JP2016096003A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両などに搭載される燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system mounted on a vehicle or the like.
従来、電解質層、電解質層の一方側に配置されたアノード、および、電解質層の他方側に配置されたカソードを有する燃料電池と、アノードに液体燃料を供給する燃料給排部と、カソードに空気を供給する空気給排部とを備える燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a fuel cell having an electrolyte layer, an anode disposed on one side of the electrolyte layer, and a cathode disposed on the other side of the electrolyte layer, a fuel supply / discharge portion that supplies liquid fuel to the anode, and air to the cathode There is known a fuel cell system including an air supply / exhaust unit for supplying (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載の燃料電池システムにおける燃料給排部は、アノードから排出される液体燃料を再びアノードに還流する還流管、還流管に介在される気液分離器、および、気液分離器で分離された窒素や水蒸気を排出するためのガス排出管を備える。また、空気給排部は、空気供給経路を備える。
The fuel supply / discharge unit in the fuel cell system described in
特許文献1に記載の燃料電池システムの燃料給排部では、還流管、気液分離器およびアノードを循環するクローズドラインが形成されており、かかるクローズドラインを液体燃料が循環する。また、気液分離器で分離された窒素や水蒸気は、ガス排出管を介して外部へ排出される。一方、空気給排部では、通常、酸素および水蒸気を含む空気を、空気供給経路からカソードに供給することにより、燃料電池が発電している。
In the fuel supply / exhaust section of the fuel cell system described in
一方、このような燃料電池システムでは、電気化学反応によって燃料が消費され、起電力が発生するとともに、反応生成物が生じ、排出液中に混入される場合がある。 On the other hand, in such a fuel cell system, fuel is consumed by an electrochemical reaction, an electromotive force is generated, a reaction product is generated, and may be mixed in the effluent.
より具体的には、例えば、液体燃料としてヒドラジン(N2H4)が消費される場合には、窒素ガス(N2)と水(H2O)とが生じる一方、ヒドラジンの分解反応による生成物(反応生成物)としてアンモニア(NH3)が生じ、排出液中に混入される場合がある。 More specifically, for example, when hydrazine (N 2 H 4 ) is consumed as a liquid fuel, nitrogen gas (N 2 ) and water (H 2 O) are produced, while production by hydrazine decomposition reaction. As a product (reaction product), ammonia (NH 3 ) may be generated and mixed in the discharged liquid.
そして、排出液に混入される反応生成物(アンモニアなど)は、排出液の再利用時において発電効率を低下させる場合があるため、燃料電池システムにおいては、反応生成物(アンモニアなど)を、排出液から分離することが要求される。 Since reaction products (such as ammonia) mixed in the effluent may reduce power generation efficiency when the effluent is reused, the reaction products (such as ammonia) are discharged in the fuel cell system. It is required to be separated from the liquid.
反応生成物(アンモニアなど)を分離する方法としては、例えば、排出液中の反応生成物(アンモニアなど)を、イオン交換処理や微生物処理などにより直接除去することが検討される。しかし、イオン交換処理や微生物処理は、液体燃料の種類や、添加剤(例えば、電解質塩)の種類などの各種条件によって、適用できない場合がある。 As a method for separating the reaction product (ammonia etc.), for example, it is considered to directly remove the reaction product (ammonia etc.) in the effluent by ion exchange treatment or microbial treatment. However, ion exchange treatment and microbial treatment may not be applied depending on various conditions such as the type of liquid fuel and the type of additive (for example, electrolyte salt).
一方、例えば、排出液中の反応生成物(アンモニアなど)を、ガスとして分離させ、吸着材や分解触媒などにより処理することも検討される。しかし、吸着材を用いる場合には、燃料電池システム中の湿気により損傷を生じるという不具合があり、また、分解触媒を用いる場合には、分解に熱エネルギーが要求され、コストがかかるという不具合がある。 On the other hand, for example, it is also considered to separate a reaction product (such as ammonia) in the effluent as a gas and treat it with an adsorbent or a decomposition catalyst. However, when the adsorbent is used, there is a problem that damage is caused by moisture in the fuel cell system, and when a cracking catalyst is used, there is a problem that thermal energy is required for decomposition and costs are increased. .
そこで、本発明の目的は、排出液に含まれる反応生成物を、簡易かつ効率よく除去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 that can easily and efficiently remove a reaction product contained in an effluent.
