JP2005197065A - 燃料電池発電方法と燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 長期間にわたって安定した動作を期待できる燃料電池発電方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 セル１の空気極８に空気を供給する空気ポンプＡＰの加圧空気によって第１の燃料タンクＣ１または第２の燃料タンクＣ２の内部圧力を加圧して、前記セル１の燃料極７に燃料液体を供給して発電する。
【選択図】 図１

Description

本発明は固体電解質膜を使用して発電する燃料電池に関するものである。

この種の、直接メタノール型燃料電池のセルスタック１Ａ（ＭＥＡ＝Membrane Electrode Assembly）は、図４に示すように構成されている。
燃料電池のセルスタック１Ａは、固体電解質膜２の両面に電極触媒層３，４を形成し、固体電解質膜２の一方の側の電極触媒層３を介して固体電解質膜２の片面にメタノール水溶液５を供給し、固体電解質膜２のもう一方の側の電極触媒層４に酸素６を供給するように構成されている（非特許文献１）。

この発電原理を説明する。
セルスタック１Ａは固体電解質膜２の片側に電極触媒層３を有する燃料極７が形成され、固体電解質膜２のもう一方の側に電極触媒層４を有する空気極８が形成されている。燃料極７に燃料のメタノール水溶液を供給すると、燃料極７で化学反応が進行して、二酸化炭素とプロトンと電子とが生成する。

ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ−
このうち、プロトンは固体電解質膜２を透過し、電子は外部回路を経由したのち、これらのプロトンと電子と空気極８に供給した酸素とで、空気極８で化学反応が進行して、水を生成する。

燃料極７に供給するメタノール水溶液のメタノールと水の理論濃度は、モル比で１：１（６４重量％メタノール水溶液）であるが、固体電解質膜２をメタノールが透過して空気極１９に到達（メタノールクロスオーバー）することで電池出力が低下するため、実際の最適濃度は約３〜３０重量％くらいになり、メタノールと水が発電反応すると水が余る状態になる。

このメタノール水溶液燃料の供給には、燃料極７の液室内をメタノール水溶液で充満させ、消費量に応じてタンクより燃料を燃料極７の液室内に直接に供給する燃料液静止型方式（受動型）と、メタノール水溶液燃料を燃料極７の液室内を通して循環させ、これと連通する循環タンク内にはメタノール燃料タンクよりメタノール燃料を消費量に応じて供給する燃料液循環方式（能動型）とがある（特許文献１）（特許文献２）。

この二つの方式を比較すると、受動型は燃料を循環させる部分が不要なため小型化には適しているが、燃料極７の電極触媒層３でメタノール水溶液が反応してメタノールが消費されていくと、メタノール濃度が低下していき電池出力が低下する問題がある。能動型は液体燃料が燃料極７の液室内を循環するため、受動型の約３〜５倍の出力濃度が得られるという利点がある。

図５は、（特許文献２）を引用したもので、高濃度メタノールはメタノール貯蔵タンク９にセットされており、メタノール貯蔵タンク９は燃料＋水注入装置１０を介して循環タンク１１に接続されている。ポンプ１２によって循環タンク１１から取り出されたメタノール水溶液５は、セルスタック１Ａの燃料極７と熱交換器１３を介して循環タンク１１に戻るように循環経路が形成されている。また、セルスタック１Ａの空気極８には、酸化剤供給装置１４を介して空気が供給されている。

これによってセルスタック１Ａでは、メタノール水溶液が電池反応を起こして、メタノールの消費と二酸化炭素が発生する。この低濃度メタノール液とガスの混合流体が循環タンク１１に戻り、液体と二酸化炭素ガスは循環タンク１１で重力分離されて、二酸化炭素ガスは循環タンク１１の上方から排出される。一方、前記電池反応によってメタノールと水が消費されて燃料が減るので、燃料＋水注入装置１０から最適なメタノール燃料となる濃度で所定量が循環タンク１１の内部に注入される。

セルスタック１Ａの空気極８に酸化剤供給装置１４を介して空気が供給されることによって反応によって発生した水は、水回収装置１５で回収されて燃料＋水注入装置１０に戻されて、再び燃料極７に供給する水として使用されている。酸化剤供給装置１４としては一般に空気ポンプが使用されている。
工業調査会「電子材料」２００３年２月 第３１頁 「携帯用小型燃料電池」（神谷信行） 特許第２９３９９７８号 特表平１０−５０７５７２号

このような能動型では、メタノール水溶液燃料を燃料極７の液室内を通して循環させるためにポンプ１２として液体ポンプを使用しており、流路に空気や気泡が混入した場合、誤動作を起こし停止してしまうというトラブルの発生や、異物による故障が発生するという問題がある。ポンプ１２を停止している時などに、流路内の液体の溶存気体が気泡となって発生し、誤動作することがある。液体ポンプは、駆動トルクが空気ポンプに比べ高いため、軸受け寿命が短く、数百時間の連続可動で性能低下が発生する。さらに、燃料電池の姿勢を上下反対にすると循環タンク１１のメタノール水溶液出口に空気が接したり、二酸化炭素排出口にメタノール水溶液が接して、メタノール水溶液が出ないことがある。

