JP2019186160A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to fuel cell systems.
石炭、石油などの化石燃料の枯渇、CO2による地球温暖化が問題視されているので、近年、化石燃料に依存しないエネルギー社会を目指す取り組みが活発に行われている。このような取り組みの一つとして、燃料電池システムの開発が進められている。 Since depletion of fossil fuels such as coal and oil and global warming due to CO 2 are regarded as problems, in recent years, efforts have been actively made toward an energy society that does not depend on fossil fuels. As one of such efforts, development of a fuel cell system is underway.
燃料電池システムでは、燃料電池のアノードに水素(H2)が供給されると、アノードでは、水素が触媒層上で電子を遊離してプロトン(H+)となる。このとき、プロトンは電解質膜を通過して、燃料電池のカソードに移動する一方、電子は外部負荷を通過してカソードに移動する。カソードでは、酸化剤ガスが供給され、プロトンおよび電子と酸化剤ガス中の酸素(O2)との反応が生じて水が発生する。このようにして、燃料電池システムで発電が行われる。 In the fuel cell system, when hydrogen (H 2 ) is supplied to the anode of the fuel cell, at the anode, hydrogen liberates electrons on the catalyst layer to become protons (H + ). At this time, protons pass through the electrolyte membrane and move to the cathode of the fuel cell, while electrons pass through the external load and move to the cathode. At the cathode, an oxidant gas is supplied, and a reaction occurs between protons and electrons and oxygen (O 2 ) in the oxidant gas to generate water. In this way, power generation is performed in the fuel cell system.
以上の水素ガスを燃料とする燃料電池システムは、すでに商用化されているが、水素ガスは、常温常圧状態では希薄な気体である故、液体燃料に比べて保管、運搬などの取り扱いが不便である。 The above fuel cell system using hydrogen gas as fuel has already been commercialized, but hydrogen gas is a dilute gas at normal temperature and normal pressure, so it is inconvenient to store and transport compared to liquid fuel. It is.
そこで、気体に比べてエネルギー密度が高い液体の有機ハイドライド(以下、有機ハイドライド液体という場合がある)を充填したタンクを備える燃料電池システムが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。 In view of this, a fuel cell system has been proposed that includes a tank filled with a liquid organic hydride (hereinafter sometimes referred to as an organic hydride liquid) having a higher energy density than gas (see, for example, Non-Patent Document 1).
ここで、固体高分子形燃料電池(以下、PEFC)の場合、電解質膜の加湿が不十分であると、電解質膜のプロトン伝導性が低下する可能性がある。ところが、タンク内のMCHなどの有機ハイドライドは、非極性物質であるので、水などの極性物質とは混ざりにくい。そこで、非特許文献1では、有機ハイドライド液体を気化器により気化する構成、および、気化器からの有機ハイドライドガスと水蒸気とを混合した状態で混合ガスをPEFCのアノードに供給する構成が開示されている。
Here, in the case of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC), if the electrolyte membrane is not sufficiently humidified, the proton conductivity of the electrolyte membrane may be lowered. However, since organic hydrides such as MCH in the tank are non-polar substances, they are difficult to mix with polar substances such as water. Therefore, Non-Patent
しかし、従来例は、液体の有機ハイドライドを燃料電池に供給する場合に、燃料電池の電解質膜の含水率を適切に保つことについては検討されていない。 However, in the conventional example, when supplying liquid organic hydride to the fuel cell, it has not been studied to keep the moisture content of the electrolyte membrane of the fuel cell appropriately.
本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、液体の有機ハイドライドを燃料電池に供給する場合でも、燃料電池の電解質膜の含水率低下を従来よりも軽減し得る燃料電池システムを提供する。 One aspect of the present disclosure has been made in view of such circumstances, and even when liquid organic hydride is supplied to a fuel cell, a reduction in the moisture content of the electrolyte membrane of the fuel cell is reduced as compared with the prior art. A fuel cell system is provided.
