JP2017191649A - Composite type fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光燃料電池と直接メタノール燃料電池とを備える複合型燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a composite fuel cell system including a photo fuel cell and a direct methanol fuel cell.
燃料電池は、燃料の酸化還元反応により発電を行う電池であり、高い発電効率の点及び環境負荷が小さい点で利点を有する。 A fuel cell is a cell that generates power by a redox reaction of fuel, and has advantages in terms of high power generation efficiency and a small environmental load.
光燃料電池は、光触媒反応を利用し、水を燃料として発電を行い、酸素を生成し、また、同時に二酸化炭素等を還元してメタノール等を生成する電池である(例えば、後述の特許文献1参照)。光燃料電池は、大気中の二酸化炭素の削減と、燃料として有用なメタノール等の生成とを同時に達成できる利点を有する。
A photofuel cell is a cell that uses a photocatalytic reaction to generate electricity using water as a fuel to generate oxygen, and at the same time reduce carbon dioxide or the like to generate methanol or the like (for example,
また、直接メタノール燃料電池は、メタノールを燃料極で酸化反応させることで発電を行う燃料電池である(例えば、後述の特許文献2参照)。直接メタノール燃料電池は、燃料が液体のメタノールであることから、装置のコンパクト化が可能であると共に燃料の取扱性や安全性に優れている。 A direct methanol fuel cell is a fuel cell that generates power by oxidizing methanol at a fuel electrode (see, for example, Patent Document 2 described later). In the direct methanol fuel cell, since the fuel is liquid methanol, the apparatus can be made compact, and the handling and safety of the fuel are excellent.
特許文献1に記載されるような光燃料電池は、光源として太陽光を利用する場合、発電量が限られる問題がある。また、特許文献2に記載されるような直接メタノール燃料電池は、メタノールを燃料として消費し、また温室効果ガスである二酸化炭素を発生する問題がある。
The photovoltaic fuel cell as described in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、光燃料電池と直接メタノール燃料電池とを有機的に組み合わせ、一方の生成物を他方の燃料として相互に利用できる複合型燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and provides a combined fuel cell system in which an optical fuel cell and a direct methanol fuel cell are organically combined, and one product can be mutually used as the other fuel. For the purpose.
本発明は、それぞれ光触媒が担持された第1アノードと第1カソードの間に第1プロトン伝導性高分子膜が挟持されると共に、前記第1アノードの外側に第1アノード室が、前記第1カソードの外側に第1カソード室が形成され、光触媒反応により発電する光燃料電池と、それぞれ触媒が担持された第2アノードと第2カソードの間に第2プロトン伝導性高分子膜が挟持されると共に、前記第2アノードの外側に第2アノード室が、前記第2カソードの外側に第2カソード室が形成され、触媒反応により発電する直接メタノール燃料電池と、前記光燃料電池の発電時に、前記第1カソード室で生成したメタノールを取り出して前記第2アノード室に送給するメタノール送給ラインと、前記光燃料電池の発電時に、前記第1アノード室で生成した酸素を取り出して前記第2カソード室に送給する酸素送給ラインと、前記直接メタノール燃料電池の発電時に、前記第2カソード室で生成した水を取り出して前記第1アノード室に送給する水送給ラインと、前記直接メタノール燃料電池の発電時に、前記第2アノード室で生成した二酸化炭素を取り出して前記第1カソード室に送給する二酸化炭素送給ラインと、を備える複合型燃料電池システムに関する。 According to the present invention, a first proton conducting polymer membrane is sandwiched between a first anode and a first cathode each carrying a photocatalyst, and a first anode chamber is provided outside the first anode. A first cathode chamber is formed outside the cathode, and a second fuel-conducting polymer membrane is sandwiched between a photofuel cell that generates electric power by a photocatalytic reaction, and a second anode and a second cathode each carrying a catalyst. In addition, a second anode chamber is formed outside the second anode, and a second cathode chamber is formed outside the second cathode, and a direct methanol fuel cell that generates power by catalytic reaction, and when the photovoltaic fuel cell generates power, A methanol feed line that takes out the methanol produced in the first cathode chamber and feeds it to the second anode chamber, and is produced in the first anode chamber during power generation of the photovoltaic fuel cell. An oxygen supply line that extracts oxygen and supplies it to the second cathode chamber, and water that extracts water generated in the second cathode chamber and supplies it to the first anode chamber during power generation of the direct methanol fuel cell A hybrid fuel cell system comprising: a feed line; and a carbon dioxide feed line that takes out carbon dioxide generated in the second anode chamber and feeds it to the first cathode chamber during power generation of the direct methanol fuel cell. About.
