JP2009224264A

JP2009224264A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2009224264A
Application number: JP2008069757A
Authority: JP
Inventors: Hideo Einaga; 秀男永長
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2009-10-01

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To separate water and fuel in exhaust fuel from an anode and fully humidify a cathode. <P>SOLUTION: A fuel cell system includes: an alkaline-type fuel cell including an electrolyte membrane having anion conductivity, an anode and a cathode which are a pair of electrodes arranged on each side of the electrolyte membrane, and using hydrocarbon fuel; and a separating means for separating unreacted fuel and water from exhaust fuel from the alkaline-type fuel cell. The water separated with the separating means is used for humidifying the cathode. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は燃料電池システムに関する。更に、具体的には、燃料として炭化水素系の燃料が用いられるアルカリ型の燃料電池を用いる燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system. More specifically, the present invention relates to a fuel cell system using an alkaline fuel cell in which a hydrocarbon fuel is used as the fuel.

従来、燃料電池としては、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型などが知られている。このうち、アルカリ型燃料電池は、アノード極には燃料として水素又は水素の原料となる燃料が供給され、カソード極には酸素や大気等が酸化剤として供給される。アノード極では供給された燃料から水素原子が生成され、この水素原子がカソード極側から電解液を透過してアノード極に到達した水酸化物イオンと反応することで水が生成される。また、燃料としてエタノール等の炭化水素系の燃料を用いる場合、アノード極では燃料から水素原子が取り出される反応の過程で二酸化炭素が発生する。従って、アノード極から排出される排燃料には、未反応の燃料に加えて、水や二酸化炭素が混入することとなる。従って、排燃料を循環させて排燃料中の未反応の燃料を有効に利用するためには、排燃料中に含まれる水や二酸化炭素を除去できるシステムが望まれる。 Conventionally, alkaline, phosphoric acid, molten carbonate, solid electrolyte, solid polymer, and the like are known as fuel cells. Among these, in the alkaline fuel cell, hydrogen or a fuel that is a raw material of hydrogen is supplied to the anode electrode as a fuel, and oxygen, air, or the like is supplied to the cathode electrode as an oxidant. In the anode electrode, hydrogen atoms are generated from the supplied fuel, and the hydrogen atoms pass through the electrolytic solution from the cathode electrode side and react with hydroxide ions that have reached the anode electrode, thereby generating water. Further, when a hydrocarbon fuel such as ethanol is used as the fuel, carbon dioxide is generated at the anode electrode in the course of the reaction in which hydrogen atoms are extracted from the fuel. Therefore, the exhausted fuel discharged from the anode electrode contains water and carbon dioxide in addition to unreacted fuel. Therefore, in order to circulate the exhaust fuel and effectively use the unreacted fuel in the exhaust fuel, a system that can remove water and carbon dioxide contained in the exhaust fuel is desired.

この点、例えば、下記特許文献１には、プロトン伝導型の燃料電池の排燃料に混入する二酸化炭素を除去する装置を設けた燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムにおいては、排燃料中から二酸化炭素が除去された後、燃料水溶液を再循環させて燃料電池に供給している。 In this regard, for example, Patent Document 1 below discloses a fuel cell system provided with a device for removing carbon dioxide mixed in the exhaust fuel of a proton conduction type fuel cell. In this fuel cell system, after carbon dioxide is removed from the exhausted fuel, the aqueous fuel solution is recirculated and supplied to the fuel cell.

特開２００４−３４９２６７号公報JP 2004-349267 A 特開２００５−０３２６０２号公報JP 2005-032602 A

しかし、アルカリ型燃料電池ではアノード極において水が生成される。このため水溶性の燃料を用いて、上記従来技術のように二酸化炭素を除去した燃料水溶液を循環利用しようとした場合、排燃料から取り出される燃料水溶液中の生成水量は次第に増加し、燃料の濃度が次第に低下することとなる。燃料濃度の低下が進むと、燃料電池の発電効率が低下し、ひいては必要な電力を取り出すことができない事態を生じ得る。このため燃料を循環利用しつつ、高い発電性能を維持するためには、循環利用される燃料中の燃料濃度をある程度高く維持することが望まれる。 However, in an alkaline fuel cell, water is generated at the anode electrode. For this reason, when an aqueous fuel solution from which carbon dioxide has been removed is circulated and reused using a water-soluble fuel, the amount of water produced in the aqueous fuel solution taken out from the exhausted fuel gradually increases and the concentration of the fuel increases. Will gradually decrease. As the fuel concentration decreases, the power generation efficiency of the fuel cell decreases, which may result in a situation where necessary power cannot be extracted. For this reason, in order to maintain high power generation performance while circulating and using fuel, it is desirable to maintain the fuel concentration in the fuel that is recycled and used to be high to some extent.

