JP2005310506A - Fuel mixer and fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池装置に関し、その燃料電池装置に搭載される燃料混合器に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell device, and relates to a fuel mixer mounted on the fuel cell device.
燃料電池は、水素やメタノール等の燃料気体と酸素等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として注目されており、例えば、自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。 A fuel cell is a power generation element that generates power by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen or methanol with an oxidant gas such as oxygen. A fuel cell is attracting attention as a power generation element that does not pollute the environment because the product generated by power generation is water. For example, attempts have been made to use it as a drive power source for driving an automobile. Yes.
燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、薄型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、電子機器の駆動電源として有望である。この固体高分子電解質型燃料電池は、水素を燃料とするが、その他にメタノールや天然ガスを改質して水素を生成させて燃料とするものも開発されている。近年では、メタノールを燃料として直接燃料電池に供給し発電を行う直接メタノール型燃料電池も開発されている。 Fuel cells are classified into various types depending on the difference in electrolytes and the like, and representatively, fuel cells using a solid polymer electrolyte as an electrolyte are known. Solid polymer electrolyte fuel cells are promising as drive power sources for electronic devices because they can be reduced in cost, are easy to reduce in size, thickness and weight, and have high output density in terms of battery performance. is there. In this solid polymer electrolyte fuel cell, hydrogen is used as a fuel. In addition, a fuel cell that is produced by reforming methanol or natural gas to produce hydrogen has been developed. In recent years, direct methanol fuel cells have also been developed that generate electricity by supplying methanol directly to the fuel cell as fuel.
図８は、従来のメタノールを燃料とした直接・循環型燃料電池の構成の一例を示した図である。液体燃料としてメタノールを使用した直接・循環型の燃料電池９は、水とメタノールを混合する混合器９５で混合されたメタノール水溶液をアノード９２とカソード９３とに挟まれる電解質９１からなる発電セル９０のアノード９２に供給するとともに酸化剤として空気を発電セル９０のカソード９３に供給し、発電セル９０において発電反応を起こすものである。その後、アノード９２からメタノール水溶液を混合器９５に戻し、濃度を調整して再びアノード９２に供給する。このメタノール水溶液は、循環ポンプ９８等により燃料電池９を循環させることができる。このとき、アノード９２から排出されるメタノール水溶液には、発電セル９０での発電反応において発生した二酸化炭素が含まれてしまう。この二酸化炭素をメタノール水溶液から取り除くことなく燃料電池９内を循環させると、発電セル９０に発電反応に使用される燃料と一緒に供給され、発電反応を阻害してしまう。また、メタノール水溶液中に二酸化炭素が混入していると、循環ポンプ９８の負荷が大きくなり、必要な流量を確保できなくなるとともに、消費電力の増加という問題も発生する。メタノール水溶液中に含まれる二酸化炭素の多くは気体として存在していることが多く、気液分離によって多くの二酸化炭素を取り除くことができる。そこで、アノード９２と混合器９５との間に気液分離器９４を設けている。 FIG. 8 is a diagram showing an example of a configuration of a conventional direct / circulation type fuel cell using methanol as a fuel. A direct / circulation type fuel cell 9 using methanol as a liquid fuel has a power generation cell 90 composed of an electrolyte 91 in which an aqueous methanol solution mixed by a mixer 95 for mixing water and methanol is sandwiched between an anode 92 and a cathode 93. In addition to being supplied to the anode 92, air is supplied as an oxidant to the cathode 93 of the power generation cell 90 to cause a power generation reaction in the power generation cell 90. Thereafter, the methanol aqueous solution is returned from the anode 92 to the mixer 95, the concentration is adjusted, and the anode 92 is supplied again. This aqueous methanol solution can be circulated in the fuel cell 9 by the circulation pump 98 or the like. At this time, the aqueous methanol solution discharged from the anode 92 contains carbon dioxide generated in the power generation reaction in the power generation cell 90. If the carbon dioxide is circulated in the fuel cell 9 without removing it from the methanol aqueous solution, it is supplied to the power generation cell 90 together with the fuel used for the power generation reaction, thereby inhibiting the power generation reaction. Further, when carbon dioxide is mixed in the methanol aqueous solution, the load on the circulation pump 98 increases, and a necessary flow rate cannot be secured, and the problem of increased power consumption also occurs. Most of the carbon dioxide contained in the methanol aqueous solution often exists as a gas, and a large amount of carbon dioxide can be removed by gas-liquid separation. Therefore, a gas-liquid separator 94 is provided between the anode 92 and the mixer 95.
メタノール水溶液中の二酸化炭素を排出するために、図９のような気液分離器９４がある。これは、サイクロンの原理を応用したもので、二酸化炭素の気泡９４１を含有するメタノール水溶液をポンプ等の駆動部を介してサイクロン室９４０内に適切な条件で流入させることで、サイクロン室９４０内に旋回流９４２が発生する。この旋回流９４２によって発生する遠心力により、密度の大きいメタノール水溶液はサイクロン室９４０内の外側に、密度の小さい二酸化炭素の気泡９４１はサイクロン室９４０内の中心部に集合し、二酸化炭素の気泡９４１とエタノール水溶液を分離することができる。このサイクロン室９４０内の中心部に集合した二酸化炭素の気泡９４１を外部に排出することで、気泡９４１を除去したメタノール水溶液を得ることができる。しかしながら、このような気液分離器９４は、二酸化炭素の気泡９４１を外部に排出するために、複雑な機構が必要となる。また、サイクロン室９４０内で二酸化炭素の気泡９４１を含有するメタノール水溶液による旋回流９４２を発生させるために、ポンプ等の駆動部に過剰な能力を必要とし、機構が大型化するとともに消費電力が増大する。また、気液分離器９４とメタノールと水を混合する混合器を別々に設けるため、燃料電池の大型化を招くという問題点も有している。 In order to discharge carbon dioxide in the methanol aqueous solution, there is a gas-liquid separator 94 as shown in FIG. This is an application of the principle of the cyclone, and an aqueous methanol solution containing carbon dioxide bubbles 941 is allowed to flow into the cyclone chamber 940 via a drive unit such as a pump under appropriate conditions. A swirling flow 942 is generated. Due to the centrifugal force generated by the swirling flow 942, the methanol aqueous solution with a high density gathers outside the cyclone chamber 940, and the carbon dioxide bubbles 941 with a low density gather at the center of the cyclone chamber 940, and the carbon dioxide bubbles 941. And ethanol aqueous solution can be separated. By discharging the carbon dioxide bubbles 941 gathered at the center of the cyclone chamber 940 to the outside, an aqueous methanol solution from which the bubbles 941 have been removed can be obtained. However, such a gas-liquid separator 94 requires a complicated mechanism in order to discharge the carbon dioxide bubbles 941 to the outside. Further, in order to generate the swirl flow 942 by the methanol aqueous solution containing the carbon dioxide bubbles 941 in the cyclone chamber 940, the drive unit such as a pump needs an excessive capacity, and the mechanism becomes larger and the power consumption increases. To do. Further, since the gas-liquid separator 94 and the mixer for mixing methanol and water are separately provided, there is a problem that the fuel cell is increased in size.
また、発電セルとメタノール水溶液の供給路とメタノール及び水の供給バルブと発電セルで発生する二酸化炭素を排出する排出部とを基板上に設け、この排出部に二酸化炭素を選択的に分離させる気液分離膜を備えた燃料電池がある（例えば、特許文献１参照）。 In addition, a power generation cell, a methanol aqueous solution supply path, a methanol and water supply valve, and a discharge section for discharging carbon dioxide generated in the power generation cell are provided on the substrate, and the discharge section is configured to selectively separate carbon dioxide. There is a fuel cell provided with a liquid separation membrane (see, for example, Patent Document 1).
上記特許文献１の燃料電池は、メタノール水溶液から発電反応で発生する二酸化炭素を分離させるために気液分離膜を使っている。その気液分離膜は、ポンプ等を用いずに二酸化炭素を分離させるために、発電セルの近傍に設置されている。しかしながら、気液分離膜が発電セルに接触してしまうと、接触部分にメタノール水溶液が供給されなくなり、発電反応の妨げとなる。したがって、気液分離膜は、発電セルに接触させないように近づけなければならず、正確な位置合わせや微細な加工を必要とするため、経済的な負荷が大きくなる。 The fuel cell of Patent Document 1 uses a gas-liquid separation membrane to separate carbon dioxide generated by a power generation reaction from an aqueous methanol solution. The gas-liquid separation membrane is installed in the vicinity of the power generation cell in order to separate carbon dioxide without using a pump or the like. However, if the gas-liquid separation membrane comes into contact with the power generation cell, the methanol aqueous solution is not supplied to the contact portion, which hinders the power generation reaction. Accordingly, the gas-liquid separation membrane must be brought close to the power generation cell so that it does not come into contact with the power generation cell, and accurate alignment and fine processing are required.
