JP2013097870A - Alkaline fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】長期にわたり燃料タンクが溢れることなく運転でき、システム効率に優れた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、アニオン交換型電解質膜の一方の面にアノード極、他方の面にカソード極が配置された膜電極接合体を複数枚積層したスタック１１により発電するアルカリ形燃料電池と、アノード極に供給する、水よりも沸点の低い燃料と水を含む液体燃料を貯蔵する燃料タンク１２と、アルカリ形燃料電池のアノード極から排出される排燃料中の液体と気体を分離する気液分離器１８と、気液分離器により分離された気体を燃料タンク１２に戻す燃料排ガス回収ライン１９と、気液分離器１８により分離された液体を貯蔵する水回収タンク２１と、定常発電時のスタック温度を燃料の沸点よりも高く、液体燃料の沸点よりも低い温度に制御する制御手段２９を備える。
【選択図】図１A fuel cell system that can be operated without overflowing a fuel tank for a long period of time and has excellent system efficiency.
A fuel cell system is an alkaline fuel cell that generates electric power by a stack 11 in which a plurality of membrane electrode assemblies having an anode electrode on one surface and a cathode electrode on the other surface are stacked. And a fuel tank 12 for storing a fuel having a boiling point lower than water and a liquid fuel containing water, which is supplied to the anode electrode, and liquid and gas in the exhaust fuel discharged from the anode electrode of the alkaline fuel cell are separated. A gas-liquid separator 18, a fuel exhaust gas recovery line 19 for returning the gas separated by the gas-liquid separator to the fuel tank 12, a water recovery tank 21 for storing the liquid separated by the gas-liquid separator 18, and steady power generation Control means 29 is provided for controlling the stack temperature at a time higher than the boiling point of the fuel and lower than the boiling point of the liquid fuel.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、液体燃料を燃料として発電するアルカリ形燃料電池システムに関する。 The present invention relates to an alkaline fuel cell system that generates power using liquid fuel as fuel.
最近の電子技術の進歩によって、情報量が増加し、その増加した情報を、より高速に、より高機能に処理する必要があるため、高出力密度で高エネルギー密度の電源、すなわち、連続駆動時間の長い電源を必要とする。 Recent advances in electronic technology increase the amount of information, and it is necessary to process the increased information faster and with higher functionality, so a high power density and high energy density power supply, that is, continuous drive time Need a long power supply.
充電を必要としない小型発電機、即ち、容易に燃料補給ができるマイクロ発電機の必要性が高まっている。こうした背景から、燃料電池の重要性が検討されている。 There is a growing need for small generators that do not require charging, that is, micro-generators that can be easily refueled. Against this background, the importance of fuel cells is being studied.
燃料電池は、少なくとも固体又は液体の電解質及び所望の電気化学反応を誘起する一対の電極であるアノード及びカソードから構成され、その燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに高効率で変換する発電機である。 A fuel cell is a generator that is composed of at least a solid or liquid electrolyte and an anode and a cathode, which are a pair of electrodes that induce a desired electrochemical reaction, and converts the chemical energy of the fuel directly into electrical energy with high efficiency. is there.
こうした燃料電池において、電解質膜に固体高分子電解質膜を用い、水素を燃料とするものは固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）と呼ばれ、メタノールを燃料とするものは直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）と呼ばれる。中でも、液体燃料を使用するＤＭＦＣは燃料の体積エネルギー密度が高いために小型の可搬型又は携帯型の電源として有効なものとして注目されている。 In such fuel cells, those using a solid polymer electrolyte membrane as the electrolyte membrane and using hydrogen as fuel are called polymer electrolyte fuel cells (PEFC), and those using methanol as fuel are directly methanol. It is called a direct fuel fuel cell (DMFC). Among them, DMFCs that use liquid fuels are attracting attention as being effective as small portable or portable power sources because of the high volumetric energy density of the fuel.
ここで、現在開発されているＤＭＦＣの発電部である、膜・電極接合体（ＭＥＡ）に使用されているナフィオン（登録商標）をはじめとした電解質膜の多くは、イオン交換基としてスルホン酸基が導入された、プロトン交換型といわれるものである。電解質膜および電極は強酸性雰囲気となるため、電極触媒として使用できるのは、白金系貴金属にほぼ限定されていた。しかし、白金は大変高価であるため、燃料電池システムのコストを大きく押し上げる要因となっており、燃料電池を普及させるためには、白金を使用しない燃料電池の開発が望まれていた。 Here, many of the electrolyte membranes including Nafion (registered trademark) used in the membrane-electrode assembly (MEA), which is a power generation unit of the DMFC currently being developed, have sulfonic acid groups as ion exchange groups. Is called proton exchange type. Since the electrolyte membrane and the electrode are in a strongly acidic atmosphere, what can be used as an electrode catalyst is almost limited to platinum-based noble metals. However, since platinum is very expensive, it is a factor that greatly increases the cost of the fuel cell system. In order to popularize fuel cells, it has been desired to develop a fuel cell that does not use platinum.