また、セルスタック１Ａの燃料極７の電極触媒層３でメタノール水溶液が電池反応を起こしたときに発生する二酸化炭素ガスの分離排出が行われにくく、電池出力の低下の原因になる。

また、メタノール貯蔵タンク９の高濃度メタノールを循環タンク１１に補充するのに液体ポンプを使用する場合には、液体微量搬送が難しく、また、気泡などのトラブルが発生して高濃度のメタノールを送れなくなったり、さらに、燃料電池の姿勢を上下反対にするとメタノール貯蔵タンク９のメタノール出口に空気が接しメタノールが出ないことがある。高濃度メタノールは、メタノールに耐性のある特別な材料で作られたポンプにする必要があるので高価である。

また、水回収装置１５で回収された水を燃料＋水注入装置１０へ注入するのにも液体ポンプが用いられており、気泡などのトラブルが発生して水を送れなくなったり、燃料電池の姿勢を上下反対にすると水出口に空気が接して水が出ないことがある。

本発明は、能動型の燃料電池において、流路に空気や気泡が混入したことによるトラブルが低減でき、しかも長期間にわたって安定した動作を期待できる燃料電池発電方法を提供することを目的とする。

また、セルスタック１Ａの燃料極７の電極触媒層で電池反応を起こしたときに発生する二酸化炭素ガスの分離排出を確実に行える燃料電池発電方法を提供することを目的とする。

また、メタノール貯蔵タンクの高濃度のメタノールを循環タンクへ微量搬送することができ、液体ポンプの場合に見られる気泡などのトラブルがなく、燃料電池の姿勢にかかわらず確実に高濃度メタノールを燃料極に補充できる燃料電池発電方法を提供することを目的とする。

また、水回収装置１５で回収された水を燃料極の側へ注入する場合に、液体ポンプの場合に見られた気泡などのトラブルがなく、燃料電池の姿勢にかかわらず確実に水を注入できる燃料電池発電方法を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池発電方法は、燃料タンクからセルの燃料極に燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電するに際し、前記燃料タンクの内部圧力を加圧して前記燃料タンクから前記セルの燃料極に燃料液体を供給して発電することを特徴とする。

本発明の燃料電池発電方法は、燃料タンクからセルの燃料極に燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電するに際し、前記セルの前記空気極に空気を供給する空気ポンプの加圧空気によって前記燃料タンクの内部圧力を加圧して前記燃料タンクから前記セルの燃料極に燃料液体を供給して発電することを特徴とする。

本発明の燃料電池発電方法は、セルの燃料極に燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電するに際し、セルの前記燃料極を中央にしてその両側に第１，第２の燃料タンクを配設した燃料供給流路における前記第１の燃料タンクの内部圧力を加圧して第１の燃料タンクの燃料液体を前記燃料極を経て前記第２の燃料タンクへ供給して発電する運転第１ステージと、前記第２の燃料タンクの内部圧力を加圧して第２の燃料タンクの燃料液体を前記燃料極を経て前記第１の燃料タンクへ供給して発電する運転第２ステージとを切り換えて発電することを特徴とする。また、前記セルの前記空気極に空気を供給する空気ポンプの加圧空気によって第１，第２の燃料タンクの内部圧力を加圧することを特徴とする。また、第１の燃料タンクの燃料液体を前記燃料極を経て前記第２の燃料タンクへ供給して発電している運転第１ステージに、第１の燃料タンクの燃料液体の液面低下を検出して運転第２ステージに切り換え、第２の燃料タンクの燃料液体を前記燃料極を経て前記第１の燃料タンクへ供給して発電している運転第２ステージに、第２の燃料タンクの燃料液体の液面低下を検出して運転第１ステージに切り換えることを特徴とする。

本発明の燃料電池は、燃料タンクからセルの燃料極に燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電する燃料電池であって、燃料液体を溜めることができ前記セルの前記燃料極を中央にしてその両側に配設された第１，第２の燃料タンクと、加圧された空気源と前記第１，第２の燃料タンクの間に設けられて前記第１，第２の燃料タンクの一方のタンクにストックしている燃料液体を他方の燃料タンクに送るように加圧空気を供給し、他方の燃料タンクの空気を放出するように切り換える切換回路と、第１の燃料タンクの燃料液体の液面を検出する第１のセンサと、第２の燃料タンクの燃料液体の液面を検出する第２のセンサと、前記第２の燃料タンクへ燃料液体を供給して発電している運転第１ステージに前記第１のセンサが液面の低下を検出して前記切換回路に、前記第２の燃料タンクから前記第１の燃料タンクへ燃料液体を供給して発電する運転第２ステージへの切り換えを指示し、前記第１の燃料タンクへ燃料液体を供給して発電している運転第２ステージに前記第２のセンサが液面の低下を検出して前記切換回路に、前記運転第２ステージへの切り換えを指示するコントローラとを設けたことを特徴とする。また、第１，第２の燃料タンクを、サーペンタイン型燃料タンクとしたことを特徴とする。また、第１，第２の燃料タンクを、流路内部への撥液処理もしくは流路パイプに撥液材料を用いて構成されたサーペンタイン型燃料タンクとしたことを特徴とする。また、前記切換回路を、ラッチ型バルブとしたことを特徴とする。

