JP5103754B2 - Fuel cell device - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device.

近年、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として燃料電池が注目されるようになり、燃料電池自動車や電化住宅などに幅広く実用化されてきている。また、急速に小型化の研究、開発が進められている携帯電話機やノート型パーソナルコンピュータなどといった携帯型電子機器においても、燃料電池による電源の実用化が検討されている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as clean power sources with high energy conversion efficiency, and have been widely put into practical use in fuel cell automobiles and electrified houses. Also, in portable electronic devices such as mobile phones and notebook personal computers, which are rapidly researched and developed for miniaturization, practical application of a power source using a fuel cell is being studied.

燃料電池は燃料極と酸素極との間に電解質膜を挟んだものであり、燃料極に燃料を供給し、酸素極に酸素ガスを供給すると、燃料極で電子が取り出されて電気化学反応が起こり、酸素極に電子が受けとられて電気化学反応が起こり、イオンが電解質膜を透過する（例えば、特許文献１参照。）。電解質膜が固体酸化物電解質膜の場合には、酸素イオンが酸素極から燃料極へ電解質膜を透過するので、燃料極において水が生成される。
特開２００３−２６３９９６号公報 A fuel cell has an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode. When fuel is supplied to the fuel electrode and oxygen gas is supplied to the oxygen electrode, electrons are extracted from the fuel electrode and an electrochemical reaction occurs. As a result, electrons are received by the oxygen electrode, an electrochemical reaction occurs, and ions pass through the electrolyte membrane (see, for example, Patent Document 1). When the electrolyte membrane is a solid oxide electrolyte membrane, oxygen ions permeate through the electrolyte membrane from the oxygen electrode to the fuel electrode, so that water is generated at the fuel electrode.
JP 2003-263996 A

ところで、例えば、固体酸化物型のような燃料電池は、効率的に発電するために高温で動作している。このため発電の際に生成された水は気体の状態であり、その水蒸気が燃料電池の外部に排出されなければならない。しかしながら、燃料極では、水の他に発電に利用されなかった未反応の燃料が残っており、この燃料が気体の状態で水蒸気と混合されていると、水蒸気と燃料を分離して回収することが困難であった。   By the way, for example, a fuel cell such as a solid oxide type operates at a high temperature in order to efficiently generate power. For this reason, the water produced at the time of power generation is in a gaseous state, and the water vapor must be discharged outside the fuel cell. However, at the fuel electrode, there remains unreacted fuel that was not used for power generation in addition to water. If this fuel is mixed with water vapor in a gaseous state, the water vapor and the fuel are separated and recovered. It was difficult.

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池に供給される燃料と非燃料部材を効率的に分離することができる燃料電池装置を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a fuel cell device capable of efficiently separating the fuel supplied to the fuel cell and the non-fuel member. .

以上の課題を解決するために、本発明においては、燃料電池装置であって、
ケースと、
前記ケースの内部に配置され、前記ケース内部を第一の内部空間と第三の内部空間とに仕切る膜電極接合体と、
前記ケースの内部に配置され、前記ケース内部を第二の内部空間と第三の内部空間とに仕切る燃料透過膜と、
前記ケース及び前記ケースの内部を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記膜電極接合体は、燃料極及び酸素極、前記燃料極及び前記酸素極との間に設けられている電解質膜で構成され、
前記第一の内部空間は、前記酸素極に接し、空気供給口及び空気排出口に連通し、
前記第二の内部空間は、燃料を供給する燃料供給口と燃料を排出する燃料排出口とに連通し、
前記第三の内部空間は、前記燃料極に接し、水蒸気を含む非燃料部材を排出する非燃料部材排出口に連通し、
前記燃料透過膜は、前記燃料を透過し、前記燃料と異なる前記非燃料部材を透過しないことにより、
前記非燃料部材と前記燃料とを分離して前記非燃料部材排出口から前記非燃料部材が回収されることを特徴とする。
燃料としては、水素や、メタノール等の炭化水素材料が好ましく、非燃料部材としては、水、水蒸気が好ましい。 In order to solve the above problems, in the present invention, a fuel cell device,
Case and
A membrane electrode assembly that is arranged inside the case and partitions the inside of the case into a first internal space and a third internal space;
A fuel permeable membrane that is disposed inside the case and partitions the inside of the case into a second internal space and a third internal space;
Heating means for heating the case and the inside of the case;
With
The membrane electrode assembly is composed of a fuel electrode and an oxygen electrode, an electrolyte membrane provided between the fuel electrode and the oxygen electrode,
The first internal space is in contact with the oxygen electrode and communicates with an air supply port and an air discharge port,
The second internal space communicates with a fuel supply port for supplying fuel and a fuel discharge port for discharging fuel,
The third internal space is in contact with the fuel electrode and communicates with a non-fuel member discharge port for discharging a non-fuel member containing water vapor .
The fuel permeable membrane permeates the fuel and does not permeate the non-fuel member different from the fuel .
The non-fuel member and the fuel are separated, and the non-fuel member is recovered from the non-fuel member discharge port .
The fuel is preferably a hydrocarbon material such as hydrogen or methanol, and the non-fuel member is preferably water or water vapor.

