燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)用模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)涉及一種燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)用模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]微生物燃料電池為能源獨(dú)立式的廢水處理裝置，其將廢水(生活廢水、工業(yè)廢水)中所含有的有機(jī)物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，并且對(duì)其有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行氧化分解處理。
[0003]微生物燃料電池具有承載微生物的負(fù)極、以及與氧化物質(zhì)接觸的正極，對(duì)負(fù)極供給含有有機(jī)物質(zhì)等的電解液，并且對(duì)正極供給含氧的水。負(fù)極以及正極通過經(jīng)由外部電路相互連接從而形成閉合電路。在負(fù)極通過微生物的催化作用由電解液生成氫離子(H+)以及電子(e )，氫離子向正極移動(dòng)，電子經(jīng)由外部電路向正極移動(dòng)。從負(fù)極移動(dòng)而來的氫離子以及電子在正極與氧(O2)結(jié)合，成為水(H2O)被消耗。此時(shí)，回收流經(jīng)閉合電路的電能。
[0004]微生物燃料電池通過微生物的催化作用(代謝反應(yīng)、生物化學(xué)轉(zhuǎn)換)，由有機(jī)基質(zhì)等直接產(chǎn)生電能。因此，與采用從有機(jī)物質(zhì)向沼氣等的轉(zhuǎn)換步驟的以往的能量回收系統(tǒng)相比，期待回收效率提高。另外，不只是發(fā)電，作為排水處理、有機(jī)廢棄物處理、有機(jī)廢棄物處理的附帶設(shè)備等也可利用。
[0005]最近，使用氣體擴(kuò)散電極作為正極的微生物燃料電池備受關(guān)注(例如、專利文獻(xiàn)Do氣體擴(kuò)散電極由例如多孔或者紡布狀的材料組成，具有多孔性。通過該結(jié)構(gòu)，能夠?qū)庀嘀?例如大氣中)的氧向正極供給。也就是說，能夠使來自負(fù)極的氫離子以及電子在正極與氣相中的氧反應(yīng)。
[0006]若能夠通過采用氣體擴(kuò)散電極，將氣相中的氧向正極供給，則與例如將溶解于水中的溶解氧向正極供給的情況相比，存在如下的優(yōu)點(diǎn)。
[0007]將溶解氧向正極供給的情況下，存在如下問題，即廢水等的被處理液所包含的有機(jī)物質(zhì)的氧化以及發(fā)電被溶解氧的擴(kuò)散速度限速。與之相對(duì)，氣相中的氧的擴(kuò)散速度與溶解氧的擴(kuò)散速度相比極大，因此能夠高效地進(jìn)行有機(jī)物質(zhì)的氧化以及發(fā)電。因此，能夠期待燃料電池輸出提高。
[0008]在先技術(shù)文獻(xiàn)
[0009]專利文獻(xiàn)
[0010]專利文獻(xiàn)1:日本特開第2010-102953號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]發(fā)明要解決的問題
[0012]為了提高燃料電池系統(tǒng)的實(shí)用性，要求例如使被處理液的處理量增加，從而使處理能力或發(fā)電輸出提高。于是，本發(fā)明人關(guān)注于連接采用氣體擴(kuò)散電極的多個(gè)燃料電池(以下，稱為“電池單元”。)而得的系統(tǒng)構(gòu)成。可是，經(jīng)本發(fā)明人研究，發(fā)現(xiàn)存在如下情況，即在連接多個(gè)電池單元的構(gòu)成中，因電池單元的配置，無法得到高的處理效率或發(fā)電效率。細(xì)節(jié)后述。
[0013]本申請(qǐng)的非限定的例示性的某實(shí)施方式提供采用氣體擴(kuò)散電極的、能夠提高處理能力或者發(fā)電輸出的燃料電池系統(tǒng)。
