JP4830278B2 - 燃料電池システム及び発電用燃料容器 - Google Patents
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Description
一般に、固体高分子膜を電解質膜(イオン交換膜)とする燃料電池(固体高分子型燃料電池)における発電動作は、アノード極(燃料極)において発電用燃料から水素イオンと電子が生成され、該水素イオンが電解質膜を介して透過し、カソード極(酸素極)側で酸素分子と結合する際に、アノード極側からカソード極側へ移動する電子を取り出すことにより電気エネルギー(電力)を得ることができるものである。
図12に示すように、まず、燃料電池本体110Aは、概略、所定の触媒微粒子(例えば、白金や白金・ルテニウム等)が付着した炭素電極からなるアノード極111と、所定の触媒微粒子(白金等)が付着した炭素電極からなるカソード極112と、アノード極111とカソード極112の間に介挿されたフィルム状の電解質膜(イオン交換膜)113と、を有して構成されている。
2CH3OH+2H2O → 12H++12e−+2CO2 ・・・(21)
なお、この化学反応においては、メタノールCH3OHのほかに、反応を促進するために水H2Oを必要とするため、数%のメタノール水溶液が適用される。
12H++3O2+12e− → 6H2O ・・・(22)
2H2 → 4H++4e− ・・・(23)
4H++O2+4e− → 2H2O ・・・(24)
(2)砂埃や黄砂等に含まれる粉塵
(3)衣類や布団等の繊維くずや綿埃
(4)建材用塗料等で使用される有機溶剤に含まれる揮発性有機物質
(5)草木の花粉や種子
(6)潮風に含まれる塩素系物質、ナトリウム系物質
(7)糞尿等から発生する窒素酸化物NH3や硫化水素H2S
(8)温泉地等出発生する硫黄等の火山性ガスS
発電用燃料が封入された燃料封入部、及び、前記燃料電池システム周辺の空気が通過する導入路を備えた燃料容器と、
前記導入路を介して、前記燃料電池システム周辺の空気を取り込んで、少なくとも前記燃料電池本体の空気極に酸素を供給する空気供給制御手段と、
を有し、
前記燃料容器は、前記導入路内に前記空気中に含まれる不純物を捕集するためのフィルタを備え、
前記フィルタは、少なくとも、前記燃料電池本体における発電動作を阻害する粒子状物質及び化学物質を、前記空気中から除去する捕集能力を有し、
前記フィルタは、少なくとも、前記燃料封入部に封入された前記発電用燃料の封入量によって設定される前記燃料電池本体における発電動作の継続可能時間に対応した捕集能力寿命を有し、
前記捕集能力寿命は、捕集能力効率の変化によって定められ、
前記発電用燃料を取り出すための燃料取出口が前記燃料容器の一端部に設けられ、前記燃料封入部内で前記発電用燃料を前記燃料取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部が前記燃料容器の他端部に設けられていることを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、前記導入路に接続され、前記空気を前記空気供給制御部に取り出すための空気取出口が前記燃料容器に設けられ、前記燃料取出口と前記空気取出口とが、前記燃料容器の異なる面に配置されていることを特徴とする。
前記発電用燃料は、炭化水素系の液体燃料が好ましい。
発電用燃料が封入された燃料封入部と、
前記燃料電池本体における発電動作に用いられる空気が通過する導入路と、
前記導入路内に前記空気中に含まれる不純物を捕集するためのフィルタと、
を備え、
前記フィルタは、少なくとも、前記燃料電池本体における発電動作を阻害する粒子状物質及び化学物質を、前記空気中から除去する捕集能力を有し、
前記フィルタは、少なくとも、前記燃料容器に封入された前記発電用燃料の封入量によって設定される前記燃料電池本体における発電動作の継続可能時間に対応した捕集能力寿命を有し、
前記捕集能力寿命は、捕集能力効率の変化によって定められ、
前記発電用燃料を取り出すための燃料取出口が前記燃料容器の一端部に設けられ、前記燃料封入部内で前記発電用燃料を前記燃料取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部が前記燃料容器の他端部に設けられていることを特徴とする。
前記発電用燃料容器は、前記燃料封入部に設けられた前記開口部を介して注入される空気の圧力により、前記発電用燃料が前記燃料取出口から取り出されてもよい。
前記発電用燃料は、炭化水素系の液体燃料が好ましい。