本発明の燃料電池発電方法は、燃料タンクからセルの燃料極に希釈した燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電し、電池反応によって消耗した燃料液体を燃料極の側に燃料貯蔵容器から補充するに際し、前記燃料貯蔵容器の内部圧力を加圧して前記燃料貯蔵容器から燃料液体を補充して発電することを特徴とする。

本発明の燃料電池発電方法は、燃料タンクからセルの燃料極に希釈した燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電し、電池反応によって消耗した燃料液体を燃料極の側に燃料貯蔵容器から補充するに際し、前記空気極に空気を供給する空気ポンプの加圧空気によって前記燃料貯蔵容器の内部圧力を加圧して前記燃料貯蔵容器から燃料液体を補充して発電することを特徴とする。

本発明の燃料電池発電方法は、燃料タンクからセルの燃料極に希釈した燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電し、電池反応によって発生した水を水貯蔵タンクから燃料極の側に補充するに際し、前記水貯蔵タンクの内部圧力を加圧して前記水貯蔵タンクから水を補充して発電することを特徴とする。

本発明の燃料電池発電方法は、燃料タンクからセルの燃料極に希釈した燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電し、電池反応によって消耗した水を水貯蔵タンクから燃料極の側に補充するに際し、前記空気極に空気を供給する空気ポンプの加圧空気によって前記水貯蔵タンクの内部圧力を加圧して前記水貯蔵タンクから水を補充して発電することを特徴とする。

本発明の燃料電池発電方法は、燃料タンクからセルの燃料極に燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電するに際し、セルの燃料極の一方から他方に向かって燃料液体を流す運転第１ステージと、セルの燃料極の前記他方から前記一方に向かって燃料液体を流す運転第２ステージとを切り換えて発電することを特徴とする。

本発明の燃料電池発電方法によると、燃料タンクからセルの燃料極に燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電するに際し、前記燃料タンクの内部圧力を加圧して前記燃料タンクから前記燃料極に燃料液体を供給するか、電池反応によって消耗した燃料液体を燃料貯蔵容器から前記燃料貯蔵容器の内部圧力を加圧して燃料極の側に補充するか、電池反応によって発生した水を水貯蔵タンクから前記水貯蔵タンクの内部圧力を加圧して燃料極の側に補充するので、液体ポンプではなくて空気ポンプを使用して目的を達成することができる。

また、これらの空気ポンプとして空気極に空気を供給する空気ポンプを使用することによって空気極用ポンプと燃料極用ポンプとを単一化することができる。
また、セルの前記燃料極を中央にしてその両側に第１，第２の燃料タンクを配設して、運転第１ステージと運転第２ステージとを切り換えて発電することによって、燃料極における気泡の排出が良好に行われるとともに、燃料としてメタノール水溶液を使用した場合のメタノールクロスオーバーが低減され、長期間にわたって安定した動作を期待できる。

以下、本発明の燃料電池発電方法を具体的な実施の形態に基づいて説明する。
図１において、この実施の形態の燃料電池装置は、セル１と、第１，第２の燃料タンクＣ１，Ｃ２と、単一の空気ポンプＡＰと、バッファタンクＢ１と、水貯蔵タンクＣ３と、メタノール貯蔵容器Ｃ４と、これらの間を接続する配管経路と、この配管経路に接続されたバルブや気液分離器などを組み合わせて構成されている。

セル１は、従来例で説明したように固体電解質膜２を中央にして両面にそれぞれ電極触媒層３，４を形成して構成されており、セル１の燃料極７を中央にしてその両側に第１，第２の燃料タンクＣ１，Ｃ２を配設して、第１の燃料タンクＣ１と燃料極７の間が第１の燃料供給流路１６で接続され、第２の燃料タンクＣ２と燃料極７の間が第２の燃料供給流路１７で接続されている。

ここで、第１，第２の燃料タンクＣ１，Ｃ２は、図２に示すように蛇行した細いサーペンタイン型燃料タンクで構成されている。例えば、蛇行した経路の一部となる凹部を形成した第１のガラス基板１８と、第１のガラス基板１８の凹部とは面同士が対称で蛇行した経路の一部となる凹部を形成した第２のガラス基板１９とを、それぞれの凹部が内側になるように張り合わせて形成される。２０は空気入口、２１は液出入口である。

