JP5439199B2 - Water reusable fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、凝縮水回収機能を有した燃料電池構造に関する。 The present invention relates to a fuel cell structure having a condensed water recovery function.
近年、様々な種類の燃料電池が開発されているが、そのうちの1つに直接型メタノール式燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell。以下、DMFCと呼ぶ。)がある。DMFCは、発電用スタックのアノード極に対し燃料としてメタノール水溶液を供給し、カソード極に対して空気を供給するものであるが、DMFCには、燃料や空気の供給にポンプ、ブロア等の動力を用いるアクティブ型と、一切動力を使用せず、自然拡散及び自然対流を利用するパッシブ型の2方式に大きく分類される。 In recent years, various types of fuel cells have been developed. One of them is a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC). The DMFC supplies a methanol aqueous solution as fuel to the anode pole of the power generation stack and supplies air to the cathode pole. The DMFC supplies power such as a pump and a blower to supply fuel and air. There are two main types: active type to be used and passive type that uses natural diffusion and natural convection without using any power.
このうち、アクティブ型では、内蔵燃料タンク内の燃料をポンプの力でスタックへ送り込み、発電に使用しなかった燃料は、燃料タンクに戻す循環方式を採用することが多い。この場合、外部から高濃度のメタノール水溶液と水を別々に供給して、燃料タンク内の燃料の枯渇を防ぎ、メタノール濃度を一定範囲に保つよう制御する。一方、カソード極にブロアを用い供給された空気は、スタック内で発電反応により生成された水を含み、基本的に水蒸気としてスタック排気口より排出される。この排気を熱交換器へ供給し、排気中に含まれる水分を凝縮させて再利用することにより、外部からの水の供給を無くすことを可能としている(例えば、特許文献1〜4、非特許文献1、2)。
Of these, the active type often employs a circulation system in which the fuel in the built-in fuel tank is sent to the stack by the power of the pump, and the fuel not used for power generation is returned to the fuel tank. In this case, a high-concentration aqueous methanol solution and water are separately supplied from the outside to prevent depletion of the fuel in the fuel tank and to control the methanol concentration within a certain range. On the other hand, the air supplied to the cathode electrode using a blower contains water generated by a power generation reaction in the stack, and is basically discharged as water vapor from the stack exhaust port. By supplying this exhaust gas to a heat exchanger and condensing and reusing moisture contained in the exhaust gas, it is possible to eliminate the supply of water from the outside (for example,
しかしながら、これらの文献に記載された燃料電池を機器レイアウトの面から見た場合、水蒸気が流れる配管内に生じた凝縮水の滞留を防ぐために、スタックより下に熱交換器を配置し、さらに熱交換器の下に凝縮水を受ける水回収タンクを順に配置しなければならず、システム全体としての高さが必要となり、そのような構成が、燃料電池全体を小型化したり、あるいは低重心化する場合の障害となってしまうという問題があった。 However, when the fuel cells described in these documents are viewed from the viewpoint of the equipment layout, in order to prevent the condensate from staying in the piping through which the water vapor flows, a heat exchanger is disposed below the stack, and the heat cell is further heated. A water recovery tank that receives condensed water must be placed in order under the exchanger, and the height of the entire system is required. Such a configuration reduces the size of the entire fuel cell or lowers the center of gravity. There was a problem of becoming an obstacle in case.
