JP2014060051A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム、詳しくは、液体燃料が供給される燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system to which liquid fuel is supplied.
従来、燃料電池として、アルカリ型(AFC)、固体高分子型(PEFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体電解質型(SOFC)など、各種燃料電池が知られている。これらの燃料電池は、例えば、自動車用途など、各種用途での使用が検討されている。 Conventionally, various fuel cells such as alkaline type (AFC), solid polymer type (PEFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), and solid electrolyte type (SOFC) are known as fuel cells. Yes. These fuel cells are being studied for use in various applications such as automobile applications.
例えば、固体高分子型燃料電池は、燃料が供給される燃料側電極(アノード触媒層)と、酸素が供給される酸素側電極(カソード触媒層)とを備えており、これらの電極は、固体高分子膜からなる電解質層を挟んで対向配置されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell includes a fuel-side electrode (anode catalyst layer) to which fuel is supplied and an oxygen-side electrode (cathode catalyst layer) to which oxygen is supplied. Oppositely arranged with an electrolyte layer made of a polymer membrane in between.
このような固体高分子型燃料電池として、具体的には、アニオン交換膜からなる電解質層と、電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備え、燃料としてヒドラジン類などの液体燃料が供給される燃料電池が知られている(例えば、特許文献1参照。)。 Specifically, such a polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte layer made of an anion exchange membrane, and a fuel side electrode and an oxygen side electrode that are arranged to face each other with the electrolyte layer interposed therebetween, and hydrazines as a fuel A fuel cell to which a liquid fuel is supplied is known (see, for example, Patent Document 1).
このような燃料電池では、燃料側電極に燃料が供給されるとともに、酸素側電極に空気が供給されることによって、燃料側電極−酸素側電極間に起電力が生じる。 In such a fuel cell, fuel is supplied to the fuel side electrode and air is supplied to the oxygen side electrode, whereby an electromotive force is generated between the fuel side electrode and the oxygen side electrode.
一方、このような燃料電池では、燃料側電極に液体燃料が供給されるが、その供給された液体燃料が燃料側電極において反応することなく、電解質層を浸透圧により透過し、酸素側電極に漏出する場合がある(クロスオーバー現象)。 On the other hand, in such a fuel cell, liquid fuel is supplied to the fuel-side electrode, but the supplied liquid fuel does not react at the fuel-side electrode and permeates the electrolyte layer by osmotic pressure to the oxygen-side electrode. May leak (crossover phenomenon).
このような場合には、液体燃料が酸素側電極内において酸素と反応し、または、分解されることにより、気体を生じさせ、体積が膨張する。 In such a case, the liquid fuel reacts with oxygen in the oxygen-side electrode or is decomposed to generate gas and expand the volume.
そのため、酸素側電極の内圧が上昇して、酸素側電極の破片が電解質層の表面から剥がれ落ちる場合があり、また、電解質層から剥がれ落ちた酸素側電極の破片は、環境負荷の観点から、直接廃棄することなく、捕集(回収)することが要求されている。 Therefore, the internal pressure of the oxygen side electrode is increased, and the debris of the oxygen side electrode may be peeled off from the surface of the electrolyte layer, and the debris of the oxygen side electrode peeled off from the electrolyte layer is It is required to collect (collect) without directly disposing of it.
そこで、本発明の目的は、剥がれ落ちた酸素側電極の破片を効率的に捕集することができる燃料電池システムを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of efficiently collecting the pieces of oxygen-side electrode that have been peeled off.