上記発明において、好ましくは、前記非燃料部材は、前記膜電極接合体で生成される副生成物である。   In the above invention, preferably, the non-fuel member is a by-product generated in the membrane electrode assembly.

また、好ましくは、前記電解質膜が固体酸化物電解質膜である。   Preferably, the electrolyte membrane is a solid oxide electrolyte membrane.

また、好ましくは、前記燃料透過膜と前記燃料極との間において、前記燃料及び前記非燃料部材は、ともに気体である。   Preferably, the fuel and the non-fuel member are both gas between the fuel permeable membrane and the fuel electrode.

本発明によれば、燃料透過膜によって選択的に燃料と非燃料部材を容易に分離できる。   According to the present invention, the fuel and the non-fuel member can be easily separated selectively by the fuel permeable membrane.

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態および図示例に限定するものではない。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the embodiments described below are provided with various technically preferable limitations for carrying out the present invention, but the scope of the invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.

図１は、固体酸化物型の燃料電池装置１の概略断面図である。この燃料電池装置１は、有底管状の酸素取り込み部７、管状の水蒸気発生部１１及び有底管状の燃料取り込み部１６からなるケースと、そのケース内に設けられている膜電極接合体２と、水素透過膜１４とを備える。膜電極接合体２は、燃料極膜３、固体酸化物電解質膜４及び酸素極膜５を備え、燃料極膜３は燃料取り込み部１６側に面して配置され、酸素極膜５は酸素取り込み部７側の内部空間１０に面して配置されており、固体酸化物電解質膜４は燃料極膜３及び酸素極膜５の間に介在している。膜電極接合体２は適宜インターコネクタを備えていてもよい。燃料極膜３と燃料取り込み部１６との間には水素透過膜１４が配置され、燃料取り込み部１６側の内部空間１７と燃料極膜３側の内部空間１２が水素透過膜１４によって仕切っている。水蒸気発生部１１は、燃料極膜３と水素透過膜１４との間の間仕切りとなっており、内部空間１２で生成される水を排出するための排出口１３が形成されている。燃料取り込み部１６には、内部空間１７に水素を供給する水素供給口１８と発電に利用されなかった未反応の水素を排出する水素排出口１９が形成されている。酸素取り込み部７には、内部空間１０に酸素源となる空気を取り込む空気供給口８と、発電に利用されなかった未反応の酸素を含む空気を排出する空気排出口９が形成されている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a solid oxide fuel cell device 1. This fuel cell device 1 includes a case comprising a bottomed tubular oxygen uptake section 7, a tubular water vapor generating section 11 and a bottomed tubular fuel uptake section 16, and a membrane electrode assembly 2 provided in the case. And a hydrogen permeable membrane 14. The membrane electrode assembly 2 includes a fuel electrode membrane 3, a solid oxide electrolyte membrane 4, and an oxygen electrode membrane 5. The fuel electrode membrane 3 is arranged facing the fuel intake portion 16, and the oxygen electrode membrane 5 is oxygen uptake. The solid oxide electrolyte membrane 4 is interposed between the fuel electrode membrane 3 and the oxygen electrode membrane 5 so as to face the internal space 10 on the part 7 side. The membrane electrode assembly 2 may be appropriately provided with an interconnector. A hydrogen permeable membrane 14 is disposed between the fuel electrode membrane 3 and the fuel intake portion 16, and the internal space 17 on the fuel intake portion 16 side and the internal space 12 on the fuel electrode membrane 3 side are partitioned by the hydrogen permeable membrane 14. . The water vapor generation unit 11 serves as a partition between the fuel electrode membrane 3 and the hydrogen permeable membrane 14, and a discharge port 13 for discharging water generated in the internal space 12 is formed. A hydrogen supply port 18 that supplies hydrogen to the internal space 17 and a hydrogen discharge port 19 that discharges unreacted hydrogen that has not been used for power generation are formed in the fuel intake unit 16. The oxygen intake part 7 is formed with an air supply port 8 for taking in air serving as an oxygen source into the internal space 10 and an air exhaust port 9 for discharging air containing unreacted oxygen that has not been used for power generation.

このように、水素供給口１８から内部空間１７に取り込まれた水素は、水素透過膜１４を透過してから内部空間１２を移動する。内部空間１２内の水素は燃料極膜３に到達し電気化学反応を引き起こすが、一部の水素は、未反応のまま再び水素透過膜１４を透過して、内部空間１７に移動して水素排出口１９から排出されることになる。一方、内部空間１２で生成される水は、水素透過膜１４を透過することができずに排出口１３から排出される。
燃料極膜３及び酸素極膜５はそれぞれ配線２１及び配線２２を介して負荷２０に接続されている。このため、燃料極膜３で生成された電子は配線２１を介して負荷２０に流れ、さらに配線２２を経由して酸素極膜５に移動する。 As described above, the hydrogen taken into the internal space 17 from the hydrogen supply port 18 passes through the hydrogen permeable membrane 14 and then moves through the internal space 12. The hydrogen in the internal space 12 reaches the fuel electrode membrane 3 and causes an electrochemical reaction. However, a part of the hydrogen passes through the hydrogen permeable membrane 14 again without being reacted and moves to the internal space 17 to discharge the hydrogen. It will be discharged from the outlet 19. On the other hand, the water generated in the internal space 12 cannot be permeated through the hydrogen permeable membrane 14 and is discharged from the discharge port 13.
The fuel electrode film 3 and the oxygen electrode film 5 are connected to the load 20 via the wiring 21 and the wiring 22, respectively. For this reason, the electrons generated in the fuel electrode film 3 flow to the load 20 via the wiring 21 and further move to the oxygen electrode film 5 via the wiring 22.

