JP2010009855A - 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二相流において、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、気液二層流中の気体成分を分離、除去する必要がある。そこで、アノード循環系において、起電部のアノード出口と燃料タンクとの間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、メタノールはアノード循環系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 produced 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, in the anode circulation system, a gas-liquid separator is provided 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 anode circulation system, and carbon dioxide gas is sent to the cathode channel through the exhaust path (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、液相(燃料)と気相(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. For this reason, the gas-liquid separator provided between the electromotive unit and the fuel tank can efficiently and reliably separate the liquid phase (fuel) and the gas phase (carbon dioxide) when using fuel efficiently. Is required.
気液分離器にガス透過性多孔質体を用いて気液分離を行う場合、液相(アノード循環系)と気相(通常は大気)との圧力差を利用するため、アノード循環系の内圧が最適な値に設定されている必要がある。しかしながら、燃料電池装置の発電動作に伴い、アノード循環液の温度が変化するとアノード循環液の粘性が変化し、その結果、アノード循環系の内圧変化を生じてしまう。 When gas-liquid separation is performed using a gas-permeable porous material for the gas-liquid separator, the internal pressure of the anode circulation system is used because the pressure difference between the liquid phase (anode circulation system) and the gas phase (usually the atmosphere) is used. Must be set to an optimal value. However, when the temperature of the anode circulating fluid changes with the power generation operation of the fuel cell device, the viscosity of the anode circulating fluid changes, and as a result, the internal pressure of the anode circulating system changes.
液相側の圧力が高すぎると、炭酸ガスだけでなくアノード循環液までガス透過性多孔質体を透過してしまい、燃料電池装置外に液体が漏れ出してしまう。逆に、液相側の圧力が低すぎると、炭酸ガスがガス透過性多孔質体を透過することができず、アノード循環系に炭酸ガスが留まってしまい発電に支障をきたす恐れがある。 If the pressure on the liquid phase side is too high, not only the carbon dioxide gas but also the anode circulated liquid will pass through the gas-permeable porous body, and the liquid will leak out of the fuel cell device. On the other hand, if the pressure on the liquid phase side is too low, the carbon dioxide gas cannot permeate the gas permeable porous material, and the carbon dioxide gas may remain in the anode circulation system, which may hinder power generation.
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、温度変化にかかわらず最適な気液分離性能を得ることができ、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 obtaining optimum gas-liquid separation performance regardless of temperature change 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、燃料を収容する燃料タンクと、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アノード流路と、前記起電部のカソードを通して空気を供給するカソード流路と、を有した循環系と、アノード流路を通して液体を流す循環ポンプと、前記燃料タンクの上流側に設けられ、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二相流に接する第1表面と前記カソード流路を通る空気に接する第2表面とを有し、気液二相流中のガスを透過するガス透過性部材を備えた気液分離器と、
前記アノード流路に設けられ、アノード流路内の液体の温度を測定する温度センサと、
前記アノード流路内の圧力を調整する圧力調整部と、前記温度センサにより測定されたアノード流路内の液体の温度に基づいて前記アノード流路内の圧力を算出し、前記アノード流路内の圧力が所定の範囲内となるように前記圧力調整部の圧力を調整する圧力制御部と、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 power by a chemical reaction, a fuel tank that contains fuel, and the fuel tank. A circulation system having an anode flow path for circulating the supplied fuel through the anode of the electromotive section, a cathode flow path for supplying air through the cathode of the electromotive section, and circulation for flowing a liquid through the anode flow path A pump and a gas-liquid separator that is provided upstream of the fuel tank and separates liquid and gas. The gas-liquid separator is formed of a porous material and contacts a gas-liquid two-phase flow discharged from the anode. A gas-liquid separator having a surface and a second surface in contact with the air passing through the cathode flow path, the gas-liquid separator including a gas-permeable member that transmits gas in the gas-liquid two-phase flow;
A temperature sensor that is provided in the anode channel and measures the temperature of the liquid in the anode channel;
The pressure in the anode channel is calculated based on the pressure adjusting unit that adjusts the pressure in the anode channel, and the temperature of the liquid in the anode channel measured by the temperature sensor. A pressure control unit that adjusts the pressure of the pressure adjusting unit so that the pressure is within a predetermined range.