一方、アルカリ型燃料電池のカソード極には、一般に酸化剤として大気や酸素等が導入されるため、水酸化物イオンの生成のためには水が必要とされる。また、電解質膜やその電解質溶液に触媒粒子を混入させて形成される電極は、ある程度の湿潤状態に保たれることが望ましい。しかし、カソード極側は酸化ガスの流入による乾燥が起きやすい上、アルカリ型燃料電池のカソード極側では水が生成されないため、カソード極では水分が不足する事態となりやすい。このため、燃料電池の高い発電性能を確保するためには、カソード極を十分に加湿し、必要な水分を供給することが望まれる。 On the other hand, since air, oxygen, or the like is generally introduced as an oxidant to the cathode electrode of an alkaline fuel cell, water is required to generate hydroxide ions. In addition, it is desirable that the electrode formed by mixing catalyst particles in the electrolyte membrane or the electrolyte solution thereof is kept in a certain wet state. However, the cathode electrode side tends to dry due to the inflow of oxidizing gas, and water is not generated on the cathode electrode side of the alkaline fuel cell, so that the cathode electrode tends to run out of moisture. For this reason, in order to ensure the high power generation performance of the fuel cell, it is desired to sufficiently humidify the cathode electrode and supply necessary moisture.

従ってこの発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アノード極側から排出される排燃料中の燃料と水とを分離すると共に、カソード極側を十分に加湿をすることができるよう改良された燃料電池システムを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and separates fuel and water in the exhausted fuel discharged from the anode side and sufficiently humidifies the cathode side. An object of the present invention is to provide a fuel cell system improved so that

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
陰イオンを伝導する電解質膜と、該電解質膜の両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを有し、炭化水素系の燃料が用いられるアルカリ型燃料電池と、
前記アルカリ型燃料電池から排出された排燃料から、未反応の燃料と水とを分離する分離手段と、を備え、
前記分離手段において分離された水を、前記カソード極の加湿に用いることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system,
An alkaline fuel cell having an electrolyte membrane that conducts anions, and an anode electrode and a cathode electrode that are a pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a hydrocarbon-based fuel is used;
Separation means for separating unreacted fuel and water from the exhausted fuel discharged from the alkaline fuel cell,
The water separated in the separation means is used for humidifying the cathode electrode.

ここで、分離手段による未反応の燃料と水との分離には、１００％の純度で燃料と水とが分離される場合に限らず、排燃料からある程度高い濃度で燃料を分離するものも含む。また、排燃料から分離された燃料と水とには、排燃料中に含まれる他の物質が含まれる場合もある。 Here, the separation of the unreacted fuel and water by the separation means is not limited to the case where the fuel and water are separated with a purity of 100%, but also includes that which separates the fuel from the exhausted fuel to a certain degree. . In addition, the fuel and water separated from the exhausted fuel may contain other substances contained in the exhausted fuel.

第２の発明は、第１の発明において、
前記カソード極に供給される酸化剤を加湿する加湿手段と、
前記分離手段において分離された水を、前記加湿手段に導入するための経路と、
を、更に備えることを特徴とする。 According to a second invention, in the first invention,
Humidifying means for humidifying the oxidant supplied to the cathode electrode;
A path for introducing the water separated in the separation means into the humidification means;
Is further provided.

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記分離手段において分離された水から、二酸化炭素を除去する除去手段を、更に備えることを特徴とする。 According to a third invention, in the first or second invention, the apparatus further comprises a removing means for removing carbon dioxide from the water separated in the separating means.

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記分離手段と、前記アルカリ型燃料電池に燃料を導入するための燃料供給路とを接続し、前記分離手段において分離された燃料を前記燃料供給路に流入させる循環経路を、更に備えることを特徴とする。 According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the separation means and a fuel supply path for introducing fuel into the alkaline fuel cell are connected and separated by the separation means. A circulation path for allowing fuel to flow into the fuel supply path is further provided.

第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、前記分離手段は、パーベーパレーション膜を用いることを特徴とする。 According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions, the separation means uses a pervaporation film.