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、電解質層、前記電解質層の一方側面に形成される燃料側電極、および、前記電解質層の他方側面に形成される酸素側電極を備える燃料電池と、前記燃料側電極に液体燃料を供給する燃料供給手段と、前記酸素側電極に酸素を供給する酸素供給手段と、前記酸素側電極の破片を含有する排出物を前記酸素側電極から排出する排出部とを備えており、前記排出部は、排出ラインと、前記排出ラインに設けられ、前記排出物から前記酸素側電極の破片を電気化学的に捕集する電気的捕集手段とを備えることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention includes an electrolyte layer, a fuel side electrode formed on one side surface of the electrolyte layer, and an oxygen side electrode formed on the other side surface of the electrolyte layer. A fuel cell; a fuel supply means for supplying liquid fuel to the fuel side electrode; an oxygen supply means for supplying oxygen to the oxygen side electrode; and an exhaust containing debris of the oxygen side electrode from the oxygen side electrode A discharge portion that discharges, and the discharge portion is provided in the discharge line, and an electric collecting means that electrochemically collects fragments of the oxygen-side electrode from the discharge. It is characterized by having.
このような燃料電池システムでは、クロスオーバー現象による液体燃料の酸素側電極への漏出に起因して、酸素側電極の一部が電解質層の表面から破片として剥がれ落ちる場合がある。そのように剥がれ落ちた酸素側電極の破片は、排出物として排出ラインに排出される。 In such a fuel cell system, due to leakage of liquid fuel to the oxygen side electrode due to the crossover phenomenon, a part of the oxygen side electrode may be peeled off as a fragment from the surface of the electrolyte layer. The oxygen-side electrode debris thus peeled off is discharged to the discharge line as discharge.
そして、その排出される酸素側電極の破片は、通常、電荷を帯びているため、排出ラインに設けられる電気的捕集手段によって、電気化学的に捕集することができる。 Since the discharged oxygen-side electrode fragments are usually charged, they can be collected electrochemically by the electric collecting means provided in the discharge line.
そのため、このような燃料電池システムによれば、剥がれ落ちた酸素側電極の破片を効率的に捕集することができる。 Therefore, according to such a fuel cell system, it is possible to efficiently collect pieces of the oxygen-side electrode that have been peeled off.
また、本発明の燃料電池システムは、前記排出部が、さらに、前記排出ラインの前記電気的捕集手段よりも下流側において、前記排出物を前記燃料供給手段に還流する還流ラインを備えることが好適である。 In the fuel cell system according to the present invention, the discharge unit may further include a return line for returning the discharged matter to the fuel supply means on the downstream side of the electrical collection means of the discharge line. Is preferred.
このような燃料電池システムでは、排出物中の酸素側電極の破片が電気的捕集手段によって捕集されると、漏出した液体燃料を回収することができ、その回収された液体燃料を、還流ラインを介して、燃料供給手段に還流し、再利用することができる。そのため、液体燃料の利用効率の向上を図ることができる。 In such a fuel cell system, when the fragments of the oxygen-side electrode in the discharge are collected by the electric collecting means, the leaked liquid fuel can be recovered, and the recovered liquid fuel is recirculated. The fuel can be returned to the fuel supply means via the line and reused. Therefore, the utilization efficiency of liquid fuel can be improved.
また、液体燃料を回収および再利用する場合、液体燃料中に酸素側電極の破片が混入されている場合には、その酸素側電極の破片が液体燃料の自己分解を促進してしまう場合がある。しかし、上記の燃料電池システムでは、還流ラインが電気的捕集手段よりも下流側に備えられているので、還流される液体燃料中に酸素側電極の破片が混入することを抑制することができ、優れた効率で液体燃料を再利用することができる。 When liquid fuel is recovered and reused, if oxygen-side electrode fragments are mixed in the liquid fuel, the oxygen-side electrode fragments may promote the self-decomposition of the liquid fuel. . However, in the fuel cell system described above, the reflux line is provided on the downstream side of the electrical collecting means, so that it is possible to prevent the oxygen-side electrode debris from being mixed into the refluxed liquid fuel. Liquid fuel can be reused with excellent efficiency.
さらに、上記の燃料電池システムでは、酸素側電極の破片を捕集するために、電気的捕集手段が用いられているため、例えば、フィルターなどによって酸素側電極の破片を捕集する場合に比べて、液体燃料の還流ラインの輸送における圧力損失を抑制でき、優れた効率で液体燃料を再利用することができる。 Furthermore, in the fuel cell system described above, since the electric collecting means is used to collect the oxygen-side electrode debris, for example, compared with the case where the oxygen-side electrode debris is collected by a filter or the like. Thus, the pressure loss in the transportation of the liquid fuel reflux line can be suppressed, and the liquid fuel can be reused with excellent efficiency.