本発明の燃料電池システムは、液体燃料が供給される燃料電池と、前記燃料電池から排出され、前記液体燃料の反応により生成される反応生成物を含む排出液を、前記燃料電池に還流するための還流経路と、前記還流経路に介在され、液体燃料を含む液体と、反応生成物を含む気体とに、排出液を分離するための気液分離器と、前記気液分離器において分離された気体を排出するための排気経路と、前記排気経路に介在され、前記気液分離器において分離された気体から、前記反応生成物を溶媒中に分離する分離手段と、前記分離手段により溶媒中に分離された反応生成物を処理する処理手段とを備えることを特徴としている。 The fuel cell system of the present invention is configured to recirculate a fuel cell to which liquid fuel is supplied and an exhaust liquid containing a reaction product discharged from the fuel cell and generated by a reaction of the liquid fuel to the fuel cell. A gas-liquid separator for separating the discharged liquid into a liquid containing the liquid fuel and a gas containing the reaction product, and the gas-liquid separator. An exhaust path for discharging gas, a separation means for separating the reaction product into a solvent from the gas interposed in the exhaust path and separated in the gas-liquid separator, and the separation means into the solvent And a processing means for processing the separated reaction product.
本発明の燃料電池システムでは、液体燃料の反応により生成される反応生成物が、還流経路に介在される気液分離器によって気体成分として分離された後、排気経路に介在される分離手段によって溶媒中に分離され、その溶解された状態で、処理手段において処理される。 In the fuel cell system of the present invention, the reaction product produced by the reaction of the liquid fuel is separated as a gas component by the gas-liquid separator interposed in the reflux path, and then the solvent is separated by the separation means interposed in the exhaust path. In the dissolved state, it is processed in the processing means.
このような燃料電池システムでは、反応生成物が溶媒に溶解されるため、反応生成物が液体燃料(添加剤を含む。)に溶解される場合に比べ、イオン交換処理や微生物処理などが阻害されることなく、反応生成物が容易に処理可能とされる。 In such a fuel cell system, since the reaction product is dissolved in the solvent, the ion exchange treatment, the microbial treatment, and the like are hindered compared to the case where the reaction product is dissolved in the liquid fuel (including the additive). The reaction product can be easily processed without any problems.
また、本発明の燃料電池システムでは、反応生成物をガスとして処理する必要がないため、吸着材や分解触媒などを不要とすることができ、損傷および高コスト化を抑制することができる。 Further, in the fuel cell system of the present invention, since it is not necessary to treat the reaction product as a gas, an adsorbent or a decomposition catalyst can be eliminated, and damage and cost increase can be suppressed.
そのため、本発明の燃料電池システムによれば、排出液に含まれる反応生成物を、簡易かつ効率よく除去することができる。 Therefore, according to the fuel cell system of the present invention, the reaction product contained in the effluent can be easily and efficiently removed.
1.電動車両の全体構成
図1に示すように、電動車両1は、モータ42を動力源とし、燃料電池3およびバッテリ44を電源としてモータ42を駆動させる電動車両である。電動車両1は、燃料電池システム2を搭載している。
1. Overall Configuration of Electric Vehicle As shown in FIG. 1, the
燃料電池システム2は、燃料電池3と、燃料給排部4と、空気給排部5と、制御部6と、動力部7とを備えている。
(1)燃料電池
燃料電池3は、燃料成分を含む液体燃料が直接供給される直接液体燃料形燃料電池であり、アニオン交換型燃料電池として構成されている。
The
(1) Fuel Cell The
燃料成分としては、例えば、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、ヒドラジンなどのヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。 Examples of the fuel component include alcohols such as methanol, ethers such as dimethyl ether, hydrazines such as hydrazine, preferably alcohols and hydrazines, and more preferably hydrazines. .
液体燃料としては、燃料成分をそのまま用いてもよいが、燃料成分を、燃料成分の種類に応じた溶媒(後述)で希釈して用いることができ、また、必要に応じて、電解質塩(後述)などの添加剤を添加することもできる。 As the liquid fuel, the fuel component may be used as it is, but the fuel component can be diluted with a solvent (described later) according to the type of the fuel component, and an electrolyte salt (described later) can be used if necessary. ) Etc. can also be added.
