JP4586955B2

JP4586955B2 - 燃料電池装置及び発電方法

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Publication number: JP4586955B2
Application number: JP2003271574A
Authority: JP
Inventors: 業須藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2023-07-07
Also published as: JP2005032604A

Description

本発明は水を混合させた液体燃料を循環させて発電を行う燃料電池装置とその発電方法に関し、特に発電効率を向上させた燃料電池装置とその発電方法に関する。

メタノールを直接燃料とするDirect Methanol Fuel Cell (DMFC)方式では発電する際に燃料であるメタノールだけではアノード反応が進行しないため、水と混合してアノードに供給する必要がある。このときの燃料供給方法として、あらかじめメタノールと水を適切な組成で混合しておく方法、あるいは循環系を設置し、消費されることで不足したメタノールを純粋なメタノールで補給し、カソードで生成された水を回収しながら適度に混合する方法などがある。

予めメタノールと水を混合しておく場合、システムの簡便化を図ることができるが、燃料自体のエネルギー密度は低下する。エネルギー密度を上げようとして、メタノール濃度を増加させると、逆にMembrane and Electrode Assemblies (MEA)が早期に劣化してしまう。また、燃料を混合状態で供給する場合、発電部の冷却は一般に表面からの放熱に依存することから、出力密度を大きくすることが出来ないという問題が生ずる。また、出力密度を高める場合には一般に冷却器などの冷却機構を設ける必要があり、この場合には、装置の小型化、システムの簡便化が困難になる。

これに対し、生成水を回収しながら濃度を一定に保つ方法では、出力密度を高くして発電部分の温度が高くなった場合でも、液体燃料を循環しているため、この循環している液体燃料によって発電部分を冷却することが出来る。図５はこのような循環系を用いた燃料電池装置のブロック図である。発電部であるセルスタック１００と、燃料であるメタノールを循環流路に混合する混合器１０４と、及び冷却器１０２とがそれぞれ循環流路によって接続されている。セルスタック１００と混合器１０４の間の配管１０５には、セルスタック１００で消費されたメタノールを差し引いた液体燃料が還流し、混合器１０４にはバルブ１１８及びポンプ１１６を介して燃料貯蔵部１２０からメタノールが供給されると共にセルスタック１００で生じた水分を含む気体がバルブ１３０を介して冷却器ドレイン１２８に送られ、水を分離される。該水がバルブ１２６、フィルター１２４、ポンプ１２２を介して供給される。また、セルスタック１００には、ブロア１０６、フィルター１０８、バルブ１１０を介して酸化剤としての空気が導入される。混合器１０４と冷却器１０２の間の循環流路１１３にはフィルター１１４、バルブ１１２が設けられ、冷却器１０２で冷却された液体燃料がセルスタック１００に供給される。

図６は図５の装置の循環系での温度分布を示す図である。図５の各領域Ａ〜Ｆに対応して、図６では温度を模式的に示している。領域Ａは発電部であるセルスタック１００であり、領域Ｂはセルスタック１００と混合器１０４の間の配管１０５であり、領域Ｃは混合器１０４である。また、領域Ｄは混合器１０４と冷却器１０２の間の循環流路１１３であり、領域Ｅは冷却器１０２であり、領域Ｆは冷却器１０２とセルスタック１００の間の還流流路である。

図６に示すように、セルスタック１００の領域Ａが最も高い温度を示し、そこから液体燃料の循環経路に従って徐々に温度が低くなるような温度分布を示している。冷却器１０２の領域Ｅでは温度が一段と低くなり、冷却された液体燃料がセルスタック１００に供給される構造になっている。

しかし、循環している液体燃料が発電部であるセルスタック１００の熱を奪って温度が上昇するため、運転条件によっては混合器１０４の温度が上昇し、蒸発による燃料の損失や、冷却器１０２での気泡混入による冷却効率の低下などで発電効率が低下するという問題が発生する。このような発熱に起因する問題が解決できない場合、混合器１０４ではその温度が高くなってしまうことから、燃料の蒸発による無駄な燃料の損失や、冷却機構への気泡の混入など、発電効率の低下を招くことになってしまう。

本発明は、水を混合させた液体燃料を循環させて発電を行う燃料電池装置において燃料の蒸発による無駄な燃料の損失や冷却機構への気泡の混入などを防止して発電効率の低下を未然に防止できる燃料電池装置と発電方法を提供することを目的とする。