本発明の燃料電池システムによれば、クロスオーバー現象により液体燃料が酸素側電極に漏出し、酸素側電極が破片として剥がれ落ちる場合にも、その酸素側電極の破片を効率的に捕集することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, even when liquid fuel leaks to the oxygen side electrode due to the crossover phenomenon, and the oxygen side electrode peels off as fragments, the oxygen side electrodes can be efficiently collected. Can do.
1.燃料電池システムの全体構成
図1は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。
1. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell system of the present invention.
図1において、燃料電池システム1は、燃料電池2と、燃料供給手段としての燃料供給部3と、酸素供給手段としての酸素供給部4と、排出物(後述)を排出するための排出部5とを備えている。
In FIG. 1, a
燃料電池2は、固体高分子型燃料電池であって、複数の燃料電池セルSを備えており、これらの燃料電池セルSが積層されたスタック構造として形成されている。なお、図1においては、図解しやすいように1つの燃料電池セルSを取り出して示している。
The
燃料電池セルSは、電解質層14、電解質層14の一方側面に形成される電極としての燃料側電極12、および、電解質層14の他方側面に形成される電極としての酸素側電極13を備えている。
The fuel cell S includes an
電解質層14は、アニオン成分が移動可能な層であり、例えば、アニオン交換膜を用いて形成されている。
The
アニオン交換膜としては、アニオン成分(例えば、水酸化物イオン(OH−)など)が移動可能な媒体であれば、特に限定されず、例えば、4級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜(アニオン交換樹脂)が挙げられる。 The anion exchange membrane is not particularly limited as long as it is a medium in which an anion component (for example, hydroxide ion (OH − )) can move, and for example, an anion exchange group such as a quaternary ammonium group or a pyridinium group can be used. And a solid polymer membrane (anion exchange resin).
アニオン交換膜を形成する固体高分子としては、例えば、ポリスチレンおよびその変性体などの炭化水素系の固体高分子膜などが挙げられる。 Examples of the solid polymer forming the anion exchange membrane include hydrocarbon-based solid polymer membranes such as polystyrene and modified products thereof.
また、アニオン交換膜を形成する固体高分子は、その分子構造において、架橋構造を有していてもよい。 The solid polymer forming the anion exchange membrane may have a cross-linked structure in its molecular structure.
また、アニオン交換膜は、市販品として入手可能であり、例えば、セレミオン(旭硝子社製)、ネオセプタ(アストム社製)などが挙げられる。 Moreover, an anion exchange membrane is available as a commercial item, for example, Selemion (made by Asahi Glass Co., Ltd.), Neoceptor (made by Astom Corp.), etc. are mentioned.
また、電解質層14の膜厚は、例えば、10〜100μmである。
Moreover, the film thickness of the
燃料側電極12は、例えば、触媒を担持した触媒担体などの電極材料により形成されている。また、触媒担体を用いずに、電極材料として触媒を用い、その触媒を、直接、燃料側電極12として形成してもよい。
The
触媒としては、特に制限されず、例えば、白金族元素(ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt))、鉄族元素(鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni))などの周期表(IUPAC Periodic Table of the Elements(version date 22 June 2007)に従う。以下同じ。)第8〜10(VIII)族元素や、例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)などの周期表第11(IB)族元素などの金属単体が挙げられる。
The catalyst is not particularly limited, and examples thereof include platinum group elements (ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt)), iron group elements ( According to a periodic table such as iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)) (IUPAC Periodic Table of the Elements (
これらは、単独使用または2種以上併用することができる。 These can be used alone or in combination of two or more.
触媒担体としては、例えば、カーボンなどの多孔質物質が挙げられる。 Examples of the catalyst carrier include porous substances such as carbon.
