JP4969028B2 - Fuel cell module and fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池に関し、詳しくは燃料電池の運転温度の安定化に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to stabilization of the operating temperature of a fuel cell.
燃料電池は、燃料および酸化剤から電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ない直接発電が挙げられる。このため、燃料電池は、小規模でも高い発電効率が期待できる。また、窒化化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が向上する。このように、燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用でき、環境に優しい特性を持っているので、21世紀を担うエネルギー供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。 A fuel cell is a device that generates electrical energy from fuel and oxidant, and can achieve high power generation efficiency. The main feature of a fuel cell is direct power generation that does not go through the process of thermal energy or kinetic energy as in the conventional power generation method. For this reason, fuel cells can be expected to have high power generation efficiency even on a small scale. In addition, since the emission of nitride compounds and the like is small and noise and vibration are small, environmental performance is improved. In this way, the fuel cell can effectively use the chemical energy of fuel and has environmentally friendly characteristics, so it is expected to be an energy supply system for the 21st century, from space use to automobiles and portable devices. It is attracting attention as a promising new power generation system that can be used in various applications from large-scale power generation to small-scale power generation, and technological development is in full swing toward practical use.
特に近年、燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)が注目を集めている。DMFCは、燃料であるメタノールを改質することなく、アノードへ直接供給し、メタノールと酸素との電気化学反応により電力を得る。メタノールは水素に比べて、単位体積当たりのエネルギーが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器などの電源への利用が期待されている。 In recent years, a direct methanol fuel cell (DMFC) has attracted attention as a form of fuel cell. The DMFC directly supplies methanol to the anode without reforming the fuel, and obtains electric power through an electrochemical reaction between methanol and oxygen. Methanol has higher energy per unit volume than hydrogen, is suitable for storage, and has a low risk of explosion, and is expected to be used as a power source for automobiles and portable devices.
しかしながら、燃料電池は、起動時などに燃料電池の温度が低下していると、発電効率が低下するという問題を抱えている。この問題に対して、燃料あるいは酸化剤の供給系に昇温手段を設けるなどの対策がとられてきた(特許文献1参照)。
ところが、従来の燃料電池では、昇温手段を供給系に設けるため、全体のシステムが大型化するという問題があった。また、昇温手段としてヒータなどを用いると発電した電力が消費されるため、燃料電池全体の発電効率が低下するという問題が生じる。 However, in the conventional fuel cell, since the temperature raising means is provided in the supply system, there is a problem that the whole system is enlarged. Further, when a heater or the like is used as the temperature raising means, the generated electric power is consumed, which causes a problem that the power generation efficiency of the entire fuel cell is lowered.
さらに、燃料電池の温度が上昇しすぎると、電解質膜を用いる形態の燃料電池では、電解質膜の乾燥が進むことにより、発電効率の低下や燃料電池の耐久性の低下を招く恐れがあった。 Furthermore, if the temperature of the fuel cell rises too much, in the fuel cell using the electrolyte membrane, drying of the electrolyte membrane may cause a decrease in power generation efficiency and a decrease in durability of the fuel cell.
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、運転中の燃料電池の温度の安定性を向上させる技術の提供にある。また、本発明の他の目的は、燃料電池の起動時間の短縮を図ることにある。 The present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to provide a technique for improving the temperature stability of a fuel cell during operation. Another object of the present invention is to shorten the startup time of the fuel cell.