上述の課題を達成するため、本発明の第１の燃料電池装置は、水と混合して用いる液体燃料を循環させて発電を行う燃料電池装置において、前記液体燃料を循環させる発電部と、前記液体燃料の循環流路であって前記発電部の燃料流入側に形成され該液体燃料を冷却する冷却器と、前記発電部の燃料流出側に配置され、前記発電部で前記液体燃料に混入した気体を分離すると共に、前記発電部から流出する前記液体燃料、新たな液体燃料及び水を混合する混合器とを備え、前記発電部で温度上昇した前記液体燃料が前記冷却器で冷却された前記液体燃料の一部と前記混合器で混合されることを特徴とする。
本発明の第２の燃料電池装置は、上記第１の燃料電池装置と同様の構成を有し、前記発電部で温度上昇した前記液体燃料が前記冷却器で冷却された前記液体燃料の一部と、前記混合器と前記発電部との間の循環流路の一部で混合されることを特徴とする。

液体燃料を循環させて発電を行っている状態において、発電部は温度上昇を示し、その温度上昇した発電部を還流する前記液体燃料も温度が高くなってしまう。本発明の燃料電池装置によれば、昇温した前記液体燃料に前記冷却器で冷却された前記液体燃料の一部が混合されることで、温度が平均化され、結果として前記液体燃料の温度を下げることができる。従って、燃料の蒸発による無駄な燃料の損失などを防止することができる。

また、本発明の第１の発電方法では、水と混合して用いる液体燃料を循環させて発電を行う発電方法において、冷却器で前記液体燃料を冷却する工程と、冷却された前記液体燃料を発電を行う発電部に流入させる工程と、前記発電部で前記液体燃料に混入した気体を分離すると共に、前記発電部から流出する前記液体燃料、新たな液体燃料及び水を混合する工程とを備え、前記発電部で温度上昇した前記液体燃料と前記冷却器で冷却された前記液体燃料の一部を、前記発電部の燃料流出側に配置され、前記発電部で前記液体燃料に混入した気体を分離すると共に、前記発電部から流出する前記液体燃料、新たな液体燃料及び水を混合する混合器で混合することを特徴とする。
本発明の第２の発電方法では、上記第１の発電方法と同様の工程を備え、前記発電部で温度上昇した前記液体燃料と前記冷却器で冷却された前記液体燃料の一部を、前記発電部の燃料流出側に配置され、前記発電部で前記液体燃料に混入した気体を分離すると共に、前記発電部から流出する前記液体燃料、新たな液体燃料及び水を混合する混合器および前記発電部の間の循環流路の一部で混合することを特徴とする。

本発明の燃料電池装置及び本発明の発電方法によれば、前記発電部の燃料流出側で液体燃料を冷却し、前記発電部で液体燃料に混入した気体を分離するようにしたので、燃料の蒸発による無駄な燃料の損失や冷却機構への気泡の混入などを防止して発電効率の低下を未然に防止できる。

本発明の好適な実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は第１の実施の形態にかかる燃料電池装置を示す図であり、図２は図１の各領域Ａ〜Ｆについての温度分布を示す棒グラフである。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池装置は、例えばメタノールなどのアルコール系の液体燃料を循環し、生成水を回収しながら該液体燃料の濃度を一定に保って発電をする機構を有している。

まず、循環系を構成する流路には、発電部であるセルスタック１０と、燃料であるメタノールを循環流路に混合する混合器１４と、及び循環する液体燃料を冷却するための冷却器１２とが設けられている。

セルスタック１０は、例えば複数の膜電極構造体（ＭＥＡ）を用いた燃料電池のセルを積層した構造体であり、各膜電極構造体はセパレータなどによって分離されながらも積層されている。燃料電池のセルの酸素極側には空気がセパレータに形成された溝などを通過して供給され、燃料電池のセルの水素極側には循環されている液体燃料がセパレータに形成された溝などを介して供給される。各膜電極構造体の両表面には、例えば層構造の触媒部や集電体部が形成され、これら触媒部や集電体部に挟まれてプロトン伝導体膜が形成される。このセルスタック１０では発電中には発電部分の熱を奪って液体燃料もその温度が高くなってしまい、一例としては、セルスタック１０の温度は７０〜８０℃程度になる。