第１の燃料タンクＣ１の燃料出口（以下、セクションＳ４２と称す）には第１の気液分離器Ｌ１が介装され、第２の燃料タンクＣ２の燃料出口（以下、セクションＳ５２と称す）には第２の気液分離器Ｌ２が介装されている。第１の燃料タンクＣ１の空気入口（以下、セクションＳ４１と称す）には疎水性多孔質膜の第１のフィルタＦ１が介装され、第２の燃料タンクＣ２の空気入口（以下、セクションＳ５１と称す）にも疎水性多孔質膜の第２のフィルタＦ２が介装されている。

セル１の空気極８に空気を供給する空気供給流路は、空気極８の一端とバッファタンクＢ１とを管路２２で接続し、空気極８の他端を第３の気液分離器Ｌ３とバルブＶ１１を介して水貯蔵タンクＣ３の一端に接続している。この水貯蔵タンクＣ３の一端はバルブＶ６を介して前記第２の燃料供給流路１７に接続されている。水貯蔵タンクＣ３も第１，第２の燃料タンクＣ１，Ｃ２と同じように、蛇行した細いサーペンタイン型タンクで構成されている。これはタンクＣ１，Ｃ２，Ｃ３の何れの場合も、流路径が大きくなると落下などの衝撃により流路に形成されたメニスカスが崩れる可能性があるので、落下などの衝撃によっても流路に形成されたメニスカスが崩れない細さに形成されている。

空気ポンプＡＰによって内部圧力が目標値を維持するように加圧されているバッファタンクＢ１は、バルブＶ１と前記第１のフィルタＦ１を介して第１の燃料タンクＣ１の空気入口に接続され、バッファタンクＢ１がバルブＶ３と前記第２のフィルタＦ２を介して第２の燃料タンクＣ２の空気入口に接続されている。また、バルブＶ１と第１のフィルタＦ１との接続点はバルブＶ２を介して大気に接続されている。バルブＶ３と第２のフィルタＦ２との接続点はバルブＶ４を介して大気に接続されている。

前記メタノール貯蔵容器Ｃ４には高濃度メタノールが封入された可撓性の袋２３を収容する密閉室２４が形成されており、この密閉室２４はバルブＶ８を介してバッファタンクＢ１に接続されている。また、密閉室２４はバルブＶ９を介して大気に開放されている。前記袋２３の燃料出口は、異物混入防止用のフィルタＦ３とバルブＶ５を介して前記第１の燃料供給流路１６に接続されている。メタノール貯蔵容器Ｃ４には余剰水タンクＣ５が併設されている。

余剰水タンクＣ５は、バルブＶ７を介して水貯蔵タンクＣ３の他端に接続されている。また、水貯蔵タンクＣ３の他端は、疎水性多孔質膜の第１のフィルタＦ４とバルブＶ１０を介してバッファタンクＢ１に接続されている。

さらに、前記セクションＳ４２（第１の燃料タンクＣ１の燃料出口）、前記セクションＳ５２（第２の燃料タンクＣ２の燃料出口）、前記セクションＳ４１（第１の燃料タンクＣ１の空気入口）、前記セクションＳ５１（第２の燃料タンクＣ２の空気入口）には、図３に示すようにそれぞれレベル計としての電極Ｐ１，Ｐ２が敷設されており、この電極Ｐ１，Ｐ２の間にメタノール水溶液が介在している電気抵抗値と、メタノール水溶液が介在しなくなった状態とを判別している。

この実施の形態では第１の燃料タンクＣ１の燃料液体の液面を検出する第１のセンサとしてセクションＳ４１，Ｓ４２にそれぞれ電極Ｐ１，Ｐ２が設けられており、第２の燃料タンクＣ２の燃料液体の液面を検出する第２のセンサとしてセクションＳ５１，Ｓ５２にそれぞれ電極Ｐ１，Ｐ２が設けられている。

なお、タンクＣ１，Ｃ２，Ｃ３の何れのものも、流路内部への撥液処理もしくは流路パイプに撥液材料を用いて構成されている。これは、流路壁面の濡れが高いと壁面に水膜が残存し、燃料の移動効率が悪くなるので、この点を改善する事を目的としている。より具体的には、タンクＣ１，Ｃ２，Ｃ３の流路内部へのフッ素系の撥液処理もしくはフッ素系のパイプ材料を使用して、流路隔壁に水膜及び滴を残すことなく燃料移動がスムーズで移動効率がよく、明確な液面検出が行える。

上記の各バルブＶ１〜Ｖ１１は、運転状態に応じて電気的に開閉状態を切り換えることができる電磁弁が使用され、より好ましくは、開閉状態の切り換えのタイミングにセットパルス電圧を印加すると、セットパルス電圧が無くなってその後にリセットパルス電圧が印加されるタイミングまで流路が開状態に自己保持され、リセットパルス電圧を印加すると、リセットパルス電圧が無くなってその後にセットパルス電圧が印加されるタイミングまで流路が閉状態に自己保持されるラッチングタイプの電磁弁が消費電力低減の上で好ましく、図１において各バルブＶ１〜Ｖ１１には各運転状態に応じてコントローラ２５から前記セットパルス電圧とリセットパルス電圧が印加されている。なお、コントローラ２５には起動時に各種バルブなどを作動させるための起動専用電池を備えている。

