JP6187417B2

JP6187417B2 - レドックスフロー型燃料電池

Info

Publication number: JP6187417B2
Application number: JP2014173890A
Authority: JP
Inventors: 忍関根; 田中　秀明; 秀明田中; 雅樹安藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2034-08-28
Also published as: JP2016048659A

Description

本発明は、レドックスフロー型燃料電池に関する。

近年、メディエーターを用いて間接的に燃料の酸化反応及び酸素の還元反応の少なくとも一方の反応を行うレドックスフロー型燃料電池が注目されている。
例えば、特許文献１には、メディエーターを含有するメディエーター含有液（陰極液）を酸化剤極（陰極）と再生器（再産生域）との間で循環し、酸化剤極で還元されたメディエーターを、再生器内において酸化剤を供給して酸化させることによって再生する、レドックスフロー型燃料電池が開示されている。

特表２０１２−５２６３４４号公報特表２０１３−５２１６０４号公報

しかしながら、従来のレドックスフロー型燃料電池には、再生器内においてメディエーター含有液に吹き込んだ酸化剤ガスの泡が消失することなく酸化剤極にまで到達すると、当該泡が酸化剤極でのメディエーターの反応を阻害するという問題がある。
また、燃料電池の車載のために再生器を小型化した場合、メディエーターと酸化剤ガスの接触表面積を大きくし、メディエーターの再生効率を高めるために、発生させる酸化剤ガスの泡の直径を小さくする必要があり、泡の直径の微小化に伴い、泡がメディエーター含有液中に残存し易くなるという問題がある。
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、本発明の目的は、メディエーター含有液に含まれる泡による酸化剤極でのメディエーターの反応の阻害を抑制することができるレドックスフロー型燃料電池を提供することである。

本発明のレドックスフロー型燃料電池は、酸化剤極においてメディエーターを用いて反応を行うレドックスフロー型燃料電池であって、
前記酸化剤極で還元された前記メディエーターを酸化剤ガスにより酸化させる再生器と、
前記酸化剤極から前記再生器へメディエーター含有液を流すための第１配管と、
前記再生器から前記酸化剤極へ前記メディエーター含有液を流すための第２配管と、
前記メディエーター含有液を前記酸化剤極と前記再生器との間で循環させる循環機構と、
前記第２配管中に、前記メディエーター含有液に含まれる泡を消失させるための正に帯電した消泡部材を備えることを特徴とする。

本発明によれば、メディエーター含有液に含まれる泡による酸化剤極でのメディエーターの反応の阻害を抑制することができる。

本発明のレドックスフロー型燃料電池の構成の一例を示す図である。第２配管と再生器の構成の一例を示す概略図である。正に帯電した消泡部材の一例を示す概略図である。

レドックスフロー型燃料電池を車載するためには、再生器を小型化する必要があるが、再生器の小型化に伴い、メディエーターの再生効率が低下するという問題がある。
メディエーターの再生効率を高めるためには、酸化剤ガス供給部から供給する酸化剤ガスの泡の直径を小さくし、メディエーターと酸化剤ガスの接触表面積を大きくする必要がある。
しかし、下記のヤングラプラスの式（１）で表されるように、メディエーター含有液に供給する酸化剤ガスの泡の半径ｒを小さくしていくと、表面張力γが、内圧Ｐ_ｉｎと外圧Ｐ_ｏｕｔの差（Ｐ_ｉｎ−Ｐ_ｏｕｔ）よりも大きくなり、泡が安定化し、泡の消失が起こりにくくなるという問題がある。
［式（１）］
Ｐ_ｉｎ−Ｐ_ｏｕｔ＜２γ／ｒ
式（１）中の表面張力γは、泡を覆っているメディエーター含有液の表面張力である。表面張力は時間と共に重力や熱によるメディエーター含有液の対流や、蒸発により、徐々に弱くなっていき、不等号が「＜」から「＞」となると泡は不安定化して消失する。これは、泡の半径ｒが大きいほど起こり易く、半径ｒが小さいほど起こりにくくなる。
そして、再生器で再生されたメディエーター含有液に含まれる泡が、消失しないまま酸化剤極まで到達すると、正常な発電反応を阻害するという問題がある。
本発明者らは、上記知見から、本発明を完成させるに至った。
本発明によれば、第２配管中に正に帯電した消泡部材を設けることによって、再生器で再生されたメディエーター含有液に含まれる泡を、当該泡の直径の大小に関わらず、消失させることができるため、メディエーター含有液に含まれる泡による酸化剤極でのメディエーターの反応の阻害を抑制することができる。