上記課題に対し、特許文献１にはアミン基に代表されるアニオン交換型電解質膜を用いた燃料電池システムが開示されている。アニオン交換型電解質膜を用いるアルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）は、電解質膜および電極の腐食環境がマイルドであり、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏといった安価な材料を触媒に使用できることから、従来の酸形燃料電池と比較して大幅なコスト低減が期待できる。ただし、メタノールを燃料に使用したＡＦＣの電池反応〔化１〕を見るとわかるように、アノードでは発電により多量に水が生成する。
〔化１〕
アノード：ＣＨ3ＯＨ＋６ＯＨ-⇒ＣＯ2＋５Ｈ2Ｏ＋６ｅ-
カソード：３／２Ｏ2＋３Ｈ2Ｏ＋６ｅ-⇒６ＯＨ-
全体：ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2⇒ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ
In response to the above problem, Patent Document 1 discloses a fuel cell system using an anion exchange type electrolyte membrane represented by an amine group. An alkaline fuel cell (AFC) using an anion exchange type electrolyte membrane has a mild corrosive environment for the electrolyte membrane and electrode, and an inexpensive material such as Fe, Ni, Co can be used as a catalyst. As a result, significant cost reduction can be expected. However, as can be seen from the AFC cell reaction [Chemical Formula 1] using methanol as fuel, a large amount of water is generated by power generation at the anode.
[Chemical formula 1]
Anode: CH 3 OH + 6OH − → CO 2 + 5H 2 O + 6e −
Cathode: 3 / 2O 2 + 3H 2 O + 6e − → 6OH −
Overall: CH 3 OH + 3 / 2O 2 ⇒CO 2 + 2H 2 O
そのため、ＡＦＣでは運転を継続すると、水の生成によりメタノール濃度が低下する、タンク内の液量が増加し溢れてしまうといった課題が生じる。この課題に対し、特許文献２には、排燃料を加熱し、排燃料中のエタノールを気化させ、これを凝縮することで、排燃料中の残燃料を濃縮する方法が開示されている。 For this reason, if the operation is continued in AFC, there arise problems that the methanol concentration decreases due to the generation of water, and the amount of liquid in the tank increases and overflows. In response to this problem, Patent Document 2 discloses a method of concentrating residual fuel in exhaust fuel by heating the exhaust fuel, vaporizing ethanol in the exhaust fuel, and condensing it.
しかしながら、排燃料を加熱する方法においては、加熱のためのエネルギーが必要であり、燃料電池システムの発電効率が低下してしまうという問題があった。 However, in the method of heating the exhaust fuel, there is a problem that energy for heating is required and the power generation efficiency of the fuel cell system is lowered.
本発明はアルカリ形燃料電池システムにおいて、長期にわたり燃料タンクが溢れることなく運転でき、システム効率に優れた燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can operate in an alkaline fuel cell system without overflowing a fuel tank for a long period of time and is excellent in system efficiency.
本発明の燃料電池システムは、アニオン交換型電解質膜の一方の面にアノード極、他方の面にカソード極が配置された膜電極接合体を複数枚積層したスタックにより発電するアルカリ形燃料電池と、前記アノード極に供給する、水よりも沸点の低い燃料と水を含む液体燃料を貯蔵する燃料タンクと、前記アルカリ形燃料電池のアノード極から排出される排燃料中の液体と気体を分離する気液分離器と、前記気液分離器により分離された気体を前記燃料タンクに戻す燃料排ガス回収ラインと、前記気液分離器により分離された液体を貯蔵する水回収タンクと、定常発電時の前記スタックの温度を前記燃料の沸点よりも高く、前記液体燃料の沸点よりも低い温度に制御する制御手段を備えることを特徴とする。 The fuel cell system of the present invention includes an alkaline fuel cell that generates electric power by a stack in which a plurality of membrane electrode assemblies each having an anode electrode on one surface and a cathode electrode on the other surface are stacked. A fuel tank for storing a fuel having a boiling point lower than water and a liquid fuel containing water supplied to the anode electrode, and a gas for separating the liquid and gas in the exhaust fuel discharged from the anode electrode of the alkaline fuel cell. A liquid separator, a fuel exhaust gas recovery line for returning the gas separated by the gas-liquid separator to the fuel tank, a water recovery tank for storing the liquid separated by the gas-liquid separator, and the above-mentioned during normal power generation Control means for controlling the temperature of the stack to be higher than the boiling point of the fuel and lower than the boiling point of the liquid fuel is provided.