また、前記メタノール送給ラインに設けられたメタノール貯留槽と、前記酸素送給ラインに設けられた酸素貯留槽と、前記水送給ラインに設けられた水貯留槽と、前記二酸化炭素送給ラインに設けられた二酸化炭素貯留槽と、を備えることが好ましい。 In addition, a methanol storage tank provided in the methanol supply line, an oxygen storage tank provided in the oxygen supply line, a water storage tank provided in the water supply line, and the carbon dioxide supply line It is preferable to provide a carbon dioxide storage tank.
また、前記メタノール貯留槽に外部からメタノールを補充するメタノール補充手段と、前記水貯留槽に外部から水を補充する水補充手段と、を備えることが好ましい。 Moreover, it is preferable to provide a methanol replenishing means for replenishing the methanol storage tank from the outside and a water replenishing means for replenishing the water storage tank from the outside.
前記メタノール貯留槽のメタノール貯留量を検出する第1貯留量検出手段と、前記水貯留槽の水貯留量を検出する第2貯留量検出手段と、前記第1貯留量検出手段の検出量が第1基準値を下回る場合に、メタノールを補充するように前記メタノール補充手段を制御し、及び/又は、前記第2貯留量検出手段の検出量が第2基準値を下回る場合に、水を補充するように前記水補充手段を制御する原料補充制御手段と、を備えることが好ましい。 The first storage amount detection means for detecting the methanol storage amount in the methanol storage tank, the second storage amount detection means for detecting the water storage amount in the water storage tank, and the detection amount of the first storage amount detection means are first. The methanol replenishing means is controlled to replenish methanol when it falls below one reference value, and / or water is replenished when the amount detected by the second storage amount detecting means falls below a second reference value. It is preferable to include a raw material replenishment control means for controlling the water replenishment means.
本発明によれば、光燃料電池と直接メタノール燃料電池とを有機的に組み合わせ、一方の生成物を他方の燃料として相互に利用できる複合型燃料電池システムを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a composite fuel cell system which can combine an optical fuel cell and a direct methanol fuel cell organically, and can mutually utilize one product as the other fuel can be provided.
以下、本発明に係る複合型燃料電池システムの一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る複合型燃料電池システム1の全体概略図である。複合型燃料電池システム1は、光燃料電池10と、直接メタノール燃料電池20と、を備える。
本実施形態に係る複合型燃料電池システム1は、光燃料電池10から得られるメタノールW1を直接メタノール燃料電池20の燃料として用い、直接メタノール燃料電池20から得られる水W3を光燃料電池10の燃料として用いて発電を行うものである。
Hereinafter, an embodiment of a composite fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall schematic diagram of a composite
The composite
詳述すると、図1に示すように、本実施形態の複合型燃料電池システム1は、光燃料電池10と、直接メタノール燃料電池20と、光燃料電池10で生成されたメタノールW1が流通するメタノール送給ラインL1と、光燃料電池10で生成された酸素W2が流通する酸素送給ラインL2と、直接メタノール燃料電池20で生成された水W3が流通する水送給ラインL3と、直接メタノール燃料電池20で生成された二酸化炭素W4が流通する二酸化炭素送給ラインL4と、を備える。
Specifically, as shown in FIG. 1, the composite
<光燃料電池>
光燃料電池10は、第1アノード11と、第1カソード12と、第1アノード室111と、第1カソード室121と、第1プロトン伝導性高分子膜13と、外部回路14と、を備える。また、第1アノード11及び第1カソード12には、それぞれ光触媒が担持されている。第1アノード室111には、酸素送給ラインL2及び水送給ラインL3が接続されている。第1カソード室121には、メタノール送給ラインL1及び二酸化炭素送給ラインL4が接続されている。
<Photo fuel cell>
The
第1アノード11及び第1カソード12は、それぞれ第1アノード室111及び第1カソード室121において水溶液に浸漬される。第1アノード11と第1カソード12とは電気的に接続されて、第1アノード室111において発生した電子は、外部回路14を通じて第1カソード室121に供給される。この電子の移動により電力が得られる。
第1アノード11及び第1カソード12の材質としては上記機能を阻害しない限り特に制限されないが、例えば、炭素(C)、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化錫(TO)等を挙げることができる。
The first anode 11 and the
The material of the first anode 11 and the
また、第1アノード11及び第1カソード12には、それぞれ光触媒が担持される。
本実施形態において用いられる光触媒においては、そのバンドギャップ以上のエネルギーを有する光が照射されることにより、価電子帯の電子が伝導帯に励起され、光触媒内に生成した正孔及び励起電子がそれぞれ酸化剤及び還元剤として機能する。
第1アノード11に担持される光触媒は、光SLが照射されることで水を酸化する酸化剤として機能する光酸化触媒である。このような光酸化触媒としては、特に限定されないが、WO3、TiO2、SnO、ZnO等が挙げられる。中でも、紫外光や可視光への応答性を有するため太陽光を利用でき、且つ強い酸化力を有するWO3を用いることが好ましい。
The first anode 11 and the
In the photocatalyst used in the present embodiment, by irradiating light having energy greater than the band gap, electrons in the valence band are excited to the conduction band, and the holes and excited electrons generated in the photocatalyst are respectively Functions as an oxidizing agent and a reducing agent.