触媒の触媒担体に対する担持量は、特に制限されず、目的および用途に応じて、適宜設定される。 The amount of the catalyst supported on the catalyst carrier is not particularly limited, and is appropriately set according to the purpose and application.
燃料側電極12の厚みは、例えば、10〜200μm、好ましくは、20〜100μmである。
The thickness of the
酸素側電極13は、例えば、上記した燃料側電極12と同様に、触媒を担持した触媒担体などの電極材料により形成されている。また、触媒担体を用いずに、電極材料として触媒を用い、その触媒を、直接、酸素側電極13として形成してもよい。
The
また、酸素側電極13では、電極材料として、例えば、錯体形成有機化合物および/または導電性高分子とカーボンとからなる複合体(以下、この複合体を「カーボンコンポジット」という。)に、遷移金属が担持されている触媒を用いることもできる。
In the oxygen-
遷移金属としては、例えば、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、銀、コバルトが挙げられる。また、これらは、単独使用または2種以上併用することができる。 Examples of the transition metal include scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu ), Yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), technetium (Tc), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), lanthanum (La) ), Hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), and the like. Among these, Preferably, silver and cobalt are mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.
錯体形成有機化合物は、金属原子に配位することによって、当該金属原子と錯体を形成する有機化合物であって、例えば、ピロール、ポルフィリン、テトラメトキシフェニルポルフィリン、ジベンゾテトラアザアヌレン、フタロシアニン、コリン、クロリンなどの錯体形成有機化合物またはこれらの重合体が挙げられる。これらのうち、好ましくは、ピロールの重合体であるポリピロールが挙げられる。また、これらは、単独使用または2種以上併用することができる。 A complex-forming organic compound is an organic compound that forms a complex with a metal atom by coordinating with the metal atom. And complex-forming organic compounds such as these or polymers thereof. Among these, Preferably, the polypyrrole which is a polymer of pyrrole is mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.
導電性高分子としては、上記錯体形成有機化合物と重複する化合物もあるが、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリビニルカルバゾール、ポリトリフェニルアミン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン、ポリイソチアナフテン、ポリピリジンジイル、ポリチエニレン、ポリパラフェニレン、ポリフルラン、ポリアセン、ポリフラン、ポリアズレン、ポリインドール、ポリジアミノアントラキノンなどが挙げられる。これらのうち、好ましくは、ポリピロールが挙げられる。また、これらは、単独使用または2種以上併用することができる。 As the conductive polymer, there is a compound overlapping with the above complex-forming organic compound, for example, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyvinylcarbazole, polytriphenylamine, polypyridine, polypyrimidine, polyquinoxaline, polyphenylquinoxaline, Examples include polyisothianaphthene, polypyridinediyl, polythienylene, polyparaphenylene, polyflurane, polyacene, polyfuran, polyazulene, polyindole, and polydiaminoanthraquinone. Among these, Preferably, a polypyrrole is mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.
