JP2005353583A - Fuel cell system and transport equipment using the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は燃料電池システムおよびそれを用いた輸送機器に関し、より特定的には、燃料電池からの水を水タンクに収容する燃料電池システムおよびそれを用いた二輪車等の輸送機器に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a transport device using the same, and more particularly to a fuel cell system for storing water from a fuel cell in a water tank and a transport device such as a motorcycle using the fuel cell system.
従来、燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される水を回収する技術が提案されている。
たとえば特許文献1には、燃料電池からの水分を含む燃料ガスを多数の仕切り板が配置される管路に導入する水回収装置が開示されている。特許文献1に開示されている水回収装置では、水分を含む燃料ガスを多数の仕切り板に衝突させつつ管路を進行させることによって、水と燃料ガスとを分離する。その後、水は水タンクに回収され、燃料ガスは排出口から排出される。
For example, Patent Document 1 discloses a water recovery apparatus that introduces fuel gas containing moisture from a fuel cell into a pipeline in which a number of partition plates are arranged. In the water recovery apparatus disclosed in Patent Document 1, water and fuel gas are separated by advancing a pipeline while causing fuel gas containing moisture to collide with a number of partition plates. Thereafter, the water is collected in the water tank, and the fuel gas is discharged from the discharge port.
しかし、特許文献1の技術では、複数の仕切り板が配置される管路を備えた水回収装置を準備する必要があり、水回収のための装置が大型化してしまうという問題があった。
また、水分を含む燃料ガスを多数の仕切り板に衝突させつつ進行させるために、当該燃料ガスを管路に導入するエアポンプの出力を増大させる必要がある。その結果、エアポンプの消費電力が増大し、燃料電池システムの発電効率が低下してしまうという問題があった。
However, in the technique of Patent Document 1, it is necessary to prepare a water recovery apparatus including a pipe line in which a plurality of partition plates are arranged, and there is a problem that the apparatus for water recovery becomes large.
Further, in order to cause the fuel gas containing moisture to travel while colliding with a large number of partition plates, it is necessary to increase the output of the air pump that introduces the fuel gas into the pipeline. As a result, there is a problem that the power consumption of the air pump increases and the power generation efficiency of the fuel cell system decreases.
一方、特に直接メタノール型燃料電池システムにおいては、水タンクに流入する多量の水を効率よく回収し水溶液タンクに補給する必要がある。このとき、小型の水タンク内に燃料電池からの排気を導入すると、その排気の圧力で水タンク内の水が吹き飛んで排出されてしまい、水の回収率が低下するという問題があった。 On the other hand, particularly in a direct methanol fuel cell system, it is necessary to efficiently recover a large amount of water flowing into the water tank and replenish the aqueous solution tank. At this time, if the exhaust from the fuel cell is introduced into the small water tank, the water in the water tank is blown and discharged by the pressure of the exhaust, resulting in a problem that the water recovery rate is lowered.
それゆえに、この発明の主たる目的は、大きな装置を用いることも発電効率が低下することもなく燃料電池からの水を簡単かつ効率よく回収できる、燃料電池システムおよびそれを用いた輸送機器を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, a main object of the present invention is to provide a fuel cell system and a transport device using the same, which can easily and efficiently recover water from the fuel cell without using a large device or reducing power generation efficiency. That is.
上述の目的を達成するために、請求項1に記載の燃料電池システムは、電気エネルギーを生成する燃料電池、燃料電池からの水を収容する水タンク、燃料電池からの水分を含む排気を水タンク内に導入するための導入口、水タンクから排気するための排出口、および導入口よりも下方に位置しかつ水タンクの内部を上方空間と下方空間とに区画するように水タンク内に設けられる区画部材を備える。 In order to achieve the above-mentioned object, a fuel cell system according to claim 1 is a fuel cell that generates electrical energy, a water tank that contains water from the fuel cell, and an exhaust that contains water from the fuel cell as a water tank. Provided in the water tank so as to divide the water tank into an upper space and a lower space that are located below the introduction port for introducing into the inside, a discharge port for exhausting from the water tank, and the introduction port The partition member is provided.
請求項2に記載の燃料電池システムは、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、区画部材は複数の貫通孔を有することを特徴とする。 The fuel cell system according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the partition member has a plurality of through holes.
請求項3に記載の燃料電池システムは、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、区画部材は水タンクの内壁との間に間隙を有するように設けられることを特徴とする。 A fuel cell system according to a third aspect is the fuel cell system according to the first aspect, wherein the partition member is provided so as to have a gap between the inner wall of the water tank.