各運転状態の「停止時」「起動時」「メタノール水溶液の供給」「メタノール注入」「水供給」「燃料又は水供給タイミング」に基づいて詳しく説明する。
停 止 時
バルブＶ１〜Ｖ１１は全て閉状態にセットされており、第２の燃料タンクＣ２にメタノール水溶液が入れられているけれども、第１の燃料タンクＣ１は空状態になっている。さらに、セル１の燃料極７と第１，第２のメタノール水溶液流路１６，１７には、燃料が満たされている。水貯蔵タンクＣ３には水が入っている。

起 動
空気ポンプＡＰをオンにすると、バッファタンクＢ１を介してセル１の空気極８に空気が送られる。空気極８の流路の流路抵抗によりバッファタンクＢ１の圧力は数ｋＰａまで上昇して安定し、スタンバイ状態となる。

メタノール水溶液の供給
ａ．待機ステージ
このメタノール水溶液の供給に際しての待機ステージでは、コントローラ２５によってバルブＶ１，Ｖ３が閉状態、バルブＶ２，Ｖ４が閉状態にセットされる。

この時、コントローラ２５は前記セクションＳ４１，Ｓ４２，Ｓ５１，Ｓ５２の電極Ｐ１，Ｐ２の電気導通度から、第１の燃料タンクＣ１が空状態、第２の燃料タンクＣ２が満状態かチェックする。具体的には、第１の燃料タンクＣ１の両端のセクションＳ４１，Ｓ４２のメタノールレベルがメタノールを検出できない状態（以下、このメタノール無し状態を“Ｌｏｗ”と称す），第２の燃料タンクＣ２の両端のセクションＳ５１，Ｓ５２のメタノールレベルがメタノールを検出した状態（以下、メタノール有り状態を“Ｈｉ”と称す）かチェックする。

第１の燃料タンクＣ１が空状態、第２の燃料タンクＣ２が満状態でない場合には、コントローラ２５は、バルブＶ２，Ｖ３を閉状態、バルブＶ１，Ｖ４開状態にして、バッファタンクＢ１からバルブＶ１とフィルタＦ１を介して第１の燃料タンクＣ１へ加圧空気を送り込み、第１の燃料タンクＣ１に残っていたメタノール水溶液を第１の燃料供給流路１６と燃料極７と第２の燃料供給流路１７、ならびに気液分離器Ｌ２を経て第２の燃料タンクＣ２へ移動させ、第２の燃料タンクＣ２から押し出された空気はフィルタＦ２からバルブＶ４を介して大気に放出される。

このようにして第１の燃料タンクＣ１が空状態、第２の燃料タンクＣ２が満状態になってから、コントローラ２５は次の運転第１ステージを実行する。
ｂ．運転第１ステージ
この状態では、バルブＶ１，Ｖ４を閉状態、バルブＶ２，Ｖ３を閉状態にセットして、バッファタンクＢ１からバルブＶ３とフィルタＦ２を介して第２の燃料タンクＣ２へ加圧空気を送り込み、一方、第１の燃料タンクＣ１ではフィルタＦ１とバルブＶ２を介して内部空気が大気に放出されるため、第２の燃料タンクＣ２から気液分離器Ｌ２で気液分離された後に第２の燃料供給流路１７へ押し出されたメタノール水溶液は、燃料極７を通過し、この燃料極７の通過でメタノールと水が消費され、二酸化炭素ガスが発生して気液混合流となったメタノール水溶液が第１の燃料供給流路１６を経て、さらに気液分離器Ｌ１で気液分離されて、気液混合流の二酸化炭素ガスが気液分離器Ｌ１で分離されて大気に排出される。気液分離で残ったメタノール水溶液だけが気液分離器Ｌ１を介して第１の燃料タンクＣ１へ流れ込む。

このような流路構成になっているため、第１の燃料タンクＣ１において流路液面境界ができ、その液面がセクションＳ４２を通過し、セクションＳ４１に向かって移動する。
メタノール水溶液がセクションＳ４１に到達したことを検出したコントローラ２５は、次の運転第２ステージに切り換わる。

