JP2007214128A - 気液分離装置及び燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】気液分離膜を用いて別の動力源なしに燃料中の気体を分離し、気体が分離された燃料を排出することが可能な気液分離装置及び燃料電池を提供すること。
【解決手段】液体の燃料を使用する燃料電池で用いられる気液分離装置において、中空管状であり、表面に1つ以上の開口部が形成され、気体を含んだ燃料が導通する燃料誘導管120、220、320、320’と、燃料誘導管の前記開口部に設置され、液体は透過させず、気体のみを選択的に透過させる気液分離膜130、230、330、330’とを備えることを特徴とする。
【選択図】図3
【解決手段】液体の燃料を使用する燃料電池で用いられる気液分離装置において、中空管状であり、表面に1つ以上の開口部が形成され、気体を含んだ燃料が導通する燃料誘導管120、220、320、320’と、燃料誘導管の前記開口部に設置され、液体は透過させず、気体のみを選択的に透過させる気液分離膜130、230、330、330’とを備えることを特徴とする。
【選択図】図3
Description
本発明は、燃料電池に用いる気液分離装置に関し、特に、回収燃料に含まれた気体を気液分離膜を用いて分離排出する気液分離装置に関する。
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。これらのそれぞれの燃料電池は、電気を発生する基本的な作動原理が類似するが、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、直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)は、原燃料を改質して水素を生成する改質器を使用せずにメタノールを直接燃料として使用するため、改質器などが不要で、よりコンパクトに構成することができる。さらに、低温で動作可能であるため、携帯用電子機器などの電源として使用することができる。
図1は、通常の直接メタノール型燃料電池の電極電解質接合体を示す概略図である。
図1を参照すると、通常の直接メタノール型燃料電池の電極電解質接合体は、アノード電極10とカソード電極20との間に電解質膜30が介在された形態から構成される。アノード電極10に供給されたメタノール(CH3OH)及び水(H2O)(以下、メタノールと水との混合物を燃料と定義する。)は、触媒上で二酸化炭素(CO2)、水素イオン(H+)及び電子(e−)に分解される。水素イオンは、電解質膜30を介してカソード電極20に移動し、電子は、外部導線を通じてカソード電極20に移動する。カソード電極20には通常の空気に含まれた酸素(O2)が供給され、アノード電極10から移動された電子と水素イオン、そして酸素が触媒上で反応して水を生成する。アノード電極10とカソード電極20で起きる電気化学反応を反応式で表すと、下記の反応式1の通りである。
(反応式1)
アノード電極:CH3OH+H2O→CO2+6H++6e−
カソード電極:3/2O2+6H++6e−→3H2O
全体:CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O
アノード電極:CH3OH+H2O→CO2+6H++6e−
カソード電極:3/2O2+6H++6e−→3H2O
全体:CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O
しかし、実際の燃料電池運転過程中において、アノード電極10に流入した燃料中の一部は完全に反応せず、アノード電極10で発生した二酸化炭素と共に排出される。また、メタノールが燃料としてアノード電極10に供給されるとき、メタノールが電解質膜30を直に通過してカソード電極20に移動するという、いわゆるクロスオーバー(cross over)現象が生じ、カソード電極20にも燃料の一部が混入して、カソード電極20で生成される水と共に排出されることがある。このように、燃料電池運転過程中において、電極電解質接合体のアノード電極10とカソード電極20で二酸化炭素及び水だけでなく、未反応燃料が混じって排出されることがある。
図2は、直接メタノール型燃料電池システムの未反応燃料を回収する過程を示すブロック図である。
電気発生部60は、電極電解質接合体から構成される。電極電解質接合体は、少なくとも一つ以上積層された構造を有することができる。電気発生部60では、電極電解質接合体で電気化学反応後生成される二酸化炭素と水だけでなく、未反応燃料も共に排出され、これらは気液分離装置70に流入する。気液分離装置70は、二酸化炭素を除去し、水と未反応燃料のみが燃料混合器50に流入する。燃料混合器50には燃料容器40に貯蔵された高濃度の燃料が流入し、電気発生部60の運転に必要な濃度の燃料が生成される。燃料は、さらに電気発生部60に供給される。