燃料電池3は、燃料電池セル11を備えている。なお、燃料電池3は、複数の燃料電池セル11が積層されたスタック構造として構成されるが、図1においては、図解し易いように1つの燃料電池セル11のみを示している。
The
燃料電池セル11は、膜電極接合体12と、燃料供給部材13、空気供給部材14とを備えている。
The
膜電極接合体12は、固体電解質膜の一例としての電解質膜15と、燃料側電極の一例としてのアノード電極16と、酸素側電極の一例としてのカソード電極17とを備えている。
The
電解質膜15は、アニオン交換形の高分子電解質膜から形成されている。
The
アノード電極16は、電解質膜15の厚み方向一方側の表面に、薄層として配置されている。アノード電極16は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、アノード電極16は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。
The
カソード電極17は、電解質膜15に対してアノード電極16の反対側、すなわち、電解質膜15の厚み方向他方側の表面に、薄層として配置されている。カソード電極17は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、カソード電極17は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。
The
燃料供給部材13は、膜電極接合体12の厚み方向一方側に配置されている。燃料供給部材13は、気体不透過性の導電性材料から形成されている。燃料供給部材13には、燃料流路18が形成されている。
The
燃料流路18は、燃料供給部材13の厚み方向他方面に形成されている。燃料流路18は、燃料供給部材13の厚み方向他方面から厚み方向一方へ凹む凹溝であり、幅方向(上下方向および厚み方向に対して直交する方向)に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成されている。燃料流路18は、アノード電極16に向かい合っている。
The fuel flow path 18 is formed on the other surface in the thickness direction of the
空気供給部材14は、膜電極接合体12の厚み方向他方側に配置されている。空気供給部材14は、気体不透過性の導電性材料から形成されている。空気供給部材14には、空気流路19が形成されている。
The
空気流路19は、空気供給部材14の厚み方向一方面に形成されている。空気流路19は、空気供給部材14の厚み方向一方面から厚み方向他方へ凹む凹溝であり、幅方向に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成されている。空気流路19は、カソード電極17に向かい合っている。
(2)燃料給排部
燃料給排部4は、燃料タンク21、燃料供給ライン22、第1ポンプ23、第1弁20、還流経路の一例としての還流ライン24、気液分離器の一例としての調整タンク25、第2ポンプ26、排気経路の一例としての燃料側排気ライン28、および、第2弁60を備えている。
The
(2) Fuel supply / discharge unit The fuel supply / discharge unit 4 includes a
燃料タンク21は、上記した液体燃料を貯蔵する。燃料タンク21において、液体燃料は、好ましくは、燃料成分の種類に応じた溶媒に希釈されている。
The
溶媒としては、特に制限されないが、例えば、燃料成分がアルコール類である場合には、水などが挙げられ、燃料成分がヒドラジン類である場合には、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)などの水系溶媒が挙げられる。これら溶媒は、単独使用または2種類以上併用することができる。溶媒として、好ましくは、水が挙げられる。 Examples of the solvent include, but are not limited to, for example, water when the fuel component is alcohol, and water and / or alcohol (for example, methanol, ethanol, etc.) when the fuel component is hydrazine. , Lower alcohols such as propanol and isopropanol) and the like. These solvents can be used alone or in combination of two or more. The solvent is preferably water.
燃料タンク21内における液体燃料の燃料成分濃度は、燃料成分の種類によっても異なるが、燃料成分がヒドラジンである場合には、例えば、1質量%以上、好ましくは、5質量%以上であり、例えば、60質量%以下、好ましくは、40質量%以下である。
The fuel component concentration of the liquid fuel in the
また、液体燃料は、好ましくは、添加剤として、電解質塩を含有している。 The liquid fuel preferably contains an electrolyte salt as an additive.
電解質塩としては、例えば、アルカリ金属水酸化物(すなわち、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、水酸化フランシウム)、アルカリ土類金属水酸化物(すなわち、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、水酸化ラジウム)などが挙げられる。このような電解質塩は、単独使用または2種類以上併用することができる。電解質塩として、好ましくは、アルカリ金属水酸化物が挙げられ、さらに好ましくは、水酸化カリウムが挙げられる。 Examples of the electrolyte salt include alkali metal hydroxides (that is, lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, rubidium hydroxide, cesium hydroxide, francium hydroxide), alkaline earth metal hydroxides (that is, Calcium hydroxide, strontium hydroxide, barium hydroxide, radium hydroxide) and the like. Such electrolyte salts can be used alone or in combination of two or more. The electrolyte salt is preferably an alkali metal hydroxide, and more preferably potassium hydroxide.