本発明によって、発電効率を低下させることなく、長期にわたり燃料タンクが溢れることなく連続して運転可能な、アルカリ形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 an alkaline fuel cell system that can be operated continuously without reducing the power generation efficiency and without overflowing the fuel tank over a long period of time.
以下に、本発明の実施の形態を示す。 Embodiments of the present invention are shown below.
（実施例１）
本発明に係る水よりも沸点の低い燃料と水を含む液体燃料を燃料として発電するアニオン交換型電解質膜を用いたアルカリ形燃料電池について、メタノールを燃料とする直接メタノール形アルカリ燃料電池を例にして説明する。直接メタノール形アルカリ燃料電池システムの基本構成の一例を図１に示す。
Example 1
The alkaline fuel cell using an anion-exchange electrolyte membrane that generates electricity using a fuel having a boiling point lower than that of water and a liquid fuel containing water as fuel, according to the present invention, taking a direct methanol alkaline fuel cell using methanol as an example. I will explain. An example of the basic configuration of the direct methanol alkaline fuel cell system is shown in FIG.
アルカリ形燃料電池システムは発電部である単セルを積層したスタック１１、スタック１１に燃料を供給および未反応の残燃料を回収するための燃料タンク１２、および燃料ポンプ１３、スタック１１に空気を供給するためのブロア１６、スタック１１に送る空気を加湿するための加湿器２４、スタック１１より排出された残燃料を回収するための燃料回収ライン１５、残燃料中の液体と気体を分離するための気液分離器１８、気液分離器１８で分離された残燃料の気体部を燃料タンク１２に戻すための燃料排ガス回収ライン１９、気液分離器１８で分離された残燃料の液体部を回収するための燃料排液回収ライン２０、燃料排ガス回収ライン１９および燃料排液回収ライン２０と燃料供給ラインの間で熱交換するための熱交換器３２、および水回収タンク２１、燃料タンク１２の燃料消費による燃料減少を検知する水位センサ３０、燃料タンク１２内のメタノール濃度を検出するメタノール濃度センサ３１、スタック１１の温度をモニタリングする熱電対等の温度センサ３４、水位センサ３０やメタノール濃度センサ３１をモニタリングし、高濃度メタノールカートリッジ２６から燃料タンク１２へ高濃度メタノールを供給するための高濃度メタノール供給ポンプ２７の運転・停止、水回収タンク２１から燃料タンク１２へ水を供給するための水供給ポンプ２２の運転・停止、スタック１１に取り付けてある温度センサ３４の測定結果に基づき、発電量やブロア１６の風量、などのシステム制御を行うためのモニタ・制御回路２９を有する。 The alkaline fuel cell system has a stack 11 in which single cells as power generation units are stacked, a fuel tank 12 for supplying fuel to the stack 11 and collecting unreacted remaining fuel, and a fuel pump 13 and supplying air to the stack 11. A blower 16, a humidifier 24 for humidifying the air sent to the stack 11, a fuel recovery line 15 for recovering the remaining fuel discharged from the stack 11, and a liquid and gas for separating the remaining fuel The gas-liquid separator 18, the fuel exhaust gas recovery line 19 for returning the gas portion of the remaining fuel separated by the gas-liquid separator 18 to the fuel tank 12, and the liquid portion of the remaining fuel separated by the gas-liquid separator 18 are recovered. A fuel exhaust liquid recovery line 20, a fuel exhaust gas recovery line 19, a heat exchanger 32 for exchanging heat between the fuel exhaust liquid recovery line 20 and the fuel supply line, and A water recovery tank 21, a water level sensor 30 for detecting fuel decrease due to fuel consumption in the fuel tank 12, a methanol concentration sensor 31 for detecting the methanol concentration in the fuel tank 12, a temperature sensor 34 such as a thermocouple for monitoring the temperature of the stack 11, The water level sensor 30 and the methanol concentration sensor 31 are monitored, and the high concentration methanol supply pump 27 for supplying high concentration methanol from the high concentration methanol cartridge 26 to the fuel tank 12 is operated and stopped, and the water recovery tank 21 to the fuel tank 12 is operated. Monitor / control circuit for system control such as operation / stop of water supply pump 22 for supplying water and measurement result of temperature sensor 34 attached to stack 11 such as power generation amount and air flow rate of blower 16 29.
スタック１１は、イオン伝導基がＯＨ-に代表されるアニオン交換型の固体高分子電解質膜を挟んでアノード極とカソード極が形成された膜電極接合体（ＭＥＡ）と、アノード極とカソード極に燃料および酸化剤ガスを供給するセパレータとからなる単セルを複数枚直列に積層したものである。このスタック１１に燃料であるメタノール水溶液と酸化剤ガスである空気あるいは酸素を供給することにより発電を行う。 The stack 11 includes a membrane electrode assembly (MEA) having an anode electrode and a cathode electrode sandwiched between an anion exchange type solid polymer electrolyte membrane whose ion conductive group is represented by OH − , and an anode electrode and a cathode electrode. A plurality of single cells composed of a separator for supplying fuel and oxidant gas are stacked in series. Electric power is generated by supplying an aqueous methanol solution as a fuel and air or oxygen as an oxidant gas to the stack 11.
