JP2008243747A - Fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気液分離器を備えているとともに電子機器等の電源として用いられる燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device that includes a gas-liquid separator and is used as a power source for electronic equipment and the like.
現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ(以下、ノートPCと称する)、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池(以下、DMFCと称する)は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。 Currently, secondary batteries such as lithium ion batteries are mainly used as power sources for portable notebook personal computers (hereinafter referred to as notebook PCs) and mobile devices. In recent years, a small fuel cell with high output and no need for charging has been expected as a new power source due to an increase in power consumption accompanying the enhancement of functions of these electronic devices and a request for longer use. There are various types of fuel cells. In particular, a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC) using a methanol solution as a fuel is easier to handle than a fuel cell using hydrogen as a fuel. Since the system is simple, it is attracting attention as a power source for electronic devices.
通常、DMFCは、メタノールが収容された燃料タンク、メタノールを起電部に圧送する送液ポンプ、および起電部に空気を供給する送気ポンプ等を備えている。起電部はそれぞれアノードおよびカソードを有した複数の単セルを積層したセルスタックを備え、アノード側にメタノールを、カソード側に空気を供給することにより、化学反応によって発電を行う。発電に伴う反応生成物として、起電部のアノード側には未反応のメタノールおよび炭酸ガスが発生し、カソード側には水が発生する。反応生成物である水は蒸気となって排気される。 Usually, the DMFC includes a fuel tank in which methanol is stored, a liquid feed pump that pumps methanol to the electromotive unit, an air pump that supplies air to the electromotive unit, and the like. The electromotive unit includes a cell stack in which a plurality of single cells each having an anode and a cathode are stacked, and generates electricity by a chemical reaction by supplying methanol to the anode side and air to the cathode side. As reaction products accompanying power generation, unreacted methanol and carbon dioxide gas are generated on the anode side of the electromotive section, and water is generated on the cathode side. The reaction product water is exhausted as steam.
アノードで生じた未反応の燃料および炭酸ガスの気液2相流において、炭酸ガスは発電反応を阻害する。そのため、アノードで生じた未反応燃料を循環させて再使用する場合、気液2層流中の気体成分を分離、除去する必要がある。そこで、起電部のアノード出口と燃料タンクとの間を延びる流路には気液分離器が設けられている。起電部のアノード側に生じた未反応のメタノールおよび炭酸ガスは気液分離器に送られ、メタノールと炭酸ガスとが分離される。分離後、メタノールは回収流路を通して燃料タンクへ送られ、炭酸ガスは排気路を通してカソード流路に送られる(例えば、特許文献1)。 In the gas-liquid two-phase flow of unreacted fuel and carbon dioxide generated at the anode, carbon dioxide inhibits the power generation reaction. Therefore, when the unreacted fuel generated at the anode is circulated and reused, it is necessary to separate and remove the gas component in the gas-liquid two-layer flow. Therefore, a gas-liquid separator is provided in the flow path extending between the anode outlet of the electromotive unit and the fuel tank. Unreacted methanol and carbon dioxide generated on the anode side of the electromotive section are sent to a gas-liquid separator, and methanol and carbon dioxide are separated. After the separation, methanol is sent to the fuel tank through the recovery channel, and carbon dioxide gas is sent to the cathode channel through the exhaust channel (for example, Patent Document 1).
気液分離器には種々の分離方式があるが、傾斜条件に強く小型化に適している気液分離器として、多孔質のガス透過性膜からなるチューブによって構成されたものが提案されている(例えば、特許文献2)。このチューブは液体の流れ横切って配置されているとともに、内部が排気装置によって減圧されている。これにより、液体中に含まれる気体は、気液分離膜のチューブを通ってチューブ内へ排気され、液体から分離される。
上記のように構成された燃料電池装置において、気液分離器で分離された燃料は燃料タンクに戻され、再度、発電に利用される。そのため、燃料を効率良く利用する上で、起電部と燃料タンクとの間に設けられた気液分離器は、燃料と炭酸ガスとを効率良く確実に分離できることが必要となる。 In the fuel cell device configured as described above, the fuel separated by the gas-liquid separator is returned to the fuel tank and is used again for power generation. Therefore, in order to efficiently use the fuel, the gas-liquid separator provided between the electromotive unit and the fuel tank needs to be able to efficiently and reliably separate the fuel and the carbon dioxide gas.