上記構成によれば、温度変化に応じて、気液分離器に送られる液体の圧力を調整することにより、最適な気液分離性能を得ることができ、発電効率の向上した燃料電池装置を提供することができる。 According to the above configuration, an optimum gas-liquid separation performance can be obtained by adjusting the pressure of the liquid sent to the gas-liquid separator according to the temperature change, and a fuel cell device with improved power generation efficiency is provided. can do.
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16を備えている。電池制御部16はマイコン(CPU)等を有し、セルスタック12に電気的に接続されている。そして、電池制御部16は、セルスタック12で発生した電力をノートPC、携帯電話機等の電子機器17に供給する。
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あるいは所望濃度のメタノール水溶液が収容されている。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流通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16を介して電子機器17に供給される。
As shown in FIG. 3, the supplied fuel and air chemically react with an
図1に示すように、アノード流路22には、燃料供給部として機能する燃料ポンプ26が接続されている。この燃料ポンプ26は、燃料タンク14の燃料供給口14aに配管接続されている。燃料ポンプ26は電池制御部16により動作が制御され、燃料タンクからアノード流路22へ燃料を供給する。アノード流路22において、セルスタック12の上流側には、アノード流路22を通して燃料を循環させる循環ポンプ28が設けられている。循環ポンプ28は、電池制御部16により駆動電圧あるいは回転数が制御され、アノード流路22を流れる燃料の流量を調整している。なお、循環ポンプの駆動電圧あるいは回転数を一定として、アノード流路22を流れる燃料の流量を一定に制御するようにしてもよい。
As shown in FIG. 1, a
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を通して循環ポンプ28の入力部に接続されている。セルスタック12の出力部と循環ポンプ28との間でアノード流路22には気液分離器32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(CO2)を含む気液二相流は、気液分離器32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を通して循環ポンプ28に戻され、再度、アノード37へ供給される。気液分離器32により分離された二酸化炭素は、図示しない浄化フィルタを通して外気に排気される。
The output part of the
アノード流路22において、セルスタック12の出力部と気液分離器32との間には、温度センサ34が設けられ、気液分離器32と循環ポンプ28との間には、圧力調整部35が設けられている。温度センサ34は、セルスタック12から排出された流体の温度を検知し、その検知結果を電池制御部16に送る。電池制御部16は、温度センサ34から送られた検知結果に基づいて図示しない冷却器等を作動させ、セルスタック12に送られる燃料の温度を発電に最適な状態に維持する。
In the
また、圧力調整部35は、例えば、アノード流路22を開閉する可変バルブを備え、電池制御部16による制御の下、可変バルブの開度を調整することにより、アノード流路22を流れるアノード流体の圧力を調整する。例えば、可変バルブの開度を上げることにより、アノード流路22内を流れる燃料の圧力を下げ、開度を絞ることにより、燃料の圧力を上げることができる。そして、圧力調整部35は、セルスタック12を通常運転する際の基準圧力と、この基準圧力よりも高低両方向に変化した圧力とへ調整可能な充分な調整幅を有している
一方、カソード流路24の吸気口24aおよび排気口24bは、それぞれ大気に連通している。カソード流路24に設けられた補機は、セルスタック12の上流側でカソード流路24の吸気口24a近傍に設けられたエアフィルタ40、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42、セルスタック12の下流側でセルスタックと排気口24bとの間に設けられた排気フィルタ44を含んでいる。
The
送気ポンプ42を作動させることにより、吸気口24aから空気がカソード流路24に給気される。給気された空気は、エアフィルタ40を通過した後、セルスタック12のカソード36に給気され、ここで、空気中の酸素が発電に利用される。カソード36から排出された空気は、カソード流路24および排気フィルタ44を通り、排気口24bから大気に排出される。
By operating the
