JP2009283245A - Fuel cell system, and control method of hydrogen generation amount - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素発生物質に水を供給して水素ガスを発生させる燃料電池システムおよび水素発生量制御方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system and a hydrogen generation amount control method for generating hydrogen gas by supplying water to a hydrogen generating material.
近年、ノートパソコンや携帯電話等に使用されるポータブル電源の高容量化が要望されており、リチウムイオン二次電池に代わる電源として燃料電池が注目されている。 In recent years, there has been a demand for a high capacity portable power source used in notebook computers, mobile phones, and the like, and fuel cells have attracted attention as power sources that can replace lithium ion secondary batteries.
燃料電池は、燃料と酸素さえ供給すれば連続的に使用することができるという利点があり、その燃料となる水素発生物質に関しては様々な種類がある。 Fuel cells have the advantage that they can be used continuously as long as they are supplied with fuel and oxygen, and there are various types of hydrogen generating substances that serve as the fuel.
例えば、水素発生物質として代表的なアルミニウムと水との主な反応式は式(1)のように表され、水素発生物質毎に反応する当量は決まっている。
2Al+6H20→2Al(OH)3+3H2 ……(1)
For example, a main reaction formula between aluminum and water, which is a typical hydrogen generating material, is expressed as shown in Equation (1), and the equivalent amount for each hydrogen generating material is determined.
2Al + 6H 2 0 → 2Al (OH) 3 + 3H 2 (1)
ところが、多くの水素発生物質はその表面に酸化被膜が存在しているため、内部に向かって反応が進みにくく、水素発生物質を100%反応に寄与させることが困難である。 However, since many hydrogen generating materials have an oxide film on the surface thereof, the reaction hardly proceeds inward and it is difficult to make the hydrogen generating material contribute 100% to the reaction.
一方、水については、水素発生物質に十分な反応表面があれば、水素発生物質からなる充填材の空隙に滴下させれば、ほぼ全量を反応に寄与させることが可能である。 On the other hand, if water has a sufficient reaction surface for the hydrogen generating material, almost the entire amount can be contributed to the reaction by dropping it into the voids of the filler made of the hydrogen generating material.
例えば、特許文献1には、所定量のアルミニウム粉末と酸化カルシウム粉末を混合した水素発生剤を容器内に収容し、その容器内にポンプなどを用いて一定量の水を連続的若しくは断続的に導入することによって、長期にわたって一定量の水素を発生させることができる水素発生装置が開示されている。 For example, in Patent Document 1, a hydrogen generating agent obtained by mixing a predetermined amount of aluminum powder and calcium oxide powder is contained in a container, and a certain amount of water is continuously or intermittently used in the container using a pump or the like. A hydrogen generation apparatus that can generate a certain amount of hydrogen over a long period of time by introducing is disclosed.
また、特許文献2に記載の水素ガス発生装置では、水供給ポンプとアルカリ水溶液ポンプとを用い、ポンプ圧を上昇するだけで反応容器内を容易に高圧にすることができ、反応容器の内部に高圧反応場を形成することができるようになっている。
In addition, in the hydrogen gas generator described in
また、特許文献3〜6には、反応容器内の水素発生材料に対し、水の供給量を制御する手段を備えた水素製造装置が開示されている。
しかしながら、水素発生物質への水の供給量は、ノートパソコンや携帯電話等の水素消費量、換言すれば負荷側の水素需要に応じて制御する必要があるが、そのための具体的な方法は実現されていない。 However, the amount of water supplied to the hydrogen generating material must be controlled according to the amount of hydrogen consumed by laptop computers, mobile phones, etc., in other words, according to the demand for hydrogen on the load side. It has not been.