図１は、本発明のレドックスフロー型燃料電池の構成の一例を示す図である。
図１に示すレドックスフロー型燃料電池１００は、燃料極１、酸化剤極２、燃料極１及び酸化剤極２に挟持される電解質膜３を有する膜電極接合体を基本構造とする燃料電池セル４と、気液分離部５と、循環機構６と、酸化剤ガス供給部７と、再生器８と、第１配管９と、第２配管１０と、消泡部材１１と、燃料ガス配管５１と、燃料ガス供給部５２と、を備える。

図２は、第２配管と再生器の構成の一例を示す概略図である。
図２中に示す矢印は、メディエーター含有液の流れる方向を示す。
再生器８の酸化剤ガス供給口に中空糸からなるエアバルブが設けられている。そして、中空糸表面で形成された酸化剤ガスの泡１２は、メディエーター含有液中を浮遊している。
第２配管１０内には、形成された泡１２の表面張力を小さくし、泡１２を消失させるために、正に帯電させた消泡部材１１（網目状）が設置されている。
そして、消失した泡１２（気体）は、第２配管１０の流路上に設けた気液分離部５に送られ、気液分離部５において、大気中に排気される。

図３は、正に帯電した消泡部材の一例を示す概略図である。
消泡部材１１を帯電させるための電気は、燃料電池の運転により、燃料電池からコンデンサーを介して供給されている。
消泡部材１１が正に帯電している場合には、メディエーターの負に分極している部分（Ｍｅｄ⁻）が、消泡部材１１に引き寄せられる。
そして、引き寄せられる際に喚起される流動により、泡の表面張力が小さくなり、結果として泡が消失し易くなる。

燃料電池セル４は、当該燃料電池セル４が複数集合してなるセル集合部としてもよい。
セル集合部は、燃料電池セル４を複数積層して構成される燃料電池スタックを含む概念である。
電解質膜３は、特に限定されず、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：ＤｕＰｏｎｔ社製）等のパーフルオロスルホン酸ポリマー系電解質膜のようなフッ素系高分子電解質を含むフッ素系高分子電解質膜等が挙げられる。
酸化剤極２には、グラッシーカーボン、カーボン板、カーボンフェルト等の導電性炭素材料を用いることができる。
燃料極１には、当該燃料極１において直接燃料ガスを酸化させる場合は、従来公知の触媒（例えば白金等）を用いることができる。一方、燃料極１においてもメディエーターを用いて反応を行う場合は、酸化剤極２と同様に上記導電性炭素材料を用いることができる。

循環機構６は、メディエーター含有液を酸化剤極２へ供給し、酸化剤極２から排出されたメディエーター含有液を、再び酸化剤極２へ戻すことができるものであれば、特に限定されず、循環ポンプ等が挙げられる。
循環機構６の設置位置は、特に限定されないが、第１配管９と第２配管１０の少なくともいずれか一方の流路上に設けられていることが好ましい。
メディエーター含有液は、メディエーターを含有するものであれば特に限定されない。
メディエーター含有液に用いる溶媒は、特に限定されないが、水が好ましい。
メディエーターは、特に限定されず、例えば、ケイ素、バナジウム、モリブデン及びタングステンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含むポリオキソメタレート（ＰＯＭ）等を用いることができる。なお、ＰＯＭについては、特表２０１１−５１０４６６号公報等に開示されている。

再生器８は、酸化剤極で還元されたメディエーターを酸化剤ガスにより酸化させることができるものであれば、特に限定されない。
再生器８は、通常、第１配管９から供給されるメディエーター含有液を受容するためのメディエーター含有液供給口と、第２配管１０にメディエーター含有液を供給するためのメディエーター含有液排出口と、酸化剤ガス供給部７から供給される酸化剤ガスを受容するための酸化剤ガス供給口を有し、必要に応じ、後述する水供給部から供給される水を受容するための水供給口、水除去部に水を排出するための水排出口等を有する。

