JP2017107666A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
例えば特許文献1に開示されているようなレドックスフロー型の燃料電池システムが知られている。レドックス(RedOx: Reduction / Oxidation)とは、還元及び酸化のことである。この燃料電池システムは、カソードと再生装置との間で、ポリオキソメタレート(POM:polyoxometalate)などの酸化還元物質(メディエータ)を含むカソード溶液を循環させることにより、カソードにおける酸化還元反応を実現する。
For example, a redox flow type fuel cell system as disclosed in
酸化還元物質は、カソードにおいて還元された後、再生装置により酸化されることにより再生されて、カソードに再供給される。例えば特許文献1には、再生装置内のカソード溶液に、噴射ノズルから酸化剤を噴射して吹き込む点が記載されている。
The redox material is reduced at the cathode, then regenerated by being oxidized by the regenerator and re-supplied to the cathode. For example,
しかし、レドックスフロー型の燃料電池システムを例えば自動車の動力源などに適用する場合、再生装置内における酸化還元物質の酸化反応の速度が不十分であるため、燃料電池から十分な電力を得ることが難しい場合がある。これに対し、再生装置のサイズを大きくすれば、酸化反応の時間を稼ぐことができるため、燃料電池から十分な電力を得ることができるが、自動車に再生装置を搭載する大きなスペースが必要になるという別の問題が生ずる。 However, when a redox flow type fuel cell system is applied to, for example, an automobile power source, the oxidation reaction rate of the oxidation-reduction substance in the regenerator is insufficient, so that sufficient power can be obtained from the fuel cell. It can be difficult. On the other hand, if the size of the regenerator is increased, the oxidation reaction time can be increased, so that sufficient power can be obtained from the fuel cell, but a large space for mounting the regenerator on the automobile is required. Another problem arises.
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、カソード溶液の酸化反応の効率を向上させた燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system in which the efficiency of the oxidation reaction of the cathode solution is improved.
本明細書に記載の燃料電池システムは、カソードに供給されたカソード溶液内の酸化還元物質を、アノードに供給された燃料ガスで還元することにより発電する燃料電池と、酸化ガスを供給するガス供給装置と、前記カソードから排出された前記カソード溶液に、前記ガス供給装置から供給された前記酸化ガスの気泡を発生させる気泡発生装置と、前記気泡を含む前記カソード溶液を前記気泡発生装置から導入する導入口、及び前記導入口により導入された前記カソード溶液内の前記酸化還元物質を前記酸化ガスで酸化させるための酸化室を備えた再生装置と、前記再生装置により酸化された前記酸化還元物質を含む前記カソード溶液を、前記カソードに再供給する溶液供給装置とを有し、前記導入口は、前記カソード溶液の導入方向が、上面視における前記酸化室の中心部に向かう方向からずれるように設けられている。 The fuel cell system described in this specification includes a fuel cell that generates power by reducing a redox substance in a cathode solution supplied to a cathode with a fuel gas supplied to an anode, and a gas supply that supplies the oxidizing gas. A bubble generating device for generating bubbles of the oxidizing gas supplied from the gas supply device into the cathode solution discharged from the cathode; and introducing the cathode solution containing the bubbles from the bubble generating device. A regenerator comprising an inlet, an oxidation chamber for oxidizing the redox material in the cathode solution introduced by the inlet with the oxidizing gas, and the redox material oxidized by the regenerator. A solution supply device for re-supplying the cathode solution containing the cathode solution to the cathode, wherein the introduction direction of the cathode solution is upward. Wherein are provided so as to be offset from the direction toward the center portion of the oxidation chamber in view.
本発明によれば、カソード溶液の酸化反応の効率を向上できる。 According to the present invention, the efficiency of the oxidation reaction of the cathode solution can be improved.
図1は燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、レドックスフロー型であり、例えば自動車などの車両に搭載され、車両を駆動するモータに電力PWを供給する。 FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a fuel cell system. The fuel cell system is a redox flow type, and is mounted on a vehicle such as an automobile, for example, and supplies electric power PW to a motor that drives the vehicle.