上記のような直接メタノール型燃料電池システムにおいて、気液分離装置70で二酸化炭素を効率的に除去しなければ、燃料を供給する装置に二酸化炭素が流入して作動に異常が生じ得るという問題があった。また、電気発生部60の電極電解質接合体に二酸化炭素がそのまま流入すると、二酸化炭素により燃料がアノード電極10と接する面積が減少し、燃料電池の効率が減少することがあるという問題があった。一方、未反応燃料から二酸化炭素を除去するために別の動力源が必要な装置、例えば、気液分離器などを付加する場合、余計な電力を消耗するため、燃料電池の効率が減少することがあるという問題があった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、気液分離膜を用いて別の動力源なしに燃料中の気体を分離し、気体が分離された燃料を排出することが可能な、新規かつ改良された気液分離装置及び燃料電池を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、液体の燃料を使用する燃料電池で用いられる気液分離装置において、中空管状であり、表面に1つ以上の開口部が形成され、気体を含んだ燃料が導通する燃料誘導管と、燃料誘導管の前記開口部に設置され、液体は透過させず、気体のみを選択的に透過させる気液分離膜とを備えることを特徴とする気液分離装置が提供される。
上記燃料誘導管及び前記気液分離膜を外部から隔離するように内部に収容し、前記気液分離膜から透過した気体を外部に排出するガス排出口が形成されたハウジングをさらに備えることができる。
上記燃料誘導管の直径は、燃料が流入する一側の直径が他側の直径より大きいことがあり、上記燃料誘導管の開口部は、燃料が流入する一側の面積が他側の面積よりも広いことがある。上記燃料誘導管の開口部は、燃料誘導管の表面の周りに均一に配置されることができ、上記燃料が流出する燃料誘導管の末端には多孔性物質が充填されることができる。
また、上記課題を解決するため、本発明の別の観点によれば、液体の燃料を貯蔵する燃料貯蔵容器と、燃料と水とを混合して混合燃料を生成する燃料混合器と、前記混合燃料及び酸素を用いて電気化学反応により電気を発生させる電気発生部と、前記電気発生部から排出される水と液状の未反応燃料中に含まれた気体を分離する気液分離装置とを備え、気液分離装置は、中空管状であり、表面に1つ以上の開口部が形成された燃料誘導管と、燃料誘導管の開口部に設置され、液体は透過させず、気体のみを選択的に透過させる気液分離膜とを有することを特徴とする燃料電池システムが提供される。
上記燃料誘導管の直径は、燃料が流入する一側の直径が他側の直径より大きいことがあり、上記燃料誘導管の開口部は、燃料が流入する一側の面積が他側の面積よりも広いことがある。上記燃料誘導管の開口部は、燃料誘導管の表面の周りに均一に配置されることができ、上記燃料が流出する燃料誘導管の末端には多孔性物質が充填されることができる。燃料電池システムは、直接メタノール型燃料電池システムであるとしてもよい。
本発明によれば、気液分離膜を用いて別の動力源なしに燃料中の気体を分離し、気体が分離された燃料を排出することができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
まず、本実施形態に係る直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)について説明する。本実施形態に係る直接メタノール型燃料電池は、原燃料を改質して水素を生成する改質器を使用せずにメタノールを直接燃料として使用する
通常の直接メタノール型燃料電池の電極電解質接合体は、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜が介在された形態から構成される。アノード電極に供給されたメタノール(CH3OH)及び水(H2O)(以下、メタノールと水との混合物を燃料と定義する。)は、触媒上で二酸化炭素(CO2)、水素イオン(H+)及び電子(e−)に分解される。水素イオンは、電解質膜を介してカソード電極に移動し、電子は、外部導線を通じてカソード電極に移動する。カソード電極には通常の空気に含まれた酸素(O2)が供給され、アノード電極から移動された電子と水素イオン、そして酸素が触媒上で反応して水を生成する。アノード電極とカソード電極で起きる電気化学反応を反応式で表すと、下記の反応式1の通りである。
(反応式1)
アノード電極:CH3OH+H2O→CO2+6H++6e−
カソード電極:3/2O2+6H++6e−→3H2O
全体:CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O
アノード電極:CH3OH+H2O→CO2+6H++6e−
カソード電極:3/2O2+6H++6e−→3H2O
全体:CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O
しかし、実際の燃料電池運転過程中において、アノード電極に流入した燃料中の一部は完全に反応せず、アノード電極で発生した二酸化炭素と共に排出される。また、メタノールが燃料としてアノード電極に供給されるとき、メタノールが電解質膜を直に通過してカソード電極に移動するという、いわゆるクロスオーバー(cross over)現象が生じ、カソード電極にも燃料の一部が混入して、カソード電極で生成される水と共に排出されることがある。このように、燃料電池運転過程中において、電極電解質接合体のアノード電極とカソード電極で二酸化炭素及び水だけでなく、未反応燃料が混じって排出されることがある。
本実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムの未反応燃料を回収する過程では、燃料容器と、燃料混合器と、電気発生部と、気液分離装置とを備える。