固体酸化物電解質膜４は、酸素イオンを透過させる性質をもつ。固体酸化物電解質膜４の一方の面に燃料極膜３が成膜され、固体酸化物電解質膜４の他方の面に酸素極膜５が成膜され、これらの接合体が膜電極接合体２となる。燃料極膜３にはＮｉやＮｉ合金が用いられ、多孔質のガス拡散層にＮｉを担持させたものでも良い。固体酸化物電解質膜４には、Ｙ2Ｏ3等のドーパントを添加した安定化ＺｒＯ2、ＺｒXＹ1-XＯ2、Ｓｃ2Ｏ3ＺｒＯ2、ＣｅXＧｄ1-XＯ2又はＬａXＳｒ1-XＧａYＭｇ1-YＯ3等の金属酸化物が用いられる。酸素極膜５には、ＬａＭｎＯ3、ＬａXＳｒ1-XＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3、ＬａXＳｒ1-XＣｏＯ3等のペロブスカイト型構造の金属酸化物が用いられ、これのうちの何れかを多孔質のガス拡散層に担持させたものでも良い。 The solid oxide electrolyte membrane 4 has a property of transmitting oxygen ions. The fuel electrode membrane 3 is formed on one surface of the solid oxide electrolyte membrane 4, the oxygen electrode membrane 5 is formed on the other surface of the solid oxide electrolyte membrane 4, and these assemblies are the membrane electrode assembly 2. It becomes. Ni or Ni alloy is used for the fuel electrode film 3 and Ni may be supported on a porous gas diffusion layer. The solid oxide electrolyte membrane 4 is made of stabilized ZrO 2 , Zr X Y 1-X O 2 , Sc 2 O 3 ZrO 2 , Ce X Gd 1-X O 2 or La to which a dopant such as Y 2 O 3 is added. metal oxides such as X Sr 1-X Ga Y Mg 1-Y O 3 is used. The oxygen electrode film 5 is made of a metal oxide having a perovskite structure such as LaMnO 3 , La X Sr 1-X MnO 3 , LaCoO 3 , La X Sr 1-X CoO 3. It may be supported on a porous gas diffusion layer.

水素透過膜１４は、固体酸化物型の燃料電池装置１での動作温度（例えば７００℃〜１０００℃）の雰囲気に対して水素を選択的に透過させ、水に対して透過率の低い性質をもつ。水素透過膜１４は、Ｐｄ膜、Ｐｄ−Ａｇの合金膜、さらにはＶ−Ｎｉ−Ｔｉの合金膜、Ｖ−Ｎｉの合金膜、Ｖ−Ｃｏ−Ｔｉの合金膜、Ｖ−Ｃｏの合金膜、Ｖ−Ｍｏ−Ｔｉの合金膜若しくはＶ−Ｍｏの合金膜又はこれらのうちの何れかの合金膜にＰｄを被覆した複合膜、Ｚｒ−Ｎｉのアモルファス合金膜の中から適宜選択されることが好ましい。水素透過膜１４の厚さは特に限定はないが、十分な強度がとれるのであれば１００μｍ以下が好ましい。   The hydrogen permeable membrane 14 selectively permeates hydrogen with respect to an atmosphere having an operating temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.) in the solid oxide fuel cell device 1 and has a property of low permeability to water. Have. The hydrogen permeable film 14 includes a Pd film, a Pd—Ag alloy film, a V—Ni—Ti alloy film, a V—Ni alloy film, a V—Co—Ti alloy film, a V—Co alloy film, V-Mo-Ti alloy film, V-Mo alloy film, a composite film in which any of these is coated with Pd, or a Zr-Ni amorphous alloy film is preferably selected as appropriate. . The thickness of the hydrogen permeable membrane 14 is not particularly limited, but is preferably 100 μm or less if sufficient strength can be obtained.

膜電極接合体２が酸素取り込み部７と水蒸気発生部１１との間の内側に支持され、水素透過膜１４が水蒸気発生部１１と燃料取り込み部１６との内側に支持されている。ケース内においては、水素透過膜１４が膜電極接合体２に対向配置され、水蒸気発生部１１の内側の内部空間１２が燃料極膜３、水蒸気発生部１１及び水素透過膜１４によって囲まれ、水素透過膜１４及び燃料極膜３が内部空間１２に露出している。内部空間１２に露出した燃料極膜３の面積が、内部空間１２に露出した水素透過膜１４の面積に等しい。内部空間１２における水素透過膜１４と燃料極膜３の間隔は１ｍｍ以下である。   The membrane electrode assembly 2 is supported inside the oxygen intake part 7 and the water vapor generating part 11, and the hydrogen permeable membrane 14 is supported inside the water vapor generating part 11 and the fuel intake part 16. In the case, the hydrogen permeable membrane 14 is disposed opposite to the membrane electrode assembly 2, the internal space 12 inside the water vapor generating portion 11 is surrounded by the fuel electrode membrane 3, the water vapor generating portion 11, and the hydrogen permeable membrane 14, The permeable membrane 14 and the fuel electrode membrane 3 are exposed in the internal space 12. The area of the fuel electrode membrane 3 exposed in the internal space 12 is equal to the area of the hydrogen permeable membrane 14 exposed in the internal space 12. The distance between the hydrogen permeable membrane 14 and the fuel electrode membrane 3 in the internal space 12 is 1 mm or less.