第１の発明によれば、燃料電池システムは、排燃料から、未反応の燃料と水とを分離する分離手段を備えると共に、分離手段において分離された水をカソード極に供給される酸化剤の加湿に用いることができる。これにより、アルカリ型燃料電池を用いる場合においても、高い燃料濃度を維持しつつ、燃料の循環利用による燃料の有効利用を図ることができる。また、排燃料から分離した水をカソード極の加湿に用いることができるため、外部からの水分の導入等を行うことなく、カソード極に必要な水分を十分供給することができる。 According to the first invention, the fuel cell system includes a separation unit that separates unreacted fuel and water from the exhaust fuel, and the oxidant that is supplied to the cathode electrode by the water separated in the separation unit. Can be used for humidification. Thereby, even when an alkaline fuel cell is used, it is possible to effectively use the fuel by circulating the fuel while maintaining a high fuel concentration. Further, since water separated from the exhausted fuel can be used for humidifying the cathode electrode, sufficient water can be supplied to the cathode electrode without introducing moisture from the outside.

第２の発明によれば、酸化剤を加湿する加湿手段に、排燃料から分離された水を導入することができる。これにより、加湿手段に十分な水を導入することでき、酸化剤をより確実に加湿して、カソード極に十分な水分を供給することができる。 According to the second invention, water separated from the exhausted fuel can be introduced into the humidifying means for humidifying the oxidant. As a result, sufficient water can be introduced into the humidifying means, and the oxidant can be more reliably humidified to supply sufficient water to the cathode electrode.

第３の発明によれば、排燃料から分離された水から、更に二酸化炭素を除去することができる。従って、二酸化炭素の混入によって、燃料や酸化剤の供給が阻害されるのを抑制することができる。 According to the third invention, carbon dioxide can be further removed from the water separated from the exhaust fuel. Accordingly, it is possible to suppress the supply of fuel and oxidant from being hindered by the mixing of carbon dioxide.

第４の発明によれば、分離手段と、燃料供給路とを接続する循環経路を設けて、排燃料から分離された燃料を、燃料供給路に流入させることができる。これにより、燃料濃度の低下を抑制しつつ燃料を効率的に循環利用することができる。従って、燃料の排出が不要となり、燃料利用率を向上させることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the circulation path that connects the separation means and the fuel supply path is provided, and the fuel separated from the exhausted fuel can flow into the fuel supply path. As a result, the fuel can be efficiently circulated and used while suppressing a decrease in the fuel concentration. Therefore, it becomes unnecessary to discharge the fuel, and the fuel utilization rate can be improved.

第５の発明によれば、分離手段は、パーベーパレーション膜を用いて燃料と水とを分離する。これにより水溶性の燃料を用いる場合にも、確実に燃料と水とを分離することができ、燃料の利用率を向上させることができる。また、パーベーパレーション膜による燃料と水との分離は、比較的小型のシステムで実行することが可能であるため、燃料電池の大型化を抑制することができる。 According to the fifth invention, the separation means separates fuel and water using the pervaporation membrane. As a result, even when a water-soluble fuel is used, the fuel and water can be reliably separated, and the fuel utilization rate can be improved. In addition, the separation of fuel and water by the pervaporation membrane can be performed with a relatively small system, so that the increase in size of the fuel cell can be suppressed.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted.

実施の形態．
図１は、この発明の実施の形態の燃料電池について説明するための模式図である。図１に示す燃料電池システムは、陰イオンを伝導体とするアルカリ型燃料電池２を有している。燃料電池２は固体高分子電解質膜であるアニオン交換膜１０（電解質膜）を有している。アニオン交換膜１０の両側にはそれぞれ、アノード極１２とカソード極１４とが形成されている。 Embodiment.
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system shown in FIG. 1 has an alkaline fuel cell 2 using anions as a conductor. The fuel cell 2 has an anion exchange membrane 10 (electrolyte membrane) which is a solid polymer electrolyte membrane. An anode 12 and a cathode 14 are formed on both sides of the anion exchange membrane 10, respectively.

アニオン交換膜１０は、カソード極１４の電極触媒で生成される水酸化物イオンをアノード極１２側に移動させることができる媒体である。アニオン交換膜１０としては、例えば、１〜３級アミノ基、４級アンモニウム基、ピリジル基、イミダゾール基、４級ビリジウム基、４級イミダゾリウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜を用いることができる。また、固体高分子の膜としては、例えば、炭化水素系及びフッ素系樹脂などがあげられる。 The anion exchange membrane 10 is a medium that can move hydroxide ions generated by the electrode catalyst of the cathode electrode 14 to the anode electrode 12 side. As the anion exchange membrane 10, for example, a solid polymer membrane having an anion exchange group such as a primary to tertiary amino group, a quaternary ammonium group, a pyridyl group, an imidazole group, a quaternary bilidium group, and a quaternary imidazolium group is used. be able to. Examples of the solid polymer film include hydrocarbon-based and fluorine-based resins.

