JP2015133268A - Electric power generation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属空気電池と水素燃料電池とを含む電力発生装置に関する。 The present invention relates to a power generation device including a metal-air battery and a hydrogen fuel cell.
金属空気電池では、主反応である放電反応が進行するに従って、副反応として電解液の分解が生じ、その結果水素が発生する。例えば、マグネシウム空気電池から発生した水素ガスを燃料電池に供給する技術が提案されている(特許文献1)。これにより、水素を有効に利用することができる。 In the metal-air battery, as the discharge reaction, which is the main reaction, proceeds, the electrolytic solution is decomposed as a side reaction, and as a result, hydrogen is generated. For example, a technique for supplying hydrogen gas generated from a magnesium air battery to a fuel cell has been proposed (Patent Document 1). Thereby, hydrogen can be used effectively.
水素燃料電池で効率的な発電を行うためには、水素燃料電池が要求する所定の水素流量を確保することが好ましい。マグネシウム空気電池と水素燃料電池とをガス輸送ラインで接続しただけでは、水素燃料電池に求められる十分な水素流量を確保することが困難である。本発明の目的は、副反応で水素を発生する金属空気電池と水素燃料電池とを含み、所要の水素流量を確保するのに適した電力発生装置を提供することである。 In order to perform efficient power generation with the hydrogen fuel cell, it is preferable to secure a predetermined hydrogen flow rate required by the hydrogen fuel cell. It is difficult to ensure a sufficient hydrogen flow rate required for a hydrogen fuel cell only by connecting the magnesium air cell and the hydrogen fuel cell with a gas transport line. An object of the present invention is to provide a power generator that includes a metal-air battery that generates hydrogen by a side reaction and a hydrogen fuel cell, and that is suitable for securing a required hydrogen flow rate.
本発明の一観点によると、
主反応で発電し、副反応で水素を発生する金属空気電池と、
外部から水素の供給を受けて発電する水素燃料電池と、
前記金属空気電池で発生した水素の圧力を上昇させて前記水素燃料電池に供給する圧力変換装置と
を有する電力発生装置が提供される。
According to one aspect of the invention,
A metal-air battery that generates electricity in the main reaction and generates hydrogen in the side reaction;
A hydrogen fuel cell that generates electricity by receiving hydrogen supply from the outside;
There is provided an electric power generation device including a pressure conversion device that raises a pressure of hydrogen generated in the metal-air battery and supplies the hydrogen fuel cell with the pressure.
金属空気電池で発生した水素の圧力を上昇させて、水素燃料電池に供給することにより、水素燃料電池で要求される所要の流量の水素を水素燃料電池に供給することが可能になる。 By increasing the pressure of the hydrogen generated in the metal-air battery and supplying it to the hydrogen fuel cell, it becomes possible to supply the hydrogen fuel cell with a required flow rate required by the hydrogen fuel cell.
図1に、実施例による電力発生装置の概略図を示す。電力発生装置は、副反応によって水素が発生する金属空気電池10、水素燃料電池20、水素分離器18、圧力変換装置3
0、及び流量調整機構40を含む。
In FIG. 1, the schematic of the electric power generator by an Example is shown. The power generator includes a metal-
0 and the flow
以下、金属空気電池10の構造について説明する。筐体11内に金属極12及び空気極(酸素極)13が、相互に間隔を隔てて配置されている。空気極13は、筐体11に設けられた開口部を通じて外部に露出している。筐体11内に電解液14が収容されている。金属極12には、例えば導体層と負極活物質層とを含む積層体が用いられる。負極活物質層には、例えばマグネシウムまたはマグネシウム合金が用いられる。
Hereinafter, the structure of the metal-
空気極13は、導体層、絶縁性多孔質層、及び網状支持層を含む積層体が用いられる。網状支持層が最も外側に配置され、導体層が最も内側に配置される。導体層は、例えば発泡ニッケルからなる集電体に導電材料スラリーを塗布した後、乾燥及び焼成することにより形成される。一例として、導電材料スラリーの導電材料として、ケッチェンブラックが用いられ、バインダとしてポリテトラフルオロエチレンが用いられる。絶縁性多孔質層は、酸素を透過させ、水分を透過させない。網状支持体は、絶縁性多孔質層及び導体層を支持する。電解液14には、例えば塩化ナトリウム水溶液(食塩水)が用いられる。
The
負極端子15が金属極12に電気的に接続され、正極端子16が空気極13の導体層に電気的に接続されている。
The
金属極12では、下記の主反応が生じる。
Mg→Mg2++2e−
さらに、下記の副反応が生じる。
Mg+2H2O→Mg(OH)2+H2
空気極13では、下記の反応が生じる。
O2+2H2O+4e−→4(OH)−
金属極12の主反応で発生する電子が、負極端子15と正極端子16とに接続される外部回路を流れて、空気極13で消費される。これにより、外部回路に電流が流れる。上述のように、金属空気電池10は、主反応で発電し、副反応で水素を発生する。
In the
Mg → Mg 2+ + 2e −
Furthermore, the following side reaction occurs.