ここで、〔化１〕に示したように、アルカリ形燃料電池では、アノード側で反応により水が多量に生成するため、対策を取ることなく長時間運転すると、水の生成により液体燃料中のメタノール濃度が低下するとともに、タンク内の液量が増加し溢れてしまうといった課題が生じる。そこで、本実施例の燃料電池システムでは、温度センサ３４を用いてスタック１１の温度をモニタリングし、モニタリング結果に基づいて定常発電時におけるスタック１１の温度が、液体燃料に含まれる燃料の沸点よりも高く、液体燃料中の燃料と水との混合割合で決定される液体燃料の沸点よりも低い温度になるよう、モニタ・制御回路２９を用いてスタック１１の温度を制御することを特徴とする。温度の制御方法としては、スタック１１での発電量に応じて発熱量も変化することから、モニタ・制御回路２９を用いてスタック１１の発電量を変化させる、あるいはブロア１６を用いてスタック１１に送る酸化剤の流量を変化させることで、除熱量も変化できることから、ブロア１６の風量を変化させる方法、燃料タンク１２の燃料濃度を上げ、スタック１１での燃料のクロスオーバーに伴う発熱を利用する方法などが考えられる。その他、一般的に当事者が容易に考えられる温度制御方法を用いることが可能であり、上述した方法に限定されるものではない。なお、制御温度範囲の具体例としては、たとえば２ｗｔ％のメタノール水溶液を燃料として使用した際には、スタック１１の定常運転温度をメタノールの沸点である６４.６℃以上、２ｗｔ％メタノール水溶液の沸点である９７℃よりも低い９６℃以下に制御すればよい。温度制御範囲は燃料の種類や液体燃料の濃度によって、制御範囲が設定される。なお、本発明において定常発電とは、燃料電池を起動して目標温度まで昇温した後の発電を意味する。 Here, as shown in [Chemical Formula 1], in the alkaline fuel cell, a large amount of water is generated by the reaction on the anode side. As the methanol concentration decreases, the amount of liquid in the tank increases and overflows. Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the temperature of the stack 11 is monitored using the temperature sensor 34, and the temperature of the stack 11 during steady power generation is higher than the boiling point of the fuel contained in the liquid fuel based on the monitoring result. The temperature of the stack 11 is controlled by using the monitor / control circuit 29 so that the temperature is higher and lower than the boiling point of the liquid fuel determined by the mixing ratio of the fuel and water in the liquid fuel. As the temperature control method, the amount of heat generated also changes according to the amount of power generated in the stack 11, so the amount of power generated in the stack 11 is changed using the monitor / control circuit 29, or the stack 11 is used using the blower 16. Since the amount of heat removal can be changed by changing the flow rate of the oxidizing agent to be sent, the method of changing the air volume of the blower 16, the fuel concentration of the fuel tank 12 is increased, and the heat generated by the fuel crossover in the stack 11 is used. Possible methods. In addition, it is possible to use a temperature control method that is generally easily considered by the parties, and is not limited to the method described above. As a specific example of the control temperature range, for example, when a 2 wt% aqueous methanol solution is used as the fuel, the steady operation temperature of the stack 11 is 64.6 ° C. or higher, which is the boiling point of methanol, and the boiling point of the 2 wt% aqueous methanol solution. What is necessary is just to control to 96 degrees C or less lower than 97 degreeC which is. The temperature control range is set according to the type of fuel and the concentration of liquid fuel. In the present invention, steady power generation means power generation after starting a fuel cell and raising the temperature to a target temperature.