アノード極１２及びカソード極１４のそれぞれは、触媒粒子を電解質溶液（あるいはアイオノマー）に混合してアニオン交換膜１０に塗布することで構成された電極触媒層を有している。各電極１２、１４の触媒粒子は、後述する各電極での反応を触媒する機能を有するものである。具体的な触媒粒子としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）により形成されたもの、あるいは、これらの金属のいずれかをカーボン等の担体に担持させたもの、あるいはこれらの金属原子を中心金属とする有機金属錯体、あるいは、このような有機金属錯体を担体に担持させたもの等が挙げられる。 Each of the anode electrode 12 and the cathode electrode 14 has an electrode catalyst layer configured by mixing catalyst particles in an electrolyte solution (or ionomer) and applying the mixture to the anion exchange membrane 10. The catalyst particles of the electrodes 12 and 14 have a function of catalyzing a reaction at each electrode described later. Specific catalyst particles include, for example, those formed of iron (Fe), platinum (Pt), cobalt (Co), nickel (Ni), or any one of these metals supported on a carrier such as carbon. And organometallic complexes having these metal atoms as the central metal, or those having such an organometallic complex supported on a carrier.

図１を参照して、アノード極１２のアニオン交換膜１０に接する面とは反対の面には、燃料が流通する燃料流路１６が設けられている。カソード極１４のアニオン交換膜１０に接する面とは反対側の面には酸素流路１８が設けられている。アノード極１２及びカソード極１４のそれぞれに接して、集電板２０、２２が設置されている。アノード極１２とカソード極１４とにそれぞれ設置された集電板２０、２２は燃料電池２の外部に設けられた外部回路２４に接続している。 Referring to FIG. 1, a fuel flow path 16 through which fuel flows is provided on the surface of the anode electrode 12 opposite to the surface in contact with the anion exchange membrane 10. An oxygen channel 18 is provided on the surface of the cathode electrode 14 opposite to the surface in contact with the anion exchange membrane 10. Current collector plates 20 and 22 are disposed in contact with the anode electrode 12 and the cathode electrode 14 respectively. Current collecting plates 20 and 22 installed on the anode electrode 12 and the cathode electrode 14 are connected to an external circuit 24 provided outside the fuel cell 2.

燃料電池２の燃料導入口には燃料供給路３０が接続している。燃料供給路３０は燃料供給源３２に接続している。燃料供給源３２は、燃料としてのエタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）を１０気圧程度に圧縮して液体として貯蔵している。 A fuel supply path 30 is connected to the fuel introduction port of the fuel cell 2. The fuel supply path 30 is connected to a fuel supply source 32. The fuel supply source 32 compresses ethanol (C ₂ H ₅ OH) as fuel to about 10 atm and stores it as a liquid.

一方、燃料電池２の燃料排出口には燃料排出路３４が接続している。燃料排出路３４は分離器３６（分離手段）に接続している。分離器３６内部は、パーベーパレーション膜４０が設置されている。パーベーパレーション膜４０は、水を選択的に透過する膜である。具体的にパーベーパレーション膜４０としては、例えば、複合ポリビニルアルコール、ポリイミド膜、キトサン膜、ゼオライト膜等を用いることができる。 On the other hand, a fuel discharge path 34 is connected to the fuel discharge port of the fuel cell 2. The fuel discharge path 34 is connected to a separator 36 (separating means). A pervaporation membrane 40 is installed inside the separator 36. The pervaporation membrane 40 is a membrane that selectively permeates water. Specifically, as the pervaporation film 40, for example, composite polyvinyl alcohol, polyimide film, chitosan film, zeolite film or the like can be used.

分離器３６内は、パーベーパレーション膜４０によって、第１空間４２と第２空間４４との２つの空間に分けられている。分離器３６の第１空間４２には、燃料排出路３４が接続すると共に、循環経路４６の一端が接続している。第２空間４４には、経路４８の一端が接続している。 The inside of the separator 36 is divided into two spaces, a first space 42 and a second space 44, by the pervaporation film 40. The fuel discharge path 34 is connected to the first space 42 of the separator 36, and one end of the circulation path 46 is connected. One end of a path 48 is connected to the second space 44.