<第1の実施形態>
<燃料電池システム>
まず、本発明に係る燃料電池システムの全体構成について説明する。
(発電セル部11)
本実施形態に係る燃料電池システムに適用される発電セル部(燃料電池本体)11は、図13に示した固体高分子型の燃料電池と同等の構成を有し、概略、白金や白金・ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなるアノード極(燃料極)と、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなるカソード極(空気極)と、アノード極とカソード極の間に介挿されたフィルム状の電解質膜(イオン交換膜)と、を有し、アノード極側には、後述する燃料供給制御部14及び改質部12により発電用燃料(メタノールCH3OH)を改質して得られた水素ガスH2が供給され、一方、カソード極側には後述する空気供給制御部16により大気(空気)中の酸素O2が供給されるように構成されている。
図2は、本実施形態に係る燃料電池システムに適用される改質部の一構成例を示す概略図である。図3は、本実施形態に係る燃料電池システムに適用される改質部における各化学反応の一例を示す概念図である。
具体的には、改質部12において、例えば、メタノールCH3OH及び水H2Oから、水素ガスH2を生成する場合にあっては、図3(a)に示すように、まず、燃料気化器12aにおける蒸発過程において、薄膜ヒータHa及び燃焼器12dを制御して、メタノールCH3OH及び水H2Oの沸点程度の温度条件(例えば、概ね120℃程度)に設定することにより、燃料カートリッジ20から供給されたメタノールCH3OH及び水H2Oを個別に加熱して、もしくは、混合液体を一括して加熱して気化する。
CH3OH+H2O → 3H2+CO2 ・・・(1)
CO+H2O →CO2+H2 ・・・(2)
CO+(1/2)O2 →CO2 (3)
燃料供給制御部14は、燃料カートリッジ20(燃料封入部21)と発電モジュール10との着脱可能な接続を行なうためのインターフェースとしての機能を有するとともに、少なくとも燃料カートリッジ20に封入された発電用燃料(メタノールCH3OH)を、上述した改質器12に対して供給するタイミング及び供給量を制御する機能を有している。
水供給制御部15は、燃料カートリッジ20(水封入部22)と発電モジュール10との着脱可能な接続を行なうためのインターフェースとしての機能を有するとともに、少なくとも燃料カートリッジ20に封入された水H2Oを、上述した改質部12及び発電セル部11に対して供給するタイミング及び供給量を制御する機能を有している。
水回収制御部13は、発電セル部11における発電動作に係る電気化学反応において、副生成物として生成される水H2Oを回収して、例えば、発電セル部11に再度供給し、電解質膜(イオン交換膜)を所定の湿潤状態に保持したり、改質部12(燃料気化器12a、CO除去器12c)に供給して燃料改質反応の各化学反応に用いられるようにする。なお、水回収制御部13は、具体的には、液体ポンプや流量制御バルブ、流路切換バルブ等(もしくは、これらと同等の機能を有する供給機構)を備えた構成を適用することができる。
空気供給制御部16は、燃料カートリッジ20に設けられた大気の導入路23と発電モジュール10との着脱可能な接続を行なうためのインターフェースとしての機能を有するとともに、少なくとも該導入路23を介して取り込んだ大気(酸素O2)を、発電セル部11のカソード極側(空気極)に接続されたセル側供給経路RTaを介して供給する。さらに、該大気の一部を、改質部12の燃焼器12dにおけるメタノールガスCH3OH又は水素ガスH2の燃焼に用いるために改質側供給経路RTbを介して燃焼器12dに供給する。ここで、空気供給制御部16は、具体的には、エアポンプや流量制御バルブ、流路切換バルブ等(もしくは、これらと同等の機能を有する供給機構)を備えた構成を適用することができる。
図4は、本発明に係る燃料電池システムに適用可能な燃料カートリッジの一例を示す概略構成図である。なお、図4においては、燃料カートリッジの構成を明確に図示するために、内部に封入された発電用燃料(メタノール)及び水について、便宜的にハッチングを施した。
次に、上述したような構成を有する燃料電池システム(燃料カートリッジ)に適用されるフィルタの捕集能力について詳しく説明する。