ｃ．運転第２ステージ
この運転第２ステージは、第１の燃料タンクＣ１から第２の燃料タンクＣ２へメタノール水溶液を移動させる運転ステージに切り換わる。具体的には、バルブＶ２，Ｖ３を閉状態，バルブＶ１，Ｖ４を開状態にセットし、バッファタンクＢ１からバルブＶ１とフィルタＦ１を介して第１の燃料タンクＣ１へ加圧空気を送り込み、一方、第２の燃料タンクＣ２ではフィルタＦ２とバルブＶ４を介して内部空気が大気に放出されるため、第１の燃料タンクＣ１から気液分離器Ｌ１で気液分離された後に第１の燃料供給流路１６へ押し出されたメタノール水溶液は、燃料極７を通過し、この燃料極７の通過でメタノールと水が消費され、二酸化炭素ガスが発生して気液混合流となったメタノール水溶液が第２の燃料供給流路１７を経て、さらに気液分離器Ｌ２で気液分離されて、気液混合流の二酸化炭素ガスが気液分離器Ｌ２で分離されて大気に排出される。気液分離で残ったメタノール水溶液だけが気液分離器Ｌ２を介して第１の燃料タンクＣ２へ流れ込む。

なお、運転第１ステージの終わりに第１の燃料タンクＣ１のセクションＳ５１が“Ｌｏｗ”レベルになっても第１の燃料タンクＣ２のセクションＳ４１が“Ｈｉ”レベルにならない場合には、コントローラ２５がこれを検出して第１の燃料供給流路１６への高濃度メタノールの注入，第２の燃料供給流路１７への水を注入するように構成されている。

高濃度メタノールの注入の場合
高濃度メタノールを注入する場合には、バルブＶ５，Ｖ９を閉状態、バルブＶ８を開状態にすることで、バッファタンクＢ１からバルブＶ８を介してメタノール貯蔵容器Ｃ４の密閉室２４に加圧空気が供給され、供給された加圧空気の圧力が前記袋２３に印加される。この状態を待機状態とする。そして、バルブＶ５を開状態にすることで、供給された加圧空気の圧力に応じて前記袋２３が押しつぶされて袋２３からフィルタＦ３とバルブＶ５を介して第１の燃料供給流路１６に高濃度メタノールが注入される。この注入はセクションＳ４１が“Ｈｉ”レベルになったことをコントローラ２５が検出するまで行う。

水の注入の場合
運転第１ステージと運転第２ステージとの繰り返しの運転中には、次のようにして水貯蔵タンクＣ３に水が貯蔵される。つまり、バルブＶ７，Ｖ１１を開状態，バルブＶ１０，Ｖ６を閉状態にセットされると、セルの空気極８を通過した水＋未反応空気混合流体が気液分離器Ｌ３に流れ、未反応空気は大気に排出され、水のみが気液分離器Ｌ３の親水性フィルタを通過してバルブＶ１１を通過して水貯蔵タンクＣ３に貯蔵される。水貯蔵タンクＣ３に水が送り込まれると、水貯蔵タンクＣ３の気液の液面は水の増加につれ、余剰水タンクＣ５に向かって移動する。余剰水タンクＣ５は、具体的には前記メタノール貯蔵容器Ｃ４の密閉室２４の外側に併設された多孔質の材料で構成されており、水貯蔵タンクＣ３の容量を越える余剰水は、余剰水タンクＣ５の多孔質の材料に吸収して保持され、この多孔質の材料から大気に蒸発させて排出する。

水貯蔵タンクＣ３から第２の燃料供給流路１７への水の注入は、次のように実行される。この場合には、コントローラ２５がバルブＶ７，Ｖ１１を閉状態，バルブＶ６，Ｖ１０を開状態にセットする。バルブＶ８は閉状態にセットされることで、バッファタンクＢ１からバルブＶ１０とフィルタＦ４を介して水貯蔵タンクＣ３に加圧空気が供給され、水貯蔵タンクＣ３に貯蔵されていた水はバルブＶ６を介して第２の燃料供給流路１７へ注入される。注入量は、セクションＳ５１が“Ｈｉ”レベルになったことをコントローラ２５が検出するまで行う。注入が終れば、コントローラ２５はバルブＶ７，Ｖ１１を開状態，バルブＶ１０，Ｖ６を閉状態に戻す。

上記の「高濃度メタノールの注入の場合」と「水の注入の場合」のそれぞれのタイミングは、燃料極７においてメタノールと水が消費されると、例えば、第２の燃料タンクＣ２に第１の燃料タンクＣ１から燃料を搬送する場合、セクションＳ４２が“Ｌｏｗ”になってもセクションＳ５１が“Ｈｉ”にならない状態となる。この時にコントローラ２５がメタノール濃度を見て、濃度が低いと判定した場合には高濃度メタノールを注入し、濃度が高いと判定した場合には水を注入する。

なお、前記メタノール濃度検出は、第１の燃料供給流路１６と第２の燃料供給流路１７の少なくとも一方に設けたメタノール濃度センサ（図示せず）の出力の直接の読み取り、またはセルの発電力から間接的に読み取る。

このようにして第１の燃料供給流路１６，第２の燃料供給流路１７に注入された高濃度メタノールや水は、前記運転第１ステージと運転第２ステージとの繰り返しの運転によって迅速に均一に混合される。

なお、第１の燃料タンクＣ１，第２の燃料タンクＣ２の体積は、セル１の燃料極７の流路を含む、第１の燃料供給流路１６から第２の燃料供給流路１７迄の流路体積と同等またはそれ以上が好ましい。それは、セル１の燃料が一方向で入れ換わるからである。