上記課題を解決するため、本開示の一態様の燃料電池システムは、液体の有機ハイドライドと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池に液体の有機ハイドライドを供給する供給器と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器と、前記燃料電池から排出されるオフ酸化剤ガスが流れるガス流路と、前記ガス流路に設けられた弁と、前記燃料電池の出力電流に応じて前記弁の開度を調整する制御器と、を備える。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to an aspect of the present disclosure includes a fuel cell that generates electric power using a liquid organic hydride and an oxidant gas, a feeder that supplies the liquid organic hydride to the fuel cell, An oxidant gas supplier for supplying an oxidant gas to the fuel cell, a humidifier for humidifying the oxidant gas supplied to the fuel cell, and a gas flow path through which off-oxidant gas discharged from the fuel cell flows And a valve provided in the gas flow path, and a controller for adjusting the opening of the valve in accordance with the output current of the fuel cell.
本開示の一態様の燃料電池システムは、液体の有機ハイドライドを燃料電池に供給する場合でも、燃料電池の電解質膜の含水率低下を従来よりも軽減し得るという効果を奏する。 The fuel cell system according to one embodiment of the present disclosure has an effect that a decrease in the moisture content of the electrolyte membrane of the fuel cell can be reduced as compared with the conventional case even when liquid organic hydride is supplied to the fuel cell.
液体の有機ハイドライドを燃料電池に供給する場合に、燃料電池の電解質膜の含水率を適切に保つために鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。 In the case of supplying liquid organic hydride to the fuel cell, intensive studies have been conducted to appropriately maintain the moisture content of the electrolyte membrane of the fuel cell, and the following knowledge has been obtained.
燃料電池では、電解質膜で高プロトン伝導度を得るように電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。そこで、従来から、燃料電池に供給するアノードガスおよびカソードガスをそれぞれ、例えば、加湿器により予め加湿する構成を取ることが多い。例えば、加湿器の温度を制御することで、アノードガスおよびカソードガスに含有する水分量を調節することができる。 In a fuel cell, it is necessary to keep the electrolyte membrane in a wet state so as to obtain high proton conductivity in the electrolyte membrane. Therefore, conventionally, the anode gas and the cathode gas supplied to the fuel cell are often humidified in advance by, for example, a humidifier. For example, the amount of water contained in the anode gas and the cathode gas can be adjusted by controlling the temperature of the humidifier.
このようにして、燃料電池の電解質膜の水管理が従来から適切に行われている。 In this way, water management of the electrolyte membrane of the fuel cell has been appropriately performed conventionally.
ところが、燃料電池のアノードに有機ハイドライド液体を供給する場合、燃料電池のアノード側から水分を供給できないので、燃料電池のアノード側で電解質膜の含水率が低下しやすい。 However, when the organic hydride liquid is supplied to the anode of the fuel cell, water cannot be supplied from the anode side of the fuel cell, so that the moisture content of the electrolyte membrane tends to decrease on the anode side of the fuel cell.
また、燃料電池の発電中、燃料電池のアノードで発生したプロトンと、例えば、燃料電池のアノード側に存在する一つの水分子とが水素結合することで、H3O+イオンが形成される。すると、H3O+イオンは、電解質膜を通ってカソード側に移動する(電気浸透)。つまり、かかる電気浸透の過程において、燃料電池のアノード側に存在する水がプロトンに同伴してカソードに移動するので、燃料電池の出力電流が増加する程、燃料電池のアノード側で電解質膜の含水率がさらに低下する。 Further, during power generation of the fuel cell, protons generated at the anode of the fuel cell and, for example, one water molecule present on the anode side of the fuel cell form a hydrogen bond to form H 3 O + ions. Then, H 3 O + ions move to the cathode side through the electrolyte membrane (electroosmosis). In other words, in the process of electroosmosis, the water present on the anode side of the fuel cell moves along with the protons and moves to the cathode. Therefore, as the output current of the fuel cell increases, the water content of the electrolyte membrane on the anode side of the fuel cell increases. The rate is further reduced.
そして、燃料電池のアノード側で電解質膜の含水率が低下すると、電解質膜のプロトン伝導度が悪化する恐れがある。 When the water content of the electrolyte membrane is reduced on the anode side of the fuel cell, the proton conductivity of the electrolyte membrane may be deteriorated.
ところで、電解質膜の水の流量(移動量)は、以下の式(1)で定式化される。 By the way, the flow rate (movement amount) of the water in the electrolyte membrane is formulated by the following formula (1).
