JP4473526B2 - 燃料電池の運転方法とそのシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池、特に燃料電池本体の燃料極にメタノール水溶液を直接供給する直接メタノール型燃料電池の運転方法とそのシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種電源用の電池として、環境問題やエネルギー問題に対する関心から燃料電池が注目され、車両用駆動電源や家庭用のコジェネレーションシステムとして実用化されるに至っている。
【０００３】
また、携帯型の小型電子機器用の電源として、燃料のメタノールを改質又はガス化することなく、メタノール水溶液の状態で直接燃料極に供給することで、小型化を図った直接メタノール型燃料電池も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
この種の従来の燃料電池システムの構成例を図８に示す。図８において、燃料電池システムは、プロトン導電性の固体高分子膜から成る電解質膜の一面にメタノール水溶液を供給する燃料極（負極）を設け、他面に酸素を含む空気を供給する空気極（正極）を設けて成る燃料電池本体３１と、メタノールを１〜２０％、例えば５％程度の濃度のメタノール水溶液の状態で貯留する希釈タンク３２と、この希釈タンク３２から燃料電池本体３１の燃料極にメタノール水溶液を供給する燃料供給ポンプ３３と、燃料電池本体３１の空気極に空気を供給する空気ポンプ３４と、燃料極及び空気極から排出された排出流体から発生した二酸化炭素と気化したメタノール及び水を分離して外部に排出する気液分離器３５と、発生した水と未利用のメタノールを希釈タンク３２に戻すリターンポンプ３６と、数１０〜１００％濃度の原料メタノールを貯留するメタノールタンク３７と、メタノールタンク３７から希釈タンク３２に所定濃度になるようにメタノールを供給するメタノールポンプ３８と、上記各ポンプ３３、３４、３６、３８を動作制御する制御回路３９とを備え、燃料電池本体３１の燃料極にメタノール水溶液を大量に供給し、燃料極の排出口近傍でのメタノール水溶液の濃度低下を抑制するとともに未利用のメタノールを循環使用するように構成されている。
【０００５】
また、このような循環式とは別に、燃料を収容した燃料封入部内に回収保持部を内蔵させ、燃料電池本体から排出される水などの特定の生成物が周囲に排出されて周辺機器に悪影響を与えることがないように、排出流体から特定の生成物を分離回収し、回収保持部内に保持させるようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−１３２９２４号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２００２−２１６８３２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図８に示した循環式では、燃料電池本体３１の燃料極に供給されたメタノールの内、多くの未利用のメタノールが燃料極の排出口から気液分離器３５を通過して循環されるので、気液分離器３５で蒸発したメタノールが排気に伴って外部空間に排出されるのを避けるのは困難であり、そのため有害なメタノールが外部に排出されるという問題がある。
【０００９】
また、燃料極に供給されたメタノールの一部が電解質膜を透過（クロスリーク）し、空気極にて燃焼するので、上記気液分離器３５から外部空間に排出されるメタノールとクロスリークして燃焼するメタノールの量が多く、燃料効率が悪いという問題もある。
【００１０】
実験によれば、ある循環式の燃料電池システムにおいて、５ｗｔ％濃度のメタノール水溶液を２ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給し、０．５〜２０Ｗの電力を出力した場合、燃料極の排出口でのメタノール水溶液の濃度は３〜５ｗｔ％濃度となり、その状態での供給メタノール量を１００％とすると、排気とともに蒸発するメタノール量が２８％、クロスリークするメタノール量が３６％にも達し、６４％が無駄になって、３６％しか発電に関与しないことが判明した。なお、発電に関与した３６％の内、２４％は反応時の抵抗損失となって発熱で消費され、電気エネルギーに変換されるのは１２％であった。
【００１１】
また、特許文献２に開示された回収保持部を有する燃料電池システムを直接メタノール型燃料電池に適用すると、簡単でコンパクトな構成の分離回収部では、燃料極から排出されたメタノールを分離回収する際に、蒸発したメタノールを外部に排出しないようにするのは困難で、上記と同様の問題を生じたり、例えば水以外の排出流体を全部回収しようとすると回収保持部に大量の流体を保持させる必要が生じてコンパクトに構成できないという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、直接メタノール型燃料電池において、コンパクトな構成でかつ燃料効率が高く、また外部へのメタノールの排出を抑制若しくは無くすことができる燃料電池の運転方法とそのシステムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池の運転方法は、燃料極と空気極を電解質膜を介して対向配置した燃料電池本体の燃料極にメタノール水溶液を直接供給する直接メタノール型燃料電池の運転方法であって、燃料電池本体からの出力を一定電圧にして負荷に供給する工程と、前記負荷に供給された電流を検知する工程と、前記検知された検出電流値を入力し、かつ指令電流値を得るために最低必要限のメタノール水溶液を燃料電池本体に供給するように前記燃料供給ポンプを駆動する工程と、を備えたことにより、燃料極から排出される排出流体中の未利用メタノール濃度を最小にするものである。
【００１４】