Mg + 2H 2 O → Mg (OH) 2 + H 2
The following reaction occurs at the
O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4 (OH) −
Electrons generated by the main reaction of the
金属極12の副反応で発生する水素、及び空気極13を通って筐体11内に取り込まれる空気が、ガス輸送ラインを通って水素分離器18に導入される。水素分離器18は、空気から水素を分離する。分離された水素が圧力変換装置30に導入される。圧力変換装置30は、例えば加圧ポンプ31を含み、金属空気電池10で発生した水素の圧力を上昇させて、水素燃料電池20に供給する。
Hydrogen generated by the side reaction of the
圧力変換装置30から水素燃料電池20までのガス輸送ラインに、圧力計P及び流量調整機構40が取り付けられている。圧力計Pは、圧力変換装置30で上昇された水素の圧力を測定する。
A pressure gauge P and a flow
流量調整機構40は、バルブV1、流量計F、及び制御装置41を含む。バルブV1として、水素ガス流を遮断、及び流量を調整することができるものが用いられる。制御装置41は、流量計Fで測定される流量が、水素燃料電池20で要求される一定の範囲内に収まるように、バルブV1を制御する。このように、流量調整機構40は、圧力変換装置30から水素燃料電池20に供給される水素ガスの流量を、水素燃料電池20が要求する一定の範囲内に調整する。
The flow
水素燃料電池20は、燃料極21、空気極22、電解質23、水素流路24、及び空気流路(酸素流路)25を含む。燃料極21に負極端子26が電気的に接続されており、空気極22に正極端子27が電気的に接続されている。圧力変換装置30から輸送された水素ガスが、水素燃料電池20の水素流路24を流れる。燃料極21で下記の反応が生じる
。
H2→2H++2e−
空気極22で下記の反応が生じる。
2H++(1/2)O2+2e−→H2O
The
H 2 → 2H + + 2e −
The following reaction occurs at the
2H + + (1/2) O 2 + 2e − → H 2 O
水素流路24を流れる水素が燃料極21で消費され、水素イオンと電子が発生する。燃料極21で発生した水素イオンは、電解質23内を通って空気極22まで輸送される。燃料極21で発生した電子は、負極端子26と正極端子27とに接続される外部回路を流れて、空気極22に達する。
Hydrogen flowing through the
電解質23内を輸送された水素イオン、空気流路25を流れる酸素、及び外部回路を通って空気極22に到達した電子が反応して水(水蒸気)が発生する。発生した水蒸気は、空気流路25を通って外部に排出される。
The hydrogen ions transported in the
図1に示した実施例においては、金属空気電池10で発生した水素ガスが水素燃料電池20まで輸送される途中に、水素ガスの圧力を上昇させているため、金属空気電池10から水素燃料電池20に、効率的に水素を輸送することができる。また、水素の流量が目標範囲内に収まるように調整されているため、水素燃料電池20による発電を安定させることができる。
In the embodiment shown in FIG. 1, the hydrogen gas generated in the metal-
図2A及び図2Bを参照して、他の実施例について説明する。以下、図1に示した実施例との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。 Another embodiment will be described with reference to FIGS. 2A and 2B. Hereinafter, differences from the embodiment shown in FIG. 1 will be described, and description of the same configuration will be omitted.