電気発生部は、電極電解質接合体から構成される。電極電解質接合体は、少なくとも1つ以上積層された構造を有することができる。電気発生部では、電極電解質接合体で電気化学反応後生成される二酸化炭素と水だけでなく、未反応燃料も共に排出され、これらは気液分離装置に流入する。気液分離装置は、二酸化炭素を除去し、水と未反応燃料のみが燃料混合器に流入する。燃料混合器には燃料容器に貯蔵された高濃度の燃料が流入し、電気発生部の運転に必要な濃度の燃料が生成される。燃料は、さらに電気発生部に供給される。
次に、本発明の第1の実施形態に係る気液分離装置について説明する。図3は、本実施形態に係る気液分離装置を示す斜視図であり、図4は、本実施形態に係る燃料誘導管120及び気液分離膜130の分解斜視図である。
図3及び図4を参照すると、本実施形態に係る気液分離装置は、ハウジング110と、燃料流入管140と、燃料誘導管120と、気液分離膜130と、ガス排出口160と、燃料流出管150を備える。
燃料流入管140の一端は、燃料電池の電気発生部(図示せず。)と流体連通可能に連結され、燃料電池から排出される未反応燃料と二酸化炭素とが流入する。燃料流入管140の他端は、ハウジング110内部に設けられた燃料誘導管120の一端と流体連通可能に連結される。
燃料誘導管120は、燃料に対して耐食性及び不透性のある材質で製作される。燃料誘導管120は、ハウジング110内部に設けられ、直径が漸次減少する円錐状の中空管である。燃料誘導管120の一端より直径が相対的に小さい燃料誘導管120の他端には、後述の燃料流出管150と流体連通可能に連結される。燃料誘導管120の表面には少なくとも2つ以上の開口部が形成される。開口部は、燃料誘導管120の一側に偏って形成されることなく、燃料誘導管120の周りに均一に分布する。開口部の形状は、燃料流入管140側の広さが、燃料流出管150側の広さよりも広い非対称形状である。それぞれの開口部には、気液分離膜130が隙間がないように設置される。気液分離膜130は、液体は透過させず、気体のみを選択的に透過させる性質がある。
燃料流出管150は、上述のように、燃料誘導管120の一端と流体連通可能に連結される。また、燃料流出管150の直径は、燃料流入管140の直径より小さい。
本実施形態に係る気液分離装置の構成により、燃料電池から排出される未反応燃料と二酸化炭素は、燃料流入管140を介して燃料誘導管120に流入する。燃料誘導管120に流入した二酸化炭素は、燃料誘導管120の内部で浮遊し、燃料誘導管120の表面に設けられた気液分離膜130と接するようになる。気液分離膜130は、燃料誘導管120の周りに均一に設けられるため、気液分離装置が回転して向きを変えた場合でも二酸化炭素は気液分離膜130のうちいずれか1つと接することができる。気液分離膜130は、燃料流入管140側の広さが燃料流出管150側の広さよりも広いため、二酸化炭素は、燃料誘導管120に流入するとまず広い気液分離膜130の面積と対面することになる。二酸化炭素は、気液分離膜130を介して燃料誘導管120の外部に排出され、ハウジング110の一側に設けられたガス排出口160を介して外部に排出される。二酸化炭素が除去された未反応燃料は、燃料流出管150を介して燃料混合器(図示せず。)に供給されることができる。
上記のように、ハウジング110に設けられたガス排出口160を介してガスを排出するのは、気液分離膜130を介して排出される二酸化炭素などが燃料電池システムの構成要素に接触すると、腐食を生じることがあるためである。しかし、これを防止するために、すべての燃料電池システムのすべての構成要素を耐腐食性材質で具現すると、製造費用が増加する。したがって、ハウジング110は、二酸化炭素やメタノールに対して耐腐食性材質であって、流出気体や漏洩液がハウジング110の外部に漏れないように水密及び/または気密構造を有さなければならない。
図においては、ハウジング110の一側に一つのガス排出口160が形成されたものを示しているが、本実施形態はかかる例に限定されず、ガスの流れを円滑にするために多数個のガス排出口を形成するか、ハウジング110の両側にガス排出口を形成することもできる。
次に、本実施形態に係る気液分離装置の変形例について説明する。図5は、本実施形態に係る気液分離装置の変形例を示す斜視図である。
図5を参照すると、気液分離装置は、上述した図3の気液分離装置に、燃料吸収層151をさらに備える。
燃料吸収層151は、燃料誘導管120と燃料流出管150との境界に介在され、内部には多孔性物質が充填される。燃料吸収層151は、液状の未反応燃料のみを吸収するため、燃料誘導管120を通過しながら排出されていない二酸化炭素が燃料流出管150に流出することを防止することができる。
図6は、本実施形態に係る気液分離装置の変形例を示す斜視図である。本実施形態に係る気液分離装置は、ハウジング210と、燃料流入管240と、燃料誘導管220と、気液分離膜230と、ガス排出口260と、燃料流出管250と、燃料吸収層251を備える。
図6を参照すると、図示の気液分離装置は、上述の図5の気液分離装置とほぼ同一の構成要素を有する。但し、燃料誘導管220の形状が円錐形状ではなく、直径が同じである円柱形と、直径が漸次減少する略円錐形とが組合せされた中空の瓶状である点が異なる。図示の構造は、円柱形状を有することから、円錐形状の場合に比べて、気液分離膜230を燃料誘導管220表面に設置することが容易であるという長所がある。