この構成によると、燃料極にメタノール水溶液を空気極に空気を供給するだけであるので、簡単でコンパクトな構成とすることができ、かつメタノール水溶液の供給量を取り出す電流値に応じて制御して燃料極から排出される未利用メタノールを極小となるように抑制しているので、燃料極からの排出流体がほぼ気体となるとともにその排出流体中のメタノール濃度が極めて低いためにそのまま外部に排出しても弊害を生じる恐れがなく、また排出流体とともに外部に排出されるメタノール量を極めて少なくできるとともに、燃料極に供給されているメタノール水溶液の平均濃度が低くなるためメタノールのクロスリーク量も少なくなるため、高い燃料効率が得られる。
【００１５】
例えば、０．４Ｖで４Ａの電流を取り出すために、２ mol／Ｌの濃度のメタノール水溶液を０．３ｃｃ／mim の流量で供給すると、燃料極の排出口からは０．２ mol／Ｌ程度の濃度でメタノールを含有する排出流体が０．１５ｃｃ／mim 以下の流量で排出され、その結果メタノールの供給量を１００％とすると、排出されるメタノール量は１〜５％程度となり、高い燃料効率が得られる。
【００１６】
また、燃料極から排出された排出流体中のメタノールを触媒で水と二酸化炭素に分解して外部に排出すると、外部へのメタノールの排出を確実に防止することができる。
【００１７】
また、燃料極から排出された排出流体を空気極に供給する空気中に混合すると、燃料極から排出されたメタノールを空気極に供給して燃焼させることができ、外部へのメタノールの排出を確実に防止することができる。
【００１８】
さらに、空気極から排出された排出流体を気液分離し、気体中のメタノールを触媒で水と二酸化炭素に分解して外部に排出すると、外部へのメタノールの排出を一層確実に防止することができる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料極と空気極を電解質膜を介して対向配置した燃料電池本体の燃料極にメタノール水溶液を直接供給する直接メタノール型燃料電池システムであって、燃料供給部から燃料極の供給口にメタノール水溶液を供給する燃料供給ポンプと、前記燃料電池本体からの出力を一定電圧にして負荷に供給する定電圧回路と、前記定電圧回路を経由した電流を検知する電流検知器と、前記電流検知器により検知された電流値を入力し、かつ指令電流値を得るために最低必要限のメタノール水溶液を燃料電池本体に供給するように前記燃料供給ポンプを駆動する制御回路と、を備えたことにより、燃料極から排出される排出流体中の未利用メタノール濃度を最小にすることを特徴とするものである。
【００２０】
この構成によると、メタノール水溶液を燃料極に供給することで電流を取り出すことができ、かつ燃料極から排出される流体中のメタノールを浄化触媒で無害な水と二酸化炭素に分解するので、そのまま外部に排出することができる。
【００２１】
また、燃料供給ポンプを、燃料極から排出される排出流体中の未利用メタノールを極小にするように燃料電池本体から取り出す電流値に応じて制御する制御回路を設けると、未利用メタノールの燃料極からの排出量を極小にできるとともにメタノールのクロスリークも低減できるので燃料効率を向上でき、また上記浄化触媒に対する負荷も小さくでき、コンパクトな構成でメタノールを確実に分解して排出することができる。
【００２２】
また、空気極の供給口に空気を供給する空気ポンプと、空気極の排出口から排出された気液混合流体から生成した水を分離する気液分離槽と、分離した水を燃料供給部に供給するリターンポンプとを備えると、空気極から排出される水を燃料供給部にリターンさせて循環させることで、外部への水の排出を無くすことができ、携帯型電子機器などの電源に好適に適用できる。
【００２３】
また、燃料極の排出口からの排出流体を空気極の供給口に供給するように燃料極の排出口と空気極の供給口を接続し、気液分離槽の気体排出口に浄化装置を配設すると、小さな浄化装置によってメタノールの外部排出を確実に防止することができる。
【００２４】
また、浄化装置と燃料電池本体を近接配置または熱的に結合すると、起動時やアイドリング時に燃料を通常運転状態より多量に供給し、未利用燃料を浄化装置で燃焼させることで、その熱で燃料電池本体を作動特性の良好な温度に速やかに加熱・保温することができ、動作特性を向上することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムの一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
【００２６】
本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、電解質膜の一面にメタノール水溶液を供給する燃料極（負極）を設け、他面に酸素を含む空気を供給する空気極（正極）を設けて成る直接メタノール型の燃料電池本体１と、メタノールを、例えば２ mol／Ｌ（６．４ｗｔ％）程度の濃度のメタノール水溶液の状態で貯留する希釈タンク２と、この希釈タンク２から燃料電池本体１の燃料極にメタノール水溶液を供給する燃料供給ポンプ３と、燃料電池本体１の空気極に空気を供給する空気ポンプ４と、メタノールを水と二酸化炭素に分解して浄化する浄化触媒を内蔵し、燃料極から排出された排出流体を浄化して外部に排出する浄化装置５と、空気極から排出された排出流体から空気と二酸化炭素と水蒸気を水と分離して外部に排出する気液分離器６と、分離した水を希釈タンク２に戻すリターンポンプ７と、数１０〜１００％の原料メタノールを貯留するメタノールタンク８と、メタノールタンク８から希釈タンク２に所定濃度になるようにメタノールを供給するメタノールポンプ９と、上記各ポンプ３、４、７、９を動作制御する制御回路１０とを備えている。
【００２７】