式(1)において、右辺第1項は、電解質膜のプロトン伝導に伴って発生する電気浸透水の流量(jEOD)を表している。また、右辺第2項は、燃料電池のアノードおよびカソード間の化学ポテンシャルの差(化学ポテンシャル勾配)によって発生する水の透過流量(jP)を表している。つまり、電解質膜の水の移動量は、前者の電気浸透水の流量(jEOD)と後者の水の透過流量(jP)との間のバランスにより決定される。そして、化学ポテンシャルは圧力依存性(例えば、比例関係)を有するので、後者の水の透過流量(jP)を支配する化学ポテンシャル勾配は、燃料電池のアノードおよびカソード間の圧力差に依存(例えば、比例)する。 In Equation (1), the first term on the right side represents the flow rate (j EOD ) of electroosmotic water generated along with proton conduction in the electrolyte membrane. The second term on the right side represents the permeate flow rate (j P ) of water generated by the difference in chemical potential (chemical potential gradient) between the anode and cathode of the fuel cell. That is, the amount of water movement of the electrolyte membrane is determined by the balance between the former electroosmotic water flow rate (j EOD ) and the latter water permeation flow rate (j P ). And since the chemical potential is pressure dependent (eg, proportional), the chemical potential gradient governing the latter water permeation flow rate (j P ) depends on the pressure difference between the anode and cathode of the fuel cell (eg, ,Proportional.
発明者らは、以上のような視点から、燃料電池のカソードおよびアノード間の圧力差を変化させることで、燃料電池のカソードからアノードに移動する水の透過流量(jP)を制御できることを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。例えば、燃料電池のアノード側の圧力を固定して、燃料電池のカソード側の圧力を上昇させると、燃料電池のカソードからアノードに移動する水の透過流量(jP)が増えるので、燃料電池のアノード側で電解質膜の含水率が低下することを軽減できる。 From the above viewpoints, the inventors have found that the permeate flow rate (j P ) of water moving from the cathode to the anode of the fuel cell can be controlled by changing the pressure difference between the cathode and the anode of the fuel cell. The inventors have arrived at the following aspects of the present disclosure. For example, if the pressure on the anode side of the fuel cell is fixed and the pressure on the cathode side of the fuel cell is increased, the permeate flow rate (j P ) of water moving from the cathode of the fuel cell to the anode increases. It is possible to reduce the decrease in the moisture content of the electrolyte membrane on the anode side.
すなわち、本開示の第1態様の燃料電池システムは、液体の有機ハイドライドと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池に液体の有機ハイドライドを供給する供給器と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器と、燃料電池から排出されるオフ酸化剤ガスが流れるガス流路と、ガス流路に設けられた弁と、燃料電池の出力電流に応じて弁の開度を調整する制御器と、を備える。 That is, the fuel cell system according to the first aspect of the present disclosure includes a fuel cell that generates power using a liquid organic hydride and an oxidant gas, a feeder that supplies the liquid organic hydride to the fuel cell, and an oxidant for the fuel cell. An oxidant gas supply device that supplies gas, a humidifier that humidifies the oxidant gas supplied to the fuel cell, a gas flow path through which off-oxidant gas discharged from the fuel cell flows, and a gas flow path are provided. And a controller that adjusts the opening of the valve in accordance with the output current of the fuel cell.
かかる構成によると、本態様の燃料電池システムは、液体の有機ハイドライドを燃料電池に供給する場合でも、燃料電池の含水率低下を従来よりも軽減し得る。つまり、制御器が、燃料電池の出力電流に応じて弁の開度を調整することで、燃料電池のカソードおよびアノード間の圧力差が変更されるので、燃料電池のカソードからアノードに移動する水の透過流量(jP)を適切に制御できる。すると、このような電解質膜の水の移動により燃料電池のアノード側の電解質膜の含水率低下を適切に補うことができる。 According to such a configuration, the fuel cell system of this aspect can reduce the decrease in the moisture content of the fuel cell as compared with the conventional case even when liquid organic hydride is supplied to the fuel cell. That is, the controller adjusts the valve opening according to the output current of the fuel cell, thereby changing the pressure difference between the cathode and anode of the fuel cell, so that the water moving from the cathode of the fuel cell to the anode is changed. The permeation flow rate (j P ) can be appropriately controlled. Then, the water content of the electrolyte membrane on the anode side of the fuel cell can be appropriately compensated by such movement of the electrolyte membrane.