酸化剤ガス供給部７は、メディエーターを酸化させる酸化剤ガスをメディエーター含有液に供給することができるものであれば特に限定されず、エアコンプレッサー等が挙げられる。
酸化剤ガスをメディエーター含有液に供給する方法は、特に限定されないが、気体を吹き込む等の方法が挙げられる。
気体を吹き込む場合は、再生器８の酸化剤ガス供給口に、微細な泡を出すことのできる多孔質部材を設置し、当該多孔質部材に酸化剤ガスを吹き込むことが好ましい。
多孔質部材は、酸化剤ガスが供給されたときに微細な泡を発生させることができるものであれば、特に限定されず、エアバルブ等を用いることができ、エアバルブの場合、表面の細孔径が５μｍ以下の中空糸からなるものが好ましい。
酸化剤ガスは、酸素ガス、空気等が挙げられる。

レドックスフロー型燃料電池１００は、必要に応じ、水供給部、水除去部を有する。
水供給部は、再生器８に水を供給し、水除去部は、メディエーター含有液中の過剰量の水を排出する。
水供給部は、メディエーター含有液に水を供給することができるものであれば特に限定されず、例えば、貯水タンクとウォーターポンプを組み合わせたもの等が挙げられる。
メディエーター含有液に水を供給する方法は、特に限定されないが、例えば、ウォーターポンプを用いて貯水タンクから水を供給する方法、水除去部により除去された水を貯水タンクに貯蔵し、ウォーターポンプを用いて水を再供給する方法等が挙げられる。
水除去部は、メディエーター含有液中に含まれる水を除去することができるものであれば特に限定されず、例えば逆浸透膜等が挙げられる。

第１配管９は、酸化剤極２から再生器８へメディエーター含有液を流すためのものである。
第２配管１０は、再生器８から酸化剤極２へメディエーター含有液を流すためのものである。
第２配管１０中には、消泡部材１１が備えられている。
消泡部材１１は、正に帯電した状態でメディエーター含有液と接触することによって、メディエーター含有液中に含まれる泡を消失させることができる。
消泡部材１１としては、正に帯電することができ、メディエーター含有液の流通を妨げないものであれば、特に限定されず、材質は、ＰＯＭ酸性溶液が付着しても腐食劣化されにくい、フッ素系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）やポリイミド等の芳香族炭化水素系樹脂、白金や金などの貴金属等が挙げられ、形状は、網目状、平行糸、多重円、またはそれらを多層に組み合わせたもの等が挙げられる。
また、消泡部材１１の形状が網目状である場合の網目のオープニングは、特に限定されないが、１００μｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。
消泡部材１１を正に帯電させる方法は、特に限定されないが、燃料電池の運転により生じる電気を用いる方法が好ましい。

第２配管１０は、通常、第２配管１０の流路上で、且つ、消泡部材１１が設けられた位置の下流側に気液分離部５を備える。
気液分離部５は、不要になったメディエーター含有液に供給した酸化剤ガスやメディエーターの酸化に伴い発生した水蒸気を大気中に排出する。
気液分離部５としては、特に限定されず、排気口、気液分離器、気液分離膜等が挙げられる。
気液分離部５は、再生器８で混入した泡を除去する際に、メディエーター含有液の突沸を防ぐため、メディエーター含有液に大気圧以上の圧力をかけることができる加圧機構を有していることが好ましい。
加圧機構としては、特に限定されず、従来公知の加圧装置を用いることができる。
加圧機構により、効率よく酸化剤ガスとメディエーター含有液を混合し、メディエーターを再生することができる。また、メディエーター含有液の突沸を防止し、１００℃以上の高温運転を実現することができる。

燃料ガス供給部５２は、燃料ガス配管５１を介して燃料電池セル４に燃料ガスを供給する。燃料ガス供給部５２としては、例えば、液体水素タンク、圧縮水素タンク等を用いることができる。

１燃料極
２酸化剤極
３電解質膜
４燃料電池セル
５気液分離部
６循環機構
７酸化剤ガス供給部
８再生器
９第１配管
１０第２配管
１１消泡部材
１２泡
５１燃料ガス配管
５２燃料ガス供給部
１００レドックスフロー型燃料電池

Claims

酸化剤極においてメディエーターを用いて反応を行うレドックスフロー型燃料電池であって、
前記酸化剤極で還元された前記メディエーターを酸化剤ガスにより酸化させる再生器と、
前記酸化剤極から前記再生器へメディエーター含有液を流すための第１配管と、
前記再生器から前記酸化剤極へ前記メディエーター含有液を流すための第２配管と、
前記メディエーター含有液を前記酸化剤極と前記再生器との間で循環させる循環機構と、
前記第２配管中に、前記メディエーター含有液に含まれる泡を消失させるための正に帯電した消泡部材を備えることを特徴とするレドックスフロー型燃料電池。