JP2010050037A - Direct fuel cell system, and method for controlling the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direct fuel cell system capable deterring unintended hydrogen generation, and to provide a method for controlling the direct fuel cell system. <P>SOLUTION: The direct fuel cell system is controlled so that fuel does not practically come in contact with an anode when starting the supply of an oxidant to a cathode at start of operation or when stopping the supply of the oxidant to the cathode at stop of operation. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、有機物あるいは有機物溶液などを直接アノードに供給して発電を行うことができる直接型燃料電池システム及びその制御方法に関する。   The present invention relates to a direct fuel cell system capable of generating electricity by directly supplying an organic substance or an organic solution to an anode, and a control method thereof.

近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策のひとつとして燃料電池の開発が活発に行われている。特にアルコールなどの有機物を燃料に用いて改質・ガス化を行う事なく直接発電に利用する事ができる直接型燃料電池は、構造がシンプルで小型化・軽量化が容易であり、分散型電源、可搬型電源、コンピューター用、ポータブル電子機器用、携帯電話用等のコンシューマ電源として有望である。   In recent years, countermeasures against environmental problems and resource problems have become important, and fuel cells have been actively developed as one of the countermeasures. In particular, direct fuel cells that can be used directly for power generation without reforming or gasification using organic substances such as alcohol as fuel, have a simple structure and are easily reduced in size and weight. It is promising as a consumer power source for portable power sources, computers, portable electronic devices, mobile phones and the like.

これらの直接型燃料電池には、電解質膜の両側にカソード極およびアノード極を接合した膜電極接合体(MEA)をカソード極セパレータおよびアノード極セパレータで挟持した単電池セルを多数積層して構成した物や、複数のMEAを平面上に並べ、各MEAを電気的に接続した物などが開発されている。特に、複数のMEAを平面上に並べた後者の形態は、ラップトップ型コンピュータなどのポータブル電子機器や携帯電話の電源として有望視されている。   These direct fuel cells are configured by laminating a number of unit cells each having a membrane electrode assembly (MEA) in which a cathode electrode and an anode electrode are bonded to both sides of an electrolyte membrane and sandwiched between the cathode electrode separator and the anode electrode separator. An object, an object in which a plurality of MEAs are arranged on a plane, and each MEA is electrically connected has been developed. In particular, the latter form in which a plurality of MEAs are arranged on a plane is promising as a power source for portable electronic devices such as laptop computers and mobile phones.

直接型燃料電池ではアノード側に有機物溶液を供給すると、電池反応によって炭酸ガスが発生し、燃料排気側では廃燃料と炭酸ガスが排出される。一方、カソード側では酸化剤として空気を供給すると、電池反応により水が発生し、空気出口から排出される。   In the direct type fuel cell, when an organic solution is supplied to the anode side, carbon dioxide gas is generated by the cell reaction, and waste fuel and carbon dioxide gas are discharged on the fuel exhaust side. On the other hand, when air is supplied as an oxidant on the cathode side, water is generated by the cell reaction and is discharged from the air outlet.

このような直接型燃料電池の中にも、カソードへの空気供給やアノードへの燃料供給にポンプ等の動力装置を用いるアクティブ型と、動力装置を用いないパッシブ型の直接メタノール型燃料電池が検討されてきた。   Among these direct fuel cells, active type using a power unit such as a pump for supplying air to the cathode and fuel to the anode, and passive type direct methanol type fuel cell not using the power unit are considered. It has been.

このようなパッシブ型の燃料電池は、アクティブ型の燃料電池と比較して、出力が取りにくいといった短所がある反面、ポンプ駆動のための電力が不要であり電池の発電効率を高くする事ができるという長所がある。また、シンプルでコンパクトなシステムが構成できる、ポンプ駆動音のない静かな発電機となる、といった特長がある。そのため、よりシンプルなシステム構成が可能となり、携帯電話用電源、ラップトップコンピューター用電源といった小型コンシューマー用途に最適な燃料電池となる可能性がある。   Such a passive type fuel cell has a disadvantage that it is difficult to obtain an output as compared with an active type fuel cell. On the other hand, no power is required for driving the pump, and the power generation efficiency of the cell can be increased. There is an advantage. In addition, there is a feature that a simple and compact system can be configured, and that it becomes a quiet generator without pump drive noise. Therefore, a simpler system configuration is possible, and there is a possibility that the fuel cell is optimal for small consumer applications such as a power source for mobile phones and a power source for laptop computers.

我々は、直接型燃料電池の研究開発の過程で、特許文献1に示すように、特定の条件において、直接型燃料電池のアノードから水素が発生する現象を発見した。水素発生条件は、カソードへの酸化剤供給量と単電池電圧とによって決まり、単位電池の開路電圧が300〜800mVの範囲で水素が発生し、燃料電池から負荷に対する電力供給がなされているか否かには関らないことが分かっている。
特許第3812581号公報 このことは、直接型燃料電池システムにおいて、特定の条件下で、意図せずに、直接型燃料電池システムから水素が排出される可能性があることを示している。水素は可燃性の気体であり、空気と、極めて広い混合比で爆発性の混合気を生じるため、直接型燃料電池システムにおける水素の発生は、爆発事故などを引き起こす可能性があり、そのような危険性を回避する手段が求められている。
In the process of research and development of a direct fuel cell, we have discovered a phenomenon in which hydrogen is generated from the anode of the direct fuel cell under specific conditions, as shown in Patent Document 1. The hydrogen generation conditions are determined by the amount of oxidant supplied to the cathode and the cell voltage, and whether hydrogen is generated when the open circuit voltage of the unit cell is in the range of 300 to 800 mV, and whether or not power is supplied from the fuel cell to the load. I know it doesn't matter.
This indicates that in a direct fuel cell system, hydrogen may be unintentionally discharged from the direct fuel cell system under specific conditions. Since hydrogen is a flammable gas and produces an explosive mixture with air in a very wide mixing ratio, the generation of hydrogen in a direct fuel cell system can cause an explosion accident, etc. There is a need for means to avoid danger.