図3は、従来の燃料電池の主要部を構成する機器のレイアウトを示す図である。図3に示した従来の燃料電池では、燃料送液ポンプ7を経由させ、燃料を内蔵燃料タンク3の内部からスタック1に供給している。そして、スタック1内で発電に使用されなかった燃料は、スタック1内を通過して内蔵燃料タンク3に戻るようになっている。
FIG. 3 is a diagram showing a layout of devices constituting the main part of a conventional fuel cell. In the conventional fuel cell shown in FIG. 3, fuel is supplied to the
このように、従来の燃料電池では、循環を繰り返して発電を継続するが、発電によりメタノール及び水が消費されるため、燃料濃度及び量は低下してしまう。一方、空気供給ブロア8によってスタック1内に供給された空気は、発電反応により生成された水を含む水蒸気の状態でスタック1の排気口から排出される。そして、排出されたその水蒸気が熱交換器5に送られ、その後凝縮して得られた水を水回収タンク4に蓄えて再利用する。
As described above, in the conventional fuel cell, the power generation is continued by repeating the circulation. However, since methanol and water are consumed by the power generation, the fuel concentration and amount are reduced. On the other hand, the air supplied into the
この場合、内蔵燃料タンク3内の燃料濃度及び残量が一定範囲以下となった時点で、高濃度メタノール水溶液送液ポンプ6によって、燃料電池システム外部の高濃度メタノール水溶液タンク2から高濃度メタノール水溶液が送られ、凝縮水送液ポンプ9によって、水回収タンク4から凝縮水が内蔵燃料タンク3に送られる。そして、このように送られた高濃度メタノール水溶液および凝縮水の燃料濃度及び量を一定範囲に調整している。
In this case, when the fuel concentration and the remaining amount in the built-in
従来の燃料電池のレイアウトでは、スタック1から排出された水蒸気を流す配管内では、凝縮水を滞留させずにそのまま水回収タンク4に回収している。この場合、凝縮水を最終的に内蔵燃料タンク3に送るため、スタック1の下方に熱交換器5を配置し、さらにその下方に水回収タンク4を配置することが必要となってくる。その結果、スタック1、熱交換器5、水回収タンク4そのものの高さが、システム全体の低重心化の制約となっている。
In the conventional fuel cell layout, in the pipe through which the water vapor discharged from the
また、熱交換性能の面から、熱交換器は金属製とされているが、スタックからの排気中の水分及び、発電反応による副生成物は、熱交換器を腐食させてしまうという問題があった。さらに、スタック周辺の環境温度の変動により、凝縮水回収量が燃料電池の運転に必要な量を確保できない場合があり、長時間外部からの水の供給を行わずに連続運転ができないという問題があった。 In terms of heat exchange performance, the heat exchanger is made of metal, but there is a problem that moisture in the exhaust from the stack and by-products from the power generation reaction corrode the heat exchanger. It was. Furthermore, the amount of condensed water recovered may not be sufficient for the operation of the fuel cell due to fluctuations in the ambient temperature around the stack, and there is a problem that continuous operation cannot be performed without supplying water from the outside for a long time. there were.
この点についての改善策として、熱交換器に冷却機能もしくは排気温度を上げるヒータを持たせることによって、水回収量の増加を見込むことができる。しかし、補機等のシステム内部の消費電力が大きくなり、DMFC全体としての能力を結果的に低下させてしまうという問題があった。 As an improvement measure on this point, an increase in the amount of water recovered can be expected by providing the heat exchanger with a cooling function or a heater that raises the exhaust temperature. However, there is a problem in that the power consumption inside the system such as an auxiliary machine becomes large, and as a result, the capacity of the entire DMFC is reduced.
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、小型かつ低重心であって、外部からの水が供給されない場合であっても連続運転可能な水再利用型燃料電池システムを提供することを目的とする。また、このような水再利用型燃料電池システムにおいて、スタックの排気による金属製熱交換器の腐食を防止することができる水再利用型燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a water reusable fuel cell system that is small in size and has a low center of gravity and can be continuously operated even when no external water is supplied. The purpose is to do. It is another object of the present invention to provide a water reusable fuel cell system that can prevent corrosion of a metal heat exchanger due to stack exhaust.
上述した目的を達成するために、本発明にかかる水再利用型燃料電池システムは、液体燃料を収容する燃料タンクと、前記液体燃料と酸素とを化学反応させて発電を行い、前記化学反応によって生じた水蒸気と前記液体燃料とを排出するスタックと、前記水蒸気を水と空気に分離して熱交換を行う熱交換器と、前記燃料タンクから排出された前記液体燃料を前記スタックに送る第1の配管部と、前記スタックから排出された前記水蒸気を前記熱交換器に送るとともに、前記水蒸気を送る過程で生じた凝縮水を前記燃料タンクに回収する第2の配管部と、前記スタックから排出される前記液体燃料を前記燃料タンクに送る第3の配管部と、前記熱交換器から前記熱交換器によって分離された前記水を前記燃料タンクに送る第4の配管部と、前記第1の配管部と前記第2の配管部と前記第3の配管部と前記第4の配管部とを介して、前記液体燃料を所定の濃度に調整して前記燃料タンクと前記スタックと前記熱交換器との間を循環させるコントローラと、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, a water reusable fuel cell system according to the present invention performs power generation by chemically reacting a liquid tank containing liquid fuel with the liquid fuel and oxygen, and by the chemical reaction. A stack for discharging the generated water vapor and the liquid fuel, a heat exchanger for exchanging heat by separating the water vapor into water and air, and a first for sending the liquid fuel discharged from the fuel tank to the stack A piping section, a second piping section for sending the steam discharged from the stack to the heat exchanger, and collecting condensed water generated in the process of sending the steam to the fuel tank, and discharging from the stack A third piping section that sends the liquid fuel to the fuel tank; a fourth piping section that sends the water separated from the heat exchanger by the heat exchanger to the fuel tank; The liquid fuel is adjusted to a predetermined concentration through the one piping section, the second piping section, the third piping section, and the fourth piping section, and the fuel tank, the stack, and the heat are adjusted. And a controller that circulates between the exchanger.
