JP2007194185A - ブタン燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】付加的な動力源を要しない空気供給部及び冷却装置を含む燃料電池システムに関する。
【解決手段】本発明による燃料電池システムは、加圧して液化した燃料を貯蔵する燃料容器、熱エネルギーによる触媒反応を通じて前記燃料から水素を発生させる改質器、前記水素と酸素との電気化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を生産する電気発生部、前記電気発生部で生成される水を凝縮する凝縮器、及び前記凝縮器を経由し、前記燃料の潜熱により前記凝縮器を冷却する熱交換器を含むことを特徴とするため、別の冷却装置を用いることなく、燃料容器の潜熱により冷却された冷却水を用いて凝縮器を冷却することができる。また、別の動力装置を付加することなく、ブタン燃料に空気を混合することにより、全体的によりコンパクトで、かつ高効率の燃料電池の具現が可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、携帯用ブタン燃料を用いた燃料電池システムに関する。
一般的に、燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応により化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。前記水素は、純水素を直接燃料電池システムに供給することもでき、メタノール、エタノール、天然ガスなどのような物質を改質して水素を供給することもできる。前記酸素は、純酸素を直接燃料電池システムに供給することもでき、空気ポンプなどを用いて通常の空気に含まれた酸素を供給することもできる。
燃料電池は、常温または１００℃以下で作動する高分子電解質型燃料電池及び直接メタノール型燃料電池、１５０〜２００℃付近で作動するリン酸型燃料電池、６００〜７００℃の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池、１０００℃以上の高温で作動する固体酸化物型燃料電池などに分類される。前記それぞれの燃料電池は、基本的に電気を発生する作動原理は類似しているが、使用される燃料の種類、触媒、電解質などが互いに異なる。
このうち、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）は、メタノール、エタノール、天然ガスなどの物質を改質して生成された水素を使用し、他の燃料電池に比べて出力特性に優れ、作動温度が低いだけでなく、迅速な始動及び応答特性を有する。したがって、自動車のような移動用電源はもちろん、住宅や公共ビルのような分散用電源及び携帯用電子機器のような小型携帯機器用電源などに用いることができ、その応用範囲が広いという長所がある。
図４は、従来の高分子電解質型燃料電池システムを示す概略図である。
図中の同じ参照符号は、同一または類似の構成要素を表し、図４の構成要素のうち説明していない図面符号は、後述の実施例で同じ図面符号の構成要素の説明を参照する。
図４の従来の高分子電解質型燃料電池システムにおいて、燃料とは、メタノール、エタノール、天然ガスなどを改質して水素を生成することができる物質を意味する。また、前記ブタン燃料と水との混合物を混合燃料と定義する。
図４を参照すると、基本的に、高分子電解質型燃料電池は、燃料を貯蔵する燃料容器１１０、前記燃料を改質して水素を発生させる改質器１４０、及び前記水素と酸素との電気化学反応により所定の電圧及び電流を発生させる電気発生部１５０を含む。
改質器１４０に前記燃料を供給する際は、別の動力源を要する燃料ポンプ２２１、２２２が必要である。また、改質器１４０には、別の動力源を要する空気供給部２２４を介して酸素が供給され、前記燃料を燃焼させる。一方、電気発生部１５０で発生する水は、凝縮器１７５で冷却して凝縮されるが、凝縮器１７５での冷却作用を容易にするために別の動力源を要する冷却器２７４が必要である。
このように、通常の高分子型燃料電池システムを運転する際は、別の動力源を要する装置が必要になるが、これは、燃料電池を駆動するための電力をさらに要するため、効率的な燃料電池の運転が困難になる。
日本公開特許第２００３−０９５６０９号公報 日本公開特許第１９９８−０９７８６２号公報 大韓民国公開特許第１０−２０００−００２２５４５号公報
本発明は、前述の問題を考慮して導き出されたもので、本発明の目的は、付加的な動力源を要しない空気供給部及び冷却装置を含む燃料電池システムを提供することにある。
前述の目的を達成するために、本発明による燃料電池システムは、加圧して液化した燃料を貯蔵する燃料容器、熱エネルギーによる触媒反応を通じて前記燃料から水素を発生させる改質器、前記水素と酸素との電気化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を生産する電気発生部、前記電気発生部で生成される水を凝縮する凝縮器、及び前記凝縮器を経由し、前記燃料の潜熱により前記凝縮器を冷却する熱交換器を含むことを特徴とする。
前記燃料電池システムは、前記燃料容器と接して設け、冷却水を貯蔵する冷却水容器をさらに含むことができ、前記冷却水容器の外側には絶縁材が設けられることができる。
前記冷却水容器と前記熱交換器は、互いに流体連通可能に連結されることができ、前記熱交換器は、前記冷却水が流動することができる導管を含むことができる。前記熱交換器は、前記凝縮器の少なくとも一方に接して提供されることができる。前記改質器には、前記燃料がベンチュリ管を通過することにより生じる負圧の駆動力により空気が供給されることができる。
前記燃料は、気相の炭化水素系物質、特にブタンを含むことができる。また、前記燃料容器は、移動式ブタン燃料容器を含むことができる。
前記燃料電池システムは、高分子電解質型燃料電池システムであることができる。