このようにセル１の燃料極７への燃料の供給を、運転第１ステージと運転第２ステージとの繰り返しの運転による双方向供給を行った燃料電池装置において、セル１の電流−電圧特性の測定を行った。その結果、運転第１ステージと運転第２ステージとの切り換えのタイミングでの電流，電圧変化は、検出されなかった。１ｍＷ以下の変化と予想される。

また、一方向だとセル１の燃料極の入口は、ガス無、メタノール濃度リッチ、出口は、ガス量が多く、メタノール濃度が低いという状態が連続的に発生する。入口側は発電の出力高く、出口の発電出力が低いので、空気極の入口側の寿命低く、入口側濃度がいつも高いので、メタノールクロスオーバーが発生して出力上がらなくなるが、上記の実施の形態のように双方向にすることでＭＥＡ膜の出力が平均化され、ＭＥＡの負荷も平均化される。入出口のメタノール濃度が、低，高と入れかわるので、メタノールクロスオーバーが低減される。

結果的に出力が上昇、気泡の排出においても、一方向だと出口部での気泡の排出能力が低下するが、双方向だと流入の方向が変わるので、出口部で気泡量が多く排出能が低下していても入口に入れかわるので液体の流れの力によって、気泡の排出能に優れ、流体燃料供給不足も発生しにくく、長期間にわたって安定した動作を期待できる。

また、空気極８に空気を送るエアーポンプＡＰを燃料極７での燃料供給にも使用しているため、従来のように空気極８に空気を送るエアーポンプＡＰとは別に設けた液体ポンプによって燃料極７へ燃料供給する場合に比べて、単一のモータで済む分だけ装置の小型軽量化を実現できる。さらに、液体ポンプを使用して燃料極７へ燃料供給していた場合には呼び水を与えなければ起動できなかったが、この実施の形態では空気極８に空気を送るエアーポンプＡＰを燃料極７での燃料供給にも使用しているため、前記呼び水が不要で、確実な起動を実現できる。

また、前記メタノール貯蔵容器Ｃ４から第１の燃料供給流路１６への高濃度メタノールの注入にも、空気極８に空気を送るエアーポンプＡＰを使用しているため、メタノールに耐性のある特別な材料で作られたポンプを使用しなくても済み、メタノールの微量搬送に適している。燃料電池の姿勢を反対にしてメタノール貯蔵容器Ｃ４のメタノール出口に空気が接した場合であっても、確実にメタノールを注入できる。

また、重量分離方式の循環タンクの場合、携帯用燃料電池では、上下逆さにされる恐れがあり、二酸化炭素ガスの排出ができない。液面が揺れるので液面センサが誤動作する。さらに、振動があった場合は、循環タンクがシャッフルされ液体に多量の気泡が混入し、空気ポンプを誤動作させるという問題があったが、上記の実施の形態では、第１，第２の燃料タンクＣ１，Ｃ２の形状が管路で形成したため、メタノールと空気の液面が燃料電池の姿勢によらず一定となり、安定した動作を期待できる。

本発明は、燃料電池の信頼性の向上と小型軽量化を実現することができ、この種の燃料電池を電源として使用する各種の携帯機器に有用である。

本発明の燃料電池発電方法を実施する燃料電池の構成図 同燃料電池装置の第１，第２の燃料タンクＣ１，Ｃ２の平面図 図２の要部の拡大断面図 燃料電池の発電システムを説明するセルの拡大断面図 従来の燃料電池の構成図

符号の説明

１ セル
２ 固体電解質膜
３，４ 電極触媒層
７ 燃料極
８ 空気極
１６ 第１の燃料供給流路
１７ 第２の燃料供給流路
１８ 第１のガラス基板
１９ 第２のガラス基板
２０ 空気入口
２１ 液出入口
２３ 袋
２４ 密閉室
２５ コントローラ
Ｖ１〜Ｖ１１ バルブ
ＡＰ 空気ポンプ
Ｂ１ バッファタンク
Ｃ１，Ｃ２ 第１，第２の燃料タンク
Ｃ３ 水貯蔵タンク
Ｃ４ メタノール貯蔵容器
Ｃ５ 余剰水タンク
Ｓ４１ 第１の燃料タンクＣ１の空気入口
Ｓ４２ 第１の燃料タンクＣ１の燃料出口
Ｓ５１ 第２の燃料タンクＣ２の空気入口
Ｓ５２ 第２の燃料タンクＣ２の燃料出口
Ｌ１ 第１の気液分離器
Ｌ２ 第２の気液分離器
Ｌ３ 第３の気液分離器
Ｆ１ 第１のフィルタ
Ｆ２ 第２のフィルタ

Claims (14)