例えば、燃料電池の出力電流の増減に伴い、燃料電池のアノード側の圧力を固定させた状態で、弁の開度調整により燃料電池のカソード側の圧力を上下させる。すると、燃料電池のカソードからアノードに移動する水の透過流量(jP)が増減するので、燃料電池のアノード側で電解質膜の含水率が低下することを適切に軽減できる。一例として、燃料電池のカソードからアノードに移動する水の透過流量(jP)が電気浸透水の流量(jEOD)よりも大きくなるように(jP>jEOD)、弁の開度を調整してもよい。 For example, as the output current of the fuel cell increases or decreases, the pressure on the cathode side of the fuel cell is increased or decreased by adjusting the valve opening while the pressure on the anode side of the fuel cell is fixed. Then, the permeation flow rate (j P ) of the water moving from the cathode of the fuel cell to the anode increases and decreases, so that it is possible to appropriately reduce the decrease in the moisture content of the electrolyte membrane on the anode side of the fuel cell. As an example, the valve opening is adjusted so that the permeate flow rate (j P ) of water moving from the cathode to the anode of the fuel cell is larger than the flow rate (j EOD ) of the electroosmotic water (j P > j EOD ). May be.
このようにして、本態様の燃料電池システムは、燃料電池のアノード側の電解質膜の含水率低下に起因する電解質膜のプロトン伝導度の悪化を適切に抑制することができる。 Thus, the fuel cell system of this aspect can appropriately suppress the deterioration of the proton conductivity of the electrolyte membrane due to the decrease in the moisture content of the electrolyte membrane on the anode side of the fuel cell.
さらに、本態様の燃料電池システムは、有機ハイドライドを用いて燃料電池により発電するとき、気化器などが不要になるので、非特許文献1に記載された発明と比べて装置構成を簡素化できる。
Furthermore, the fuel cell system according to the present embodiment can simplify the apparatus configuration as compared with the invention described in Non-Patent
本開示の第2態様の燃料電池システムは、第1態様の燃料電池システムにおいて、制御器は、燃料電池の出力電流が増加すると、弁の開度を小さくしてもよい。 In the fuel cell system according to the second aspect of the present disclosure, in the fuel cell system according to the first aspect, the controller may decrease the opening of the valve when the output current of the fuel cell increases.
燃料電池の出力電流が増加すると、電気浸透水の流量(jEOD)が増える。この場合、本態様の燃料電池システムは、弁の小開度制御により燃料電池のカソード側の圧力を上昇させることで燃料電池のカソードからアノードに移動する水の透過流量(jP)を増やすことができる。これにより、燃料電池のアノード側で電解質膜の含水率が低下することを効果的に軽減できる。 As the output current of the fuel cell increases, the flow rate of electroosmotic water (j EOD ) increases. In this case, the fuel cell system of the present embodiment increases the permeation flow rate (j P ) of water moving from the cathode of the fuel cell to the anode by increasing the pressure on the cathode side of the fuel cell by controlling the small opening of the valve. Can do. Thereby, it can reduce effectively that the moisture content of an electrolyte membrane falls on the anode side of a fuel cell.
本開示の第3態様の燃料電池システムは、第1態様および第2態様の燃料電池システムにおいて、制御器は、燃料電池の出力電流が減少すると、弁の開度を大きくしてもよい。 In the fuel cell system according to the third aspect of the present disclosure, in the fuel cell system according to the first aspect and the second aspect, the controller may increase the opening of the valve when the output current of the fuel cell decreases.
燃料電池の出力電流が減少すると、電気浸透水の流量(jEOD)が減少する。この場合、本態様の燃料電池システムは、弁の大開度制御により燃料電池のカソード側の圧力を低下させることで燃料電池のカソードからアノードに移動する水の透過流量(jP)を減らすことができる。これにより、燃料電池のアノード側で水が過剰にならない制御を行うことができる。 When the output current of the fuel cell decreases, the electroosmotic water flow rate (j EOD ) decreases. In this case, the fuel cell system of this aspect can reduce the permeate flow rate (j P ) of water moving from the cathode of the fuel cell to the anode by reducing the pressure on the cathode side of the fuel cell by controlling the large opening of the valve. it can. Thereby, it is possible to perform control so that water does not become excessive on the anode side of the fuel cell.