このようにスタック１１の温度を制御することにより、スタック１１から排出される排燃料の液体中に存在する燃料は蒸発し、その大部分は気体中に含まれることになる。一方、スタック温度は液体燃料（水溶液）の沸点よりも低い温度であるため、水はあまり蒸発せず、大部分が液体中に含まれる。これにより、スタック１１から排出される排燃料中の燃料と水を分離することができる。この排燃料を気液分離器１８で気体と液体に分離し、気体として分離された燃料を選択的に燃料タンク１２に戻すことが可能となる。これにより、燃料タンク１２に発電で生成した多量の水が回収されることがなくなり、燃料電池を長時間運転しても燃料タンク中の燃料濃度の低下やタンク内の液量が増加して溢れることを防止することができる。また、気液分離装置で分離して水回収タンク２１に回収された液体は大部分が水であり、燃料タンク１２の燃料濃度調整用の水として使用することができる。また、燃料電池スタックのカソード極の発電には水が必要となるため、カソード極には加湿した酸化剤ガスが供給されるが、水回収タンク２１に回収された水を酸化剤ガスの加湿水として使用することもできる。 By controlling the temperature of the stack 11 in this way, the fuel present in the liquid of the exhaust fuel discharged from the stack 11 evaporates, and most of it is contained in the gas. On the other hand, since the stack temperature is lower than the boiling point of the liquid fuel (aqueous solution), water does not evaporate so much and most of it is contained in the liquid. Thereby, the fuel and water in the exhaust fuel discharged from the stack 11 can be separated. This exhausted fuel is separated into gas and liquid by the gas-liquid separator 18, and the fuel separated as gas can be selectively returned to the fuel tank 12. As a result, a large amount of water generated by power generation is not recovered in the fuel tank 12, and even if the fuel cell is operated for a long time, the fuel concentration in the fuel tank decreases and the amount of liquid in the tank increases and overflows. This can be prevented. The liquid separated by the gas-liquid separator and recovered in the water recovery tank 21 is mostly water, and can be used as water for adjusting the fuel concentration in the fuel tank 12. Further, since water is required for power generation at the cathode electrode of the fuel cell stack, humidified oxidant gas is supplied to the cathode electrode, but the water recovered in the water recovery tank 21 is used as humidified water of oxidant gas. It can also be used as
なお、スタック温度を上述の制御温度範囲に制御して燃料電池を連続運転する場合、気液分離器１８で分離した排ガスをそのまま燃料タンクに戻したり、一旦水回収タンク２１に貯蔵した燃料排液を、燃料タンク１２の燃料濃度を制御する目的で、燃料タンク１２に供給したりすると、燃料タンク１２内の燃料温度はスタック１１の運転温度に近づいてしまう。定常発電時のスタックの温度は、燃料の沸点よりも高いため、燃料タンク１２内の液体燃料に含まれる燃料が蒸発してしまう場合がある。燃料タンク内の燃料の蒸発量が多くなると発電効率の低下を招くことになる。これに対して、本実施例の燃料電池システムでは、燃料排ガス回収ライン１９の燃料排ガスおよび燃料排液回収ライン２０の燃料排液と、燃料供給ラインの液体燃料との間で熱交換する熱交換器３２を設け、燃料排ガスおよび燃料排液の温度を低下させた後、それぞれ燃料タンク１２および水回収タンク２１に戻すシステム構成となっている。 When the fuel cell is continuously operated with the stack temperature controlled within the above-described control temperature range, the exhaust gas separated by the gas-liquid separator 18 is directly returned to the fuel tank, or the fuel exhaust liquid once stored in the water recovery tank 21. Is supplied to the fuel tank 12 for the purpose of controlling the fuel concentration in the fuel tank 12, the fuel temperature in the fuel tank 12 approaches the operating temperature of the stack 11. Since the stack temperature during steady power generation is higher than the boiling point of the fuel, the fuel contained in the liquid fuel in the fuel tank 12 may evaporate. When the amount of fuel evaporation in the fuel tank increases, the power generation efficiency decreases. In contrast, in the fuel cell system of the present embodiment, heat exchange is performed for heat exchange between the fuel exhaust gas in the fuel exhaust gas recovery line 19 and the fuel exhaust liquid in the fuel exhaust liquid recovery line 20 and the liquid fuel in the fuel supply line. A system 32 is provided to reduce the temperature of the fuel exhaust gas and the fuel exhaust liquid, and then return them to the fuel tank 12 and the water recovery tank 21, respectively.
このように熱交換器３２を設けることによって、気液分離器１８により分離された排燃料は、燃料電池スタックに供給される前の液体燃料との間の熱交換で温度が下げられた後、燃料タンク１２、水回収タンク２１に戻されるため、燃料タンク１２および水回収タンク２１の温度をスタック１１の運転温度よりも低い温度で保持することが可能となり、燃料タンク１２の液体燃料中の燃料の蒸発を防止できる。 By providing the heat exchanger 32 in this manner, after the temperature of the exhaust fuel separated by the gas-liquid separator 18 is lowered by heat exchange with the liquid fuel before being supplied to the fuel cell stack, Since the fuel tank 12 and the water recovery tank 21 are returned to each other, the temperature of the fuel tank 12 and the water recovery tank 21 can be maintained at a temperature lower than the operating temperature of the stack 11, and the fuel in the liquid fuel in the fuel tank 12 can be maintained. Can be prevented from evaporating.