燃料電池本体１の燃料極に、例えば上記２ mol／Ｌ（６．４ｗｔ％）程度の濃度のメタノール水溶液を０．３ｃｃ／ｍｉｎ程度の流量で供給すると、後で詳細に説明するように、３．２Ｖ×４Ａ（＝１２．８Ｗ）の一定電力を取り出すことができる。本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体１から取り出した電力で蓄電池などの負荷変動吸収手段２０を充電し、この負荷変動吸収手段２０を介して０．５〜２０Ｗに変動する負荷に電力を供給するように構成されている。
【００２８】
燃料電池本体１の基本的なセル構成は、図２に示すように、プロトン導電性の固体高分子膜から成る電解質膜１１を挟んでその両面に、所定の触媒微粒子を表面に付着させた炭素粒子の薄層から成る燃料極１２と、所定の触媒を表面に付着させた炭素粒子の薄層から成る空気極１３とを配設し、これら燃料極１２と空気極１３の電解質膜１１とは反対側面に、メタノール水溶液や空気をそれぞれ燃料極１２と空気極１３の均等に分散させるとともに反応で発生した電子を円滑に集電する炭素繊維の不織布からなる流体分散集電層１４、１５を配置し、これら流体分散集電層１４、１５の外側面に、流体分散集電層１４、１５に対向する面にメタノール水溶液や空気の流通路を形成した炭素板などから成る導電性を有するセパレータ１６、１７を配設して構成されている。なお、流体分散集電層１４、１５の外周部にはシール材を充填してガスケット部１９が構成され、電解質膜１１とセパレータ１６、１７の間からメタノール水溶液や空気が漏洩するのを防止している。
【００２９】
燃料電池本体１は、図３に示すように、電解質膜１１と燃料極１２と空気極１３から成るこの燃料電池セルを、８セル積層するとともに、中間のセルでは両面にメタノール水溶液や空気の流通路を形成したセパレータ１８を共用して構成されており、後で詳細に説明するように、１セル当たりｖボルト（０．４Ｖ）の出力電圧を得て、全体でＶ＝０．４Ｖ×８＝３．２Ｖの出力電圧を得ている。
【００３０】
セパレータ１６、１７、１８の流体分散集電層１４、１５に接する面には、ガスケット部１９の内側の領域全面にわたってメタノール水溶液や空気を流通させる蛇行状の流通路２１が形成されている。また、セパレータ１６、１７、１８には、四隅部の内の一方の対角位置に、燃料極１２にメタノール水溶液を供給する燃料供給口２２と、生成した二酸化炭素などの排出流体を排出する燃料側排出口２３が形成され、他方の対角位置に、空気極１３に空気を供給する空気供給口２４と、生成した水などを排出する空気側排出口２５が形成され、これら燃料供給口２２と燃料側排出口２３、及び空気供給口２４と空気側排出口２５に、上記メタノール水溶液や空気の流通路２１の両端が対角線方向の連通路２６を介してそれぞれ連通されている。
【００３１】
以上の構成の燃料電池システムにおいて、燃料供給ポンプ３にて燃料電池本体１の燃料極１２にメタノール水溶液を供給し、空気ポンプ４にて燃料電池本体１の空気極１３に空気を供給すると、図２に示すように、燃料極１２でメタノールと水が反応して二酸化炭素と水素イオンと電子を発生し、その水素イオンが電解質膜１１を通って空気極１３に移動し、空気極１３でこの水素イオンと酸素と電子が反応して水を発生し、燃料極１３で発生した電子が流体分散集電層１４とセパレータ１６を通して取り出され、セパレータ１７と流体分散集電層１５を通して空気極１３に送り込むことによって、セパレータ１６、１７間に出力電流が取り出される。
【００３２】
この燃料電池本体１は、図４に示すように、メタノール水溶液を循環式のように常に未利用メタノールが大量に発生するように供給した場合、取り出す電流値を増加すると、それに伴って出力電圧が漸減するという特性Ａを示す。メタノール水溶液の供給量を絞って行くと、その供給量に対応する所定の電流値近傍に達するまでは特性Ａとほぼ同じ特性を示すが、供給量に対応する所定電流値近傍に達した後、特性Ｂ〜特性Ｅのように急激に電圧低下を来たすという出力特性を有することが判明した。また、同一のメタノール水溶液の供給量で取り出せる電力量の特性は、図５に示すように、最大電圧値よりも若干低い電圧値で最大値となることが判明した。
【００３３】
そこで、本実施形態では、２ mol／Ｌの濃度のメタノール水溶液を、特性Ｃを示す０．３ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給し、セル当たり０．４Ｖの電圧で、４Ａの電流を取り出し、燃料電池本体１全体からは３．２Ｖ×４Ａ（＝１２．８Ｗ）の一定電力を取り出すようにしている。
【００３４】
また、このようにメタノール水溶液の供給量を燃料電池本体１から取り出す電流値に応じて必要最小限に制御すると、燃料極１２から０．１５ｃｃ／min 程度の流量で排出される排出流体中の未利用メタノールは０．２ mol／Ｌの濃度となっており、供給したメタノール量を１００％とすると、２〜５％となっており、９５〜９９％のメタノールが消費されたことになり、排出されるメタノール量は極めて少なくなっている。
【００３５】
また、燃料電池本体１の燃料側排出口２３ではメタノール水溶液の水は大部分が蒸発して水蒸気となっており、その水と発生した二酸化炭素と未利用メタノールは、浄化触媒を内蔵した浄化装置５を通過することで、少量の未利用メタノールが水と二酸化炭素に分解され、無害な水蒸気と二酸化炭素が外部に排出される。
【００３６】
また、燃料電池本体１の空気側排出口２５から排出される排出流体は発生した水と残余の空気及び電解質膜１１を通ってクロスリークしたメタノールの燃焼により発生した水と二酸化炭素であり、気液分離器６で気体の水と二酸化炭素と空気を分離して外部に排出し、液体の水はリターンポンプ７にて希釈タンク２に戻してメタノールの希釈水として循環使用される。
【００３７】