循環経路４６の他端は燃料供給路３０に接続している。経路４８の他端は凝縮器５０（除去手段）に接続している。凝縮器５０には、真空ポンプ５２及び排出路５４及び経路５６が接続している。排出路５４は外部に向けて開放されている。経路５６は凝縮器５０との接続部とは反対側の端部において、加湿器５８（加湿手段）に接続している。 The other end of the circulation path 46 is connected to the fuel supply path 30. The other end of the path 48 is connected to the condenser 50 (removing means). A vacuum pump 52, a discharge path 54 and a path 56 are connected to the condenser 50. The discharge path 54 is open to the outside. The path 56 is connected to a humidifier 58 (humidifying means) at the end opposite to the connection with the condenser 50.

一方、燃料電池２の大気導入口には、外部から大気を導入するための大気供給路６０が接続している。加湿器５８は大気供給路６０の途中に設置されている。燃料電池２の大気排出口には大気排出路６２が接続している。大気排出路６２は外部に向けて開放されている。 On the other hand, an air supply path 60 for introducing air from the outside is connected to the air inlet of the fuel cell 2. The humidifier 58 is installed in the middle of the air supply path 60. An air discharge path 62 is connected to the air discharge port of the fuel cell 2. The air discharge path 62 is open to the outside.

このシステムにおいて、燃料電池２の運転温度は１０５〜１２０℃とする。これは、触媒の活性化や、アニオン交換膜１０の耐久性、起動エネルギー、水の水蒸気化、ラジエター（図示せず）のサイズ等を考慮して決定したものであり、この発明を拘束するものではない。 In this system, the operating temperature of the fuel cell 2 is 105 to 120 ° C. This is determined in consideration of the activation of the catalyst, the durability of the anion exchange membrane 10, the activation energy, the water vaporization of the water, the size of the radiator (not shown), and the like, which restrict the present invention. is not.

このシステムにおいて、燃料としてのエタノールは、燃料供給源３２から減圧あるいは噴射器（図示せず）を介して気化して燃料供給路３０に供給され、燃料電池２内の燃料流路１６に流通してアノード極１２での反応に用いられる。また、未反応の燃料や生成物等を含む排燃料は燃料排出路３４に排出される。一方、大気供給路６０にはブロアーやコンプレッサー（図示せず）等により、外部から大気が取り込まれて圧送される。圧送された大気は加湿器５８において加湿され、燃料電池２のカソード極１４の酸素流路１８に供給される。カソード極１４から排出される未反応の酸素を含む大気オフガスは大気排出路６２を介して外部に排出される。 In this system, ethanol as fuel is vaporized from a fuel supply source 32 via a decompression or an injector (not shown) and supplied to the fuel supply path 30, and circulates in the fuel flow path 16 in the fuel cell 2. And used for the reaction at the anode electrode 12. Further, the exhausted fuel including unreacted fuel and products is discharged to the fuel discharge path 34. On the other hand, air is taken into the atmosphere supply path 60 from outside by a blower, a compressor (not shown) or the like and is sent under pressure. The pressure-fed air is humidified by a humidifier 58 and supplied to the oxygen flow path 18 of the cathode electrode 14 of the fuel cell 2. The atmospheric off gas containing unreacted oxygen discharged from the cathode electrode 14 is discharged to the outside through the atmospheric discharge path 62.

ここで、アノード極１２に供給された燃料は、アノード極１２の電極触媒の機能により分解されて水素原子となり、アニオン交換膜１０を通過した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）とが反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。このとき放出される電子は集電板２０から外部回路２４を通過してカソード極１４側の集電板２２に移動する。アノード極１２に燃料としてエタノールが供給されて、これが分解される場合には、結果的に、アノード極１２では次式（１）に示す反応が起きる。
ＣＨ_３ＣＨ_２ＯＨ＋１２ＯＨ⁻ → ９Ｈ_２Ｏ＋２ＣＯ_２＋１２ｅ⁻ ・・・（１） Here, the fuel supplied to the anode electrode 12 is decomposed by the function of the electrode catalyst of the anode electrode 12 to become hydrogen atoms, and the hydroxide ions (OH ⁻ ) that have passed through the anion exchange membrane 10 react to react with water. (H ₂ O) is produced. The electrons emitted at this time pass from the current collector plate 20 through the external circuit 24 and move to the current collector plate 22 on the cathode electrode 14 side. When ethanol is supplied to the anode electrode 12 as fuel and is decomposed, as a result, the reaction represented by the following formula (1) occurs at the anode electrode 12.
CH ₃ CH ₂ OH + 12OH ⁻ → 9H ₂ O + 2CO ₂ + 12e ⁻ (1)