上述したように、燃料カートリッジ20の導入路23に配置されるフィルタ24は、上述したように、発電セル部11における発電動作を阻害する粒子状物質や化学物質等の不純物の流入を捕集、除去して、カソード極への純度の高い酸素O2を供給することを目的としている。したがって、以下のフィルタの捕集能力の検討においても、粒子状物質の捕集能力及び化学物質の捕集能力を個別に検討するものとする。
図6は、本実施形態に適用されるフィルタの構成を示す概略断面図である。
本実施形態に適用されるフィルタ24は、図6に示すように、概略、通気性シート24a、静電シート24b、活性炭付通気性シート24c、静電シート24d及び通気性シート24eを順次積層した構造を有している。
図7は、本実施形態に適用されるリサーキュレーションフィルタの性能ライフを検出するための試験装置の原理を示す概略図であり、図8は、本実施形態に適用されるリサーキュレーションフィルタの性能ライフの検出結果(実験結果)を示す特性図である。
ここで、フィルタの不純物捕集効率EFFは、図7に示すように、EFF(%)=100×(C1−C2)/C1で定義される。ここで、C1は、フィルタFTaの上流側の気体に含まれる不純物(粒子状物質)の粒子数であり、C2は、フィルタFTaの下流側の気体に含まれる不純物の粒子数である。
110.7cm2×5cm/sec×52602ptcl/cm3=2.9×107ptcl/sec ・・・(4)
2.9×107ptcl/sec ×35min×60sec=6.1×1010ptcl ・・・(5)
(イ)フィルタの有効面積を110.7cm2に固定する。
(ロ)現在主流となっている携帯型の電子機器であるノートPC等に多用されている、15W出力の駆動バッテリに相当する燃料電池システムを想定した場合に、フィルタに流れる空気量を1.5L/min(=25cm3/sec)に設定する。
(ハ)一般の大気中に含まれる不純物の粒子数は、クラス10,000〜100,000であることから、より厳しい条件として、クラス100,000を不純物の粒子数に設定する。
100,000ptcl/feet3=3.53ptcl/cm3 ・・・(6)
25cm3/sec×3.53ptcl/cm3=88.3ptcl/sec ・・・(7)
6.1×1010ptcl÷88.3ptcl/sec=6.9×108sec=21.8year ・・・(8)
図9は、本実施形態に適用されるケミカルフィルタの性能ライフを検出するための試験装置の原理を示す概略図であり、図10は、本実施形態に適用されるケミカルフィルタの性能ライフの検出結果(実験結果)を示す特性図である。
107.8ng/cc×25.9cc/min=2792ng/min ・・・(9)
2792ng/min×42min=117264ng ・・・(10)
(イ)フィルタの有効面積を2.57cm2に固定する。
(ロ)現在主流となっている携帯型の電子機器であるノートPC等に多用されている、15W出力の駆動バッテリに相当する燃料電池システムを想定した場合に、フィルタに流れる空気量を1.5L/min(=25cm3/sec)に設定する。
(ハ)一般の大気中に含まれる二酸化硫黄SO2の濃度を、国立環境研究所の環境数値データに基づいて、0.0078ng/ccに設定する。
1500cc/min×0.0078ng/cc=11.7ng/min ・・・(11)
したがって、二酸化硫黄濃度が0.0078ng/ccの大気を取り込み、15W出力の燃料電池システム(駆動バッテリ)を駆動させるために、該大気に基づく酸素O2を発電セル部11へ供給した場合において、上記(10)式に示したフィルタの性能ライフにおける不純物の総捕集量(二酸化硫黄の総吸着量)から導出される駆動可能時間は、次の(12)式のように膨大な時間で表される。
117264ng÷11.7ng/min=10022min=167hr ・・・(12)
次いで、上述したような構成を有する燃料電池システムにおける発電動作について簡単に説明する。
本実施形態に係る燃料電池システムにおける発電動作は、まず、発電モジュール10に燃料カートリッジ20を装着することにより、燃料封入部21の燃料取出部21a、水封入部22の水取出部22a、導入路23の大気取出部23bが、各々、燃料供給制御部14の燃料取込経路、水供給制御部15の水取込経路、空気供給制御部16の大気取込経路に接続されて、発電用燃料、水及び大気(酸素)が発電モジュールへ供給可能な状態に設定される。
次いで、本発明に係る燃料電池システムの第2の実施形態について、図面を参照して説明する。
図11は、本発明に係る燃料電池システムの第2の実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。ここで、上述した第1の実施形態と同等の構成については、同一又は同等の符号を付してその説明を簡略化又は省略する。