酸素側電極13の厚みは、例えば、10〜300μm、好ましくは、20〜150μmである。
The thickness of the
これら燃料側電極12および酸素側電極13は、電解質層14とともに、1つの膜・電極接合体を形成している。
The
また、燃料電池セルSには、さらに、燃料供給部材15と酸素供給部材16とを備えている。
The fuel battery cell S further includes a
燃料供給部材15は、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、燃料側電極12における電解質層14と接触している表面とは反対側の表面に、対向接触されている。そして、この燃料供給部材15には、燃料側電極12の全体に燃料を接触させるための燃料側流路17が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、この燃料側流路17は、その上流側端部および下流側端部に、燃料供給部材15を貫通する供給口18および排出口19がそれぞれ連続して形成されている。
The
また、酸素供給部材16も、燃料供給部材15と同様に、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、酸素側電極13における電解質層14と接触している表面とは反対側の表面に、対向接触されている。そして、この酸素供給部材16にも、酸素側電極13の全体に酸素(空気)を接触させるための酸素側流路20が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、この酸素側流路20にも、その上流側端部および下流側端部に、酸素供給部材16を貫通する供給口21および排出口22がそれぞれ連続して形成されている。
Similarly to the
そして、この燃料電池2は、上述したように、燃料電池セルSが、複数積層されるスタック構造として形成されている。そのため、燃料供給部材15および酸素供給部材16は、図示されていないが、両面に燃料側流路17および酸素側流路20が形成されるセパレータとして構成(兼用)される。
The
なお、図1には表われていないが、燃料電池2には、導電性材料によって形成される集電板が備えられており、燃料電池2で発生した起電力は、集電板に備えられた端子から外部に取り出される。
Although not shown in FIG. 1, the
また、試験的(モデル的)には、燃料供給部材15と酸素供給部材16とを、外部回路23によって接続し、その外部回路23に電圧計24を介在させることにより、燃料電池2で発生する電圧を計測することもできる。
Further, on a test (model) basis, the
燃料供給部3は、燃料側電極13に液体燃料を供給するために備えられており、液体燃料(以下、単に「燃料」と称する場合がある。)が貯留される燃料タンク25と、燃料タンク25内の液体燃料を燃料側電極12に供給する燃料供給路26とを備えている。
The fuel supply unit 3 is provided to supply liquid fuel to the fuel-
燃料タンク25は、例えば、耐熱耐圧容器などから、液体燃料を貯留可能に形成されている。また、燃料タンク25の上面には、必要により、燃料タンク25から気体を放出するための脱気口30が設けられている。
The
燃料タンク25に貯留される液体燃料としては、例えば、ヒドラジン類を含む液体燃料などが挙げられ、具体的には、例えば、無水ヒドラジン(NH2NH2)、水加ヒドラジン(NH2NH2・H2O)などのヒドラジンの水溶液、例えば、トリアザン(NH2NHNH2)、テトラザン(NH2NHNHNH2)などのヒドラジン類の水溶液が挙げられる。
Examples of the liquid fuel stored in the
また、液体燃料には、添加剤として、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属水酸化物などが添加することができる。添加剤の添加量は、特に制限されず、目的および用途に応じて、適宜設定される。 Further, for example, alkali metal hydroxides such as potassium hydroxide and sodium hydroxide can be added to the liquid fuel as additives. The addition amount of the additive is not particularly limited, and is appropriately set according to the purpose and application.
また、燃料は、上述した燃料化合物をそのまま供給してもよいし、例えば、水および/またはアルコール(例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコール)などの溶液として供給してもよい。この場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、燃料化合物の種類によっても異なるが、例えば、1〜90質量%、好ましくは、1〜30質量%である。 The fuel compound may be supplied as it is, or may be supplied as a solution of water and / or alcohol (for example, lower alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol). In this case, the concentration of the fuel compound in the solution varies depending on the type of the fuel compound, but is, for example, 1 to 90% by mass, preferably 1 to 30% by mass.