また、直接メタノール型燃料電池(DMFC)に関して、開路で、酸素欠乏状態の場合に、単一セル内で、電池反応と電解反応が共存し、カソードでCHOH+HO→CO+6H+6eの反応、アノードで6H+6e→3Hの反応が生じ、アノード側から水素が発生すること、その場合の開路電圧は400〜500mV程度であることも知られている(非特許文献1及び2参照)。 In addition, in the case of a direct methanol fuel cell (DMFC), when an open circuit is in an oxygen-deficient state, the battery reaction and the electrolytic reaction coexist in a single cell, and CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e at the cathode. - the reaction, the anode in 6H + + 6e - → reaction 3H 2 occurs, the hydrogen from the anode side is generated, it is also known that the open circuit voltage in the case is about 400~500MV (non-Patent Document 1 And 2).

非特許文献1の論文は、「水素の発生は、運転中のセルにおける電力のアウトプットを減少させるばかりでなく、開路状態で燃料を連続的に消費するので、DMFCが運転中及び待機中のいずれの時でも、カソードに酸素を十分かつ一定に供給し続けることが重要である」と結論付けている。非特許文献2の論文は、「大きなMEA面積を有するDMFCについては、システムのシャットダウン及びスタートアップによって引き起こされる水素の蓄積に注意する必要がある」と結論付けているから、アノード側からの水素の発生を抑止した方がよいという技術的思想は示されているといえるが、水素発生を抑止する具体的な手段については記載がない。
Electrochemical and Solid-State Letters,8(1)A52-A54(2005) Electrochemical and Solid-State Letters,8(4)A211-A214(2005)
The paper of Non-Patent Document 1 states that “the generation of hydrogen not only reduces the power output in the operating cell, but also consumes fuel continuously in the open circuit, so the DMFC is in operation and on standby. At any time, it is important to keep supplying oxygen sufficiently and consistently to the cathode. " Non-Patent Document 2 concluded that "DMFC with large MEA area needs to be careful about hydrogen accumulation caused by system shutdown and startup", so hydrogen generation from the anode side Although it can be said that the technical idea that it is better to suppress hydrogen is shown, there is no description about specific means for suppressing hydrogen generation.
Electrochemical and Solid-State Letters, 8 (1) A52-A54 (2005) Electrochemical and Solid-State Letters, 8 (4) A211-A214 (2005)

本発明は、上記のような直接型燃料電池システムにおける水素の発生の問題を解決しようとするものであり、意図しない水素発生を抑止することができる直接型燃料電池システムとその制御方法を提供することを課題とする。   The present invention is intended to solve the problem of hydrogen generation in the direct fuel cell system as described above, and provides a direct fuel cell system capable of suppressing unintended hydrogen generation and a control method thereof. This is the issue.

本発明は、上記の課題を解決するために以下の手段を採用する。
本発明による第一の発明は、起動時にカソードへの酸化剤の供給を開始するとき、または停止時にカソードへの酸化剤の供給を停止するときに、アノードに実質的に燃料が接触していないように制御するように設定されたことを特徴とする直接型燃料電池システムである。
本発明による第二の発明は、第一の発明の直接型燃料電池システムにおいて、起動時にカソードへの酸化剤の供給を開始するとき、または停止時にカソードへの酸化剤の供給を停止するときに、アノードに接する燃料の濃度が0.005mol/l以下となっているように制御するように設定されたことを特徴とする。
本発明による第三の発明は、直接型燃料電池システムの制御方法であって、前記直接型燃料電池システムの起動時にカソードへの酸化剤の供給を開始するとき、または前記直接型燃料電池システムの停止時にカソードへの酸化剤の供給を停止するときに、アノードに実質的に燃料が接触していないように制御することを特徴とする。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
According to the first aspect of the present invention, when the supply of the oxidant to the cathode is started at start-up, or when the supply of the oxidant to the cathode is stopped at the time of stoppage, the fuel is not substantially in contact with the anode. The direct fuel cell system is characterized in that it is set to be controlled as described above.
According to a second aspect of the present invention, in the direct fuel cell system according to the first aspect, when the supply of the oxidant to the cathode is started at start-up, or the supply of the oxidant to the cathode is stopped at the time of stoppage. The fuel is in contact with the anode so that the concentration of the fuel is controlled to be 0.005 mol / l or less.
According to a third aspect of the present invention, there is provided a control method for a direct fuel cell system, wherein supply of an oxidant to a cathode is started at the start of the direct fuel cell system, or the direct fuel cell system When stopping the supply of the oxidant to the cathode at the time of stopping, control is performed so that the fuel is not substantially in contact with the anode.

本発明による第一、第二、または第三の発明によれば、直接型燃料電池システムからの水素発生を低減または防止することができる。   According to the first, second, or third invention of the present invention, hydrogen generation from a direct fuel cell system can be reduced or prevented.

本発明の直接型燃料電池システムには、固体高分子電解質膜を電解質とする直接型燃料電池を使用することが好ましい。固体高分子電解質膜は、有機物あるいは有機物溶液の透過性を持つものであれば良く、通常はプロトン伝導性を持つものが使用される。プロトン伝導性を持つ固体高分子電解質膜としては、デュポン社のナフィオン膜等のスルホン酸基を持つパーフルオロカーボンスルホン酸系膜が好ましい。   In the direct fuel cell system of the present invention, it is preferable to use a direct fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte. The solid polymer electrolyte membrane only needs to be permeable to organic matter or organic solution, and usually has proton conductivity. The solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity is preferably a perfluorocarbon sulfonic acid membrane having a sulfonic acid group such as a Nafion membrane manufactured by DuPont.