酸素取り込み部７、水蒸気発生部１１及び燃料取り込み部１６からなるケースは、燃料電池装置１での動作温度に対して著しく劣化、変形しない耐熱性の部材を含んでいる。このケースは燃料極膜３と酸素極膜５が負荷２０を介することなく電気的に導通しないように燃料極膜３と酸素極膜５との間は少なくとも絶縁体でできている。酸素取り込み部７、水蒸気発生部１１及び燃料取り込み部１６は一体的に形成されていてもよく、互いに別体であってもよい。水蒸気発生部１１は固体酸化物電解質膜４と接する部分以外は導電性部材であってもよく、水蒸気発生部１１が燃料極膜３に接することで、水蒸気発生部１１が集電体として機能しても良い。同様に、酸素取り込み部７は固体酸化物電解質膜４と接する部分以外は導電性部材であってもよく、酸素取り込み部７が酸素極膜５に接することで、酸素取り込み部７が集電体として機能しても良い。   The case composed of the oxygen intake part 7, the water vapor generation part 11, and the fuel intake part 16 includes a heat-resistant member that does not significantly deteriorate or deform with respect to the operating temperature of the fuel cell device 1. In this case, the fuel electrode film 3 and the oxygen electrode film 5 are made of at least an insulator so that the fuel electrode film 3 and the oxygen electrode film 5 are not electrically connected without passing through the load 20. The oxygen uptake unit 7, the water vapor generation unit 11, and the fuel uptake unit 16 may be integrally formed or may be separate from each other. The water vapor generating part 11 may be a conductive member other than the part in contact with the solid oxide electrolyte membrane 4, and the water vapor generating part 11 functions as a current collector when the water vapor generating part 11 is in contact with the fuel electrode film 3. May be. Similarly, the oxygen uptake part 7 may be a conductive member except for the part in contact with the solid oxide electrolyte membrane 4. When the oxygen uptake part 7 is in contact with the oxygen electrode film 5, the oxygen uptake part 7 becomes a current collector. May function as

水素透過膜１４は厚さ方向の断面が波打つように形成されていてもよい。このようにすることによって内部空間１２との界面面積及び７内部空間１７との界面面積を増大することができるとともに、薄くても応力に対して十分な強度を持つことができる。   The hydrogen permeable membrane 14 may be formed such that a cross section in the thickness direction is wavy. By doing so, the interface area with the internal space 12 and the interface area with the 7 internal space 17 can be increased, and even if it is thin, it has sufficient strength against stress.

この燃料電池装置１においては、７００℃〜１０００℃程度に加熱された状態で、水素ガスが水素供給口１８を通って内部空間１７に供給されると、水素が水素透過膜１４を透過して内部空間１２に移動する。膜電極接合体２での電気化学反応に利用されなかった水素ガスは再び水素透過膜１４を透過して水素排出口１９から排出される。一方、酸素を含む空気が空気供給口８を通って内部空間１０に供給されると、酸素が酸素極膜５でイオン化して固体酸化物電解質膜４を透過する。膜電極接合体２での電気化学反応に利用されなかった空気は空気排出口９から排出される。固体酸化物電解質膜４を透過した酸素イオンが燃料極膜３で水素と反応し、水が内部空間１２内に生成される。このとき生じた電子は、配線２１を介して負荷２０に供給される。生成された水は水蒸気の状態となっており、水素透過膜１４を透過できずに排出口１３から排出される。このように酸素イオンの移動に伴い、電気エネルギーが生成される。   In this fuel cell device 1, when hydrogen gas is supplied to the internal space 17 through the hydrogen supply port 18 while being heated to about 700 ° C. to 1000 ° C., the hydrogen passes through the hydrogen permeable membrane 14. Move to the internal space 12. The hydrogen gas that has not been used for the electrochemical reaction in the membrane electrode assembly 2 passes through the hydrogen permeable membrane 14 again and is discharged from the hydrogen discharge port 19. On the other hand, when air containing oxygen is supplied to the internal space 10 through the air supply port 8, oxygen is ionized by the oxygen electrode film 5 and passes through the solid oxide electrolyte membrane 4. Air that has not been used for the electrochemical reaction in the membrane electrode assembly 2 is discharged from the air discharge port 9. Oxygen ions that have permeated the solid oxide electrolyte membrane 4 react with hydrogen in the fuel electrode membrane 3, and water is generated in the internal space 12. The electrons generated at this time are supplied to the load 20 via the wiring 21. The generated water is in the state of water vapor, and is discharged from the discharge port 13 without being able to pass through the hydrogen permeable membrane 14. Thus, electric energy is generated as oxygen ions move.