しかしながら、ガス透過性膜を用いた気液分離は膜間での圧力差を利用して気体を膜を通して系外に押し出す方式を取ることが一般的であるため、膜表面にガス透過を妨げる物質が付着するとると分離率が低下する。この付着物質としては、主に分離ガス中の水蒸気が凝縮することにより結露した水が挙げられる。燃料電池装置のアノード燃料循環系は比較的高温であり、また、気液分離器により分離されたガスは、分離直後に多くの水蒸気を含んでいる。そのため、分離されたガスが冷却されると水蒸気が結露し、気液分離器を構成しているガス透過性膜の表面に付着する。そして、この結露によりガス透過性膜の孔が埋められ、気体の通路が閉じられてしまう。その結果、気液分離器の気液分離効率が低下する。 However, gas-liquid separation using a gas-permeable membrane is generally a method that pushes gas out of the system through the membrane using the pressure difference between the membranes. If it adheres, the separation rate decreases. Examples of the adhering substance include water condensed by condensation of water vapor in the separation gas. The anode fuel circulation system of the fuel cell device has a relatively high temperature, and the gas separated by the gas-liquid separator contains a lot of water vapor immediately after the separation. Therefore, when the separated gas is cooled, water vapor is condensed and adheres to the surface of the gas permeable membrane constituting the gas-liquid separator. And this dew condensation fills the hole of the gas permeable membrane and closes the gas passage. As a result, the gas-liquid separation efficiency of the gas-liquid separator decreases.
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、液体中のガスを効率良く分離することができ、発電効率の向上した燃料電池装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of efficiently separating gas in a liquid and having improved power generation efficiency.
上記課題を達成するため、この発明の態様に係る燃料電池装置は、アノードおよびカソードを有したセルを備え、化学反応により発電する起電部と、燃料を収容した燃料タンクと、前記燃料タンクから供給された燃料を前記起電部のアノードを通して循環させる燃料流路と、前記起電部のカソードを通して空気を供給する気体流路と、を有した循環系と、前記燃料流路内で前記起電部の流出端と前記燃料タンクとの間に設けられ、液体と気体とを分離する気液分離器であって、多孔質材料で形成され、前記アノードから排出された気液2相流に接する第1表面と前記気体流路から供給された空気に接する第2表面とを有し、気液2相流中のガスを透過するガス透過性膜を備えた気液分離器と、前記気液分離器に流入する前記気液2相流と前記気液分離器との温度差を所定の値以下に制御する温度制御部と、を備えている。 In order to achieve the above object, a fuel cell device according to an aspect of the present invention includes a cell having an anode and a cathode, an electromotive unit that generates electric power by a chemical reaction, a fuel tank that contains fuel, and the fuel tank. A circulation system having a fuel flow path for circulating the supplied fuel through the anode of the electromotive section; a gas flow path for supplying air through the cathode of the electromotive section; and the electromotive force within the fuel flow path. A gas-liquid separator, which is provided between an outflow end of an electric part and the fuel tank, and separates liquid and gas. The gas-liquid two-phase flow formed of a porous material and discharged from the anode A gas-liquid separator having a first surface in contact with the second surface in contact with air supplied from the gas flow path, and having a gas permeable membrane that transmits gas in a gas-liquid two-phase flow; The gas-liquid two-phase flow flowing into the liquid separator and the It includes a temperature control unit for controlling a temperature difference below a predetermined value of the liquid separator, a.