実験によれば、この燃料電池システムにおいて、セル当たり２ mol／Ｌの濃度のメタノール水溶液を０．３ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給し、８セルで１２．８Ｗの電力を出力した場合、燃料極の排出口でのメタノール水溶液の濃度は０．２ mol／Ｌの濃度となり、その状態での供給メタノール量を１００％とすると、排気とともに蒸発するメタノール量が２％、クロスリークするメタノール量が３１％となり、６７％が発電に関与することが判明した。なお、発電に関与した６７％の内、４５％は反応時の抵抗損失となって発熱で消費され、電気エネルギーに変換されたのは２２％であった。
【００３８】
本実施形態の燃料電池システムによれば、以上のように燃料極１２にメタノール水溶液を、空気極１３に空気を供給するだけであるので、簡単でコンパクトな構成とすることができ、かつメタノール水溶液の供給量を取り出す電流値に応じて制御し、燃料極１２から排出される未利用メタノールを極小となるように抑制しているので、燃料極１２からの排出流体がほぼ気体となるとともにその流体中のメタノール濃度が極めて低いためにそのまま外部に排出しても弊害を生じる恐れがなく、また排出流体とともに外部に排出されるメタノール量を極めて少なくできるとともに、燃料極に供給されているメタノール水溶液の平均濃度が低くなるためメタノールのクロスリーク量も少なくなるため、高い燃料効率が得られる。
【００３９】
さらに、燃料極１２から排出された排出流体中のメタノールを浄化触媒を内蔵した浄化装置５で無害な水と二酸化炭素に分解して外部に排出しているので、外部へのメタノールの排出を確実に防止することができる。
【００４０】
また、空気極１３から排出された排出流体から気液分離器６にて水を分離し、リターンポンプ７にて希釈タンク２にリターンさせていることで、水を外部に排出しなくて済み、携帯型電子機器などの電源に好適に適用できる。
【００４１】
上記実施形態の説明では、制御回路１０にて燃料供給ホンプ３を制御して燃料電池本体１に対してメタノール水溶液を必要最小限の一定量で供給し、燃料電池本体１から一定電力を取り出すようにした例を示したが、図６に示すように、燃料電池本体１からの出力を定電圧回路２７にて一定電圧にして負荷に供給するようにするとともに、電流値を電流検知器２８で検知し、制御回路１０に電流指令値と検出電流値を入力し、指令電流値に応じた最低必要限のメタノール水溶液を燃料電池本体１に供給するように、制御回路１０にて燃料供給ポンプ３を制御するように構成することもできる。
【００４２】
また、上記各実施形態では、燃料側排出口２３から排出された排出流体を浄化装置５を通して外部に排出した例を示したが、図７に示すように、燃料極１２から排出される排出流体を、空気ポンプ４から空気極１３に向けて供給される空気に混合して空気極１３に送り込み、燃料極１２から排出された未利用メタノールを空気極１３で燃焼分解させるようにし、空気側排出口２５から排出された排出流体から気体と水を分離する気液分離器６の外部への排出口に浄化装置５を配設した構成とすることもできる。なお、本実施形態の構成では、浄化装置５を設けなくてもメタノールの排出を抑制することができ、場合によっては浄化装置５を設置しない構成とすることもできる。
【００４３】
この構成によれば、未利用メタノールの大部分が燃焼分解されているので、処理能力の小さい浄化装置５であってもメタノールの外部排出を確実に防止することができる。
【００４４】
また、上記各実施形態では、浄化装置５の設置方法について特に限定しなかったが、浄化装置５を燃料電池本体１に近接して配置し、または伝熱部材などを介して熱的に結合して設置しても良く、そうすると起動時やアイドリング時に燃料を通常運転状態より多量に供給して未利用燃料を多量に排出させて浄化装置５で燃焼させることにより、その熱で燃料電池本体１を作動特性の良好な温度に速やかに加熱・保温することができ、動作特性を向上することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の燃料電池の運転方法によれば、メタノール供給量を取り出す電流値に応じて制御して燃料極から排出される未利用メタノールを極小となるように抑制することで、燃料極からの排出流体を外部に排出しても、メタノール濃度が極めて低いために弊害を生じる恐れがなく、また排出流体とともに外部に排出されるメタノール量を極めて少なくできるとともに、燃料極に供給されているメタノール水溶液の平均濃度が低くなるためメタノールのクロスリーク量も少なくなり、そのため高い燃料効率が得られ、また燃料極にメタノール水溶液を空気極に空気を供給するだけであるので、簡単でコンパクトな構成とすることができる。
【００４６】
また、本発明の燃料電池システムによれば、燃料供給部から燃料極の供給口にメタノール水溶液を供給する燃料供給ポンプと、燃料極の排出口から排出された未利用メタノールを水と二酸化炭素に分解する浄化触媒を内蔵した浄化装置とを備えているので、メタノール水溶液を燃料極に供給することで電流を取り出すことができ、かつ燃料極から排出される流体中のメタノールを浄化触媒で無害な水と二酸化炭素に分解するので、そのまま外部に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】同実施形態における燃料電池本体の基本構成を示す断面図である。
【図３】同実施形態における燃料電池本体の概略構成を示す斜視図である。
【図４】同実施形態における燃料電池本体による発電の電圧・電流特性図である。
【図５】同実施形態における燃料電池本体による発電電力と電圧の特性図である。
【図６】本発明の他の実施形態の燃料電池システムにおける要部の概略構成図である。
【図７】本発明のさらに別の実施形態の燃料電池システムにおけるの要部の概略構成図である。
【図８】従来例の燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池本体
３ 燃料供給ポンプ
４ 空気ポンプ
５ 浄化装置
６ 気液分離器
７ リターンポンプ
１０ 制御回路