請求項4に記載の燃料電池システムは、請求項3に記載の燃料電池システムにおいて、水タンクの内壁と区画部材との間隙を垂直方向からみて塞ぐように区画部材と所定の間隙を有して水タンク内に設けられる突起部をさらに備えることを特徴とする。 The fuel cell system according to claim 4 is the fuel cell system according to claim 3, wherein the fuel cell system has a predetermined gap with the partition member so as to close the gap between the inner wall of the water tank and the partition member when viewed from the vertical direction. It further has a projection provided in the water tank.
請求項5に記載の燃料電池システムは、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、導入口と排出口とが水タンク内で対向しないように配置されることを特徴とする。 The fuel cell system according to claim 5 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the introduction port and the discharge port are arranged so as not to face each other in the water tank.
請求項6に記載の燃料電池システムは、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、水タンク内の水位を検出するために水タンク内で区画部材よりも下方に設けられる水位センサをさらに備えることを特徴とする。 The fuel cell system according to claim 6 further includes a water level sensor provided below the partition member in the water tank in order to detect the water level in the water tank in the fuel cell system according to claim 1. It is characterized by.
請求項7に記載の燃料電池システムは、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、区画部材の上面が水タンク内の水面に対して傾斜するように区画部材が配置されることを特徴とする。 The fuel cell system according to claim 7 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the partition member is arranged such that an upper surface of the partition member is inclined with respect to a water surface in the water tank. .
請求項8に記載の燃料電池システムは、電気化学反応によって電気エネルギーを生成する燃料電池、燃料電池からの水を収容する水タンク、および燃料電池からの水分を含む排気を水タンク内に導入するための拡開された導入口を有しかつ水タンクに接続される導入パイプを備える。 The fuel cell system according to claim 8 introduces into the water tank a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction, a water tank that contains water from the fuel cell, and exhaust gas that contains moisture from the fuel cell. An inlet pipe having an expanded inlet for connecting to a water tank.
請求項9に記載の燃料電池システムは、請求項1から8のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、直接メタノール型燃料電池システムであることを特徴とする。 The fuel cell system according to claim 9 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein the fuel cell system is a direct methanol fuel cell system.
請求項10に記載の輸送機器は、請求項1から9のいずれかに記載の燃料電池システムを用いたことを特徴とする。 A transportation device according to a tenth aspect uses the fuel cell system according to any one of the first to ninth aspects.
請求項1に記載の燃料電池システムでは、水タンクの内部を区画するように区画部材を設けることによって、水分を含む排気が導入される上方空間と水が貯留される下方空間とが形成される。これによって、水タンク内に導入される当該流速の速い排気の大部分が区画部材に衝突し上方空間を旋回し、下方空間に貯留される水に与えられにくくなる。その結果、排気の旋回流によって水タンク内の水が掻き上げられ排出口から排出されることを防止できる。したがって、水タンクの容積を大きくして旋回流の速度を小さくせずとも、言い換えれば小型の水タンクであっても、簡単に効率よく水を回収できる。また、大型の水回収装置を要せず、当該装置を駆動するための電力も要しないため発電効率も低下しない。さらに、水タンク内の水量が下方空間の容積を超えた際には、上方空間に溢れ出る水が上方空間を廻る旋回流によって掻き上げられ排出口から排出されるので、実質的に水位を調整できる。したがって、水タンク内の水のオーバーフローを防止するための装置や当該装置を駆動するための電力が必要なく、この点からも発電効率は低下しない。 In the fuel cell system according to claim 1, by providing the partition member so as to partition the inside of the water tank, an upper space into which the exhaust gas containing moisture is introduced and a lower space in which water is stored are formed. . As a result, most of the exhaust gas having a high flow velocity introduced into the water tank collides with the partition member, turns in the upper space, and is hardly given to the water stored in the lower space. As a result, it is possible to prevent the water in the water tank from being swung up and discharged from the discharge port by the swirling flow of the exhaust. Therefore, even if the volume of the water tank is not increased to reduce the speed of the swirl flow, in other words, even a small water tank can recover water easily and efficiently. In addition, a large-sized water recovery device is not required, and no power is required to drive the device, so that power generation efficiency is not lowered. Furthermore, when the amount of water in the water tank exceeds the volume of the lower space, the water overflowing into the upper space is swept up by the swirling flow around the upper space and discharged from the discharge port, so the water level is substantially adjusted. it can. Therefore, there is no need for a device for preventing overflow of water in the water tank or power for driving the device, and power generation efficiency does not decrease from this point.
