JP2012171854A

JP2012171854A - 気体又は液体の処理体及びそれを備える燃料電池システム

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Publication number: JP2012171854A
Application number: JP2011038447A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Okano; 誉之岡野; Masayuki Kamiyama; 雅之上山; Katsuichi Uratani; 勝一浦谷; Hiroko Omori; 寛子大森; Shinichi Matsui; 慎一松井
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2012-09-10

Abstract

【課題】処理能力を高くすることができる気体又は液体の処理体を提供する。
【解決手段】気体又は液体の処理体は、気体又は液体を処理する処理材料の成型体１と、成型体１を収容する収容体２とを備える。成型体１の形状を、凸曲面を有する形状にする。さらに、収容体２に、外部からの気体又は液体が流入する流入口３と、外部に気体又は液体を流出する流出口４とを設け、流入口３及び流出口４に設けられる開口部全てを、成型体１が通過できない形状にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体又は液体を処理する気体又は液体の処理体及び前記処理体と燃料電池装置を備え、前記燃料電池装置が前記処理体から供給される燃料を用いて発電を行う燃料電池システムに関する。

例えば燃料電池は次世代の発電デバイスとして注目されているが、燃料電池が発電するためには燃料電池に燃料を供給する必要がある。一般家庭やオフィス等に設置される定置用の発電デバイスとして燃料電池を使用する場合は、外部のガスインフラ等を用いて燃料を燃料電池に供給することができるので、安定的な燃料の供給が可能である。

特開２０１０−１５０５５号公報（段落００１６）特開２０１０−１６３３１６号公報（段落００２２）特開２００８−９４６４５号公報（段落００１５）特開２００８−２２２４４９号公報

しかし、例えば自動車のような移動体用の発電デバイスとして燃料電池を用いる場合、従来の燃料を供給するインフラを用いることができないので、燃料を貯蔵でき、移動や輸送が可能な燃料供給体が望まれる。

このような燃料供給体としては、例えば耐圧性の高いボンベに燃料を高圧で充填したり、液化して充填したりする方法があるが、ボンベが破損した際に、高圧の燃料が漏洩し、爆発等の危険がある。これに対して、常圧あるいは常圧に近い圧力で燃料を貯蔵する方法として、例えば水素吸蔵材料のように、燃料を発生・吸収することができる燃料発生材料を用いる方法がある。

上記の燃料発生材料を利用する方法として、例えば特許文献１や特許文献２では、水素吸蔵材料として金属酸化物を用い、金属酸化物の還元によって水素を水の形態で貯蔵し、水の形態で貯蔵された水素を金属の酸化によって放出している。特許文献１や特許文献２では、金属酸化物粒子はペレット状に成型されているが、ペレットの形状及びペレットが充填されている容器の形状に関する明確な記載はない。

また、特許文献３では、水素貯蔵材料を、粒子状、ペレット状、円筒状、ハニカム構造、不織布形状などの反応に適した形状に成型して使用できることが記載されているが、特にどの形状が適しているかについては記載されていない。そして、特許文献３では、特許文献１及び特許文献２と同様、水素貯蔵材料材料が充填されている容器の形状についても特に記載はない。

また、特許文献４では、燃料電池と水素貯蔵材料を組み合わせたシステムが開示されているが、水素貯蔵材料の形状及び水素貯蔵材料が充填されている容器の形状に関する明確な記載はない。

本発明は、上記の状況に鑑み、処理能力を高くすることができる気体又は液体の処理体及びそれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る気体又は液体の処理体は、気体又は液体を処理する処理材料の成型体と、前記成型体を収容する収容体とを備える気体又は液体の処理体であって、前記成型体が凸曲面を有する形状であり、前記収容体に、外部からの気体又は液体が流入する流入口と、外部に気体又は液体を流出する流出口とを設け、前記流入口及び前記流出口に設けられる開口部全てを、前記成型体が通過できない形状にする構成（第１の構成）とする。なお、前記流入口と前記流出口とは共通化されていてもよい。

このような構成によると、前記流入口及び前記流出口に設けられる開口部全てを前記成型体が通過できない形状にしているので、前記成型体が前記収納体から漏れることがない。したがって、前記開口部の位置を配慮することなく、前記成型体を前記収容体に高密度に充填することができる。また、例えば、前記処理材料による気体又は液体の処理を促進させるために、前記処理体を流れる気体又は液体の流量を非常に大きくする促進処理や前記収容体内の前記成型体を攪拌する促進処理などを実行することが可能となる。また、このような構成によると、前記成型体が凸曲面を有する形状であるので、前記成型体と前記収容体との間や前記成型体同士の間に容易に隙間を確保することができる。これらの構成上の特徴により、気体又は液体を処理する処理能力を高くすることができる。