燃料電池システムは、水素タンク11と、燃料ガス調圧弁12と、燃料電池13と、パージ弁14と、水素循環ポンプPhと、再生装置21と、気泡発生装置22と、溶液循環ポンプPoと、エアコンプレッサ31とを有する。
The fuel cell system includes a
燃料電池13には、燃料ガスの一例である水素ガスを供給するための燃料ガス供給路R10と、発電に使用した水素ガスを排出するための燃料ガス排出路R11とが接続されている。燃料ガス供給路R10には、水素タンク11及び燃料ガス調圧弁12が、この順に接続されている。
The
水素タンク11は、水素ガス(H2)の供給装置であり、内部に水素ガスを高圧の状態で貯留している。水素ガスは、水素タンク11から燃料ガス調圧弁12を経由して燃料電池13のアノードに導入される。水素ガスは、燃料ガス調圧弁12を通過することで圧力が調整される。
The
燃料電池13から排出された水素ガス(つまりオフガス)は、燃料ガス排出路R11に導かれる。燃料ガス排出路R11の途中には、パージ弁14が設けられている。パージ弁14は、通常、閉塞されているが、燃料ガス排出路R11から水素ガスをパージするときに開放される。
Hydrogen gas (that is, off-gas) discharged from the
燃料ガス排出路R11からは、再循環経路R12が分岐している。分岐した再循環経路R12は、燃料ガス供給路R10に接続されている。再循環経路R12には水素循環ポンプPhが設けられており、水素循環ポンプPhは、燃料ガス排出路R11に排出された水素ガスを、再循環経路R12を経由して燃料ガス供給路R10に導く。再循環経路R12から燃料ガス供給路R10に導かれた水素ガスは、燃料電池13に再供給される。
A recirculation path R12 branches from the fuel gas discharge path R11. The branched recirculation path R12 is connected to the fuel gas supply path R10. The recirculation path R12 is provided with a hydrogen circulation pump Ph. The hydrogen circulation pump Ph guides the hydrogen gas discharged to the fuel gas discharge path R11 to the fuel gas supply path R10 via the recirculation path R12. . The hydrogen gas led from the recirculation path R12 to the fuel gas supply path R10 is resupplied to the
燃料電池13のアノードには水素ガスが供給され、燃料電池13のカソードには、酸化還元物質であるPOM(ポリオキソメタレート)を含むカソード溶液が供給される。燃料電池13は、複数の燃料電池セルの積層体(スタック)として構成され、各燃料電池セルは、アノード電極13aとカソード電極13c、及びアノード電極13aとカソード電極13cとに挟まれた電解質膜13bを備える。
Hydrogen gas is supplied to the anode of the
電解質膜13bは、例えば、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン電導性を有する。アノード電極13a及びカソード電極13cは、例えば多孔質構造を有し、圧力損失が抑制され、かつ、反応面積が大きい構造であることが望ましい。アノード電極13aには白金触媒が備えられており、アノード電極13aに供給された水素ガスは、白金触媒によりプロトン(水素イオン)に変化する。
The
一方、カソード電極13cと再生装置21の間には、POMを含むカソード溶液が循環している。POMは、バナジウム、モリブデン、及びタングステンなどを含む化合物である。カソード溶液内のPOMは、カソード電極13cにおいて、アノード電極13aから移動してきたプロトンと結合することにより還元されてPOM−H(還元体)に変化する。つまり、カソード電極13cでは、POM+e−+H+→POM−Hの反応が生ずる。なお、e−は電子を表す。
On the other hand, a cathode solution containing POM circulates between the
このように、燃料電池13は、カソードに供給されたカソード溶液内のPOMを、アノードに供給された燃料ガスで還元されることにより発電する。発電により得られた電力PWは、例えば車両を駆動するモータなどに供給される。
Thus, the
燃料電池13と再生装置21の間には、カソード溶液を供給するための溶液供給路R20と、発電に使用されたカソード溶液を排出するための溶液排出路R21とが接続されている。溶液排出路R21には、燃料電池13と再生装置21の間でカソード溶液を循環させるための溶液循環ポンプPo、及び、再生装置21に供給されるカソード溶液に気泡を発生させる気泡発生装置22が接続されている。
Between the