請求項2に記載の燃料電池システムでは、区画部材に複数の貫通孔が設けられることによって、上方空間に導入された水が複数の貫通孔を介して下方空間に流下しやすくなり、効率よく水を回収できる。また、燃料電池からの上方空間に導入される排気は熱を帯び水蒸気を含んでいる。区画部材に複数の貫通孔が設けられることによって、複数の貫通孔の容積の分だけ排気の冷却空間が大きくなるので、排気に含まれる水蒸気を液化させやすくなり、より多くの水を回収できる。 In the fuel cell system according to claim 2, the plurality of through holes are provided in the partition member, so that the water introduced into the upper space easily flows down to the lower space through the plurality of through holes. Can be recovered. Further, the exhaust gas introduced into the upper space from the fuel cell is heated and contains water vapor. By providing a plurality of through holes in the partition member, the exhaust cooling space is increased by the volume of the plurality of through holes, so that the water vapor contained in the exhaust can be easily liquefied and more water can be recovered.
請求項3に記載の燃料電池システムでは、区画部材が水タンクの内壁との間に間隙を有するように設けられることによって、上方空間に導入された水が間隙を介して下方空間に流下しやすくなり、効率よく水を回収できる。 In the fuel cell system according to claim 3, the partition member is provided so as to have a gap between the inner wall of the water tank, so that the water introduced into the upper space can easily flow into the lower space through the gap. Therefore, water can be collected efficiently.
請求項4に記載の燃料電池システムでは、下方空間に旋回流が入り込み貯留された水を掻き上げようとしても突起部によって水の上昇が阻止されるので、上方空間に水が掻き上げられることがなく、効率よく水を回収できる。 In the fuel cell system according to claim 4, even if a swirl flow enters the lower space and tries to scoop up the stored water, the protrusion prevents the water from rising, so that the water can be scooped up into the upper space. The water can be recovered efficiently.
請求項5に記載の燃料電池システムでは、導入口と排出口とが水タンク内で対向しないように両者の位置をずらせることによって、導入口から導入された水がすぐさま排出口へと導かれ排出されてしまうことを防ぎ、効率よく水を回収できる。 In the fuel cell system according to claim 5, the water introduced from the introduction port is immediately led to the discharge port by shifting the positions of the introduction port and the discharge port so as not to face each other in the water tank. It is possible to prevent water from being discharged and to efficiently collect water.
請求項6に記載の燃料電池システムでは、旋回流を受けにくく安定して水を貯留できる下方空間で水位センサが水タンク内の水位を検出するので、精度よく水タンク内の水位を検出できる。 In the fuel cell system according to the sixth aspect, since the water level sensor detects the water level in the water tank in a lower space that is less susceptible to swirling flow and can stably store water, the water level in the water tank can be accurately detected.
請求項7に記載の燃料電池システムでは、区画部材の上面が水タンク内の水面に対して傾斜するように区画部材が配置されるので、上方空間に導入された水が区画部材上を流れ下方空間に流下しやすくなり、効率よく水を回収できる。 In the fuel cell system according to claim 7, since the partition member is disposed such that the upper surface of the partition member is inclined with respect to the water surface in the water tank, the water introduced into the upper space flows down on the partition member. It becomes easy to flow down into the space and water can be collected efficiently.
請求項8に記載の燃料電池システムでは、燃料電池からの水分を含む排気を拡開された導入口を有する導入パイプによって水タンク内に導入する。これによって、水タンク内に導入される際の当該排気の速度が小さくなりひいては水タンク内に生じる旋回流の速度が小さくなる。したがって、水タンク内の水が掻き上げられ難くなり、簡単に効率よく水を回収できる。 In the fuel cell system according to the eighth aspect, the exhaust gas containing moisture from the fuel cell is introduced into the water tank by the introduction pipe having the expanded introduction port. As a result, the speed of the exhaust gas when introduced into the water tank is reduced, and consequently the speed of the swirling flow generated in the water tank is reduced. Therefore, it becomes difficult for the water in the water tank to be scraped up, and the water can be easily and efficiently recovered.
直接メタノール型燃料電池システムでは、燃料電池にメタノール水溶液が直接供給されるので改質器が不要となり、システムの構成を簡略化できる。このような理由から、直接メタノール型燃料電池システムは、携帯性を要する機器や小型化が望まれる機器に好適に用いられる。直接メタノール型燃料電池システムひいては直接メタノール型料電池システムが用いられる機器の小型化のためには、燃料電池から排出される水を小型の水タンクに効率よく回収する必要がある。この発明は、小型の水タンクであっても効率よく水を回収できるので、請求項9に記載するように携帯性を要する機器や小型化が望まれる機器に好適に用いられる直接メタノール型燃料電池システムにおいて特に有効となる。 In the direct methanol fuel cell system, since the aqueous methanol solution is directly supplied to the fuel cell, a reformer is not required, and the system configuration can be simplified. For these reasons, the direct methanol fuel cell system is suitably used for devices that require portability and devices that require downsizing. In order to reduce the size of a device in which the direct methanol fuel cell system and thus the direct methanol fuel cell system is used, it is necessary to efficiently collect water discharged from the fuel cell in a small water tank. Since the present invention can efficiently recover water even in a small water tank, a direct methanol fuel cell suitably used for a device requiring portability or a device requiring miniaturization as described in claim 9 This is particularly effective in the system.