例えば、特許文献2において、水素ガスの圧力を圧力調整器によって所定の圧力に調整する方法、また、特許文献5において、給水紙を介して水タンクと反応器とを接続し、給水紙の毛細管現象によって一定微量流量を供給する方法が述べられているに過ぎない。
For example, in
金属微粒子を水やアルカリ水溶液と反応させて水素を得るタイプの水素製造装置では、生成されるガスがほぼ水素のみであるため、高純度の水素ガスを得ることができるという特徴があるとともに、一酸化炭素の発生がないことから一酸化炭素の被毒に弱い固体高分子型燃料電池にとっては有利である。 In a hydrogen production apparatus that obtains hydrogen by reacting metal fine particles with water or an alkaline aqueous solution, the generated gas is almost only hydrogen, so that it has a feature that high-purity hydrogen gas can be obtained. Since there is no generation of carbon oxide, it is advantageous for a polymer electrolyte fuel cell that is vulnerable to poisoning of carbon monoxide.
しかしながら、この種の水素製造装置では、水を供給してから反応によって水素が発生するまでの時間は、水素発生物質の粒子径と温度に依存するものの、早くても数分を要し、逆に、水の供給を停止しても水素ガスの発生が停止するまでに数分を要する(特許文献6の図1および図2参照)。 However, in this type of hydrogen production apparatus, the time from when water is supplied until hydrogen is generated by the reaction depends on the particle size and temperature of the hydrogen-generating substance, but it takes several minutes at the earliest. Even if the supply of water is stopped, it takes several minutes until the generation of hydrogen gas stops (see FIGS. 1 and 2 of Patent Document 6).
従って、特許文献2に示されるように、圧力調整器による制御は停止時において数分間、水素ガスを生成し続けるために反応器内に大きな過剰圧が発生する虞がある。それを避けるためには圧力が一定になるように時定数の大きい、すなわち、応答速度の遅い制御系になることが避けられない。加えて、反応器の小型化を図ることが難しい。
Therefore, as shown in
また、特許文献5に示した制御系では、負荷側の水素需要に効率良く応答することが困難である。
In the control system shown in
本発明は以上のような従来の水素発生(製造)装置における課題を考慮してなされたものであり、簡単な構成で、負荷側の水素需要に比例して水を応答性良く供給することができる水素製造装置および水素発生量制御方法を提供するものである。 The present invention has been made in consideration of the problems in the conventional hydrogen generation (manufacturing) apparatus as described above, and is capable of supplying water with a simple structure in proportion to the load-side hydrogen demand with good responsiveness. The present invention provides a hydrogen production apparatus and a hydrogen generation amount control method.
本発明の燃料電池システムは、
水またはアルカリ性水溶液を蓄えるタンクと、
上記水またはアルカリ性水溶液と反応して水素を発生する水素発生物質を収納した反応器と、
上記タンク内の水またはアルカリ性水溶液を上記反応器に供給するポンプと、
上記反応器内で生成される水素ガスを燃料電池に供給する水素ガス流路と、
上記水素ガス流路に介設され、上記反応器から送り出される水素ガス流量に対応して上記ポンプからの水またはアルカリ性水溶液吐出量を制御する供給制御手段とを備えてなることを要旨とする。
The fuel cell system of the present invention comprises:
A tank for storing water or an alkaline aqueous solution;
A reactor containing a hydrogen generating material that reacts with the water or an aqueous alkaline solution to generate hydrogen;
A pump for supplying water or alkaline aqueous solution in the tank to the reactor;
A hydrogen gas flow path for supplying hydrogen gas generated in the reactor to the fuel cell;
The gist of the invention is that it comprises supply control means that is provided in the hydrogen gas flow path and controls the discharge amount of water or alkaline aqueous solution from the pump in accordance with the flow rate of hydrogen gas delivered from the reactor.
上記燃料電池システムにおいて、上記水素発生物質は、アルミニウム、マグネシウム、ケイ素、亜鉛および鉄からなる群より選択される少なくとも1種を含むことができる。 In the fuel cell system, the hydrogen generating material may include at least one selected from the group consisting of aluminum, magnesium, silicon, zinc, and iron.
上記燃料電池システムにおいて、上記供給制御手段として、上記水素ガス流路に設けられた流量計と、この流量計から出力される流量信号を、水素ガス流量に比例した交流電流に変換するインバーターとを有し、このインバーターによって上記ポンプをACモータで駆動するように構成することができる。 In the fuel cell system, as the supply control means, a flow meter provided in the hydrogen gas flow path, and an inverter that converts a flow signal output from the flow meter into an alternating current proportional to the hydrogen gas flow rate. And the inverter can be configured to be driven by an AC motor.