また、本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤とを反応させて電力を発生させる燃料電池モジュールを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池モジュールが、電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードが接合された複数の膜電極接合体が平面上に配列された平面モジュールと、前記複数の膜電極接合体のアノードに燃料を供給する燃料流路を含む燃料流路プレートと、前記複数の膜電極接合体のカソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を含む酸化剤流路プレートと、前記燃料の一部が供給される燃焼流路と、前記燃焼流路に形成されて前記燃料と燃焼反応する燃料触媒とを備え、前記燃料流路プレートまたは/および前記酸化剤流路プレートを熱伝導により加熱できる位置に設けられた発熱部とを有し、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記発熱部に前記燃料の一部を供給する燃焼剤供給手段と、前記発熱部からの熱伝導により加熱される位置に設けられ、反応前の前記燃料または/および前記酸化剤が流通する熱交換流路とを備え、前記発熱部によって反応前の前記燃料または/および前記酸化剤が予熱されることを特徴とする。 The fuel cell system of the present invention is a fuel cell system including a fuel cell module that generates electric power by reacting a fuel and an oxidant, and the fuel cell module is an anode on one surface of an electrolyte membrane. A fuel flow path plate including a planar module in which a plurality of membrane electrode assemblies having cathodes bonded to the other surface are arranged on a plane, and a fuel channel for supplying fuel to the anodes of the plurality of membrane electrode assemblies An oxidant flow path plate including an oxidant flow path for supplying an oxidant to the cathodes of the plurality of membrane electrode assemblies , a combustion flow path for supplying a part of the fuel, and a combustion flow path has been a fuel catalyst for combustion reaction with the fuel, and a heat-generating portion provided with the fuel passage plate and / or the oxidant flow channel plate in position can be heated by thermal conduction, the fuel flow path A fuel supply means for supplying fuel, and oxidant supply means for supplying an oxidizing agent to the oxidizing agent passage, a combustion agent supply means for supplying a portion of the fuel to the heating unit, the heat from the heating unit A heat exchange channel through which the fuel and / or the oxidant before the reaction flows, and the fuel or / and the oxidant before the reaction are preheated by the heating unit. characterized in that that.
上記燃料電池システムの構成によれば、燃料の一部が燃焼したときに発生する熱により、平面モジュール、燃料流路および酸化剤流路を加熱することができる。これにより、燃料電池の起動時間を短縮し、運転時の燃料電池の温度を安定化させることができる。
また、燃料または/および酸化剤が反応するまでに、燃料または/および酸化剤の温度を前もって上昇させることができるので、発電効率をより向上させることができる。
さらに、発熱部は、燃料と燃焼反応する燃焼触媒を備えているので、効率的に燃料を燃焼させることができるので、燃料電池の加温を速やかに行うことができる。
According to the configuration of the fuel cell system, the flat module, the fuel flow path, and the oxidant flow path can be heated by the heat generated when part of the fuel is burned. Thereby, the starting time of the fuel cell can be shortened, and the temperature of the fuel cell during operation can be stabilized.
In addition, since the temperature of the fuel or / and the oxidant can be increased in advance before the fuel or / and the oxidant reacts, the power generation efficiency can be further improved.
Furthermore, since the heat generating portion includes a combustion catalyst that undergoes a combustion reaction with the fuel, the fuel can be burned efficiently, so that the fuel cell can be heated quickly.
上記燃料電池システムの構成において、燃焼剤供給手段は、燃料流路プレートから排出
された未反応の燃料を発熱部に供給する。これにより、燃料を無駄なく消費することができるので、燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。
In the configuration of the fuel cell system, a combustion agent supply means for supplying the unreacted fuel discharged from the fuel flow path plate to the heat generating portion. Thereby, since fuel can be consumed without waste, the energy efficiency of a fuel cell can be improved.
上記燃料電池システムの構成において、燃料がメタノール溶液であってもよい。これによれば、発電効率に優れるとともに、起動時間が短く、運転中の温度維持が可能なDMFCシステムが提供される。これによれば、発電効率に優れるとともに、起動時間が短く、運転中の温度維持が可能なDMFCモジュールが提供される。 In the configuration of the fuel cell system, the fuel may be a methanol solution. This provides a DMFC system that is excellent in power generation efficiency, has a short start-up time, and can maintain temperature during operation. According to this, a DMFC module that is excellent in power generation efficiency, has a short start-up time, and can maintain temperature during operation is provided.
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。 A combination of the above-described elements as appropriate can also be included in the scope of the invention for which patent protection is sought by this patent application.
本発明の装置によれば、運転中の燃料電池の温度を安定化させることができる。 According to the apparatus of the present invention, the temperature of the operating fuel cell can be stabilized.