図2Aに、実施例による電力発生装置の概略図を示す。この実施例では、圧力変換装置30が、加圧ポンプ31及びバッファタンク32を含む。圧力計Pが、バッファタンク32内の圧力を測定する。加圧ポンプ31から送り出された水素が、バッファタンク32を経由して水素燃料電池20に供給される。バッファタンク32は水素を一時的に貯蔵する機能を有する。制御装置41は、圧力計P及び流量計Fの測定結果に基づいて、バルブV1を制御する。
FIG. 2A shows a schematic diagram of a power generator according to an embodiment. In this embodiment, the
図2Bに、圧力計P及び流量計Fで測定される圧力及び流量の時間波形の一例を示す。時刻t0において、金属空気電池10による発電が開始され、水素が発生する。この時点で、バルブV1は閉じられている。発生した水素が加圧ポンプ31を経由してバッファタンク32に貯蔵される。このため、バッファタンク32内の圧力が時間の経過とともに上昇する。
FIG. 2B shows an example of time waveforms of pressure and flow measured by the pressure gauge P and the flow meter F. At time t0, power generation by the metal-
時刻t1において、バッファタンク32内の圧力が供給開始閾値PUに達する。圧力が供給開始閾値PUに達したことを、制御装置41が検出すると、制御装置41はバルブV1を開く。また、制御装置41は、流量計Fで検出される流量が一定値FHになるように、バルブV1を制御する。
At time t1, the pressure in the
単位時間あたりにバッファタンク32から水素燃料電池20に供給される水素の量(モル数)が、金属空気電池10から発生する水素の量(モル数)より少ない場合、バッファタンク32内の圧力が時間の経過とともに低下する。時刻t2において、圧力が、供給停止閾値PLまで低下する。圧力が供給停止閾値PL以下になったことを、制御装置41が検出すると、バルブV1を閉じる。これにより、バッファタンク32への水素の貯蔵が再開される。時間の経過とともに、バッファタンク32内の圧力が上昇し、時刻t3において、圧力が供給開始閾値PUに達する。時刻t3以降は、時刻t1以降の処理と同じ処理が繰り返される。
When the amount (number of moles) of hydrogen supplied from the
上述のように、図2A及び図2Bに示した実施例では、バッファタンク32内の圧力が供給停止閾値PL以下になると、水素燃料電池20への水素の供給が停止される。すなわち、水素燃料電池20に水素が供給されている期間は、バッファタンク32内の圧力が供給停止閾値PLよりも高い状態が維持される。これにより、金属空気電池10からの水素の発生速度が十分ではない場合でも、水素燃料電池20が要求する水素の流量を確保することが可能になる。
As described above, in the embodiment shown in FIGS. 2A and 2B, the supply of hydrogen to the
図3及び図4を参照して、さらに他の実施例について説明する。以下、図1に示した実施例との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。 Still another embodiment will be described with reference to FIGS. Hereinafter, differences from the embodiment shown in FIG. 1 will be described, and description of the same configuration will be omitted.
図3に、実施例による電力発生装置の概略図を示す。この実施例では、圧力変換装置30が、水素吸蔵合金35を収容する水素貯蔵室34、及びヒータ36を含む。ヒータ36は、水素吸蔵合金35を加熱する。金属空気電池10から発生する水素が、バッファタンク37及びバルブV5を経由して、水素貯蔵室34に導入される。水素貯蔵室34内に導入された水素は、水素吸蔵合金35に吸蔵される。水素以外のガス、例えば酸素及び窒素は、バルブV4を通って排出される。
In FIG. 3, the schematic of the electric power generator by an Example is shown. In this embodiment, the
水素貯蔵室34から水素燃料電池20に向かうガス輸送ラインに、バルブV3、V2、及びV1がこの順番に挿入されている。圧力計Pが、バルブV3とV2との間のガス輸送ライン内の圧力を測定する。制御装置41が、圧力計Pで測定された圧力、及び流量計Fで測定された流量に基づき、バルブV1〜V5、及びヒータ36を制御する。
Valves V <b> 3, V <b> 2, and V <b> 1 are inserted in this order in the gas transport line from the hydrogen storage chamber 34 toward the
ヒータ36がオフのとき、金属空気電池10で発生した水素が水素貯蔵室34内の水素吸蔵合金35に吸蔵される。ヒータ36をオンにすると、水素吸蔵合金35に吸蔵されている水素が放出される。水素吸蔵合金35からの水素の放出速度を調整することにより、水素貯蔵室34から送り出される水素の圧力を上昇させることができる。このように、水素吸蔵合金35及びヒータ36は、金属空気電池10で発生した水素の圧力を上昇させる圧力変換装置30として機能する。
When the
バルブV5を閉じると、金属空気電池10で発生した水素がバッファタンク37に一時的に貯蔵される。バルブV2、V4、V5を閉じて、バルブV3を開けることにより、圧力計Pで水素貯蔵室34内の圧力を測定することができる。バルブV1、V2、V3を開くことにより、水素貯蔵室34から水素燃料電池20に水素を供給することができる。
When the valve V5 is closed, the hydrogen generated in the metal-