上記構成によれば、気液分離器に流入する気液2相流と気液分離器との温度差を低減し、透過ガスの結露を防止し、気液分離効率の低下を防止することができる。これにより、液体中のガスを効率良く分離でき、発電効率の向上した燃料電池装置を提供することができる。 According to the above configuration, it is possible to reduce the temperature difference between the gas-liquid two-phase flow flowing into the gas-liquid separator and the gas-liquid separator, prevent condensation of the permeate gas, and prevent a decrease in gas-liquid separation efficiency. it can. Thereby, the gas in a liquid can be isolate | separated efficiently and the fuel cell apparatus with improved electric power generation efficiency can be provided.
以下、図面を参照しながら、この発明の第1の実施形態に係る燃料電池装置について詳細に説明する。
図1は燃料電池装置の循環系構成を概略的に示している。図1に示すように、燃料電池装置10は、メタノールを液体燃料としたDMFCとして構成されている。燃料電池装置10は、起電部を構成したセルスタック12、燃料タンク14、およびセルスタックに燃料および空気を供給する循環系20、燃料電池装置全体の動作を制御する電池制御部51を備えている。
Hereinafter, a fuel cell device according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 schematically shows a circulation system configuration of a fuel cell device. As shown in FIG. 1, the
燃料タンク14は密閉構造を有し、その内部には液体燃料として高濃度のメタノールが収容されている。燃料タンク14は、燃料電池装置10に対して脱着自在な燃料カートリッジとして形成してもよい。
The
循環系20は、燃料タンク14の燃料供給口14aから供給された燃料をセルスタック12を通して循環させるアノード流路(燃料流路)22、およびセルスタック12を通して空気を含む気体を循環させるカソード流路(空気流路)24、アノード流路内およびカソード流路に設けられた複数の補機を有している。アノード流路22およびカソード流路24は、それぞれ配管等によって形成されている。
The
図2はセルスタック12の積層構造を示し、図3は各セルの発電反応を模式的に示している。図2および図3に示すように、セルスタック12は、複数、例えば、4つの単セル140と、5枚の矩形板状のセパレータ142とを交互に積層して構成された積層体、および積層体を支持した枠体145を有している。各単セル140は、それぞれ触媒層とカーボンペーパとで構成されたほぼ矩形板状のカソード(空気極)36およびアノード(燃料極)37、これらカソード、アノード間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜144とを一体化した膜・電極接合体(MEA)を備えている。高分子電解質膜144は、アノード37およびカソード36よりも大きな面積に形成されている。
FIG. 2 shows the laminated structure of the
3つのセパレータ142は、隣合う2つの単セル140間に積層され、他の2つのセパレータは、積層方向両端にそれぞれ積層されている。セパレータ142および枠体145には、各単セル140のアノード37に燃料を供給する燃料流路146、および各単セルのカソード36に空気を供給する空気流路147が形成されている。
The three
図3に示すように、供給された燃料および空気は、アノード37とカソード36との間に設けられた電解質膜144で化学反応し、これにより、アノードとカソードとの間に電力が発生する。セルスタック12で発生した電力は、電池制御部51を介して外部機器等に供給される。
As shown in FIG. 3, the supplied fuel and air chemically react with the
図1に示すように、アノード流路22に設けられた補機は、燃料タンク14の燃料供給口14aに配管接続された開閉弁26、燃料ポンプ28、燃料ポンプの出力部に配管を介して接続された混合タンク30を備えている。また、補機は、燃料タンクの一部を構成する混合タンク30の出力部に液体フィルタ32を介して接続された送液ポンプ34を備えている。送液ポンプ34の出力部はアノード流路22を介してセルスタック12の燃料流路146に接続されている。
As shown in FIG. 1, the auxiliary device provided in the