The photocatalyst carried on the first anode 11 is a photooxidation catalyst that functions as an oxidizing agent that oxidizes water when irradiated with the light SL. Such a photo-oxidation catalyst is not particularly limited, and examples thereof include WO 3 , TiO 2 , SnO, and ZnO. Among them, it is preferable to use WO 3 that can utilize sunlight and has strong oxidizing power because it has responsiveness to ultraviolet light and visible light.
第1カソード12に担持される光触媒は、光SLが照射されることで二酸化炭素を還元する還元剤として機能する光還元触媒である。このような光還元触媒としては、特に制限されないが、TiO2、SrTiO2、Al2O3、WO3等が挙げられる。
The photocatalyst carried on the
第1アノード室111においては、下記式(1)に示すように、第1アノード11に担持された光触媒の作用により、燃料である水の酸化反応が行われる。酸化反応により生成したプロトン(H+)は、第1アノード室111において過剰状態となるため、第1プロトン伝導性高分子膜13を通じ、第1カソード室121に移動する。同様に、酸化反応により生成した電子(e−)は、外部回路14を通じて第1アノード11から第1カソード12に移動し、第1カソード室121に供給される。
In the
また、第1カソード室121における二酸化炭素(CO2)は、下記式(2)で示すように、第1カソード12に担持された光触媒の作用により還元される。これにより、メタノールが生成する。以上より、下記式(3)に示すように、光燃料電池10全体として光触媒による酸化還元反応の結果、水及び二酸化炭素からメタノール及び酸素が生成する。
2H2O → O2+4H++4e− … (1)
CO2+6H++6e− → CH3OH+H2O … (2)
2H2O+CO2 → CH3OH+3/2O2 … (3)
Further, carbon dioxide (CO 2 ) in the
2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e − (1)
CO 2 + 6H + + 6e − → CH 3 OH + H 2 O (2)
2H 2 O + CO 2 → CH 3 OH + 3 / 2O 2 (3)
第1アノード室111及び第1カソード室121は、それぞれ第1アノード11及び第1カソード12の外側に形成され、第1アノード11及び第1カソード12が浸漬される水溶液を収容する。第1アノード室111には、酸素送給ラインL2及び水送給ラインL3が接続されている。第1カソード室121には、メタノール送給ラインL1及び二酸化炭素送給ラインL4が接続されている。第1アノード室111及び第1カソード室121は、光SL(紫外光や可視光等)が第1アノード11及び第1カソード12に到達することを妨げないように、光透過性を有する材質で形成されることが好ましい。このような材質としては、特に制限されないが、石英ガラス等のガラスや光透過性樹脂等が挙げられる。
また、後述するように第1アノード室111において発生した酸素を取得し、第1カソード室121に二酸化炭素を供給する必要があることから、第1アノード室111及び第1カソード室121は、一定の耐圧性を有する密閉構造を備えることが好ましい。
The
Further, since it is necessary to acquire oxygen generated in the
第1アノード室111における水溶液は、純水であってもよいが、プロトンを含む酸水溶液であることが好ましい。水溶液を酸水溶液とすることにより、プロトンが関与する反応の反応速度が上昇する。
このような酸水溶液に用いる酸としては特に制限されないが、例えば、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、炭酸等が挙げられる。
The aqueous solution in the
Although it does not restrict | limit especially as an acid used for such an acid aqueous solution, For example, hydrochloric acid, a sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, carbonic acid etc. are mentioned.
