(57)【要約】【課題】メタノール濃度の急変により出力が不安定になることを防止し、ＤＭＦＣシステムを安定的に稼動させることができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  メタノール及び酸素を利用した電気生成反応が進められるスタックと、上記スタックから排出された気液混合物を収容して気体と液体とに分離するセパレータと、高濃度メタノールが保存されたメタノールカートリッジと、上記セパレータと分離された収容空間を有し、上記メタノールカートリッジから供給された高濃度メタノールと上記セパレータから供給された液体とをその収容空間で混合して上記スタックに供給される低濃度メタノールに希釈する燃料混合部と、を備える、ＤＭＦＣシステム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノール及び酸素を利用した電気生成反応が進められるスタックと、
前記スタックから排出された気液混合物を収容して気体と液体とに分離するセパレータと、
高濃度メタノールが保存されたメタノールカートリッジと、
前記セパレータと分離された収容空間を有し、前記メタノールカートリッジから供給された高濃度メタノールと前記セパレータから供給された液体とをその収容空間で混合して前記スタックに供給される低濃度メタノールに希釈する燃料混合部と、
を備える、ＤＭＦＣシステム。
【請求項２】
前記セパレータと前記燃料混合部とにそれぞれ液体攪拌のためのアジテータが備えられたことを特徴とする、請求項１に記載のＤＭＦＣシステム。
【請求項３】
前記セパレータのアジテータと前記燃料混合部のアジテータとは、単一駆動源によって駆動されるように連結されたことを特徴とする、請求項２に記載のＤＭＦＣシステム。
【請求項４】
前記セパレータと前記燃料混合部とは、一つのハウジング内の相互分離された空間に配され、
前記セパレータのアジテータ及び前記燃料混合部のアジテータは、前記相互分離された空間を貫通する前記単一駆動源の回転軸に設置されたことを特徴とする、請求項３に記載のＤＭＦＣシステム。
【請求項５】
前記燃料混合部及びセパレータのアジテータのうち少なくとも一つは、前記回転軸に一端が固定されたワイヤウィング部を備えることを特徴とする、請求項４に記載のＤＭＦＣシステム。
【請求項６】
前記ワイヤウィング部に巻かれるバネがさらに備えられたことを特徴とする、請求項５に記載のＤＭＦＣシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノールを直接燃料として使用する燃料電池（以下、ＤＭＦＣ(ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ)という）システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを化学反応によって直接電気エネルギーに変える装置であり、燃料が供給されるかぎり、続けて電気を作り出せる一種の発電装置である。このような燃料電池のうちＤＭＦＣは、メタノールを直接セルの陽極に燃料として供給して、陰極に供給された酸素との反応によって電気を生成させる装置であり、陽極では、下記の化学式１のような反応が起きて電子が生成され、その電子は、移動経路に沿って陰極に移動して、化学式２の反応を起こす。その移動経路に負荷をかければ、生成された電気を利用した作業が行える。
【０００３】
【化１】
2010157509.tif 000003
【０００４】
【化２】
2010157509.tif 000004
【０００５】
前記化学式１、２が進められる陽極と陰極との組立体の一つとしては十分な電気が得難いため、これを多段に積層したスタックの形態として使用する。
【０００６】
ＤＭＦＣシステムは、このようなスタックにメタノールと酸素とを供給して電気を生成し、その副産物である水(化学式２を参照)と未反応のメタノールと未反応の酸素とを再び循環させて再使用する全体工程装置を称す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】大韓民国出願公開第２００６−００４４３２５号明細書
【特許文献２】大韓民国出願公開第２００６−００９８９２９号明細書
【特許文献３】大韓民国出願公開第２００７−００８０４８５号明細書