このようなセルスタック１０の液体燃料の流出側には、液体燃料を通すための配管１１が形成されており、この配管１１によってセルスタック１０から流出した液体燃料は混合器１４に送られる。混合器１４は、セルスタック１０から供給される液体燃料に発電時に混入した気体を分離して排気することができる。この混合器１４では、セルスタック１０で消費された燃料を補給することができ、更に水も供給されることから、液体燃料の燃料濃度を調整することも可能である。混合器１４には、メタノールの如き液体燃料を貯めることができる燃料貯蔵部３０がバルブ２８及びポンプ２６を介して接続され、この燃料貯蔵部３０から供給されるメタノール系の液体燃料が発電に用いられる。また、混合器１４には、冷却器ドレイン３８からの水がバルブ３６、フィルター３４、及びポンプ３２を介して供給され、この水が混合器１４でメタノール系の液体燃料と混合される。なお、冷却器ドレイン３８にはセルスタック１０での反応により生成された水分を含んだ気体がバルブ４０を介して供給され、この冷却器ドレイン３８で冷却効果によって液相である水に変換される。冷却器ドレイン３８で余った気体は冷却器ドレイン３８から排出される。

混合器１４では、冷却器ドレイン３８からの水と、燃料貯蔵部３０からの液体燃料と、セルスタック１０から循環してきた液体燃料とが混合されるが、本実施の形態では後述するように冷却器１２で冷却された液体燃料の一部も配管１５を介して流入して混合される。混合器１４の流出側には、配管１３が設けられて冷却器１２に接続される。この配管１３には、フィルター２４とバルブ２２が設けられている。

混合器１４に一端が接続する配管１３の他端には、液体燃料を冷却するための冷却器１２が設けられている。特に、本実施の形態においては、冷却器１２で冷却された液体燃料は、セルスタック１０に対して配管１７を介して供給されるだけではなく、混合器１４にも配管１５を介して戻されるように供給される。このような冷却器１２で冷却された液体燃料の供給によって、混合器１４の温度を下げることができ、無駄な燃料の損失などを未然に防ぐことができる。

セルスタック１０の酸素極側には、ブロア１６、フィルター１８、バルブ２０を介して酸化剤としての空気が導入される。ここでブロア１６によって送り込まれた空気は、その一部の酸素分がＭＥＡの伝導体膜を透過したプロトンと反応し、水を生成する。この水は空気と一緒にセルスタック１０の外部に排出され、前述の冷水器ドレイン３８に到達したところで、気相から液相に変換される。

概ね以上の構成を有する本実施の形態の燃料電池装置は、冷却器１２で冷却された液体燃料は、セルスタック１０に対して供給されるだけではなく、混合器１４にも配管１５を介して戻されるように供給される。従って、混合器１４には冷却器１２で冷却された液体燃料が作動中高温なセルスタック１０を介さずに直接的に冷却されることになり、その温度低減効果は顕著である。なお、冷却器１２と混合器１４の間を接続する配管１５にもバルブなどの調節機構を設けることもできる。

図２は図１の各領域Ａ〜Ｇの温度分布を示しており、セルスタック１０の領域Ａと配管１１の領域Ｂにおいては、従来と特段の変化のない温度分布を示しているが、冷却器１２から直接導かれている配管１５に対応する領域Ｇでは、冷却された液体燃料によって温度が３０℃よりも低い程度の温度となり、その配管１５によって冷却された液体燃料が供給される混合器１４もその温度が低くなる（図２の領域Ｃ）。従って、この混合器１４での排気に燃料が混じって蒸発してしまうような問題を抑制することができ、冷却器１２へ送られる液体燃料中に混在する気泡も低減させることができる。

次に、図３及び図４を参照して他の実施の形態について説明する。図３は第２の実施の形態にかかる燃料電池装置を示す図であり、図４は図１の各領域Ａ〜Ｆについての温度分布を示す棒グラフである。

図３に示すように、本実施の形態も前述の燃料電池装置と同様に、例えばメタノールなどのアルコール系の液体燃料を循環し、生成水を回収しながら該液体燃料の濃度を一定に保って発電をする機構を有している。