第1プロトン伝導性高分子膜13は、第1アノード11と第1カソード12との間に挟持され、第1アノード室111と第1カソード室121とを区画する。プロトン伝導性高分子膜は、高いプロトン伝導性を有し、且つ第1アノード11と第1カソード12との短絡を防止するため絶縁性を有する。また、本実施形態において、第1アノード室111では酸素が発生し、第1カソード室121では二酸化炭素が供給されるため、第1プロトン伝導性高分子膜13は、これらの物質の移動を規制するものである。
このようなプロトン伝導性高分子膜としては、例えば、フェノールスルホン酸とホルムアルデヒドとの縮合体、スルホン化ポリスチレン、トリフルオロスチレンスルホン酸、フルオロカーボンスルホン酸、フルオロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフルオライドとの混合物等が挙げられる。
The first proton
Examples of such a proton conductive polymer membrane include a condensate of phenolsulfonic acid and formaldehyde, sulfonated polystyrene, trifluorostyrenesulfonic acid, fluorocarbonsulfonic acid, a mixture of fluorocarbonsulfonic acid and polyvinylidene fluoride, and the like. Is mentioned.
第1プロトン伝導性高分子膜13としては、市販品を用いることができ、例えば、「Nafion(登録商標)」(デュポン社製)、「フレミオン(登録商標)」(株式会社旭硝子製)、「アシプレックス(登録商標)」(旭化成株式会社製)等を用いることができる。
As the first proton
外部回路14は、第1アノード11と第1カソード12とを電気的に接続する回路である。上述の通り、第1アノード11から外部回路14を通じて第1カソード12へ電子が移動することで、外部回路14において電力を得ることができる。
The
<直接メタノール燃料電池>
直接メタノール燃料電池20は、第2アノード21と、第2カソード22と、第2アノード室211と、第2カソード室221と、第2プロトン伝導性高分子膜23と、外部回路24と、を備える。また、第2アノード21及び第2カソード22には、それぞれ触媒が担持されている。なお、第2アノード室211には、メタノール送給ラインL1及び二酸化炭素送給ラインL4が接続されている。第2カソード室221には、酸素送給ラインL2及び水送給ラインL3が接続されている。
<Direct methanol fuel cell>
The direct
第2アノード21及び第2カソード22は、それぞれ第2アノード室211及び第2カソード室221において水溶液に浸漬される。第2アノード21と第2カソード22とは電気的に接続されて、第2アノード室211において発生した電子は、外部回路24を通じて第2カソード室221に移動する。この電子の移動により電力が得られる。
第2アノード21及び第2カソード22の材質としては、上記機能を阻害しない限り特に制限されないが、例えば、炭素(C)、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化錫(TO)等を挙げることができる。
The
The material of the
また、第2アノード21及び第2カソード22には、メタノールの酸化反応及び酸素の還元反応を促進する触媒金属が担持される。そのような触媒金属としては、例えば、Pt、Ru、Ir、Rh、Pd、Os等の金属単体やこれらの合金が挙げられる。なお、これらの触媒金属は炭素電極等に担持されていてもよいが、これらの触媒金属を直接電極として用いてもよい。
第2アノード21及び第2カソード22は基本的に同様の構成とすることができる。第2アノード21としては、微量に発生するCOによる被毒を抑制するため、Pt−Ru合金や、Pt粒子とRu粒子を共に担持させ、触媒として用いることが好ましい。
The
The
第2アノード室211においては、下記式(4)に示すように、第2アノード21に担持された触媒の作用により、燃料であるメタノールの酸化反応が行われる。酸化反応により生成したプロトン(H+)は、第2アノード室211において過剰状態となるため、第2プロトン伝導性高分子膜23を通じ、第2カソード室221に移動する。同様に酸化反応により生成した電子(e−)は、外部回路24を通じて第2アノード21から第2カソード22に移動し、第2カソード室221に供給される。
In the
また、第2カソード室221における酸素は、下記式(5)に示すように第2カソード22に担持された触媒の作用により還元される。これにより、水が生成する。以上より、下記式(6)に示すように、直接メタノール燃料電池20全体として酸化還元反応の結果、メタノール及び酸素から水と二酸化炭素が生成する。
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e− … (4)
O2+4H++4e− → 2H2O … (5)
CH3OH+3/2O2 → 2H2O+CO2… (6)
Further, oxygen in the
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (4)
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (5)