溶液循環ポンプPoは、溶液供給装置の一例であり、カソード溶液を燃料電池13のカソードに再供給する。より具体的には、溶液循環ポンプPoは、燃料電池13と再生装置21の間にカソード溶液の循環流を発生させることにより、燃料電池13から排出されたカソード溶液を再生装置21に圧送するとともに、再生装置21から排出されたカソード溶液を燃料電池13に圧送する。
The solution circulation pump Po is an example of a solution supply device, and resupplys the cathode solution to the cathode of the
気泡発生装置22は、一例として、再生装置21に取り付けられ、溶液排出路R21、及び、酸化ガスである空気を供給するための酸化ガス供給路R30に接続されている。なお、気泡発生装置22は、再生装置21から分離し、溶液排出路R21の途中に設けられてもよい。
As an example, the
エアコンプレッサ31は、ガス供給装置の一例であり、酸化ガス供給路R30を介し気泡発生装置22に空気を供給する。より具体的には、エアコンプレッサ31は、例えば車両の外部から、酸素(O2)を含む空気を取り込んでエアコンプレッサ31に圧送する。なお、本実施例では、酸化ガスの一例として空気を挙げるが、後述するように、酸素やオゾンを酸化ガスとして用いることもできる。
The
気泡発生装置22には、燃料電池のカソードから排出されたカソード溶液が、溶液排出路R21から流入し、エアコンプレッサ31から供給された空気が、酸化ガス供給路R30から流入する。気泡発生装置22は、カソード溶液に空気の気泡を発生させる。気泡発生装置22は、気泡として、例えば直径約10〜100(μm)のマイクロバブルを発生させる。
In the
気泡発生装置22としては、例えば特開2009−189984に開示されたバブル発生ノズルを用いることができる。このバブル発生ノズルによると、ノズル内部に導入された気体が、テーパ部により加速された高速のループ流により細分化されるため、空気のマイクロバブルを発生させることができる。
As the
このように、気泡発生装置22は、空気をマイクロバブルとしてカソード溶液に混入させるため、後述するように、再生装置21における酸化反応の効率を向上させることができる。気泡発生装置22は、空気の気泡を含むカソード溶液を再生装置21内に噴出する。
Thus, since the
再生装置21は、燃料電池13のカソードから排出されたカソード溶液内のPOM−Hを、空気に含まれる酸素で酸化することでPOM(酸化体)を再生する。再生装置21内で行われる酸化反応は、O2+4POM−H→2H2O+4POMで表される。
The
再生装置21には、再生したPOMを燃料電池13に再供給するための溶液供給路R20、及び、酸化反応に使用されずに残った空気を排出するための酸化ガス排出路R31が接続されている。溶液循環ポンプPoは、燃料電池13と再生装置21の間にカソード溶液の循環流を発生させることにより、POM、つまり再生装置21により酸化されたPOMを含むカソード溶液を、燃料電池13のカソードに再供給する。
Connected to the
図2は、再生装置21及び気泡発生装置22の一例を示す外観図である。再生装置21は、一例として略円柱状の外形形状を有し、カソード溶液の導入口211、カソード溶液の排出口212、空気の排出口213を備える。また、再生装置21の内部には、POM−Hの酸化反応が行われる酸化室210が設けられている。
FIG. 2 is an external view showing an example of the reproducing
酸化室210は、例えば略円柱状の空間であり、導入口211及び排出口212,213と連通している。なお、酸化室210の形状は、略円柱状に限定されず、例えば略四角柱状であってもよい。また、導入口211及び排出口212,213の開口は、一例として円形形状を有するが、形状に限定はない。
The
導入口211は、気泡を含むカソード溶液を気泡発生装置22から酸化室210へ導入する。導入口211は、気泡発生装置22の先端部220に接続され、先端部220から噴出するカソード溶液及び気泡を酸化室210へ導く。なお、気泡発生装置22が溶液排出路R21の途中に設けられている場合、導入口211は溶液排出路R21の先端部分と接続される。
The
カソード溶液は、一時的に酸化室210に貯留され、排出口212から再生装置21の外へ排出される。排出口212は溶液供給路R20と接続されているため、酸化室210内で酸化されたPOMを含むカソード溶液が、燃料電池13のカソードに供給される。
The cathode solution is temporarily stored in the
また、酸化反応に使われずに残った空気、つまり気泡は、酸化室210内を上昇し、その上部210aに空気溜まりを形成する。酸化室210の上部210aは排出口213に連通し、排出口213は酸化ガス排出路R31に接続されている。このため、酸化室210の上部210aに溜まった空気は排出口213から再生装置21の外部へ排出される。