また、上記第１の構成の気体又は液体の処理体において、前記成型体を複数備え、複数の前記成型体それぞれが平面を有さない形状である構成（第２の構成）とすることが好ましい。

このような構成によると、前記成型体同士の接触面積を小さくすることができる。これにより、前記成型体の全表面積に占める気体又は液体と接触可能な表面積の割合が大きくなるので、気体又は液体を処理する処理能力をより一層高くすることができる。なお、複数の前記成型体が全て同一形状であることがより好ましい。

また、上記第２の構成の気体又は液体の処理体において、複数の前記成型体それぞれが概ね球状である構成（第３の構成）とすることがより好ましい。なお、第３の構成においても第２の構成と同様に、複数の前記成型体が全て同一形状であることがより好ましい。

このような構成によると、前記成型体同士の接触を点接触にできるので、より一層前記成型体同士の接触面積を少なくすることができる。

また、上記第１〜第３のいずれかの構成の気体又は液体の処理体において、前記処理材料が気体又は液体と反応して燃料を発生する燃料発生材料である構成（第４の構成）としてもよい。

また、上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池システムは、上記第４の構成の気体又は液体の処理体と、前記処理体から供給される燃料を用いて発電を行う燃料電池装置とを備える構成とする。

また、上記構成の燃料電池システムにおいて、前記処理体を流れる気体又は液体の流量を制御する流量制御機構を備えてもよい。

このような構成によると、前記処気体での気体又は液体の処理を促進させることができる。

また、上記いずれかの構成の燃料電池システムにおいて、前記処理体が備える収容体内の成型体を攪拌する攪拌機構を備えてもよい。

本発明に係る気体又は液体の処理体は、上記の通り、気体又は液体を処理する処理材料の成型体と、前記成型体を収容する収容体とを備える気体又は液体の処理体であって、前記成型体が凸曲面を有する形状であり、前記収容体に、外部からの気体又は液体が流入する流入口と、外部に気体又は液体を流出する流出口とを設け、前記流入口及び前記流出口に設けられる開口部全てを、前記成型体が通過できない形状にする構成である。

本発明に係る気体又は液体の処理体によると、前記流入口及び前記流出口に設けられる開口部全てを前記成型体が通過できない形状にしているので、前記成型体が前記収納体から漏れることがない。したがって、前記開口部の位置を配慮することなく、前記成型体を前記収容体に高密度に充填することができる。また、例えば、前記処理材料による気体又は液体の処理を促進させるために、前記処理体を流れる気体又は液体の流量を非常に大きくする促進処理や前記収容体内の前記成型体を攪拌する促進処理などを実行することが可能となる。また、本発明に係る気体又は液体の処理体によると、前記成型体が凸曲面を有する形状であるので、前記成型体と前記収容体との間や前記成型体同士の間に容易に隙間を確保することができる。これらの構成上の特徴により、気体又は液体を処理する処理能力を高くすることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料発生体の概略構成を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る燃料発生体の変形例を示す断面図である。燃料発生材料の成型方法例を示す図である。燃料発生材料の他の成型方法例を示す図である。本発明に係る燃料電池システムの一構成例を示す図である。システムの発電動作時における固体酸化物燃料電池と外部負荷との接続関係を示す模式図である。システムの充電動作時における固体酸化物燃料電池と外部電源との接続関係を示す模式図である。本発明に係る燃料電池システムの他の構成例を示す図である。本発明に係る燃料電池システムの更に他の構成例を示す図である。

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。尚、本発明は、後述する実施形態に限られない。

ここでは、本発明に係る気体又は液体の処理体の一例として、気体又は液体と反応して燃料を発生する燃料発生材料を備える燃料発生体を例に挙げて説明する。

本発明の一実施形態に係る燃料発生体は、図１に示す通り、気体と反応して燃料を発生する燃料発生材料の成型体１と、燃料発生材料の成型体１を収容する収容体２とを備えている。

燃料発生材料は、例えば、金属を母材として、その表面に金属または金属酸化物が添加されている。母材の金属としては、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇやこれらを基材とする合金が挙げられ、特にＦｅは安価で加工も容易であるので好ましい。また、添加される金属としては、例えば、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｖ、Ｍｏが挙げられ、添加される金属酸化物としては、例えば、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２が挙げられる。ただし、母材となる金属と添加される金属とは異なる材料にする。