水タンクを小さくできひいては燃料電池システム全体を小さくできるので、上述の燃料電池システムは請求項10に記載するように輸送機器に好適に用いられる。
Since the water tank can be made small and the entire fuel cell system can be made small, the above-described fuel cell system is suitably used for transportation equipment as described in
この発明によれば、小型の水タンクであっても、燃料電池から排出される水を簡単に効率よく回収できる。また、大型の装置を要せず、発電効率も低下しない。 According to this invention, even if it is a small water tank, the water discharged | emitted from a fuel cell can be collect | recovered easily and efficiently. Moreover, a large apparatus is not required and the power generation efficiency is not lowered.
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。
図1〜図4に示すように、この発明の一実施形態の燃料電池システム10は、直接メタノール型燃料電池システムとして構成される。直接メタノール型燃料電池システムは改質器が不要であるので、携帯性を要する機器や小型化が望まれる機器に好適に用いられる。ここでは、燃料電池システム10を輸送機器の一例である自動二輪車に用いる場合について説明する。なお、図2には、自動二輪車について車体フレーム200のみを示す。燃料電池システム10は車体フレーム200に沿って配置される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 1-4, the
図1を主に参照して、燃料電池システム10は燃料電池12を含む。燃料電池12は、電解質12aと電解質12aを両側から挟むアノード(燃料極)12bおよびカソード(空気極)12cとを含む複数の直接メタノール型燃料電池セルを直列に接続(積層)した燃料電池セルスタックとして構成される。
Referring mainly to FIG. 1, the
また、燃料電池システム10は、高濃度のメタノール燃料(メタノールを約50wt%程度含む水溶液)Fを収容する燃料タンク14を含み、燃料タンク14は燃料供給パイプ16を介してメタノール水溶液Sが収容される水溶液タンク18に接続される。燃料供給パイプ16には燃料ポンプ20が介挿され、燃料ポンプ20の駆動によって燃料タンク14内のメタノール燃料Fが水溶液タンク18に供給される。
The
燃料タンク14には水位センサ15が装着され、燃料タンク14内のメタノール燃料Fの水位が検出される。また、水溶液タンク18には水位センサ22が装着され、水溶液タンク18内のメタノール水溶液Sの水位が検出される。水溶液タンク18は、水溶液パイプ24を介して燃料電池12のアノード12bに接続される。水溶液パイプ24には、上流側から水溶液ポンプ26、冷却ファン28を有する熱交換器30および水溶液フィルタ32が順に介挿される。水溶液タンク18内のメタノール水溶液Sは、水溶液ポンプ26によってアノード12bに向けて供給され、必要に応じて熱交換器30によって冷却され、さらに水溶液フィルタ32によって浄化されてアノード12bに供給される。
A
一方、燃料電池12のカソード12cにはエアポンプ34がエア側パイプ36を介して接続され、エア側パイプ36にはエアフィルタ38が介挿される。したがって、エアポンプ34からの酸素を含む空気がエアフィルタ38によって浄化されたのちカソード12cに与えられる。
On the other hand, an
また、アノード12bと水溶液タンク18とはパイプ40を介して接続され、アノード12bから排出される未反応のメタノール水溶液Sや生成された二酸化炭素が水溶液タンク18に与えられる。
The
さらに、カソード12cにはパイプ42を介して水タンク44が接続される。パイプ42には冷却ファン46を有する気液分離器48が介挿される。カソード12cから排出される水分(水および水蒸気)を含む排気がパイプ42を介して水タンク44に与えられる。
Further, a
また、水溶液タンク18と水タンク44とはCO2ベントパイプ50を介して接続される。CO2ベントパイプ50にはメタノール水溶液Sを分離するためのメタノールトラップ52が介挿される。これによって、水溶液タンク18から排出される二酸化炭素が水タンク44に与えられる。
The
水タンク44には、水位センサ54が装着され、水タンク44内の水位が検出される。また、水タンク44には排気ガスパイプ56が取り付けられ、排気ガスパイプ56から二酸化炭素とカソード12cからの排気とが排出される。
A
水タンク44は水還流パイプ58を介して水溶液タンク18に接続され、水還流パイプ58には水ポンプ60が介挿される。水タンク44内の水は、水溶液タンク18の状況に応じて必要なときに水ポンプ60の駆動によって水溶液タンク18へ還流される。
The
また、水溶液パイプ24において、熱交換器30と水溶液フィルタ32との間には、バイパスパイプ62が形成される。
In the
図4をも参照して、さらに燃料電池システム10においては、バイパスパイプ62にメタノール水溶液Sの濃度を検出するための濃度センサ64が設けられ、燃料電池12の温度を検出するための温度センサ66が燃料電池12に装着され、外気温度を検出するための外気温度センサ68がエアポンプ34近傍に設けられる。
Referring also to FIG. 4, in the
図4に示すように、燃料電池システム10は制御回路70を含む。