本発明によれば、小型かつ低重心であって、外部からの水が供給されない場合であっても連続運転可能な水再利用型燃料電池システムを提供することができる。また、このような水再利用型燃料電池システムにおいて、スタックの排気による金属製熱交換器の腐食を防止することができる水再利用型燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a water reusable fuel cell system that is small in size and has a low center of gravity and that can be continuously operated even when no external water is supplied. Moreover, in such a water reusable fuel cell system, it is possible to provide a water reusable fuel cell system that can prevent corrosion of the metal heat exchanger due to stack exhaust.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる水再利用型燃料電池システムの実施の形態を詳細に説明する。 Embodiments of a water reusable fuel cell system according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施の形態における水再利用型燃料電池システム1000の物理的は構成を示す概念図である。図1に示すように、水再利用型燃料電池システム1000は、スタック1と、高濃度メタノール水溶液タンク2と、内蔵燃料タンク3と、水回収タンク4と、熱交換器5と、高濃度メタノール水溶液送液ポンプ6と、燃料送液ポンプ7と、空気供給ブロア8と、凝縮水送液ポンプ9と、配管内凝縮水回収配管10と、を含んで構成されている。なお、水再利用型燃料電池システム1000のこれらの各部の動作は、水再利用型燃料電池システム1000の外部に設けられたCPU(Central Processing Unit)等の演算装置を有するコントローラ100によって制御されている。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a physical configuration of a water reusable
スタック1は、ブロア8から送られた空気と内蔵燃料タンク3から燃料送液ポンプ7によって内蔵燃料タンク3内部で濃度が調整された後の高濃度メタノール水溶液とを受け入れる。そして、スタック1は、その内部に構成されている触媒(膜・電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly))によって、受け入れた空気と濃度が調整された後の高濃度メタノール水溶液とに発電反応を生じさせ、その際に使用されていない高濃度メタノール水溶液を内蔵燃料タンク3に排出する。このように、高濃度メタノール水溶液は、スタック1と内蔵燃料タンク3との間を、その間を接続する配管や燃料送液ポンプ7を介して循環して発電を継続するようになっている。
The
一方、スタック1が受け入れたブロア8から送られた空気は、上述した発電反応によって生じた水を含む水蒸気を排気口から排出される。このように排出された水蒸気は熱交換器5に送られ、熱交換器5は、その水蒸気を空気と凝縮水に分離し、分離した凝縮水を凝縮水送液ポンプ9を介して水回収タンク4に排出する。
On the other hand, the air sent from the blower 8 received by the
このように排出された凝縮水と高濃度メタノール水溶液とを内蔵燃料タンク3が受け入れると、コントローラ100は、内蔵燃料タンク3内部の高濃度メタノール水溶液の濃度や量が一定の値となるように制御する。このとき、スタック1の発電によってメタノール及び水が消費されることによって燃料濃度及び量が一定範囲以下となった場合には、コントローラ100は、高濃度メタノール水溶液送液ポンプ6を介して、高濃度メタノール水溶液タンク2から高濃度メタノール水溶液が送るように制御したり、あるいは凝縮水送液ポンプ9を介して、水回収タンク4から凝縮水が内蔵燃料タンク3に送られるように制御し、高濃度メタノール水溶液および凝縮水の燃料濃度及び量を一定範囲に調整している。
When the built-in
なお、図1には示していないが、コントローラ100は、スタック1に備えられた温度センサや、各種のポンプ(あるいは配管)に備えられた水溶液の濃度センサ等を検知し、上述した調整を行っているものとする。
Although not shown in FIG. 1, the
また、本実施の形態における水再利用型燃料電池システム1000は、スタック1と熱交換器5とを接続する配管の一部に設けられた配管内凝縮水回収配管10によって、スタック1から排出された水蒸気が凝縮した場合の凝縮水を、自重によって内蔵燃料タンク3に直接戻すことができるようになっている。したがって、図1に示したように、スタック1を熱交換器5と同じ高さの位置に配置した場合であっても、スタック1と熱交換器5とを接続する配管の内部に凝縮水が滞留することなく、水再利用型燃料電池システム1000を小型化および低重心化することができる。
Further, the water reusable