燃料供給路26は、上流側の一端が燃料タンク25の燃料流出口(図示せず)に接続され、下流側の他端が燃料側流路17の供給口18に接続されている。また、燃料供給路26の途中には、燃料供給ポンプ27が介在されている。
The
燃料供給ポンプ27は、燃料タンク25中の燃料を燃料供給路26に流すためのポンプであって、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプである。また、燃料供給ポンプ27は、制御部(図示せず)と電気的に接続されており、制御部(図示せず)からの入力信号により稼動するとともに、その出力が制御される。燃料供給ポンプ27の出力が制御されることによって、燃料供給路26を流れる燃料の流量が制御される。
The
酸素供給部4は、酸素側電極13に酸素を供給するために備えられており、具体的には、酸素側電極13に酸素を供給する酸素供給路28を備えている。
The oxygen supply unit 4 is provided for supplying oxygen to the
酸素供給路28は、上流側の一端が大気中に開放され、下流側の他端が酸素供給部材16における酸素側流路20の供給口21に接続されている。酸素供給路28の途中には、酸素供給ポンプ29が介在されている。
The
酸素供給ポンプ29は、大気中の酸素を、酸素供給路28に流すためのポンプであって、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプである。また、酸素供給ポンプ29は、制御部(図示せず)と電気的に接続されており、制御部(図示せず)からの入力信号により稼動するとともに、その出力が制御される。酸素供給ポンプ29の出力が制御されることによって、酸素供給路28を流れる酸素の流量が制御される。
The
排出部5は、排出物(詳しくは後述するが、酸素側電極13の破片33を含有する排出物)を酸素側電極13から排出するために備えられており、排出ライン6と、排出ライン6に設けられる電気的捕集手段としての電気的捕集部7と、排出ライン6の電気的捕集部7よりも下流側に設けられる還流ライン8とを備えている。
The discharge unit 5 is provided to discharge the discharge (which will be described in detail later, the discharge containing the
排出ライン6は、酸素側電極13から排出される排出物(後述)を排出するための排出路であって、上流側の一端が酸素供給部材16における酸素側流路20の排出口22に接続され、また、下流側の他端が、還流ライン8の上流側端部に接続されている。
The
電気的捕集部7は、排出物から酸素側電極13を電気化学的に捕集するために備えられており、排出ライン6の内部に設けられる一対の電極31と、排出ライン6の外部に設けられ、一対の電極31に電気的に接続される外部電源32とを備えている。
The electric collector 7 is provided for electrochemically collecting the oxygen-
電極31は、例えば、板状、棒状などに形成される公知の電極であって、排出ライン6の内部において、排出物の流れ方向に沿うように配置されている。電極31としては、特に制限されないが、上記した液体燃料に対して不活性な電極が挙げられ、具体的には、ステンレス電極などが挙げられる。電極31は、一方が正極、他方が負極として作用する。
The
外部電源32としては、各電極31に電圧を印加することができれば、特に制限されず、公知の電源装置が用いられる。
The
還流ライン8は、排出ライン6の電気的捕集部7よりも下流側において、排出物を燃料供給部3に還流するために設けられている。具体的には、還流ライン8は、上流側の一端が排出ライン6の下流側端部に接続され、下流側の他端が、燃料供給部3の燃料タンク25に接続されている。
2.発電
次に、燃料電池システム1の発電について説明する。
The
2. Next, power generation of the
上記の燃料電池システム1では、制御部(図示せず)によって、燃料供給ポンプ27が稼動され、酸素供給ポンプ29が稼動される。これにより、燃料供給路26に液体燃料が供給され、酸素供給路28に酸素が供給される。
In the
これにより、酸素供給部材16の酸素側流路20に酸素(空気)が供給され、燃料供給部材15の燃料側流路17に上記した燃料が供給される。すると、酸素側電極13においては、次に述べるように、燃料側電極12で発生し、外部回路23を介して移動する電子(e−)と、水(H2O)と、酸素(O2)とが反応して、水酸化物イオン(OH−)を生成する。生成した水酸化物イオン(OH−)は、アニオン交換膜からなる電解質層14を、酸素側電極13から燃料側電極12へ移動する。そして、燃料側電極12においては、電解質層14を通過した水酸化物イオン(OH−)と、燃料とが反応して、電子(e−)が生成する。生成した電子(e−)は、燃料供給部材15から外部回路23を介して酸素供給部材16に移動され、酸素側電極13へ供給される。このような燃料側電極12および酸素側電極13における電気化学的反応によって、起電力が生じ、発電が行われる。
As a result, oxygen (air) is supplied to the oxygen-
例えば、燃料としてヒドラジン(NH2NH2)を用いた場合には、上記反応は、燃料側電極12、酸素側電極13および全体として、次の反応式(1)〜(3)で表すことができる。
(1) NH2NH2+4OH−→4H2O+N2+4e− (燃料側電極)
(2) O2+2H2O+4e−→4OH− (酸素側電極)
(3) NH2NH2+O2→2H2O+N2 (全体)