制御回路70は、必要な演算を行い燃料電池システム10の動作を制御するためのCPU72、CPU72にクロックを与えるクロック回路74、燃料電池システム10の動作を制御するためのプログラムやデータおよび演算データ等を格納するための、たとえばEEPROMからなるメモリ76、燃料電池システム10の誤動作を防ぐためのリセットIC78、外部機器と接続するためのインターフェイス回路80、自動二輪車を駆動するモータ202に燃料電池12を接続するための電気回路82における電圧を検出するための電圧検出回路84、電気回路82を流れる電流を検出するための電流検出回路86、電気回路82を開閉するためのON/OFF回路88、電気回路82の過電圧を防止するための電圧保護回路90、電気回路82に設けられるダイオード92、および電気回路82に所定の電圧を供給するための電源回路94を含む。
As shown in FIG. 4, the
The
このような制御回路70のCPU72には、濃度センサ64、温度センサ66および外気温度センサ68からの検出信号が入力され、また転倒の有無を検知する転倒スイッチ96からの検知信号や各種設定や情報入力のための入力部98から信号が与えられる。さらに、CPU72には、水位センサ15,22および54からの検出信号も与えられる。
Detection signals from the
また、CPU72によって、燃料ポンプ20、水溶液ポンプ26、エアポンプ34、熱交換器用冷却ファン28、気液分離器用冷却ファン46および水ポンプ60等の補機類が制御される。また、CPU72によって、各種情報を表示し、自動二輪車の搭乗者に各種情報を報知するための表示部100が制御される。
The
また、燃料電池12には二次電池102が並列接続される。二次電池102はモータ202にも並列接続される。二次電池102は、燃料電池12からの出力を補完するものであり、燃料電池12からの電気エネルギーによって充電され、その放電によってモータ202や補機類に電気エネルギーを与える。
A
モータ202には、モータ202の各種データを計測するためのメータ204が接続され、メータ204によって計測されたデータやモータ202の状況は、インターフェイス回路104を介してCPU72に与えられる。
A
ここで、水タンク44について詳しく説明する。
図2および図3に示すように、水タンク44は、たとえばFRPからなり、車体フレーム200における配置箇所に対応するように小型に構成されかつその上部より下部の方を膨出させて構成される。
Here, the
As shown in FIGS. 2 and 3, the
図5〜図9を参照して、水タンク44には、それぞれたとえばSUS304等からなる導入パイプ106,108および排出パイプ110,112が嵌通するように取り付けられる。
Referring to FIGS. 5 to 9, the
導入パイプ106は、水タンク44の前面やや上部から水タンク44内に嵌通する円筒部106aと水タンク44内において下方に屈曲する略ラッパ状の拡開部106bとからなる。拡開部106bの導入口114bの開口面積は、円筒部106aの入口114aのそれより大きく設定される。円筒部106aにはパイプ42が接続される。
The
排出パイプ110は、水タンク44の背面から水タンク44内に嵌通する円筒状パイプであり、水タンク44内において導入パイプ106の拡開部106bの上方に排出口115が位置するように設けられる。このように水タンク44内において導入口114bと排出口115とが対向しないように、拡開部106bと排出パイプ110とが配置される。排出パイプ110には排気ガスパイプ56が接続される。
The
導入パイプ108は、水タンク44の上面角部から水タンク44内に嵌通する円筒状パイプであり、水タンク44内において排出パイプ110の上方に配置される。導入パイプ108にはCO2ベントパイプ50が接続される。
The
排出パイプ112は、水タンク44の背面かつ底面近傍から水タンク44内に嵌通する円筒状パイプであり、排出パイプ112には水還流パイプ58が接続される。
The
したがって、カソード12cからの水分を含む排気はパイプ42を経由し導入パイプ106から水タンク44内に導入される。水溶液タンク18、CO2ベントパイプ50を経由した二酸化炭素は、導入パイプ108から水タンク44内に導入される。水タンク44内の水は、排出パイプ112を経由して水還流パイプ58に流入する。水タンク44内の二酸化炭素を含む排気は排出パイプ110および排気ガスパイプ56を通って外部に放出される。
Therefore, the exhaust gas containing moisture from the
さらに、水タンク44内には区画部材(防風部材またはパーテション部材ともいう)116が設けられる。区画部材116は、たとえばSUS304からなり、略長方形かつ板状のセパレータ116aと、セパレータ116aに対して略直角に折り曲げられた取付部116bとからなる。セパレータ116aが略水平になるように取付部116bが水タンク44の一方側面内壁に取り付けられて、区画部材116が水タンク44内に固定される。セパレータ116aによって水タンク44の内部が上方空間118aと下方空間118bとに区画される。上方空間118a側には導入パイプ106,108および排出パイプ110が設けられ、下方空間118b側には排出パイプ112が設けられる。
Further, a partition member (also referred to as a windproof member or a partition member) 116 is provided in the
区画部材116の取付位置は、下方空間118bに水溶液タンク18への補給に必要十分な水を収容できるような高さに設定される。また、図9に示すように、区画部材116が取付部116bを除いて水タンク44の内壁と接触しないように、すなわちセパレータ116aの外縁3辺と水タンク44の対応する内壁3面とが間隙120を有するように、区画部材116が位置決めされる。
The attachment position of the