そこで、本発明は従来の状況に鑑み、発電セルに供給する希釈燃料を調整する燃料混合器に希釈燃料を流入させる流路において、ポンプ等の動力源を備えることなく、発電セルで発生した二酸化炭素を含む希釈燃料から主に二酸化炭素を分離することができる燃料混合器を提供することを目的とする。また、この燃料混合器を備える燃料電池装置において、新たに二酸化炭素等を分離させる装置を備えることのない燃料電池装置を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the conventional situation, the present invention provides a fuel cell that adjusts the diluted fuel supplied to the power generation cell. An object of the present invention is to provide a fuel mixer capable of mainly separating carbon dioxide from a diluted fuel containing carbon. It is another object of the present invention to provide a fuel cell device that does not include a device for newly separating carbon dioxide or the like in the fuel cell device including the fuel mixer.
本発明の燃料混合器は、被希釈燃料と水とを混合させて希釈燃料の濃度を調整する燃料混合部と、発電を行う発電セルより排出された前記希釈燃料から主に二酸化炭素を分離させ前記燃料混合部に接続する分離流路とを有することを特徴とする。 The fuel mixer of the present invention mainly separates carbon dioxide from the fuel mixing unit that adjusts the concentration of the diluted fuel by mixing the fuel to be diluted and water, and the diluted fuel discharged from the power generation cell that generates power. And a separation channel connected to the fuel mixing section.
本発明の燃料混合器によれば、分離流路において、発電セルから排出される希釈燃料中に主に含まれる二酸化炭素を、二酸化炭素と希釈燃料との密度の差と重力を利用して気液分離を行うことができる。これにより、二酸化炭素を含まない希釈燃料を調製することができる。したがって、二酸化炭素を含まない希釈燃料を発電セルに供給することにより、二酸化炭素による発電反応の阻害といった問題を防ぐことができる。そして、発電セルに供給する希釈燃料に二酸化炭素を含まないため、循環ポンプなどへの負荷を軽減することができ、効率のよい発電を行うことができる。また、二酸化炭素の分離を二酸化炭素と希釈燃料との密度の差と重力を利用しているため、二酸化炭素の分離のために改めて動力源を設置する必要がなく、発電した電力を無駄に消費することを防ぐことができる。 According to the fuel mixer of the present invention, carbon dioxide mainly contained in the diluted fuel discharged from the power generation cell is separated from the separation flow path by utilizing the density difference between the carbon dioxide and the diluted fuel and gravity. Liquid separation can be performed. Thereby, the diluted fuel which does not contain a carbon dioxide can be prepared. Therefore, the problem of inhibition of the power generation reaction due to carbon dioxide can be prevented by supplying diluted fuel not containing carbon dioxide to the power generation cell. Since the diluted fuel supplied to the power generation cell does not contain carbon dioxide, the load on the circulation pump or the like can be reduced and efficient power generation can be performed. In addition, the separation of carbon dioxide uses the difference in density between carbon dioxide and diluted fuel and gravity, so there is no need to install a power source again to separate carbon dioxide, and the generated power is wasted. Can be prevented.
本発明の燃料電池装置は、被希釈燃料と水とを混合させて希釈燃料の濃度を調整する燃料混合部、及び、発電を行う発電セルより排出された上記希釈燃料から主に二酸化炭素を分離させ前記燃料混合部に接続する分離流路を有する燃料混合器と、前記燃料混合器と接続されている発電セルとを備えることを特徴とする。 The fuel cell device of the present invention mainly separates carbon dioxide from the fuel mixing unit that adjusts the concentration of the diluted fuel by mixing the fuel to be diluted and water, and the diluted fuel discharged from the power generation cell that generates power. And a fuel mixer having a separation channel connected to the fuel mixing section, and a power generation cell connected to the fuel mixer.
本発明の燃料電池装置によれば、燃料混合部と燃料混合部に接続した分離流路とを有する燃料混合器とを備えることにより、二酸化炭素を含まない希釈燃料を発電セルに供給することができ、効率のよい発電を行うことができる。また、二酸化炭素の分離とともに希釈燃料の濃度の調整を行う燃料混合器を搭載することにより、混合器と気液分離装置の両方を備える必要がない。さらに、二酸化炭素の分離のために新たに動力源を設置する必要が無い。したがって、装置の部品点数を少なくすることができ、燃料電池装置を小型化することができる。 According to the fuel cell device of the present invention, by providing a fuel mixer having a fuel mixing section and a separation channel connected to the fuel mixing section, diluted fuel not containing carbon dioxide can be supplied to the power generation cell. And efficient power generation can be performed. Moreover, it is not necessary to provide both a mixer and a gas-liquid separator by mounting a fuel mixer that adjusts the concentration of diluted fuel together with carbon dioxide separation. Furthermore, there is no need to install a new power source for carbon dioxide separation. Therefore, the number of parts of the device can be reduced, and the fuel cell device can be downsized.
本発明の燃料混合器によれば、分離流路において、発電セルから排出される希釈燃料中に主に含まれる二酸化炭素を、二酸化炭素と希釈燃料との密度の差と重力を利用して気液分離を行うことができる。これにより、二酸化炭素を含まない希釈燃料を調製することができる。したがって、二酸化炭素を含まない希釈燃料を発電セルに供給することにより、二酸化炭素による発電反応の阻害といった問題を防ぐことができる。そして、発電セルに供給する希釈燃料に二酸化炭素を含まないため、循環ポンプなどへの負荷を軽減することができ、効率のよい発電を行うことができる。また、二酸化炭素の分離を二酸化炭素と希釈燃料との密度の差と重力を利用しているため、二酸化炭素の分離のために改めて動力源を設置する必要がなく、発電した電力を無駄に消費することを防ぐことができる。 According to the fuel mixer of the present invention, carbon dioxide mainly contained in the diluted fuel discharged from the power generation cell is separated from the separation flow path by utilizing the density difference between the carbon dioxide and the diluted fuel and gravity. Liquid separation can be performed. Thereby, the diluted fuel which does not contain a carbon dioxide can be prepared. Therefore, the problem of inhibition of the power generation reaction due to carbon dioxide can be prevented by supplying diluted fuel not containing carbon dioxide to the power generation cell. Since the diluted fuel supplied to the power generation cell does not contain carbon dioxide, the load on the circulation pump or the like can be reduced and efficient power generation can be performed. In addition, the separation of carbon dioxide uses the difference in density between carbon dioxide and diluted fuel and gravity, so there is no need to install a power source again to separate carbon dioxide, and the generated power is wasted. Can be prevented.
本発明の燃料電池装置によれば、燃料混合部と燃料混合部に接続した分離流路とを有する燃料混合器とを備えることにより、二酸化炭素を含まない希釈燃料を発電セルに供給することができ、効率のよい発電を行うことができる。また、二酸化炭素の分離とともに希釈燃料の濃度の調整を行う燃料混合器を搭載することにより、混合器と気液分離装置の両方を備える必要がない。さらに、二酸化炭素の分離のために新たに動力源を設置する必要が無い。したがって、装置の部品点数を少なくすることができ、燃料電池装置を小型化することができる。 According to the fuel cell device of the present invention, by providing a fuel mixer having a fuel mixing section and a separation channel connected to the fuel mixing section, diluted fuel not containing carbon dioxide can be supplied to the power generation cell. And efficient power generation can be performed. Moreover, it is not necessary to provide both a mixer and a gas-liquid separator by mounting a fuel mixer that adjusts the concentration of diluted fuel together with carbon dioxide separation. Furthermore, there is no need to install a new power source for carbon dioxide separation. Therefore, the number of parts of the device can be reduced, and the fuel cell device can be downsized.
以下、本発明の混合器及びその混合器を備えた燃料電池装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。 Hereinafter, a mixer of the present invention and a fuel cell device including the mixer will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to the following description, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.