すなわち、内蔵燃料タンク3がメタノール水溶液を収容し、スタック1がメタノール水溶液と酸素とを化学反応させて発電を行い、化学反応によって生じた水蒸気とメタノール水溶液とを排出し、熱交換器5が水蒸気を水と空気に分離して熱交換を行い、第1の配管部が内蔵燃料タンク3から排出されたメタノール水溶液を燃料送液ポンプ7を介してスタック1に送り、第2の配管部がスタック1から排出された水蒸気を熱交換器5に送るとともに、水蒸気を送る過程で生じた凝縮水を内蔵燃料タンク3に回収し、第3の配管部がスタック1から排出されるメタノール水溶液を内蔵燃料タンク3に送り、第4の配管部が熱交換器5から熱交換器5によって分離された水を水回収タンク4と凝縮水送液ポンプ9とを介して内蔵燃料タンク3に送り、コントローラ100が第1の配管部と第2の配管部と第3の配管部と第4の配管部とを介して、メタノール水溶液を所定の濃度に調整して内蔵燃料タンク3とスタック1と熱交換器5との間を循環させるので、小型かつ低重心であって、外部からの水が供給されない場合であっても連続運転が可能となる。
That is, the built-in
ところで、スタック1から熱交換器5に排出される水蒸気中には、水分以外に発電反応による様々な副生成物が含まれているため、熱交換器5が金属性である場合には、その熱交換器5の腐食を加速してしまう場合がある。しかし、本実施の形態における水再利用型燃料電池システム1000では、スタック1と熱交換器5とを接続する配管の流路内壁もしくは全体に、スタック1から排出される金属腐食性成分に対して耐性のある表面処理及びコーティングを施している。
By the way, in the water vapor | steam discharged | emitted from the
具体的には、スタック1と熱交換器5とを接続する配管が、ステンレス系の材料から構成されている場合には、その配管にフッ素系の材料によってコーティング処理を施す。ステンレス系材料に含まれるFe成分は溶出量を90%以上低減効果がある。また、スタック1と熱交換器5とを接続する配管が、アルミ系材料で構成されている場合には、黒色アルマイト処理を行った後にフッ素系のコーティング処理を施すことによって、アルミ系材料に含まれるAL成分は溶出量を80%以上低減できる効果があり、Fe成分に関しては95%以上の溶出量低減効果がある。なお、本実施の形態においては、熱交換性能を損なわないために、スタック1と熱交換器5とを接続する配管のフッ素系の材料によるコーティングの厚さを5μm以下としている。このように、スタック1と熱交換器5とを接続する配管に対して、スタック1から排出される金属腐食性成分に対して耐性のある表面処理及びコーティング処理を施しているので、熱交換器5の腐食を防止することができる。
Specifically, when the pipe connecting the
続いて、このように構成された水再利用型燃料電池システム1000において、水再利用型燃料電池システム1000内部の水量、ブロア風量、スタック温度を一定の範囲内に制御することが必要となってくるが、その制御方法について説明する。図2は、水再利用型燃料電池システム1000がコントローラ100によって制御される場合の水量、ブロア風量、スタック温度および発電効率の関係を示す図である。図2に示した関係では、スタック温度Sと発電効率Wの関係を見ると、スタック温度Sが高いほど発電効率Wが高い傾向にあることがわかる。
Subsequently, in the water reusable
また、図2に示すように、スタック1に対して空気供給ブロア8から供給される空気は、スタック1の温度コントロールにも有効である。すなわち、コントローラ100の制御によってブロア風量Qが低下すると、スタック温度Sは上昇する。スタック温度Sの上昇は、スタック1からの排気温度を上昇させることになり、その結果、スタック温度Sとスタック1の周辺の環境温度との温度差が増加し、熱交換効率が高まり、凝縮水回収量12が増加する。したがって、コントローラ100は、このようにスタック温度Sを上昇させるようにブロア風量Qを低下させる。
As shown in FIG. 2, the air supplied from the air supply blower 8 to the
但し、スタック温度Sは、スタック1を構成する部品の耐熱温度から決まるスタック上限温度13以下にすること、及び発電に必要な最低空気量をスタック1に供給する制御を行うことが必要となる。したがって、これらの条件を満たすために、発電に対して必要な最低ブロア風量をQ0、スタック上限温度13となるブロア風量をQ1、凝縮水回収量12が水消費量11よりも多くなるブロア風量をQ2とした場合、コントローラ100は、スタック上限温度13の範囲内となるブロア風量Q1とブロア風量Q2との範囲内(領域R内)となるようにブロア風量Qを制御している。なお、領域R内であっても、より高いスタック温度Sとなるようにブロア風量を制御することが望ましい。
However, the stack temperature S needs to be set to a stack
コントローラ100が、上述した制御を行うことによって、凝縮水回収量12が水消費量11を安定して上回ることとなる。その結果、外部からの水が供給されない場合であっても、水再利用型燃料電池システム1000の連続運転が可能となる。
When the
本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。 The present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1 スタック
2 高濃度メタノール水溶液タンク
3 内蔵燃料タンク
4 水回収タンク
5 熱交換器
6 高濃度メタノール水溶液送液ポンプ
7 燃料送液ポンプ
8 空気供給ブロア
9 凝縮水送液ポンプ
10 配管内凝縮水回収用配管
11 水消費量
12 凝縮水回収量
13 スタック上限温度
100 コントローラ
1000 水再利用型燃料電池システム。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記液体燃料と酸素とを化学反応させて発電を行い、前記化学反応によって生じた水蒸気と前記液体燃料とを排出するスタックと、
前記水蒸気を水と空気に分離して熱交換を行う熱交換器と、
前記燃料タンクから排出された前記液体燃料を前記スタックに送る第1の配管部と、
前記スタックから排出された前記水蒸気を前記熱交換器に送るとともに、前記水蒸気を送る過程で生じた凝縮水を前記燃料タンクに回収する第2の配管部と、