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → 2H 2 O + CO 2 (6)
ここで、上記式(3)及び式(6)に示すように、光燃料電池10における燃料(反応物)と、直接メタノール燃料電池20における生成物とは、物質量も含め、理論上全く同一である。また、直接メタノール燃料電池20における燃料(反応物)と、光燃料電池10における生成物とは、物質量も含め、理論上全く同一である。従って、光燃料電池10及び直接メタノール燃料電池20の発電に伴う生成物をそれぞれの燃料として相互利用することで、複合型燃料電池システム1は、理論上、燃料の供給を要さず排出物の無い発電システムとして機能することができる。
Here, as shown in the above formulas (3) and (6), the fuel (reactant) in the
第2アノード室211及び第2カソード室221は、それぞれ第2アノード21及び第2カソード22の外側に形成され、第2アノード21及び第2カソード22が浸漬される水溶液を収容する。第2アノード室211には、メタノール送給ラインL1及び二酸化炭素送給ラインL4が接続される。第2カソード室221には、酸素送給ラインL2及び水送給ラインL3が接続される。
このような第2アノード室211及び第2カソード室221は、第2アノード室211において発生した二酸化炭素を取得し、第2カソード室221に酸素を供給する必要があることから、一定の耐圧性を有する密閉構造を備えることが好ましい。
The
Since the
第2アノード室211における水溶液としては、メタノールを含む水溶液であればよい。しかし、上述の式(4)に示す通り、第2アノード室211において、反応物としてのメタノールと水とは、1:1のモル比で反応が進行する。従って、第2アノード室211における水溶液中のメタノールと水とにおいて、モル比は、1:1であるか、それに近い値を採ることが好ましい。
The aqueous solution in the
第2プロトン伝導性高分子膜23は、第2アノード21と第2カソード22との間に挟持され、第2アノード室211と第2カソード室221とを区画する。第2プロトン伝導性高分子膜23としては、第1プロトン伝導性高分子膜13と同様の物を用いることができるが、第2アノード室211におけるメタノールが第2カソード室221に移動すること、いわゆるクロスオーバーを抑制できることが好ましい。
The second proton
外部回路24は、第2アノード21と第2カソード22とを電気的に接続する回路である。上記説明した通り、第2アノード21から外部回路24を通じて第2カソード22へ電子が移動することで、外部回路24において電力を得ることができる。
The
メタノール送給ラインL1は、光燃料電池10において生成されたメタノールW1が直接メタノール燃料電池20に送給されるラインである。メタノール送給ラインL1の上流側端部は第1カソード室121に接続され、下流側端部は第2アノード室211に接続される。
また、メタノール送給ラインL1には、メタノール貯留槽としてのメタノールタンク15と、ポンプ16とが設けられる。
The methanol supply line L1 is a line through which the methanol W1 generated in the
The methanol feed line L1 is provided with a
メタノールタンク15は、メタノールW1を貯留する設備である。メタノールタンク15には、メタノール補充手段としてのメタノール補充部151が接続されている。また、メタノールタンク15のメタノール貯留量を検出する第1貯留量検出手段としての第1貯留量センサ152が設けられる。
The
メタノール補充部151と、第1貯留量センサ152とは、制御部17と電気的に接続される。
制御部17は、CPU及びメモリを含むマイクロプロセッサ(不図示)により構成される。制御部17は、第1貯留量センサ152の貯留量検出結果に基づき、検出量が第1基準値を下回る場合に、メタノールタンク15にメタノールを補充するようにメタノール補充部151を制御する。
The
The
ポンプ16は、メタノールW1を吸引し、下流側の第2アノード室211へ向けて吐出する装置である。ポンプ16は、メタノールタンク15と第2アノード室211との間に設けられる。
The
酸素送給ラインL2は、光燃料電池10において生成された酸素W2が直接メタノール燃料電池20に送給されるラインである。酸素送給ラインL2の上流側端部は第1アノード室111に接続され、下流側端部は第2カソード室221に接続される。
また、酸素送給ラインL2には、酸素貯留槽としての酸素タンク18と、ブロワ19とが設けられる。
なお、酸素送給ラインL2には、外気から空気を吸入し、酸素W2として利用するための吸入口が設けられていてもよい。
The oxygen supply line L <b> 2 is a line through which oxygen W <b> 2 generated in the
The oxygen supply line L2 is provided with an
Note that the oxygen supply line L2 may be provided with an inlet for sucking air from outside air and using it as oxygen W2.
