JP2006079955A - 燃料電池システム及び発電用燃料容器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 燃料電池システムは、発電用燃料と水が個別に封入された燃料カートリッジ20と、発電用燃料を改質して水素ガスを取り出す改質部12と、水素ガスと酸素とを用いた電気化学反応により電気エネルギーを生成する発電セル部11と、燃料カートリッジ20から発電用燃料及び水を個別に取り出して、改質部12及び発電セル部11へ供給する燃料供給制御部14及び水供給制御部15と、を備え、発電セル部11における発電動作に先立って、該電解質膜を所定の湿潤状態に保持するように構成されている。
【選択図】 図1
Description
一般に、固体高分子膜を電解質膜(イオン交換膜)とする燃料電池(固体高分子型燃料電池)における発電動作は、アノード極(燃料極)において発電用燃料から水素イオンと電子が生成され、該水素イオンが電解質膜を介して透過し、カソード極(酸素極)側で酸素分子と結合する際に、アノード極側からカソード極側へ移動する電子を取り出すことにより電気エネルギー(電力)を得ることができるものである。
図7に示すように、まず、燃料電池本体110Aは、概略、所定の触媒微粒子(例えば、白金や白金・ルテニウム等)が付着した炭素電極からなるアノード極111と、所定の触媒微粒子(白金等)が付着した炭素電極からなるカソード極112と、アノード極111とカソード極112の間に介挿されたフィルム状の電解質膜(イオン交換膜)113と、を有して構成されている。
2CH3OH+2H2O → 12H++12e−+2CO2 ・・・(11)
なお、この化学反応においては、メタノールCH3OHのほかに、反応を促進するために水H2Oを必要とするため、数%のメタノール水溶液が適用される。
12H++3O2+12e− → 6H2O ・・・(12)
2H2 → 4H++4e− ・・・(13)
4H++O2+4e− → 2H2O ・・・(14)
発電用燃料及び水を個別に封入した燃料容器と、
前記燃料容器から前記水を取り出して、前記燃料電池本体に供給する水供給制御手段と、
を有することを特徴とする。
前記水供給制御手段は、前記燃料電池本体の電解質膜を所定の湿潤状態に保持するために必要な最低限の量の前記水を、前記燃料電池本体に供給するように設定することが好ましい。
この場合、前記水供給制御手段は、前記燃料容器から取り出した前記水を、前記改質手段に供給してもよい。
前記燃料電池システムは、前記燃料電池本体における前記発電動作に伴って生成される水を回収し、該水を少なくとも前記燃料電池本体に供給する水回収制御手段を、さらに有するようにしてもよい。
前記燃料容器は、前記発電用燃料が封入された燃料封入部と、前記水が封入された水封入部とからなり、前記燃料封入部の両端部に、前記発電用燃料を取り出すための燃料取出口と、前記燃料封入部内で前記発電用燃料を前記燃料取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられ、前記水封入部の両端部に、前記水を取り出すための水取出口と、前記水封入部内で前記水を前記水取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられていることが好ましい。
この場合、前記空気供給制御手段は、前記燃料電池システム周辺から取り込んだ前記空気を、前記燃料電池本体の空気極に供給する。
前記発電用燃料は、炭化水素系の液体燃料であることが好ましい。
前記燃料電池システムは、前記燃料容器が少なくとも前記燃料電池本体に対して、着脱可能に構成されていることが好ましい。
前記水封入部は、前記燃料電池本体における発電動作に用いる前記水素を生成するための改質反応に用いられる量の前記水がさらに封入されていることがより好ましい。
前記発電用燃料は、水を用いた前記改質反応により、前記水素が生成される、炭化水素系の液体燃料であることが好ましい。
<第1の実施形態>
<燃料電池システム>
まず、本発明に係る燃料電池システムの全体構成について説明する。