【特許文献４】大韓民国出願公開第２００７−００８１２８５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、このようなＤＭＦＣシステムでは、高揮発性のメタノールの蒸発損失が大きく、メタノールが投入される度のスタック内でのメタノールの濃度変動幅が大きいために、非常に安定的なＤＭＦＣシステムが実現されていないという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、メタノール濃度の急変により出力が不安定になることを防止し、ＤＭＦＣシステムを安定的に稼動させることができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を達成するために、本発明の一実施形態によるＤＭＦＣシステムは、メタノール及び酸素を利用した電気生成反応が進められるスタックと、上記スタックから排出された気液混合物を収容して気体と液体とに分離するセパレータと、高濃度メタノールが保存されたメタノールカートリッジと、上記セパレータと分離された収容空間を有し、上記メタノールカートリッジから供給された高濃度メタノールと上記セパレータから供給された液体とをその収容空間で混合して、上記スタックに供給される低濃度メタノールに希釈する燃料混合部と、を備える。
【００１１】
上記セパレータと上記燃料混合部とにそれぞれ液体攪拌のためのアジテータが備えられてもよく、二つのアジテータは、単一駆動源によって駆動されるように連結されてもよい。
【００１２】
上記セパレータと上記燃料混合部とは、一つのハウジング内の相互分離された空間に配され、それぞれのアジテータは、上記相互分離された空間を貫通する上記単一駆動源の回転軸に設置されてもよい。
【００１３】
上記燃料混合部及びセパレータのアジテータのうち少なくとも一つは、上記回転軸に一端が固定されたワイヤウィング部を備え、上記ワイヤウィング部にバネが巻かれてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、メタノール濃度の急変により出力が不安定になることを防止し、ＤＭＦＣシステムを安定的に稼動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態によるＤＭＦＣシステムを示す図面である。
【図２Ａ】図１に示されたシステムとの比較例を示す図面である。
【図２Ｂ】図１に示されたシステムとの比較例を示す図面である。
【図２Ｃ】図１に示されたシステムとの比較例を示す図面である。
【図３Ａ】図１に示されたシステムで、燃料混合部に設置されたアジテータの構造を例示した図面である。
【図３Ｂ】図１に示されたシステムで、燃料混合部に設置されたアジテータの構造を例示した図面である。
【図４】一実施形態によるシステムと比較例において、スタックに供給されるメタノールの濃度変化を測定した結果グラフである。
【図５Ａ】一実施形態によるシステムと比較例において、スタックに供給されるメタノールの濃度変化を測定した結果グラフである。
【図５Ｂ】一実施形態によるシステムと比較例において、スタックに供給されるメタノールの濃度変化を測定した結果グラフである。
【図６】一実施形態によるシステムでのメタノール濃度とスタックの出力パワー変化とを測定した結果グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
図１は、一実施形態による燃料混合部とセパレータとが備えられたＤＭＦＣシステムを概略的に示した図面であって、図２Ａないし図２Ｃは、本実施形態との比較実験のために例示した比較例１、２、３の構造をそれぞれ示した図面である。
【００１８】
まず、図１に示されたように、本実施形態のＤＭＦＣシステムは、エアポンプ６００を通じて陰極に供給された酸素とフィードポンプ５００を通じて陽極に供給されたメタノールとを利用した電気生成反応が進められるスタック２００と、陽極燃料の１００％ほどの高濃度メタノールが保存されたメタノールカートリッジ３００と、スタック２００から排出された未反応メタノールと酸素及び副産物である水を供給されて気体と液体とに分離するセパレータ１１０と、メタノールカートリッジ３００から供給された高濃度メタノールとセパレータ１１０で分離された水とメタノールなどの液体とを混合してスタック２００に供給される１Ｍほどのメタノールに希釈させる燃料混合部１２０と、を備えている。