直接型燃料電池のアノードに供給する有機物としては、プロトン伝導性を持つ固体高分子電解質膜等の電解質膜を透過し、電気化学的に酸化されてプロトンを生成する液体又は気体燃料であればよく、メタノール、エタノール、エチレングリコール、2−プロパノールなどのアルコール、ホルムアルデヒドなどのアルデヒド、蟻酸などのカルボン酸、ジエチルエーテルなどのエーテルを含む液体燃料が好ましい。有機物溶液としては、これらの液体燃料と水を含む溶液、その中でも、アルコールを含む水溶液、特にメタノールを含む水溶液が好ましい。   The organic substance supplied to the anode of the direct type fuel cell may be any liquid or gas fuel that permeates an electrolyte membrane such as a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity and is oxidized electrochemically to generate protons. Liquid fuels containing alcohols such as methanol, ethanol, ethylene glycol and 2-propanol, aldehydes such as formaldehyde, carboxylic acids such as formic acid, and ethers such as diethyl ether are preferred. As the organic solution, a solution containing these liquid fuel and water, among which an aqueous solution containing alcohol, particularly an aqueous solution containing methanol is preferable.

直接型燃料電池のカソードに供給する酸化剤としては、酸素を含む気体又は酸素が好ましく、空気を使用することができる。   As the oxidant supplied to the cathode of the direct fuel cell, a gas containing oxygen or oxygen is preferable, and air can be used.

メタノールを燃料とし、酸素を含む気体(例えば空気)を酸化剤とする直接型燃料電池においては、通常、以下のように、アノード側で(A)の反応、カソード側で(B)の反応が起きて、発電が行われている。   In a direct fuel cell using methanol as a fuel and a gas containing oxygen (for example, air) as an oxidizing agent, the reaction (A) on the anode side and the reaction (B) on the cathode side are usually performed as follows. Waking up and generating electricity.

(A)CHOH+HO→6H+6e+CO
(B)6H+6e+3/2O→3H
一方、ナフィオン等のプロトン伝導性固体電解質膜を用いた場合には、CHOHがアノードからカソードへ透過するクロスオーバー現象が知られており、空気流量が低下すると、カソードの酸素供給の不足する領域で、(B)の反応が起きず、クロスオーバーメタノールが電解酸化され、(D)の反応が起き、一方、アノード側では、(C)の反応が起きて水素が発生する。
(A) CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e + CO 2
(B) 6H + + 6e + 3 / 2O 2 → 3H 2 O
On the other hand, when a proton-conducting solid electrolyte membrane such as Nafion is used, a crossover phenomenon in which CH 3 OH permeates from the anode to the cathode is known, and when the air flow rate decreases, the cathode oxygen supply is insufficient. In the region, the reaction (B) does not occur, the crossover methanol is electrolytically oxidized, and the reaction (D) occurs. On the other hand, the reaction (C) occurs on the anode side to generate hydrogen.

(C)6H+6e→3H
(D)CHOH+HO→6H+6e+CO
直接型燃料電池システムにおいては、通常、十分な空気流量で発電しているからカソードの全体に十分に酸素が供給されているため、水素が発生することはない。しかし、直接型燃料電池の運転を停止した場合等に空気流量が徐々に低下したり、運転を起動した直後等に未だカソード全体に十分な酸素が行き届いていなかったりするような状態では、カソードにおいて局所的に酸素不足が生じる。このような状態で、アノードには燃料(メタノール)が残っていると、カソードで酸素不足が生じている領域では、カソード側で(D)の反応、アノード側で(C)の反応が起きる。それと同時に、カソードで酸素不足が生じていない領域では、カソード側で(B)の反応、アノード側で(A)の反応が起きる。このとき、カソードとアノードとの間に負荷が接続されておらず電気的な導通がない状態であっても、カソードでの(B)と(D)との反応の間と、アノードでの(A)と(C)との反応の間でそれぞれ電子の授受が行われるために、上記の(A)、(B)、(C)および(D)の反応は進行する。その結果、水素が発生するという問題が生じる。
(C) 6H + + 6e → 3H 2
(D) CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e + CO 2
In a direct fuel cell system, since power is normally generated at a sufficient air flow rate, oxygen is sufficiently supplied to the entire cathode, so that hydrogen is not generated. However, when the direct fuel cell operation is stopped, the air flow rate gradually decreases, or in a state where sufficient oxygen has not yet reached the entire cathode immediately after the operation is started, etc. Local oxygen deficiency occurs. In such a state, if fuel (methanol) remains in the anode, the reaction (D) occurs on the cathode side and the reaction (C) occurs on the anode side in the region where oxygen shortage occurs at the cathode. At the same time, in the region where oxygen shortage does not occur at the cathode, the reaction (B) occurs on the cathode side and the reaction (A) occurs on the anode side. At this time, even when the load is not connected between the cathode and the anode and there is no electrical conduction, the reaction between (B) and (D) at the cathode and ( Since electrons are transferred between the reactions A) and (C), the reactions (A), (B), (C), and (D) proceed. As a result, there arises a problem that hydrogen is generated.