一方、カソード極１４に大気が供給されると、大気中の酸素分子（Ｏ_２）はカソード極１４の電極触媒の機能により、いくつかの段階を経て電子を受け取って水酸化物イオンが生成される。水酸化物イオンはアニオン交換膜１０を通過してアノード極１２側に移動する。カソード極１４での反応は、次式（２）のようになる。
１/２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → ２ＯＨ⁻ ・・・・（２） On the other hand, when the atmosphere is supplied to the cathode electrode 14, oxygen molecules (O ₂ ) in the atmosphere receive electrons through several stages due to the function of the electrode catalyst of the cathode electrode 14 to generate hydroxide ions. The The hydroxide ions pass through the anion exchange membrane 10 and move to the anode electrode 12 side. The reaction at the cathode electrode 14 is represented by the following equation (2).
1 / 2O ₂ + H ₂ O + 2e ⁻ → 2OH ⁻ (2)

以上のようなアノード極１２側とカソード極１４側における反応をまとめると、燃料電池２全体では次式（３）のように水の生成反応が起き、電子は両極側の集電板２０、２２間を、外部回路２４を介して移動する過程で回路の負荷に対して仕事を行い、これによりエネルギーが取り出されることとなる。
Ｈ_２＋１/２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ・・・・（３） Summarizing the reactions on the anode electrode 12 side and the cathode electrode 14 side as described above, in the fuel cell 2 as a whole, a water generation reaction occurs as in the following formula (3), and electrons are collected on the current collector plates 20 and 22 on both electrode sides. In the process of moving through the external circuit 24, work is performed on the load of the circuit, and thereby energy is extracted.
H ₂ + 1 / 2O ₂ → H ₂ O (3)

上記のように，燃料電池２の発電中の電気化学反応において、式（１）に示すようにアノード極１２では、燃料から水と二酸化炭素とが生成される。従って、燃料電池２から排出される排燃料には、未使用の燃料の他に、多くの二酸化炭素と水とが含まれることになる。従って排燃料を循環して利用するためには、排燃料に含まれる二酸化炭素と水とをある程度除去することが望ましい。 As described above, in the electrochemical reaction during power generation of the fuel cell 2, water and carbon dioxide are generated from the fuel at the anode electrode 12 as shown in Expression (1). Therefore, the exhausted fuel discharged from the fuel cell 2 contains a large amount of carbon dioxide and water in addition to unused fuel. Therefore, in order to circulate and use the exhaust fuel, it is desirable to remove carbon dioxide and water contained in the exhaust fuel to some extent.

従って、この実施の形態の燃料電池システムは、分離器３６を有している。分離器３６はパーベーパレーション法により、排燃料を、燃料と、水及び二酸化炭素とに分離する装置である。具体的に、パーベーパレーション膜４０は、水及び二酸化炭素を選択的に透過する。従って、燃料排出路３４から分離器３６の第１空間４２に排燃料が導入されると、真空ポンプ５２の吸引によって、排燃料から、水と水に溶解している二酸化炭素とがパーベーパレーション膜４０を通過して第２空間４４に移動する。従って、排燃料からは水と二酸化炭素とがある程度除去され、第１空間４２には燃料成分が残される。第１空間４２に残された燃料は、循環経路４６を通って再び燃料供給路３０内に流入し、燃料電池２に供給される。これにより、循環利用される燃料の濃度を高く維持することができる。 Therefore, the fuel cell system of this embodiment has a separator 36. The separator 36 is a device that separates the exhausted fuel into fuel, water, and carbon dioxide by the pervaporation method. Specifically, the pervaporation membrane 40 selectively transmits water and carbon dioxide. Therefore, when exhaust fuel is introduced from the fuel discharge path 34 into the first space 42 of the separator 36, water and carbon dioxide dissolved in the water are pervaporated from the exhaust fuel by suction of the vacuum pump 52. It moves through the membrane 40 to the second space 44. Accordingly, water and carbon dioxide are removed to some extent from the exhausted fuel, and fuel components remain in the first space 42. The fuel remaining in the first space 42 flows again into the fuel supply path 30 through the circulation path 46 and is supplied to the fuel cell 2. Thereby, the density | concentration of the fuel circulated and utilized can be maintained high.

一方、第２空間４４に移動した水と二酸化炭素とは、真空ポンプ５２による吸引力により経路４８内を通って凝縮器５０に導入される。凝縮器５０では水と二酸化炭素とが冷却されて、液体である水と気体である二酸化炭素とに分離する。二酸化炭素は排出路５４から外部に放出される。あるいは途中でトラップするようにしてもよい。 On the other hand, the water and carbon dioxide moved to the second space 44 are introduced into the condenser 50 through the path 48 by the suction force of the vacuum pump 52. In the condenser 50, water and carbon dioxide are cooled and separated into liquid water and gaseous carbon dioxide. Carbon dioxide is released to the outside from the discharge path 54. Or you may make it trap on the way.