エアフィルタ40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、蟻酸、燃料ガス、蟻酸メチル、ホルムアルデヒド等の不純物、有害物質等を捕獲し除去する。排気フィルタ44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
次に、気液分離器32について詳細に説明する。図4は、気液分離器32を拡大して示している。
図4に示すように、気液分離器32は、アノード流路22の一部を規定している分離チューブ50と、分離チューブ50を覆って設けられた中空の容器52と、を有している。分離チューブ50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54を筒状に成形して構成されている。ガス透過性膜54の第1表面54a、つまり、分離チューブ50の内面により、気液二相流が流れる流路が規定され、ガス透過性膜54の外面(第2表面)54bにより分離チューブ50の外面が形成されている。そして、ガス透過性膜54は流路内を流れる気液二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50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、ガス透過性多孔質体である分離チューブ50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二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 ends of the
容器52は分離チューブ50全体を覆って設けられ、分離チューブ50の外面に接した密閉空間60を規定している。容器52には、排気管62が接続され、密閉空間60は、排気管62を通して外気に連通している。
The
上記のように構成された気液分離器32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50内を通って流れ、分離チューブ50の外面は空間60内の外気、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50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54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、ここでは、燃料は、その表面張力によりガス透過性膜54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、気液二相流体が気相と液相とに分離される。分離された燃料は、アノード流路22を通り圧力調整部35を介して循環ポンプ28へ送られ、再び、セルスタック12へ供給される。また、分離されたガスは、外気とともに排気管62を通して外部に排気される。なお、排気管62の排気口近傍に有害物除去フィルタを設けてもよい。
According to the gas-
気液分離器32にガス透過性多孔質体を用いて気液分離を行う場合、液相(アノード循環系)と気相(大気)との圧力差を利用するため液相側の圧力管理が重要となる。そこで、燃料電池装置10は、気液分離器32の液相(アノード循環系)側にかかる圧力を適正に保つため、アノード流路22に設けられた前述の圧力調整部35を備えている。そして、電池制御部16は、温度センサ34により測定したアノード循環系の液温に基づいて、気液分離器32にかかる圧力を算出し、この圧力に応じて圧力調整部35の圧力を調整する。
When gas-liquid separation is performed using a gas-permeable porous body for the gas-
気液分離器32にかかる圧力とその算出方法について説明する。図5に示すように、気液分離器32の流入口にかかる圧力をPin、気液分離器の出口にかかる圧力をPout とすると、これらのPin、Pout は、各圧力は圧力調整部35での圧力Preg 、気液分離器内の圧力損失ΔP1、気液分離器の出口〜圧力調整部35間のアノード流路22の圧力損失ΔP2を用いて以下のように表すことができる。Pinは、気液分離器32内の最高圧力、Pout は気液分離器内の最低圧力となる。
A pressure applied to the gas-
Pin = Preg +ΔP1+ΔP2
Pout = Preg +ΔP2
ここで、圧力損失ΔP1、ΔP2は以下の圧力損失ΔPの算出式から求めることができる。
ΔP=32・l/d2・η・u (円管の場合)
l:該当区間(ΔP1ならば気液分離器内の)の流路長さ
d:流路直径
η:流体粘度
u:流速
上記算出式において、流路長さl、流路直径dは流路形状により決まる定数であるため、流体粘度η、流速uを推定することが出来れば、気液分離器32にかかる圧力を算出することができる。ここでは、気液分離器32の流体流路が円管の場合の式を用いて説明しているが、矩形流路などの場合でも圧力損失と流体粘度、流速の関係は変わらない。
Pin = Preg + ΔP1 + ΔP2
Pout = Preg + ΔP2
Here, the pressure losses ΔP1 and ΔP2 can be obtained from the following calculation formula of the pressure loss ΔP.