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る燃料電池システム10の全体構成を示す。燃料電池システム10は、燃料電池モジュール20、燃料格納部30、燃料供給ポンプ32、酸化剤供給ポンプ34およびタンク300を備える。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows an overall configuration of a
燃料格納部30は、たとえば8mol/Lのメタノール溶液を貯蔵する容器である。燃料格納部30は配管102により燃料供給ポンプ32に接続されている。燃料供給ポンプ32は、配管104を経由して、適量のメタノール溶液を燃料電池モジュール20に供給する。
The
一方、酸化剤供給ポンプ34は、外部から酸化剤として空気を取り込み、配管106を経由して、取り込んだ空気を燃料電池モジュール20に供給する。
On the other hand, the
燃料電池モジュール20は、供給されたメタノール溶液および空気を用いて電気化学反応により電力を発生する。反応後のメタノール溶液および空気は、それぞれ配管108、配管110を経由してタンク300に貯留され、空気中に含まれる水分が回収される。タンク300は、内容物を外気へ排出するための排出口302を有する。
The
図2は、燃料電池モジュール20の分解斜視図である。燃料電池モジュール20は、複数の膜電極接合体40を含む平面モジュール50、燃料流路プレート60、酸化剤流路プレート70、バイポーラプレート80、セパレート用板90、および熱交換プレート100を含む。
FIG. 2 is an exploded perspective view of the
図3は、膜電極接合体40の断面図を示す。膜電極接合体40は、高分子電解質膜42をアノード44およびカソード46で狭持した構造を備える。高分子電解質膜42の一方の面にアノード44とが当接し、および高分子電解質膜42の他方の面にカソード46が当接する。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the
高分子電解質膜42は、一般的にフッ素化アルキレンより構成された主鎖と末端にスルホン酸基を有するフッ素化ビニルエーテルより構成された側鎖を有するスルホネート高フッ化ポリマー(たとえば、Nafion(登録商標))で形成される。
The
アノード44は、白金、ルテニウム、白金とルテニウムの合金などの触媒金属を高分散担持した導線性カーボンブラック粒子、撥水剤および結着材としてのフッ素ポリマー粒子を含み、必要に応じてNafionなどの高分子電解質膜を含む。
The
カソード46は、白金または白金とバナジウム、クロム、鉄、ニッケルなどの金属との合金などの触媒金属を高分散担持した導線性カーボンブラック粒子、撥水剤および結着材としてのフッ素ポリマー粒子を含み、必要に応じてNafionなどの高分子電解質膜を含む。
The
図2に戻り、平面モジュール50は、平板状の保持プレート52および複数の膜電極接合体40を含む。保持プレート52には、複数の貫通口が縦横に配列されて設けられている。保持プレート52に設けられた各貫通口には、膜電極接合体40がはめ込まれている。
Returning to FIG. 2, the
保持プレート52の材料は、絶縁性、耐熱性、およびガス遮断性を特性として有していれば任意の材料を用いることができるが、アクリル樹脂が例示される。
Any material can be used as the material of the
図4は、平面モジュール50の部分断面図である。平面モジュール50が有する複数の膜電極接合体40は、電気的に直列に接続される。図4は、膜電極接合体40aと膜電極接合体40bを接続する構成の一例を示す。膜電極接合体40aのアノード44aには、導電体として銅線200が接続されている。また、膜電極接合体40bのカソード46bには、導電体として銅線202が接続されている。膜電極接合体40aと膜電極接合体40bの間の保持プレート52には、貫通ビア204が形成され、貫通ビア204に銅206が埋め込まれている。銅線200および銅線202の一端は、銅206に接続されている。これにより、膜電極接合体40aと膜電極接合体40bは、電気的に直列に接続される。同様に、膜電極接合体40aは、カソード46aと接続する銅線210により他の膜電極接合体と電気的に直列に接続され、膜電極接合体40bは、アノード44bと接続する銅線212によりさらに他の膜電極接合体と電気的に直列に接続される。このように、複数の膜電極接合体40を電気的に直列に順次接続することにより、各膜電極接合体40で発生する電圧に膜電極接合体40の数を乗算した電圧を取り出すことができる。
FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the
図2に戻り、燃料流路プレート60は、配管112(図1参照)と接続する燃料入口62、燃料が流通する燃料用流路64、および配管114(図1参照)と接続する燃料出口66を有する。燃料用流路64は、燃料入口62から流入する燃料が各膜電極接合体40のアノード側の面に供給されるように、複数の経路に分岐している。燃料用流路64の複数の経路は、合流した後、燃料出口66と連通する。