セルスタック12のアノード37の出力部はアノード流路22を通して混合タンク30の入力部に接続されている。セルスタック12の出力部と混合タンク30との間でアノード流路22には気液分離器40が設けられている。セルスタック12のアノード37から排出される排出流体、つまり化学反応に用いられなかった未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素を含む気液2相流は、気液分離器40に送られ、ここで、二酸化炭素が分離される。分離されたメタノール水溶液はアノード流路22を通して混合タンク30に戻され、再度、アノード37へ供給される。気液分離器40により分離された二酸化炭素は、後述するカソード流路24を通して有害物除去フィルタ56へ送られる。
The output part of the
一方、カソード流路24の上流端24aおよび下流端24bは、それぞれ大気に連通している。カソード流路24に設けられる補機は、セルスタック12の上流側でカソード流路24の上流端24a近傍に設けられたエアフィルタ50、セルスタック12とエアフィルタとの間でカソード流路に接続された送気ポンプ52、開閉弁53、セルスタック12の下流側でカソード流路24の下流端24b近傍に設けられた排気フィルタ54、および、開閉弁55を含んでいる。
On the other hand, the
エアフィルタ50は、カソード流路24に吸い込まれた空気中のゴミ、および二酸化炭素、ギ酸、燃料ガス、ギ酸メチル等の不純物、有害物質等を捕獲し除去する。排気フィルタ54は、カソード流路24から外部へ排気される気体中の副生成物を無害化するとともに、排気中の含まれている燃料ガス等を捕獲する。
The
気液分離器40は、セルスタック12の流入側と開閉弁53との間でカソード流路24に接続されている。また、気液分離器40とセルスタック12の流入側との間でカソード流路24には、有害物除去フィルタ56が設けられている。気液分離器40からカソード流路24に送られた気体は、有害物除去フィルタ56を通り、ここで、燃料ガス等の不純物、有害物質が除去された後、セルスタック12へ送られる。
The gas-
次に、気液分離器40について詳細に説明する。図4は、気液分離器40を拡大して示している。
図4に示すように、気液分離器40は、アノード流路22の一部を規定している分離チューブ42と、分離チューブ42を覆って設けられた中空の容器44と、を有している。分離チューブ42は、多孔質材料、例えば、多孔質のフッ素系樹脂からなる厚さ1〜2mmのガス透過性膜46を筒状に成形して構成されている。ガス透過性膜46の内面(第1表面)により、気液2相流が流れる流路が規定され、外面(第2表面)により分離チューブ42の外面が形成されている。そして、ガス透過性膜46は流路内を流れる気液2相流中のガスを透過する。
Next, the gas-
As shown in FIG. 4, the gas-
分離チューブ42の両端部は、アノード流路22を形成している配管22aにそれぞれ接続されている。これにより、分離チューブ42は、アノード37から排出された排出流体、つまり未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素を含む気液2相流体が流れるアノード流路22の一部を構成している。
Both end portions of the
容器44は分離チューブ42全体を覆って設けられ、分離チューブ42の外面に接した密閉空間60を規定している。容器44は、有害物除去フィルタ56と開閉弁53との間でカソード流路24に接続されている。容器44には、カソード流路24を規定している配管24cが接続され、容器44内の空間60はカソード流路24に連通している。これにより、送気ポンプ52から供給される外気(空気)は、容器44内の空間60に供給され分離チューブ42の周囲を流れた後、有害物除去フィルタ56を通ってカソード36に送られる。
The
上記のように構成された気液分離器40によれば、アノード37から排出された排出流体が分離チューブ42内を通って流れ、分離チューブ42の外面は空間60に供給された外気、つまり、空気に接している。排出流体は、比較的高温であるとともに、外気よりも数Kパスカルだけ圧力が高くなっている。そのため、分離チューブ42の内外で差圧が生じている。これにより、排出流体中に含まれるガス、ここでは、二酸化炭素およびガス状のメタノール燃料成分は、上記圧力差によりガス透過性膜46を透過して外側の空間60に排出される。排出流体中の液体は、その表面張力によりガス透過性膜46を透過することができず、そのまま流路を通って流れる。これにより、気液の分離が行われる。
According to the gas-
上記のようにして気液分離器40により分離された排出流体は、アノード流路22を通して混合タンク30へ送られ、また、分離されたガスは、外気ととともに有害物除去フィルタ56に送られ、ここで、不純物等が除去された後、セルスタック12のカソード36へ送られる。
The exhaust fluid separated by the gas-