ΔP = 32 ・ l / d 2・ η ・ u (in the case of a circular pipe)
l: Channel length of the corresponding section (in the gas-liquid separator if ΔP1)
d: Channel diameter
η: Fluid viscosity
u: Flow velocity In the above calculation formula, the flow channel length l and the flow channel diameter d are constants determined by the flow channel shape, so if the fluid viscosity η and the flow velocity u can be estimated, the gas-
また、液体の粘度は、図6に示す水の粘度のように、温度の関数として表すことができる。そのため、アノード循環液の温度を測定することにより、この測定温度からアノード循環液の粘度を推定することが可能となる。図7に示すように、液体の圧力損失は、流速に比例するため、液体の粘度を推定することが出来れば、循環ポンプ28の駆動状態(駆動電圧、回転数等)からアノード循環液の流速を推定し、液体の圧力損失を求めることできる。従って、液体の圧力損失から、気液分離器32にかかる圧力を算出することが出来る。
Also, the viscosity of the liquid can be expressed as a function of temperature, like the viscosity of water shown in FIG. Therefore, by measuring the temperature of the anode circulating liquid, it becomes possible to estimate the viscosity of the anode circulating liquid from this measured temperature. As shown in FIG. 7, since the pressure loss of the liquid is proportional to the flow rate, if the viscosity of the liquid can be estimated, the flow rate of the anode circulating liquid can be determined from the drive state (drive voltage, rotation speed, etc.) of the
電池制御部16は、温度センサ34により検出された液体温度に基づいて、気液分離器32にかかる圧力を算出し、この圧力が気液分離器32の分離性能を発揮するのに最適な圧力範囲内となるように、圧力調整部35によりアノード流路22の内圧を調整する。圧力調整部35は、セルスタック12を通常運転する際の基準圧力と、この基準圧力よりも高低両方向に変化した圧力とへ調整可能な充分な調整幅を有している。
The
図8に示すように、アノード流路22の内圧は、以下の通り制御する。なお、図中の記号の意味は以下の通りである。
Pin:気液分離器の流入口圧力
Pout:気液分離器の流出口圧力
Preg:圧力調整部の圧力
Pmax:気液分離器が機能する圧力の上限
Pmin:気液分離器が機能する圧力の下限
ΔP1:気液分離器内の圧力損失
ΔP2:気液分離器流出口〜圧力調整部間の圧力損失
まず、電池制御部16は、循環ポンプ28の起動状態(駆動電圧、回転数等)からアノード流路22を流れる流体の流速を算出する(ST1)。なお、循環ポンプ28の駆動電圧、回転数が常時、一定に設定されている場合は、流速もほぼ一定であることから、この工程を省略することができる。
As shown in FIG. 8, the internal pressure of the
Pin: Gas-liquid separator inlet pressure
Pout: Outlet pressure of gas-liquid separator
Preg: Pressure of the pressure adjustment unit
Pmax: Upper limit of pressure at which the gas-liquid separator functions
Pmin: Lower limit of pressure at which the gas-liquid separator functions
ΔP1: Pressure loss in the gas-liquid separator
ΔP2: Pressure loss between the gas-liquid separator outlet and the pressure adjusting unit First, the
続いて、電池制御部16は、温度センサ34を用いて液温を測定し(ST2)、液温から循環流体の粘度を算出する(ST3)。電池制御部16は、流速、粘度から圧力損失ΔP1、ΔP2を算出する(ST4)。更に、電池制御部16は、圧力調整部35の圧力Preg 、圧力損失ΔP1、ΔP2から気液分離器32の流入口圧力Pinおよび流出口圧力Poutを算出する(ST5、ST6)。
Subsequently, the
次いで、電池制御部16は、気液分離器32の流入口圧力Pinと上限圧力Pmaxとを比較するとともに、気液分離器の流出口圧力Pout と下限圧力Pmin とを比較し(ST7)、Pin>Pmax (気液分離器32が機能する圧力の上限を超えている)または、Pout <Pmin (気液分離器が機能する圧力の下限を下回っている)の場合、圧力調整部35の圧力Preg を、Pin<Pmax かつPout >Pmin となるように調整する(ST8)。これにより、気液分離器32に送られる気液二相流体の圧力を、気液分離器32の分離性能を発揮するのに最適な圧力範囲内に設定することができる。従って、燃料電池装置10の運転状況、アノード循環流体の温度が変化した場合でも、気液分離器32の気液分離能力を充分に発揮し、気液二相流体を確実に気液分離することができる。
