2的燃料电池系统10的构成中，吸附部60还兼有吸附部62的功能。对于除此以外的构成，与实施方式2相同，对同样的构成使用相同的符号。
本实施方式中，将空气极侧的配管84与吸附部60连接，将从燃料电池装置20的空气极排出的气体经过吸附部60从排气口90排出。这样就可以提供安全性高的燃料电池系统10。另外，通过以吸附部60兼用吸附部62，将构成简略化，从而可以使燃料盒30小型化和轻量化。
(实施方式4)
图4表示实施方式4的燃料电池系统10的整体构成。本实施方式的燃料电池系统10除了图1所示的实施方式1的燃料电池系统10以外，还具有作为贮藏部的一个例子的稀释循环罐44、泵42、配管74。对于与实施方式1相同的构成，使用相同的符号。
在燃料电池系统10运转时，贮藏于燃料盒30中的高浓度的有机液体燃料由泵40向稀释循环罐44供给。在稀释循环罐44中，从未图示的水贮藏罐供给稀释水，有机液体燃料被稀释到特定的浓度。被稀释了的有机液体燃料由泵42向燃料电池装置20的燃料极供给。从燃料电池装置20的燃料极排出的未反应的有机液体燃料和二氧化碳经过配管70返回到稀释循环罐44而将气液分离。气体经过配管74向吸附部60输送，有害物质被吸附，从排气口90排出。有机液体燃料在从燃料盒30被适当地不断补充的状态下，在稀释循环罐44和燃料电池装置20之间循环。
当燃料盒30内的有机液体然用完时，虽然需要更换燃料盒30，但是在本实施方式中，也与实施方式1相同，为了在更换燃料盒30时还可以更换吸附部60，将吸附部60与燃料盒30一体化地设置。这样就可以定期地更换吸附部60，使有害物质良好地吸附。在其他的例子中，吸附部60既可以在稀释循环罐44、配管70等有机液体燃料的循环路径上设置，也可以在配管74等排气路径上设置。
(实施方式5)
图5表示实施方式5的燃料电池系统10的整体构成。本实施方式的燃料电池系统10除了图4所示的实施方式4的燃料电池系统10以外，与实施方式2相同，还在空气极侧的排气口82上设有吸附部62。对于除此以外的构成，与实施方式4相同，对同样的构成使用相同的符号。
本实施方式中，由于在来自空气极的配管84和排气口82之间设置吸附部62，因此就可以对在空气极侧产生的微量的有害物质也进行良好地处理，防止向系统外排出。这样就可以提供安全性更高的燃料电池系统10。
(实施方式6)
图6表示实施方式6的燃料电池系统10的整体构成。本实施方式的燃料电池系统10在图5所示的实施方式5的燃料电池系统10的构成中，吸附部60还兼有吸附部62的功能。对于除此以外的构成，与实施方式5相同，对同样的构成使用相同的符号。
本实施方式中，将空气极侧的配管84与吸附部60连接，将从燃料电池装置20的空气极排出的气体经过吸附部60从排气口90排出。这样就可以提供安全性高的燃料电池系统10。另外，通过以吸附部60兼用吸附部62，将构成简略化，从而可以使燃料盒30小型化和轻量化。
以上根据实施方式对本发明进行了说明。该实施方式为示例性的，在它们的各构成要素或各处理过程的组合中可以有各种变形例，另外对于本领域的技术人员来说可以理解，这些变形例也属于本发明的范围之中。
Claims (7)
1.一种燃料电池系统，其特征是，包括利用有机液体燃料动作的燃料电池装置、和吸附从所述燃料电池装置排出的流体中所包含的有害物质的吸附部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，所述吸附部被设于从所述燃料电池系统排出气体的排气部上。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，所述吸附部被设于所述有机液体燃料的循环路径上。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的燃料电池系统，其特征是，所述吸附部设置成可以更换。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的燃料电池系统，其特征是，还包括用于向所述燃料电池装置供给有机液体燃料的燃料供给装置，所述吸附部设置成与所述燃料供给装置成为一体。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的燃料电池系统，其特征是，还包括贮藏部，其用于暂时贮藏由所述燃料供给装置所供给的所述有机液体燃料，向所述燃料电池装置供给有机液体燃料，同时从所述燃料电池装置取得未反应的有机液体燃料，而使有机液体燃料循环，
包含于所述贮藏部中的气体经过所述吸附部而向所述燃料电池系统之外排出。
7.一种燃料供给装置，其特征是，包括贮藏有机液体燃料的贮藏部、用于将贮藏于所述贮藏部中的所述有机液体燃料向燃料电池装置供给的供给口、用于取得由所述燃料电池装置排出的流体的接受口、将所述流体中所包含的气体排出的排出口、吸附所述气体中所包含的有害物质的吸附部。
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