図1に示すように、燃料電池装置10は、気液分離器40に流入する気液2相流と気液分離器との温度差を所定の値以下に制御する温度制御部62を備えている。温度制御部62は、気液分離器40に流入する気液2相流の温度を検出する第1温度センサ64と、気液分離器の温度を検出する第2温度センサ66と、第1温度センサおよび第2温度センサにより検出された温度に応じて、アノード37から排出される気液2相流を冷却する冷却部と、を備えている。冷却部は、セルスタック12のアノード側を冷却する冷却ファン68を備えている。
As shown in FIG. 1, the
第1および第2温度センサ64、66は、それぞれ電池制御部51に接続され、検出温度を電池制御部に入力する。また、冷却ファン68は、電池制御部51により、第1温度センサおよび第2温度センサにより検出された温度に応じて動作が制御される。
The first and
図5は、気液分離器40におけるアノード循環液温度(35〜55℃)ごとの分離チューブ42からの水蒸気排出量と、気液分離器を通過する空気流量が1.2、1.41/minとした場合の含水可能量を示したグラフである。図5において、RHは相対湿度を示している。また、流入する空気の初期温度は25℃と仮定する。
FIG. 5 shows that the amount of water vapor discharged from the
水蒸気排出量は、アノード循環液温度の上昇に伴い増加し、含水可能量は気液分離器40の温度上昇に伴い増加する。そこで、分離チューブ42外面での結露を抑制するためには、アノード循環液の急激な温度上昇や気液分離器温度の低下を防ぎ、その温度差が大きくならないようにする必要がある。
The amount of water vapor discharged increases as the temperature of the circulating anode fluid increases, and the amount of water that can be contained increases as the temperature of the gas-
燃料電池装置10においては、装置起動時にアノード循環液温度が環境温度付近から、出力の安定する50〜70℃程度(使用するセルスタックの特性により異なる)まで急激に上昇するのに対して、気液分離器40の温度は、分離チューブ42を通過するアノード循環液と気液分離器40を通過する空気の熱交換等により緩やかに温度上昇する。そのため、アノード循環液と気液分離器40の温度に差が生じて結露が発生する。そこで、アノード循環液と気液分離器40との温度差を所定の値以下、例えば、10℃以下とすることにより、結露の発生を防止することができる。温度差を所定値以下にする方法として、例えば、アノード循環液を冷却してアノード循環液の温度上昇を緩やかにすることにより、結露の発生を抑制することが出来る。従って、結露した水によりガス透過性膜46の孔が塞がれることを防止し、ガス透過性膜のガス透過能力、つまり、気液分離効率の低下を抑制することができる。
In the
本実施形態によれば、電池制御部は51は、分離チューブ42を通過する水蒸気量と気液分離器40を通過する空気流量とにより、結露を防止するために必要な温度差の所定値を算出する。そして、電池制御部51は、第1温度センサ64により検出されたアノード循環液、つまり、セルスタック12から排出された気液2相流の温度、および第2温度センサ66により検出された気液分離器40の温度から、これらの温度差を所定値、例えば、10℃と比較する。そして、電池制御部51は、検出された温度差が所定値の範囲を超えている場合には、冷却ファン68を作動させてアノード循環液を冷却し、上記温度差が所定値の範囲内となるように制御する。
According to the present embodiment, the
アノード循環液および、気液分離器40の温度は、アノード循環液の流れる流路内や気液分離器内部(気相部)に直接、温度センサを取り付け、温度を測定することが望ましい。しかし、温度センサの耐久性の問題などを考慮して、流路を形成する配管の表面などに温度センサを設け、それらの温度に近い温度を示す部分の温度を測定する。
The temperature of the anode circulating liquid and the gas-
アノード循環液温度に関してはアノード循環液が冷却されてから、気液分離器に流入するまでの区間上の温度を測定することで、気液分離器40に流入するアノード循環液温度に近い温度を測定することが出来る。本実施形態のようにセルスタック12を冷却するシステムにおいては、セルスタック温度および、セルスタック〜気液分離器40間の流路上の温度が相当している。例えば、第1温度センサ64は、冷却部と気液分離器40との間でアノード流路22に設けられている。
Regarding the anode circulating fluid temperature, a temperature close to the anode circulating fluid temperature flowing into the gas-