図4に、バルブV1の開度、バルブV2〜V5の開閉状態、及びヒータ36のオンオフ状態のタイミングチャート、流量計Fで測定される水素の流量、及び圧力計Pで測定される圧力の時間変化の一例を示す。
FIG. 4 shows a timing chart of the opening degree of the valve V1, the opening / closing states of the valves V2 to V5, and the on / off state of the
時刻t10においてバルブV1〜V3が閉じられ、バルブV4及びV5が開かれている。ヒータ36はオフ状態である。この状態で、金属空気電池10で発生した水素がバッファタンク37及びバルブV5を通して水素貯蔵室34に導入される。これにより、水素吸蔵合金35に水素が貯蔵される。
At time t10, the valves V1 to V3 are closed and the valves V4 and V5 are opened. The
時刻t11において、バルブV3を開き、バルブV4、V5を閉じるとともに、ヒータ36をオンにする。水素吸蔵合金35から水素が放出され、水素貯蔵室34内の圧力が上昇する。水素貯蔵室34内の圧力は、圧力計Pで測定される。
At time t11, the valve V3 is opened, the valves V4 and V5 are closed, and the
時刻t12において、水素貯蔵室34内の圧力が供給開始閾値PU以上であるか否かを判定する。図4では、時刻t12において、水素貯蔵室34内の圧力が供給開始閾値PU以上である場合を示している。水素貯蔵室34内の圧力が供給開始閾値PU以上である場
合、バルブV1、V2を開くことにより、水素貯蔵室34から水素燃料電池20への水素の供給を開始する。水素燃料電池20に水素が供給されている期間は、水素の流量が一定になるように、バルブV1の開度が調節される。水素吸蔵合金35から水素が放出されるに従って、水素の放出速度が徐々に低下する。このため、水素貯蔵室34内の圧力が徐々に低下する。金属空気電池10で発生した水素は、バッファタンク37に蓄積される。
At time t12, it is determined whether or not the pressure in the hydrogen storage chamber 34 is equal to or higher than the supply start threshold value PU. FIG. 4 shows a case where the pressure in the hydrogen storage chamber 34 is equal to or higher than the supply start threshold value PU at time t12. When the pressure in the hydrogen storage chamber 34 is equal to or higher than the supply start threshold PU, the supply of hydrogen from the hydrogen storage chamber 34 to the
時刻t13において、水素貯蔵室34内の圧力が供給停止閾値PLまで低下する。水素貯蔵室34内の圧力が供給停止閾値PLまで低下したことが検出されると、バルブV1〜V3を閉じ、バルブV4、V5を開くとともに、ヒータ36をオフにする。水素燃料電池20への水素の供給が停止し、圧力計Pで測定される圧力は、供給停止閾値PLとほぼ等しい値に維持される。バッファタンク37に一時的に蓄積されていた水素、及び金属空気電池10で発生した水素が水素貯蔵室34に導入され、水素吸蔵合金35への水素の吸蔵が開始される。
At time t13, the pressure in the hydrogen storage chamber 34 decreases to the supply stop threshold PL. When it is detected that the pressure in the hydrogen storage chamber 34 has decreased to the supply stop threshold PL, the valves V1 to V3 are closed, the valves V4 and V5 are opened, and the
時刻t14において、バルブV3を開き、バルブV4、V5を閉じるとともに、ヒータ36をオンにする。水素吸蔵合金35からの水素の放出が開始され、圧力計Pで測定される圧力が徐々に上昇する。時刻t15において、水素貯蔵室34内の圧力が供給開始閾値PU以上か否かを判定する。図4では、時刻t14における水素貯蔵室34内の圧力が供給開始閾値PUよりも低い場合を示している。
At time t14, the valve V3 is opened, the valves V4 and V5 are closed, and the
水素貯蔵室34内の圧力が供給開始閾値PUよりも低い場合、バルブV3を閉じ、バルブV4、V5を開くとともに、ヒータ36をオフにする。これにより、水素吸蔵合金35への水素の吸蔵が再開する。
When the pressure in the hydrogen storage chamber 34 is lower than the supply start threshold PU, the valve V3 is closed, the valves V4 and V5 are opened, and the
図3及び図4に示した実施例では、水素吸蔵合金35による水素の吸蔵量が不十分のとき、水素吸蔵合金35からの水素の放出を行わず、水素の吸蔵が継続される。水素吸蔵合金35による水素の吸蔵量が十分であることが確認されたら、水素吸蔵合金35から水素を放出させ、水素燃料電池20へ水素の供給を行う。このため、水素燃料電池20に、十分な流量の水素を、安定して供給することができる。