また、燃料発生材料の成型体１においては、その反応性を上げるために単位体積当りの表面積（比表面積）を大きくすることが望ましい。燃料発生材料の成型体１の比表面積を増加させる方策としては、例えば、燃料発生材料を微粒子化し、その微粒子化したものを成型すればよい。微粒子化の方法は例えばボールミル等を用いた粉砕によって粒子を砕く方法、微粒子の原料となるイオンを溶媒に溶かした後に、酸やアルカリを用いて、原料を微粒子として析出させる方法が挙げられる。さらに、機械的な手法などにより微粒子にクラックを発生させることで微粒子の表面積をより一層増加させてもよく、酸処理、アルカリ処理、ブラスト加工などによって微粒子の表面を荒らして微粒子の表面積をより一層増加させてもよい。

燃料発生材料の成型体１を収容する収容体２は、図１に示す通り、内部に燃料発生材料の成型体１を収容する空間を有している。また、収容体２には、外部からの気体が流入する流入口３と、外部に気体を流出する流出口４とが設けられている。図１に示す構造では、流入口３自体が一つの開口部であり、流出口４自体が一つの開口部である。燃料発生材料の成型体１から発生した燃料は、流出口４を経由して、燃料を使用するデバイス（例えば燃料電池）に供給される。なお、流入口３と流出口４とを共通化して一つの流入出口としてもよい。

また、収容体２の内部を高温にする場合や収容体２の内部圧力を変化させる場合は、温度や圧力を監視・制御するための温度計、ヒーター、断熱構造や圧力計、開閉弁などを設けてもよい。収容体２の材料については、燃料発生材料の成型体１および燃料発生材料の成型体１から発生する燃料、燃料発生材料の成型体１から燃料を発生させるための気体と反応せず、また、温度や圧力を変化させる場合は、所望の温度や圧力に対して耐久性のある材料であればよく、例えばステンレスなどが挙げられる。

本発明の一実施形態に係る燃料発生体では、図１に示す通り、流入口３に設けられている開口部の形状及び流出口４に設けられる開口部の形状を、燃料発生材料の成型体１の正投影像の外形形状よりも小さくしている。すなわち、流入口３に設けられている開口部の形状及び流出口４に設けられる開口部の形状は、燃料発生材料の成型体１が通過できない形状である。このため、燃料発生材料の成型体１が収納体２から漏れることがない。したがって、収納体２の開口部の位置を配慮することなく、燃料発生材料の成型体１を収容体２に高密度に充填することができ、燃料の発生効率を向上させることができる。また、例えば、燃料発生材料による気体又は液体の処理を促進させるために、本発明の一実施形態に係る燃料発生体を流れる気体の流量を非常に大きくする促進処理や収容体２内の燃料発生材料の成型体１を攪拌する促進処理などを実行することが可能となる。当該促進処理の実行により、さらに燃料を効率よく発生させることができる。

また、図１に示す本発明の一実施形態に係る燃料発生体は、例えば図２に示すように変形することもできる。図２に示す構成では、収容体本体２Ａと、流入口用メッシュ２Ｂと、流出口用メッシュ２Ｃとによって収容体２が構成されている。流入口用メッシュ２Ｂには、燃料発生材料の成型体１が通過できない形状の開口部が複数設けられている。同様に、流出口用メッシュ２Ｃにも、燃料発生材料の成型体１が通過できない形状の開口部が複数設けられている。

図２に示す構成の燃料発生体も図１に示す構成の燃料発生体と同様の効果を奏する。

さらに、図２に示す構成の場合、流入口３の形状及び流出口４の形状を、燃料発生材料の成型体１の正投影像の外形形状よりも大きくすることができる。このため、図１に示す構成よりも燃料発生材料の成型体１の正投影像の外形形状を小さくして燃料発生の成型体１の内部まで気体を浸透しやすくすることや、図１に示す構成よりも流入口３の形状及び流出口４の形状を大きくして燃料発生体を流れる気体の流量を大きくすることができる。したがって、燃料をより一層効率よく発生させることができる。