Further, air remaining without being used in the oxidation reaction, that is, bubbles rises in the
酸化室210内では、POM−Hの酸化反応に最適な環境となるように温度などの管理が行われる。カソード溶液内のPOM−Hは、気泡、つまり空気に含まれる酸素で酸化される。
In the
酸化室210内において、カソード溶液は、符号Lで示されるように、らせん状の渦流を発生し、排出口212に導かれる。このため、気泡の酸化室210内の滞留時間は、カソード溶液が渦流を生じない場合(例えば直線状の流れとした場合)より長くなる。したがって、POM−Hの酸化反応の許容時間を延ばすことが可能となり、酸化反応の効率が向上する。
In the
また、気泡はマイクロバブルであるため、気泡に作用する浮力が通常の大きさ(例えば直径約1(mm))の気泡より小さい。このため、気泡の酸化室210内の滞留時間がさらに長くなり、酸化反応の許容時間をさらに延ばすことができる。
Further, since the bubbles are microbubbles, the buoyancy acting on the bubbles is smaller than that of a normal size (for example, a diameter of about 1 (mm)). For this reason, the residence time of bubbles in the
さらに、マイクロバブルは、カソード溶液と接触する比表面積、つまり単位体積当たりの表面積が通常の大きさの気泡より広いため、酸化反応が起こりやすい。したがって、更なる酸化反応の効率の向上が可能である。 Furthermore, since the specific surface area of the microbubbles in contact with the cathode solution, that is, the surface area per unit volume is larger than that of the normal size bubbles, an oxidation reaction is likely to occur. Therefore, it is possible to further improve the efficiency of the oxidation reaction.
カソード溶液のらせん状の渦流Lは、導入口211のカソード溶液の導入方向を、上面視における酸化室210の中心部に向かう方向からずらすことにより発生する。
The spiral vortex L of the cathode solution is generated by shifting the cathode solution introduction direction of the
図3は再生装置21の上面図である。すなわち、図3には、上面視した再生装置21が示されている。ここで、上面視とは、再生装置21内に貯留されたカソード溶液の液面に対して垂直方向に再生装置21を視ることを指す。なお、図3において、図2と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 3 is a top view of the
導入口211は、カソード溶液の導入方向D1が、酸化室210の中心部210cに向かう方向D2からずれるように設けられている。より具体的には、導入口211は略円筒形状を有し、その中心軸に沿ってカソード溶液が流れる方向が導入方向D1となる。この導入方向D1は、例えばカソード溶液が酸化室210の内壁面に沿って水平に流れ込むように決定される。なお、導入方向D1は、水平面から上方向または下方向に傾いていてもかまわない。
The
これにより、カソード溶液はらせん状の渦流Lを発生する。なお、排出口212のカソード溶液の排出方向は、限定はないが、例えばカソード溶液が酸化室210の内壁面に沿って水平に流れ出すように決定されると望ましい。
As a result, the catholyte solution generates a spiral vortex L. The discharge direction of the cathode solution at the
また、図2から理解されるように、導入口211は、排出口212の下方に設けられている。より具体的には、導入口211は、酸化室210の底面の近傍に設けられている。導入口211及び排出口212は、上述した酸化反応の許容時間を効果的に延ばすため、鉛直方向における導入口211と排出口212の間の距離が最大となる位置に設けるのが望ましい。
Further, as can be understood from FIG. 2, the
上述した実施例では、酸化ガスとして空気を用いたが、酸化反応の効率をさらに向上させるために、オゾンを用いてもよい。 In the above-described embodiments, air is used as the oxidizing gas, but ozone may be used to further improve the efficiency of the oxidation reaction.