本発明の燃料混合器１は、アノードとカソードに挟まれる電解質からなる発電セルを有し被希釈燃料の１つであるメタノールを水で希釈した希釈燃料のメタノール水溶液を循環させて使用する燃料電池装置に搭載されている。図１は、本発明の燃料混合器を形状の一例を示す図である。図１（ａ）に示されるとおり、燃料混合器１は、略直方体で上面を開放させた筐体状の外形を示し、アノードから排出されるメタノール水溶液から発電反応で発生する二酸化炭素の分離を行う分離流路部１０と、メタノールと水とアノードから排出されるメタノール水溶液とを混合しメタノール水溶液を所定の濃度に調整する燃料混合部１１とを内部に有している。そして、図１（ｂ）のように、燃料混合器１の側面は、アノードから排出されるメタノール水溶液を取り入れる流入口１２を有している。また、図１（ｃ）のように、流入口１２の有する面の対面に所定の濃度に調整されたメタノール水溶液を排出する排出口１３を有している。図１（ｄ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、図１（ｅ）は、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。図１（ｄ）のように、燃料混合器１の内部は、燃料混合器１の底面から上面に向かって流入口１２と分離流路部１０を繋ぐように接続流路部１９が形成されている。また、分離流路部１０と燃料混合部１１とを隣り合うように配置している。さらに、図１（ｅ）のように、分離流路部１０と燃料混合部１１とが接続され、流入口１２を介して流入してきたメタノール水溶液が分離流路部１０を通り、燃料混合部１１に注がれるようになっている。 A fuel mixer 1 of the present invention has a power generation cell composed of an electrolyte sandwiched between an anode and a cathode, and is a fuel cell that circulates a methanol aqueous solution of diluted fuel obtained by diluting methanol, which is one of the fuels to be diluted, with water. Installed in the device. FIG. 1 is a diagram showing an example of the shape of a fuel mixer according to the present invention. As shown in FIG. 1A, the fuel mixer 1 has a substantially rectangular parallelepiped casing-shaped outer shape, and the carbon dioxide generated by the power generation reaction is separated from the aqueous methanol solution discharged from the anode. The separation flow path section 10 to be performed and a fuel mixing section 11 for mixing methanol, water, and an aqueous methanol solution discharged from the anode to adjust the aqueous methanol solution to a predetermined concentration are provided inside. As shown in FIG. 1B, the side surface of the fuel mixer 1 has an inlet 12 for taking in the aqueous methanol solution discharged from the anode. Further, as shown in FIG. 1C, a discharge port 13 for discharging a methanol aqueous solution adjusted to a predetermined concentration is provided opposite to the surface of the inlet 12. FIG.1 (d) is AA sectional drawing in Fig.1 (a), FIG.1 (e) is BB sectional drawing in Fig.1 (a). As shown in FIG. 1 (d), the inside of the fuel mixer 1 is formed with a connection channel portion 19 so as to connect the inlet 12 and the separation channel portion 10 from the bottom surface to the top surface of the fuel mixer 1. Yes. Further, the separation flow path unit 10 and the fuel mixing unit 11 are arranged adjacent to each other. Further, as shown in FIG. 1 (e), the separation channel unit 10 and the fuel mixing unit 11 are connected, and the methanol aqueous solution flowing in via the inlet 12 passes through the separation channel unit 10 and passes through the fuel mixing unit 11. Is being poured into.
分離流路部１０は、図１（ａ）に示されるとおり、筐体内に収められ、分離流路部１０の上部に開口を有するように、燃料混合器１の上部に形成され、下記で説明する燃料混合部１１と接続している。また、分離流路部１０は、下記で説明する接続流路部１９と接続されている。分離流路部１０では、二酸化炭素の気泡を含むメタノール水溶液をこれらの密度の差と重力を利用して、気体である二酸化炭素を上方に、液体であるメタノール水溶液を二酸化炭素より下方に移動させることができ、気液分離を行うことができる。また、分離流路部１０は、上部に開口を持たせることにより、メタノール水溶液から分離した二酸化炭素を分離流路部１０の外部に放出することができる。分離流路部１０の断面積は、下記で説明する発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積よりも大きくなるように形成されている。分離流路部１０の形状は、特に限定されるものではなく、接続流路部１９や燃料混合器１の形状や大きさ、燃料混合器１を搭載する燃料電池装置の大きさや形状により変更することができる。また、分離流路部１０は、例えば、分離流路部１０で十分にメタノール水溶液と二酸化炭素を分離することができれば、下記で説明する接続流路部１９を設けずに、分離流路部１０と流入口１２を直接接続させるような構成でもよい。 As shown in FIG. 1A, the separation channel unit 10 is housed in a casing and is formed on the upper portion of the fuel mixer 1 so as to have an opening on the upper portion of the separation channel unit 10, and will be described below. It connects with the fuel mixing part 11 which performs. In addition, the separation channel unit 10 is connected to a connection channel unit 19 described below. In the separation flow path unit 10, the methanol aqueous solution containing carbon dioxide bubbles is moved upward using the density difference and gravity, and the liquid methanol aqueous solution is moved downward from the carbon dioxide. Gas-liquid separation can be performed. Further, the separation channel unit 10 can release carbon dioxide separated from the methanol aqueous solution to the outside of the separation channel unit 10 by providing an opening at the top. The cross-sectional area of the separation flow path portion 10 is formed to be larger than the cross-sectional area of the flow path of the methanol aqueous solution of the power generation cell described below. The shape of the separation channel portion 10 is not particularly limited, and is changed depending on the shape and size of the connection channel portion 19 and the fuel mixer 1 and the size and shape of the fuel cell device on which the fuel mixer 1 is mounted. be able to. For example, if the separation channel unit 10 can sufficiently separate the methanol aqueous solution and carbon dioxide, the separation channel unit 10 does not include the connection channel unit 19 described below. And the inlet 12 may be directly connected.
接続流路部１９は、図１（ｄ）に示されるように、燃料混合器１の底面から上面に向かって流入口１２と分離流路部１０とを接続するように設けられ、流入口１２から流入してきたメタノール水溶液を流入口１２から分離流路部１０の方向に流すことができる。これにより、メタノール水溶液と二酸化炭素の密度の差を利用し、気体である二酸化炭素をより早く上方に、メタノール水溶液を二酸化炭素よりも遅く流路内を移動させることができ、分離流路部１０における気液分離を補助することができる。また、接続流路部１９は、例えば、燃料混合器１を分離流路部１０と流入口１２とを直接接続させるような構成とする場合、設けなくてもよい。また接続流路部１９の断面積は、特に限定されるものではなく、例えば、発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積と略同じでもよい。 As shown in FIG. 1 (d), the connection flow path portion 19 is provided so as to connect the inlet 12 and the separation flow path 10 from the bottom surface to the top surface of the fuel mixer 1. The aqueous methanol solution flowing in from the inlet 12 can flow from the inlet 12 toward the separation channel section 10. Thus, by utilizing the difference in density between the aqueous methanol solution and carbon dioxide, the carbon dioxide that is a gas can be moved upward earlier and the aqueous methanol solution can be moved later than the carbon dioxide within the flow channel. Can assist gas-liquid separation. Moreover, the connection flow path part 19 does not need to be provided, for example, when the fuel mixer 1 is configured to directly connect the separation flow path part 10 and the inlet 12. Moreover, the cross-sectional area of the connection flow path part 19 is not specifically limited, For example, the cross-sectional area of the flow path of the methanol aqueous solution of a power generation cell may be substantially the same.
流入口１２は、発電セルのアノードのメタノール水溶液排出口と直接、或いは、アノードと流入口１２とを接続する管を介して接続されている。これにより、流入口１２は、アノードから排出されるメタノール水溶液を燃料混合器１に流入させることができる。流入口１２の断面積は、特に限定されるものではなく、例えば、発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積と略同じでもよい。 The inlet 12 is connected directly to the methanol aqueous solution outlet of the anode of the power generation cell or via a pipe connecting the anode and the inlet 12. Thereby, the inflow port 12 can flow the aqueous methanol solution discharged from the anode into the fuel mixer 1. The cross-sectional area of the inlet 12 is not particularly limited, and may be substantially the same as the cross-sectional area of the flow path of the methanol aqueous solution in the power generation cell, for example.
燃料混合部１１は、図１（ａ）、図１（ｄ）及び図１（ｅ）のように、筐体内に収められ、上部に開口部有する略直方体の形状で、燃料混合器１の内部に設けられ、分離流路部１０と接続されている。また、燃料混合部１１は、調整されたメタノール水溶液をアノードに排出するための排出口１３を有している。分離流路部１０と接続されている燃料混合部１１は、分離流路部１０において二酸化炭素を分離させたメタノール水溶液を流入させることができる。そして、燃料混合部１１は、メタノールと水の供給により、メタノール水溶液を所定の濃度に調整することができる。 As shown in FIGS. 1 (a), 1 (d), and 1 (e), the fuel mixing unit 11 is housed in a casing and has a substantially rectangular parallelepiped shape having an opening in the upper portion. And is connected to the separation channel section 10. The fuel mixing unit 11 has a discharge port 13 for discharging the adjusted aqueous methanol solution to the anode. The fuel mixing unit 11 connected to the separation channel unit 10 can flow in an aqueous methanol solution from which carbon dioxide has been separated in the separation channel unit 10. And the fuel mixing part 11 can adjust methanol aqueous solution to a predetermined density | concentration by supply of methanol and water.