Next, the
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16の制御の下、燃料ポンプ26、循環ポンプ28および送気ポンプ42を作動させるとともに、圧力調整部35を基準圧力に調整する。燃料ポンプ26により、燃料タンク14からアノード流路22へメタノールが供給され。また、循環ポンプ28により、メタノールがアノード流路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42により、カソード流路24の吸気口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40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40を通過した後、空気は、カソード流路24を通りセルスタック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 intake port 24a of 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16を介して電子機器等へ供給される。
The 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はアノード流路22を通して気液分離器32に送られ、ここで、二酸化炭素とメタノールとに分離される。分離されたメタノールは、気液分離器32からアノード流路22を通して循環ポンプ28へ送られ、再度、発電に用いられる。分離された二酸化炭素は、気液分離器32の空間60から排気管62を通して外部に排気される。
Along with the electrochemical reaction, carbon dioxide is generated on the
また、燃料電池装置10の動作中において、電池制御部16は、温度センサ34により検出された液体温度、および循環ポンプ28の運転状況に応じて、圧力調整部35によりアノード流路の内圧を、気液分離器32の気液分離に最適な圧力範囲に調整する。
Further, during the operation of the
以上のように構成された燃料電池装置10によれば、アノード流体の温度変化にかかわらず、アノード流体の圧力を気液分離器に最適な圧力範囲に維持することができ、気液分離器により気液二相流体を効率良く気液分離することができる。そのため、燃料電池装置外への液体の漏洩、および炭酸ガスの滞留を防止しすることができ、その結果、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9に示すように、第2の実施形態によれば、燃料電池装置の気液分離器32は、セルスタック12内に組み込んで構成されている。セルスタック12は、複数、例えば、4つの単セル140を積層して構成されている。各単セル140は、それぞれ空気を流す複数の空気流路150が形成されたカソード流路板152と、それぞれ燃料を流す複数の燃料流路154が形成されたアノード流路板156と、これらカソード流路板とアノード流路板との間に挟まれた膜・電極接合体(MEA)160と、を有している。MEA160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およびアノードと、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とを一体化して構成されている。MEA160は、カソードが空気流路150に接触し、アノードが燃料流路154に接触した状態で、カソード流路板152とアノード流路板156との間に挟まれている。
Next explained is a fuel cell apparatus according to the second embodiment of the invention.
As shown in FIG. 9, according to the second embodiment, the gas-
4つの単セル140は、多孔質材料、例えば、多孔質のフッ素系樹脂からなるシート状のガス透過性膜54を間に挟んで、順次積層されている。下層の単セル140のアノード流路板156と、上層に位置した単セル140のカソード流路板152との間にガス透過性膜54が挟まれた状態で、複数の単セルが積層されている。各ガス透過性膜54は、その第1表面、ここでは、下面が下層の単セル140の燃料流路154に接し、第2表面、ここでは、上面が上層の単セル140の空気流路150に接している。
The four
なお、最上層には、複数の空気流路162が形成された端板164が積層されている。最上層の単セル140のアノード流路板156と端板164との間に、ガス透過性膜54が挟持されている。このガス透過性膜54は、下面が下層の単セル140の燃料流路154に接し、上面が端板の空気流路162に接している。
In the uppermost layer, an
発電動作において、各単セル140の空気流路150に空気が供給され、燃料流路154にメタノールが供給される。各単セル140において、供給された燃料および空気は、MEA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16を介して電子機器に供給される。
In the power generation operation, air is supplied to the
また、化学反応に用いられなかった未反応燃料および生成された二酸化炭素(CO2)を含む気液二相流は、各単セル140の燃料流路154を通って流れ、その際、気液二相流は、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、燃料流路154と、この燃料流路とガス透過性膜54を挟んで対向する空気流路150、162との間に差圧が生じている。これにより、気液二相流中に含まれるガス、ここでは、二酸化炭素は、上記圧力差によりガス透過性膜54を透過して上層の空気流路150、162に排出される。これにより、気液二相流は、液相、つまり、未反応の燃料と気相、つまり、二酸化炭素とに分離される。そして、分離された燃料は、燃料流路154を通り、燃料電池装置のアノード流路へ送られ、分離された二酸化炭素は、空気流路150、162を通り、更に、カソード流路を通って外部に排気される。