本発明による燃料電池システムによると、別の冷却装置を用いることなく、燃料容器の潜熱により冷却された冷却水を用いて凝縮器を冷却することができる。また、別の動力装置を付加することなく、ブタン燃料に空気を混合することにより、全体的によりコンパクトで、かつ高効率の燃料電池の具現が可能である。
以下、本発明を明確にするための好ましい実施例を、添付した図面に基づいて詳細に説明する。図中の同じ参照符号は、同一または類似の構成要素を表す。
図１は、本発明の実施例による高分子電解質型燃料電池システムを示す概略図である。
本発明による燃料電池システムにおいて、燃料とは、通常、市中で販売するブタン燃料を意味するが、これに限らず、気相の炭化水素系物質であるＬＮＧ、プロパン、純粋なブタンなどを含むことができる。前記ブタン燃料は、通常、純粋なブタン及びプロパンが一定割合で混合されている。また、前記ブタン燃料と水との混合物を混合燃料と定義する。
図１を参照すると、本発明の実施例による高分子電解質型燃料電池は、燃料容器１１０、冷却水容器１２０、空気混合器１３３、改質器１４０、電気発生部１５０、熱交換器１７４、凝縮器１７５及び水貯蔵容器１８０で構成される。
燃料容器１１０は、密閉型の耐圧容器であり、内部に燃料を貯蔵する。燃料容器１１０は、通常、市中で販売する移動式ブタン燃料容器を使用することもできるが、以下では、燃料容器１１０として移動式ブタン燃料容器を使用するとして詳述する。燃料容器１１０は、ブタン燃料を所定の圧力を加えて液化させて貯蔵する。このような液相のブタン燃料は、燃料容器１１０の周辺温度により気相のブタン燃料に一定量気化する。このような気相のブタン燃料により燃料容器１１０の内負圧が増加し、そのため、別の付加装置なしに、燃料容器１１０のノズル（図示せず）の開放によりブタン燃料が放出され、分配器１３０に供給される。一方、ブタン燃料が液体状態から気体状態に相変化をしながら、潜熱により燃料容器１１０が冷却される。
図２は、燃料容器１１０に冷却水容器１２０が設けられた斜視図である。
図２を参照すると、燃料容器１１０の外側には、冷却水容器１２０が接して設けられ、冷却水容器１２０の外側には、断熱材１２１が設けられる。冷却水容器１２０に貯蔵された冷却水は、前述の作用により冷却された燃料容器１１０の表面と接して冷却され、断熱材１２１により冷却状態が維持される。
図１をさらに参照すると、前記冷却水は、ポンプ１７１を介して冷却水供給管１７２に沿って熱交換器１７４に供給される。ポンプ１７１は、なるべく最小限の動力を要する小型とする。前記冷却水は、熱交換器１７４に形成された流路に沿って移動し、熱交換により熱交換器１７４を冷却する。すると、熱交換器１７４と接して設けられた凝縮器１７５が冷却され、凝縮器１７５の凝縮作用がさらに効率的になる。一方、熱交換器１７４で熱交換が終わった前記冷却水は、冷却水回収管１７３を介して冷却水容器１２０に回収され、さらに冷却される。このような構成より、多くの動力を使用する別の冷却器を取り付けるまでもなく、より少ない動力を使用するポンプ１７１のみを用い、燃料容器１１０の冷却作用を用いて凝縮器１７５を冷却することにより、よりコンパクトで、かつ高効率の燃料電池の運転が可能である。
燃料容器１１０から分配器１３０に供給されたブタン燃料は二分する。ブタン燃料の一部は、改質燃料であって、第１燃料供給管１３４を介して後述の改質器１４０の改質反応部１４１に供給される。ブタン燃料の残りの一部は、燃焼燃料であって、第２燃料供給管１３５を介して改質器１４０の熱源部１４２に供給される。第１燃料供給管１３４及び第２燃料供給管１３５には、それぞれ弁１３１、１３２が設けられる。弁１３１、１３２の開度を調節することにより、別の駆動装置なしに、前記改質燃料または前記燃焼燃料の供給量を調節することができる。
一方、前記燃焼燃料には、燃焼反応に必要な一定量の空気を混合して改質器１４０の熱源部１４２に供給しなければならない。このような空気は、動力を要する別の装置なしに、空気混合器１３３により前記燃焼燃料と混合されることができる。空気混合器１３３の中心部は、ベンチュリ管１３６が形成され、ベンチュリ管１３６の中心部は、外気と流体連通可能に吸気管１３７が設けられる。ベンチュリ管１３６を介して前記燃焼燃料が流入すると、狭くなる流路により前記燃焼燃料の流速が増加する。すると、ベルヌイの定理により圧力が低くなって負圧が発生し、吸気管１３７を介して外気が吸い込まれる。そのため、前記燃焼燃料と空気とが混合され、これらは、第２燃料供給管１３５を介して改質器１４０の熱源部１４２に供給される。したがって、動力を要する別の装置なしに、燃焼燃料に空気を混合することができる。類似の構造として、別の動力装置なしに、前記改質燃料に水貯蔵容器１８０に貯蔵された水を混合することができる。
改質器１４０は、改質反応部１４１と熱源部１４２とを含む。改質反応部１４１は、水蒸気改質触媒反応により前記改質燃料を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する。前記燃焼燃料は、空気とともに、熱源部１４２に流入して燃焼され、改質反応部１４１に熱源を供給する。一方、前記改質ガスには、一酸化炭素が一定量含まれているため、前記改質ガスが電気発生部１５０にそのまま流入すると、触媒を被毒して燃料電池システムの性能が低下する。したがって、前記改質ガスに含まれた一酸化炭素を低減させるために、水性ガス切替部１４３及び選択的酸化部１４４によりそれぞれ水性ガス切替触媒反応と選択的酸化触媒反応をする。これより、前記改質ガスに含まれた一酸化炭素を除去し、高濃度の水素を得ることができる。