【００１９】
したがって、システムが稼動されれば、スタック２００の陽極に燃料混合部１２０から１Ｍほどの低濃度に希釈されたメタノールがフィードポンプ５００を通じて供給され、陰極には、エアポンプ６００を通じて酸素が供給されて電気生成反応が進められ、この時に生成された副産物である水や未反応メタノール及び酸素は、セパレータ１１０に排出されて気体と液体とに分離され、以後分離された液体、すなわち、未反応メタノールと水とが燃料混合部１２０に送られてメタノールカートリッジ３００から供給された高濃度メタノールと混合される。熱交換器７００は、スタック２００の陽極と陰極とから排出された未反応メタノールと水及び酸素を冷やす。
【００２０】
ここで、もし、メタノールカートリッジ３００に、スタックに供給される濃度と同一の１Ｍ濃度のメタノールを保存し、システムを運用すれば、非常に大きい容量のカートリッジ３００が必要になり、随時交換せねばならない面倒さがある。したがって、ほとんど１００％の高濃度メタノールカートリッジを置き、これを燃料混合部１２０で１Ｍほど希釈してスタックに供給する。しかし、メタノールは、揮発性が強いため、燃料混合過程で気体に排出される確率が高く、燃料利用効率が落ちることがあり、また、高濃度メタノールが燃料混合部１２０に投入される度にスタック２００に供給されるメタノールの濃度の変動が大きくなるおそれがある。本実施形態では、このような恐れを解消できるようにシステムが構成されている。
【００２１】
まず、高濃度メタノールが供給される燃料混合部１２０は、気体が液体から分離されて排出されるセパレータ１１０と分離された別の収容空間を有している。これは、メタノールの蒸発による損失防止に有効な構造である。参照として、図２Ａ及び図２Ｂに示された比較例１及び比較例２の構造(既存のシステムがこのような構造でなされている)と本実施形態の構造とを比較すれば、比較例１、２では、気体と液体とを分離するセパレータの機能と高濃度メタノールを希釈させる燃料混合部の機能とがリサイクラ１０,２０という部材の一つに統合されている。したがって、このリサイクラ１０,２０にメタノールカートリッジ３００から供給された高濃度メタノールとスタック２００から排出された気液混合物とが共に入り、ここで分離された気体は、排出され、液体が再びスタック２００に循環されて供給される。このうち、比較例１である図２Ａでは、高濃度メタノールを気体空間に投入するように構成されており、比較例２である図２Ｂでは、高濃度メタノールを液体空間に投入するように構成されているので、二つの場合いずれも安定したシステム運営において問題点を有している。図２Ａの場合は、メタノールの強い揮発性のため、一部のメタノールが気体排出口１１を通じて蒸発されてしまって、燃料損失が大きくなる。また、図２Ｂの場合は、メタノールを液体空間に投入するため、蒸発はある程度減らせるが、高濃度のメタノールが均一に混ざる前にスタック２００に入るため、スタック２００のメタノール濃度偏差が急変してシステムの安全性を害することがある。図２Ｃは、既存にはない構造であるが、本実施形態における燃料混合部１２０にあるアジテータ１２１の効果を知るために追加した比較例であるが、リサイクラ３０と別途に分離された燃料混合部４０は置くが、燃料混合部４０にアジテータがない場合を比較例として設定したものである。当然に、スタック２００に供給されるメタノールの急な濃度変化が予想される。
【００２２】
これに比べて、図１の本実施形態のシステムを見れば、このような問題をいずれも解消できるように構成されているということが分かる。
【００２３】
一旦、スタック２００から排出された気液混合物を分離して気体を排出するセパレータ１１０と、高濃度メタノールが投入される燃料混合部１２０とが別途に完全に分離された収容空間である。したがって、燃料混合部１２０に投入されたメタノールが気体排出口１１２を通じて損失される可能性が基本的に封鎖されている。
【００２４】