[0014]用于解決問題的手段
[0015]為解決上述課題，本發(fā)明的一方式為一種燃料電池系統(tǒng)，具備:多個(gè)電池單元，包括第一電池單元以及與所述第一電池單元相比在鉛直方向位于下方的第二電池單元；以及至少一個(gè)連接部，包括連接所述第一電池單元與第二電池單元的第一連接部，多個(gè)電池單元分別具有:處理槽，具有供被處理液流通的流路；將所述被處理液供給至所述流路的液體供給口以及將所述被處理液從所述流路排出的液體排出口 ；至少一個(gè)電極單元，具有負(fù)極、至少一部分為多孔體的正極、以及配置于所述正極與所述負(fù)極之間的非導(dǎo)電性的離子透過膜，所述至少一個(gè)電極單元配置為所述負(fù)極與在所述流路中流通的所述被處理液接觸，所述正極露出到氣相中，所述第一連接部具有:連接路，使從所述第一電池單元的所述液體排出口排出的所述被處理液流通至所述第二電池單元的所述液體供給口 ；以及氣壓調(diào)整部，抑制與所述連接路中的所述被處理液的移動(dòng)相伴的氣壓變動(dòng)。
[0016]發(fā)明效果
[0017]根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)采用氣體擴(kuò)散電極的、能夠提高處理能力或者發(fā)電輸出的燃料電池系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0018]圖1是表示第一實(shí)施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)100的示意性的剖面圖。
[0019]圖2中(a)為說明燃料電池系統(tǒng)100的動(dòng)作時(shí)的連接路9內(nèi)的狀態(tài)的圖，(b)為說明比較例的燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)的連接路9內(nèi)的狀態(tài)的圖。
[0020]圖3中(a)及(b)為對(duì)燃料電池系統(tǒng)100中的氣壓調(diào)整部的構(gòu)成進(jìn)行例示的示意性的剖面圖。
[0021]圖4為對(duì)燃料電池系統(tǒng)100中的第一連接部20A的其他構(gòu)成進(jìn)行例示的示意性的剖面圖。
[0022]圖5是第一實(shí)施方式所涉及的其他燃料電池系統(tǒng)200的示意性的剖面圖。
[0023]圖6是第二實(shí)施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)300的示意性的剖面圖。
[0024]圖7是第三實(shí)施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)400的示意性的剖面圖。
[0025]圖8中(a)為第三實(shí)施方式所涉及的其他燃料電池系統(tǒng)500的示意性的剖面圖，(b)為對(duì)燃料電池系統(tǒng)500中的電極單元部30進(jìn)行例示的放大剖面圖，(C)及(d)分別為對(duì)燃料電池系統(tǒng)500中的電池單元1A進(jìn)行例示的斜視圖。
[0026]圖9是第四實(shí)施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)用模塊600的示意性的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]說明本發(fā)明人研究連接采用氣體擴(kuò)散電極的多個(gè)電池單元而得的系統(tǒng)構(gòu)成所得的知識(shí)。
[0028]在以氣體擴(kuò)散電極為正極的各電池單元中，配置為氣體擴(kuò)散電極的表面與氣相(例如大氣)接觸，負(fù)極的表面與被處理液接觸。本發(fā)明人研究了將這樣的電池單元沿重力方向(鉛直方向)配置，被處理液從上方起依次在電池單元內(nèi)流通的構(gòu)成。其結(jié)果是，發(fā)現(xiàn)存在如下可能性，即在位于下方的電池單元中液壓上升，被處理液向多孔性的氣體擴(kuò)散電極浸入。另外，有時(shí)被處理液在氣體擴(kuò)散電極內(nèi)通過，從而向外部(氣相側(cè))泄漏。這些現(xiàn)象例如在施加到氣體擴(kuò)散電極的被處理液的液壓變得大于與氣體擴(kuò)散電極接觸的氣相的壓力(例如大氣)的情況下可能產(chǎn)生。