以上のように、水素透過膜１４を設けることによって水蒸気と水素ガスのように同じ気相の物質を容易に分離、回収でき、回収された水素は、後述する燃焼器で燃焼されるオフガスとして容易に利用できる。   As described above, by providing the hydrogen permeable membrane 14, the same gas phase substance such as water vapor and hydrogen gas can be easily separated and recovered, and the recovered hydrogen is easily used as an off-gas burned in a combustor described later. Available to:

この燃料電池装置１を用いた発電装置１００について図２を用いて説明する。ここで、図２は、発電装置１００の構成を示したブロック図である。   A power generation apparatus 100 using the fuel cell apparatus 1 will be described with reference to FIG. Here, FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the power generation apparatus 100.

この発電装置１００は、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ、プロジェクタといった電子機器に搭載され、電子機器の電源として用いられる。   The power generation device 100 is mounted on an electronic device such as a notebook personal computer, a PDA, an electronic notebook, a digital camera, a mobile phone, a wristwatch, a register, or a projector, and is used as a power source of the electronic device.

カートリッジ３１は、燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル）を収容した燃料収容部３２と、生成された水を回収する水回収部３３とを有する。このカートリッジ３１は交換可能であり、電子機器に対して着脱可能に設けられている。   The cartridge 31 includes a fuel storage unit 32 that stores fuel (for example, methanol, ethanol, dimethyl ether), and a water recovery unit 33 that recovers the generated water. The cartridge 31 is replaceable and is provided so as to be detachable from the electronic device.

燃料残量センサ３４は燃料収容部３２に収容された燃料の残量を測定し、その測定結果となる電気信号を制御回路５４に出力する。制御回路５４は、燃料残量センサ３４で測定された残量が所定量未満であれば、発電装置１００を起動しない又は動作を停止し、残量が所定量以上であれば、発電装置１００を起動する又は動作を維持するよう制御する。マイクロポンプ３５は燃料収容部３２の燃料を送液する。このマイクロポンプ３５には流量センサが設けられ、マイクロポンプ３５による燃料の流量が流量センサによって測定され、その測定結果となる電気信号を制御回路５４に出力する。制御回路５４はこの流量センサで測定された流量に基づいてマイクロポンプ３５の流量を制御する。流量センサは、マイクロポンプ３５に対して流路の上流又は下流のいずれに配置されていてもよい。   The fuel remaining amount sensor 34 measures the remaining amount of fuel stored in the fuel storage portion 32 and outputs an electric signal as a measurement result to the control circuit 54. If the remaining amount measured by the fuel remaining amount sensor 34 is less than a predetermined amount, the control circuit 54 does not start the power generation device 100 or stops its operation, and if the remaining amount is equal to or greater than the predetermined amount, Control to start or maintain operation. The micropump 35 sends the fuel in the fuel storage part 32. The micropump 35 is provided with a flow rate sensor, the flow rate of fuel by the micropump 35 is measured by the flow rate sensor, and an electrical signal that is the measurement result is output to the control circuit 54. The control circuit 54 controls the flow rate of the micropump 35 based on the flow rate measured by the flow rate sensor. The flow sensor may be arranged either upstream or downstream of the flow path with respect to the micropump 35.

ミキサー３６は、マイクロポンプ３５から送られた燃料と、マイクロポンプ４５から送られた水を混合する。ミキサー３６には濃度センサが設けられ、ミキサー３６によって混合された混合液中の水及び燃料の濃度が濃度センサによって測定され、その測定結果を制御回路に出力する。制御回路はミキサーでの混合される燃料と水の濃度が所望の値となるように濃度センサからの測定結果に基づいてマイクロポンプ４５からの水の送量を制御する。なお、発電装置１００の起動時においては、カートリッジ３１に起動用の水収容部が設けられていてもよい。   The mixer 36 mixes the fuel sent from the micropump 35 and the water sent from the micropump 45. The mixer 36 is provided with a concentration sensor, and the concentration of water and fuel in the mixed liquid mixed by the mixer 36 is measured by the concentration sensor, and the measurement result is output to the control circuit. The control circuit controls the amount of water supplied from the micropump 45 based on the measurement result from the concentration sensor so that the concentration of the fuel and water mixed by the mixer becomes a desired value. Note that when the power generation apparatus 100 is activated, the cartridge 31 may be provided with a water storage unit for activation.