また、セパレータ１１０と燃料混合部１２０とにそれぞれ液体攪拌のためのアジテータ１１１,１２１が設置されており、セパレータ１１０では、遠心力で気体と液体との分離を容易に行え、燃料混合部１２０では、高濃度メタノールが投入されても直ぐ均一に混合が可能であるので、スタック２００に濃度が急変する現象を防止できる。しかも、セパレータ１１０のアジテータ１１１と燃料混合部１２０のアジテータ１２１とは、単一駆動モータ１３０の回転軸１３１に設置されており、非常に簡単に構成されている。すなわち、二つの収容空間を貫通する駆動モータ１３０の回転軸１３１にセパレータ１１０のアジテータ１１１であるロータと燃料混合部１２０のアジテータ１２１であるワイヤウィング部とがそれぞれ連結されており、一つの駆動モータ１３０で二つのアジテータ１１１,１２１を同時に駆動できる。前記燃料混合部１２０のアジテータ１２１は、図３Ａに示されたように、ステンレス材のワイヤウィング部１２１ａのみで構成されるか、図３Ｂのように、ワイヤウィング部１２１ａにやはりステンレス材のバネ１２１ｂを巻取りうる。図３Ｂの場合、バネ１２１ｂが渦流を増加させて液体の混合効果をさらに高めうる。
【００２５】
このような構成の本実施形態によるＤＭＦＣシステムと比較例とのメタノール濃度安定性を比較するために、システム稼動中にスタック２００に入るメタノールの濃度が変わる推移を測定してみた。濃度測定は、燃料混合部１２０の出口側に設けられた濃度センサー(図示せず)を利用し、メタノールの投入は、燃料ポンプ４００を連続稼動して一定量のメタノールが続けて投入される場合と、断続稼動で燃料が周期的に投入及び中断を反復する場合を共に実験してみた。フィードポンプ５００は、実際システム稼動時のように、２０ｃｃ/ｍｉｎの速度で連続稼動させた。比較例は、メタノールが蒸発するおそれが比較的低い比較例２と比較例３との場合を選択し、本実施形態は、図３Ａのように、ワイヤウィング部１２１aのみがある場合(実施形態１)と、図３Ｂのように、ウィング部１２１ａにバネ１２１ｂが巻かれる場合(実施形態２)とを選択した。その結果、図４に示されたような測定結果が得られた。燃料ポンプ４００は、０〜１,０００秒まで連続で、１,０００〜２,０００秒までは周期的に稼動したが、比較例２及び比較例３の場合は、濃度の変化が非常に急変することが分かる。しかし、実施形態１、２の場合は、燃料の連続または周期的な投入に関係なく、安定した濃度変化を示すことが分かった。これは、燃料混合部１２０に設置されたアジテータ１２１が燃料を素早く均一に希釈するため、比較例のように、高濃度メタノールが投入される度に濃度が急変する問題がよく発生しないと考えられる。
【００２６】
図５Ａ及び図５Ｂは、燃料を色々な周期に投入しつつ、比較例２と本実施形態との濃度変化を再び測定した図面である。予想通りに、比較例２の場合は、図５Ａのように、燃料投入によって濃度が大幅に変動することが確認でき、実施形態１の場合は、図５Ｂのように、周期及び投入量の変化に関係なく、安定した濃度を維持することが確認できる。したがって、ＤＭＦＣシステムを非常に安定的に運営できる。なお、図５Ａにおけるグラフと、図５Ｂにおけるグラフとは、横軸における時間が異なるが、同一の時間で比較しても、上記と同様のことが比較例２及び本実施形態について言える。
【００２７】
図６は、本実施形態の場合において、燃料投入量によるメタノール濃度の変化とスタック２００の出力パワーの変化とを共に測定して示した図面であるが、スタック２００に供給されるメタノールの濃度が安定的に維持されるため、スタック２００の出力パワーも安定的に維持される。
【００２８】
したがって、スタック２００に供給されるメタノールの濃度を均一に維持できるため、メタノール濃度の急変により出力が不安定になることを防止し、ＤＭＦＣシステムを安定的に稼動させることができる。
【００２９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、燃料電池関連の技術分野に好適に適用可能である。
【符号の説明】
【００３１】
３０    リサイクラ
４０    燃料混合部
１１０    セパレータ
１２０    燃料混合部
１１１、１２１    アジテータ
１２１ａ    ワイヤウィング部
１２１ｂ    バネ
１３０    駆動モータ
１３１    回転軸
２００    スタック
３００    メタノールカートリッジ
４００    燃料ポンプ
５００    フィードポンプ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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