本開示の第4態様の燃料電池システムは、第1態様から第3態様のいずれか一つの燃料電池システムにおいて、燃料電池の入口の酸化剤ガスの露点が、燃料電池の運転温度よりも大きくなるよう加湿器で酸化剤ガスを加湿してもよい。 The fuel cell system according to the fourth aspect of the present disclosure is the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, wherein the dew point of the oxidant gas at the inlet of the fuel cell is higher than the operating temperature of the fuel cell. The oxidant gas may be humidified with a humidifier.
かかる構成によると、本態様の燃料電池システムは、燃料電池の電解質膜を十分な湿潤状態に維持し得るように、燃料電池に供給する酸化剤ガスを適切に加湿することができる。 According to such a configuration, the fuel cell system of this aspect can appropriately humidify the oxidant gas supplied to the fuel cell so that the electrolyte membrane of the fuel cell can be maintained in a sufficiently wet state.
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。よって、以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be specifically described with reference to the drawings. In addition, all embodiment described below shows a comprehensive or specific example. Therefore, numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of components shown in the following embodiments are examples, and are not intended to limit the present disclosure. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept are described as optional constituent elements. In the drawings, the same reference numerals are sometimes omitted. In addition, the drawings schematically show each component for easy understanding, and there are cases where the shape and dimensional ratio are not accurately displayed.
(実施形態)
図1は、実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
(Embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a fuel cell system according to an embodiment.
図1に示す例では、燃料電池システム200は、燃料電池100と、酸化剤ガス供給器9と、加湿器10と、供給器11と、ガス流路4と、弁8と、制御器50と、を備える。ここで、燃料電池100は、電解質膜5と、アノードANと、カソードCAと、を備える。
In the example shown in FIG. 1, the
なお、本実施形態の燃料電池システム200では、燃料電池100が容器内を区画するように配置されている。そして、容器のアノードAN側の領域が、有機ハイドライド液体が通過するアノード室6を構成し、容器のカソードCA側の領域が、酸化剤ガスが通過するカソード室7を構成している。
In the
但し、かかる構成は例示であって、本例に限定されない。 However, this configuration is merely an example, and is not limited to this example.
電解質膜5は、プロトン伝導性を備える電解質膜であれば、どのような構成であってもよい。電解質膜5として、例えば、高分子電解質膜などを挙げることができる。高分子電解質膜の素材としては、例えば、スルフォン基、リン酸基などの強酸基、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を備える有機高分子材料を用いることができる。具体的には、スルフォン化ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)、スルフォン基含有パーフルオロカーボンなどを挙げることができる。後者は、Nafion(登録商標、デュポン社製)として商品化されている。
The
アノードANは、電解質膜5の一方の主面に設けられている。アノードANは、有機ハイドライド液体中の水素を酸化する触媒を含む電極である。アノードANは、このような触媒を含む電極であれば、どのような構成であってもよい。かかる触媒の触媒金属として、例えば、Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Au、Ag、Ni、Fe、Cuなどの触媒金属、これらの組み合わせ、あるいは、これらの酸化物、窒化物などの組み合わせを用いることができるが、これらに限定されない。触媒の担体としては、例えば、カーボンなどを挙げることができる。アノードANは、有機ハイドライド液体を拡散させるための拡散層を備えてもよい。アノードANが、このような拡散層を備える場合は、かかる拡散層は、多孔性かつ導電性を備える。なお、拡散層を構成する材料の表面の適所に撥水処理が施されていてもよい。これにより、拡散層から効率良く水を排水し得るので、拡散層のフラッディング発生を抑制することができる。
The anode AN is provided on one main surface of the
カソードCAは、電解質膜5の他方の主面に設けられている。カソードCAは、プロトンを還元する触媒を含む電極である。カソードCAは、このような触媒を含む電極であれば、どのような構成であってもよい。かかる触媒の触媒金属として、例えば、Ptを用いることができるが、これに限定されない。触媒の担体としては、例えば、カーボンなどを挙げることができる。カソードCAは、酸化剤ガスを拡散させるためのガス拡散層を備えてもよい。カソードCAが、このようなガス拡散層を備える場合は、かかるガス拡散層は、多孔性かつ導電性を備える。なお、ガス拡散層を構成する材料の表面の適所に撥水処理が施されていてもよい。これにより、ガス拡散層から効率良く水を排水し得るので、ガス拡散層のフラッディング発生を抑制することができる。
The cathode CA is provided on the other main surface of the
供給器11は、燃料電池100に有機ハイドライド液体を供給する装置である。本例では、供給器11により、燃料電池100のアノードANが設けられたアノード室6に有機ハイドライド液体が供給されている。
The supply device 11 is a device that supplies an organic hydride liquid to the
供給器11は、燃料電池100に有機ハイドライド液体を供給することができれば、どのような構成であってもよい。供給器11として、例えば、容積式ポンプを用いることができるが、これに限定されない。
The supply device 11 may have any configuration as long as the organic hydride liquid can be supplied to the
有機ハイドライド(水素化芳香族化合物)は、芳香族化合物に水素が結合することによって、水素を貯蔵した状態にある化合物である。「有機ハイドライド(水素化芳香族化合物)」とは、芳香族化合物の全ての炭素−炭素二重結合に水素が付加された化合物であり、分子内に炭素−炭素不飽和結合を含まない。 An organic hydride (hydrogenated aromatic compound) is a compound in a state where hydrogen is stored by bonding hydrogen to the aromatic compound. “Organic hydride (hydrogenated aromatic compound)” is a compound in which hydrogen is added to all carbon-carbon double bonds of an aromatic compound, and does not contain a carbon-carbon unsaturated bond in the molecule.