また、セパレータ116aには、複数(ここでは21個)の小径貫通孔122aと複数(ここでは13個)の大径貫通孔122bとが設けられる。小径貫通孔122aは導入口114bと対向し導入口114bからの水分を含む排気の吐出箇所に集中的に設けられる。好ましくは、小径貫通孔122aの直径は4mmに、大径貫通孔122bの直径は6mmに設定される。小径貫通孔122aをこのような位置に設けることによって、下方空間118b内への排気の進入を抑えつつ水を効率的に回収できる。
The
さらに、図6に示すように、下方空間118b側の前面の内壁には、セパレータ116aの下方かつセパレータ116aと所定の間隙を有する位置に突起部(邪魔板)124が設けられる。突起部124は、垂直方向からみて水タンク44の前面の内壁とセパレータ116aとの間隙120を塞ぐように設けられる。
Furthermore, as shown in FIG. 6, a projection (baffle plate) 124 is provided on the inner wall of the front surface on the
また、下方空間118bには、水タンク44内の水位を検出するためのたとえばフロートセンサからなる水位センサ54が設けられる。図8に示すように、水位センサ54は、センサ本体54aとセンサ本体54aに取り付けられるフロート部54bとを含む。水位センサ54では、下方空間118b内の水位の変化に伴ってフロート部54bが浮動することによって、下方空間118b内の水位を検出できる。
Further, in the
このような燃料電池システム10の発電時の動作について説明する。
発電開始時には、水溶液タンク18内に収容された高濃度のメタノール水溶液Sが水溶液ポンプ26の駆動によって燃料電池12に向けて送られ、必要に応じて熱交換器30で冷却され、水溶液フィルタ32によって浄化されてアノード12bに供給される。一方、酸素を含む空気がエアポンプ34の駆動によって燃料電池12に向けて送られ、エアフィルタ38によって浄化されカソード12cに供給される。
The operation of the
At the start of power generation, a high-concentration aqueous methanol solution S accommodated in the
燃料電池12のアノード12bでは、メタノール水溶液Sのメタノールと水とが電気化学反応して二酸化炭素と水素イオンとが生成され、生成された水素イオンは、電解質12aを通ってカソード12cに流入する。この水素イオンは、カソード12cに供給された空気中の酸素と電気化学反応して、水と電気エネルギーとが生成される。
In the
燃料電池12のアノード12bで生成された二酸化炭素はパイプ40、水溶液タンク18、CO2ベントパイプ50および導入パイプ108を通って水タンク44に与えられ、排出パイプ110を介して排気ガスパイプ56から排出される。
Carbon dioxide generated at the
一方、燃料電池12のカソード12cで生成された水蒸気の大部分は液化して水となって排出されるが、飽和水蒸気分はガス状態で排出される。カソード12cから排出された水蒸気の一部は、気液分離器48で露点を下げることによって液化される。カソード12cからの水分(水および水蒸気)ならびに未反応の空気はパイプ42および導入パイプ106を経由して水タンク44に与えられる。また、水のクロスオーバーによってカソード12cに移動した水がカソード12cから排出され水タンク44に与えられる。さらに、メタノールのクロスオーバーによってカソード12cで生成された水と二酸化炭素がカソード12cから排出され水タンク44に与えられる。
On the other hand, most of the water vapor generated at the
なお、水のクロスオーバーとは、アノード12bで生成された水素イオンのカソード12cへの移動に伴って、数モルの水がカソード12cへ移動する現象である。メタノールのクロスオーバーとは、水素イオンのカソード12cへの移動に伴って、メタノールがカソード12cへ移動する現象である。カソード12cにおいて、メタノールはエアポンプ34から供給される空気と反応して水と二酸化炭素とに分解される。
The water crossover is a phenomenon in which several moles of water move to the
このようなカソード12cからの水分(水および水蒸気)を含む排気は、エアポンプ34の駆動によって導入パイプ106の導入口114bから図5において矢印Wで示すように上方空間118aに導入され、水タンク44内には強い旋回流が生じる。排気の大部分は、区画部材116のセパレータ116aと衝突して上方空間118aを旋回し、下方空間118bにはさほど流れ込まない。導入口114bから上方空間118aに導入された水は、セパレータ116aの複数の小径貫通孔122aおよび複数の大径貫通孔122bを通って流下するとともに、セパレータ116aと水タンク44の内壁との間隙120を通って流下し、下方空間118bに貯留される。下方空間118bに貯留される水が旋回流によって掻き上げられても図5において矢印Xで示すように突起部124に衝突するので、水が上方空間118aに逆流しない。
The exhaust gas containing water (water and water vapor) from the
水タンク44に回収された水は、水ポンプ60の駆動によって水還流パイプ58を経由して水溶液タンク18に適宜還流され、メタノール水溶液Sの水として利用される。
The water collected in the
水タンク44内の水量が下方空間118bの容積を超えた際には、上方空間118aに溢れ出る水が旋回流によって掻き上げられ排気と共に排出口115から排出されるので、水タンク44内の水量は常に適量となる。
When the amount of water in the