酸素タンク18は、酸素W2を貯留する設備である。また、ブロワ19は、酸素W2を吸引し、下流側の第2カソード室221に向けて吐出する装置である。ブロワ19は、酸素タンク18と第2カソード室221との間に設けられる。
The
水送給ラインL3は、直接メタノール燃料電池20において生成された水W3が光燃料電池10に送給されるラインである。水送給ラインL3の上流側端部は第2カソード室221に接続され、下流側端部は第1アノード室111に接続される。
また、水送給ラインL3には、水貯留槽としての水タンク25と、ポンプ26とが設けられる。
The water supply line L3 is a line through which the water W3 generated in the direct
The water supply line L3 is provided with a
水タンク25は、水W3を貯留する設備である。水タンク25には、水補充手段としての水補充部251が接続され、また、水タンク25の水貯留量を検出する第2貯留量検出手段としての第2貯留量センサ252が設けられる。
The
水補充部251と、第2貯留量センサ252とは、制御部27と電気的に接続される。
制御部27は、CPU及びメモリを含むマイクロプロセッサ(不図示)により構成される。制御部27は、第2貯留量センサ252による貯留量検出結果に基づき、検出量が第2基準値を下回る場合に、水タンク25に水を補充するように水補充部251を制御する。
The
The
ポンプ26は、水W3を吸引し、下流側の第1アノード室111へ向けて吐出する装置である。ポンプ26は、水タンク25と第1アノード室111との間に設けられる。
The
なお、水送給ラインL3を流通する水W3、並びに水タンク25及び水補充部251に貯留される水は、純水であってもよいが、これに制限されず、水溶液であってもよく、プロトンを含む酸水溶液であることが好ましい。
The water W3 flowing through the water supply line L3 and the water stored in the
二酸化炭素送給ラインL4は、直接メタノール燃料電池20において生成された二酸化炭素W4が光燃料電池10に送給されるラインである。二酸化炭素送給ラインL4の上流側端部は第2アノード室211に接続され、下流側端部は第1カソード室121に接続される。
また、二酸化炭素送給ラインL4には、二酸化炭素貯留槽としての二酸化炭素タンク28と、ブロワ29とが設けられる。
なお、二酸化炭素送給ラインL4には、外気から空気を吸入し、二酸化炭素W4として利用するための吸入口が設けられていてもよい。
The carbon dioxide supply line L4 is a line through which the carbon dioxide W4 generated in the direct
The carbon dioxide supply line L4 is provided with a
The carbon dioxide supply line L4 may be provided with a suction port for sucking air from outside air and using it as carbon dioxide W4.
二酸化炭素タンク28は、二酸化炭素W4を貯留する設備である。また、ブロワ29は、二酸化炭素W4を吸引し、下流側の第1カソード室121に向けて吐出する装置である。ブロワ29は、二酸化炭素タンク28と第1カソード室121との間に設けられる。
The
以上説明した本実施形態に係る複合型燃料電池システム1によれば、以下のような効果を奏する。
The composite
本実施形態の複合型燃料電池システム1は、それぞれ光触媒が担持された第1アノード11と第1カソード12の間に第1プロトン伝導性高分子膜13が挟持されると共に、第1アノード11の外側に第1アノード室111が、第1カソード12の外側に第1カソード室121が形成され、光触媒反応により発電する光燃料電池10と、それぞれ触媒が担持された第2アノード21と第2カソード22の間に第2プロトン伝導性高分子膜が挟持されると共に、第2アノード21の外側に第2アノード室211が、第2カソード22の外側に第2カソード室221が形成され、触媒反応により発電する直接メタノール燃料電池20と、光燃料電池10の発電時に、第1カソード室121で生成したメタノールW1を第2アノード室211に送給するメタノール送給ラインL1と、第1アノード室111で生成した酸素W2を第2カソード室221に送給する酸素送給ラインL2と、直接メタノール燃料電池20の発電時に、第2カソード室221で生成した水W3を第1アノード室111に送給する水送給ラインL3と、第2アノード室211で生成した二酸化炭素W4を取り出して第1カソード室121に送給する二酸化炭素送給ラインL4と、を備える。
In the composite
そのため、光燃料電池10で生成したメタノールを、直接メタノール燃料電池20において燃料として使用でき、同時に、直接メタノール燃料電池20で生成した水を、光燃料電池10で燃料として使用できる。従って、一方の生成物を他方の燃料として相互に利用できる複合型燃料電池システム1を提供できる。
Therefore, the methanol generated in the
また、メタノール送給ラインL1にメタノールタンク15が設けられ、酸素送給ラインL2に酸素タンク18が設けられ、水送給ラインL3に水タンク25が設けられ、二酸化炭素送給ラインL4に二酸化炭素タンク28が設けられる。
Further, a
そのため、光燃料電池10で生成したメタノール及び酸素、並びに直接メタノール燃料電池20で生成した水及び二酸化炭素を、それぞれ貯留することが可能となる。これにより、例えば太陽光が利用できる間は光燃料電池10で発電を行い、生成したメタノール及び酸素を貯留しておき、太陽光が利用できない間は直接メタノール燃料電池20で発電を行い、生成した水及び二酸化炭素を貯留しておくといった運用が可能となる。従って、複合型燃料電池システム1によって安定した発電が可能となる。
Therefore, it is possible to store methanol and oxygen generated by the
本実施形態の複合型燃料電池システム1は、メタノールタンク15に外部からメタノールを補充するメタノール補充部151と、水タンク25に外部から水を補充する水補充部251と、を備える。
The composite
そのため、直接メタノール燃料電池20において燃料であるメタノールが無くなった場合であっても、外部からメタノールを補充することで、直接メタノール燃料電池20で発電を行うことが可能となる。同様に、光燃料電池10において燃料である水が無くなった場合であっても、外部から水を補充することで、光燃料電池10で発電を行うことが可能となる。以上により、複合型燃料電池システム1によって、継続的に安定して発電を行うことができる。