なお、この燃料電池2の運転条件は、特に限定されないが、例えば、燃料側電極12側の加圧が100kPa以下、好ましくは、50kPa以下であり、酸素側電極13側の加圧が100kPa以下、好ましくは、50kPa以下であり、燃料電池セルSの温度が30〜100℃、好ましくは、60〜90℃として設定される。
3.電気的捕集部の作用
上記した燃料電池システム1では、燃料電池2の燃料側電極12に液体燃料が供給されるが、その供給された液体燃料が燃料側電極12において反応することなく、電解質層14を浸透圧により透過し、酸素側電極13に漏出する場合がある(クロスオーバー現象)。
For example, when hydrazine (NH 2 NH 2 ) is used as the fuel, the above reaction can be expressed by the following reaction formulas (1) to (3) as the
(1) NH 2 NH 2 + 4OH − → 4H 2 O + N 2 + 4e − (fuel side electrode)
(2) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (oxygen side electrode)
(3) NH 2 NH 2 + O 2 → 2H 2 O + N 2 (whole)
The operating conditions of the
3. In the
このような場合には、液体燃料が酸素側電極13内において酸素と反応し、または、分解されることにより、気体を生じさせ、体積が膨張する。
In such a case, the liquid fuel reacts with oxygen in the oxygen-
すなわち、例えば、液体燃料としてヒドラジン類、具体的には、ヒドラジン、水加ヒドラジンなどが用いられる場合には、酸素側電極13側に漏出した液体燃料が、下記式(4)に示すように酸素と反応し、気体(窒素ガス)を生じさせる場合や、下記式(5)に示すように分解され、気体(窒素ガスおよび水素ガス)を生じさせる場合がある。
(4) NH2NH2+O2→N2+2H2O (ヒドラジンと酸素との反応)
(5) NH2NH2→N2+H2 (ヒドラジンの分解反応)
このように、酸素側電極13内において、液体燃料(NH2NH2)が気体(N2、H2)になり、体積膨張を生じる。
That is, for example, when hydrazines, specifically hydrazine, hydrated hydrazine, or the like is used as the liquid fuel, the liquid fuel leaked to the
(4) NH 2 NH 2 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction between hydrazine and oxygen)
(5) NH 2 NH 2 → N 2 + H 2 (decomposition reaction of hydrazine)
Thus, in the
そのため、酸素側電極13の内圧が上昇して、酸素側電極13の一部が電解質層14の表面から破片33として剥がれ落ちる場合があり、また、電解質層14から剥がれ落ちた酸素側電極13の破片33は、環境負荷の観点から、直接廃棄することなく、捕集(回収)することが要求されている。
Therefore, the internal pressure of the
この点、上記のように排出される酸素側電極13の破片33は、通常、電荷を帯びているため、この燃料電池システム1では、排出ライン6に設けられる電気的捕集部7によって、電気化学的に捕集することができる。
In this regard, since the
以下において、上記の燃料電池システム1により、酸素側電極13の破片33を捕集する方法について詳述する。
Hereinafter, a method for collecting the
具体的には、この燃料電池システム1では、上記の発電とともに、電気的捕集部7の外部電源32によって一対の電極31に電圧を印加する。印加電圧は、特に制限されず、目的および用途に応じて、適宜設定される。
Specifically, in the
これにより、一対の電極31は、正極または負極として帯電し、酸素側電極13の破片33との間にクーロン力を生じる。
As a result, the pair of
そして、このクーロン力により、酸素側電極13の破片33は、一対の電極31のいずれか一方(例えば、酸素側電極13が正電荷を帯びている場合には、負極となる電極31)に電気的に引きつけられ、その電極31において捕集される。
Due to this Coulomb force, the
なお、捕集された酸素側電極13の破片33は、適宜の方法によって、排出ライン6から除去される。
The collected
一方、液体燃料は、電気的捕集部7を通過して、還流ライン8を介して燃料タンク25に還流され、再度、燃料電池2に供給される。
On the other hand, the liquid fuel passes through the electrical collection unit 7, is returned to the
このように、上記の燃料電池システム1によれば、クロスオーバー現象により液体燃料が酸素側電極13に漏出し、酸素側電極13が破片33として剥がれ落ちる場合にも、その酸素側電極13の破片33を、効率的に捕集することができる。
As described above, according to the
また、このような燃料電池システム1では、排出物中の酸素側電極13が電気的捕集部7によって捕集されると、漏出した液体燃料を回収することができ、その回収された液体燃料を、還流ライン8を介して、燃料供給部3に還流し、再利用することができる。
Further, in such a