１１ 電解質膜
１２ 燃料極
１３ 空気極
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池、特に燃料電池本体の燃料極にメタノール水溶液を直接供給する直接メタノール型燃料電池の運転方法とそのシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種電源用の電池として、環境問題やエネルギー問題に対する関心から燃料電池が注目され、車両用駆動電源や家庭用のコジェネレーションシステムとして実用化されるに至っている。
【０００３】
また、携帯型の小型電子機器用の電源として、燃料のメタノールを改質又はガス化することなく、メタノール水溶液の状態で直接燃料極に供給することで、小型化を図った直接メタノール型燃料電池も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
この種の従来の燃料電池システムの構成例を図８に示す。図８において、燃料電池システムは、プロトン導電性の固体高分子膜から成る電解質膜の一面にメタノール水溶液を供給する燃料極（負極）を設け、他面に酸素を含む空気を供給する空気極（正極）を設けて成る燃料電池本体３１と、メタノールを１〜２０％、例えば５％程度の濃度のメタノール水溶液の状態で貯留する希釈タンク３２と、この希釈タンク３２から燃料電池本体３１の燃料極にメタノール水溶液を供給する燃料供給ポンプ３３と、燃料電池本体３１の空気極に空気を供給する空気ポンプ３４と、燃料極及び空気極から排出された排出流体から発生した二酸化炭素と気化したメタノール及び水を分離して外部に排出する気液分離器３５と、発生した水と未利用のメタノールを希釈タンク３２に戻すリターンポンプ３６と、数１０〜１００％濃度の原料メタノールを貯留するメタノールタンク３７と、メタノールタンク３７から希釈タンク３２に所定濃度になるようにメタノールを供給するメタノールポンプ３８と、上記各ポンプ３３、３４、３６、３８を動作制御する制御回路３９とを備え、燃料電池本体３１の燃料極にメタノール水溶液を大量に供給し、燃料極の排出口近傍でのメタノール水溶液の濃度低下を抑制するとともに未利用のメタノールを循環使用するように構成されている。
【０００５】
また、このような循環式とは別に、燃料を収容した燃料封入部内に回収保持部を内蔵させ、燃料電池本体から排出される水などの特定の生成物が周囲に排出されて周辺機器に悪影響を与えることがないように、排出流体から特定の生成物を分離回収し、回収保持部内に保持させるようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−１３２９２４号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２００２−２１６８３２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図８に示した循環式では、燃料電池本体３１の燃料極に供給されたメタノールの内、多くの未利用のメタノールが燃料極の排出口から気液分離器３５を通過して循環されるので、気液分離器３５で蒸発したメタノールが排気に伴って外部空間に排出されるのを避けるのは困難であり、そのため有害なメタノールが外部に排出されるという問題がある。
【０００９】
また、燃料極に供給されたメタノールの一部が電解質膜を透過（クロスリーク）し、空気極にて燃焼するので、上記気液分離器３５から外部空間に排出されるメタノールとクロスリークして燃焼するメタノールの量が多く、燃料効率が悪いという問題もある。
【００１０】
実験によれば、ある循環式の燃料電池システムにおいて、５ｗｔ％濃度のメタノール水溶液を２ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給し、０．５〜２０Ｗの電力を出力した場合、燃料極の排出口でのメタノール水溶液の濃度は３〜５ｗｔ％濃度となり、その状態での供給メタノール量を１００％とすると、排気とともに蒸発するメタノール量が２８％、クロスリークするメタノール量が３６％にも達し、６４％が無駄になって、３６％しか発電に関与しないことが判明した。なお、発電に関与した３６％の内、２４％は反応時の抵抗損失となって発熱で消費され、電気エネルギーに変換されるのは１２％であった。
【００１１】
また、特許文献２に開示された回収保持部を有する燃料電池システムを直接メタノール型燃料電池に適用すると、簡単でコンパクトな構成の分離回収部では、燃料極から排出されたメタノールを分離回収する際に、蒸発したメタノールを外部に排出しないようにするのは困難で、上記と同様の問題を生じたり、例えば水以外の排出流体を全部回収しようとすると回収保持部に大量の流体を保持させる必要が生じてコンパクトに構成できないという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、直接メタノール型燃料電池において、コンパクトな構成でかつ燃料効率が高く、また外部へのメタノールの排出を抑制若しくは無くすことができる燃料電池の運転方法とそのシステムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池の運転方法は、燃料極と空気極を電解質膜を介して対向配置した燃料電池本体の燃料極にメタノール水溶液を直接供給する直接メタノール型燃料電池の運転方法であって、燃料電池本体からの出力を一定電圧にして負荷に供給する工程と、前記負荷に供給された電流を検知する工程と、前記検知された検出電流値を入力し、かつ指令電流値を得るために最低必要限のメタノール水溶液を燃料電池本体に供給するように前記燃料供給ポンプを駆動する工程と、を備えたことにより、燃料極から排出される排出流体中の未利用メタノール濃度を最小にするものである。
【００１４】