気化器３７はミキサー３６から供給された混合液を気化させる。マイクロ改質器３８は、気化器３７から供給された燃料と水の混合気を触媒反応させることで水素ガス、二酸化炭素ガスを生成する。気化器３７及びマイクロ改質器３８の反応を促進させるためにこれらに熱エネルギーが加えられる。具体的には、定常動作時に利用される燃焼器４０における燃焼熱、起動時に利用される電熱ヒータの発熱等によって気化器３７及びマイクロ改質器３８がそれぞれ所望の温度に加熱される。また、気化器３７、マイクロ改質器３８及び燃焼器４０は、内部が１Ｐａ以下の減圧雰囲気の断熱パッケージ４１内に収容され、熱エネルギーが断熱パッケージ４１の外へ漏れないようになっている。同様に燃料電池装置１は、定常動作時に利用される燃焼器５５における燃焼熱、起動時に利用される電熱ヒータの発熱によって所望の温度に加熱されている。また燃料電池装置１も内部が１Ｐａ以下の減圧雰囲気の断熱パッケージ内に収容されていることが好ましい。   The vaporizer 37 vaporizes the mixed solution supplied from the mixer 36. The micro reformer 38 generates hydrogen gas and carbon dioxide gas by catalyzing a mixture of fuel and water supplied from the vaporizer 37. Thermal energy is applied to these to promote the reaction of the vaporizer 37 and the micro reformer 38. Specifically, the vaporizer 37 and the micro reformer 38 are each heated to a desired temperature by the combustion heat in the combustor 40 used during steady operation, the heat generated by the electric heater used during startup, and the like. Further, the vaporizer 37, the micro reformer 38, and the combustor 40 are accommodated in a heat insulation package 41 having a reduced pressure atmosphere of 1 Pa or less, so that heat energy does not leak out of the heat insulation package 41. Similarly, the fuel cell device 1 is heated to a desired temperature by the combustion heat in the combustor 55 used during steady operation and the heat generated by the electric heater used during startup. Moreover, it is preferable that the fuel cell apparatus 1 is also housed in a heat-insulating package having a reduced pressure atmosphere with an internal pressure of 1 Pa or less.

エアポンプ４６は、外部の空気を吸引して燃焼器４０に空気を供給する。エアポンプ４６には流量センサが設けられ、エアポンプ４６による空気の流量が流量センサによって測定され、その測定結果を制御回路５４に出力する。制御回路５４は、燃焼器４０が所望の温度に発熱するようにエアポンプ４６での空気の送量を制御する。   The air pump 46 sucks external air and supplies the air to the combustor 40. The air pump 46 is provided with a flow rate sensor, and the air flow rate by the air pump 46 is measured by the flow rate sensor, and the measurement result is output to the control circuit 54. The control circuit 54 controls the amount of air sent by the air pump 46 so that the combustor 40 generates heat to a desired temperature.

燃料電池装置１内では、水素が水素透過膜１４を透過して内部空間１２に移動する。燃料電池装置１で発電に利用されなかった未反応の水素ガスは水素排出口１９から排出されて燃焼器４０に供給される。   In the fuel cell device 1, hydrogen passes through the hydrogen permeable membrane 14 and moves to the internal space 12. Unreacted hydrogen gas that has not been used for power generation in the fuel cell device 1 is discharged from the hydrogen discharge port 19 and supplied to the combustor 40.

エアポンプ４６から燃焼器４０に供給された空気は、燃焼器４０内で、燃料電池装置１の水素排出口１９から供給された水素ガス等と混合される。燃焼器４０は、この混合気のうちの未反応の水素を酸素によって酸化燃焼し発熱して、気化器３７及びマイクロ改質器３８を加熱する。気化器３７は燃焼器４０とは別の熱源に加熱されていてもよい。   The air supplied from the air pump 46 to the combustor 40 is mixed in the combustor 40 with hydrogen gas supplied from the hydrogen discharge port 19 of the fuel cell device 1. The combustor 40 oxidizes and burns unreacted hydrogen in the air-fuel mixture with oxygen and generates heat to heat the vaporizer 37 and the micro reformer 38. The vaporizer 37 may be heated to a heat source different from the combustor 40.

また、マイクロ改質器３８で改質する際に生じる副生成物として一酸化炭素が含まれている場合、水素透過膜１４は一酸化炭素を透過することがないので、一酸化炭素は、燃料電池装置１の内部空間１７を経て燃焼器４０に伝搬され、そこで酸素によって酸化され二酸化炭素となる。   Further, when carbon monoxide is included as a by-product generated when reforming by the micro reformer 38, the hydrogen permeable membrane 14 does not permeate carbon monoxide. It propagates to the combustor 40 through the internal space 17 of the battery device 1, where it is oxidized by oxygen and becomes carbon dioxide.

マイクロポンプ４３は、外部の空気を吸引して加湿器４２に空気を供給する。マイクロポンプ４３には流量センサが設けられ、マイクロポンプ４３による空気の流量が流量センサによって測定され、その測定結果を制御回路５４に出力する。   The micropump 43 sucks external air and supplies the humidifier 42 with air. The micropump 43 is provided with a flow sensor, and the flow rate of air from the micropump 43 is measured by the flow sensor, and the measurement result is output to the control circuit 54.