気液分離器40の温度に関しては、気液分離器または、気液分離器を通過した空気の流れる流路上の温度を測定することで、気液分離器内部の温度に近い温度を測定することができる。但し、気液分離器40後段にセルスタック12、有害物除去フィルタ56等の発熱する部品が設置されている場合はそれらの影響を避けるため、それらの部品に空気が流入する前の流路上の温度を測定する。本実施形態において、第2温度センサ66は、気液分離器40、および気液分離器を通過した空気の少なくとも一方の温度を検出する位置に設けられている。例えば、第2温度センサ66は、気液分離器40の流出側と有害物除去フィルタ56との間でカソード流路24に設けられている。
Regarding the temperature of the gas-
上記のように構成された燃料電池装置10を電源として用いる場合、電池制御部51の制御の下、燃料ポンプ28、送液ポンプ34および送気ポンプ52を作動させるとともに、開閉弁26、53、55を開放する。燃料ポンプ28により、燃料タンク14から混合タンク30へメタノールが供給され、混合タンク内で水と混合され所望濃度のメタノール水溶液が形成される。また、送液ポンプ34により、混合タンク内のメタノール水溶液がアノード流路22を通してセルスタック12のアノード37に供給される。
When the
一方、送気ポンプ52により、カソード流路24の上流端24aからカソード流路内に外気、つまり、空気が吸い込まれる。この空気はエアフィルタ50を通り、ここで、空気中のゴミ、不純物が除去される。エアフィルタ50を通過した後、空気は、カソード流路24を通り気液分離器40の空間60へ送られ、更に、有害物除去フィルタ56を通してセルスタック12のカソード36へ供給される。
On the other hand, outside air, that is, air is sucked into the cathode channel from the
セルスタック12に供給されたメタノールおよび空気は、アノード37とカソード36との間に設けられた電解質膜144で電気化学反応し、これにより、アノード37とカソード36との間に電力が発生する。セルスタック12で発生した電力は、電池制御部51を介して電子機器等へ供給される。
Methanol and air supplied to the
電気化学反応に伴い、セルスタック12には反応生成物として、アノード37側に二酸化炭素、カソード36側に水が生成される。アノード37側に生じた二酸化炭素および化学反応に供されなかった未反応メタノール水溶液はアノード流路22を通して気液分離器40に送られ、ここで、二酸化炭素とメタノール水溶液とに分離される。分離されたメタノール水溶液は、気液分離器40からアノード流路22を通して混合タンク30へ回収され、再度、発電に用いられる。
Along with the electrochemical reaction, carbon dioxide is generated on the
また、電池制御部51は、第1温度センサ64により検出された気液2相流の温度、および第2温度センサ66により検出された気液分離器40の温度から、これらの温度差を検出し、この温度差が所定値の範囲となるように、例えば、温度差10℃の範囲となるように、冷却ファン68を作動させてアノード循環液を冷却する。
Further, the
分離された二酸化炭素は、気液分離器40の空間60からカソード流路24へ送られ、更に、空気とともに有害物除去フィルタ56へ送られる。有害物除去フィルタ56により、空気中の不純物、有害物が除去された後、空気および二酸化炭素はセルスタック12に供給され、発電に用いられる。空気中の不純物がセルスタック12へ送られることを防止し、これらの不純物による発電効率の低下を防止することができる。
The separated carbon dioxide is sent from the
セルスタック12のカソード36側に生じた水は、その大部分が水蒸気となり空気とともにカソード流路24に排出される。排出された空気および水蒸気は、排気フィルタ54に送られ、ここで、ゴミ、不純物が除去された後、カソード流路24の下流端24bから外部に排気される。
Most of the water generated on the
以上のように構成された燃料電池装置10によれば、気液分離器40に流入する気液2相流と気液分離器との温度差を例えば、10℃以下とすることにより、気液分離器における分離チューブ42外面での結露の発生を防止することができる。これにより、結露した水によりガス透過性膜46の孔が塞がれることを防止し、ガス透過性膜のガス透過能力、つまり、気液分離器40における気液分離効率の低下を抑制することができる。従って、液体中のガスを効率良く分離でき、発電効率の向上した燃料電池装置が得られる。
According to the
次に、この発明の第2の実施形態に係る燃料電池装置について説明する。
図6に示すように、第2の実施形態によれば、燃料電池装置の温度制御部62は、冷却部として、アノード流路22に設けられた熱交換器70、および熱交換器に対向して設けられた冷却ファン72を備えている。熱交換器70は、フィン等により構成され、セルスタック12のアノード流出側と気液分離器40との間でアノード流路22に設けられている。また、温度制御部62は、気液分離器40を加熱する、つまり、空間60内の空気を加熱するヒータ74を備えている。ヒータ74は、例えば、気液分離器40の容器44の外面と隣接対向して設けられている。