この構成によると、燃料極にメタノール水溶液を空気極に空気を供給するだけであるので、簡単でコンパクトな構成とすることができ、かつメタノール水溶液の供給量を取り出す電流値に応じて制御して燃料極から排出される未利用メタノールを極小となるように抑制しているので、燃料極からの排出流体がほぼ気体となるとともにその排出流体中のメタノール濃度が極めて低いためにそのまま外部に排出しても弊害を生じる恐れがなく、また排出流体とともに外部に排出されるメタノール量を極めて少なくできるとともに、燃料極に供給されているメタノール水溶液の平均濃度が低くなるためメタノールのクロスリーク量も少なくなるため、高い燃料効率が得られる。
【００１５】
例えば、０．４Ｖで４Ａの電流を取り出すために、２ mol／Ｌの濃度のメタノール水溶液を０．３ｃｃ／mim の流量で供給すると、燃料極の排出口からは０．２ mol／Ｌ程度の濃度でメタノールを含有する排出流体が０．１５ｃｃ／mim 以下の流量で排出され、その結果メタノールの供給量を１００％とすると、排出されるメタノール量は１〜５％程度となり、高い燃料効率が得られる。
【００１６】
また、燃料極から排出された排出流体中のメタノールを触媒で水と二酸化炭素に分解して外部に排出すると、外部へのメタノールの排出を確実に防止することができる。
【００１７】
また、燃料極から排出された排出流体を空気極に供給する空気中に混合すると、燃料極から排出されたメタノールを空気極に供給して燃焼させることができ、外部へのメタノールの排出を確実に防止することができる。
【００１８】
さらに、空気極から排出された排出流体を気液分離し、気体中のメタノールを触媒で水と二酸化炭素に分解して外部に排出すると、外部へのメタノールの排出を一層確実に防止することができる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料極と空気極を電解質膜を介して対向配置した燃料電池本体の燃料極にメタノール水溶液を直接供給する直接メタノール型燃料電池システムであって、燃料供給部から燃料極の供給口にメタノール水溶液を供給する燃料供給ポンプと、前記燃料電池本体からの出力を一定電圧にして負荷に供給する定電圧回路と、前記定電圧回路を経由した電流を検知する電流検知器と、前記電流検知器により検知された電流値を入力し、かつ指令電流値を得るために最低必要限のメタノール水溶液を燃料電池本体に供給するように前記燃料供給ポンプを駆動する制御回路と、を備えたことにより、燃料極から排出される排出流体中の未利用メタノール濃度を最小にすることを特徴とするものである。
【００２０】
この構成によると、メタノール水溶液を燃料極に供給することで電流を取り出すことができ、かつ燃料極から排出される流体中のメタノールを浄化触媒で無害な水と二酸化炭素に分解するので、そのまま外部に排出することができる。
【００２１】
また、燃料供給ポンプを、燃料極から排出される排出流体中の未利用メタノールを極小にするように燃料電池本体から取り出す電流値に応じて制御する制御回路を設けると、未利用メタノールの燃料極からの排出量を極小にできるとともにメタノールのクロスリークも低減できるので燃料効率を向上でき、また上記浄化触媒に対する負荷も小さくでき、コンパクトな構成でメタノールを確実に分解して排出することができる。
【００２２】
また、空気極の供給口に空気を供給する空気ポンプと、空気極の排出口から排出された気液混合流体から生成した水を分離する気液分離槽と、分離した水を燃料供給部に供給するリターンポンプとを備えると、空気極から排出される水を燃料供給部にリターンさせて循環させることで、外部への水の排出を無くすことができ、携帯型電子機器などの電源に好適に適用できる。
【００２３】
また、燃料極の排出口からの排出流体を空気極の供給口に供給するように燃料極の排出口と空気極の供給口を接続し、気液分離槽の気体排出口に浄化装置を配設すると、小さな浄化装置によってメタノールの外部排出を確実に防止することができる。
【００２４】
また、浄化装置と燃料電池本体を近接配置または熱的に結合すると、起動時やアイドリング時に燃料を通常運転状態より多量に供給し、未利用燃料を浄化装置で燃焼させることで、その熱で燃料電池本体を作動特性の良好な温度に速やかに加熱・保温することができ、動作特性を向上することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムの一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
【００２６】
本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、電解質膜の一面にメタノール水溶液を供給する燃料極（負極）を設け、他面に酸素を含む空気を供給する空気極（正極）を設けて成る直接メタノール型の燃料電池本体１と、メタノールを、例えば２ mol／Ｌ（６．４ｗｔ％）程度の濃度のメタノール水溶液の状態で貯留する希釈タンク２と、この希釈タンク２から燃料電池本体１の燃料極にメタノール水溶液を供給する燃料供給ポンプ３と、燃料電池本体１の空気極に空気を供給する空気ポンプ４と、メタノールを水と二酸化炭素に分解して浄化する浄化触媒を内蔵し、燃料極から排出された排出流体を浄化して外部に排出する浄化装置５と、空気極から排出された排出流体から空気と二酸化炭素と水蒸気を水と分離して外部に排出する気液分離器６と、分離した水を希釈タンク２に戻すリターンポンプ７と、数１０〜１００％の原料メタノールを貯留するメタノールタンク８と、メタノールタンク８から希釈タンク２に所定濃度になるようにメタノールを供給するメタノールポンプ９と、上記各ポンプ３、４、７、９を動作制御する制御回路１０とを備えている。
【００２７】