まず、循環系を構成する流路には、発電部であるセルスタック５０と、燃料であるメタノールを循環流路に混合する混合器５４と、及び循環する液体燃料を冷却するための冷却器５２とが設けられている。

セルスタック５０は、例えば複数の膜電極構造体（ＭＥＡ）を用いた燃料電池のセルを積層した構造体であり、各膜電極構造体はセパレータなどによって分離されながらも積層されている。燃料電池のセルの酸素極側には空気がセパレータに形成された溝などを通過して供給され、燃料電池のセルの水素極側には循環されている液体燃料がセパレータに形成された溝などを介して供給される。各膜電極構造体の両表面には、例えば層構造の触媒部や集電体部が形成され、これら触媒部や集電体部に挟まれてプロトン伝導体膜が形成される。このセルスタック５０では発電中には発電部分の熱を奪って液体燃料もその温度が高くなってしまい、一例としては、セルスタック５０の温度は７０〜８０℃程度になる。

このようなセルスタック５０の液体燃料の流出側には、液体燃料を通すための配管５１が接続されているが、この配管５１の中途には合流部５３が形成されており、冷却器５２で冷却された液体燃料の一部も配管５５を介して流入し、この合流部５３で混合される。合流部５３で冷却された液体燃料と混合された循環する液体燃料は更に配管５７を介して混合器５４に送られる。

混合器５４は、セルスタック５０から供給される液体燃料に発電時に混入した気体を分離して排気することができる。この混合器５４では、セルスタック５０で消費された燃料を補給することができ、更に水も供給されることから、液体燃料の燃料濃度を調整することも可能である。混合器５４には、メタノールの如き液体燃料を貯めることができる燃料貯蔵部７０がバルブ６８及びポンプ６６を介して接続され、この燃料貯蔵部７０から供給されるメタノール系の液体燃料が発電に用いられる。また、混合器５４には、冷却器ドレイン７８からの水がバルブ７６、フィルター７４、及びポンプ７２を介して供給され、この水が混合器５４でメタノール系の液体燃料と混合される。なお、冷却器ドレイン７８にはセルスタック５０での反応により生成された水分を含んだ気体がバルブ８０を介して供給され、この冷却器ドレイン７８で冷却効果によって液相である水に変換される。冷却器ドレイン７８で余った気体は冷却器ドレイン７８から排出される。

混合器５４では、冷却器ドレイン７８からの水と、燃料貯蔵部７０からの液体燃料と、セルスタック５０から循環してきた液体燃料とが混合される。本実施の形態では後述するように混合器５４の流出側には、配管５９が設けられて冷却器５２に接続される。この配管５９には、フィルター６４とバルブ６２が設けられている。

混合器５４に一端が接続する配管５９の他端には、液体燃料を冷却するための冷却器５２が設けられている。特に、本実施の形態においては、冷却器５２で冷却された液体燃料は、セルスタック５０に対して供給されるだけではなく、合流部５３にも配管５５を介して供給される。このような冷却器５２で冷却された液体燃料の供給によって、合流部５３で液体燃料の温度を下げて更には混合器５４の温度を下げることができ、無駄な燃料の損失などを未然に防ぐことができる。

セルスタック５０の酸素極側には、ブロア５６、フィルター５８、バルブ６０を介して酸化剤としての空気が導入される。ここでブロア５６によって送り込まれた空気は、その一部の酸素分がＭＥＡの伝導体膜を透過したプロトンと反応し、水を生成する。この水は空気と一緒にセルスタック５０の外部に排出され、前述の冷水器ドレイン７８に到達したところで、気相から液相に変換される。

概ね以上の構成を有する本実施の形態の燃料電池装置は、冷却器５２で冷却された液体燃料は、セルスタック５０に対して供給されるだけではなく、合流部５３にも配管５５を介して供給され、一旦合流部５３を冷却した液体燃料が混合器５４にも供給される。従って、混合器５４での温度の低減効果が得られると共に、先の実施の形態に比べて、混合器の構造を従来のまま（図５参照。）とすることができる。なお、冷却器１２と合流部５３の間を接続する配管５５にもバルブなどの調節機構を設けることもできる。