そのため、このような燃料電池システム1によれば、液体燃料の利用効率の向上を図ることができる。
Therefore, according to such a
また、液体燃料を回収および再利用する場合、液体燃料中に酸素側電極13の破片33が混入されている場合には、その酸素側電極13の破片33が液体燃料の自己分解を促進してしまう場合がある。しかし、上記の燃料電池システム1では、還流ライン8が電気的捕集部7よりも下流側に備えられているので、還流される液体燃料中に酸素側電極13の破片33が混入することを抑制することができ、優れた効率で液体燃料を再利用することができる。
Further, when liquid fuel is recovered and reused, if the
さらに、上記の燃料電池システム1では、酸素側電極13の破片33を捕集するために、電気的捕集部7が用いられているため、例えば、フィルターなどによって酸素側電極13の破片33を捕集する場合に比べて、液体燃料の還流ライン8の輸送における圧力損失を抑制でき、優れた効率で液体燃料を再利用することができる。
Furthermore, in the
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することが可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention can be implemented in other forms.
例えば、上述の実施形態では、排出ライン6の下流側に還流ライン8を接続し、酸素側電極13の破片33を捕集した後、液体燃料を燃料タンク25に還流したが、例えば、還流ライン8を設けることなく、排出物を貯留する貯留タンクを設け、破片33を捕集した後の液体燃料を、排出ライン6から直接貯留タンクに輸送することもできる(破線参照)。
For example, in the above-described embodiment, the
また、例えば、上述の実施形態では、固体高分子型燃料電池を例示して本発明を説明したが、本発明は、例えば、電解質層14としてKOH水溶液やNaOH水溶液などを用いるアルカリ型、例えば、溶融炭酸塩型、固体電解質型など、各種燃料電池にも適用することができる。
Further, for example, in the above-described embodiment, the present invention has been described by exemplifying a solid polymer fuel cell. However, the present invention is, for example, an alkaline type using an aqueous KOH solution or an aqueous NaOH solution as the
そして、このような燃料電池システム1の用途としては、例えば、自動車、船舶、航空機などにおける駆動用モータの電源、携帯電話機などの通信端末における電源などが挙げられる。
Examples of the use of the
1 燃料電池システム
2 燃料電池
3 燃料供給部
4 酸素供給部
5 排出部
6 排出ライン
7 電気的捕集部
12 燃料側電極
13 酸素側電極
14 電解質層
33 破片
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記燃料側電極に液体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記酸素側電極に酸素を供給する酸素供給手段と、
前記酸素側電極の破片を含有する排出物を前記酸素側電極から排出する排出部と
を備えており、
前記排出部は、排出ラインと、
前記排出ラインに設けられ、前記排出物から前記酸素側電極の破片を電気化学的に捕集する電気的捕集手段と
を備えることを特徴とする、燃料電池システム。 A fuel cell comprising an electrolyte layer, a fuel side electrode formed on one side surface of the electrolyte layer, and an oxygen side electrode formed on the other side surface of the electrolyte layer;
Fuel supply means for supplying liquid fuel to the fuel side electrode;
Oxygen supply means for supplying oxygen to the oxygen side electrode;
A discharge part for discharging the waste containing the oxygen-side electrode debris from the oxygen-side electrode,
The discharge unit includes a discharge line,
A fuel cell system, comprising: an electric collection means provided in the discharge line and electrochemically collecting fragments of the oxygen side electrode from the discharge.
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JP2012204428A JP2014060051A (en) | 2012-09-18 | 2012-09-18 | Fuel cell system |
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