図1に示すように、本発明に係る燃料電池システムは、概略、メタノールCH3OH等の炭化水素系の発電用燃料と水H2Oが個別に封入された燃料カートリッジ(燃料容器、発電用燃料容器)20と、該燃料カートリッジ20から取り出された発電用燃料(メタノールCH3OH)を改質して水素ガスH2を取り出す改質部(改質手段)12と、水素ガスH2と酸素O2とを用いた電気化学反応により電気エネルギーを生成する発電セル部(燃料電池本体)11と、発電セル部11における電気化学反応により生成された副生成物である水H2Oを回収するとともに、少なくとも発電セル部11の電解質膜(イオン交換膜)への当該水の供給状態を制御する水回収制御部(水回収制御手段)13と、燃料カートリッジ20に封入された発電用燃料の改質部への供給状態を制御する燃料供給制御部(燃料供給制御手段)14と、少なくとも燃料カートリッジ20に封入された水の発電セル部11の電解質膜への供給状態を制御する水供給制御部(水供給制御手段)15と、を備えた構成を有している。
(発電セル部11)
本実施形態に係る燃料電池システムに適用される発電セル部(燃料電池本体)11は、図8に示した固体高分子型の燃料電池と同等の構成を有し、概略、白金や白金・ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなるアノード極(燃料極)と、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなるカソード極(空気極)と、アノード極とカソード極の間に介挿された高分子フィルムからなる電解質膜(イオン交換膜)と、を有し、アノード極側には、後述する改質部12により発電用燃料(メタノールCH3OH)を改質して得られた水素ガスH2が供給され、一方、カソード極側には大気(空気)中の酸素O2が供給されるように構成されている。
図2は、本実施形態に係る燃料電池システムに適用される改質部の一構成例を示す概念図である。図3は、本実施形態に係る燃料電池システムに適用される改質部(燃料改質器、CO除去器)おける化学反応の一例を示す概念図である。
具体的には、改質部12において、例えば、メタノールCH3OH及び水H2Oから、水素ガスH2を生成する場合にあっては、図3(a)に示すように、まず、燃料気化器12aにおける蒸発過程において、後述する薄膜ヒータHa及び燃焼器12dを制御して、メタノールCH3OH及び水H2Oの沸点程度の温度条件にあわせて燃料気化器12aの加熱温度(例えば、概ね100℃以上)に設定することにより、燃料カートリッジ20から供給されたメタノールCH3OH及び水H2Oを個別に加熱して、もしくは、混合液体を一括して加熱して気化する。
CH3OH+H2O → 3H2+CO2 ・・・(1)
CO+H2O →CO2+H2 ・・・(2)
CO+(1/2)O2 →CO2 (3)
燃料供給制御部14は、燃料カートリッジ20(燃料封入部21)と発電モジュール10との着脱可能な接続を行なうためのインターフェースとしての機能を有するとともに、少なくとも燃料カートリッジ20に封入された発電用燃料(メタノールCH3OH)を、上述した改質部12に対して供給するタイミング及び供給量を制御する機能を有している。
水供給制御部15は、燃料カートリッジ20(水封入部22)と発電モジュール10との着脱可能な接続を行なうためのインターフェースとしての機能を有するとともに、少なくとも燃料カートリッジ20に封入された水H2Oを、上述した改質部12及び発電セル部11に対して供給するタイミング及び供給量を制御する機能を有している。
水回収制御部13は、発電セル部11における発電動作に係る電気化学反応において、副生成物として生成される水H2Oを回収して、少なくとも発電セル部11に再度供給し、電解質膜(イオン交換膜)を所定の湿潤状態に保持する。さらに、水回収制御部13により回収された水の一部は、改質部12(燃料気化器12a、CO除去器12c)に供給されて各化学反応に用いられるようにしてもよい。なお、水回収制御部13は、具体的には、液体ポンプや流量制御バルブ、流路切換バルブ等(もしくは、これらと同等の機能を有する供給機構)を備えた構成を適用することができる。
図4は、本発明に係る燃料電池システムに適用可能な燃料カートリッジの一例を示す概略構成図である。なお、図4(a)においては、燃料カートリッジの構成を明確に図示するために便宜的にハッチングを施した。
次に、上述したような構成を有する燃料電池システムにおける発電動作について説明する。
図5は、本発明に係る燃料電池システムの第2の実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。ここで、上述した第1の実施形態と同等の構成については、同一又は同等の符号を付してその説明を簡略化又は省略する。
図6は、本発明に係る燃料電池システムの第3の実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。ここで、上述した第1又は第2の実施形態と同等の構成については、同一又は同等の符号を付してその説明を簡略化又は省略する。