燃料電池装置１の排出口１３は、凝縮器である熱交換器４４に接続され、生成された水が排出口１３から排出され、熱交換器４４に供給される。熱交換器４４は、燃料電池装置１から供給された気化した状態の水から熱を吸収してその熱を外部に放出することで、水を液体に凝縮する。熱交換器４４で凝縮された水がマイクロポンプ４５に供給される。マイクロポンプ４５は熱交換器４４から供給された水をミキサー３６、水回収部３３及び加湿器４２に供給する。マイクロポンプ４５には流量センサが設けられ、マイクロポンプ４５によって送液される水の流量が流量センサによって測定され、その測定結果を制御回路５４に出力する。   The discharge port 13 of the fuel cell device 1 is connected to a heat exchanger 44 that is a condenser, and the generated water is discharged from the discharge port 13 and supplied to the heat exchanger 44. The heat exchanger 44 absorbs heat from the vaporized water supplied from the fuel cell device 1 and releases the heat to the outside, thereby condensing the water into a liquid. The water condensed in the heat exchanger 44 is supplied to the micropump 45. The micro pump 45 supplies the water supplied from the heat exchanger 44 to the mixer 36, the water recovery unit 33, and the humidifier 42. The micropump 45 is provided with a flow sensor, and the flow rate of water fed by the micropump 45 is measured by the flow sensor, and the measurement result is output to the control circuit 54.

加湿器４２は、マイクロポンプ４３から供給された空気をマイクロポンプ４５から供給された水の中に通過させることで、空気を加湿する。加湿器４２には湿度センサが設けられ、加湿器４２によって加湿された空気の湿度が湿度センサによって測定され、その測定結果を制御回路５４に出力する。制御回路５４は、膜電極接合体２を適宜湿らせるようにマイクロポンプ４３での空気の送量及びマイクロポンプ４５の水の送量を制御する。マイクロポンプ４５は、熱交換器４４から送られてきた水のうち、ミキサー３６、加湿器４２に供給した分を除く余剰の分を水回収部３３に送液する。なお、起動時には、燃料電池装置１を加湿するために、カートリッジ３１に設けられた起動用の水をマイクロポンプ４５が取り込んでもよい。   The humidifier 42 humidifies the air by allowing the air supplied from the micropump 43 to pass through the water supplied from the micropump 45. The humidifier 42 is provided with a humidity sensor. The humidity of the air humidified by the humidifier 42 is measured by the humidity sensor, and the measurement result is output to the control circuit 54. The control circuit 54 controls the amount of air supplied by the micropump 43 and the amount of water supplied by the micropump 45 so as to wet the membrane electrode assembly 2 appropriately. The micropump 45 sends the excess of the water sent from the heat exchanger 44 to the water recovery unit 33 except for the amount supplied to the mixer 36 and the humidifier 42. At the time of start-up, the micropump 45 may take in water for start-up provided in the cartridge 31 in order to humidify the fuel cell device 1.

加湿器４２が燃料電池装置１の空気供給口８に接続され、加湿器４２で加湿された空気は燃料電池装置１の空気供給口８に送られ、空気中の酸素が酸素極膜５でイオン化して固体酸化物電解質膜４を透過する。余った空気は空気排出口９から排出される。固体酸化物電解質膜４を透過した酸素イオンが燃料極膜３で水素と反応し、水が生成される。この一連の動作で発電された電気は昇圧回路５１に供給される。   The humidifier 42 is connected to the air supply port 8 of the fuel cell device 1, and the air humidified by the humidifier 42 is sent to the air supply port 8 of the fuel cell device 1, and oxygen in the air is ionized by the oxygen electrode film 5. Then, it passes through the solid oxide electrolyte membrane 4. Excess air is discharged from the air discharge port 9. Oxygen ions that permeate the solid oxide electrolyte membrane 4 react with hydrogen in the fuel electrode membrane 3 to generate water. The electricity generated by this series of operations is supplied to the booster circuit 51.

燃料極膜３と酸素極膜５との間の電圧が昇圧回路５１によって昇圧される。昇圧回路５１によって電圧を昇圧した電力が電子機器となる負荷２０に供給され、負荷２０を動作させる。また、昇圧回路５１によって電圧を昇圧した電力が充放電回路５２によって蓄電部５３（例えば、バッテリー）に蓄電される。蓄電部５３で蓄電された電気は、一部を発電装置１００の動作に利用し、余剰を負荷２０に出力することもできる。   The voltage between the fuel electrode film 3 and the oxygen electrode film 5 is boosted by the booster circuit 51. Electric power whose voltage has been boosted by the booster circuit 51 is supplied to the load 20 serving as an electronic device, and the load 20 is operated. Further, the electric power whose voltage has been boosted by the booster circuit 51 is stored in the power storage unit 53 (for example, a battery) by the charge / discharge circuit 52. A part of the electricity stored in the power storage unit 53 can be used for the operation of the power generation apparatus 100 and the surplus can be output to the load 20.

また、各センサの測定結果が制御回路５４にフィードバックされ、制御回路５４はマイクロポンプ３５、エアポンプ４６、マイクロポンプ４３及びマイクロポンプ４５を制御する。これにより、燃料、空気、水等の流量が調整される。   In addition, the measurement results of each sensor are fed back to the control circuit 54, and the control circuit 54 controls the micro pump 35, the air pump 46, the micro pump 43, and the micro pump 45. Thereby, the flow rates of fuel, air, water, etc. are adjusted.