図4は、燃料電池システムの他例を示す構成図である。図4において、図1と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。 FIG. 4 is a configuration diagram showing another example of the fuel cell system. In FIG. 4, the same reference numerals are given to configurations common to FIG. 1, and the description thereof is omitted.
燃料電池システムは、水素タンク11と、燃料ガス調圧弁12と、燃料電池13と、パージ弁14と、水素循環ポンプPhと、再生装置21と、気泡発生装置22と、溶液循環ポンプPoと、酸化ガス調圧弁32と、オゾンタンク33とを有する。本実施例では、酸化ガスとしてオゾンを用いるため、燃料電池システムには、先の実施例のエアコンプレッサ31に代えて、オゾンタンク33が設けられている。なお、酸素(純酸素)を用いる場合は、オゾンタンク33に代えて、酸素タンクを設ければよい。
The fuel cell system includes a
オゾンタンク33は、ガス供給装置の他例であり、酸化ガス供給路R30を介し、気泡発生装置22にオゾンを供給する。酸化ガス調圧弁32は、酸化ガス供給路R30に設けられており、オゾンの供給量を調整する。
The
気泡発生装置22は、先の実施例と同様に、カソード溶液にオゾンのマイクロバブルを発生させる。再生装置21の酸化室210内では、カソード溶液に含まれるPOM−Hが、気泡、つまりオゾンにより酸化される。酸化反応の効率は、図2及び図3を参照して述べた構成のため、空気の場合と同様に向上する。なお、これは、オゾンに代えて酸素を用いた場合も同様である。
The
酸化反応に用いられずに残ったオゾンは、図3を参照して述べたように、酸化室210の上部210aに溜まり、酸化ガス排出路R31を介し外部へ排出される。このとき、オゾンの排出量が所定の規制量を上回る場合、酸化ガス排出路R31の途中に、オゾンを酸素に分解するオゾン分解装置が設けられてもよい。
As described with reference to FIG. 3, the ozone remaining without being used in the oxidation reaction is accumulated in the upper portion 210a of the
次に、実施例に係る燃料電池システムの効果について述べる。 Next, effects of the fuel cell system according to the embodiment will be described.
図5は、再生装置21による酸化反応の実験系を示す構成図である。酸化反応の実験系には、再生装置21と、気泡発生装置22と、溶液タンク40と、ポンプ41と、溶液流量計42と、ガス流量計43とが含まれる。
FIG. 5 is a block diagram showing an experimental system for the oxidation reaction by the
ガス流量計43は、気泡発生装置22に供給される酸化ガスの流量を計測する。酸化ガスとしては、オゾンと酸素の2種類が用いられる。また、溶液流量計42は、気泡発生装置22に供給されるカソード溶液の流量を計測する。
The
ポンプ41は、再生装置21と、カソード溶液を貯留する溶液タンク40との間でカソード溶液を循環させる。ポンプ41は、溶液タンク40内のカソード溶液40aを気泡発生装置22に圧送する。溶液流量計42は、ポンプ41と気泡発生装置22の間に設けられている。
The
再生装置21は、気泡発生装置22から、酸化ガスの気泡を含むカソード溶液が導入される。気泡発生装置22の気泡の噴出位置は、再生装置21内とする。このとき、気泡発生装置22の先端部220は、先の実施例と同様に、再生装置21の導入口211に接続されている。
The
溶液タンク40には、実験の開始前、POM−Hを含むカソード溶液のみが貯留されている。実験が開始されると、カソード溶液は再生装置21と溶液タンク40の間で循環するため、溶液タンク40内のカソード溶液は、時間の経過とともにPOMの濃度が増加する。また、溶液タンク40内の上部には、再生装置21から、酸化反応に用いられずに残った酸化ガス40bが滞留する。すなわち、溶液タンク40内では、カソード溶液40aと酸化ガス40bの気液分離が行われる。
In the