なお、燃料排ガスについては、熱交換器３２を用いて温度を下げた後も、その気体部分にメタノールが残存しているため、燃料タンク１２の気相部分に燃料排ガスを戻した場合には、燃料タンク１２の排気口から燃料排ガス中で気体として存在する燃料が外部に放出されてしまう。そのため、燃料タンク１２に燃料排ガスを戻す際は、図１に示したように燃料タンク１２内に燃料排ガス回収ラインと接続された燃料排ガスバブリング部３５を設け、燃料タンク１２内の液体燃料中に燃料排ガスを直接バブリングすることによって、燃料排ガスに気体として存在する燃料を液体燃料に溶解させて回収することが望ましい。 As for the fuel exhaust gas, even after the temperature is lowered using the heat exchanger 32, methanol remains in the gas portion. Therefore, when the fuel exhaust gas is returned to the gas phase portion of the fuel tank 12, The fuel existing as gas in the fuel exhaust gas is discharged from the exhaust port of the fuel tank 12 to the outside. Therefore, when the fuel exhaust gas is returned to the fuel tank 12, a fuel exhaust gas bubbling portion 35 connected to the fuel exhaust gas recovery line is provided in the fuel tank 12 as shown in FIG. By directly bubbling the fuel exhaust gas, it is desirable to dissolve and recover the fuel present as a gas in the fuel exhaust gas in the liquid fuel.
また、燃料排液回収ライン２０から水回収タンク２１に回収した燃料排液中には、気化せずに残った燃料が若干含まれる。これをカソードの加湿水として使用しても、カソードの電位低下に与える影響は小さいが、図２に示したように、水回収タンク内に水を選択的に透過するパーベーパレーション膜を設置し、パーベーパレーション膜と透過した水をカソード加湿水に使用することで、メタノールの混入を防ぐことが可能となる。具体的には、パーベーパレーション膜は、水回収タンク内にパーベーパレーション膜を介して燃料排液中を回収する燃料排液貯蔵室とパーベーパレーション膜を透過した透過水を貯蔵する透過水貯蔵室が分離される構造になるように設置される。この透過水貯蔵室と加湿器２４を連結し、透過水貯蔵室から透過水が加湿器２４に送られる構成とすればよい。パーベーパレーション膜の一例としては、ゼオライト膜、ポリイミド膜などが挙げられる。 In addition, the fuel drainage recovered from the fuel drainage recovery line 20 to the water recovery tank 21 contains some fuel that remains without being vaporized. Even if this is used as humidifying water for the cathode, the effect on the cathode potential drop is small, but as shown in FIG. 2, a pervaporation membrane that selectively permeates water is installed in the water recovery tank. By using the pervaporation membrane and the permeated water as the cathode humidified water, it is possible to prevent methanol from being mixed. Specifically, the pervaporation membrane includes a fuel drainage storage chamber for recovering the fuel drainage through the pervaporation membrane in the water recovery tank, and a permeate for storing the permeated water that has permeated the pervaporation membrane. The storage room is installed so as to be separated. The permeated water storage chamber and the humidifier 24 may be connected so that the permeated water is sent from the permeated water storage chamber to the humidifier 24. Examples of pervaporation membranes include zeolite membranes and polyimide membranes.
以上説明したとおり、本実施例の燃料電池システムは、排燃料中の燃料と水を分離して燃料を選択的に燃料タンクに戻す構成により、発電で生成した多量の水が燃料タンクに戻されることがなく、長期間燃料電池を運転することができる。また、本実施例の燃料電池システムでは、スタック温度をコントロールすることで排燃料中の燃料と水を分離でき、分離のための加熱源等を設ける必要がないため、システム全体の効率を向上できる。 As described above, the fuel cell system of the present embodiment separates the fuel and water in the exhaust fuel and selectively returns the fuel to the fuel tank, so that a large amount of water generated by power generation is returned to the fuel tank. And the fuel cell can be operated for a long time. Further, in the fuel cell system of this embodiment, the fuel and water in the exhausted fuel can be separated by controlling the stack temperature, and it is not necessary to provide a heating source or the like for the separation, so that the efficiency of the entire system can be improved. .
なお、本発明のアルカリ形燃料電池に供給する液体燃料に含まれる燃料としては、水よりも沸点が低い燃料であればよく、例えば、メタノール（沸点６４.６℃）の他にエタノール（沸点７８.４℃）、２−プロパノール（沸点８２.４°）などを使用することができる。 The fuel contained in the liquid fuel supplied to the alkaline fuel cell of the present invention may be a fuel having a boiling point lower than that of water. For example, in addition to methanol (boiling point 64.6 ° C.), ethanol (boiling point 78). 0.4 ° C), 2-propanol (boiling point 82.4 °), and the like can be used.