芳香族化合物は、単環芳香族化合物であってもよいし、多環芳香族化合物であってもよい。単環芳香族化合物はベンゼンおよびベンゼンに極性官能基がついたフェノール、ベンジルアルコール、O−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、シクロヘキサンカルボキシアルデヒドなどを含む。多環芳香族化合物は1−ナフトール、2−ナフトール、2−アントラセノール、9−アントロールなどを含む。 The aromatic compound may be a monocyclic aromatic compound or a polycyclic aromatic compound. Monocyclic aromatic compounds include benzene and phenol with a polar functional group on benzene, benzyl alcohol, O-cresol, m-cresol, p-cresol, cyclohexanecarboxaldehyde, and the like. Polycyclic aromatic compounds include 1-naphthol, 2-naphthol, 2-anthracenol, 9-anthrol and the like.
水素化芳香族化合物としては、特に限定されないが、例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサンなどの単環式水素化芳香族類、テトラリン、デカリン、メチルデカリンなどの2環式水素化芳香族類、テトラデカヒドロアントラセンなどの3環式水素化芳香族類などを挙げることができる。特にメチルシクロヘキサン、テトラリンなどが好適に用いられる。 Although it does not specifically limit as a hydrogenated aromatic compound, For example, bicyclic hydrogenated aromatics, such as monocyclic hydrogenated aromatics, such as a cyclohexane, a methylcyclohexane, and a dimethylcyclohexane, tetralin, a decalin, a methyl decalin, And tricyclic hydrogenated aromatics such as tetradecahydroanthracene. In particular, methylcyclohexane, tetralin and the like are preferably used.
なお、有機ハイドライド液体には、メディエータとして機能する物質が混合されていてもよい。かかる物質として、例えば、2,3-ジクロロ-5,6-ジシアノ-p-ベンゾキノン(DDQ)、クロラニル、ベンゾキノンなどのキノン系メディエータ類、フェロセン、テトラチアフルバレンなどを挙げることができるが、これらに限定されない。 The organic hydride liquid may be mixed with a substance that functions as a mediator. Examples of such substances include quinone mediators such as 2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone (DDQ), chloranil, and benzoquinone, ferrocene, and tetrathiafulvalene. It is not limited.