本例では実験時間を180(分)とし、実験の開始前と終了後に溶液タンク40内のカソード溶液のPOMの酸化還元電位(ORP: Oxidation-reduction Potential)を測定する。ORPは、酸化還元反応系における電子のやりとりの際に発生する電位である。このため、実験の開始前と終了後のORPの差分が大きいほど、酸化体のPOMの濃度が高い。つまり、ORPの差分が大きいほど、再生装置21における酸化反応の効率が高いことを示す。
In this example, the experiment time is set to 180 (minutes), and the POM oxidation-reduction potential (ORP) of the cathode solution in the
図6には、酸化反応の実験の条件及び結果が示されている。本例では、条件の異なる4種類の実験(「実験No.」参照)が行われる。「気泡径」は、気泡発生装置22が発生させる気泡の直径を示す。気泡の直径は、実験No.1では約1(mm)とし、実験No.2〜4では約10〜100(μm)とする。実験No.2〜4では、実施例と同様に、マイクロバブルを発生する気泡発生装置22が用いられる。これに対し、実験No.1では、比較例としてマイクロバブルより直径の大きな気泡を発生させるため、エジェクタ方式の気泡発生装置22が用いられる。
FIG. 6 shows the experimental conditions and results of the oxidation reaction. In this example, four types of experiments with different conditions (see “Experiment No.”) are performed. “Bubble diameter” indicates the diameter of a bubble generated by the
図7は、エジェクタ方式の気泡発生装置22の一例を示す側面視の断面図である。エジェクタ方式の気泡発生装置22は、カソード溶液が流れる筒状の本体部222に、酸化ガスをカソード溶液に流し込むための流入管221が挿入された構造を有する。
FIG. 7 is a cross-sectional view in side view showing an example of an ejector
流入管221から流入した酸化ガスは、本体部222内のカソード溶液の流れ(矢印参照)により気泡221a,221bに分解される。しかし、エジェクタ方式の気泡発生装置22は、単に、カソード溶液の直線状の流れで気泡を生成するため、マイクロバブルの場合と異なり、直径の小さな気泡を発生させることはできない。
The oxidizing gas flowing in from the
再び図6を参照すると、「気泡導入方向」は、気泡発生装置22の気泡を再生装置21内へ導入する方向を示す。実験No.1,2において、気泡発生装置22は、再生装置21に対し、図3に示された中心部210cに向かう方向D2(中心方向)に沿って酸化ガスの気泡を噴出する。このため、実験No.1,2において、再生装置21内のカソード溶液は、らせん状の渦流Lを発生せずに、導入口211からほぼ鉛直方向に沿って上昇し排出口212から排出される。
Referring again to FIG. 6, “Bubble introduction direction” indicates a direction in which the bubbles of the
これに対し、実験No.3,4において、気泡発生装置22は、再生装置21に対し、図3に示された中心部210cに向かう方向D2からずれた方向D1に沿って酸化ガスの気泡を噴出する。このため、実験No.3,4において、再生装置21内のカソード溶液は、らせん状の渦流Lを発生しながら、導入口211から上昇し排出口212から排出される。
In contrast, Experiment No. In 3 and 4, the
また、「酸化ガス」について、実験No.1〜3では酸化ガスとして酸素が用いられ、実験No.4では酸化ガスとしてオゾンと酸素の混合ガスが用いられる。実験No.4ではオゾン発生器が用いられ、1(L/min.)の酸素に対して、100(ppm)のオゾンが混合される。 For “oxidizing gas”, the experiment No. 1 to 3 use oxygen as the oxidizing gas. In 4, a mixed gas of ozone and oxygen is used as the oxidizing gas. Experiment No. In No. 4, an ozone generator is used, and 100 (ppm) ozone is mixed with 1 (L / min.) Of oxygen.