（実施例２）
図３は、本実施例に係る直接メタノール形アルカリ燃料電池システムの別の形態の一例である。本実施例では、気液分離器１８で分離した燃料排液の液体の一部を、水供給ポンプ２２を用いて直接加湿器２４に送ることを特徴としている。気液分離器１８で燃料排液は液体と気体に分離されるが、分離された液体の温度はほぼスタック温度と等しい温度であることから、定常発電時においては、加湿器２４で加湿水を加熱する必要がなくなるため、加湿水の加熱による燃料電池システムのシステム効率低下を抑制できる。なお、本実施例においても、気液分離器１８で分離した燃料排液の液体には、わずかではあるが気化せずに残った燃料（メタノール）が若干含まれる。上述したように、これをカソードの加湿水として使用しても、カソードの電位低下に与える影響は小さいが、気液分離器１８内に水を選択的に透過するパーベーパレーション膜を設置し、パーベーパレーション膜を透過した液体を加湿器２４に送液すれば、カソード加湿水へのメタノールの混入を防ぐことが可能となる。
(Example 2)
FIG. 3 is an example of another form of the direct methanol alkaline fuel cell system according to the present embodiment. This embodiment is characterized in that a part of the liquid of the fuel drained liquid separated by the gas-liquid separator 18 is sent directly to the humidifier 24 using the water supply pump 22. The fuel waste liquid is separated into liquid and gas by the gas-liquid separator 18, but the temperature of the separated liquid is substantially equal to the stack temperature. Since there is no need for heating, it is possible to suppress a decrease in system efficiency of the fuel cell system due to heating of the humidified water. Also in this embodiment, the fuel drain liquid separated by the gas-liquid separator 18 contains a small amount of fuel (methanol) that remains slightly but does not vaporize. As described above, even if this is used as the humidifying water for the cathode, the influence on the potential decrease of the cathode is small. If the liquid that has permeated through the pervaporation membrane is sent to the humidifier 24, it is possible to prevent methanol from being mixed into the cathode humidified water.
（実施例３）
図４は、本発明に係る直接メタノール形燃料電池システムの別の形態の一例である。本燃料電池システムは、スタック１１の発電性能を高くすることを目的に、液体燃料中に水酸化カリウム、水酸化ナトリウムに代表されるアルカリ性物質を添加することを特徴としている。アルカリ性物質の添加により、スタック１１内の発電部である膜電極接合体（ＭＥＡ）内でのイオン伝導度が高くなり、ＭＥＡの発電性能が大幅に向上する。本実施例の燃料電池システムは、燃料タンク１２内の燃料をアルカリ性に保つための、高濃度のアルカリ溶液を収容したアルカリカートリッジ３８、アルカリカートリッジ３８内のアルカリ溶液を燃料タンク１２に注入するためのアルカリ供給ポンプおよびアルカリ供給ライン４０、燃料タンク１２内のｐＨを測定するためのｐＨセンサ３７を有する。本実施例においては、気液分離器１８で分離した液体部にアルカリ性物質が多量に含まれ、そのままでは加湿水として利用することができないため、水回収タンク内に逆浸透膜４１を設置し、逆浸透膜４１を透過した水のみを加湿器２４に供給する構成となっている。逆浸透膜４１としては、ポリアミド製の中空糸膜などが挙げられる。
(Example 3)
FIG. 4 is an example of another form of the direct methanol fuel cell system according to the present invention. This fuel cell system is characterized in that an alkaline substance typified by potassium hydroxide and sodium hydroxide is added to the liquid fuel for the purpose of enhancing the power generation performance of the stack 11. By adding the alkaline substance, the ion conductivity in the membrane electrode assembly (MEA), which is the power generation unit in the stack 11, is increased, and the power generation performance of the MEA is greatly improved. The fuel cell system according to the present embodiment includes an alkali cartridge 38 containing a high-concentration alkaline solution for keeping the fuel in the fuel tank 12 alkaline, and an alkali solution in the alkali cartridge 38 for injecting the alkaline solution into the fuel tank 12. An alkali supply pump and alkali supply line 40 and a pH sensor 37 for measuring the pH in the fuel tank 12 are provided. In the present embodiment, the liquid part separated by the gas-liquid separator 18 contains a large amount of alkaline substance and cannot be used as humidified water as it is, so the reverse osmosis membrane 41 is installed in the water recovery tank, Only water that has passed through the reverse osmosis membrane 41 is supplied to the humidifier 24. Examples of the reverse osmosis membrane 41 include a hollow fiber membrane made of polyamide.
以上、アニオン交換型燃料電池システムにおいては、実施例１〜３で述べてきたようなシステム構成にすることにより、燃料電池のシステム効率を下げることなく、効果的に排燃料中の残燃料を濃縮できることで、長期にわたり燃料タンクが溢れることなく運転可能となる。 As described above, in the anion exchange type fuel cell system, the remaining fuel in the exhausted fuel is effectively concentrated without reducing the system efficiency of the fuel cell by adopting the system configuration as described in the first to third embodiments. As a result, the fuel tank can be operated without overflowing for a long time.