In the embodiment shown in FIGS. 3 and 4, when the hydrogen occlusion amount by the hydrogen occlusion alloy 35 is insufficient, hydrogen is not released from the hydrogen occlusion alloy 35 and the hydrogen occlusion is continued. When it is confirmed that the hydrogen storage amount by the hydrogen storage alloy 35 is sufficient, hydrogen is released from the hydrogen storage alloy 35 and hydrogen is supplied to the
図5に、さらに他の実施例による電力発生装置の概略図を示す。以下、図1に示した実施例による電力発生装置との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。 FIG. 5 shows a schematic diagram of a power generator according to another embodiment. Hereinafter, differences from the power generation apparatus according to the embodiment shown in FIG. 1 will be described, and description of the same configuration will be omitted.
水素燃料電池20で発生した水(水蒸気)が、水輸送ライン50を経由して金属空気電池10に輸送される。金属空気電池10では、副反応が生じることによって電解液14中の水が減少する。水素燃料電池20で発生した水を金属空気電池10に輸送することにより、電解液14に水を補充することができる。
Water (water vapor) generated in the
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
10 金属空気電池
11 筐体
12 金属極
13 空気極(酸素極)
14 電解液
15 負極端子
16 正極端子
18 水素分離器
20 水素燃料電池
21 燃料極(水素極)
22 空気極(酸素極)
23 電解質
24 水素流路
25 空気流路(酸素流路)
26 負極端子
27 正極端子
30 圧力変換装置
31 加圧ポンプ
32 バッファタンク
34 水素貯蔵室
35 水素吸蔵合金
36 ヒータ
37 バッファタンク
40 流量調整機構
41 制御装置
50 水輸送ライン
V1〜V5 バルブ
F 流量計
FH 水素流量の一定値
P 圧力計
PU 供給開始閾値
PL 供給停止閾値
10 Metal-
14
22 Air electrode (oxygen electrode)
23
26
Claims (6)
外部から水素の供給を受けて発電する水素燃料電池と、
前記金属空気電池で発生した水素の圧力を上昇させて前記水素燃料電池に供給する圧力変換装置と
を有する電力発生装置。 A metal-air battery that generates electricity in the main reaction and generates hydrogen in the side reaction;
A hydrogen fuel cell that generates electricity by receiving hydrogen supply from the outside;
And a pressure converter for increasing a pressure of hydrogen generated in the metal-air battery to supply the hydrogen fuel cell.
前記圧力変換装置から前記水素燃料電池までのガス輸送ラインに挿入されたバルブと、
前記バルブを制御する制御装置と
を有し、
前記圧力変換装置は水素を貯蔵する機能を有し、
前記制御装置は、前記圧力変換装置で圧力が上昇した水素の圧力が、予め決められている供給停止閾値より低いとき、前記バルブを閉じて、前記圧力変換装置に水素を貯蔵させ、前記圧力変換装置で圧力が上昇した水素の圧力が、予め決められている供給開始閾値以上になったことを検出すると、前記バルブを開いて前記水素燃料電池に水素を供給する請求項1または2に記載の電力発生装置。 further,
A valve inserted in a gas transport line from the pressure converter to the hydrogen fuel cell;
A control device for controlling the valve,
The pressure transducer has a function of storing hydrogen;
The control device closes the valve and stores the hydrogen in the pressure conversion device when the pressure of hydrogen increased in pressure by the pressure conversion device is lower than a predetermined supply stop threshold value, and the pressure conversion The hydrogen is supplied to the hydrogen fuel cell by opening the valve when detecting that the pressure of the hydrogen whose pressure has increased in the apparatus is equal to or higher than a predetermined supply start threshold value. Power generator.
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