In addition, a gas-liquid two-phase flow including unreacted fuel that has not been used for the chemical reaction and generated carbon dioxide (CO 2 ) flows through the
このように、セルスタック12において、2〜4層目の単セル140の空気流路150は、空気を流す空気流路および分離された二酸化炭素を流す流路として機能する。最下層の単セル140に設けられた空気流路150は、空気を流す流路としてのみ機能し、最上層の端板164に設けられた空気流路162は、排気された二酸化炭素を流す流路として機能する。
As described above, in the
セルスタック12を除いて、燃料電池装置の他の構成は、前述した第1の実施形態と同一であり、その詳細な説明は省略する。上記のようにセルスタック12に組み込まれた気液分離器を用いた場合でも、前述した第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、独立した気液分離器を省略することができ、装置全体の小型化を図ることが可能となる。
Except for the
次に、この発明の第3の実施形態に係る燃料電池装置について説明する。
図10は、第3の実施形態に係る燃料電池装置を概略的に示している。第3の実施形態によれば圧力調整部35は、可変バルブに代えて、バッファタンク70およびこのバッファタンクに水を供給する供給部72を備えている。バッファタンク70は、気液分離器32と循環ポンプ28との間で、アノード流路22に接続され、アノード流路22を流れる燃料および水を一時的に貯留する。
Next explained is a fuel cell apparatus according to the third embodiment of the invention.
FIG. 10 schematically shows a fuel cell device according to the third embodiment. According to the third embodiment, the
バッファタンク70内には、押圧板74が昇降自在に配設されている。この押圧板74は、押圧板とバッファタンク内面との間に配設された複数の付勢部材、例えば、圧縮ばね76により、バッファタンク内に貯留された液体の液面に押付けられ、液体を加圧している。バッファタンク70内に貯溜されている液体の液量が変化して液面が昇降すると、これに連動して押圧板74も昇降する。そして、押圧板74の昇降に応じて、圧縮ばね76の付勢力が変化し、液体の加圧力が変化する。例えば、液量が増加して押圧板74が上方に移動されると、圧縮ばね76が収縮し、付勢力が増加する。これにより、液体に加えられる圧力が増大し、液体自身の圧力、つまり、アノード流路22の内圧が増大する。
逆に、バッファタンク70内に貯溜されている液体の液量が低下して液面が下がると、これに連動して押圧板74も下降する。これにより、圧縮ばね76が伸張し、付勢力が低下する。従って、液体に加えられる圧力が低下し、液体自身の圧力、つまり、アノード流路22の内圧が低下する。
A
On the contrary, when the liquid amount stored in the
供給部72は、液体、例えば、水を収容する水タンク78、および水タンクからアノード流路22に水を供給する給水ポンプ80を有している。水タンク78は、燃料電池装置10に対して脱着可能な、かつ、交換可能なカートリッジとして形成してもよい。給水ポンプ80は、電池制御部16によって、その動作が制御されている。
The
給水ポンプ80により水タンク78からアノード流路22に水を供給することにより、アノード流路内の液体の流量が増大し、バッファタンク70に貯留される液量が増大する。これに伴い、バッファタンク70に設けられた圧縮ばね76の付勢力が大きくなり、アノード流路22の内圧が上昇する。このように、電池制御部16により給水ポンプ80を制御し、バッファタンク70の貯液量を調整することにより、アノード流路22の内圧を調整することができる。
By supplying water from the
前述した第1の実施形態と同様に、電池制御部16の制御の下、アノード流体の温度、あるいは、循環ポンプの動作状況に応じて、圧力調整部35によりアノード流路の内圧を気液分離器32に最適な圧力範囲内に調整する。これにより、気液分離器32によって気液二相流体を効率良く気液分離することができる。そのため、燃料電池装置外への液体の漏洩、および炭酸ガスの滞留を防止しすることができ、その結果、発電効率の向上した燃料電池装置が得られる。
As in the first embodiment described above, the internal pressure of the anode flow path is gas-liquid separated by the
圧力調整部35を除いて、燃料電池装置の他の構成は、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は省略する。上記のように構成された第3の実施形態においても、前述した第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
Except for 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。
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。気液分離器から排気されたガスは、直接外部に排出される場合に限らず、カソード流路に送り、フィルタを通して外部に排出する構成としてもよい。
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.