凝縮器５０において分離された水は、経路５６を移動して、大気供給路６０の途中に設置された加湿器５８に導入される。大気供給路６０から導入された大気は、一旦、加湿器５８に導入されて、加湿器５８内の水により加湿される。その後、加湿された大気がカソード極１４に供給される。 The water separated in the condenser 50 moves through the path 56 and is introduced into the humidifier 58 installed in the middle of the air supply path 60. The air introduced from the air supply path 60 is once introduced into the humidifier 58 and is humidified by the water in the humidifier 58. Thereafter, the humidified air is supplied to the cathode electrode 14.

以上説明したように、この発明の実施の形態によれば、排燃料から燃料成分を確実に分離することができ、燃料濃度の低下を抑えて燃料を循環利用することができる。ここで、燃料と、水及び二酸化炭素とは、パーベーパレーション膜４０を用いたパーベーパレーション法により分離される。これにより分離のための装置の大型化及びこれに伴う燃料電池の大型化を抑えつつ、燃料と水との分離を行うことができる。 As described above, according to the embodiment of the present invention, the fuel component can be reliably separated from the exhausted fuel, and the fuel can be circulated and used while suppressing the decrease in the fuel concentration. Here, the fuel, water and carbon dioxide are separated by a pervaporation method using the pervaporation membrane 40. Thereby, separation of fuel and water can be performed while suppressing an increase in size of the apparatus for separation and an accompanying increase in size of the fuel cell.

また、この実施の形態では、凝縮器５０内で二酸化炭素と水とを更に分離して、水を加湿器５８において利用している。これにより加湿のための複雑なシステムを用いることなく、加湿用の水分を十分に確保することができ、カソード極１４に、式（２）に示す反応に必要な水分を供給すると共に、カソード極１４側の乾燥を抑制することができる。 In this embodiment, carbon dioxide and water are further separated in the condenser 50, and water is used in the humidifier 58. Thus, sufficient moisture for humidification can be secured without using a complicated system for humidification, and the cathode electrode 14 is supplied with moisture necessary for the reaction shown in the formula (2), and the cathode electrode. 14 side drying can be suppressed.

また、二酸化炭素を除去した水を用いることで、カソード極１４への大気の流通等の阻害や酸化によるカソード極１４等の劣化をより確実に抑えることができる。但し、この発明は、凝縮器５０のように二酸化炭素と水とを分離する手段を有するものに限るものではなく、分離器３６において分離された状態の水と二酸化炭素とを、そのまま加湿器５８に導入するものとしてもよい。 Further, by using water from which carbon dioxide has been removed, it is possible to more reliably suppress deterioration of the cathode electrode 14 and the like due to obstruction of air circulation to the cathode electrode 14 and oxidation. However, the present invention is not limited to the one having a means for separating carbon dioxide and water like the condenser 50, and the water and carbon dioxide separated in the separator 36 are directly used in the humidifier 58. It is good also as what is introduced in.

また、この実施の形態では、加湿器５８を通過させることで大気を加湿することにより、カソード極１４側を確保する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、凝縮器５０において分離された水、あるいは、分離器３６において分離された状態の水と二酸化炭素とを、直接、カソード極１４側に導入することで、カソード極１４を加湿するものであってもよい。 In this embodiment, the case where the cathode electrode 14 side is secured by humidifying the atmosphere by passing the humidifier 58 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the water separated in the condenser 50 or the water separated in the separator 36 and carbon dioxide are introduced directly to the cathode 14 side. The cathode 14 may be humidified.

また、実施の形態では、燃料としてエタノールを提供する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、炭化水素系の燃料であれば他の燃料を用いるものであってもよい。具体的には、燃料としては、エタノールの他に、メタノール、ジメチルエーテル、プロパン、ブタン、プロパノール、ブタノール、エチレングリコールなど、沸点が１００℃程度の常温で液体のものか、あるいは１０気圧以下に減圧した状態で、常温で液体となるものを用いることが望ましい。 In the embodiment, the case where ethanol is provided as the fuel has been described. However, the present invention is not limited to this, and other fuels may be used as long as they are hydrocarbon fuels. Specifically, as fuel, in addition to ethanol, methanol, dimethyl ether, propane, butane, propanol, butanol, ethylene glycol, or the like that is liquid at room temperature with a boiling point of about 100 ° C., or depressurized to 10 atmospheres or less. It is desirable to use a liquid that is liquid at room temperature.