なお、その他の条件は、実験No.1〜4で共通である。ガス流量計43で計測される酸化ガスの流量は、1(L/min.)とし、酸化ガスの温度は室温とする。また、溶液流量計42で計測されるカソード溶液の流量は、2(L/min.)とし、カソード溶液の温度は80(℃)とする。また、実験前のカソード溶液のPOMの濃度は0.33(M)とする。
Other conditions are the same as those in Experiment No. 1 to 4 are common. The flow rate of the oxidizing gas measured by the
「ORP(mV)」は実験の結果を表す。「差分」は、実験前(「実験前」参照)と実験後(「実験後」参照)のカソード溶液のORPの差分であり、上述したように再生装置21における酸化反応の効率を示すパラメータである。
“ORP (mV)” represents the result of the experiment. The “difference” is a difference between the ORP of the cathode solution before the experiment (see “before experiment”) and after the experiment (see “after experiment”), and is a parameter indicating the efficiency of the oxidation reaction in the
実験No.1と実験No.2の各差分を比較すると、実験No.2の差分は、実験No.1の差分の約50倍である。このため、マイクロバブルの気泡発生装置22を使用した場合、酸化反応の効率は、エジェクタ方式の気泡発生装置22を使用した場合より向上することが理解される。すなわち、気泡が小さいほど、酸化反応の効率は上昇することがわかる。
Experiment No. 1 and Experiment No. 2 is compared, the experiment No. 2 is the same as that of Experiment No. It is about 50 times the difference of 1. For this reason, it is understood that when the microbubble
また、実験No.2と実験No.3の各差分を比較すると、実験No.3の差分は、実験No.2の差分の約3倍である。このため、気泡発生装置22が、再生装置21内の中心部210cに向かう方向D2からずれた方向D1に気泡を噴出した場合、酸化反応の効率は、気泡発生装置22が、再生装置21内の中心部210cに向かう方向D2に気泡を噴出した場合より向上することが理解される。つまり、実験No.3の場合、再生装置21の酸化室210内でカソード溶液の渦流が発生するため、気泡の酸化室210内の滞留時間が、渦流が発生しない実験No.2の場合より延び、これにより、酸化反応の効率が上昇することがわかる。
In addition, Experiment No. 2 and Experiment No. 3 are compared, the experiment No. 3 is compared. 3 is the same as that of Experiment No. It is about 3 times the difference of 2. For this reason, when the
また、実験No.3と実験No.4の各差分を比較すると、実験No.4の差分は、実験No.3の差分の約1.3倍である。このため、オゾンと酸素の混合ガスを使用した場合、酸化反応の効率は、酸素のみを使用した場合より向上することが理解される。すなわち、酸化ガスとしてオゾンを使用することにより、酸化反応の効率は上昇することがわかる。 In addition, Experiment No. 3 and Experiment No. 4 are compared, the experiment No. 4 is compared. 4 is the same as that of Experiment No. The difference of 3 is about 1.3 times. For this reason, it is understood that when the mixed gas of ozone and oxygen is used, the efficiency of the oxidation reaction is improved as compared with the case where only oxygen is used. That is, it can be seen that the use of ozone as the oxidizing gas increases the efficiency of the oxidation reaction.