燃料タンク21内における液体燃料の電解質塩濃度は、例えば、0.1mol/L以上、好ましくは、0.5mol/L以上、例えば、5mol/L以下、好ましくは、3mol/L以下、さらに好ましくは、2mol/L以下である。
The electrolyte salt concentration of the liquid fuel in the
燃料供給ライン22は、燃料タンク21から調整タンク25(後述)に液体燃料を供給するための配管である。燃料供給ライン22の供給方向上流端は、燃料タンク21に接続されており、供給方向下流端は、調整タンク25(後述)に接続されている。
The
第1ポンプ23は、燃料タンク21内の液体燃料を燃料流路18に輸送するためのポンプである。第1ポンプ23は、燃料供給ライン22の途中に介在されている。第1ポンプ23としては、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、公知の送液ポンプが挙げられる。
The
第1弁20は、燃料供給ライン22の途中に介在されており、具体的には、第1ポンプ23の供給方向下流側に配置されている。第1弁20としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
The
還流ライン24は、液体燃料を燃料電池3に還流するための還流管である。詳しくは、還流ライン24は、燃料電池3の燃料流路18に対して供給された液体燃料が反応して生成される水や、反応生成物(アンモニアなど)を含む排出液を、燃料電池3の燃料流路18に還流するための還流管である。還流ライン24の還流方向上流端(一端部)は、燃料流路18の下流端(出口あるいは上端部)に接続されている。還流ライン24の還流方向下流端(他端部)は、燃料流路18の上流端(入口あるいは下端部)に接続されている。
The
これにより、還流ライン24および燃料流路18は、液体燃料が循環する循環(クロード)ラインを形成している。
Thereby, the
調整タンク25は、燃料タンク21から供給される液体燃料が排出液(後述)により希釈された状態で、一時的に貯蔵するためのタンクである。調整タンク25は、還流ライン24の途中に介在されている。調整タンク25の下端部には、燃料供給ライン22の供給方向下流端が接続されている。また、調整タンク25は、燃料電池3の燃料流路18から排出された排出液を、液体燃料を含む液体と、反応生成物を含む気体とに分離するための気液分離器を兼ねている。
The
調整タンク25において、液体燃料は、上記した燃料タンク21における液体燃料と同様、好ましくは、燃料成分の種類に応じた溶媒に希釈されている。
In the
調整タンク25内における液体燃料の燃料成分濃度は、燃料タンク21内における液体燃料の燃料成分濃度よりも低い。より具体的には、調整タンク25内における液体燃料の燃料成分濃度は、電動車両1の走行状態に応じて調整されるが、電動車両1が一定の速度で走行している場合には、例えば、1質量%以上、好ましくは、5質量%以上であり、例えば、20質量%以下、好ましくは、15質量%以下である。
The fuel component concentration of the liquid fuel in the
また、液体燃料は、上記した燃料タンク21における液体燃料と同様、好ましくは、添加剤として、電解質塩を含有している。
Further, like the liquid fuel in the
調整タンク25内における液体燃料の電解質塩濃度は、例えば、0.1mol/L以上、好ましくは、0.5mol/L以上、例えば、5mol/L以下、好ましくは、3mol/L以下、さらに好ましくは、2mol/L以下である。
The electrolyte salt concentration of the liquid fuel in the
第2ポンプ26は、調整タンク25内の液体燃料を燃料流路18に輸送(供給)するためのポンプである。第2ポンプ26は、還流ライン24の途中に介在されており、詳しくは、還流ライン24における調整タンク25より還流(供給)方向下流側に配置されている。第2ポンプ26としては、上記した第1ポンプ23と同様の送液ポンプが挙げられる。
The
燃料側排気ライン28は、調整タンク25で分離された気体を排気するための配管である。燃料側排気ライン28の排気方向上流端は、調整タンク25の上端部に接続されている。燃料側排気ライン28の排気方向下流端は、大気開放されている。
The fuel
第2弁60は、燃料側排気ライン28の途中に介在されている。第2弁60としては、上記した第1弁20と同様の開閉弁が挙げられる。
The
また、燃料側排気ライン28における第2弁60の上流側には、分離手段の一例としての分離装置65が介在されている。
Further, a
分離装置65は、調整タンク25において分離された気体から、反応生成物(アンモニアなど)を分離するための装置であって、分離槽66および分離管67を備えている。
The
分離槽66は、反応生成物を分離するための溶媒(後述)が貯留されるタンクであって、公知の容器が用いられる。
The
分離槽66における分離管67(後述)の周囲には、溶媒が満たされている。
A solvent is filled around a separation pipe 67 (described later) in the
溶媒は、反応生成物(アンモニアなど)を溶解可能な液体であれば、特に制限されず、反応生成物の種類に応じて、適宜設定される。例えば、反応生成物がアンモニアである場合には、水、アルコールなどの公知の水系溶媒が挙げられる。好ましくは、水が挙げられる。 A solvent will not be restrict | limited especially if it is a liquid which can melt | dissolve a reaction product (ammonia etc.), According to the kind of reaction product, it sets suitably. For example, when the reaction product is ammonia, a known aqueous solvent such as water or alcohol can be used. Preferably, water is used.