Returning to FIG. 2, the fuel
また、酸化剤流路プレート70は、配管116(図1参照)と接続する酸化剤入口72、酸化剤が流通する酸化剤用流路74、および配管110(図1参照)と接続する酸化剤出口76を有する。酸化剤用流路74は、酸化剤入口72から流入する空気が各膜電極接合体40のカソード側の面に供給されるように、複数の経路に分岐している。酸化剤用流路74の複数の経路は、合流した後、酸化剤出口76と連通する。
The oxidant
バイポーラプレート80は、図5(a)に示すように、燃料流路プレート60の側の面に、配管114(図1参照)と接続する燃焼剤入口82、未反応のメタノール溶液が流通する燃焼流路83、および配管108(図1参照)と接続する燃焼剤出口84を有する。燃焼流路83は、燃焼剤入口82から流入する未反応のメタノールが燃焼したときに、各膜電極接合体40を均等に加熱できるように、複数の経路に分岐している。燃焼流路83の複数の経路は、合流した後、燃焼剤出口84と連通する。なお、燃焼流路83には、メタノールと燃焼反応を起こす燃焼触媒が塗布あるいは導入される。この燃焼触媒としては、メタノール酸化反応活性が高い材料であればよく、一例としては、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウムなどの白金族元素や銅−亜鉛系酸化物触媒などがある。また、触媒粒子の形態は、触媒単独で触媒粒子を構成してもよいが、ファーネスブラックやアセチレンブラックなどのカーボンブラックや、アルミナ、ジルコニア、チタニアなどのセラミクスに触媒を担持させた担持触媒でもよい。
As shown in FIG. 5A, the
また、バイポーラプレート80は、図5(b)に示すように、他方の面に、配管104(図1参照)と接続する予熱流路入口85、反応前のメタノール溶液が流通する予熱流路86、および配管112(図1参照)と接続する予熱流路出口87を有する。予熱流路86は、予熱流路入口85から流入するメタノール溶液が、燃焼流路83内でのメタノールの燃焼により効率的に予熱されるように、複数の経路に分岐している。予熱流路86の複数の経路は、合流した後、予熱流路出口87と連通する。
In addition, as shown in FIG. 5B, the
バイポーラプレート80は、平面モジュール50、燃料流路プレート60および酸化剤流路プレート70を熱伝導により加熱できる程度に、燃料流路プレート60の近傍に設けられることが望ましい。たとえば、バイポーラプレート80は、平面モジュール50と反対側の燃料流路プレート60の主面に当接させることが好適である。
The
なお、バイポーラプレート80は、発熱部としての燃焼流路83と熱交換部としての予熱流路86を兼ね備える。これにより、燃焼流路83と予熱流路86との間の熱交換を効率的に行うことができる。なお、バイポーラプレート80を用いることに代えて、燃焼流路83と予熱流路86とを別部材に形成し、両部材を当接させてもよい。
The
熱交換プレート100は、配管106(図1参照)と接続する予熱流路入口101、反応前の空気が流通する予熱流路103、および配管116(図1参照)と接続する予熱流路出口105を有する。予熱流路103は、予熱流路入口101から流入する空気が、燃焼流路83内でのメタノールの燃焼により効率的に予熱されるように、複数の経路に分岐している。予熱流路103の複数の経路は、合流した後、予熱流路出口105と連通する。
The
バイポーラプレート80と熱交換プレート100との間に、セパレート用板90が設けられ、セパレート用板90により予熱流路86および予熱流路103がそれぞれ閉塞されている。
A
熱交換プレート100は、熱伝導により加熱されるように、燃焼流路83の近傍に設けられることが望ましい。たとえば、熱交換プレート100は、平面モジュール50と反対側のバイポーラプレート80の面にセパレート用板90を介して当接させることが好適である。なお、バイポーラプレート80のみで予熱流路86が閉塞されるか、熱交換プレート100のみで予熱流路103が閉塞される場合には、セパレート用板90は不要である。
The
(燃料電池システムの動作)
以上のように構成された燃料電池システム10の動作について説明する。まず、燃料格納部30から燃料電池モジュール20にメタノール溶液が供給される。供給されたメタノール溶液は、予熱流路86を通ることによって予熱される。
(Operation of fuel cell system)
The operation of the
一方、酸化剤供給ポンプ34から供給される空気は、予熱流路103を通ることによって予熱される。
On the other hand, the air supplied from the
予熱されたメタノール溶液および空気は、燃料用流路64、酸化剤用流路74をそれぞれ流通する。各膜電極接合体40において、予熱されたメタノール溶液および空気が電気化学反応を起こすことにより、電力が生じる。