上記燃料電池システムにおいて、上記供給制御手段として、上記水素ガス流路に設けられた流量計と、この流量計から出力される流量信号を、水素ガス流量に比例したパルス信号に変換するPWM制御装置とを有し、このPWM制御装置によって上記ポンプをDCモータで駆動するように構成することができる。 In the fuel cell system, as the supply control means, a flow meter provided in the hydrogen gas flow path, and a PWM control device that converts a flow signal output from the flow meter into a pulse signal proportional to the hydrogen gas flow rate. The pump can be configured to be driven by a DC motor by this PWM control device.
上記燃料電池システムにおいて、上記供給制御手段として、上記水素ガス流路に設けられたタービンと、このタービンの回転軸に設けられたギヤと、上記ポンプの回転軸に設けられ上記ギヤに対して所定のギヤ比で歯合するギヤとを有し、上記タービンと上記ポンプとを連動させるように構成することができる。 In the fuel cell system, as the supply control means, a turbine provided in the hydrogen gas flow path, a gear provided on the rotating shaft of the turbine, and a gear provided on the rotating shaft of the pump are predetermined with respect to the gear. And a gear that meshes with the gear ratio, and the turbine and the pump can be linked to each other.
上記燃料電池システムにおいて、上記供給制御手段として、上記水素ガス流路に設けられたタービンと、このタービンの回転軸に設けられた発電機を有し、この発電機によって得られた電力で上記ポンプを駆動するように構成することができる。 In the fuel cell system, the supply control means includes a turbine provided in the hydrogen gas flow path and a generator provided on a rotating shaft of the turbine, and the pump is supplied with electric power obtained by the generator. Can be configured to be driven.
本発明の水素発生量制御方法は、
水またはアルカリ性水溶液をタンクに蓄え、上記水またはアルカリ性水溶液と反応して水素を発生する水素発生物質を反応器内に収容し、上記タンク内の水またはアルカリ性水溶液を上記反応器に供給し、上記反応器内で生成される水素ガスを燃料電池に供給し、上記反応器から送り出される水素ガス流量に比例して上記反応器への水またはアルカリ性水溶液の供給を制御することを要旨とする。
The hydrogen generation amount control method of the present invention is:
Water or alkaline aqueous solution is stored in a tank, a hydrogen generating substance that generates hydrogen by reacting with the water or alkaline aqueous solution is contained in the reactor, water or alkaline aqueous solution in the tank is supplied to the reactor, and The gist is to supply hydrogen gas generated in the reactor to the fuel cell, and to control the supply of water or alkaline aqueous solution to the reactor in proportion to the flow rate of hydrogen gas sent out from the reactor.
上記水素発生量制御方法において、上記水素ガス流量を流量計によって計測し、この流量計から出力される流量信号をインバーターによって、水素ガス流量に比例した交流電流に変換し、上記インバーターによって上記ポンプをACモータで駆動することができる。 In the hydrogen generation amount control method, the hydrogen gas flow rate is measured by a flow meter, the flow signal output from the flow meter is converted into an alternating current proportional to the hydrogen gas flow rate by an inverter, and the pump is turned on by the inverter. It can be driven by an AC motor.
上記水素発生量制御方法において、上記水素ガス流量を流量計によって計測し、この流量計から出力される流量信号をPWM制御装置によって、水素ガス流量に比例したパルス信号に変換し、上記ポンプをPWM制御されたDCモータで駆動することができる。 In the hydrogen generation amount control method, the hydrogen gas flow rate is measured by a flow meter, the flow rate signal output from the flow meter is converted into a pulse signal proportional to the hydrogen gas flow rate by a PWM controller, and the pump is PWM-controlled. It can be driven by a controlled DC motor.