排出口１３は、アノードのメタノール水溶液の供給口と直接、或いは、アノードと排出口１３とを接続する管を介して接続されている。これにより、排出口１３は、燃料混合部１１で調整されたメタノール水溶液をアノードに供給することができる。この排出口１３の設置位置は、図１のように燃料混合器１の側面でもよいが、燃料混合部１１で調整されたメタノール水溶液をアノードに供給することができれば特に限定されるものではない。例えば、排出口１３は、燃料混合器１の底面に設置してもよい。 The discharge port 13 is connected directly to the anode methanol aqueous solution supply port or via a pipe connecting the anode and the discharge port 13. Thereby, the discharge port 13 can supply the methanol aqueous solution adjusted by the fuel mixing unit 11 to the anode. The installation position of the discharge port 13 may be on the side surface of the fuel mixer 1 as shown in FIG. 1, but is not particularly limited as long as the aqueous methanol solution adjusted by the fuel mixing unit 11 can be supplied to the anode. For example, the discharge port 13 may be installed on the bottom surface of the fuel mixer 1.
上記のような燃料混合器１は、アノードから排出されたメタノール水溶液を燃料混合器１に流入させ、分離流路部１０において、このメタノール水溶液に含まれる二酸化炭素の気泡を取り除くことができる。また、燃料混合部１１において、二酸化炭素の気泡を取り除いたメタノール水溶液とメタノールと水とによりアノードに供給するメタノール水溶液を所定の濃度に調整することができる。 The fuel mixer 1 as described above can cause the aqueous methanol solution discharged from the anode to flow into the fuel mixer 1 and remove bubbles of carbon dioxide contained in the aqueous methanol solution in the separation flow path 10. Further, in the fuel mixing unit 11, the aqueous methanol solution supplied to the anode can be adjusted to a predetermined concentration by the aqueous methanol solution from which carbon dioxide bubbles are removed, and methanol and water.
分離流路部１０では、流入口１２から流入した二酸化炭素の気泡を含むメタノール水溶液を気体である二酸化炭素と液体であるメタノール水溶液の密度と重力とを利用し、気体を流路のより上方に、液体を流路のより下方に移動させ、気液分離を行うことができる。また、分離流路部１０の断面積は、発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積よりも大きい断面積を有している。すなわち、分離流路部１０の断面積をＹｃｍ２とし、発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積をＸｃｍ２とした場合、両方の断面積は、Ｙ＝α・Ｘ（αは、断面積比）という関係になる。このときαを十分に大きい値とすると、分離流路部１０に流れる二酸化炭素を含むメタノール水溶液の流速を十分に遅くすることができる。例えば、分離流路部１０の断面積を０．６ｃｍ２とし、発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積を０．２ｃｍ２とする場合、流れるメタノール水溶液の流速は、分離流路部１０で５．６ｃｍ／ｓとなり、発電セルのメタノール水溶液の流路で１６．７ｃｍ／ｓとなる。すなわち、分離流路部１０の断面積を発電セルのメタノール水溶液の流路の断面積の略３倍にとした場合、分離流路部１０におけるメタノール水溶液の流速は、発電セルのメタノール水溶液の流路の流速の略３分の１となる。このように、メタノール水溶液の流速を十分に遅くすることで、メタノール水溶液中に存在する二酸化炭素の複数の気泡を集合させ、より大きな気泡を形成させることができる。このときの気泡の体積や数は、集合前の気泡の体積や数、流路の断面積比或いは循環するメタノール水溶液の流量などの影響を受ける。二酸化炭素の気泡を大きくすることにより、気体である二酸化炭素がより上方に移動しやすくなるため、効率良く気液分離を行うことができる。 In the separation channel unit 10, the methanol aqueous solution containing the carbon dioxide bubbles flowing in from the inlet 12 is utilized by utilizing the density and gravity of the carbon dioxide gas that is a gas and the methanol aqueous solution that is a liquid, and the gas is placed above the channel. The liquid can be moved further down the flow path to perform gas-liquid separation. Moreover, the cross-sectional area of the separation flow path part 10 has a cross-sectional area larger than the cross-sectional area of the flow path of the methanol aqueous solution of the power generation cell. That is, when the cross-sectional area of the separation channel portion 10 is Ycm 2 and the cross-sectional area of the methanol aqueous solution channel of the power generation cell is Xcm 2 , both cross-sectional areas are Y = α · X (α is the cross-sectional area) Ratio). At this time, if α is set to a sufficiently large value, the flow rate of the aqueous methanol solution containing carbon dioxide flowing in the separation flow path portion 10 can be sufficiently slowed down. For example, when the cross-sectional area of the separation channel unit 10 is 0.6 cm 2 and the cross-sectional area of the methanol aqueous solution channel of the power generation cell is 0.2 cm 2 , the flow rate of the flowing methanol aqueous solution is 5.6 cm / s, and 16.7 cm / s in the methanol aqueous solution flow path of the power generation cell. That is, when the cross-sectional area of the separation channel portion 10 is approximately three times the cross-sectional area of the methanol aqueous solution channel of the power generation cell, the flow rate of the methanol aqueous solution in the separation channel unit 10 is This is approximately one third of the flow velocity of the road. Thus, by sufficiently slowing the flow rate of the aqueous methanol solution, a plurality of carbon dioxide bubbles present in the aqueous methanol solution can be gathered to form larger bubbles. The volume and number of bubbles at this time are affected by the volume and number of bubbles before assembly, the cross-sectional area ratio of the flow path or the flow rate of the circulating aqueous methanol solution. By enlarging the bubbles of carbon dioxide, carbon dioxide, which is a gas, easily moves upward, so that gas-liquid separation can be performed efficiently.
分離流路部１０で二酸化炭素を分離させたメタノール水溶液は、分離流路部１０の断面積を発電セルのメタノール水溶液の流路より大きくすることで、メタノール水溶液の流速を遅くすることができる。メタノール水溶液の流速を遅くすることにより、分離流路部１０から燃料混合部１１にメタノール水溶液が流入する際、分離流路部１０と燃料混合部１１との接続部分から燃料混合部１１の壁面に沿って流入させることができる。これにより、メタノール水溶液に二酸化炭素を再び取り込まないようにさせることができる。燃料混合部１１の形状は、限定されるものではなく、例えば、図２のように、分離流路部１０と接続される接続口を有する面と燃料混合部１１ｂの底面との角度が鈍角となるように、接続口を有する面に傾斜をつけてもよい。これにより、燃料混合部１１ｂの壁面に沿ってよりゆっくりメタノール水溶液を流入させることができる。 The aqueous methanol solution from which carbon dioxide has been separated by the separation channel unit 10 can be made slower by increasing the cross-sectional area of the separation channel unit 10 than the methanol aqueous solution channel of the power generation cell. By slowing down the flow rate of the aqueous methanol solution, when the aqueous methanol solution flows into the fuel mixing unit 11 from the separation channel unit 10, the connecting portion between the separation channel unit 10 and the fuel mixing unit 11 is connected to the wall surface of the fuel mixing unit 11. Can flow along. Thereby, it is possible to prevent carbon dioxide from being taken into the methanol aqueous solution again. The shape of the fuel mixing portion 11 is not limited. For example, as shown in FIG. 2, the angle between the surface having the connection port connected to the separation flow path portion 10 and the bottom surface of the fuel mixing portion 11b is an obtuse angle. As such, the surface having the connection port may be inclined. Thereby, methanol aqueous solution can be made to flow in slowly along the wall surface of the fuel mixing part 11b.
また、燃料混合部１１は、図示されていないメタノールを貯蔵するタンク及び図示されていない水を分離する水回収機からメタノールと水を供給することができる。これにより、流入口１２から流入するメタノール水溶液の濃度をメタノールと水により所定の濃度に調整することができ、二酸化炭素の気泡を含まないメタノール水溶液を調整することができる。 In addition, the fuel mixing unit 11 can supply methanol and water from a tank that stores methanol (not shown) and a water recovery machine that separates water (not shown). Thereby, the density | concentration of the methanol aqueous solution which flows in from the inflow port 12 can be adjusted to predetermined concentration with methanol and water, and the methanol aqueous solution which does not contain the bubble of a carbon dioxide can be adjusted.
上記に示した本発明の燃料混合器１は、分離流路部１０及び燃料混合部１１の上部にメタノールの排出を防止する燃料排出防止手段を備えた蓋を設けることができる。この蓋を、例えば、シール剤等を介して燃料混合器１を密閉構造とするものとした場合、燃料混合器１中のメタノール水溶液の外部への流出を防ぐことができる。蓋に備えられる燃料排出防止手段は、気化したメタノールを外部に放出させずに、メタノール水溶液から分離した二酸化炭素を外部に放出するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、燃料排出防止手段としては、下記で説明するバルブ１５０や透過膜１５７等が挙げられる。 The fuel mixer 1 of the present invention described above can be provided with a lid provided with fuel discharge preventing means for preventing methanol discharge at the upper part of the separation channel section 10 and the fuel mixing section 11. For example, when the lid is made of a fuel mixer 1 having a sealed structure via a sealant or the like, the methanol aqueous solution in the fuel mixer 1 can be prevented from flowing out to the outside. The fuel discharge preventing means provided in the lid is not particularly limited as long as it emits carbon dioxide separated from the aqueous methanol solution without releasing vaporized methanol to the outside. For example, examples of the fuel discharge prevention means include a valve 150 and a permeable membrane 157 described below.