気液分離器48による水蒸気の液化動作は、冷却ファン46を動作させ露点を下げることによって行われるが、この動作は水タンク44に設けられた水位センサ54からの出力に基づいて制御されてもよい。このようにすれば冷却ファン46における消費電力を削減できる。
The liquefaction operation of the water vapor by the gas-
このような燃料電池システム10によれば、区画部材116を設けることによって、上部空間118a内の排気の旋回流が下方空間118bに貯留される水に及び難くなり、旋回流によって水タンク44内の水が掻き上げられ排出口115から排出されることを防止できる。
According to such a
特に、自動二輪車では、小型の水タンクに多量の排気を供給するため、水タンク内の風速はかなり大きくなり、水タンク内の水が吹き飛ばされて排出されやすい。しかし、燃料電池システム10では、区画部材116を用いることによって下方空間118bを平静に保つことができるので、不要な排水を防止でき、小型の水タンク44に簡単に効率よく水を回収できる。
In particular, in a motorcycle, a large amount of exhaust gas is supplied to a small water tank, so that the wind speed in the water tank is considerably increased, and the water in the water tank is easily blown off and discharged. However, in the
また、水タンク44内に導入される水分を含む排気の速度を制御するための装置や当該装置を駆動するための電力が必要なく、発電効率は低下しない。
Further, there is no need for a device for controlling the speed of the exhaust gas containing moisture introduced into the
また、水タンク44内の水量が下方空間118bの容積を超えた際には、上方空間118aに溢れ出る水が上方空間118aを廻る旋回流によって掻き上げられ排出口115から排出されるので、水タンク44内の水位が自動的に制御される。
Further, when the amount of water in the
さらに、区画部材116のセパレータ116aに複数の小径貫通孔122aおよび複数の大径貫通孔122bが設けられることによって、上方空間118aに導入された水が複数の小径貫通孔122aおよび複数の大径貫通孔122bを通って下方空間118bに流下し、効率よく水を回収できる。また、複数の小径貫通孔122aおよび複数の大径貫通孔122bの容積の分だけ上方空間118aひいては冷却空間が大きくなるので、排気に含まれる水蒸気を液化させやすくなり、より多くの水を回収できる。
Further, the
また、水タンク44の内壁とセパレータ116aとの間に間隙120を有するように区画部材116が設けられることによって、上方空間118aに導入された水が間隙120を通って下方空間118bに流下し、効率よく水を回収できる。
Further, by providing the
さらに、下方空間118bに旋回流が入り込み貯留された水を掻き上げようとしても、突起部124によって水の上昇が阻止されるので、下方空間118b内の水が掻き上げられて排出口115から排出されることがなく、効率よく水を回収できる。
Further, even if the swirl flow enters the
また、導入口114bと排出口115とが水タンク44内で対向しないように両者の位置をずらせることによって、水タンク44内に導入された排気を一旦旋回させたのち放出できる。したがって、導入口114bから上部空間118aに導入された水分を含む排気がすぐさま排出口115へと導かれ排出されてしまうことを防ぎ、効率よく水を回収できる。
Further, by shifting the positions of the
一般に小型の水タンクでは、水タンク内に導入される排気の旋回流によって水タンク内の水面が波打つため、水位を精度良く検出できない。しかし、燃料電池システム10では、区画部材116を設けることによって、下方空間118bは旋回流の影響をさほど受けず、下方空間118bに安定して水を貯留でき、水位センサ54が水タンク44内の水位を精度よく検出できる。
In general, a small water tank cannot detect the water level with high accuracy because the water surface in the water tank undulates due to the swirling flow of the exhaust gas introduced into the water tank. However, in the
さらに、燃料電池12からの水分を含む排気を導入パイプ106の拡開された導入口114bから水タンク44内に導入するので、水タンク44内に導入される水分を含む排気の速度が小さくなりひいては水タンク44内に生じる旋回流の速度が小さくなる。したがって、水タンク44内の水が飛散しにくくなり、効率よく水を回収できる。特に、自動二輪車の場合、燃料電池システム10を小さく構成する必要上パイプ42を太くできないので、流速が大きくなってしまうが、このような拡開された導入口114bを有する導入パイプ106を用いることによって、流速を効果的に抑制できる。
Further, since the exhaust gas containing moisture from the
また、図10に示すように、セパレータ126aの表面が水タンク44内の水面に対して傾斜するように区画部材126を水タンク44内に固定してもよい。これによって、上方空間118aに導入された水がセパレータ126aの表面上を流れ下方空間118bに流下するので、さらに効率よく水を回収できる。