そこで、本発明では、起動時にカソードへの酸化剤の供給を開始するとき、または停止時にカソードへの酸化剤の供給を停止するときに、アノードに実質的に燃料が接触していないように制御する。このようにすることによって、起動時や停止時にカソードで部分的に酸素不足が生じても、その際にアノードに実質的に燃料が接触していないので、上記の(A)の反応が抑制あるいは防止される。その結果、全体として上記の(A)、(B)、(C)および(D)の反応が抑制あるいは防止されるので、水素の発生が抑制あるいは防止される。
本発明において、起動時にカソードへの酸化剤の供給を開始するとき、または停止時にカソードへの酸化剤の供給を停止するときに、アノードに実質的に燃料が接触していないようにするための具体的手法としては、起動時にカソードへの酸化剤の供給を開始する前、あるいは停止時にカソードへの酸化剤の供給を停止する前に、実質的に燃料を含まない流体をアノードにフローすることによって、アノードと接している燃料を除去することが好ましい。
Therefore, in the present invention, control is performed so that the fuel is not substantially in contact with the anode when the supply of the oxidant to the cathode is started at the start or when the supply of the oxidant to the cathode is stopped at the time of stop. To do. By doing so, even if oxygen deficiency is partially generated at the cathode at the time of starting and stopping, since the fuel is not substantially in contact with the anode at that time, the above reaction (A) is suppressed or Is prevented. As a result, the above reactions (A), (B), (C) and (D) are suppressed or prevented as a whole, so that generation of hydrogen is suppressed or prevented.
In the present invention, when the supply of the oxidant to the cathode is started at the time of start-up, or when the supply of the oxidant to the cathode is stopped at the time of stop, the fuel is substantially not in contact with the anode. A specific approach is to flow a substantially fuel-free fluid to the anode before starting the supply of oxidant to the cathode at start-up or before stopping the supply of oxidant to the cathode at stop. Thus, it is preferable to remove the fuel in contact with the anode.

以下、燃料としてメタノール水溶液を用いる直接メタノール型燃料電池を例に、図を用いながら、本発明を詳細に説明する。
(比較例1〜4)
白金とルテニウムとを活性炭素に担持させてなる燃料極触媒に、テフロン(登録商標)分散液およびナフィオン(登録商標)溶液を混合して作製した燃料極ペーストを、カーボンペーパー上に塗布してアノード1を得、白金を活性炭素に担持させてなる空気極触媒に、テフロン(登録商標)分散液およびナフィオン(登録商標)溶液を混合して作製した空気極ペーストを、カーボンペーパーに塗布してカソードを得た。アノード・カソードとも、電極面積は64cm、触媒担持量は1mg/cmとした。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings, taking a direct methanol fuel cell using a methanol aqueous solution as fuel as an example.
(Comparative Examples 1-4)
A fuel electrode paste prepared by mixing a Teflon (registered trademark) dispersion and a Nafion (registered trademark) solution with a fuel electrode catalyst in which platinum and ruthenium are supported on activated carbon is applied onto carbon paper to form an anode. 1 is applied to an air electrode catalyst obtained by supporting platinum on activated carbon and a Teflon (registered trademark) dispersion and a Nafion (registered trademark) solution mixed with carbon paper. Got. For both the anode and cathode, the electrode area was 64 cm 2 , and the catalyst loading was 1 mg / cm 2 .

次に、図1に示すように、上記のようにして作製したアノード(1)及びカソード(図示せず)をナフィオン117(登録商標)からなる電解質膜(2)の両面にホットプレスで接合し、得られた膜電極接合体10個を、シリコンゴム製のパッキン(3)とグラファイト製のバイポーラ型セパレータ(4)を介して積層した。さらに、図2に示すように、この積層体(5)を2枚の金属製集電板(6)で挾持したものを、シリコンゴム製の絶縁板(7)を介して、2枚の金属性エンドプレート(8)で挾持し、図3に示すように、これらエンドプレート同士をボルト(9)とナット(10)で結合することによって、直接メタノール型燃料電池スタック(11)を作製した。   Next, as shown in FIG. 1, the anode (1) and the cathode (not shown) produced as described above are joined to both surfaces of the electrolyte membrane (2) made of Nafion 117 (registered trademark) by hot pressing. Ten membrane electrode assemblies obtained were laminated via a silicon rubber packing (3) and a graphite bipolar separator (4). Further, as shown in FIG. 2, the laminate (5) held between two metal current collector plates (6) is joined to two metal plates via an insulating plate (7) made of silicon rubber. The end plate (8) was held, and as shown in FIG. 3, these end plates were joined together with bolts (9) and nuts (10) to produce a direct methanol fuel cell stack (11).

上記バイポーラ型セパレータ(4)には、片面に燃料供給用の溝(12)〔図示せず。図1においては、セパレータ(4)の裏面に形成されている。〕が設けられるとともに、燃料供給用の溝(12)に燃料を供給するためのマニホールド穴(13)がセパレータ(4)を貫通して形成されている。各セパレータ(4)の燃料供給用マニホールド穴(13)はスタック(11)を組み立てた状態で相互に連通するとともに、集電板(6)、積層体(5)、絶縁板(7)、エンドプレート(8)に設けられた燃料供給用マニホールド穴とも連通している。また、上記バイポーラ型セパレータ(4)には、燃料供給用の溝(12)から燃料を排出するためのマニホールド穴(14)がセパレータ(4)を貫通して形成されている。各セパレータ(4)の燃料排出用マニホールド穴(14)はスタック(11)を組み立てた状態で相互に連通するとともに、集電板(6)、積層体(5)、絶縁板(7)、エンドプレート(8)に設けられた燃料排出用マニホールド穴とも連通している。このことによって、燃料電池スタック(11)の外部からエンドプレート(8)の燃料供給用マニホールド穴に供給された燃料は、各バイポーラ型セパレータ(4)の燃料供給用の溝(12)を流れて各単電池のアノード(1)に供給される。アノード(1)で消費されなかった燃料は、アノード(1)で発生した反応生成物とともに、エンドプレート(8)の燃料排出用マニホールド穴から排出される。   The bipolar separator (4) has a fuel supply groove (12) on one side [not shown. In FIG. 1, it is formed on the back surface of the separator (4). ] And a manifold hole (13) for supplying fuel to the fuel supply groove (12) is formed through the separator (4). The fuel supply manifold holes (13) of each separator (4) communicate with each other in the assembled state of the stack (11), as well as the current collector plate (6), the laminate (5), the insulating plate (7), and the end. It communicates with a fuel supply manifold hole provided in the plate (8). The bipolar separator (4) is formed with a manifold hole (14) for discharging fuel from the fuel supply groove (12) so as to penetrate the separator (4). The fuel discharge manifold holes (14) of each separator (4) communicate with each other in the assembled state of the stack (11), as well as the current collector plate (6), the laminate (5), the insulating plate (7), and the end. It also communicates with a fuel discharge manifold hole provided in the plate (8). Thus, the fuel supplied from the outside of the fuel cell stack (11) to the fuel supply manifold hole of the end plate (8) flows through the fuel supply groove (12) of each bipolar separator (4). It is supplied to the anode (1) of each unit cell. The fuel not consumed at the anode (1) is discharged from the fuel discharge manifold hole of the end plate (8) together with the reaction product generated at the anode (1).