図３は、バルブを有する蓋を備える燃料混合器の形状を示す図である。図３（ａ）のように、燃料排出防止手段としてバルブ１５０を有する蓋１４ａは、図３（ｂ）のように、蓋１４ａの一部に開口部１４０を有し、その開口部１４０の上に開口１５４を有する筐体１５２が備えられている。筐体１５２の内部には、開口部１４０を塞ぐように弁体１５１を有し、弁体１５１を開口部１４０に押さえつけるようにバネ１５２が備えられている。 FIG. 3 is a diagram illustrating the shape of a fuel mixer including a lid having a valve. As shown in FIG. 3A, the lid 14a having the valve 150 as a fuel discharge preventing means has an opening 140 in a part of the lid 14a as shown in FIG. A housing 152 having an opening 154 is provided. Inside the casing 152, a valve body 151 is provided so as to close the opening 140, and a spring 152 is provided so as to press the valve body 151 against the opening 140.
このバルブ１５０を有する蓋１４ａを備える燃料混合器１は、分離流路部１０でメタノール水溶液から主に二酸化炭素を分離させることができる。メタノール水溶液中の二酸化炭素を分離することにより、燃料混合器１内に二酸化炭素がたまり、内圧を上昇させる。この内圧が弁体１５１を押すバネ１５３の力を超えた場合、弁体１５１が上方に持ち上がる。これにより、二酸化炭素は、開口部１４０を介してバルブ１５０内に移動し、開口１５４を経由して排出させることができる。 The fuel mixer 1 including the lid 14 a having the valve 150 can separate mainly carbon dioxide from the aqueous methanol solution in the separation channel section 10. By separating the carbon dioxide in the methanol aqueous solution, the carbon dioxide is accumulated in the fuel mixer 1 and the internal pressure is increased. When the internal pressure exceeds the force of the spring 153 that presses the valve body 151, the valve body 151 is lifted upward. Thereby, carbon dioxide can move into the valve 150 via the opening 140 and be discharged via the opening 154.
このとき、燃料混合器１には、二酸化炭素の他に気化したメタノールも存在するため、二酸化炭素と同様にメタノールも排出されてしまう。そこで、バルブ１５０には、このメタノールの排出を防止するための燃料処理部が備えられている。燃料処理部は、特に限定するものではないが、例えば、活性炭等に担持させたメタノールを燃焼させる触媒を充填させたチューブ状の部材等が挙げられ、これをバルブ１５０の開口１５４に備えてもよい。また、その触媒としては、例えば、白金系の触媒が挙げられる。バルブ１５０の開口１５４から燃料処理部に流入するメタノールは、メタノールを燃焼させる触媒により燃焼し、二酸化炭素と水になる。すなわち、バルブ１５０を有する蓋１４ａは、メタノールを外部に放出するのを防ぎ、燃料混合器１のメタノール水溶液から分離した二酸化炭素を排出することができる。 At this time, vaporized methanol is also present in the fuel mixer 1 in addition to carbon dioxide, so methanol is also discharged in the same manner as carbon dioxide. Therefore, the valve 150 is provided with a fuel processing unit for preventing the methanol from being discharged. The fuel processing unit is not particularly limited, and examples thereof include a tubular member filled with a catalyst for burning methanol supported on activated carbon or the like, and this may be provided in the opening 154 of the valve 150. Good. Examples of the catalyst include platinum-based catalysts. Methanol flowing into the fuel processing unit from the opening 154 of the valve 150 is burned by a catalyst that burns methanol into carbon dioxide and water. That is, the lid 14 a having the valve 150 can prevent the methanol from being released to the outside and discharge the carbon dioxide separated from the methanol aqueous solution in the fuel mixer 1.
図４は、透過膜を有する蓋を備えた燃料混合器の形状を示す図である。図４（ａ）のように、透過膜１５７を備える蓋１４ｂは、燃料混合器１と蓋１４ｂとの間に透過膜１５７を設け、蓋１４ｂに開口部１４１を有している。また、図４（ｂ）のように、蓋１４ｂに設けられる開口部１４１は、透過膜１５７を透過する主に二酸化炭素を外部に放出するために設けられており、二酸化炭素の放出を可能とするものであれば、数や形状等は特に限定されない。図４（ｃ）のように、透過膜１５７は、多孔質のシート材により形成されている。多孔質の孔１５８の大きさは、二酸化炭素の分子の大きさよりも大きいものであれば特に限定されるものではない。透過膜１５７は、例えば、ゼオライト、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン等で形成された多孔質の膜を利用してもよく、高撥水性の膜を利用してもよい。本発明のおいて、高撥水性とは、メタノール水溶液といった希釈燃料を透過させない性質のことを示し、高撥水性材料とは、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等の高撥水性の材料のことを示す。さらに、透過膜１５７の厚さとしては、特に限定されるものではないが、例えば、１０μｍから１００μｍ程度の厚さを有する膜を利用してもよい。 FIG. 4 is a diagram showing the shape of a fuel mixer provided with a lid having a permeable membrane. As shown in FIG. 4A, the lid 14b including the permeable membrane 157 includes the permeable membrane 157 between the fuel mixer 1 and the lid 14b, and has an opening 141 in the lid 14b. Further, as shown in FIG. 4B, the opening 141 provided in the lid 14b is provided for mainly releasing carbon dioxide that permeates through the permeable membrane 157, and can release carbon dioxide. The number and shape are not particularly limited as long as they do. As shown in FIG. 4C, the permeable membrane 157 is formed of a porous sheet material. The size of the porous hole 158 is not particularly limited as long as it is larger than the size of carbon dioxide molecules. As the permeable membrane 157, for example, a porous membrane formed of zeolite, polyethylene terephthalate, polytetrafluoroethylene, or the like may be used, or a highly water-repellent membrane may be used. In the present invention, high water repellency indicates a property that does not allow a diluted fuel such as an aqueous methanol solution to permeate, and the high water repellency material indicates a high water repellency material such as polytetrafluoroethylene. . Further, the thickness of the permeable membrane 157 is not particularly limited. For example, a membrane having a thickness of about 10 μm to 100 μm may be used.
この透過膜１５７を有する蓋１４ｂを備える燃料混合器１は、分離流路部１０でメタノール水溶液から主に二酸化炭素を分離することができる。また、燃料混合器１内には二酸化炭素だけではなく気化したメタノールも存在する。蓋１４ｂに備える透過膜１５７は、以下のような膜にすることで、気化したメタノールを燃料混合器１の外部への放出を防ぐことができる。 The fuel mixer 1 including the lid 14 b having the permeable membrane 157 can mainly separate carbon dioxide from the methanol aqueous solution in the separation channel section 10. Further, not only carbon dioxide but also vaporized methanol exists in the fuel mixer 1. The permeation membrane 157 provided in the lid 14b can be prevented from being released to the outside of the fuel mixer 1 by forming the following membrane.
［透過膜の変形例１］
図５は、二酸化炭素の分子の大きさよりも大きく、メタノールの分子の大きさよりも小さい孔を有する透過膜を使った二酸化炭素とメタノールの分離の様子を示す図である。蓋に備える透過膜１５７ａを、図５のように、二酸化炭素の分子３０の大きさより大きく、メタノールの分子３１の大きさより小さい孔を有する膜とする。このような膜１５７ａを用いると、孔１５８ａより小さい二酸化炭素の分子３０は、透過膜１５７ａを通り抜けることができる。一方、孔１５８ａより大きいメタノールの分子３１は、透過膜１５７ａを通り抜けることができない。したがって、透過膜１５７ａにより、メタノールを外に放出することなく、主に二酸化炭素を排出することができる。たとえば、このような透過膜１５７ａとして、オングストロームサイズの微細孔を有するゼオライト等を挙げることができる。これにより、メタノールを無駄にすることなく、発電反応により多くのメタノールを使用することができる。
[Modification 1 of permeable membrane]
FIG. 5 is a diagram showing a state of separation of carbon dioxide and methanol using a permeable membrane having pores larger than the molecular size of carbon dioxide and smaller than the molecular size of methanol. As shown in FIG. 5, the permeable membrane 157 a provided in the lid is a membrane having pores larger than the carbon dioxide molecule 30 and smaller than the methanol molecule 31. Using such a membrane 157a, carbon dioxide molecules 30 smaller than the holes 158a can pass through the permeable membrane 157a. On the other hand, methanol molecules 31 larger than the holes 158a cannot pass through the permeable membrane 157a. Therefore, carbon dioxide can be mainly discharged by the permeable membrane 157a without releasing methanol to the outside. For example, as such a permeable membrane 157a, zeolite having angstrom-sized micropores can be used. As a result, more methanol can be used in the power generation reaction without wasting methanol.
