JP4334578B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システムとして、燃料にメタノールを用いた直接メタノール型燃料電池(DMFC)を採用したシステムを説明する。本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システムは、図1に示すように、発電部7、燃料タンク2、及び発電部7の発電に必要な補器1を備える。
アノード極: CH3OH+H2O→6H++6e-+CO2 …(1)
カソード極: 6H++6e-+3/2O2→3H2O …(2)
で表される。アノード極ではメタノールと水が1対1のモル比率で反応が起こる。アノード極で生成した二酸化炭素(CO2)等の生成物及び未反応のメタノール水溶液は、図1に示したラインL15から排出され、気液分離部8において二酸化炭素(CO2)等の気体が除去された後に、ラインL16を介して混合タンク14に戻される。一方、発電部7のカソード極で生成した水はラインL18から放出される。なお、ラインL18を混合タンク4と接続し、発電部7のカソード極で生成した水を混合タンク4へ戻しても良い。
α=t/m …(3)
で定義する。例えばα=0の場合、1molのメタノールと水が反応し、6molのH+がアノード極から電解質膜を通ってカソード極へ移動するものの、それに伴う水の移動はない。これは、水のクロスオーバーがないことを意味し、この条件にてカソードの水回収機構を省いたシステムを構築した場合、燃料タンク2にはアノード反応に必要なメタノールと水を1mol対1molの割合で積載すれば良い。更に、α=−1/6の場合、アノード極で1molのメタノールと水が反応して6個のH+が生成すると同時に、1molの水がカソード極から電解質膜を通ってアノード極へ移動(逆拡散)する。このように逆拡散してきた水によりアノード反応に必要な水が補えるため、燃料タンク2には水を積載する必要がなく、濃度が100%のメタノールが積載可能となる。
本発明の第1の実施の形態の第1の変形例として、α回復処理において、空気供給部6が、発電部7のアノード極に空気を供給することで乾燥を行う場合を説明する。本発明の第1の実施の形態の第1の変形例に係る燃料電池システムでは、図6に示すように、発電部7のアノード極に空気を供給可能にするためにラインL17とラインL14とを接続するラインL19が設けられている。ラインL19上には第1の開閉機構(開閉バルブ)31が設けられている。また、空気供給部6と発電部7のアノード極との間のラインL17上には、第2の開閉機構(開閉バルブ)32が設けれらている。第1及び第2の開閉機構31,32は、制御部10により制御される。
本発明の第1の実施の形態の第2の変形例として、発電終了後にα回復処理を行う燃料電池システムの運転方法を、図7のフローチャートを参照しながら説明する。
本発明の第1の実施の形態の第3の変形例として、複数の発電部が交代でα回復処理を行う場合を説明する。本発明の第1の実施の形態の第3の変形例に係る燃料電池システムは、図8に示すように、複数(第1及び第2)の発電部7a,7b、燃料タンク2及び補器1を備える。補器1は、燃料供給部3、混合タンク4、第1及び第2の燃料循環部5a,5b、気液分離部8、空気供給部6、電力調整部9、第1及び第2の温度調整手段131,132、液量センサ41及び濃度センサ42を備える。
本発明の第1の実施の形態の第4の変形例として、予めα回復処理を定期的に取り入れておく場合を説明する。
本発明の第2の実施の形態では、図1に示したような混合タンク4及び気液分離部8が省略され、発電部のアノード循環系は常に一定の液量で満たされている構成の燃料電池システムについて説明する。本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池システムは、図11に示すように、発電部7、燃料タンク2、及び補器1を備える。燃料タンク2は、メタノール又はメタノールと少量の水の混合溶液を含む。燃料タンク2内のメタノール濃度は水及びメタノールのクロスオーバー量を考慮して決定する。
上記のように、本発明は第1及び第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。第1及び第2の実施の形態は、その組合せによる実施も可能である。
2…燃料タンク
3…燃料供給部
4…混合タンク
5,5a,5b…燃料循環部
6…空気供給部
7,7a,7b…発電部
8…気液分離部
9…電力調整部
10…制御部
11,12…締付板
13,131,132…温度調整手段
13a,13b,13c…発電セル
14…混合タンク
14a,15a,16a,25…アノード流路板
14b,15b,16b…カソード流路板
14c,15c,16c,21…MEA
14d,14e,15d,15e,16d,16e,28,29…ガスケット
16…アノード集電板
17,26…カソード集電板
18,19…絶縁シート
22…電解質膜
23…アノード極
24…カソード極
31,32,33,34…開閉機構
35…燃料回収部
36…燃料回収タンク
41…液量センサ
42…濃度センサ
251…燃料流路
252…気体流路
253…気体排出口
254…燃料排出口
255…燃料供給口
261…空気供給口
Claims (9)
- 燃料を蓄える燃料タンクと、
前記燃料を前記燃料タンクから供給する燃料供給部と、
前記燃料を希釈した燃料水溶液を蓄える混合タンクと、
電解質膜と、前記電解質膜を介して互いに対向するアノード極及びカソード極とを含む膜電極複合体を有し、前記アノード極に供給された前記燃料水溶液と、前記カソード極に供給された空気との反応により発電する発電部と、
前記燃料水溶液を前記混合タンクから前記アノード極に供給する燃料循環部と、
前記カソード極に空気を供給する空気供給部と、
前記アノード極と前記混合タンクの間に接続され、前記アノード極から排出された、前記反応により生成した流体を液体と気体に分離する気液分離部と、
前記混合タンク内の液量を検知する液量センサとを備え、
前記混合タンク内の液量に基づいて、前記アノード極に空気を供給し前記アノード極内の前記燃料水溶液を前記混合タンクへ排出することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記気液分離部から前記アノード極に空気を供給することにより前記アノード極内の前記燃料水溶液を前記燃料循環部を介して前記混合タンクへ排出することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記空気供給部が、前記アノード極に空気を供給することにより前記アノード極内の前記燃料水溶液を前記気液分離部を介して前記混合タンクへ排出することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記空気供給部と前記アノード極との間に接続された第1の開閉機構と、
前記空気供給部と前記カソード極との間に接続された第2の開閉機構とを更に備えることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 - 前記発電部を複数個有し、前記複数の発電部のそれぞれの前記アノード極内の前記燃料水溶液を前記混合タンクへ排出する処理を順次行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 一定時間毎に、前記アノード極内の前記燃料水溶液を前記混合タンクへ排出することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記発電部の運転終了時に前記アノード極内の前記燃料水溶液を前記混合タンクへ排出することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記アノード極内の前記燃料水溶液を前記混合タンクへ排出する前に、使用者に通知することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 燃料を蓄える燃料タンクと、
前記燃料を前記燃料タンクから供給する燃料供給部と、
電解質膜と、前記電解質膜を介して互いに対向するアノード極及びカソード極とを含む膜電極複合体を有し、前記アノード極に供給される前記燃料と前記カソード極に供給された空気との反応により発電し、前記反応により生成した気体を前記アノード極の気体排出口から排出する発電部と、
前記燃料供給部から供給された前記燃料を前記アノード極へ供給する燃料循環部と、
前記アノード極から排出された前記燃料水溶液を回収する燃料回収部と、
前記燃料回収部により回収された前記燃料水溶液を蓄える回収タンクと、
前記アノード電極における前記燃料の濃度を検知する濃度センサとを備え、
前記燃料の濃度に基づいて、前記アノード極内から排出された前記燃料水溶液を前記燃料回収部が回収し、前記気体排出口から前記アノード極に空気を取り込むことを特徴とする燃料電池システム。
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