上記水素発生量制御方法において、上記水素ガス流路にタービンを設け、このタービンの回転軸に設けられたギヤと、上記ポンプの回転軸に設けられたギヤとを所定のギヤ比で歯合させ、上記タービンと上記ポンプとを連動させることができる。 In the hydrogen generation amount control method, a turbine is provided in the hydrogen gas flow path, and a gear provided on the rotating shaft of the turbine and a gear provided on the rotating shaft of the pump are meshed at a predetermined gear ratio. The turbine and the pump can be interlocked.
上記水素発生量制御方法において、上記水素ガス流路にタービンを設け、このタービンの回転軸に発電機を設け、この発電機によって得られた電力で上記ポンプを駆動することができる。 In the hydrogen generation amount control method, a turbine may be provided in the hydrogen gas flow path, a generator may be provided on the rotating shaft of the turbine, and the pump may be driven by electric power obtained by the generator.
本発明によれば、簡単な構成で、負荷側の水素需要に比例して反応器に対し水を応答性良く供給し、過不足なく水素を製造することができるという長所を有する。 According to the present invention, there is an advantage that water can be produced without excess or deficiency by supplying water with good responsiveness to the reactor in proportion to the load-side hydrogen demand.
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
本発明の燃料電池システムは、水素発生物質に十分な反応表面があれば、水またはアルカリ性水溶液をその水素発生物質の充填材の空隙に滴下すれば、ほぼ全量が反応に寄与できること、および、水素発生物質毎に、反応に寄与する当量は決まっていることを利用して、負荷側の水素需要に比例して水を応答性良く反応器に供給することができるように構成されている。 In the fuel cell system of the present invention, if the hydrogen generating material has a sufficient reaction surface, if water or an alkaline aqueous solution is dropped into the void of the hydrogen generating material filler, almost the entire amount can contribute to the reaction, and hydrogen By utilizing the fact that the equivalent amount contributing to the reaction is determined for each generated substance, water can be supplied to the reactor with high responsiveness in proportion to the hydrogen demand on the load side.
例えば水素発生物質としてアルミニウムを例に取り説明すると、反応に寄与する当量は、表1に示すように、アルミニウムと水の反応による水素生成の理論当量で決まってくる。 For example, taking aluminum as an example of the hydrogen generating material, the equivalent amount contributing to the reaction is determined by the theoretical equivalent of hydrogen generation by the reaction between aluminum and water, as shown in Table 1.
実際の反応ではアルミナまで酸化される複数の反応式に支配されるため、その粒径と温度に依存する当量比となって、完全には表1と一致しないが、ほぼ近い値となる。ここでは、理論当量を用いて説明する。 In an actual reaction, since it is governed by a plurality of reaction formulas that are oxidized to alumina, the equivalence ratio depends on the particle size and temperature, and does not completely match Table 1, but is almost the same value. Here, it demonstrates using a theoretical equivalent.
表1によると、108gの水をアルミニウム粉末の充填された反応器に供給することにより6gの水素が発生する。また、この6gの水素を固体高分子型燃料電池に供給すれば、セルの理論起電力は1.23Vとなるが、通常の固体高分子型燃料電池では電極における反応損失があるため0.7V程度の起電力しか得られない。よって得られるエネルギーは203kJ(56Wh)になる。 According to Table 1, 6 g of hydrogen is generated by feeding 108 g of water to a reactor filled with aluminum powder. If 6 g of hydrogen is supplied to the polymer electrolyte fuel cell, the theoretical electromotive force of the cell becomes 1.23 V. However, in a normal polymer electrolyte fuel cell, there is a reaction loss at the electrode, so 0.7 V Only a degree of electromotive force can be obtained. Thus, the energy obtained is 203 kJ (56 Wh).
また、通常の固体高分子型燃料電池では水素の供給圧を得るために大気圧との差圧で0.05MPa程度の圧力が要求される。 Further, in order to obtain a hydrogen supply pressure, a normal polymer electrolyte fuel cell requires a pressure of about 0.05 MPa as a differential pressure from the atmospheric pressure.