［透過膜の変形例２］
図６は、メタノールを酸化させる触媒を配する透過膜を使った二酸化炭素とメタノールの分離の様子を示す図である。透過膜１５７ｂは、孔１５８ｂの大きさを二酸化炭素の分子３０及びメタノールの分子３１より大きくし、メタノールを燃焼させる触媒を有する触媒層１５９ｂを設けた膜である。この触媒としては、例えば、白金系の触媒が挙げられる。この透過膜１５７ｂにおいて、二酸化炭素の分子とメタノールの分子は、膜を透過してしまう。しかし、膜を透過するメタノールの分子３１は、触媒層１５９ｂにより燃焼させ、水と二酸化炭素にすることができる。これにより、メタノールの分子３１を外に放出することなく、二酸化炭素を排出することができる。
[Modification 2 of the permeable membrane]
FIG. 6 is a diagram showing a state of separation of carbon dioxide and methanol using a permeable membrane having a catalyst for oxidizing methanol. The permeable membrane 157b is a membrane provided with a catalyst layer 159b having a catalyst for burning methanol by making the size of the hole 158b larger than the carbon dioxide molecule 30 and the methanol molecule 31. Examples of this catalyst include platinum-based catalysts. In the permeable membrane 157b, carbon dioxide molecules and methanol molecules permeate the membrane. However, methanol molecules 31 that permeate the membrane can be burned by the catalyst layer 159b into water and carbon dioxide. Thus, carbon dioxide can be discharged without releasing the methanol molecules 31 to the outside.
透過膜１５７は、上記の変形例に限定されるものではなく、使用する燃料や燃料電池の種類等により適宜変更することができる。例えば、使用する燃料をエタノールとする場合、エタノールの分子のサイズに対応して多孔質膜の孔の大きさを変えた膜を使用することもできる。上記のような透過膜１５７を有する蓋を燃料混合器１に備えることにより、メタノールの外部への放出を防止でき、メタノール水溶液から分離した二酸化炭素を排出することができる。また、透過膜１５７に高撥水性を持たせることによりメタノール水溶液も燃料混合器１の外部に流出させるのを防ぐことができる。 The permeable membrane 157 is not limited to the above-described modification example, and can be appropriately changed depending on the fuel used, the type of the fuel cell, and the like. For example, when the fuel to be used is ethanol, it is possible to use a membrane in which the pore size of the porous membrane is changed corresponding to the size of the ethanol molecule. By providing the fuel mixer 1 with the lid having the permeable membrane 157 as described above, the methanol can be prevented from being released to the outside, and the carbon dioxide separated from the methanol aqueous solution can be discharged. Further, by providing the permeable membrane 157 with high water repellency, it is possible to prevent the aqueous methanol solution from flowing out of the fuel mixer 1.
以上のように、本発明の燃料混合器１は、メタノール水溶液の流入する流入口１２及び接続流路部１９の断面積よりも大きな断面積の分離流路部１０を設けることにより、メタノール水溶液の流速を遅くすることで、発電セルで発生した二酸化炭素の小さな気泡を集合させ、より大きな気泡にすることができる。より大きくした二酸化炭素の気泡は、二酸化炭素とメタノール水溶液との密度と重力を利用することで気液分離を行うことができる。したがって、本発明の燃料混合器１は、分離のための特別な動力を備えることなく、二酸化炭素とメタノールを分離することができる。また、燃料混合部１１は、二酸化炭素を分離したメタノール水溶液の濃度をメタノールと水を使ってアノードに供給するメタノール水溶液の濃度を調整することができる。したがって、本発明の燃料混合器１を備えることにより、従来必要であった気液分離器と燃料の濃度を調整する混合器との両方を備える必要が無い。また、燃料混合器１にメタノールを放出させない燃料排出防止手段を有する蓋を備えることにより、メタノール水溶液から分離した二酸化炭素を外部に放出するとともに、メタノールの外部への放出を防止することができる。 As described above, the fuel mixer 1 of the present invention is provided with the separation flow path portion 10 having a cross-sectional area larger than the cross-sectional area of the inflow port 12 into which the aqueous methanol solution flows and the connection flow path portion 19. By slowing down the flow rate, small bubbles of carbon dioxide generated in the power generation cell can be gathered into larger bubbles. Larger carbon dioxide bubbles can be gas-liquid separated by utilizing the density and gravity of carbon dioxide and aqueous methanol solution. Therefore, the fuel mixer 1 of the present invention can separate carbon dioxide and methanol without providing special power for separation. Further, the fuel mixing unit 11 can adjust the concentration of the aqueous methanol solution from which carbon dioxide has been separated to the concentration of the aqueous methanol solution supplied to the anode using methanol and water. Therefore, by providing the fuel mixer 1 of the present invention, it is not necessary to provide both a gas-liquid separator and a mixer for adjusting the concentration of fuel, which have been conventionally required. Further, by providing the fuel mixer 1 with a lid having a fuel discharge preventing means that does not release methanol, the carbon dioxide separated from the methanol aqueous solution can be released to the outside and the methanol can be prevented from being released to the outside.
以下、上記で説明した燃料混合器１を搭載した本発明の燃料電池装置２について説明する。図７は、本発明の燃料電池装置の構成の一例を示す図である。本発明の燃料電池装置２は、アノード２２及びカソード２３で挟まれる電解質膜２１からなる発電セル２０と、上記で説明した燃料混合器１とを有している。また、燃料混合器１に供給するメタノールを貯蔵するタンク２４と、発電セル２０に置ける発電反応で発生する水を回収し、燃料混合器１に回収した水を供給する水回収機２５と、カソード２２に空気を供給する空気供給機２６と、燃料となるメノタール水溶液をアノードと混合器の間で循環させる循環ポンプ２７とを有している。 Hereinafter, the fuel cell device 2 of the present invention equipped with the fuel mixer 1 described above will be described. FIG. 7 is a diagram showing an example of the configuration of the fuel cell device of the present invention. The fuel cell device 2 of the present invention has a power generation cell 20 composed of an electrolyte membrane 21 sandwiched between an anode 22 and a cathode 23, and the fuel mixer 1 described above. Further, a tank 24 for storing methanol to be supplied to the fuel mixer 1, a water recovery unit 25 for recovering water generated by a power generation reaction placed in the power generation cell 20, and supplying the recovered water to the fuel mixer 1, a cathode 22 has an air supply device 26 for supplying air to the air pump 22 and a circulation pump 27 for circulating an aqueous menotal solution serving as fuel between the anode and the mixer.
発電セル２０は、プロトンを透過させる膜状の電解質膜２１、発電反応における触媒を有するアノード２２及びカソード２３からなり、電解質膜３０をアノード２２及びカソード２３によりはさみ、張り合わせて形成される。プロトンを透過させる電解質膜２１は、透過性と耐酸化性と耐熱性とを兼ね備えた材質で形成される。アノード２２及びカソード２３は、金属材料や炭素材料、導電性を有する不繊布などを用いて構成され、例えば、炭素材料を用いる場合、炭素材料の多孔質表面に白金等の触媒を担持させてもよい。電解質膜２１、アノード２２及びカソード２３の大きさ及び形状は、発電セル２０の大きさ及び形状に合わせて適宜変更される。発電セル２０は、アノード２２にメタノール水溶液を、カソード２３に空気を供給することで発電反応を起こすことができる。 The power generation cell 20 includes a membrane-shaped electrolyte membrane 21 that allows protons to permeate, an anode 22 and a cathode 23 that have a catalyst in a power generation reaction, and the electrolyte membrane 30 is sandwiched between the anode 22 and the cathode 23 and bonded together. The electrolyte membrane 21 that allows protons to permeate is formed of a material that has permeability, oxidation resistance, and heat resistance. The anode 22 and the cathode 23 are configured using a metal material, a carbon material, a conductive non-woven cloth, and the like. For example, when a carbon material is used, a catalyst such as platinum is supported on the porous surface of the carbon material. Good. The size and shape of the electrolyte membrane 21, the anode 22, and the cathode 23 are appropriately changed according to the size and shape of the power generation cell 20. The power generation cell 20 can cause a power generation reaction by supplying an aqueous methanol solution to the anode 22 and air to the cathode 23.