この実験結果を総合すると、最良の条件を使用した実験No.4の差分は、最悪の条件を使用した実験No.1の差分の約200倍である。したがって、実験No.4の条件を燃料電池システムに適用することで、酸化反応の効率を大幅に向上できることがわかる。
Summarizing these experimental results, the experiment No. using the best conditions was obtained. The difference of 4 indicates the experiment No. using the worst condition. The difference of 1 is about 200 times. Therefore, Experiment No. It can be seen that the efficiency of the oxidation reaction can be significantly improved by applying the
これまで述べたように、実施例に係る燃料電池システムは、燃料電池13と、燃料電池13と、再生装置21と、気泡発生装置22と、エアコンプレッサ31またはオゾンタンク33とを有する。
As described above, the fuel cell system according to the embodiment includes the
燃料電池13は、カソードに供給されたカソード溶液内のPOMを、アノードに供給された水素ガスで還元することにより発電する。エアコンプレッサ31は、酸化ガスとして空気を供給し、オゾンタンク33は、酸化ガスとしてオゾンを供給する。なお、酸化ガスとして酸素を使用する場合、燃料電池システムは、エアコンプレッサ31またはオゾンタンク33に代えて、酸素を供給する酸素タンクを有する。
The
気泡発生装置22は、カソードから排出されたカソード溶液に、エアコンプレッサ31またはオゾンタンク33から供給された酸化ガスの気泡を発生させる。再生装置21は、気泡を含むカソード溶液を気泡発生装置22から導入する導入口211、及び導入口211により導入されたカソード溶液内のPOM−Hを酸化ガスで酸化させるための酸化室210を備える。再生装置21は、その酸化されたPOMを含むカソード溶液を燃料電池13のカソードに再供給する。
The
導入口211は、カソード溶液の導入方向D1が、上面視における酸化室210の中心部210cに向かう方向D2からずれるように設けられている。
The
上記の構成によると、導入口211は、カソード溶液の導入方向D1が、上面視における酸化室210の中心部210cに向かう方向D2からずれるように設けられているため、酸化室210内においてカソード溶液はらせん状の渦流Lを発生する。このため、気泡の酸化室210内の滞留時間は、カソード溶液が渦流Lを生じない場合より長くなる。
According to the above configuration, the
したがって、POM−Hの酸化反応の許容時間を延ばすことが可能となる。よって、実施例に係る燃料電池システムによると、酸化反応の効率が向上する。なお、これにより、再生装置21のサイズを大きくすることなく、燃料電池13から得られる電力を増加することができる。
Therefore, the allowable time for the oxidation reaction of POM-H can be extended. Therefore, according to the fuel cell system according to the embodiment, the efficiency of the oxidation reaction is improved. In this way, the electric power obtained from the
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。 The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
13 燃料電池
21 再生装置
22 気泡発生装置
31 エアコンプレッサ
33 オゾンタンク
211 導入口
210 酸化室
Po 溶液循環ポンプ
DESCRIPTION OF
Claims (1)
酸化ガスを供給するガス供給装置と、
前記カソードから排出された前記カソード溶液に、前記ガス供給装置から供給された前記酸化ガスの気泡を発生させる気泡発生装置と、
前記気泡を含む前記カソード溶液を前記気泡発生装置から導入する導入口、及び前記導入口により導入された前記カソード溶液内の前記酸化還元物質を前記酸化ガスで酸化させるための酸化室を備えた再生装置と、
前記再生装置により酸化された前記酸化還元物質を含む前記カソード溶液を、前記カソードに再供給する溶液供給装置とを有し、
前記導入口は、前記カソード溶液の導入方向が、上面視における前記酸化室の中心部に向かう方向からずれるように設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by reducing the redox material in the cathode solution supplied to the cathode with the fuel gas supplied to the anode;
A gas supply device for supplying an oxidizing gas;
A bubble generating device for generating bubbles of the oxidizing gas supplied from the gas supply device in the cathode solution discharged from the cathode;
Regeneration provided with an inlet for introducing the cathode solution containing bubbles from the bubble generator, and an oxidation chamber for oxidizing the redox material in the cathode solution introduced by the inlet with the oxidizing gas. Equipment,
A solution supply device that re-feeds the cathode solution containing the redox material oxidized by the regeneration device to the cathode;
The fuel cell system according to claim 1, wherein the introduction port is provided so that an introduction direction of the cathode solution is deviated from a direction toward the center of the oxidation chamber in a top view.
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JP2021012787A (en) * | 2019-07-04 | 2021-02-04 | 株式会社岐阜多田精機 | Redox flow cell |
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2015
- 2015-12-07 JP JP2015238945A patent/JP2017107666A/en active Pending
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