また、上記バイポーラ型セパレータ(4)には、燃料供給用の溝が設けられた面と反対側の面に、酸化剤供給用の溝(15)が設けられるとともに、酸化剤供給用の溝(15)に酸化剤を供給するためのマニホールド穴(16)がセパレータ(4)を貫通して形成されている。各セパレータ(4)の酸化剤供給用マニホールド穴(16)はスタック(11)を組み立てた状態で相互に連通するとともに、集電板(6)、積層体(5)、絶縁板(7)、エンドプレート(8)に設けられた酸化剤供給用マニホールド穴とも連通している。また、上記バイポーラ型セパレータ(4)には、酸化剤供給用の溝(15)から酸化剤を排出するためのマニホールド穴(17)がセパレータ(4)を貫通して形成されている。各セパレータ(4)の酸化剤排出用マニホールド穴(17)はスタック(11)を組み立てた状態で相互に連通するとともに、集電板(6)、積層体(5)、絶縁板(7)、エンドプレート(8)に設けられた酸化剤排出用マニホールド穴とも連通している。このことによって、燃料電池スタック(11)の外部からエンドプレート(8)の酸化剤供給用マニホールド穴に供給された酸化剤は、各バイポーラ型セパレータ(4)の酸化剤供給用の溝(15)を流れて各単電池のカソードに供給される。カソードで消費されなかった酸化剤は、カソードで発生した反応生成物とともに、エンドプレート(8)の酸化剤排出用マニホールド穴から排出される。   The bipolar separator (4) is provided with an oxidant supply groove (15) on the surface opposite to the surface on which the fuel supply groove is provided, and an oxidant supply groove ( A manifold hole (16) for supplying an oxidant to 15) is formed through the separator (4). The oxidant supply manifold holes (16) of the separators (4) communicate with each other in the assembled state of the stack (11), and the current collector plate (6), the laminate (5), the insulating plate (7), It communicates with an oxidant supply manifold hole provided in the end plate (8). The bipolar separator (4) is formed with a manifold hole (17) for discharging the oxidant from the groove (15) for supplying the oxidant so as to penetrate the separator (4). The oxidant discharge manifold holes (17) of the separators (4) communicate with each other in the assembled state of the stack (11), and the current collector plate (6), the laminate (5), the insulating plate (7), It communicates with an oxidant discharge manifold hole provided in the end plate (8). As a result, the oxidant supplied from the outside of the fuel cell stack (11) to the oxidant supply manifold hole of the end plate (8) becomes the oxidant supply groove (15) of each bipolar separator (4). Is supplied to the cathode of each unit cell. The oxidant not consumed at the cathode is discharged from the oxidant discharge manifold hole of the end plate (8) together with the reaction product generated at the cathode.

上記燃料電池スタック(11)を用いて、図4に示す燃料電池システムを構成した。ブロア(51)は、酸化剤としての空気を燃料電池スタック(11)に送り込む。ポンプ(52)は、燃料としての約3重量パーセントのメタノール水溶液を、燃料タンク(56)から燃料電池スタック(11)に送り込む。燃料電池スタック(11)では、空気中の酸素とメタノールが反応し、電力を発生する。発生した電力は、電力端子(64)および(65)から負荷に供給される。燃料電池スタック(11)の酸化剤排出用マニホールドからは、反応によって生成した水と、未反応の空気が排出され、ラジエータ(53)によって冷却された後に、排気口(66)から燃料電池システム外へ排出される。ラジエータ(53)で凝縮した水は、水タンク(54)へ回収される。   A fuel cell system shown in FIG. 4 was constructed using the fuel cell stack (11). The blower (51) sends air as an oxidant into the fuel cell stack (11). The pump (52) sends about 3 weight percent methanol aqueous solution as fuel from the fuel tank (56) to the fuel cell stack (11). In the fuel cell stack (11), oxygen in the air and methanol react to generate electric power. The generated electric power is supplied from the power terminals (64) and (65) to the load. The water generated by the reaction and unreacted air are discharged from the oxidant discharge manifold of the fuel cell stack (11), cooled by the radiator (53), and then discharged from the exhaust port (66) to the outside of the fuel cell system. Is discharged. The water condensed by the radiator (53) is collected in the water tank (54).

運転に伴い、燃料中のメタノールが燃料電池スタック(11)で消費されるため、燃料タンク(56)の燃料中のメタノール濃度は徐々に低下する。燃料タンク(56)に設置されたメタノール濃度センサー(図示せず)および燃料温度センサー(図示せず)からの信号(97)が、制御装置(60)に送られ、制御装置(60)はこれらの信号(97)から燃料中のメタノール濃度を推定する。燃料中のメタノール濃度が2重量パーセント以下と推定された場合には、制御装置(60)は、信号(96)をバルブ(62)に送り、バルブ(62)を開く。これにより、高濃度燃料タンク(55)に貯蔵されている50〜60重量パーセントのメタノール水溶液が燃料タンク(56)に補給され、燃料タンク(56)の燃料のメタノール濃度を約3重量パーセントに調整する。   During operation, methanol in the fuel is consumed in the fuel cell stack (11), so that the concentration of methanol in the fuel in the fuel tank (56) gradually decreases. A signal (97) from a methanol concentration sensor (not shown) and a fuel temperature sensor (not shown) installed in the fuel tank (56) is sent to the control device (60), and the control device (60) The methanol concentration in the fuel is estimated from the signal (97). If the methanol concentration in the fuel is estimated to be 2 weight percent or less, the controller (60) sends a signal (96) to the valve (62) and opens the valve (62). Thereby, 50 to 60 weight percent methanol aqueous solution stored in the high concentration fuel tank (55) is replenished to the fuel tank (56), and the methanol concentration of the fuel in the fuel tank (56) is adjusted to about 3 weight percent. To do.