アノード２２は、循環ポンプを介して、メタノール水溶液を循環させるように燃料混合器１と接続されている。これにより、燃料混合器１で調整されたメタノール水溶液をアノード２２に供給し、発電反応に用いることができる。そして、発電反応後、アノード２２からメノタール水溶液を燃料混合器１に戻すことができる。 The anode 22 is connected to the fuel mixer 1 so as to circulate the aqueous methanol solution via a circulation pump. Thereby, the methanol aqueous solution adjusted with the fuel mixer 1 can be supplied to the anode 22, and can be used for an electric power generation reaction. Then, after the power generation reaction, the aqueous menotal solution can be returned from the anode 22 to the fuel mixer 1.
カソード２３は、空気を供給させるように空気供給機２６と接続され、発電反応で発生する水を回収する水回収機２５と接続している。これにより、カソード２３に空気が供給され、アノード２２に供給されるメタノール水溶液により発電反応を起こすことができる。また、水回収機２５により発電セル２０での発電反応に発生する水を排出することができ、カソード２３の表面に水が付着することにより引き起こされる反応効率の低下を防ぐことができるとともに、発生した水をメタノール水溶液の調整に利用することができる。 The cathode 23 is connected to an air supply unit 26 so as to supply air, and is connected to a water recovery unit 25 that recovers water generated by a power generation reaction. Thereby, air is supplied to the cathode 23, and a power generation reaction can be caused by the methanol aqueous solution supplied to the anode 22. In addition, water generated in the power generation reaction in the power generation cell 20 can be discharged by the water recovery unit 25, and a reduction in reaction efficiency caused by water adhering to the surface of the cathode 23 can be prevented. The water thus prepared can be used for the adjustment of the aqueous methanol solution.
水回収機２５は、カソード２３と接続されており、発電反応で発生した水を発電セル２０から回収するとともに、水とその他の空気等とを分離することができる。また、水回収機２５は、燃料混合器１に接続されているため、回収された水をメタノール水溶液の調整に利用することができる。また、水から分離された空気等のその他の物質は、水回収機２５から燃料電池装置２の外部に放出することができる。 The water recovery machine 25 is connected to the cathode 23 and can recover water generated by the power generation reaction from the power generation cell 20 and separate water from other air. Moreover, since the water recovery machine 25 is connected to the fuel mixer 1, the recovered water can be used for adjusting the aqueous methanol solution. In addition, other substances such as air separated from water can be discharged from the water recovery machine 25 to the outside of the fuel cell device 2.
タンク２４は、水で希釈することによりメタノール水溶液となるメタノールを貯蔵することができる。タンク２４は、燃料混合器１と接続されており、メタノールを燃料混合器１に供給し、所定の濃度のメタノール水溶液を調整することができる。 The tank 24 can store methanol that becomes an aqueous methanol solution by diluting with water. The tank 24 is connected to the fuel mixer 1 and can supply methanol to the fuel mixer 1 to adjust a methanol aqueous solution having a predetermined concentration.
空気供給機２６は、カソード２３に空気を供給することができる。カソード２３に空気を供給することで、アノード２２に供給されるメタノール水溶液とともに発電反応を行うことができる。空気供給機２６の例としては、ポンプやファン等が挙げられるが、カソード２３に空気を供給することができるものであればこれらに限定されるものではない。 The air supply machine 26 can supply air to the cathode 23. By supplying air to the cathode 23, a power generation reaction can be performed together with the aqueous methanol solution supplied to the anode 22. Examples of the air supply device 26 include a pump and a fan, but are not limited to these as long as air can be supplied to the cathode 23.
循環ポンプ２７は、燃料混合器１と発電セル２０との間に設けられている。循環ポンプ２７は、燃料混合器１から調整されたメタノール水溶液を取り出し、発電セル２０のアノード２２に供給することができる。これにより、発電セル２０でカソード２３に供給される空気によって発電反応を行うことができる。また、アノード２２に供給されたメタノール水溶液を再び燃料混合器１に戻すことができる。 The circulation pump 27 is provided between the fuel mixer 1 and the power generation cell 20. The circulation pump 27 can take out the adjusted aqueous methanol solution from the fuel mixer 1 and supply it to the anode 22 of the power generation cell 20. Thereby, the power generation reaction can be performed by the air supplied to the cathode 23 in the power generation cell 20. Further, the aqueous methanol solution supplied to the anode 22 can be returned to the fuel mixer 1 again.
上記のように構成される燃料電池装置２は、アノード２２から排出されるメタノール水溶液から二酸化炭素の気泡を取り除くことができる燃料混合器１を搭載することにより、二酸化炭素の気泡を含まないメタノール水溶液を調整することができ、そのメタノール水溶液をアノード２２に供給することができる。したがって、二酸化炭素の含有するメタノール水溶液の供給による発電効率の低下といった問題を防ぐことができる。また、メタノール水溶液中から二酸化炭素を分離させる分離流路部とアノード２２に供給するメタノール水溶液を調整する燃料混合部とを一体とした燃料混合器１を搭載することにより、燃料電池装置２に搭載する部品点数を少なくすることができ、燃料電池装置２を小型にすることができる。また、燃料混合器１の外部へのメタノールの排出を防ぐ蓋を燃料混合器１に備えることにより、燃料混合器１とアノード２２との間で循環しているメタノール水溶液及び気化したメタノールを燃料混合器１の外部に放出することを防ぐことができる。すなわち、この燃料混合器１を搭載することにより、メタノールが漏れない安全な燃料電池装置を提供することができる。 The fuel cell device 2 configured as described above is equipped with the fuel mixer 1 capable of removing carbon dioxide bubbles from the methanol aqueous solution discharged from the anode 22, thereby providing a methanol aqueous solution that does not contain carbon dioxide bubbles. The methanol aqueous solution can be supplied to the anode 22. Therefore, it is possible to prevent problems such as a decrease in power generation efficiency due to the supply of an aqueous methanol solution containing carbon dioxide. In addition, by mounting the fuel mixer 1 in which the separation flow path portion for separating carbon dioxide from the methanol aqueous solution and the fuel mixing portion for adjusting the methanol aqueous solution supplied to the anode 22 are mounted, the fuel cell device 2 is mounted. The number of parts to be reduced can be reduced, and the fuel cell device 2 can be reduced in size. In addition, by providing the fuel mixer 1 with a lid that prevents the methanol from being discharged to the outside of the fuel mixer 1, the aqueous methanol solution circulated between the fuel mixer 1 and the anode 22 and the vaporized methanol are mixed with the fuel. Release to the outside of the vessel 1 can be prevented. That is, by mounting the fuel mixer 1, a safe fuel cell device in which methanol does not leak can be provided.
上記の燃料電池装置２は、燃料混合器１で調整されたメタノール水溶液をアノード２２に供給するとともに、空気供給機２６を介してカソード２３に空気を供給することにより、発電セル２０で以下のような反応を行うことができる。メタノール水溶液は、アノード２２において、メタノール水溶液中の水とメタノールによってＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−という反応が起こる。この反応で発生するプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜２１を透過しカソード２３に移動する。また、発生した電子（ｅ−）は、アノード２２から外部回路を通りカソード２３に移動する。移動してきたプロトンと電子は、カソード２３において、供給される空気中の酸素と、３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏという反応を起こす。したがって、本発明の燃料電池装置２の発電セル２０には、メタノール水溶液と空気を供給することにより発電反応を行うことができる。 The fuel cell device 2 supplies the methanol aqueous solution adjusted by the fuel mixer 1 to the anode 22 and supplies air to the cathode 23 via the air supply unit 26, whereby the power generation cell 20 performs the following operation. Reaction can be performed. The aqueous methanol solution undergoes a reaction of CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − by the water and methanol in the aqueous methanol solution at the anode 22. Protons (H + ) generated by this reaction pass through the electrolyte membrane 21 and move to the cathode 23. The generated electrons (e − ) move from the anode 22 to the cathode 23 through the external circuit. The protons and electrons that have moved cause a reaction of 3/2 O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O with oxygen in the supplied air at the cathode 23. Therefore, a power generation reaction can be performed by supplying an aqueous methanol solution and air to the power generation cell 20 of the fuel cell device 2 of the present invention.