The preheated methanol solution and air flow through the
反応後の空気は、タンク300に貯留される。未反応のメタノール溶液は、燃焼流路83を流通する間に触媒作用により燃焼する。燃焼流路83において、未反応のメタノール溶液が燃焼することにより、予熱流路103を通る空気、予熱流路86を通る反応前のメタノール溶液、および各膜電極接合体40が熱伝導により加熱される。
The air after the reaction is stored in the
このように、未反応のメタノール溶液を燃焼させて、反応前のメタノール溶液および空気を予熱するとともに、各膜電極接合体40を均等に加熱することにより、平面モジュール50の面内に熱勾配が発生することが抑制され、平面モジュール50の局所的な出力低下および耐久性低下が抑制されるとともに、平面モジュール50の発電機能が低下が抑制される。また、ヒータのように電力を消費しないため、燃料電池の発電効率を損なうことがない。また、未反応のメタノール溶液を燃焼させることにより、燃料を無駄なく消費することができる。
In this way, the unreacted methanol solution is burned to preheat the methanol solution and air before the reaction, and each
(参考形態2)
図6は、本発明の参考形態2に係る燃料電池システム12の全体構成を示す。本参考形
態では、実施形態1と同様な構成については、同一の符号を付して、説明を適宜省略する。
( Reference form 2)
FIG. 6 shows the overall configuration of the
燃料電池システム12は、燃料電池モジュール20、燃料格納部500、高濃度燃料用ポンプ502、高濃度燃料用ポンプ504、空気用ポンプ506、タンク508、燃料供給ポンプ32、酸化剤供給ポンプ34を備える。
The
燃料格納部500は、たとえば22mol/Lの高濃度のメタノール溶液を貯蔵する容器であ
る。燃料格納部500は配管600、配管602により高濃度燃料用ポンプ502、高濃度燃料用ポンプ504に接続されている。
The
高濃度燃料用ポンプ502は、配管604を経由して、燃料電池モジュール20に高濃度のメタノール溶液を供給する。空気用ポンプ506は、外部から空気を取り込み、取り込んだ空気を配管606に供給する。配管606は、燃料電池モジュール20の上流で、合流点605において配管604と合流する。高濃度燃料用ポンプ502および空気用ポンプ506は、コントローラ(図示せず)によりオンオフ制御が可能である。膜電極接合体40、燃料用流路64、酸化剤用流路74のうち少なくとも一つに温度センサを設けることにより、温度センサからの温度情報に基づいて、高濃度燃料用ポンプ502および空気用ポンプ506のオンオフにより燃焼流路83内の温度管理を行うことが望ましい。
The high
一方、高濃度燃料用ポンプ504は、配管608を介して、高濃度メタノール溶液をタンク508に供給する。
On the other hand, the high-
タンク508は、燃料出口66、酸化剤出口76、および燃焼剤出口84と、配管614、配管616、配管618を介してそれぞれ接続している。これにより、タンク508に、電気化学反応後のメタノール溶液および空気、ならびに燃焼流路83で燃焼反応したメタノール溶液を回収することができる。また、タンク508内において、高濃度燃料用ポンプ504から供給された高濃度メタノール溶液と、回収した空気に含まれる水とが混合され、メタノール溶液の濃度が、たとえば0.5mol/Lに希釈される。
The
タンク508は、配管610により燃料供給ポンプ32に接続されている。燃料供給ポンプ32は、配管104を経由して、適量のメタノール溶液を燃料電池モジュール20に供給する。タンク508は、内容物を外気へ排出するための排出口509を有する。
The
(燃料電池システムの動作)
以上のように構成された燃料電池システム12の動作について説明する。まず、燃料格納部500に貯蔵された高濃度のメタノール溶液がタンク508内で希釈された後、燃料電池モジュール20に供給される。供給されたメタノール溶液は、予熱流路86を通ることによって予熱される。
(Operation of fuel cell system)
The operation of the
一方、酸化剤供給ポンプ34から供給される空気は、予熱流路103を通ることによって予熱される。
On the other hand, the air supplied from the
予熱されたメタノール溶液および空気は、燃料用流路64、酸化剤用流路74をそれぞれ流通する。各膜電極接合体40において、予熱されたメタノール溶液および空気が電気化学反応を起こすことにより、電力が生じる。
The preheated methanol solution and air flow through the
反応後のメタノール溶液および空気は、タンク508に貯留される。