本発明では、簡易な装置により負荷側の水素需要に応じることを目的とし、具体的には、例えば水素6gが反応器から固体高分子形燃料電池に向けて流れた時に、それに見合う108gの水を、ポンプを介して反応器に供給できるように制御している。 The purpose of the present invention is to meet the load-side hydrogen demand with a simple device. Specifically, for example, when 6 g of hydrogen flows from the reactor toward the polymer electrolyte fuel cell, 108 g of water is commensurate with it. Is controlled to be supplied to the reactor via a pump.
1.本発明に係る燃料電池システムの第一実施形態
図1は本発明に係る燃料電池システム1の基本構成を、第一実施形態として示したものである。
1. First Embodiment of Fuel Cell System According to the Present Invention FIG. 1 shows a basic configuration of a fuel cell system 1 according to the present invention as a first embodiment.
同図において、水タンク(タンク)2内には水が貯められており、その圧力をP1とする。 In the figure, water is stored in a water tank (tank) 2 and its pressure is P1.
通常は、水を供給するためにこの水タンク2は大気に開放されており、したがって圧力P1は大気圧となっている。
Normally, the
上記水タンク2は給水管3を介して反応器4に接続されており、反応器4内の圧力P2は負荷としての固体高分子型燃料電池((PEFC)、以下、燃料電池と略称する)5側が要求する圧力P3よりも若干高い圧力にする必要がある。したがって、水タンク2内の水は給水管3に設けられたポンプ6によって圧力の高い反応器4へ供給するようになっている。
The
また、反応器4内の水素ガスが水タンク2側に流入しないように、ポンプ6と反応器4の間の給水管3には逆止弁7が介設されている。なお、上記逆止弁7は公知のチェック弁、スイング弁等から構成することができる。
Further, a
また、上記ポンプ6としては、ACモータで駆動するタイプであっても、また、DCモータで駆動するタイプであってもよい。さらにまた、電動機を持たずに、直接、駆動軸から動力が供給されるタイプのポンプであってもよい。
The
上記反応器4にて生成される水素ガスは、水素供給管(水素ガス流路)8を介して燃料電池5へ供給され、上記水素供給管8には流量調整弁9が介設されている。
Hydrogen gas generated in the
上記流量調整弁9は、通常、開動作しており、水素の需要が無い場合、若しくは微量な場合に、燃料電池5への水素ガス供給圧が上昇することにより、その圧力をパイロット圧Paとして閉動作するようになっている。
The
また、水素供給管8における流量調整弁9の下流側には流量計10が介設されている。
Further, a
上記流量計10としては、その上流側の圧力、すなわち、反応器4内の圧力P2が変動することから、正確に質量流量を計測することができるマスフローメーター(例えば、株式会社 山武製 CMS0010等)を使用することができる。
As the
上記マスフローメーターからの信号出力0−5Vを取り込み、PID制御機能を備えたインバーター11(例えば富士電気機器制御株式会社製のFRENICシリーズ)を介し、そのインバーター11から出力される電力で、ポンプ6のインバーター対応ACモータ(図示しない)を駆動することにより、水素供給管8内を流れる水素ガス流量に比例して反応器4に供給する水の供給量を応答性良く制御することができる。
The signal output 0-5V from the mass flow meter is taken in, and the electric power output from the
上記流量計10および上記インバーター11は、上記反応器4から送り出される水素ガス流量に比例して上記ポンプ6からの水吐出量を制御する供給制御手段として機能する。
The
また、上記ポンプ6には様々なタイプのステンレスポンプを使用することができる。
Various types of stainless steel pumps can be used for the
この種のポンプ6は、ダイアフラムポンプ等の定流量ポンプにこだわる必要はなく、通常の渦巻きポンプのように、ポンプ圧Pが小さい場合には流量Qが多く(図5のa点参照)、ポンプ圧Pが大きくなると流量Qが減少する(図5のb点参照)、いわゆるP−Q特性を持つポンプの方が都合がよい。
This type of
なぜなら、反応器4内の圧力P2が定常圧力よりも上昇し、ポンプ圧Pが大きくなると水の供給量(流量Q)が自動的に減少し、反応器4内の圧力P2が定常圧力よりも低下してポンプ圧Pが小さくなると水の供給量(流量Q)が自動的に増加するように動作するからである。
This is because when the pressure P2 in the
なお、上記インバーター11は、PWM制御装置に置き換えることもできる。この場合、流量計10からの出力信号0−5Vを取り込み、PWM制御をかけた直流パルス電流で、ポンプ6のACモータを駆動するようにする。
The
2.本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態
図2に示す燃料電池システム20は、流量計10に替えて超小型タービン21を設け、反応器4内の圧力の一部を仕事として回収するようにしている。
2. Second Embodiment of Fuel Cell System According to the Present Invention A
なお、図2において図1と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。 2 that are the same as those in FIG. 1 are assigned the same reference numerals and descriptions thereof are omitted.