Next explained is a fuel cell apparatus according to the second embodiment of the invention.
As shown in FIG. 6, according to the second embodiment, the
温度制御部62は、気液分離器40に流入する気液2相流の温度を検出する第1温度センサ64と、気液分離器の温度を検出する第2温度センサ66と、を備えている。第1温度センサ64は、熱交換器70と気液分離器40との間でアノード流路22に設けられている。第2温度センサ66は、気液分離器40、および気液分離器を通過した空気の少なくとも一方の温度を検出する位置に設けられている。例えば、第2温度センサ66は、気液分離器40の流出側と有害物除去フィルタ56との間でカソード流路24に設けられている。第1および第2温度センサ64、66は、それぞれ電池制御部51に接続され、検出温度を電池制御部に入力する。冷却ファン72およびヒータ74は、電池制御部51により、第1温度センサおよび第2温度センサによって検出された温度に応じて動作が制御される。
第2の実施形態において、他の構成は、前述した第1の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
The
In the second embodiment, other configurations are the same as those of the first embodiment described above, and the same reference numerals are given to the same portions, and detailed descriptions thereof are omitted.
上記構成の燃料電池装置によれば、電池制御部51は、第1温度センサ64により検出されたアノード循環液、つまり、セルスタック12から排出された気液2相流の温度、および第2温度センサ66により検出された気液分離器40の温度から、これらの温度差を所定値、例えば、10℃と比較する。そして、電池制御部51は、検出された温度差が所定値の範囲を超えている場合には、冷却ファン72を作動させてアノード循環液を冷却し、あるいは、ヒータ74を作動させて気液分離器40内の空気を加熱し、上記温度差が所定値の範囲内となるように温度を制御する。なお、上記温度制御は、冷却ファン72およびヒータ74のいずれか一方のみを用いて行っても、あるいは、両方を併用して行ってもよい。
According to the fuel cell apparatus having the above configuration, the
以上のように構成された燃料電池装置10によれば、気液分離器40に流入する気液2相流と気液分離器との温度差を例えば、10℃以下とすることにより、気液分離器における分離チューブ42外面での結露の発生を防止することができる。これにより、結露した水によりガス透過性膜46の孔が塞がれることを防止し、気液分離器40における気液分離効率の低下を抑制することができる。従って、液体中のガスを効率良く分離でき、発電効率の向上した燃料電池装置が得られる。
According to the
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
例えば、気液分離器において、ガス透過性膜の形状は、筒状に限らず、シート状あるいは他の任意の形状とすることができる。セルスタックから排出されるアノード循環流体を冷却する冷却部は、冷却ファン、熱交換器に限らず、水冷式の冷却器を用いてもよい。燃料電池の形式としは、DMFCに限らず、PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)等の他の形式としてもよい。 For example, in the gas-liquid separator, the shape of the gas permeable membrane is not limited to a cylindrical shape, but may be a sheet shape or any other shape. The cooling unit for cooling the anode circulating fluid discharged from the cell stack is not limited to the cooling fan and the heat exchanger, and a water-cooled cooler may be used. The form of the fuel cell is not limited to DMFC, but may be other forms such as PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell).