電気発生部１５０は、改質器１４０により改質された前記水素と空気供給部１６０を介して流入した通常の空気に含まれた酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生する。電気発生部１５０は、水素と酸素をそれぞれ酸化／還元させる電解質膜−電極接合体１５４と、前記水素と前記酸素とを電解質膜−電極接合体１５４に供給するためのバイポーラプレート１５５とを含むことができる。電解質膜−電極接合体１５４は、両側面をなすアノード電極１５２及びカソード電極１５３の間に電解質膜１５１が介在された通常の電解質膜−電極接合体の構造を有することができる。電気発生部１５０の電気化学反応を反応式で表すと、下記反応式１の通りである。
［反応式１］
アノード電極：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−
カソード電極：１／２Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ
全体反応式：Ｈ２ ＋ １／２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ ＋ 電流 ＋ 熱
電気発生部１５０の一端には、前述の凝縮器１７５が連設される。凝縮器１７５は、前述のような冷却作用により電気発生部１５０から排出された高温の水蒸気を凝縮し、凝縮された水は、水貯蔵容器１８０に貯蔵される。
図３は、本発明により凝縮器１７５に熱交換器１７４が設けられた斜視図である。図３を参照すると、熱交換器１７４は、中空管で形成され、凝縮器１７５の上部及び下部に接し、十分に熱交換可能な適切な数に湾曲して設けられる。熱交換器１７４の一端は、冷却水供給管１７２と連通され、他端は、冷却水回収管１７３と連通される。前記冷却水は、冷却水供給管１７２を介して熱交換器１７４に流入して熱交換器１７４内部に沿って流動しながら、冷却器１７４と熱交換する。これにより、冷却器１７４は冷却され、冷却器１７４は、冷却器と接して設けられた凝縮器１７５と熱交換する。したがって、凝縮器１７５は冷却され、電気発生部１５０で生成された高温の水蒸気をより容易に凝縮することができる。熱交換が終わった前記冷却水は、冷却水回収管１７３を介して流出する。本実施例において、熱交換器１７４は、凝縮器１７５の両側面に設けるとして図示しているが、熱交換器１７４を凝縮器１７５の一側面にのみ設けることもできる。
以上より、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明は、これに限るものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これまた、本発明の範囲に属するということは言うまでもない。
上記の内容は、本発明の好ましい実施例を単に例示したものであり、本発明の属する技術分野における当業者は、添付された請求範囲に記載の本発明の思想及び要旨を逸脱することなく、本発明に対する修正及び変更を加えることができるということを認識しなければならない。
本発明の実施例による高分子電解質型燃料電池システムを示す概略図である。 本発明の実施例により燃料容器に冷却水容器が設けられた斜視図である。 本発明の実施例により凝縮器に熱交換器が設けられた斜視図である。 従来の高分子電解質型燃料電池システムを示す概略図である。
符号の説明
１１０ 燃料容器
１２０ 冷却水容器
１２１ 絶縁材
１３０ 分配器
１３３ 空気混合器
１４０ 改質器
１５０ 電気発生部
１７４ 熱交換器
１７５ 凝縮器
１８０ 水貯蔵容器

Claims (11)

  1. 加圧して液化した燃料を貯蔵する燃料容器、
    熱エネルギーによる触媒反応を通じて前記燃料から水素を発生させる改質器、
    前記水素と酸素との電気化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を生産する電気発生部、
    前記電気発生部で生成される水を凝縮する凝縮器、及び
    前記凝縮器を経由し、前記燃料の潜熱により前記凝縮器を冷却する熱交換器を含むことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池システムは、前記燃料容器と接して設け、冷却水を貯蔵する冷却水容器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記冷却水容器の外側には、絶縁材が設けられることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記冷却水容器と前記熱交換器は、互いに流体連通可能に連結されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記熱交換器は、前記冷却水が流動することができる導管を含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記熱交換器は、前記凝縮器の少なくとも一方に接して提供されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記改質器には、前記燃料がベンチュリ管を通過することにより生じる負圧の駆動力により空気が供給されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料は、気相の炭化水素系物質を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料は、ブタンを含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料容器は、移動式ブタン燃料容器を含むことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記燃料電池システムは、高分子電解質型燃料電池システムであることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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