図2において、水素供給管8に設けた流量調整弁9と燃料電池5との間に超小型タービン21が介設されている。
In FIG. 2, a
この超小型タービン21の回転軸端部にはギヤ22が設けられ、このギヤ22は、ポンプ6の回転軸に設けられたギヤ23と所定比で歯合している。それにより、超小型タービン21とポンプ6はギヤ22および23を介して連動し、ポンプ6は超小型タービン21の駆動に伴って水タンク2内の水を反応器4に供給するようになっている。
A
上記超小型タービン21およびギヤ22,23は、上記反応器4から送り出される水素ガス流量に比例してポンプ6からの水吐出量を制御する供給制御手段として機能する。
The
このように、上記超小型タービン21は、反応器4内の圧力の一部を仕事として回収するため、その回収した仕事をポンプ6の動力として用いることができる。また、回収できる動力は、反応器4内の圧力の影響を受けるという特性を利用した上記構成によれば、定常的に水素を安定供給するシステムを提供することができる。
Thus, since the
下記表2の諸元に示す超小型タービン21、ポンプ6、流量調整弁9を用い、例えば5.6Wを消費しているノートパソコンに本発明を適用した場合に、燃料電池システム20のシステムが成立することを以下に説明する。
When the present invention is applied to, for example, a notebook personal computer consuming 5.6 W using the
アルミニウムと水の反応において、水素生成における理論当量(表1参照)に示したように、得られるエネルギーは56Whになるため、5.6Wのノートパソコンであれば10時間駆動させることができる。 In the reaction between aluminum and water, as shown in the theoretical equivalent in hydrogen generation (see Table 1), the energy obtained is 56 Wh, so a 5.6 W notebook computer can be driven for 10 hours.
したがって、水素の質量流量ドットmH2は0.6g/hになる。また、このときに、水の供給量ドットmH2Oは10.8g/hにしたい。 Therefore, the mass flow rate dot mH 2 of hydrogen is 0.6 g / h. At this time, the water supply dot mH 2 O is desired to be 10.8 g / h.
今、仮に反応器4内の圧力P2が0.0518MPa、温度T2が313Kである場合、逆止弁7の圧力損失ΔP=0.05MPaを考慮して水タンク2から反応器4へ水を供給するのに必要な軸仕事Wpは、次式(2)によって求まる。
If the pressure P2 in the
ここで、ρH2Oは水の密度であり1000kg/m3である。他方、圧力P2の反応器4から、圧力P3を要求する燃料電池5へ水素ガスを供給するための超小型タービン21での回収仕事WT は、次式(3)によって求まる。
Here, ρH 2 O is the density of water and is 1000 kg / m 3 . On the other hand, from the
この計算により、WT=WPが成立するため、燃料電池システム20のシステムは定常状態で成立することが確認された。
As a result of this calculation, it was confirmed that W T = W P was established, and thus the system of the
さらに、この状態から燃料電池5側からの水素需要0.6g/hが不変のまま、仮に反応器4内の圧力P2が微小量減少して0.0510MPaになった場合について説明する。
Furthermore, a case will be described in which the hydrogen demand 0.6 g / h from the
燃料電池5内の水素反応速度が同一のまま、上流側の圧力が減少することで電極近傍の圧力も減少し、結果として燃料電極5内の圧力P3もほぼ同じ圧力だけ減少して0.0492MPaになる。