また、燃料タンク(56)の液量が減少したことを、燃料タンク(56)に設置された液量センサー(図示せず)が検知すると、液量センサーから制御装置(60)に信号(97)が送られる。信号(97)を受け取った制御装置(60)は、バルブ(61)に信号(94)を送ってバルブ(61)を開く。これにより、水タンク(54)に貯蔵されている水が、燃料タンク(56)に補給され、燃料タンク(56)中の燃料液量を回復する。また、燃料中のメタノール濃度が4重量パーセントを越えたと制御装置(60)が推定した場合には、制御装置(60)は、信号(94)をバルブ(61)に送り、バルブ(61)を開く。これにより、水タンク(54)に貯蔵されている水が燃料タンク(56)に補給され、燃料タンク(56)の燃料のメタノール濃度を約3重量パーセントに調整する。   Further, when a liquid level sensor (not shown) installed in the fuel tank (56) detects that the liquid level in the fuel tank (56) has decreased, a signal (97) is sent from the liquid level sensor to the control device (60). ) Is sent. Upon receiving the signal (97), the control device (60) sends a signal (94) to the valve (61) to open the valve (61). Thereby, the water stored in the water tank (54) is replenished to the fuel tank (56), and the amount of fuel liquid in the fuel tank (56) is recovered. When the control device (60) estimates that the methanol concentration in the fuel exceeds 4 weight percent, the control device (60) sends a signal (94) to the valve (61) and turns the valve (61) on. open. Thereby, the water stored in the water tank (54) is replenished to the fuel tank (56), and the methanol concentration of the fuel in the fuel tank (56) is adjusted to about 3 weight percent.

この燃料電池システムを用いて、毎分8リットルの空気と、毎分150ミリリットルの燃料を燃料電池スタック(11)に供給したところ、60Wの電力が発生した。この発電を1時間行った後に、負荷を外し、燃料および酸化剤の供給を停止して、燃料電池システムを停止した。その停止から30分後に、表1に記載の比較例1〜4の方法で燃料電池システムを起動した。起動の際の空気の供給は毎分8リットル、燃料の供給は毎分150ミリリットルとした。   When this fuel cell system was used to supply 8 liters of air per minute and 150 milliliters of fuel per minute to the fuel cell stack (11), 60 W of power was generated. After performing this power generation for 1 hour, the load was removed, the supply of fuel and oxidant was stopped, and the fuel cell system was stopped. 30 minutes after the stop, the fuel cell system was started by the method of Comparative Examples 1 to 4 described in Table 1. The air supply during startup was 8 liters per minute and the fuel supply was 150 milliliters per minute.

その起動の際に、燃料タンク(56)に取り付けたベント(67)から排出された気体を収集し、ガスクロマトグラフィーで成分分析したところ、比較例1〜4のすべてにおいて水素が検出された。この結果から、アノードに燃料がある状態でカソードへの酸化剤の供給を開始するとアノードから水素が発生することが理解される。 During the start-up, the gas discharged from the vent (67) attached to the fuel tank (56) was collected and analyzed for components by gas chromatography. Hydrogen was detected in all of Comparative Examples 1 to 4. From this result, it is understood that hydrogen is generated from the anode when the supply of the oxidant to the cathode is started with fuel in the anode.

比較例1〜4における表1に記載の起動方法の代わりに、表1に記載の実施例1の起動方法を行ったこと以外は比較例1〜4と同様にして、本発明による実施例1の方法で燃料電池システムを起動した。起動の際の空気の供給は毎分8リットル、燃料の供給は毎分150ミリリットルとした。比較例1〜4の場合と同様の方法で水素の測定を行ったが、水素は検知されなかった。以上の結果から、アノードに燃料がない状態でカソードへの酸化剤の供給を開始するとアノードからの水素発生が抑制あるいは防止されることが理解される。
(比較例5および6)
比較例1〜4に使用した燃料電池システムを用いて、つぎの実験を行った。毎分8リットルの空気と、毎分150ミリリットルの燃料を燃料電池スタック(11)に供給したところ、60Wの電力が発生した。この発電を1時間行った後に、負荷を外して停止させるときに、表2に記載の比較例5および6の方法で燃料電池システムを停止した。
Example 1 according to the present invention was carried out in the same manner as Comparative Examples 1 to 4 except that the starting method of Example 1 described in Table 1 was used instead of the starting method described in Table 1 in Comparative Examples 1 to 4. In this way, the fuel cell system was started. The air supply during startup was 8 liters per minute and the fuel supply was 150 milliliters per minute. Hydrogen was measured by the same method as in Comparative Examples 1 to 4, but no hydrogen was detected. From the above results, it is understood that the generation of hydrogen from the anode is suppressed or prevented when the supply of the oxidant to the cathode is started in the absence of fuel at the anode.
(Comparative Examples 5 and 6)
The following experiment was performed using the fuel cell system used in Comparative Examples 1 to 4. When 8 liters of air per minute and 150 milliliters of fuel per minute were supplied to the fuel cell stack (11), 60 W of power was generated. After this power generation was performed for 1 hour, when the load was removed and stopped, the fuel cell system was stopped by the methods of Comparative Examples 5 and 6 shown in Table 2.