Therefore, even when the methanol as the fuel in the direct
本実施形態の複合型燃料電池システム1は、メタノールタンク15のメタノール貯留量を検出する第1貯留量センサ152と、第1貯留量センサ152における検出量が第1基準値を下回る場合に、メタノールを補充するようにメタノール補充部151を制御する制御部17と、水タンク25の水貯留量を検出する第2貯留量センサ252と、第2貯留量センサ252における検出量が第2基準値を下回る場合に、水を補充するように水補充部251を制御する制御部27と、を備える。
The composite
そのため、メタノールタンク15及び水タンク25の貯留量が一定以下となった場合に自動的に燃料であるメタノール及び水が補充される。従って、複合型燃料電池システム1の管理が容易となり、また、継続的に安定して発電を行うことができる。
Therefore, when the storage amounts of the
以上、本発明の複合型燃料電池システムの好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されず、適宜変更が可能である。 The preferred embodiment of the composite fuel cell system of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate.
例えば、本実施形態では、酸素送給ラインL2及び二酸化炭素送給ラインL4には、それぞれタンク及びブロワのみが設けられているが、これに限定されない。即ち、酸素送給ラインL2及び二酸化炭素送給ラインL4には、酸素補充部や二酸化炭素補充部等、外部からの補充手段が設けられていてもよい。また、該補充手段は、大気中の酸素や二酸化炭素を利用するものとしてもよい。 For example, in the present embodiment, the oxygen supply line L2 and the carbon dioxide supply line L4 are provided with only a tank and a blower, respectively, but are not limited thereto. That is, the oxygen supply line L2 and the carbon dioxide supply line L4 may be provided with external replenishment means such as an oxygen replenishment unit and a carbon dioxide replenishment unit. The replenishing means may use oxygen or carbon dioxide in the atmosphere.
また、本実施形態では、メタノール補充部151を制御する制御部17と、水補充部251を制御する制御部27とが個別に設けられているが、これに限定されない。単一の制御部でメタノール補充部151及び水補充部251の両方を制御する構成としてもよい。
Moreover, in this embodiment, the
1 複合型燃料電池システム
10 光燃料電池
11 第1アノード
111 第1アノード室
12 第1カソード
121 第1カソード室
13 第1プロトン伝導性高分子膜
15 メタノールタンク(メタノール貯留槽)
151 メタノール補充部(メタノール補充手段)
152 第1貯留量センサ(第1貯留量検出手段)
17 制御部(原料補充制御手段)
18 酸素タンク(酸素貯留槽)
20 直接メタノール燃料電池
21 第2アノード
211 第2アノード室
22 第2カソード
221 第2カソード室
23 第2プロトン伝導性高分子膜
25 水タンク(水貯留槽)
251 水補充部(水補充手段)
252 第2貯留量センサ(第2貯留量検出手段)
27 制御部(原料補充制御手段)
28 二酸化炭素タンク(二酸化炭素貯留槽)
L1 メタノール送給ライン
L2 酸素送給ライン
L3 水送給ライン
L4 二酸化炭素送給ライン
DESCRIPTION OF
151 Methanol replenishment section (methanol replenishment means)
152 1st storage amount sensor (1st storage amount detection means)
17 Control unit (raw material replenishment control means)
18 Oxygen tank (oxygen storage tank)
20 Direct
251 Water replenishment section (water replenishment means)
252 Second storage amount sensor (second storage amount detection means)
27 Control unit (raw material replenishment control means)
28 Carbon dioxide tank (carbon dioxide storage tank)
L1 Methanol supply line L2 Oxygen supply line L3 Water supply line L4 Carbon dioxide supply line
Claims (4)
それぞれ触媒が担持された第2アノードと第2カソードの間に第2プロトン伝導性高分子膜が挟持されると共に、前記第2アノードの外側に第2アノード室が、前記第2カソードの外側に第2カソード室が形成され、触媒反応により発電する直接メタノール燃料電池と、
前記光燃料電池の発電時に、前記第1カソード室で生成したメタノールを取り出して前記第2アノード室に送給するメタノール送給ラインと、
前記光燃料電池の発電時に、前記第1アノード室で生成した酸素を取り出して前記第2カソード室に送給する酸素送給ラインと、
前記直接メタノール燃料電池の発電時に、前記第2カソード室で生成した水を取り出して前記第1アノード室に送給する水送給ラインと、
前記直接メタノール燃料電池の発電時に、前記第2アノード室で生成した二酸化炭素を取り出して前記第1カソード室に送給する二酸化炭素送給ラインと、を備える
複合型燃料電池システム。 A first proton-conducting polymer membrane is sandwiched between a first anode and a first cathode, each carrying a photocatalyst, and a first anode chamber is located outside the first anode, and a first anode chamber is located outside the first cathode. A photo-fuel cell in which a first cathode chamber is formed and generates power by a photocatalytic reaction;