While the hydrogen reaction rate in the
したがって、超小型タービン21での回収仕事WTは、反応器4内の圧力P2が減少して水素ガスの密度も減少することにより体積流量が増加して次式(4)のように若干、増加する。
Therefore, the recovery work W T in the
他方、ポンプ6に供給する軸仕事WPは、次のように反応器4内の圧力P2が減少したことで次式(5)のように若干減少する。
On the other hand, shaft power W P supplied to the
したがって、WT >WP になり、ポンプ6はより多くの仕事をする、すなわち、水の供給量を増やすことになる。その結果、反応器4内の圧力P2は増加する。
Therefore, W T > W P and the
反応器4内の圧力P2が増加した場合には、減少した場合とは逆の現象が起こってWT <WP となり、その結果、水の供給量が減少して反応器4内の圧力P2は減少することになる。このようにして、燃料電池システム20のシステムは本質的に安定に動作する。
When the pressure P2 in the
さらに、超小型タービン21の回転軸にフライホイールを取り付けることにより、定常運転での安定性をさらに増すことができる。ただし、あまり大きなフライホイールを取り付けると、燃料電池5側において水素需要の変動が速い場合には、追従性が遅れることになるため、フライホイールのサイズについては適当なサイズのものを選択する必要がある。
Furthermore, the stability in steady operation can be further increased by attaching a flywheel to the rotating shaft of the
図3は上記燃料電池システムをノートパソコンのポータブル電源に適用した場合の具体的構成を示したものであり、同図(a)は平面図、同図(b)は正面図を示している。 FIG. 3 shows a specific configuration when the fuel cell system is applied to a portable power source of a notebook computer. FIG. 3 (a) is a plan view and FIG. 3 (b) is a front view.
仕様
10.8V−0.8Aで14h(14.4V−0.8Aで10.5h)稼働させる120Whの電気容量を有し、最大12Wの出力が得られるようにする。
Specification It has an electric capacity of 120 Wh that operates for 14 h at 10.8 V-0.8 A (10.5 h at 14.4 V-0.8 A), so that a maximum output of 12 W can be obtained.
図3(a)および(b)において、燃料電池システム20は、長方形(縦140mm、横60mm)からなる樹脂製の容器24内に組み込まれている。
3 (a) and 3 (b), the
容器24内の長手方向に沿ってその略半分のスペースに反応器4が収納されている。この反応器4はアルミニウム等を絞り加工して製造した小型ケースからなり、交換可能なカートリッジ式に構成されている。
The
Alとしては、極力、比表面積の大きな粉末を用いることが好ましい。それにより、反応速度を速めることが可能になる。 As Al, it is preferable to use a powder having a large specific surface area as much as possible. Thereby, the reaction rate can be increased.
また、Al粉末の表面は、予め必要最低限のGaとともに撹拌して表面を濡らし、酸化膜を破壊しておくことによって、反応効率を高めることができる。 Further, the surface of the Al powder can be agitated together with a minimum amount of Ga in advance to wet the surface and destroy the oxide film, thereby improving the reaction efficiency.