その停止の際に、燃料タンク(56)に取り付けたベント(67)から排出された気体を収集し、ガスクロマトグラフィーで成分分析したところ、比較例5および6の両方において水素が検出された。この結果から、アノードに燃料がある状態でカソードへの酸化剤の供給を停止するとアノードから水素が発生することが理解される。 When the gas was discharged, the gas discharged from the vent (67) attached to the fuel tank (56) was collected and analyzed for components by gas chromatography. Hydrogen was detected in both Comparative Examples 5 and 6. From this result, it is understood that hydrogen is generated from the anode when the supply of the oxidant to the cathode is stopped in a state where there is fuel in the anode.

比較例5および6における表2に記載の停止方法の代わりに、表2に記載の実施例2の停止方法を行ったこと以外は比較例5および6と同様にして、本発明による実施例2の方法で燃料電池システムを停止した。比較例5および6の場合と同様の方法で水素の測定を行ったが、水素は検知されなかった。以上の結果から、アノードに燃料がない状態でカソードへの酸化剤の供給を停止するとアノードからの水素発生が抑制あるいは防止されることが理解される。
(確認試験)
次に、起動時にカソードへの酸化剤の供給を開始するとき、または停止時にカソードへの酸化剤の供給を停止するときに、アノードと接触する燃料の濃度がどの程度まで許容されるかを確認する試験を行った。この確認試験には、膜電極接合体の積層数が1個であること以外は実施例1と同じ燃料電池システムを使用した。まず、燃料電池スタック(11)を50℃に昇温させた。その後、表3に示す各燃料濃度のメタノール水溶液のそれぞれにおいて、つぎの試験を行った。
Example 2 according to the present invention was carried out in the same manner as Comparative Examples 5 and 6, except that the stopping method of Example 2 described in Table 2 was used instead of the stopping method described in Table 2 in Comparative Examples 5 and 6. The fuel cell system was stopped by this method. Hydrogen was measured by the same method as in Comparative Examples 5 and 6, but no hydrogen was detected. From the above results, it is understood that hydrogen generation from the anode is suppressed or prevented when the supply of the oxidant to the cathode is stopped in the absence of fuel at the anode.
(Confirmation test)
Next, check the level of fuel concentration allowed to contact the anode when starting the supply of oxidant to the cathode during start-up or when stopping the supply of oxidant to the cathode during stoppage. A test was conducted. In this confirmation test, the same fuel cell system as in Example 1 was used except that the number of laminated membrane electrode assemblies was one. First, the temperature of the fuel cell stack (11) was raised to 50 ° C. Then, the following test was done in each methanol aqueous solution of each fuel concentration shown in Table 3.

メタノール水溶液を毎分15ミリリットルで5分間アノード側に供給した。その後、カソード側に空気を毎分800ミリリットルの速度で供給し、その際に発生したガス量を実施例1と同様の方法で測定した(起動時)。その後、空気を停止し、その際に発生したガス量を実施例1と同様の方法で測定した(停止時)。その起動時と停止時のそれぞれにおいて発生した水素の量の測定値を表3に示す。さらに表3の結果を図5と6とに示す。なお、図6は、図5を横軸方向に拡大したものである。表3および図5、6から、燃料濃度が0.005mol/l以下であれば水素発生量は検出限界以下であり、0.01mol/lから急激に水素発生量が増加することが理解される。従って、本発明においては、起動時にカソードへの酸化剤の供給を開始するとき、または停止時にカソードへの酸化剤の供給を停止するときに、アノードに接する燃料の濃度を0.005mol/l以下とすることが好ましいことが理解される。通常直接型燃料電池で発電を行う場合には3wt%程度の燃料の水溶液が使用されることから、3wt%と比べて著しく低濃度である0.005mol/l以下の燃料がアノードに接触している状態は、アノードに実質的に燃料が接触していないと言える。 An aqueous methanol solution was supplied to the anode side at 15 ml / min for 5 minutes. Thereafter, air was supplied to the cathode side at a rate of 800 milliliters per minute, and the amount of gas generated at that time was measured in the same manner as in Example 1 (during startup). Thereafter, the air was stopped, and the amount of gas generated at that time was measured by the same method as in Example 1 (when stopped). Table 3 shows measured values of the amount of hydrogen generated at the time of starting and stopping. Further, the results of Table 3 are shown in FIGS. FIG. 6 is an enlarged view of FIG. 5 in the horizontal axis direction. From Table 3 and FIGS. 5 and 6, it is understood that if the fuel concentration is 0.005 mol / l or less, the hydrogen generation amount is below the detection limit, and the hydrogen generation amount increases rapidly from 0.01 mol / l. . Therefore, in the present invention, when the supply of the oxidant to the cathode is started at start-up or when the supply of the oxidant to the cathode is stopped at the time of stop, the concentration of the fuel in contact with the anode is 0.005 mol / l or less. It is understood that In general, when generating power with a direct fuel cell, an aqueous solution of about 3 wt% of fuel is used, so that a fuel of 0.005 mol / l or less, which is significantly lower than 3 wt%, contacts the anode. It can be said that the fuel is not substantially in contact with the anode.

上記の確認試験の結果は、燃料に何を使用するかによって多少異なるので、本願明細書に記載の「アノードに実質的に燃料が接触していない」と判断できる燃料の許容濃度を数値で厳密に規定することは困難である。ただし、通常発電に使用される燃料濃度の30分の1以下の濃度で、かつ起動や停止時の水素発生量が、燃料濃度を0から通常発電に使用される濃度まで変化させた場合の水素発生量の最大値の10分の1以下に低減できる燃料濃度であれば、「アノードに実質的に燃料が接触していない」と判断できる。各燃料において「アノードに実質的に燃料が接触していない」と判断できる燃料の許容濃度は、燃料濃度を変化させて上記の確認試験と同様の試験を行うことによって容易に測定できる。   The results of the above confirmation test slightly differ depending on what is used for the fuel. Therefore, the allowable concentration of fuel that can be determined as “substantially no fuel is in contact with the anode” described in the present specification is numerically strict. It is difficult to specify. However, the hydrogen concentration is less than 1 / 30th of the fuel concentration used for normal power generation, and the hydrogen generation amount at startup and stop changes the fuel concentration from 0 to the concentration used for normal power generation. If the fuel concentration can be reduced to 1/10 or less of the maximum value of the generated amount, it can be determined that “the fuel is not substantially in contact with the anode”. The permissible concentration of fuel that can be determined as “substantially no fuel is in contact with the anode” in each fuel can be easily measured by performing a test similar to the above confirmation test while changing the fuel concentration.