また、実施の形態では説明の簡略化のため、アニオン交換膜１０の両側に一対の電極１２、１４が配置された１つの発電部のみを有する燃料電池２を図示して説明した。しかし、この発明において燃料電池はこれに限るものではなく、発電部がセパレータを介して積層されたスタック構造を有する燃料電池であってもよい。 Further, in the embodiment, for simplification of description, the fuel cell 2 having only one power generation unit in which the pair of electrodes 12 and 14 are disposed on both sides of the anion exchange membrane 10 has been illustrated and described. However, in the present invention, the fuel cell is not limited to this, and may be a fuel cell having a stack structure in which power generation units are stacked via separators.

また、実施の形態では、分離器３６内にパーベーパレーション膜４０を設置してパーベーパレーション法により燃料と水（及び二酸化炭素）との分離を行う場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、分子ふるい膜を用いて燃料と水（及び二酸化炭素）とを分離するものであってもよい。 In the embodiment, the case where the pervaporation membrane 40 is installed in the separator 36 and the fuel and water (and carbon dioxide) are separated by the pervaporation method has been described. However, the present invention is not limited to this, and the fuel and water (and carbon dioxide) may be separated using a molecular sieve membrane.

また、この実施の形態では、水を選択的に透過するパーベーパレーション膜４０を用いる場合について説明した。しかしこの発明はこれに限るものではなく、燃料を選択的に透過するパーベーパレーション膜を用いて、燃料を分離するものであってもよい。このような膜としては、例えば、シリコンゴム、トリメチルシリルプロピレン、ゼオライト、ハイシリカゼオライト、ハイシリカゼオライト混入シリコンゴム等を用いることができる。 In this embodiment, the case where the pervaporation film 40 that selectively permeates water is used has been described. However, the present invention is not limited to this, and the fuel may be separated using a pervaporation membrane that selectively permeates the fuel. As such a film, for example, silicon rubber, trimethylsilylpropylene, zeolite, high silica zeolite, silicon rubber mixed with high silica zeolite, or the like can be used.

なお、実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。 In addition, when referring to the number of each element in the embodiment, the number, quantity, amount, range, etc., unless otherwise specified or clearly specified in principle, the number referred to It is not limited. Further, the structures described in the embodiments, steps in the method, and the like are not necessarily essential to the present invention unless otherwise specified or clearly specified in principle.

この発明の実施の形態の燃料電池システムについて説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the fuel cell system of embodiment of this invention.

Explanation of symbols

２燃料電池
１０アニオン交換膜
１２アノード極
１４カソード極
１６燃料流路
１８酸素流路
２０、２２集電板
２４外部回路
３０燃料供給路
３２燃料供給源
３４燃料排出路
３６分離器
４０パーベーパレーション膜
４２第１空間
４４第２空間
４６循環経路
４８経路
５０凝縮器
５２真空ポンプ
５４排出路
５６経路
５８加湿器
６０大気供給路
６２大気排出路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Fuel cell 10 Anion exchange membrane 12 Anode pole 14 Cathode pole 16 Fuel flow path 18 Oxygen flow path 20, 22 Current collecting plate 24 External circuit 30 Fuel supply path 32 Fuel supply source 34 Fuel discharge path 36 Separator 40 Pervaporation membrane 42 1st space 44 2nd space 46 Circulation path 48 Path 50 Condenser 52 Vacuum pump 54 Discharge path 56 Path 58 Humidifier 60 Air supply path 62 Atmosphere discharge path

Claims

An alkaline fuel cell having an electrolyte membrane that conducts anions, and an anode electrode and a cathode electrode that are a pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a hydrocarbon-based fuel is used;
Separation means for separating unreacted fuel and water from the exhausted fuel discharged from the alkaline fuel cell,
The fuel cell system, wherein the water separated in the separation means is used for humidifying the cathode electrode.

Humidifying means for humidifying the oxidant supplied to the cathode electrode;
A path for introducing the water separated in the separation means into the humidification means;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising:

The fuel cell system according to claim 1, further comprising a removing unit that removes carbon dioxide from the water separated in the separating unit.

The separation means is connected to a fuel supply path for introducing fuel into the alkaline fuel cell, and further includes a circulation path for allowing the fuel separated in the separation means to flow into the fuel supply path. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the separation means uses a pervaporation membrane.