この反応器4と対向する状態で燃料電池5が収納されている。この燃料電池5は複数のセルの集合から構成されており、その全体の質量は、現状の標準型リチウム電池と同じになるように、乾燥状態で150g(重量エネルギー密度では800Wh/kgでリチウム電池の略4倍)としている。
A
上記燃料電池5の下方には水タンク2が配置されており、この水タンク2の長手方向一方端部に水を注入するための注入口2aが設けられている。
A
上記反応器4と上記燃料電池5の間にはポンプ6および超小型タービン21が配置され、ポンプ6は水タンク2から水を汲み上げて反応器4に供給し、超小型タービン21は反応器4にて生成される水素ガスを、燃料電池5の各セルに分配供給するようになっている。
A
なお、図中、符号25は、容器24の外部から酸素源となる空気をタービン26を介して供給するための空気供給管である。
In the figure,
上記構成を有する燃料電池システム20において、燃料電池5の理論電圧1.23Vが0.9Vまで低下した場合、上記の電気容量生成に必要なAlは90gである。
In the
燃料電池5の電力密度が100mW/cm2とすると固体高分子膜面積は120cm2必要となる。
If the power density of the
反応器4内の水素を定圧制御することを目的とし、表1に示した理論当量に従った水供給装置として上記ポンプ6が設けられている。
The
このポンプ6の仕事は、超小型タービン21の回収仕事と比例しており、その結果として水素消費量に比例した水を反応器4に供給する。
The work of the
このように構成された燃料電池システム20は、ノートパソコンのポータブル電源として使用することができる。
The
3.本発明に係る燃料電池システムの第三実施形態
図4は本発明の燃料電池システムの第三実施形態を示したものである。なお、同図において図2と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
3. Third Embodiment of Fuel Cell System According to the Present Invention FIG. 4 shows a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In the figure, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図2では、超小型タービン21とポンプ6を連動させる構成について説明したが、図4に示す燃料電池システム30の第三実施形態では、超小型タービン21の出力軸に発電機31を接続し、その発電機31によって得られた電力によって、ポンプ6を直接回転させるモータ32を駆動している。
In FIG. 2, the configuration in which the
上記超小型タービン21、発電機31およびモータ32は、上記反応器4から送り出される水素ガス流量に比例して上記ポンプ6からの水吐出量を制御する供給制御手段として機能する。
The
上記構成によれば、燃料電池システム30が1Jのエネルギーを生成する間に、タービン21は水素の圧力を変換して3.54×10−4Jの仕事を得る。同時にポンプ6は、その内の4.19×10−5Jの仕事を消費して水を水タンク2から反応器4に送る。
According to the above configuration, while the
上記出力軸の抵抗、発電機31の効率を考慮しても、システム全体の効率が、4.19×10−5J/3.54×10−4J=0.118以上であれば、この燃料電池システム30は十分に成立する。
Even if the resistance of the output shaft and the efficiency of the
なお、上記した実施形態では、本発明の燃料電池システムをノートパソコンのポータブル電源に適用する場合について説明したが、燃料電池システムの各パーツの規模を拡大すれば、ノートパソコンに限らず、例えば屋内設置用の燃料電池や自動車用の燃料電池としても使用することができる。 In the above-described embodiment, the case where the fuel cell system of the present invention is applied to a portable power source of a notebook computer has been described. However, if the scale of each part of the fuel cell system is increased, the configuration is not limited to a notebook computer, for example, indoors. It can also be used as a fuel cell for installation or a fuel cell for automobiles.
1 燃料電池システム
2 水タンク(タンク)
3 給水管
4 反応器
5 燃料電池
6 ポンプ
7 逆止弁
8 水素供給管(水素ガス流路)
9 流量調整弁
10 流量計(供給制御手段)
11 インバーター(供給制御手段)
20 燃料電池システム
21 超小型タービン
22,23 ギヤ
24 容器
25 空気供給管
26 タービン
30 燃料電池システム
31 発電機
32 モータ
1
3
9
11 Inverter (supply control means)
20
Claims (11)
上記水またはアルカリ性水溶液と反応して水素を発生する水素発生物質を収納した反応器と、
上記タンク内の水またはアルカリ性水溶液を上記反応器に供給するポンプと、
上記反応器内で生成される水素ガスを燃料電池に供給する水素ガス流路と、
上記水素ガス流路に介設され、上記反応器から送り出される水素ガス流量に対応して上記ポンプからの水またはアルカリ性水溶液吐出量を制御する供給制御手段とを備えてなることを特徴とする燃料電池システム。 A tank for storing water or an alkaline aqueous solution;
A reactor containing a hydrogen generating material that reacts with the water or an aqueous alkaline solution to generate hydrogen;
A pump for supplying water or alkaline aqueous solution in the tank to the reactor;
A hydrogen gas flow path for supplying hydrogen gas generated in the reactor to the fuel cell;
And a supply control means for controlling a discharge amount of water or an alkaline aqueous solution from the pump corresponding to a flow rate of the hydrogen gas sent from the reactor. Battery system.
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