図４は図３の各領域Ａ〜Ｈの温度分布を示しており、セルスタック５０の領域Ａと配管５１の領域Ｂにおいては、従来と特段の変化のない温度分布を示しているが、冷却器５２から直接導かれている配管５５に対応する領域Ｇでは、冷却された液体燃料によって温度が３０℃よりも低い程度の温度となり、その配管５５とセルスタック５０で昇温された液体燃料が混ぜ合わされる合流部５３の領域Ｈやその次の混合器５４もその温度が低くなる（図４の領域Ｃ）。従って、この混合器５４での排気に燃料が混じって蒸発してしまうような問題を抑制することができ、冷却器５２へ送られる液体燃料中に混在する気泡も低減させることができる。

本発明の実施の形態の一例の燃料電池装置の流体フロー図である。図１の燃料電池装置の各領域Ａ〜Ｇの温度分布を示す図である。本発明の実施の形態の他の一例の燃料電池装置の流体フロー図である。図３の燃料電池装置の各領域Ａ〜Ｈの温度分布を示す図である。従来の一例の燃料電池装置の流体フロー図である。図６の燃料電池装置の各領域Ａ〜Ｆの温度分布を示す図である。

符号の説明

１０、５０セルスタック
１１、１３、１５、５１、５５、５７、５９配管
１２、５２冷却器
１４、５４混合器
３０、７０燃料貯蔵部
５３混合部
３８、７８冷却器ドレイン
２６、３２、６６、７２ポンプ
２０、２２、２８、４０、６０、６６、７２、８０バルブ
１６、５６ブロア

Claims

水と混合して用いる液体燃料を循環させて発電を行う燃料電池装置において、
前記液体燃料を循環させる発電部と、
前記液体燃料の循環流路であって前記発電部の燃料流入側に形成され該液体燃料を冷却する冷却器と、
前記発電部の燃料流出側に配置され、前記発電部で前記液体燃料に混入した気体を分離すると共に、前記発電部から流出する前記液体燃料、新たな液体燃料及び水を混合する混合器とを備え、
前記発電部で温度上昇した前記液体燃料が前記冷却器で冷却された前記液体燃料の一部と前記混合器で混合される
燃料電池装置。
水と混合して用いる液体燃料を循環させて発電を行う燃料電池装置において、
前記液体燃料を循環させる発電部と、
前記液体燃料の循環流路であって前記発電部の燃料流入側に形成され該液体燃料を冷却する冷却器と、
前記発電部の燃料流出側に配置され、前記発電部で前記液体燃料に混入した気体を分離すると共に、前記発電部から流出する前記液体燃料、新たな液体燃料及び水を混合する混合器とを備え、
前記発電部で温度上昇した前記液体燃料が前記冷却器で冷却された前記液体燃料の一部と、前記混合器と前記発電部との間の循環流路の一部で混合される
燃料電池装置。
前記液体燃料は前記混合器で濃度が調整される、請求項１または２に記載の燃料電池装置。
水と混合して用いる液体燃料を循環させて発電を行う発電方法において、
冷却器で前記液体燃料を冷却する工程と、
冷却された前記液体燃料を発電を行う発電部に流入させる工程と、
前記発電部で前記液体燃料に混入した気体を分離すると共に、前記発電部から流出する前記液体燃料、新たな液体燃料及び水を混合する工程とを備え、
前記発電部で温度上昇した前記液体燃料と前記冷却器で冷却された前記液体燃料の一部を、前記発電部の燃料流出側に配置され、前記発電部で前記液体燃料に混入した気体を分離すると共に、前記発電部から流出する前記液体燃料、新たな液体燃料及び水を混合する混合器で混合する
発電方法。
水と混合して用いる液体燃料を循環させて発電を行う発電方法において、
冷却器で前記液体燃料を冷却する工程と、
冷却された前記液体燃料を発電を行う発電部に流入させる工程と、
前記発電部で前記液体燃料に混入した気体を分離すると共に、前記発電部から流出する前記液体燃料、新たな液体燃料及び水を混合する工程とを備え、
前記発電部で温度上昇した前記液体燃料と前記冷却器で冷却された前記液体燃料の一部を、前記発電部の燃料流出側に配置され、前記発電部で前記液体燃料に混入した気体を分離すると共に、前記発電部から流出する前記液体燃料、新たな液体燃料及び水を混合する混合器と前記発電部との間の循環流路の一部で混合する
発電方法。