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 gas exhausted from the gas-liquid separator is not limited to being directly discharged to the outside, but may be configured to be sent to the cathode flow path and discharged to the outside through a filter.
10…燃料電池装置、12…セルスタック、14…燃料タンク、16…電池制御部、
20…循環系、22…アノード流路、24…カソード流路、28…循環ポンプ、
32…気液分離器、34…温度センサ、35…圧力調整部、
36…カソード(空気極)、37…アノード(燃料極)、54…分離チューブ、
54…ガス透過性膜、70…バッファタンク、78…水タンク、80…給水ポンプ
DESCRIPTION OF
20 ... circulation system, 22 ... anode passage, 24 ... cathode passage, 28 ... circulation pump,
32 ... Gas-liquid separator, 34 ... Temperature sensor, 35 ... Pressure adjusting part,
36 ... cathode (air electrode), 37 ... anode (fuel electrode), 54 ... separation tube,
54 ... Gas permeable membrane, 70 ... Buffer tank, 78 ... Water tank, 80 ... Water supply pump
Claims (6)
燃料を収容する燃料タンクと、
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アノード流路と、前記起電部のカソードを通して空気を供給するカソード流路と、を有した循環系と、
アノード流路を通して燃料を流す循環ポンプと、
前記起電部の流出側で前記アノード流路に設けられ、前記アノードから排出された気液二相流を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二相流に接する第1表面と空気に接する第2表面とを有し、気液二相流中のガスを透過するガス透過性部材を備えた気液分離器と、
前記アノード流路内の液体の温度を測定する温度センサと、
前記アノード流路内の圧力を調整する圧力調整部と、
前記温度センサにより測定されたアノード流路内の液体の温度に基づいて前記アノード流路内の圧力を算出し、前記アノード流路内の圧力が所定の範囲内となるように前記圧力調整部により圧力を調整する電池制御部と、
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 comprising: an anode flow path for circulating fuel supplied from the fuel tank through the anode of the electromotive section; and a cathode flow path for supplying air through the cathode of the electromotive section;
A circulation pump for flowing fuel through the anode flow path;
A gas-liquid separator that is provided in the anode flow path on the outflow side of the electromotive unit and separates the gas-liquid two-phase flow discharged from the anode from a liquid and a gas, and is formed of a porous material, A gas-liquid separator having a first surface in contact with a gas-liquid two-phase flow discharged from the anode and a second surface in contact with air, and having a gas permeable member that transmits gas in the gas-liquid two-phase flow When,
A temperature sensor for measuring the temperature of the liquid in the anode channel;
A pressure adjusting unit for adjusting the pressure in the anode channel;
The pressure in the anode flow path is calculated based on the temperature of the liquid in the anode flow path measured by the temperature sensor, and the pressure adjusting unit adjusts the pressure in the anode flow path to be within a predetermined range. A battery controller for adjusting the pressure;
A fuel cell device comprising:
Priority Applications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012234727A (en) * | 2011-05-02 | 2012-11-29 | Aquafairy Kk | Power generating apparatus, and power generating method |
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-
2008
- 2008-06-25 JP JP2008166160A patent/JP2010009855A/en active Pending
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