分離管67は、分離槽66を貫通するとともに燃料側排気ライン28に介在され、また、分離槽66内において、溶媒に浸漬されるように配置されている。
The
このような分離管67は、反応生成物(アンモニアなど)を通過させる一方、その他の成分(窒素など)を遮断する材料から形成される。例えば、反応生成物がアンモニアである場合には、分離管67として、4フッ化エチレン樹脂などから得られる多孔質チューブ(例えば、住友電工ファインポリマー社製のポアフロン(登録商標)チューブなど)などが挙げられる。分離管67は、単数であってもよく、また、複数であってもよい。分離管67が複数である場合、それら分離管67は、互いに独立していてもよく、また、集合筒状に形成されていてもよい。
Such a
また、分離装置65には、処理手段の一例としての処理装置68が、溶媒循環ライン69を介して接続されている。
Further, a
処理装置68は、上記の溶媒中に分離(溶解)された反応生成物(アンモニアなど)を処理するための装置であって、反応生成物の種類に応じて、適宜設計される。例えば、反応生成物がアンモニアである場合、処理装置68としては、アンモニアを吸着および捕集可能なイオン交換樹脂(例えば、商品名DIAION SK1B、三菱化学社製など)を用いたイオン交換処理装置や、例えば、アンモニアを分解可能な微生物処理装置(例えば、処理剤として商品名BFL5800NT(名東化製社製)を備える処理装置など)などが挙げられる。
The
溶媒循環ライン69は、分離装置65と処理装置68との間において、溶媒を循環させるための管であって、第1循環ライン70、第2循環ライン71、および、第3ポンプ72を備えている。
The
第1循環ライン70は、分離管67における気体の流れ方向下流側(図1紙面右側)において、分離槽66と処理装置68とを架設するように設けられている。より具体的には、第1循環ライン70の一方(上流側)端が、分離槽66に接続されており、また、他方(下流側)端が、処理装置68に接続されている。
The
第2循環ライン71は、分離管67における気体の流れ方向上流側(図1紙面左側)において、分離槽66と処理装置68とを架設するように設けられている。より具体的には、第2循環ライン71の一方端(上流側)が、処理装置68に接続されており、また、他方(下流側)端が、分離槽66に接続されている。
The
これにより、第1循環ライン70および第2循環ライン71は、分離槽66と処理装置68との間で溶媒が循環する循環(クロード)ラインを形成している。
Thus, the
第3ポンプ72は、分離槽66内の溶媒(反応生成物を含む。)を、処理装置68に輸送(供給)するためのポンプである。第3ポンプ72は、第1循環ライン70の途中に介在されている。第3ポンプ72としては、上記した第1ポンプ23と同様の送液ポンプが挙げられる。
The
第3ポンプ72の駆動により、分離槽66内の溶媒は、第1循環ライン70を介して処理装置68に供給され、その後、第2循環ライン71を介して分離槽66に供給される。すなわち、溶媒は、分離槽66、第1循環ライン70、処理装置68および第2循環ライン71を順次経由して循環する。また、このような場合、分離槽66における溶媒の流れと、分離管67における気体の流れとは、並行流である。
(3)空気給排部
空気給排部5は、空気供給経路の一例としての空気供給ライン33と、エアポンプ35と、第3弁36と、空気排出ライン34と、第4弁37とを備えている。
By driving the
(3) Air Supply / Discharge Unit The air supply / discharge unit 5 includes an
空気供給ライン33は、空気流路19内に空気を供給するための配管である。空気供給ライン33の供給方向上流端は、大気開放されている。空気供給ライン33の供給方向下流端は、空気流路19の上流端(入口あるいは上端部)に接続されている。
The
エアポンプ35は、大気中の空気を空気流路19に輸送するための送気ポンプである。エアポンプ35は、空気供給ライン33の途中に介在されている。エアポンプ35としては、例えば、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、エアコンプレッサなどの圧縮式ポンプが挙げられる。
The
第3弁36は、空気供給ライン33の途中に介在されている。詳しくは、第3弁36は、空気供給ライン33において、エアポンプ35の供給方向下流側に配置されている。第3弁36としては、上記した第1弁20と同様の開閉弁が挙げられる。
The
空気排出ライン34は、空気流路19から空気を排出するための配管である。空気排出ライン34の排出方向上流端は、空気流路19の下流端(出口あるいは下端部)に接続されている。空気排出ライン34の排出方向下流端は、大気開放されている。
The
第4弁37は、空気排出ライン34の途中に介在されている。第4弁37としては、上記した第1弁20と同様の開閉弁が挙げられる。
(4)制御部
制御部6は、ECU41を備えている。
The
(4) Control unit The
ECU41は、電動車両1における電気的な制御を実行するコントロールユニット(すなわち、Electronic Control Unit)であり、CPU、ROMおよびRAMなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。ECU41は、各弁(第1弁20、第2弁60、第3弁36および第4弁37のそれぞれ)と、各ポンプ(第1ポンプ23、第2ポンプ26、第3ポンプ72およびエアポンプ35のそれぞれ)とに電気的に接続されており、それらを制御する。
(5)動力部
動力部7は、電動車両1の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。動力部7は、モータ42と、インバータ43と、バッテリ44と、DC/DCコンバータ45とを備えている。
The
(5) Power unit The power unit 7 is disposed in a so-called engine room at the front end of the
モータ42は、燃料電池3に電気的に接続されている。モータ42は、燃料電池3またはバッテリ44から出力される電気エネルギーを電動車両1の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ42としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。
The