アノード２２に供給されたメタノール水溶液中のメタノールの一部は、上記の発電反応に寄与せず、同じく反応に寄与しない一部の水と一緒にアノード２２から排出される。このとき、アノード２２から排出されるメタノール水溶液中に発電反応で発生した二酸化炭素の小さな気泡が含まれる。二酸化炭素の気泡を含むメタノール水溶液は、燃料混合器１に供給される。燃料混合器１に供給される二酸化炭素の気泡を含むメタノール水溶液は、上記で説明したように、メタノール水溶液を流入させる燃料混合器１の流入口１２及び接続流路部１９よりも大きい断面積を有する分離流路部１０に流入し、メタノール水溶液の流速を遅くすることができる。これにより、メタノール水溶液中の二酸化炭素の気泡を集合させ、より大きな二酸化炭素の気泡とすることができ、メタノール水溶液と二酸化炭素の密度と重力を利用して気液分離を行うことができる。分離した二酸化炭素は、燃料混合器１から外部に排出される。このとき、メタノールの排出を防ぐ燃料排出防止手段を有する蓋を燃料混合器１に備えることにより、燃料混合器１から気化したメタノールの排出を防ぐことができ、外部にメタノールの漏れない安全な燃料電池装置２を提供することができる。二酸化炭素を分離したメタノール水溶液は、燃料混合器１内の燃料混合部に流入する。この燃料混合器１の燃料混合部において二酸化炭素を分離させたメタノール水溶液とタンク２４から供給されるメタノールと水回収機２５から供給される水により所定の濃度を有するメタノール水溶液を調整することができる。調整されたメタノール水溶液は循環ポンプ２７によりアノード２２に供給される。 A part of the methanol in the aqueous methanol solution supplied to the anode 22 does not contribute to the power generation reaction, and is discharged from the anode 22 together with a part of the water that does not contribute to the reaction. At this time, the methanol aqueous solution discharged from the anode 22 includes small bubbles of carbon dioxide generated by the power generation reaction. A methanol aqueous solution containing carbon dioxide bubbles is supplied to the fuel mixer 1. As described above, the aqueous methanol solution containing carbon dioxide bubbles supplied to the fuel mixer 1 has a larger cross-sectional area than the inlet 12 and the connecting flow path portion 19 of the fuel mixer 1 into which the aqueous methanol solution flows. It flows into the separation flow path part 10 which has, and the flow rate of methanol aqueous solution can be made slow. As a result, the bubbles of carbon dioxide in the aqueous methanol solution can be aggregated to form larger bubbles of carbon dioxide, and gas-liquid separation can be performed using the density and gravity of the aqueous methanol solution and carbon dioxide. The separated carbon dioxide is discharged from the fuel mixer 1 to the outside. At this time, by providing the fuel mixer 1 with a lid having a fuel discharge preventing means for preventing methanol discharge, it is possible to prevent the methanol vaporized from the fuel mixer 1 from being discharged, and a safe fuel that does not leak methanol to the outside. The battery device 2 can be provided. The aqueous methanol solution from which the carbon dioxide has been separated flows into the fuel mixing section in the fuel mixer 1. A methanol aqueous solution having a predetermined concentration can be adjusted by the methanol aqueous solution from which carbon dioxide is separated in the fuel mixing portion of the fuel mixer 1, the methanol supplied from the tank 24, and the water supplied from the water recovery unit 25. . The adjusted aqueous methanol solution is supplied to the anode 22 by the circulation pump 27.
一方、空気供給機２６を介してカソード２３に供給される空気中の酸素の一部は、上記発電反応に寄与せず、同じく反応に寄与しないその他の物質及び反応で発生する水と一緒にカソード２３から水回収機２５に排出される。水回収機２５は、水とその他の物質を分離することができるとともに、水以外の物質を燃料電池装置２の外部に放出することができる。水回収機２５で回収された水は、燃料混合器１に供給され、メタノール水溶液の濃度の調整に利用することができる。 On the other hand, part of the oxygen in the air supplied to the cathode 23 via the air supply device 26 does not contribute to the power generation reaction, and together with other substances that do not contribute to the reaction and water generated by the reaction, the cathode 23 is discharged to the water recovery machine 25. The water recovery machine 25 can separate water and other substances, and can release substances other than water to the outside of the fuel cell device 2. The water recovered by the water recovery machine 25 is supplied to the fuel mixer 1 and can be used for adjusting the concentration of the aqueous methanol solution.
以上のように、本発明の燃料電池装置２は、アノード２２から排出されるメタノール水溶液から二酸化炭素の気泡を取り除くとともに、アノード２２に供給するメタノール水溶液を調整する燃料混合器１を搭載することにより、発電反応の妨げとなる二酸化炭素の気泡を含まないメタノール水溶液をアノード２２に供給することができ、効率的な発電を行うことができる。また、二酸化炭素の分離を行う分離流路部１０とメタノール水溶液の調整を行う燃料混合部１１を一体とした燃料混合器１を搭載することにより、装置内の部品点数を少なくすることができ、装置の小型化が実現できる。そして、燃料混合器１にメタノールの排出を防ぐ燃料排出防止手段を有する蓋を備えることにより、可燃性のメタノールを排出させない安全な燃料電池装置２を提供することができる。 As described above, the fuel cell device 2 of the present invention is equipped with the fuel mixer 1 that removes carbon dioxide bubbles from the aqueous methanol solution discharged from the anode 22 and adjusts the aqueous methanol solution supplied to the anode 22. The methanol aqueous solution that does not contain carbon dioxide bubbles that hinder the power generation reaction can be supplied to the anode 22, and efficient power generation can be performed. Moreover, by mounting the fuel mixer 1 in which the separation flow path portion 10 for separating carbon dioxide and the fuel mixing portion 11 for adjusting the methanol aqueous solution are mounted, the number of components in the apparatus can be reduced, Miniaturization of the device can be realized. By providing the fuel mixer 1 with a lid having a fuel discharge preventing means for preventing methanol discharge, a safe fuel cell device 2 that does not discharge combustible methanol can be provided.
以上、本発明の燃料混合器１及び燃料混合器１を有する燃料電池装置２に関する実施の形態である。本実施の形態で使用している被希釈燃料のメタノールは、これに限られるものではなく、通常の燃料電池で使用されている燃料を利用することもできる。例えば、エタノールやジメチルエーテルなどを使用することもできる。 As mentioned above, it is embodiment regarding the fuel cell apparatus 2 which has the fuel mixer 1 and the fuel mixer 1 of this invention. The diluted fuel methanol used in the present embodiment is not limited to this, and a fuel used in a normal fuel cell can also be used. For example, ethanol or dimethyl ether can also be used.
１ 燃料混合器
１０ 分離流路部
１１、１１ｂ 燃料混合部
１２ 流入口
１３ 排出口
１４、１４ａ、１４ｂ 蓋
１４０、１４１ 開口部
１５０ バルブ
１５１ 弁体
１５２ 筐体
１５３ バネ
１５４ 開口
１５７、１５７ａ、１５７ｂ 透過膜
１５８、１５８ａ、１５８ｂ 孔
１５９ｂ 触媒層
１９ 接続流路部
２ 燃料電池装置
２０ 発電セル
２１ 電解質膜
２２ アノード
２３ カソード
２４ タンク
２５ 水回収機
２６ 空気供給機
２７ 循環ポンプ
９ 燃料電池
９０ 発電セル
９１ 電解質
９２ アノード
９３ カソード
９４ 気液分離器
９４０ サイクロン室
９４１ 二酸化炭素の気泡
９４２ 旋回流
９５ 混合器
９６ 液体燃料タンク
９７ 水回収機
９８ 循環ポンプ
９９ 空気供給機
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel mixer 10 Separation flow path part 11 and 11b Fuel mixing part 12 Inlet 13 Outlet 14, 14a, 14b Cover 140, 141 Open part 150 Valve 151 Valve body 152 Case 153 Spring 154 Opening 157, 157a, 157b Permeation Membranes 158, 158a, 158b Hole 159b Catalyst layer 19 Connection flow path 2 Fuel cell device 20 Power generation cell 21 Electrolyte membrane 22 Anode 23 Cathode 24 Tank 25 Water recovery machine 26 Air supply machine 27 Circulation pump 9 Fuel cell 90 Power generation cell 91 Electrolyte 92 Anode 93 Cathode 94 Gas-liquid separator 940 Cyclone chamber 941 Carbon dioxide bubbles 942 Swirl 95 Mixer 96 Liquid fuel tank 97 Water recovery machine 98 Circulation pump 99 Air supply machine
Claims (10)
発電を行う発電セルより排出された前記希釈燃料から主に二酸化炭素を分離させ前記燃料混合部に接続する分離流路と
を有することを特徴とする燃料混合器。 A fuel mixing unit for adjusting the concentration of the diluted fuel by mixing the fuel to be diluted and water;
A fuel mixer, comprising: a separation channel that mainly separates carbon dioxide from the diluted fuel discharged from a power generation cell that performs power generation and connects to the fuel mixing unit.
前記燃料混合器と接続されている発電セルと、
を備えることを特徴とする燃料電池装置。
A fuel mixing unit that adjusts the concentration of the diluted fuel by mixing the fuel to be diluted and water, and the carbon dioxide is mainly separated from the diluted fuel discharged from the power generation cell that generates power, and is connected to the fuel mixing unit. A fuel mixer having a separation channel;
A power generation cell connected to the fuel mixer;
A fuel cell device comprising:
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