酸化剤ガス供給器9は、燃料電池100に酸化剤ガスを供給する装置である。本例では、酸化剤ガス供給器9により、燃料電池100のカソードCAが設けられたカソード室7に酸化剤ガスが供給されている。
The oxidant gas supplier 9 is a device that supplies oxidant gas to the
酸化剤ガス供給器9は、燃料電池100に酸化剤ガスを供給できれば、どのような構成であってもよい。酸化剤ガス供給器9として、例えば、容積式ブロア、マスフローコントローラなどを用いることができるが、これらに限定されない。酸化剤ガスとして、例えば、空気、酸素(O2)、酸素と不活性ガス(窒素、アルゴンなど)との混合ガスなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
The oxidant gas supply unit 9 may have any configuration as long as the oxidant gas can be supplied to the
加湿器10は、燃料電池100に供給される酸化剤ガスを加湿する装置である。加湿器10は、燃料電池100に供給される酸化剤ガスを加湿できれば、どのような構成であってもよい。加湿器10は、例えば、バブリング方式の加湿装置であってもよいし、酸化剤ガスと水蒸気とを混合する装置であってもよい。前者の場合、図示を省略するが、加湿器10は、酸化剤ガス経路に設けられたバブリングタンク、バブリングタンク内の水を加熱する加熱器、および、バブリングタンク内の水温を検知する温度検知器などを備える。
The humidifier 10 is a device that humidifies the oxidant gas supplied to the
なお、燃料電池100の電解質膜5を十分な湿潤状態に維持し得るように、燃料電池100の入口(カソード室7の入口)の酸化剤ガスの露点が、燃料電池100の運転温度よりも大きくなるよう加湿器10で酸化剤ガスを加湿する方が望ましい。例えば、加湿器10がバブリング方式の加湿装置である場合、バブリングタンク内の水温を、燃料電池100の運転温度よりも高くすることで、上記の酸化剤ガスの露点を燃料電池100の運転温度よりも大きくすることができる。
Note that the oxidant gas dew point at the inlet of the fuel cell 100 (inlet of the cathode chamber 7) is larger than the operating temperature of the
ガス流路4は、燃料電池100から排出されるオフ酸化剤ガスが流れる流路である。具体的には、酸化剤ガス供給器9によりカソード室7に供給された酸化剤ガスのうち、燃料電池100の発電に使用されなかった酸化剤ガス(オフ酸化剤ガス)が、ガス流路4を通じてカソード室7の外部(例えば、大気中)に排出されている。
The
弁8は、ガス流路4に設けられている。弁8として、例えば、任意の開度をとることのできる電磁弁などを挙げることができるが、これに限定されない。
The
制御器50は、燃料電池100の出力電流に応じて弁8の開度を調整する。例えば、制御器50は、外部負荷の消費電力の増減により、燃料電池100の出力電流を変更すると、この出力電流に応じて弁8の開度を調整する。
The controller 50 adjusts the opening degree of the
制御器50は、例えば、燃料電池100の出力電流が増加すると、弁8の開度を小さくする。すると、ガス流路4の圧力損失が大きくなるので、燃料電池100のカソードCA側の圧力(カソード室7の圧力)が上がる。
For example, when the output current of the
制御器50は、例えば、燃料電池100の出力電流が減少すると、弁8の開度を大きくする。すると、ガス流路4の圧力損失が小さくなるので、燃料電池100のカソードCA側の圧力(カソード室7の圧力)が下がる。
For example, when the output current of the
なお、図示を省略するが、燃料電池システム200は、カソード室7の圧力を計測する圧力計を備えてもよい。これにより、制御器50は、圧力計の計測データに基づいて、カソード室7の圧力が所望の圧力となるようにフィードバック制御できる。
Although not shown, the
制御器50は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であってもよい。制御器50は、例えば、演算回路(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶回路(図示せず)と、を備える。演算回路として、例えば、MPU、CPUなどを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。制御器50は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。 The controller 50 may have any configuration as long as it has a control function. The controller 50 includes, for example, an arithmetic circuit (not shown) and a storage circuit (not shown) that stores a control program. Examples of the arithmetic circuit include an MPU and a CPU. An example of the memory circuit is a memory. The controller 50 may be configured by a single controller that performs centralized control, or may be configured by a plurality of controllers that perform distributed control in cooperation with each other.