図7A及び図7Bは、本発明の第1の実施形態に係る気液分離装置の変形例を示す斜視図である。図7Aに示す気液分離装置は、ハウジング310と、燃料流入管340と、燃料誘導管320と、気液分離膜330と、ガス排出口360と、燃料流出管350と、燃料吸収層351を備える。図7Bに示す気液分離装置は、ハウジング310’と、燃料流入管340’と、燃料誘導管320’と、気液分離膜330’と、ガス排出口360’と、燃料流出管350’と、燃料吸収層351’を備える。
図7A及び図7Bを参照すると、図示の気液分離装置は、上述の図5の気液分離装置とほぼ同一の構成要素を有する。但し、燃料誘導管320の形状が円錐形状ではなく、蛇行した一端から他端までの長さが長い導管状である点が異なる。
図7Aの気液分離膜330は、導管状の燃料誘導管320の一部を切開した開口部に設置される。図7Bの場合には、燃料誘導管320’の一部がメッシュ(mesh)から形成され、気液分離膜330’がメッシュを取り囲む形態を有する。
本実施形態に係る気液分離装置によれば、気液分離膜を用いて別の動力源なしに未反応燃料に含まれた気体、例えば二酸化炭素を除去して、二酸化酸素が除去された未反応燃料を燃料電池に供給することができ、よりコンパクトでかつ高効率の燃料電池システムを提供することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
110、210、310、310’ ハウジング
120、220、320、320’ 燃料誘導管
130、230、330、330’ 気液分離膜
140、240、340、340’ 燃料流入管
150、250、350、350’ 燃料流出管
151、251、351、351’ 燃料吸収層
120、220、320、320’ 燃料誘導管
130、230、330、330’ 気液分離膜
140、240、340、340’ 燃料流入管
150、250、350、350’ 燃料流出管
151、251、351、351’ 燃料吸収層
Claims (13)
- 液体の燃料を使用する燃料電池で用いられる気液分離装置において、
中空管状であり、表面に1つ以上の開口部が形成され、気体を含んだ燃料が導通する燃料誘導管と、
前記燃料誘導管の前記開口部に設置され、液体は透過させず、気体のみを選択的に透過させる気液分離膜と、
を備えることを特徴とする、気液分離装置。 - 前記燃料誘導管及び前記気液分離膜を外部から隔離するように内部に収容し、前記気液分離膜から透過した気体を外部に排出するガス排出口が形成されたハウジングをさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の気液分離装置。
- 前記燃料誘導管の直径は、前記燃料が流入する一側の直径が他側の直径より大きいことを特徴とする、請求項2に記載の気液分離装置。
- 前記燃料誘導管の前記開口部は、前記燃料が流入する一側の面積が他側の面積よりも広いことを特徴とする、請求項3に記載の気液分離装置。
- 前記燃料誘導管の前記開口部は、前記燃料誘導管の表面の周りに均一に配置されたことを特徴とする、請求項4に記載の気液分離装置。
- 前記燃料が流出する前記燃料誘導管の末端には多孔性物質が充填されたことを特徴とする、請求項5に記載の気液分離装置。
- 液体の燃料を貯蔵する燃料貯蔵容器と、
前記燃料と水とを混合して混合燃料を生成する燃料混合器と、
前記混合燃料及び酸素を用いて電気化学反応により電気を発生させる電気発生部と、
前記電気発生部から排出される液状の燃料中に含まれた気体を分離する気液分離装置と、
を備え、
前記気液分離装置は、
中空管状であり、表面に1つ以上の開口部が形成された燃料誘導管と、
前記燃料誘導管の前記開口部に設置され、液体は透過させず、気体のみを選択的に透過させる気液分離膜と、
を有することを特徴とする、燃料電池システム。 - 前記気液分離装置は、
前記燃料誘導管及び前記気液分離膜を外部から隔離するように内部に収容し、前記気液分離膜から透過した気体を外部に排出するガス排出口が形成されたハウジングをさらに備えることを特徴とする、請求項7に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料誘導管の直径は、前記燃料が流入する一側の直径が他側の直径より大きいことを特徴とする、請求項8に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料誘導管の前記開口部は、前記燃料が流入する一側の面積が他側の面積よりも広いことを特徴とする、請求項9に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料誘導管の前記開口部は、前記燃料誘導管の表面の周りに均一に配置されたことを特徴とする、請求項10に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料が流出する前記燃料誘導管の末端には多孔性物質が充填されたことを特徴とする、請求項11に記載の燃料電池システム。
- 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、請求項7〜12のいずれかに記載の燃料電池システム。
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