11 発電セル部
12 改質部
13 水回収制御部
14 燃料供給制御部
15 水供給制御部
16 空気供給制御部
20 燃料カートリッジ
21 燃料封入部
22 水封入部
23 導入路
24 フィルタ
Claims (9)
- 発電動作を行う燃料電池本体を備えた燃料電池システムにおいて、
発電用燃料が封入された燃料封入部、及び、前記燃料電池システム周辺の空気が通過する導入路を備えた燃料容器と、
前記導入路を介して、前記燃料電池システム周辺の空気を取り込んで、少なくとも前記燃料電池本体の空気極に酸素を供給する空気供給制御手段と、
を有し、
前記燃料容器は、前記導入路内に前記空気中に含まれる不純物を捕集するためのフィルタを備え、
前記フィルタは、少なくとも、前記燃料電池本体における発電動作を阻害する粒子状物質及び化学物質を、前記空気中から除去する捕集能力を有し、
前記フィルタは、少なくとも、前記燃料封入部に封入された前記発電用燃料の封入量によって設定される前記燃料電池本体における発電動作の継続可能時間に対応した捕集能力寿命を有し、
前記捕集能力寿命は、捕集能力効率の変化によって定められ、
前記発電用燃料を取り出すための燃料取出口が前記燃料容器の一端部に設けられ、前記燃料封入部内で前記発電用燃料を前記燃料取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部が前記燃料容器の他端部に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記空気供給制御手段は、前記導入路を介して取り込んだ前記燃料電池システム周辺の空気を、前記開口部を介して注入することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記導入路に接続され、前記空気を前記空気供給制御部に取り出すための空気取出口が前記燃料容器に設けられ、
前記燃料取出口と前記空気取出口とが、前記燃料容器の同一面に配置されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記導入路に接続され、前記空気を前記空気供給制御部に取り出すための空気取出口が前記燃料容器に設けられ、
前記燃料取出口と前記空気取出口とが、前記燃料容器の異なる面に配置されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記発電用燃料の前記燃料取出口側とは反対の他端側に接するように、前記発電用燃料に追従する追従体が設けられていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 発電動作を行う燃料電池本体を備えた燃料電池システムの発電用燃料容器において、
発電用燃料が封入された燃料封入部と、
前記燃料電池本体における発電動作に用いられる空気が通過する導入路と、
前記導入路内に前記空気中に含まれる不純物を捕集するためのフィルタと、
を備え、
前記フィルタは、少なくとも、前記燃料電池本体における発電動作を阻害する粒子状物質及び化学物質を、前記空気中から除去する捕集能力を有し、
前記フィルタは、少なくとも、前記燃料容器に封入された前記発電用燃料の封入量によって設定される前記燃料電池本体における発電動作の継続可能時間に対応した捕集能力寿命を有し、
前記捕集能力寿命は、捕集能力効率の変化によって定められ、
前記発電用燃料を取り出すための燃料取出口が前記燃料容器の一端部に設けられ、前記燃料封入部内で前記発電用燃料を前記燃料取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部が前記燃料容器の他端部に設けられていることを特徴とする発電用燃料容器。 - 前記燃料取出口と、前記導入路に接続された前記空気を取り出すための空気取出口とが、前記燃料容器の同一方向の面に配置されていることを特徴とする請求項6に記載の発電用燃料容器。
- 前記燃料取出口と、前記導入路に接続された前記空気を取り出すための空気取出口とが、前記燃料容器の異なる方向の面に配置されていることを特徴とする請求項6に記載の発電用燃料容器。
- 前記発電用燃料の前記燃料取出口側とは反対の他端側に接するように、前記発電用燃料に追従する追従体が設けられていることを特徴とする請求項6又は7に記載の発電用燃料容器。
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