The methanol solution and air after the reaction are stored in the
これとは別に、燃料格納部500に貯蔵された高濃度のメタノール溶液は、燃焼流路83に供給される。高濃度のメタノール溶液は燃焼流路83を流通する間に触媒作用により燃焼する。燃焼流路83において、高濃度のメタノール溶液が燃焼することにより、予熱流路103を通る空気、予熱流路86を通る反応前のメタノール溶液、および各膜電極接合体40が熱伝導により加熱される。高濃度のメタノール溶液を燃焼流路83内で燃焼させることにより、メタノールの燃焼反応を促進させることができ、発熱量を増大させることができる。これにより、反応前の空気およびメタノール溶液、ならびに各膜電極接合体40の加熱をより効率的に行うことができる。
Separately from this, the high-concentration methanol solution stored in the
また、空気用ポンプ506で供給する空気の量および高濃度燃料用ポンプ502で供給する高濃度燃料の量を膜電極接合体40等の温度に応じて変化させることにより、膜電極接合体40等の温度管理をより確実に行うことができる。たとえば、膜電極接合体40等の温度が約50℃となるまでは、空気用ポンプ506および高濃度燃料用ポンプ502をオンにして、空気および高濃度燃料を燃焼流路83へ供給する。膜電極接合体40等の温度が約50℃を超えた場合には、空気用ポンプ506および高濃度燃料用ポンプ502をオフにして、燃焼流路83への空気および高濃度燃料の供給を停止する。
Further, by changing the amount of air supplied by the
以上のように、メタノール溶液および空気を予熱するとともに、各膜電極接合体40を均等に加熱することにより、平面モジュール50の面内に熱勾配が発生することが抑制され、平面モジュール50の局所的な出力低下および耐久性低下が抑制されるとともに、平面モジュール50の発電機能が低下が抑制される。また、ヒータのように電力を消費しないため、燃料電池の発電効率を損なうことがない。
As described above, by preheating the methanol solution and air and heating each
(参考形態3)
図7は、本発明の参考形態3に係る燃料電池システム14の全体構成を示す。本参考形
態では、参考形態2と同様な構成については、同一の符号を付して、説明を適宜省略する。
( Reference form 3)
FIG. 7 shows the overall configuration of the
燃料電池システム14は、燃料電池モジュール20、燃料格納部500、高濃度燃料用ポンプ504、タンク508、燃料供給ポンプ32、酸化剤供給ポンプ34、流量制御部700、流量制御部702を備える。
The
燃料格納部500は、たとえば22mol/Lの高濃度のメタノール溶液を貯蔵する容器である。燃料格納部500は配管602により高濃度燃料用ポンプ504に接続されている。
The
高濃度燃料用ポンプ504は、配管608を介して、高濃度メタノール溶液をタンク508に供給する。
The high
配管608は、タンク508の上流で分岐し、分岐点607において配管608から配管800が枝分かれする。配管800の端部には、バルブまたは/およびオリフィスで構成される流量制御部700が設けられる。配管800を流通する高濃度メタノール溶液は、流量制御部700により流量が調節された後、配管802を介して、燃料電池モジュール20の燃焼流路83に供給される。
The
タンク508は、燃料出口66、酸化剤出口76、および燃焼剤出口84と、配管614、配管616、配管618を介してそれぞれ接続している。これにより、タンク508に、電気化学反応後のメタノール溶液および空気、ならびに燃焼流路83で燃焼反応したメタノール溶液を回収することができる。また、タンク508内において、高濃度燃料用ポンプ504から供給された高濃度メタノール溶液と、回収した空気に含まれる水とが混合され、メタノール溶液の濃度が0.5mol/Lに希釈される。
The
タンク508は、配管610により燃料供給ポンプ32に接続されている。燃料供給ポンプ32は、配管104を経由して、適量のメタノール溶液を燃料電池モジュール20に供給する。タンク508は、内容物を外気へ排出するための排出口509を有する。
The
酸化剤供給ポンプ34は、外部から酸化剤として空気を取り込み、配管106を経由して、取り込んだ空気を燃料電池モジュール20に供給する。配管106は、燃料電池モジュール20の下流で分岐し、分岐点803において配管106から配管804が枝分かれする。配管804の端部には、バルブまたは/およびオリフィスで構成される流量制御部702が設けられる。配管804を流通する空気は、流量制御部702により流量が調節された後、配管806を介して、合流点807において配管802に供給される。
The