10…燃料電池装置、12…セルスタック、14…燃料タンク、20…循環系、
22…アノード流路、24…カソード流路、30…混合タンク、
36…カソード(空気極)、37…アノード(燃料極)、40…気液分離器、
42…分離チューブ、44…容器、46…ガス透過性膜、60…空間、
62…温度制御部、64…第1温度センサ、66…第2温度センサ、68…冷却ファン
70…熱交換器、72…冷却ファン、74…ヒータ
DESCRIPTION OF
22 ... Anode channel, 24 ... Cathode channel, 30 ... Mixing tank,
36 ... Cathode (air electrode), 37 ... Anode (fuel electrode), 40 ... Gas-liquid separator,
42 ... separation tube, 44 ... container, 46 ... gas permeable membrane, 60 ... space,
62 ... Temperature controller, 64 ... First temperature sensor, 66 ... Second temperature sensor, 68 ... Cooling
Claims (11)
燃料を収容した燃料タンクと、
前記燃料タンクから供給された燃料を前記起電部のアノードを通して循環させる燃料流路と、前記起電部のカソードを通して空気を供給する気体流路と、を有した循環系と、
前記燃料流路内で前記起電部の流出端と前記燃料タンクとの間に設けられ、液体と気体とを分離する気液分離器であって、多孔質材料で形成され、前記アノードから排出された気液2相流に接する第1表面と前記気体流路から供給された空気に接する第2表面とを有し、気液2相流中のガスを透過するガス透過性膜を備えた気液分離器と、
前記気液分離器に流入する前記気液2相流と前記気液分離器との温度差を所定の値以下に制御する温度制御部と、
を備えた燃料電池装置。 An electromotive unit comprising a cell having an anode and a cathode, and generating electricity by a chemical reaction;
A fuel tank containing fuel;
A circulation system having a fuel flow path for circulating the fuel supplied from the fuel tank through the anode of the electromotive section, and a gas flow path for supplying air through the cathode of the electromotive section;
A gas-liquid separator that is provided between the outflow end of the electromotive unit and the fuel tank in the fuel flow path and separates liquid and gas. The gas-liquid separator is formed of a porous material and discharged from the anode. A gas permeable membrane having a first surface in contact with the gas-liquid two-phase flow and a second surface in contact with the air supplied from the gas flow path, and transmitting gas in the gas-liquid two-phase flow. A gas-liquid separator;
A temperature control unit for controlling a temperature difference between the gas-liquid two-phase flow flowing into the gas-liquid separator and the gas-liquid separator to a predetermined value or less;
A fuel cell device comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2007086114A JP2008243747A (en) | 2007-03-29 | 2007-03-29 | Fuel cell device |
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014072092A (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-21 | Daihatsu Motor Co Ltd | Cooling controller of fuel cell system |
-
2007
- 2007-03-29 JP JP2007086114A patent/JP2008243747A/en active Pending
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