ここで、燃料発生材料の成型方法について説明する。燃料発生材料の成型方法としては、例えば燃料発生材料の微粒子５をプレス型６に装填し、プレス機７によって圧縮して所望の形状に押し固める方法がある（図３参照）。この成型方法は、工程が簡単であるため、簡便に実施することができる。また、圧縮時または圧縮後に、熱を加えて燃料発生材料の微粒子５同士をより強固に結合させてもよい。ただし、高温に加熱しすぎると、燃料発生材料が必要以上に凝集し、比表面積が減ってしまうため、加熱する場合は融点以下、あるいは融点以上に加熱する時間を短時間にするとよい。また、燃料発生材料の微粒子５同士の結合を強固にするために、バインダーを導入してもよい。バインダーとしては例えばＡｌ_２Ｏ_３が挙げられる。この場合は、圧縮する力（プレス圧）を小さくできる、圧縮時間を短くできる、加熱する温度を低くできるなどの利点がある。

また、他の燃料発生材料の成型方法としては、燃料発生材料の微粒子５を溶媒８に分散させ、スラリーや粘土状にしてから、所望の形状の型９に流し込み、溶媒８を乾燥させることで、燃料発生材料を固化させてもよい（図４参照）。この成型方法は、スラリーや粘土に流動性があるため、複雑な成型体形状にも対応することができる。また、圧縮による成型方法と同様に、加熱を行ったり、バインダーをスラリーや粘土に追加したりしてもよい。加熱を行う場合、燃料発生材料の微粒子５同士をより強固に結合させる効果があるだけでなく、溶媒８の乾燥をより早めることができる。また、バインダーを追加する場合、燃料発生材料の微粒子５同士の結合を強固にするだけでなく、スラリーや粘土の粘度を調節することもできる。また、単にスラリーや粘土の粘度を調整するための増粘剤を加えてもよい。この場合、増粘剤は最終的に残存しないものが好ましい。例えばポリビニルピロリドン（polyvinylpyrrolidone：ＰＶＰ）やポリビニルアルコール（polyvinylalcohol：ＰＶＡ）などの増粘剤は加熱によって分解除去できるために、燃料発生材料の微粒子５同士をより強固に結合させるために加熱を行うと、同時に増粘剤も除去できるため好ましい。

また、燃料発生材料の成型体１は凸曲面を有する形状である。これにより、燃料発生材料の成型体１と収容体２との間や燃料発生材料の成型体１同士の間に容易に隙間を確保することができる。さらに、燃料発生材料の成型体１は平面を有さない形状が好ましく、概ね球状であることがより好ましい。このような形状にすることで、燃料発生材料の成型体１同士が概ね点で接触するため、燃料発生材料の成型体１を収容体２に収容した際に、燃料発生材料の成型体１同士の接触面積を小さくすることができる（図１及び図２参照）。これにより、燃料発生材料の成型体１の全表面積に占める気体と接触可能な表面積の割合が大きくなるので、より効率良く燃料を発生させることができる。また、概ね球状の形状であれば、形状が単純なため作成が容易である。

次に、本発明に係る燃料電池システムの一構成例を図５に示す。図５に示す本発明に係る燃料電池システムは、燃料発生体１０と、燃料電池装置１１と、燃料発生体１０と燃料電池装置１１との間でガスを循環させる循環経路１２と、燃料電池装置１１を格納する容器１３とを備えている。燃料発生体１０は図１に示す燃料発生体と同一である。なお、図５では図示していないが、燃料発生体１０に流入する気体の流量あるいは燃料発生体１０から流出する気体の流量を監視・調整するための流量コントローラ（例えば、流量計、ポンプ、当該流量計の出力に基づきポンプを制御する制御部など）を設けることが好ましい。当該流量コントローラは、請求項に記載されている「流量制御機構」の一例に相当する。また、燃料発生体１０が循環経路１２に回動自在に接続され、図５では図示していない回転機構により燃料発生体１０が回転するようにしてもよい。当該回転機構は、請求項に記載されている「攪拌機構」の一例に相当する。また、燃料発生体１０や燃料電池装置１１には必要に応じて、温度を調節するヒーター等を設けてもよい。

燃料発生材料の成型体１の基材料（主成分）は、例えば鉄にすることができる。また、図５では、燃料電池装置１１の一例として、Ｏ^２−を透過する固体電解質１４を挟み、両側にそれぞれ酸化剤極１５と燃料極１６が形成されているＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜・電極接合体）構造をなす固体酸化物燃料電池を図示している。なお、図５では、ＭＥＡを１つだけ設けた構造を図示しているが、ＭＥＡを複数設けたり、さらに複数のＭＥＡを積層構造にしたりしてもよい。

システムの発電時に固体酸化物燃料電池は図６に示すように外部負荷１００に接続される。固体酸化物燃料電池では、システムの発電時に、燃料極１６において下記の（１）式の反応が起こる。
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（１）