Further, as shown in FIG. 10, the
なお、セパレータに形成される貫通孔の大きさおよび数は、効率的に水を回収できるように、排気に含まれる水分の割合に基づいて調整すればよい。 In addition, what is necessary is just to adjust the magnitude | size and number of the through-holes formed in a separator based on the ratio of the water | moisture content contained in exhaust_gas | exhaustion so that water can be collect | recovered efficiently.
また、水を上方空間118aから下方空間118bへ流下できるとともに下方空間118bの水が強風によって吹き飛ばされないようにできる限りにおいて、区画部材は、なみ板、目の細かい網、目の粗い布等であってもよい。
Further, as long as water can flow from the
さらに、突起部124は、垂直方向からみて間隙120のすべてを塞ぐように、水タンク44内においてセパレータ116aの下方かつセパレータ116aと所定の間隙を有する位置に設けられてもよい。
Furthermore, the
また、燃料電池12からの水分を含む排気を水タンク44内に導入するための導入口、および水タンク44から排気するための排出口は、それぞれ、水タンク44の壁に設けられてもよい。
In addition, an introduction port for introducing exhaust gas containing moisture from the
燃料電池システム10は自動二輪車だけではなく、自動車、船舶等の任意の輸送機器にも好適に用いることができる。
The
この発明は、メタノール水蒸気改質器搭載タイプの燃料電池システムや水素を燃料電池に供給するタイプの燃料電池システムにも適用できる。また、この発明は、小型の据え付けタイプの燃料電池システムにも適用できる。 The present invention can also be applied to a fuel cell system equipped with a methanol steam reformer or a fuel cell system of supplying hydrogen to a fuel cell. The present invention can also be applied to a small installation type fuel cell system.
10 燃料電池システム
12 燃料電池
15,22,54 水位センサ
34 エアポンプ
40,42 パイプ
44 水タンク
50 CO2ベントパイプ
56 排気ガスパイプ
58 水還流パイプ
106,108 導入パイプ
110,112 排出パイプ
114b 導入口
115 排出口
116,126 区画部材
118a 上方空間
118b 下方空間
120 間隙
122a 小径貫通孔
122b 大径貫通孔
124 突起部
200 車体フレーム
202 モータ
10 The
Claims (10)
前記燃料電池からの水を収容する水タンク、
前記燃料電池からの水分を含む排気を前記水タンク内に導入するための導入口、
前記水タンクから排気するための排出口、および
前記導入口よりも下方に位置しかつ前記水タンクの内部を上方空間と下方空間とに区画するように前記水タンク内に設けられる区画部材を備える、燃料電池システム。 Fuel cells that produce electrical energy,
A water tank for containing water from the fuel cell;
An inlet for introducing exhaust gas containing moisture from the fuel cell into the water tank;
A discharge port for exhausting from the water tank; and a partition member provided in the water tank so as to be positioned below the introduction port and partition the interior of the water tank into an upper space and a lower space , Fuel cell system.
前記燃料電池からの水を収容する水タンク、および
前記燃料電池からの水分を含む排気を前記水タンク内に導入するための拡開された導入口を有しかつ前記水タンクに接続される導入パイプを備える、燃料電池システム。 A fuel cell that generates electrical energy through an electrochemical reaction;
A water tank for containing water from the fuel cell, and an introduction having an expanded inlet for introducing exhaust gas containing moisture from the fuel cell into the water tank and connected to the water tank A fuel cell system including a pipe.
A transportation device using the fuel cell system according to claim 1.
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