前記スタックから排出される前記液体燃料を前記燃料タンクに送る第3の配管部と、
前記熱交換器から前記熱交換器によって分離された前記水を前記燃料タンクに送る第4の配管部と、
前記第1の配管部と前記第2の配管部と前記第3の配管部と前記第4の配管部とを介して、前記液体燃料を所定の濃度に調整して前記燃料タンクと前記スタックと前記熱交換器との間を循環させるコントローラと、
前記スタックに対して前記空気を供給するブロアと、を備え、
前記コントローラは、前記スタックの耐熱温度における前記空気の量以上であって、前記凝縮水の量が前記水再利用型燃料電池システムが消費する水の量よりも多くなる前記空気の量以下となるように、前記ブロアを制御する、
ことを特徴とする水再利用型燃料電池システム。 A fuel tank containing liquid fuel;
A stack that performs power generation by chemically reacting the liquid fuel and oxygen, and discharges the water vapor generated by the chemical reaction and the liquid fuel;
A heat exchanger for performing heat exchange by separating the water vapor into water and air;
A first piping section for sending the liquid fuel discharged from the fuel tank to the stack;
A second piping unit that sends the water vapor discharged from the stack to the heat exchanger and collects condensed water generated in the process of sending the water vapor to the fuel tank;
A third piping section for sending the liquid fuel discharged from the stack to the fuel tank;
A fourth piping section for sending the water separated from the heat exchanger by the heat exchanger to the fuel tank;
The liquid tank is adjusted to a predetermined concentration via the first piping section, the second piping section, the third piping section, and the fourth piping section, and the fuel tank and the stack are adjusted. A controller for circulating between the heat exchanger;
A blower for supplying the air to the stack,
The controller is equal to or greater than the amount of air at the heat-resistant temperature of the stack, and the amount of the condensed water is equal to or less than the amount of air that is greater than the amount of water consumed by the water reusable fuel cell system. So as to control the blower,
A water reusable fuel cell system characterized by the above.
ことを特徴とする請求項1に記載の水再利用型燃料電池システム。 The inner wall of the second piping part is subjected to a resistance treatment against a metal corrosive component,
The water reusable fuel cell system according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の水再利用型燃料電池システム。 As the resistance treatment, a coating treatment with a fluorine-based material was performed, or the coating treatment was performed in addition to the black alumite treatment,
The water reusable fuel cell system according to claim 2.
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の水再利用型燃料電池システム。 The controller controls the blower so that the temperature of the stack is close to the heat-resistant temperature of the stack.
The water reusable fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein:
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