燃料電池本体１の燃料極に、例えば上記２ mol／Ｌ（６．４ｗｔ％）程度の濃度のメタノール水溶液を０．３ｃｃ／ｍｉｎ程度の流量で供給すると、後で詳細に説明するように、３．２Ｖ×４Ａ（＝１２．８Ｗ）の一定電力を取り出すことができる。本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体１から取り出した電力で蓄電池などの負荷変動吸収手段２０を充電し、この負荷変動吸収手段２０を介して０．５〜２０Ｗに変動する負荷に電力を供給するように構成されている。
【００２８】
燃料電池本体１の基本的なセル構成は、図２に示すように、プロトン導電性の固体高分子膜から成る電解質膜１１を挟んでその両面に、所定の触媒微粒子を表面に付着させた炭素粒子の薄層から成る燃料極１２と、所定の触媒を表面に付着させた炭素粒子の薄層から成る空気極１３とを配設し、これら燃料極１２と空気極１３の電解質膜１１とは反対側面に、メタノール水溶液や空気をそれぞれ燃料極１２と空気極１３の均等に分散させるとともに反応で発生した電子を円滑に集電する炭素繊維の不織布からなる流体分散集電層１４、１５を配置し、これら流体分散集電層１４、１５の外側面に、流体分散集電層１４、１５に対向する面にメタノール水溶液や空気の流通路を形成した炭素板などから成る導電性を有するセパレータ１６、１７を配設して構成されている。なお、流体分散集電層１４、１５の外周部にはシール材を充填してガスケット部１９が構成され、電解質膜１１とセパレータ１６、１７の間からメタノール水溶液や空気が漏洩するのを防止している。
【００２９】
燃料電池本体１は、図３に示すように、電解質膜１１と燃料極１２と空気極１３から成るこの燃料電池セルを、８セル積層するとともに、中間のセルでは両面にメタノール水溶液や空気の流通路を形成したセパレータ１８を共用して構成されており、後で詳細に説明するように、１セル当たりｖボルト（０．４Ｖ）の出力電圧を得て、全体でＶ＝０．４Ｖ×８＝３．２Ｖの出力電圧を得ている。
【００３０】
セパレータ１６、１７、１８の流体分散集電層１４、１５に接する面には、ガスケット部１９の内側の領域全面にわたってメタノール水溶液や空気を流通させる蛇行状の流通路２１が形成されている。また、セパレータ１６、１７、１８には、四隅部の内の一方の対角位置に、燃料極１２にメタノール水溶液を供給する燃料供給口２２と、生成した二酸化炭素などの排出流体を排出する燃料側排出口２３が形成され、他方の対角位置に、空気極１３に空気を供給する空気供給口２４と、生成した水などを排出する空気側排出口２５が形成され、これら燃料供給口２２と燃料側排出口２３、及び空気供給口２４と空気側排出口２５に、上記メタノール水溶液や空気の流通路２１の両端が対角線方向の連通路２６を介してそれぞれ連通されている。
【００３１】
以上の構成の燃料電池システムにおいて、燃料供給ポンプ３にて燃料電池本体１の燃料極１２にメタノール水溶液を供給し、空気ポンプ４にて燃料電池本体１の空気極１３に空気を供給すると、図２に示すように、燃料極１２でメタノールと水が反応して二酸化炭素と水素イオンと電子を発生し、その水素イオンが電解質膜１１を通って空気極１３に移動し、空気極１３でこの水素イオンと酸素と電子が反応して水を発生し、燃料極１３で発生した電子が流体分散集電層１４とセパレータ１６を通して取り出され、セパレータ１７と流体分散集電層１５を通して空気極１３に送り込むことによって、セパレータ１６、１７間に出力電流が取り出される。
【００３２】
この燃料電池本体１は、図４に示すように、メタノール水溶液を循環式のように常に未利用メタノールが大量に発生するように供給した場合、取り出す電流値を増加すると、それに伴って出力電圧が漸減するという特性Ａを示す。メタノール水溶液の供給量を絞って行くと、その供給量に対応する所定の電流値近傍に達するまでは特性Ａとほぼ同じ特性を示すが、供給量に対応する所定電流値近傍に達した後、特性Ｂ〜特性Ｅのように急激に電圧低下を来たすという出力特性を有することが判明した。また、同一のメタノール水溶液の供給量で取り出せる電力量の特性は、図５に示すように、最大電圧値よりも若干低い電圧値で最大値となることが判明した。
【００３３】
そこで、本実施形態では、２ mol／Ｌの濃度のメタノール水溶液を、特性Ｃを示す０．３ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給し、セル当たり０．４Ｖの電圧で、４Ａの電流を取り出し、燃料電池本体１全体からは３．２Ｖ×４Ａ（＝１２．８Ｗ）の一定電力を取り出すようにしている。
【００３４】
また、このようにメタノール水溶液の供給量を燃料電池本体１から取り出す電流値に応じて必要最小限に制御すると、燃料極１２から０．１５ｃｃ／min 程度の流量で排出される排出流体中の未利用メタノールは０．２ mol／Ｌの濃度となっており、供給したメタノール量を１００％とすると、２〜５％となっており、９５〜９９％のメタノールが消費されたことになり、排出されるメタノール量は極めて少なくなっている。
【００３５】
また、燃料電池本体１の燃料側排出口２３ではメタノール水溶液の水は大部分が蒸発して水蒸気となっており、その水と発生した二酸化炭素と未利用メタノールは、浄化触媒を内蔵した浄化装置５を通過することで、少量の未利用メタノールが水と二酸化炭素に分解され、無害な水蒸気と二酸化炭素が外部に排出される。
【００３６】
また、燃料電池本体１の空気側排出口２５から排出される排出流体は発生した水と残余の空気及び電解質膜１１を通ってクロスリークしたメタノールの燃焼により発生した水と二酸化炭素であり、気液分離器６で気体の水と二酸化炭素と空気を分離して外部に排出し、液体の水はリターンポンプ７にて希釈タンク２に戻してメタノールの希釈水として循環使用される。
【００３７】