流量制御部700および流量制御部702は、コントローラ(図示せず)によりオンオフ制御が可能である。膜電極接合体40、燃料用流路64、酸化剤用流路74のうち少なくとも一つに温度センサを設けることにより、温度センサからの温度情報に基づいて、流量制御部700および流量制御部702の流量制御により燃焼流路83内の温度管理を行うことが望ましい。
The
(燃料電池システムの動作)
以上のように構成された燃料電池システム14の動作について説明する。まず、燃料格納部500に貯蔵された高濃度のメタノール溶液がタンク508内で希釈された後、燃料電池モジュール20に供給される。供給されたメタノール溶液は、予熱流路86を通ることによって予熱される。
(Operation of fuel cell system)
The operation of the
一方、酸化剤供給ポンプ34から供給される空気は、予熱流路103を通ることによって予熱される。
On the other hand, the air supplied from the
予熱されたメタノール溶液および空気は、燃料用流路64、酸化剤用流路74をそれぞれ流通する。各膜電極接合体40において、予熱されたメタノール溶液および空気が電気化学反応を起こすことにより、電力が生じる。
The preheated methanol solution and air flow through the
反応後のメタノール溶液および空気は、タンク508に貯留される。
The methanol solution and air after the reaction are stored in the
これとは別に、燃料格納部500に貯蔵された高濃度のメタノール溶液は、流量制御部700により流量が調節された後、燃焼流路83に供給される。高濃度のメタノール溶液は燃焼流路83を流通する間に触媒作用により燃焼する。燃焼流路83において、高濃度のメタノール溶液が燃焼することにより、予熱流路103を通る空気、予熱流路86を通る反応前のメタノール溶液、および各膜電極接合体40が熱伝導により加熱される。高濃度のメタノール溶液を燃焼流路83内で燃焼させることにより、メタノールの燃焼反応を促進させることができ、発熱量を増大させることができる。これにより、反応前の空気およびメタノール溶液、ならびに各膜電極接合体40の加熱をより効率的に行うことができる。また、流量制御部702による酸化剤の流量と、流量制御部700による高濃度燃料の流量を膜電極接合体40等の温度に応じて変化させることにより、膜電極接合体40等の温度管理をより確実に行うことができる。
Separately, the high-concentration methanol solution stored in the
このように、メタノール溶液および空気を予熱するとともに、各膜電極接合体40を均等に加熱することにより、平面モジュール50の面内に熱勾配が発生することが抑制され、平面モジュール50の局所的な出力低下および耐久性低下が抑制されるとともに、平面モジュール50の発電機能が低下が抑制される。また、ヒータのように電力を消費しないため、燃料電池の発電効率を損なうことがない。
In this way, by preheating the methanol solution and air and heating each
さらに、本参考形態では、参考形態2を構成する燃料供給ポンプ32、酸化剤供給ポン
プ34を用いずに、高濃度メタノールおよび空気を燃焼流路83できるため、構成を簡便
化することができる。また、流量制御部700、流量制御部702により、高濃度メタノール溶液、空気の流量をそれぞれ調節することにより、負荷変動により平面モジュール5
0の発熱量が変動した場合に、平面モジュール50の温度を一定に保つことができる。
Furthermore, in this preferred embodiment, the
When the heat generation amount of 0 fluctuates, the temperature of the
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The form can also be included in the scope of the present invention.
たとえば、上記実施形態においては、燃料流路プレート60にバイポーラプレート80を当接させているが、酸化剤流路プレート70にバイポーラプレート80を当接させてもよく、バイポーラプレート80を2組にし、燃料流路プレート60および酸化剤流路プレート70にそれぞれバイポーラプレート80を当接させてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the
また、上記実施形態においては、燃料としてメタノール溶液を用いているが、燃料はこれに限定されず、たとえば、水素を用いてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the methanol solution is used as a fuel, a fuel is not limited to this, For example, you may use hydrogen.