なお、実施例１〜３では、メタノールを燃料とした直接メタノール形燃料電池を例として説明したが、本発明の内容はエタノールを燃料として用いる直接エタノール形燃料電池といった、他の水よりも沸点の低い燃料と水を含む液体燃料を使用する燃料電池にも適用可能であり、直接メタノール形燃料電池に限定されるものではない。 In Examples 1 to 3, a direct methanol fuel cell using methanol as a fuel has been described as an example. However, the present invention has a boiling point higher than that of other water such as a direct ethanol fuel cell using ethanol as a fuel. The present invention can also be applied to a fuel cell using a liquid fuel containing a low fuel and water, and is not limited to a direct methanol fuel cell.
１１ スタック
１２ 燃料タンク
１３ 燃料ポンプ
１４ 燃料供給ライン
１５ 燃料回収ライン
１６ ブロア
１７ 吸気ライン
１８ 気液分離器
１９ 燃料排ガス回収ライン
２０ 燃料排液回収ライン
２１ 水回収タンク
２２ 水供給ポンプ
２３ 水供給ライン
２４ 加湿器
２５、３３ 排気口
２６ 高濃度メタノールカートリッジ
２７ 高濃度メタノール供給ポンプ
２８ 高濃度メタノール供給ライン
２９ モニタ・制御回路
３０ 水位センサ
３１ メタノール濃度センサ
３２ 熱交換器
３４ 温度センサ
３５ 燃料排ガスバブリング部
３６ パーベーパレーション膜
３７ ｐＨセンサ
３８ アルカリカートリッジ
３９ アルカリ供給ポンプ
４０ アルカリ供給ライン
４１ 逆浸透膜
11 Stack 12 Fuel tank 13 Fuel pump 14 Fuel supply line 15 Fuel recovery line 16 Blower 17 Intake line 18 Gas-liquid separator 19 Fuel exhaust gas recovery line 20 Fuel exhaust liquid recovery line 21 Water recovery tank 22 Water supply pump 23 Water supply line 24 Humidifiers 25, 33 Exhaust port 26 High concentration methanol cartridge 27 High concentration methanol supply pump 28 High concentration methanol supply line 29 Monitor / control circuit 30 Water level sensor 31 Methanol concentration sensor 32 Heat exchanger 34 Temperature sensor 35 Fuel exhaust gas bubbling section 36 Par Vaporization membrane 37 pH sensor 38 Alkaline cartridge 39 Alkali supply pump 40 Alkaline supply line 41 Reverse osmosis membrane
Claims (14)
前記アノード極に供給する、水よりも沸点の低い燃料と水を含む液体燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記アルカリ形燃料電池のアノード極から排出される排燃料中の液体と気体を分離する気液分離器と、
前記気液分離器により分離された気体を前記燃料タンクに戻す燃料排ガス回収ラインと、
前記気液分離器により分離された液体を貯蔵する水回収タンクと、
定常発電時の前記スタックの温度を前記燃料の沸点よりも高く、前記液体燃料の沸点よりも低い温度に制御する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 An alkaline fuel cell that generates electric power by a stack in which a plurality of membrane electrode assemblies each having an anode electrode on one surface and a cathode electrode on the other surface are stacked;
A fuel tank for supplying the anode electrode with a fuel having a lower boiling point than water and a liquid fuel containing water;
A gas-liquid separator that separates liquid and gas in the exhaust fuel discharged from the anode electrode of the alkaline fuel cell;
A fuel exhaust gas recovery line for returning the gas separated by the gas-liquid separator to the fuel tank;
A water recovery tank for storing the liquid separated by the gas-liquid separator;
A fuel cell system comprising control means for controlling the temperature of the stack during steady power generation to a temperature higher than the boiling point of the fuel and lower than the boiling point of the liquid fuel.
前記気液分離器により分離された気体は前記第一の熱交換器で熱交換した後、前記燃料タンクに戻されることを特徴とする燃料電池システム。 In Claim 1, it has the 1st heat exchanger for carrying out heat exchange between the gas which circulates through the fuel exhaust gas recovery line, and the liquid fuel supplied to the anode electrode from the fuel tank,
The gas separated by the gas-liquid separator is heat-exchanged by the first heat exchanger and then returned to the fuel tank.
前記気液分離器により分離された液体は前記第二の熱交換器で熱交換した後、前記水回収タンクに回収されることを特徴とする燃料電池システム。 In Claim 2, it has the 2nd heat exchanger for exchanging heat between the liquid separated by the gas-liquid separator, and the liquid fuel supplied to the anode electrode from the fuel tank,
The liquid separated by the gas-liquid separator is heat-recovered by the second heat exchanger and then recovered in the water recovery tank.
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| JP2015028861A (en) * | 2013-07-30 | 2015-02-12 | ダイハツ工業株式会社 | Fuel battery system |
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- 2011-10-28 JP JP2011236605A patent/JP2013097870A/en active Pending
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