なお、上記の実施例は、本発明への理解を容易にするために例として挙げたものに過ぎず、本発明の範囲を何ら限定する物ではない。実施例では、ポンプなどの動力装置で燃料や空気を燃料電池スタックに送り込む、アクティブ型と呼ばれる直接メタノール型燃料電池システムを例にとって説明を行ったが、燃料や空気の供給にポンプなどの動力機器を用いない、パッシブ型と呼ばれるタイプの直接メタノール型燃料電池システムにも、本発明は好適に用いられる。   In addition, said Example is only what was given as an example in order to make an understanding to this invention easy, and does not limit the scope of the present invention at all. In the embodiments, a direct methanol fuel cell system called an active type in which fuel or air is sent to a fuel cell stack by a power device such as a pump has been described as an example. However, a power device such as a pump is used to supply fuel or air. The present invention is also suitably used for a direct methanol fuel cell system of a type called a passive type that does not use the.

本発明によって、直接型燃料電池からの水素発生が抑制されるため、安全性の高い直接型燃料電池システムが得られる。特に、飛行機や鉄道などの輸送機関に持ち込まれたり、衣服のポケット内に携帯されたりする直接メタノール型燃料電池の安全性を高める事ができるため、直接メタノール型燃料電池の実用化に本発明は大きく貢献できる。   According to the present invention, since hydrogen generation from the direct fuel cell is suppressed, a highly safe direct fuel cell system can be obtained. In particular, since the safety of a direct methanol fuel cell that is brought into a transport system such as an airplane or a railway or carried in a pocket of clothes can be improved, the present invention is applied to the practical application of a direct methanol fuel cell. It can contribute greatly.

実施例および比較例の単電池の構成図である。It is a block diagram of the cell of an Example and a comparative example. 実施例および比較例の燃料電池スタックの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell stack of an Example and a comparative example. 実施例および比較例の燃料電池スタックの斜視図である。It is a perspective view of the fuel cell stack of an Example and a comparative example. 実施例および比較例の燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system of an Example and a comparative example. アノードが接触する燃料の濃度と水素発生量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the density | concentration of the fuel which an anode contacts, and hydrogen generation amount. アノードが接触する燃料の濃度と水素発生量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the density | concentration of the fuel which an anode contacts, and hydrogen generation amount.

符号の説明Explanation of symbols

1 アノード
2 電解質膜
3 パッキン
4 セパレータ
5 積層体
6 集電板
7 絶縁板
8 エンドプレート
9 ボルト
10 ナット
11 燃料電池スタック
12 燃料供給用の溝
13 燃料供給用マニホールド穴
14 燃料排出用マニホールド穴
15 酸化剤供給用の溝
16 酸化剤供給用マニホールド穴
17 酸化剤排出用マニホールド穴
51 ブロア
52 ポンプ
53 ラジエータ
54 水タンク
55 高濃度燃料タンク
56 燃料タンク
60 制御装置
61,62 バルブ
64,65 電力端子
66 排気口
67 ベント
90〜97 信号
98 運転停止命令
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Anode 2 Electrolyte membrane 3 Packing 4 Separator 5 Laminate 6 Current collecting plate 7 Insulating plate 8 End plate 9 Bolt 10 Nut 11 Fuel cell stack 12 Groove for fuel supply 13 Manifold hole for fuel supply 14 Manifold hole for fuel discharge 15 Oxidation Groove for supplying agent 16 Manifold hole for supplying oxidant 17 Manifold hole for discharging oxidant 51 Blower 52 Pump 53 Radiator 54 Water tank 55 High-concentration fuel tank 56 Fuel tank 60 Controller 61, 62 Valve 64, 65 Power terminal 66 Exhaust Port 67 Vent 90-97 Signal 98 Operation stop command

Claims (3)

起動時にカソードへの酸化剤の供給を開始するとき、または停止時にカソードへの酸化剤の供給を停止するときに、アノードに実質的に燃料が接触していないように制御するように設定されたことを特徴とする直接型燃料電池システム。   It was set to control the fuel so that it was not substantially in contact with the anode when starting the supply of oxidant to the cathode at start-up or when stopping the supply of oxidant to the cathode at stop. A direct fuel cell system characterized by the above. 起動時にカソードへの酸化剤の供給を開始するとき、または停止時にカソードへの酸化剤の供給を停止するときに、アノードに接する燃料の濃度が0.005mol/l以下となっているように制御するように設定されたことを特徴とする、請求項1記載の直接型燃料電池システム。   Control is performed so that the concentration of the fuel in contact with the anode is 0.005 mol / l or less when the supply of the oxidant to the cathode is started at the start or when the supply of the oxidant to the cathode is stopped at the time of stop. The direct fuel cell system according to claim 1, wherein the direct fuel cell system is set to 直接型燃料電池システムの制御方法であって、
前記直接型燃料電池システムの起動時にカソードへの酸化剤の供給を開始するとき、または
前記直接型燃料電池システムの停止時にカソードへの酸化剤の供給を停止するときに、
アノードに実質的に燃料が接触していないように制御することを特徴とする直接型燃料電池システムの制御方法。
A control method for a direct fuel cell system,
When starting supply of oxidant to the cathode at the start of the direct fuel cell system, or when stopping supply of oxidant to the cathode when the direct fuel cell system is stopped,
A control method for a direct fuel cell system, wherein control is performed so that fuel does not substantially contact the anode.
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