また、上記実施形態の平面モジュール50は、平板状の保持プレート52および複数の膜電極接合体40を含む構成であるが、平面モジュールの構成はこれに限られない。たとえば、図8に示すように、1枚の高分子電解質膜900の一方の面に複数のアノード910を配列し、高分子電解質膜900の他方の面に複数のカソード920を上記複数のアノード910に対になるように配列した構成も平面モジュールに適用できる。これにより、高分子電解質膜900を挟んでアノード910とカソード920とが複数箇所で対となることで複数のMEA940が形成される。このような構成であっても、高分子電解質膜900の膜面方向のイオン伝導性は、膜厚方向のイオン伝導性に比べて極めて小さいため、各MEAの絶縁が保たれる。各MEA940は、アノード910が隣接するMEA940のカソード920に導線930により接続され、カソード920が隣接するMEA940のアノード910に導線930により接続されることにより、直列接続される。
Moreover, although the
10 燃料電池システム、20 燃料電池モジュール、30 燃料格納部、32 燃料供給ポンプ、34 酸化剤供給ポンプ、40 膜電極接合体、42 高分子電解質膜、44 アノード、46 カソード、50 平面モジュール、52 保持プレート、60 燃料流路プレート、70 酸化剤流路プレート、80 バイポーラプレート、90 セパレート用板、100 熱交換プレート。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
ステムであって、
前記燃料電池モジュールが、電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードが接
合された複数の膜電極接合体が平面上に配列された平面モジュールと、
前記複数の膜電極接合体のアノードに燃料を供給する燃料流路を含む燃料流路プレート
と、
前記複数の膜電極接合体のカソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を含む酸化剤流路プ
レートと、
前記燃料の一部が供給される燃焼流路と、前記燃焼流路に形成されて前記燃料と燃焼反
応する燃料触媒とを備え、前記燃料流路プレートまたは/および前記酸化剤流路プレート
を熱伝導により加熱できる位置に設けられた発熱部とを有し、
前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記発熱部に前記燃料の一部を供給する燃焼剤供給手段と、
前記発熱部からの熱伝導により加熱される位置に設けられ、反応前の前記燃料または/および前記酸化剤が流通する熱交換流路とを備え、
前記燃焼剤供給手段は、前記燃料流路プレートから排出された未反応の燃料を前記発熱
部に供給し、前記発熱部によって反応前の前記燃料または/および前記酸化剤が予熱されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system including a fuel cell module that generates electric power by reacting a fuel and an oxidant,
The fuel cell module is a planar module in which a plurality of membrane electrode assemblies in which an anode is joined to one surface of an electrolyte membrane and a cathode is joined to the other surface are arranged on a plane;
A fuel flow path plate including a fuel flow path for supplying fuel to the anodes of the plurality of membrane electrode assemblies;
An oxidant flow path plate including an oxidant flow path for supplying an oxidant to the cathodes of the plurality of membrane electrode assemblies;
A combustion flow path to which a part of the fuel is supplied; and a fuel catalyst that is formed in the combustion flow path and that undergoes a combustion reaction with the fuel, and heats the fuel flow path plate and / or the oxidant flow path plate. A heating part provided at a position where it can be heated by conduction,
Fuel supply means for supplying fuel to the fuel flow path;
An oxidant supply means for supplying an oxidant to the oxidant flow path;
A combustor supply means for supplying a part of the fuel to the heat generating portion;
A heat exchange channel provided at a position to be heated by heat conduction from the heat generating part, and through which the fuel or / and the oxidant before the reaction flows,
The combustion agent supply means generates unheated fuel discharged from the fuel flow path plate and generates heat.
And the fuel or / and the oxidant before the reaction are preheated by the heat generating part.
する請求項1に記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the heat generating portion is provided at a position in contact with a main surface of the fuel flow path plate.
成されたバイポーラプレートを備えることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a bipolar plate in which the heat generating portion is formed on a surface on the fuel flow path plate side and the heat exchange flow path is formed on the other surface. 4.
記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 , wherein the fuel is a methanol solution.
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