この発電装置１００においては、燃料電池装置１の排出口１３から排出された水が熱交換器４４によって凝縮されるので、水回収部３３、ミキサー３６や加湿器４２に液体の水のみを供給することが容易であり、生成された水をほぼ全てを回収することができる。
また加湿器で供給される加湿された空気によって燃料電池装置１内の温度が著しく低減してしまう恐れがある場合、熱交換器４４に到達する前の高温の水蒸気を適宜加湿器４２に供給してマイクロポンプ４３から取り込まれた空気と混合させて燃料電池装置１に供給するようにしてもよい。 In this power generation device 100, the water discharged from the discharge port 13 of the fuel cell device 1 is condensed by the heat exchanger 44, so that only liquid water is supplied to the water recovery unit 33, the mixer 36 and the humidifier 42. And it is possible to recover almost all of the generated water.
Further, when there is a possibility that the temperature in the fuel cell device 1 is significantly reduced by the humidified air supplied by the humidifier, high-temperature steam before reaching the heat exchanger 44 is appropriately supplied to the humidifier 42. Then, it may be mixed with the air taken in from the micropump 43 and supplied to the fuel cell device 1.

なお、上記実施形態では、固体酸化物型の燃料電池装置１において水素透過膜１４を設けたが、これに限らず、固体酸化物電解質膜４を高分子電解質膜に置き換えた高分子型燃料電池や他の燃料電池に適用してもよい。この場合、燃料極側の空間には、水素イオンのキャリアとなるための水が水蒸気の状態で気化されており、この水蒸気を水素と容易に分離することができる。   In the above-described embodiment, the hydrogen permeable membrane 14 is provided in the solid oxide fuel cell device 1. However, the present invention is not limited thereto, and the polymer fuel cell in which the solid oxide electrolyte membrane 4 is replaced with a polymer electrolyte membrane. And may be applied to other fuel cells. In this case, in the space on the fuel electrode side, water to be a hydrogen ion carrier is vaporized in the form of water vapor, and this water vapor can be easily separated from hydrogen.

本発明を適用した燃料電池装置の断面図である。It is sectional drawing of the fuel cell apparatus to which this invention is applied. 燃料電池装置を用いた発電装置のブロック図である。It is a block diagram of the electric power generating apparatus using a fuel cell apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池装置
３ 燃料極膜
４ 固体酸化物電解質膜
５ 酸素極膜
１０、１２、１７ 内部空間
１３ 排出口
１４ 水素透過膜
４４ 熱交換器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell apparatus 3 Fuel electrode membrane 4 Solid oxide electrolyte membrane 5 Oxygen electrode membrane 10, 12, 17 Internal space 13 Outlet 14 Hydrogen permeable membrane 44 Heat exchanger

Claims (4)

ケースと、
前記ケースの内部に配置され、前記ケース内部を第一の内部空間と第三の内部空間とに仕切る膜電極接合体と、
前記ケースの内部に配置され、前記ケース内部を第二の内部空間と第三の内部空間とに仕切る燃料透過膜と、
前記ケース及び前記ケースの内部を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記膜電極接合体は、燃料極及び酸素極、前記燃料極及び前記酸素極との間に設けられている電解質膜で構成され、
前記第一の内部空間は、前記酸素極に接し、空気供給口及び空気排出口に連通し、
前記第二の内部空間は、燃料を供給する燃料供給口と燃料を排出する燃料排出口とに連通し、
前記第三の内部空間は、前記燃料極に接し、水蒸気を含む非燃料部材を排出する非燃料部材排出口に連通し、
前記燃料透過膜は、前記燃料を透過し、前記燃料と異なる前記非燃料部材を透過しないことにより、
前記非燃料部材と前記燃料とを分離して前記非燃料部材排出口から前記非燃料部材が回収されることを特徴とする燃料電池装置。 Case and
A membrane electrode assembly that is arranged inside the case and partitions the inside of the case into a first internal space and a third internal space;
A fuel permeable membrane that is disposed inside the case and partitions the inside of the case into a second internal space and a third internal space;
Heating means for heating the case and the inside of the case;
With
The membrane electrode assembly is composed of a fuel electrode and an oxygen electrode, an electrolyte membrane provided between the fuel electrode and the oxygen electrode,
The first internal space is in contact with the oxygen electrode and communicates with an air supply port and an air discharge port,
The second internal space communicates with a fuel supply port for supplying fuel and a fuel discharge port for discharging fuel,
The third internal space is in contact with the fuel electrode and communicates with a non-fuel member discharge port for discharging a non-fuel member containing water vapor .
The fuel permeable membrane permeates the fuel and does not permeate the non-fuel member different from the fuel .
The fuel cell device, wherein the non-fuel member and the fuel are separated and the non-fuel member is recovered from the non-fuel member discharge port . 前記非燃料部材は、前記膜電極接合体で生成される副生成物であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。   The fuel cell device according to claim 1, wherein the non-fuel member is a by-product generated in the membrane electrode assembly. 前記電解質膜が固体酸化物電解質膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。   The fuel cell device according to claim 1, wherein the electrolyte membrane is a solid oxide electrolyte membrane. 前記第三の内部空間において、前記燃料及び前記非燃料部材は、ともに気体であることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池装置。   4. The fuel cell apparatus according to claim 1, wherein in the third internal space, the fuel and the non-fuel member are both gases. 5.
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