11 発電セル部
12 改質部
12a 燃料気化器
12b 燃料改質器
12c CO除去器
12d 燃焼器
13 水回収制御部
14 燃料供給制御部
15 水供給制御部
16 空気供給制御部
20 燃料カートリッジ
21 燃料封入部
22 水封入部
Claims (12)
- 発電動作を行う燃料電池本体を備えた燃料電池システムにおいて、
発電用燃料及び水を個別に封入した燃料容器と、
前記燃料容器から前記水を取り出して、前記燃料電池本体に供給する水供給制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記水供給制御手段は、少なくとも前記燃料電池本体における前記発電動作に先立って、前記水供給制御手段により前記燃料電池本体に水を供給して、前記燃料電池本体の電解質膜を所定の湿潤状態に保持することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
- 前記燃料容器から取り出された前記発電用燃料を改質して前記水素を生成し、前記燃料電池本体の燃料極に供給する改質手段を更に備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
- 前記水供給制御手段は、前記燃料容器から取り出した前記水を、前記改質手段に供給することを特徴とする請求項3記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池システムは、前記燃料電池本体における前記発電動作に伴って生成される水を回収し、該水を少なくとも前記燃料電池本体に供給する水回収制御手段を、さらに有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 前記水回収制御手段は、前記燃料電池本体から回収した前記水を、前記電解質膜に供給することを特徴とする請求項5記載の燃料電池システム。
- 前記水供給制御手段は、前記水回収制御手段が水を回収して前記電解質膜に供給し始めると、前記燃料電池本体への水の供給を停止することを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。
- 前記燃料容器は、前記発電用燃料が封入された燃料封入部と、前記水が封入された水封入部とからなり、
前記燃料封入部の両端部に、前記発電用燃料を取り出すための燃料取出口と、前記燃料封入部内で前記発電用燃料を前記燃料取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられ、
前記水封入部の両端部に、前記水を取り出すための水取出口と、前記水封入部内で前記水を前記水取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の燃料電池システム。 - 水素と酸素を用いた触媒反応により電気エネルギーを生成する発電動作を行う燃料電池本体を備えた燃料電池システムの発電用燃料容器において、
前記水素を生成するための発電用燃料が封入された燃料封入部と、
少なくとも前記燃料電池本体における前記発電動作に先立って、前記燃料電池本体の電解質膜を所定の湿潤状態に保持するために用いられる水が封入された水封入部と、
を有し、
前記燃料封入部と前記水封入部が一体的に形成されていることを特徴とする発電用燃料容器。 - 前記水封入部は、前記燃料電池本体における発電動作に用いる前記水素を生成するための改質反応に用いられる量の前記水がさらに封入されていることを特徴とする請求項9記載の発電用燃料容器。
- 前記燃料封入部は、両端部に、前記発電用燃料を取り出すための燃料取出口と、前記燃料封入部内で前記発電用燃料を前記燃料取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられ、
前記水封入部は、両端部に、前記水を取り出すための水取出口と、前記水封入部内で前記水を前記水取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられていることを特徴とする請求項9又は10に記載の発電用燃料容器。 - 前記発電用燃料容器は、前記燃料封入部及び前記水封入部に設けられた前記各開口部を介して注入される空気の圧力により、前記発電用燃料及び前記水が前記各取出口から取り出されることを特徴とする請求項11記載の発電用燃料容器。
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