インバータ43は、配線により、燃料電池3とモータ42との間に電気的に接続されている。インバータ43は、燃料電池3で発電された直流電力を交流電力に変換する。インバータ43としては、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置などが挙げられる。
The
バッテリ44は、燃料電池3とモータ42との間の配線に電気的に接続されている。バッテリ44としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの公知の二次電池などが挙げられる。バッテリ44は、燃料電池3からの電力を蓄電可能、かつ、モータ42に電力を供給可能である。
The
DC/DCコンバータ45は、配線により、燃料電池3とインバータ43との間に電気的に接続されている。DC/DCコンバータ45は、ECU41にも電気的に接続されており、ECU41の制御により、燃料電池3の出力電圧を昇圧または降圧し、燃料電池3の電力およびバッテリ44の入出力電力を調整する。
2.発電動作
次いで、燃料電池システム2における発電について説明する。
The DC /
2. Power Generation Operation Next, power generation in the
燃料電池システム2が作動しているときには、ECU41の制御により、すべての弁(第1弁20、第2弁60、第3弁36および第4弁37)が開放され、すべてのポンプ(第1ポンプ23、第2ポンプ26、第3ポンプ72およびエアポンプ35)が駆動されている。
When the
燃料タンク21内の液体燃料は、ECU41の制御によって第1ポンプ23の送液量が調整されることにより、調整タンク25内の液体燃料の燃料成分濃度を調整するように、燃料供給ライン22を介して、逐次、調整タンク25に供給される。
The liquid fuel in the
調整タンク25内の液体燃料は、ECU41の制御によって第2ポンプ26の送液量が調整されることにより、還流ライン24を介して燃料電池3の燃料流路18に供給される。
The liquid fuel in the
燃料流路18に供給された液体燃料は、アノード電極16と接触しながら燃料流路18内を下側から上側へ流れて、還流ライン24(還流ライン24における燃料電池3より還流(排出)方向下流側部分)を介して調整タンク25に排出される。
The liquid fuel supplied to the fuel flow path 18 flows from the lower side to the upper side in the fuel flow path 18 in contact with the
続いて、調整タンク25に排出された液体燃料は、燃料流路18において一部が反応して消費され、燃料成分濃度が薄くなるため、燃料タンク21から液体燃料が逐次供給されて、燃料成分濃度が調整された後、液体燃料は燃料流路18に還流(供給)される。
Subsequently, a part of the liquid fuel discharged to the
一方、空気は、電動車両1の外部から、ECU41の制御により、エアポンプ35の送風量が調整されながら、空気供給ライン33を介して、燃料電池3の空気流路19に供給される。
On the other hand, the air is supplied from the outside of the
空気流路19に供給された空気は、カソード電極17と接触しながら空気流路19内を上側から下側へ流れて空気排出ライン34へ排出される。
The air supplied to the
このとき、燃料電池3では、燃料成分がヒドラジンである場合には、下記反応式(1)〜(3)で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
(1) N2H4+4OH−→N2+4H2O+4e− (アノード電極16での反応)
(2) O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード電極17での反応)
(3) N2H4+O2→N2+2H2O (燃料電池3全体での反応)
なお、燃料成分がメタノールである場合には、下記反応式(4)〜(6)で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
(4) CH3OH+6OH−→CO2+5H2O+6e− (アノード電極16での反応)
(5) O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード電極17での反応)
(6) CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O (燃料電池3全体での反応)
これらの反応により、アノード電極16において燃料成分(N2H4またはCH3OH)が消費され、カソード電極17において酸素(O2)および水(H2O)が消費されるとともに、アノード電極16において、水(H2O)および気体(N2またはCO2)が生成され、起電力(e−)が発生される。発生した起電力は、DC/DCコンバータ45によって変圧され、インバータ43により三相交流電力に変換された後、モータ42に供給されて、電動車両1の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。機械エネルギーに変換されなかった余剰の電力は、バッテリ44に蓄電される。
3.反応生成物の分離
燃料電池3から還流ライン24を介して調整タンク25に排出された排出液は、上記の電気化学反応において残存した燃料成分と、上記の電気化学反応により生成される水およびそれに溶解(溶存)する気体成分(N2やCO2など)とを含んでいる。また、排出液は、液体燃料の分解などにより生じる反応生成物(副生成物)を含む場合がある。
At this time, in the
(1) N 2 H 4 + 4OH − → N 2 + 4H 2 O + 4e − (reaction at the anode electrode 16)
(2) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at the cathode electrode 17)
(3) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 3)
When the fuel component is methanol, an electrochemical reaction represented by the following reaction formulas (4) to (6) occurs, and power generation is performed.