[0029]若發(fā)生被處理液向氣體擴(kuò)散電極(正極)浸入或被處理液的泄漏，則存在如下隱憂，正極與氣相(氧)的界面即氧還原反應(yīng)點(diǎn)減少，因此燃料電池的輸出降低。像這樣，存在即使采用氣體擴(kuò)散電極，但與氣相中的氧的反應(yīng)也受抑制，則也得不到高的處理效率或發(fā)電效率的可能性。
[0030]另外，這樣的問題不限于利用微生物的代謝機(jī)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)。只要是負(fù)極與液體接觸并且對(duì)正極采用氣體擴(kuò)散電極的燃料電池系統(tǒng)，則都可能發(fā)生同樣的問題。
[0031]本發(fā)明人基于上述知識(shí)進(jìn)而深入研究。其結(jié)果是，發(fā)現(xiàn)了在沿鉛直方向上下配置的兩個(gè)電池單元之間能夠抑制被處理液的液壓上升的新構(gòu)成。據(jù)此，能夠抑制液壓所致的被處理液向氣體擴(kuò)散電極內(nèi)浸入或向外部泄漏，因此能夠提高處理效率或發(fā)電效率。
[0032]本發(fā)明的一方式的概要如下。
[0033]本發(fā)明的一方式的燃料電池系統(tǒng)具備:多個(gè)電池單元，包括第一電池單元以及與所述第一電池單元相比在鉛直方向位于下方的第二電池單元；以及至少一個(gè)連接部，包括連接所述第一電池單元與第二電池單元的第一連接部，所述多個(gè)電池單元各自具有:處理槽，具有供被處理液流通的流路；將所述被處理液供給至所述流路的液體供給口以及將所述被處理液從所述流路排出的液體排出口 ；至少一個(gè)電極單元，具有負(fù)極、至少一部分為多孔體的正極、以及配置于所述正極與所述負(fù)極之間的非導(dǎo)電性的離子透過膜，所述至少一個(gè)電極單元配置為所述負(fù)極與在所述流路中流通的所述被處理液接觸，所述正極露出到氣相中，所述第一連接部具有:連接路，使從所述第一電池單元的所述液體排出口排出的所述被處理液流通至所述第二電池單元的所述液體供給口 ；以及氣壓調(diào)整部，抑制與所述連接路中的所述被處理液的移動(dòng)相伴的氣壓變動(dòng)。
[0034]所述氣壓調(diào)整部例如也可以包括使所述連接路與具有所述連接路的內(nèi)部空間的體積以上的體積的外部空間連通的開口部。
[0035]所述氣壓調(diào)整部例如也可以包括以與所述連接路的內(nèi)部空間連通的方式設(shè)置的能夠膨脹以及收縮的袋狀體。
[0036]所述氣壓調(diào)整部例如也可以包括配置于所述連接路的壓力調(diào)整閥。
[0037]所述外部空間的氧分壓例如也可以設(shè)定為0.2atm以下。
[0038]所述外部空間的氮分壓例如也可以設(shè)定為0.8atm以上。
[0039]所述第一連接部例如也可以還具備控制供給至所述連接路的所述被處理液的量的流通控制部。
[0040]所述流通控制部也可以包括能夠開閉所述連接路的開閉部。
[0041]所述處理槽內(nèi)的所述流路的水平方向的尺寸例如也可以為所述流路的鉛直方向的尺寸以上。
[0042]所述至少一個(gè)電極單元例如也可以包括第一電極單元以及第二電極單元，所述第一電極單元的所述負(fù)極與所述第二電極單元的所述負(fù)極配置為隔著所述流路對(duì)置。
[0043]也可以是，所述第一電極單元例如從所述處理槽的第一側(cè)面向所述處理槽的內(nèi)部延伸，所述第二電極單元例如從所述處理槽的與所述第一側(cè)面對(duì)置的第二側(cè)面向所述處理槽的內(nèi)部延伸，所述處理槽的所述流路在水平的面內(nèi)蛇行(曲折)。
[0044]所述多個(gè)電池單元例如也可以還包括與所述第二電池單元相比配置于下方的、具有供所述被處理液流通的流路的其他電池單元，所述至少一個(gè)連接部例如還包括具有與所述其他電池單元的所述流路連接的連接路的其他連接部，所述燃料電池系