A second proton conducting polymer membrane is sandwiched between a second anode and a second cathode each carrying a catalyst, and a second anode chamber is disposed outside the second anode, and the second anode chamber is disposed outside the second cathode. A direct methanol fuel cell in which a second cathode chamber is formed and generates electricity by catalytic reaction;
A methanol feed line for taking out methanol generated in the first cathode chamber and feeding it to the second anode chamber during power generation of the photofuel cell;
An oxygen supply line that takes out the oxygen generated in the first anode chamber and supplies it to the second cathode chamber during power generation of the photovoltaic fuel cell;
A water supply line for taking out the water generated in the second cathode chamber and feeding it to the first anode chamber during power generation of the direct methanol fuel cell;
And a carbon dioxide feed line for taking out carbon dioxide produced in the second anode chamber and feeding it to the first cathode chamber during power generation of the direct methanol fuel cell.
前記酸素送給ラインに設けられた酸素貯留槽と、
前記水送給ラインに設けられた水貯留槽と、
前記二酸化炭素送給ラインに設けられた二酸化炭素貯留槽と、を備える
請求項1に記載の複合型燃料電池システム。 A methanol storage tank provided in the methanol supply line;
An oxygen storage tank provided in the oxygen supply line;
A water storage tank provided in the water supply line;
The composite fuel cell system according to claim 1, further comprising a carbon dioxide storage tank provided in the carbon dioxide supply line.
前記水貯留槽に外部から水を補充する水補充手段と、を備える
請求項2に記載の複合型燃料電池システム。 Methanol replenishing means for replenishing methanol from the outside to the methanol storage tank;
The combined fuel cell system according to claim 2, further comprising water replenishing means for replenishing the water storage tank from the outside.
前記水貯留槽の水貯留量を検出する第2貯留量検出手段と、
前記第1貯留量検出手段の検出量が第1基準値を下回る場合に、メタノールを補充するように前記メタノール補充手段を制御し、及び/又は、前記第2貯留量検出手段の検出量が第2基準値を下回る場合に、水を補充するように前記水補充手段を制御する原料補充制御手段と、を備える
請求項3に記載の複合型燃料電池システム。 First storage amount detection means for detecting the methanol storage amount of the methanol storage tank;
Second storage amount detection means for detecting the amount of water stored in the water storage tank;
When the detection amount of the first storage amount detection means is lower than the first reference value, the methanol replenishment means is controlled to replenish methanol, and / or the detection amount of the second storage amount detection means is the first amount. 4. The composite fuel cell system according to claim 3, further comprising: a raw material replenishment control unit that controls the water replenishment unit so as to replenish water when the value is less than 2 reference values.
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WO2019169785A1 (en) * | 2018-03-06 | 2019-09-12 | 大连理工大学 | Use of membrane-free microbial fuel cell coupled with cathode catalytic membrane in coking wastewater treatment system |
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