(4) CH 3 OH + 6OH − → CO 2 + 5H 2 O + 6e − (reaction at the anode electrode 16)
(5) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at the cathode electrode 17)
(6) CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 3)
By these reactions, the fuel component (N 2 H 4 or CH 3 OH) is consumed at the
3. Separation of reaction products The effluent discharged from the
より具体的には、例えば、液体燃料としてヒドラジン(N2H4)が消費される場合には、電気化学反応により生成される水およびそれに溶解(溶存)する気体成分(窒素)の他、さらに、反応生成物として、ヒドラジン(N2H4)の分解により生じるアンモニア(NH3)を含む場合がある。
More specifically, for example, when hydrazine (N 2 H 4 ) is consumed as a liquid fuel, in addition to water generated by an electrochemical reaction and a gas component (nitrogen) dissolved (dissolved) in the water, sometimes as a reaction product, containing ammonia (NH 3) produced by the decomposition of
このような排出液に混入される反応生成物(アンモニアなど)は、排出液の再利用時において発電効率を低下させる原因となるため、排出液から分離することが要求される。 Such reaction products (ammonia etc.) mixed in the effluent cause a reduction in power generation efficiency when the effluent is reused, so that it is required to be separated from the effluent.
そこで、この燃料電池システム2では、まず、調整タンク25において、排出液が、液体燃料を主成分として含む液体と、反応生成物(アンモニアなど)を含む気体とに分離される。
Therefore, in the
調整タンク25内における排出液を含む液体燃料の温度は、比較的高く、具体的には、例えば、40℃以上、好ましくは、60℃以上、また、例えば、90℃以下、好ましくは、80℃以下である。
The temperature of the liquid fuel containing the discharged liquid in the
調整タンク25では、液体燃料が上記した温度であるので、上記した気体は上記した温度に対応する量の反応生成物(アンモニアなど)を含んでいる。
In the
このような気体は、調整タンク25から燃料側排気ライン28を介して、分離管67に供給される。
Such gas is supplied to the
気体が分離管67に供給されると、溶媒に溶解可能な成分である反応生成物(アンモニアなど)のみが、分離管67の膜表面から分離槽66に滲出し、溶媒に溶解される。一方、その他の成分(窒素など)は、分離管67の膜表面において遮断され、溶媒に溶解されることなく、つまり、分離管67内に留まりながら、燃料側排気ライン28の下流側に向かって流れ、大気開放される。
When the gas is supplied to the
溶媒に溶解された反応生成物(アンモニアなど)は、第3ポンプ72の駆動によって、溶媒とともに第1循環ライン70を通過し、処理装置68に供給される。
The reaction product (such as ammonia) dissolved in the solvent passes through the
そして、処理装置68において、反応生成物(アンモニアなど)が処理される。
Then, in the
具体的には、処理装置68としてイオン交換処理装置が用いられる場合には、反応生成物(アンモニアなど)は、イオン交換処理装置におけるイオン交換樹脂などによって、吸着および捕集される。また、処理装置68として微生物処理装置が用いられる場合には、反応生成物(アンモニアなど)は、微生物により分解される。
Specifically, when an ion exchange treatment device is used as the
このような処理によって、反応生成物が除去されることにより、処理装置68に供給された溶媒が浄化される。浄化された溶媒は、第3ポンプ72の駆動によって、第2循環ライン71を介して分離槽66に還流され、分離装置65において再利用される。
4.作用効果
この燃料電池システム2では、液体燃料の反応により生成される反応生成物が、還流ライン24に介在される調整タンク25によって気体成分として分離された後、燃料側排気ライン28に介在される分離装置65によって溶媒中に分離され、その溶解された状態で、処理装置68において処理される。
By such a process, the reaction product is removed, whereby the solvent supplied to the
4). In this
このような燃料電池システム2では、反応生成物が溶媒に溶解されるため、反応生成物が液体燃料(添加剤を含む。)に溶解される場合に比べ、イオン交換処理や微生物処理などが阻害されることなく、反応生成物が容易に処理可能とされる。
In such a
また、この燃料電池システム2では、反応生成物をガスとして処理する必要がないため、吸着材や分解触媒などを不要とすることができ、損傷および高コスト化を抑制することができる。
Moreover, in this
そのため、この燃料電池システム2によれば、排出液に含まれる反応生成物を、簡易かつ効率よく除去することができる。
5.変形例