上記の（１）式の反応によって生成された電子は、外部負荷１００を通って、酸化剤極１５に到達し、酸化剤極１５において下記の（２）式の反応が起こる。
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（２）

そして、上記の（２）式の反応によって生成された酸素イオンは、固体電解質１４を通って、燃料極１６に到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、固体酸化物燃料電池が発電動作を行うことになる。また、上記の（１）式から分かるように、発電動作時には、燃料極１６側においてＨ_２が消費されＨ_２Ｏが生成されることになる。

上記の（１）式及び（２）式より、発電動作時における固体酸化物燃料電池での反応は下記の（３）式の通りになる。
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ …（３）

一方、燃料発生材料の成型体１の基材料（主成分）が鉄である燃料発生体１０は、下記の（４）式に示す酸化反応により、システムの発電時に燃料電池装置の燃料極１６側で生成されたＨ_２Ｏを消費してＨ_２を生成することができる。
３Ｆｅ＋４Ｈ_２Ｏ→Ｆｅ_３Ｏ_４＋４Ｈ_２ …（４）

上記の（４）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が減っていくが、上記の（４）式の逆反応（還元反応）により、燃料発生体１０を再生することができ、システムを充電することができる。

システムの充電時に固体酸化物燃料電池は図７に示すように外部電源２００に接続される。固体酸化物燃料電池装置では、システムの充電時に、上記の（３）式の逆反応である下記の（５）式に示す電気分解反応が起こり、燃料極１６側においてＨ_２Ｏが消費されＨ_２が生成され、燃料発生材料の成型体１の基材料（主成分）が鉄である燃料発生体１０では、上記の（４）式に示す酸化反応の逆反応である下記（６）式に示す還元反応が起こり、燃料電池装置の燃料極１６側で生成されたＨ_２が消費されＨ_２Ｏが生成される。
Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ …（５）
Ｆｅ_３Ｏ_４＋４Ｈ_２→３Ｆｅ＋４Ｈ_２Ｏ …（６）

なお、上記の図５に示す構成では、燃料発生体１０の収納体２と燃料電池装置１１を格納する容器１３とが別々であったが、図８や図９に示すように共通化して燃料発生材料の成型体１と燃料電池装置１１とを同一の容器１４内に配置してもよい。この場合、容器１４の一部とメッシュ１５によって燃料発生体１０の収納体が構成され、メッシュ１５が燃料発生体１０の流入出口となる。

上述した燃料発生材料の成型体１の基材料（主成分）が鉄である燃料発生体１０のように、燃料発生材料が燃料を発生させるだけでなく、燃料を吸蔵することが可能である場合、燃料発生のときと理由により、より効率良く燃料を吸蔵することができる。

また、上述した実施形態では、燃料発生体１０が気体を処理したが、本発明に係る処理体は液体を処理するものであっても構わない。また、本発明に係る処理体は、例えば、気体又は液体を処理する処理材料が触媒であっても構わない。

１燃料発生材料の成型体
２収容体
２Ａ収容体本体
２Ｂ流入口用メッシュ
２Ｃ流出口用メッシュ
３流入口
４流出口
５燃料発生材料の微粒子
６プレス型
７プレス機
８溶媒
９型
１０燃料発生体
１１燃料電池装置
１２循環経路
１３、１４容器
１５メッシュ
１００外部負荷
２００外部電源

Claims

気体又は液体を処理する処理材料の成型体と、
前記成型体を収容する収容体とを備える気体又は液体の処理体であって、
前記成型体が凸曲面を有する形状であり、
前記収容体に、外部からの気体又は液体が流入する流入口と、外部に気体又は液体を流出する流出口とを設け、
前記流入口及び前記流出口に設けられる開口部全てを、前記成型体が通過できない形状にすることを特徴とする気体又は液体の処理体。
前記成型体を複数備え、
複数の前記成型体それぞれが平面を有さない形状である請求項１に記載の気体又は液体の処理体。
複数の前記成型体それぞれが概ね球状である請求項２に記載の気体又は液体の処理体。
前記処理材料が気体又は液体と反応して燃料を発生する燃料発生材料である請求項１〜３のいずれか１項に記載の気体又は液体の処理体。
請求項４に記載の気体又は液体の処理体と、
前記処理体から供給される燃料を用いて発電を行う燃料電池装置とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記処理体を流れる気体又は液体の流量を制御する流量制御機構を備える請求項５に記載の燃料電池システム。
前記処理体が備える収容体内の成型体を攪拌する攪拌機構を備える請求項５または請求項６に記載の燃料電池システム。