1. 燃料タンクからセルの燃料極に燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電するに際し、
   前記燃料タンクの内部圧力を加圧して前記燃料タンクから前記セルの燃料極に燃料液体を供給して発電する
   燃料電池発電方法。
2. 燃料タンクからセルの燃料極に燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電するに際し、
   前記セルの前記空気極に空気を供給する空気ポンプの加圧空気によって前記燃料タンクの内部圧力を加圧して前記燃料タンクから前記セルの燃料極に燃料液体を供給して発電する
   燃料電池発電方法。
3. セルの燃料極に燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電するに際し、
   セルの前記燃料極を中央にしてその両側に第１，第２の燃料タンクを配設した燃料供給流路における前記第１の燃料タンクの内部圧力を加圧して第１の燃料タンクの燃料液体を前記燃料極を経て前記第２の燃料タンクへ供給して発電する運転第１ステージと、
   前記第２の燃料タンクの内部圧力を加圧して第２の燃料タンクの燃料液体を前記燃料極を経て前記第１の燃料タンクへ供給して発電する運転第２ステージとを切り換えて発電する
   燃料電池発電方法。
4. 前記セルの前記空気極に空気を供給する空気ポンプの加圧空気によって第１，第２の燃料タンクの内部圧力を加圧する
   請求項３記載の燃料電池発電方法。
5. 第１の燃料タンクの燃料液体を前記燃料極を経て前記第２の燃料タンクへ供給して発電している運転第１ステージに、第１の燃料タンクの燃料液体の液面低下を検出して運転第２ステージに切り換え、
   第２の燃料タンクの燃料液体を前記燃料極を経て前記第１の燃料タンクへ供給して発電している運転第２ステージに、第２の燃料タンクの燃料液体の液面低下を検出して運転第１ステージに切り換える
   請求項３記載の燃料電池発電方法。
6. 燃料タンクからセルの燃料極に燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電する燃料電池であって、
   燃料液体を溜めることができ前記セルの前記燃料極を中央にしてその両側に配設された第１，第２の燃料タンクと、
   加圧された空気源と前記第１，第２の燃料タンクの間に設けられて前記第１，第２の燃料タンクの一方のタンクにストックしている燃料液体を他方の燃料タンクに送るように加圧空気を供給し、他方の燃料タンクの空気を放出するように切り換える切換回路と、
   第１の燃料タンクの燃料液体の液面を検出する第１のセンサと、
   第２の燃料タンクの燃料液体の液面を検出する第２のセンサと、
   前記第２の燃料タンクへ燃料液体を供給して発電している運転第１ステージに前記第１のセンサが液面の低下を検出して前記切換回路に、前記第２の燃料タンクから前記第１の燃料タンクへ燃料液体を供給して発電する運転第２ステージへの切り換えを指示し、前記第１の燃料タンクへ燃料液体を供給して発電している運転第２ステージに前記第２のセンサが液面の低下を検出して前記切換回路に、前記運転第２ステージへの切り換えを指示するコントローラと
   を設けた燃料電池。
7. 第１，第２の燃料タンクを、サーペンタイン型燃料タンクとした
   請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記切換回路を、ラッチ型バルブとした
   請求項６または請求項７に記載の燃料電池。
9. 燃料タンクからセルの燃料極に希釈した燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電し、電池反応によって消耗した燃料液体を燃料極の側に燃料貯蔵容器から補充するに際し、
   前記燃料貯蔵容器の内部圧力を加圧して前記燃料貯蔵容器から燃料液体を補充して発電する
   燃料電池発電方法。
10. 燃料タンクからセルの燃料極に希釈した燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電し、電池反応によって消耗した燃料液体を燃料極の側に燃料貯蔵容器から補充するに際し、
    前記空気極に空気を供給する空気ポンプの加圧空気によって前記燃料貯蔵容器の内部圧力を加圧して前記燃料貯蔵容器から燃料液体を補充して発電する
    燃料電池発電方法。
11. 燃料タンクからセルの燃料極に希釈した燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電し、電池反応によって発生した水を水貯蔵タンクから燃料極の側に補充するに際し、
    前記水貯蔵タンクの内部圧力を加圧して前記水貯蔵タンクから水を補充して発電する
    燃料電池発電方法。
12. 燃料タンクからセルの燃料極に希釈した燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電し、電池反応によって消耗した水を水貯蔵タンクから燃料極の側に補充するに際し、
    前記空気極に空気を供給する空気ポンプの加圧空気によって前記水貯蔵タンクの内部圧力を加圧して前記水貯蔵タンクから水を補充して発電する
    燃料電池発電方法。
13. 燃料タンクからセルの燃料極に燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電するに際し、
    セルの燃料極の一方から他方に向かって燃料液体を流す運転第１ステージと、セルの燃料極の前記他方から前記一方に向かって燃料液体を流す運転第２ステージとを切り換えて発電する
    燃料電池発電方法。
14. 第１，第２の燃料タンクを、流路内部への撥液処理もしくは流路パイプに撥液材料を用いて構成されたサーペンタイン型燃料タンクとした
    請求項６に記載の燃料電池。

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