図2を参照して、本発明の一実施形態の変形例を説明する。この変形例において、上記した一実施形態と同様の部材には同様の符号を付し、その説明を省略する。
Therefore, according to this
5. Modification A modification of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this modification, members similar to those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
上記した一実施形態では、調整タンク25が気液分離器を兼ねている。
In the above-described embodiment, the
対して、この変形例では、図2に示すように、燃料給排部4は、調整タンク25に加え、気液分離器75を備えている。なお、燃料側排気ライン28は、調整タンク25ではなく、気液分離器75に接続されている。
On the other hand, in this modification, as shown in FIG. 2, the fuel supply / discharge unit 4 includes a gas-
気液分離器75は、還流ライン24に介在されている。具体的には、気液分離器75は、還流ライン24において、調整タンク25の還流方向上流側に配置されている。
The gas-
燃料給排部4では、燃料流路18から排出される液体燃料は、還流ライン24を介して気液分離器75に排出液として排出される。
In the fuel supply / discharge section 4, the liquid fuel discharged from the fuel flow path 18 is discharged as a discharged liquid to the gas-
続いて、気液分離器75によって、反応生成物(アンモニアなど)を含む気体が分離された液体燃料は、還流ライン24を介して、調整タンク25に排出される。
Subsequently, the liquid fuel from which the gas containing the reaction product (such as ammonia) is separated by the gas-
一方、気液分離器75によって分離された気体は、燃料側排気ライン28を介して、分離管67に供給され、上記と同様にして、反応生成物(アンモニアなど)が分離および処理される。
On the other hand, the gas separated by the gas-
この変形例によっても、上記した一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。 Also according to this modification, the same operational effects as those of the above-described embodiment can be obtained.
また、上記した一実施形態では、反応生成物が分離された気体は、燃料側排気ライン28により大気開放されているが、例えば、燃料側排気ライン28の下流側端部を、空気供給ライン33および/または空気排出ライン34の途中部分に接続し、反応生成物が分離された気体を、空気とともに空気排出ライン34から排出することもできる。
In the above-described embodiment, the gas from which the reaction product is separated is opened to the atmosphere by the fuel
2 燃料電池システム
3 燃料電池
24 還流ライン
25 調整タンク
28 排気ライン
65 分離装置
68 処理装置
2
Claims (1)
前記燃料電池から排出され、前記液体燃料の反応により生成される反応生成物を含む排出液を、前記燃料電池に還流するための還流経路と、
前記還流経路に介在され、液体燃料を含む液体と、反応生成物を含む気体とに、排出液を分離するための気液分離器と、
前記気液分離器において分離された気体を排出するための排気経路と、
前記排気経路に介在され、前記気液分離器において分離された気体から、前記反応生成物を溶媒中に分離する分離手段と、
前記分離手段により溶媒中に分離された反応生成物を処理する処理手段と
を備えることを特徴とする、燃料電池システム。 A fuel cell supplied with liquid fuel;
A recirculation path for recirculating the effluent discharged from the fuel cell and containing a reaction product produced by the reaction of the liquid fuel to the fuel cell;
A gas-liquid separator that is interposed in the reflux path and separates the discharged liquid into a liquid containing liquid fuel and a gas containing reaction products;
An exhaust path for discharging the gas separated in the gas-liquid separator;
A separation means for separating the reaction product into a solvent from the gas interposed in the exhaust path and separated in the gas-liquid separator;
A fuel cell system comprising processing means for processing the reaction product separated in the solvent by the separation means.
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