以上のとおり、本実施形態の燃料電池システム200は、液体の有機ハイドライドを燃料電池100に供給する場合でも、燃料電池100の含水率低下を従来よりも軽減し得る。つまり、制御器50が、燃料電池100の出力電流に応じて弁8の開度を調整することで、燃料電池100のカソードCAおよびアノードAN間の圧力差が変更されるので、燃料電池100のカソードCAからアノードANに移動する水の透過流量(jP)を適切に制御できる。すると、このような電解質膜5の水の移動により燃料電池100のアノードAN側の電解質膜5の含水率低下を適切に補うことができる。
As described above, the
例えば、燃料電池100の出力電流の増減に伴い、燃料電池100のアノードAN側の圧力を固定させた状態で、弁8の開度調整により燃料電池100のカソードCA側の圧力(カソード室7の圧力)を上下させる。すると、燃料電池のカソードCAからアノードANに移動する水の透過流量(jP)が増減するので、燃料電池100のアノードAN側で電解質膜5の含水率が低下することを適切に軽減できる。一例として、燃料電池100のカソードCAからアノードANに移動する水の透過流量(jP)が電気浸透水の流量(jEOD)よりも大きくなるように(jP>jEOD)、弁8の開度を調整してもよい。
For example, as the output current of the
このようにして、本実施形態の燃料電池システム200は、燃料電池100のアノードAN側の電解質膜5の含水率低下に起因する電解質膜5のプロトン伝導度の悪化を適切に抑制することができる。
Thus, the
具体的には、燃料電池100の出力電流が増加すると、電気浸透水の流量(jEOD)が増える。この場合、本実施形態の燃料電池システム200は、弁8の小開度制御により燃料電池100のカソードCA側の圧力を上昇させることで燃料電池100のカソードCAからアノードANに移動する水の透過流量(jP)を増やすことができる。これにより、燃料電池100のアノードAN側で電解質膜5の含水率が低下することを効果的に軽減できる。
Specifically, when the output current of the
逆に、燃料電池100の出力電流が減少すると、電気浸透水の流量(jEOD)が減少する。この場合、本実施形態の燃料電池システム200は、弁8の大開度制御により燃料電池100のカソードCA側の圧力を低下させることで燃料電池100のカソードCAからアノードANに移動する水の透過流量(jP)を減らすことができる。これにより、燃料電池100のアノードAN側で水が過剰にならない制御を行うことができる。
Conversely, when the output current of the
さらに、本実施形態の燃料電池システム200は、有機ハイドライドを用いて燃料電池100により発電するとき、気化器などが不要になるので、非特許文献1に記載された発明と比べて装置構成を簡素化できる。
Furthermore, since the
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および/または機能の詳細を実質的に変更できる。 From the above description, many modifications and other embodiments of the present disclosure are apparent to persons skilled in the art. Accordingly, the foregoing description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the disclosure. Details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the present disclosure.
本開示の一態様は、液体の有機ハイドライドを燃料電池に供給する場合でも、燃料電池の電解質膜の含水率低下を従来よりも軽減し得る燃料電池システムに利用することができる。 One aspect of the present disclosure can be used in a fuel cell system that can reduce a decrease in the moisture content of an electrolyte membrane of a fuel cell as compared with the conventional case even when liquid organic hydride is supplied to the fuel cell.
4 :ガス流路
5 :電解質膜
6 :アノード室
7 :カソード室
8 :弁
9 :酸化剤ガス供給器
10 :加湿器
11 :供給器
50 :制御器
100 :燃料電池
200 :燃料電池システム
AN :アノード
CA :カソード
4: Gas channel 5: Electrolyte membrane 6: Anode chamber 7: Cathode chamber 8: Valve 9: Oxidant gas supply device 10: Humidifier 11: Supply device 50: Controller 100: Fuel cell 200: Fuel cell system AN: Anode CA: Cathode
Claims (4)
前記燃料電池に液体の有機ハイドライドを供給する供給器と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
前記燃料電池から排出されるオフ酸化剤ガスが流れるガス流路と、
前記ガス流路に設けられた弁と、
前記燃料電池の出力電流に応じて前記弁の開度を調整する制御器と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity using liquid organic hydride and oxidant gas;
A feeder for supplying liquid organic hydride to the fuel cell;
An oxidant gas supplier for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
A humidifier for humidifying the oxidant gas supplied to the fuel cell;
A gas flow path through which off-oxidant gas discharged from the fuel cell flows;
A valve provided in the gas flow path;
A controller for adjusting the opening of the valve according to the output current of the fuel cell;
A fuel cell system comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018078917A JP2019186160A (en) | 2018-04-17 | 2018-04-17 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2018078917A JP2019186160A (en) | 2018-04-17 | 2018-04-17 | Fuel cell system |
Publications (1)
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JP2019186160A true JP2019186160A (en) | 2019-10-24 |
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ID=68341867
Family Applications (1)
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JP2018078917A Pending JP2019186160A (en) | 2018-04-17 | 2018-04-17 | Fuel cell system |
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-
2018
- 2018-04-17 JP JP2018078917A patent/JP2019186160A/en active Pending
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