実験によれば、この燃料電池システムにおいて、セル当たり２ mol／Ｌの濃度のメタノール水溶液を０．３ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給し、８セルで１２．８Ｗの電力を出力した場合、燃料極の排出口でのメタノール水溶液の濃度は０．２ mol／Ｌの濃度となり、その状態での供給メタノール量を１００％とすると、排気とともに蒸発するメタノール量が２％、クロスリークするメタノール量が３１％となり、６７％が発電に関与することが判明した。なお、発電に関与した６７％の内、４５％は反応時の抵抗損失となって発熱で消費され、電気エネルギーに変換されたのは２２％であった。
【００３８】
本実施形態の燃料電池システムによれば、以上のように燃料極１２にメタノール水溶液を、空気極１３に空気を供給するだけであるので、簡単でコンパクトな構成とすることができ、かつメタノール水溶液の供給量を取り出す電流値に応じて制御し、燃料極１２から排出される未利用メタノールを極小となるように抑制しているので、燃料極１２からの排出流体がほぼ気体となるとともにその流体中のメタノール濃度が極めて低いためにそのまま外部に排出しても弊害を生じる恐れがなく、また排出流体とともに外部に排出されるメタノール量を極めて少なくできるとともに、燃料極に供給されているメタノール水溶液の平均濃度が低くなるためメタノールのクロスリーク量も少なくなるため、高い燃料効率が得られる。
【００３９】
さらに、燃料極１２から排出された排出流体中のメタノールを浄化触媒を内蔵した浄化装置５で無害な水と二酸化炭素に分解して外部に排出しているので、外部へのメタノールの排出を確実に防止することができる。
【００４０】
また、空気極１３から排出された排出流体から気液分離器６にて水を分離し、リターンポンプ７にて希釈タンク２にリターンさせていることで、水を外部に排出しなくて済み、携帯型電子機器などの電源に好適に適用できる。
【００４１】
上記実施形態の説明では、制御回路１０にて燃料供給ホンプ３を制御して燃料電池本体１に対してメタノール水溶液を必要最小限の一定量で供給し、燃料電池本体１から一定電力を取り出すようにした例を示したが、図６に示すように、燃料電池本体１からの出力を定電圧回路２７にて一定電圧にして負荷に供給するようにするとともに、電流値を電流検知器２８で検知し、制御回路１０に電流指令値と検出電流値を入力し、指令電流値に応じた最低必要限のメタノール水溶液を燃料電池本体１に供給するように、制御回路１０にて燃料供給ポンプ３を制御するように構成することもできる。
【００４２】
また、上記各実施形態では、燃料側排出口２３から排出された排出流体を浄化装置５を通して外部に排出した例を示したが、図７に示すように、燃料極１２から排出される排出流体を、空気ポンプ４から空気極１３に向けて供給される空気に混合して空気極１３に送り込み、燃料極１２から排出された未利用メタノールを空気極１３で燃焼分解させるようにし、空気側排出口２５から排出された排出流体から気体と水を分離する気液分離器６の外部への排出口に浄化装置５を配設した構成とすることもできる。なお、本実施形態の構成では、浄化装置５を設けなくてもメタノールの排出を抑制することができ、場合によっては浄化装置５を設置しない構成とすることもできる。
【００４３】
この構成によれば、未利用メタノールの大部分が燃焼分解されているので、処理能力の小さい浄化装置５であってもメタノールの外部排出を確実に防止することができる。
【００４４】
また、上記各実施形態では、浄化装置５の設置方法について特に限定しなかったが、浄化装置５を燃料電池本体１に近接して配置し、または伝熱部材などを介して熱的に結合して設置しても良く、そうすると起動時やアイドリング時に燃料を通常運転状態より多量に供給して未利用燃料を多量に排出させて浄化装置５で燃焼させることにより、その熱で燃料電池本体１を作動特性の良好な温度に速やかに加熱・保温することができ、動作特性を向上することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の燃料電池の運転方法によれば、メタノール供給量を取り出す電流値に応じて制御して燃料極から排出される未利用メタノールを極小となるように抑制することで、燃料極からの排出流体を外部に排出しても、メタノール濃度が極めて低いために弊害を生じる恐れがなく、また排出流体とともに外部に排出されるメタノール量を極めて少なくできるとともに、燃料極に供給されているメタノール水溶液の平均濃度が低くなるためメタノールのクロスリーク量も少なくなり、そのため高い燃料効率が得られ、また燃料極にメタノール水溶液を空気極に空気を供給するだけであるので、簡単でコンパクトな構成とすることができる。
【００４６】
また、本発明の燃料電池システムによれば、燃料供給部から燃料極の供給口にメタノール水溶液を供給する燃料供給ポンプと、燃料極の排出口から排出された未利用メタノールを水と二酸化炭素に分解する浄化触媒を内蔵した浄化装置とを備えているので、メタノール水溶液を燃料極に供給することで電流を取り出すことができ、かつ燃料極から排出される流体中のメタノールを浄化触媒で無害な水と二酸化炭素に分解するので、そのまま外部に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】同実施形態における燃料電池本体の基本構成を示す断面図である。
【図３】同実施形態における燃料電池本体の概略構成を示す斜視図である。
【図４】同実施形態における燃料電池本体による発電の電圧・電流特性図である。
【図５】同実施形態における燃料電池本体による発電電力と電圧の特性図である。
【図６】本発明の他の実施形態の燃料電池システムにおける要部の概略構成図である。
【図７】本発明のさらに別の実施形態の燃料電池システムにおけるの要部の概略構成図である。
【図８】従来例の燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池本体
３ 燃料供給ポンプ
４ 空気ポンプ
５ 浄化装置
６ 気液分離器
７ リターンポンプ
１０ 制御回路
１１ 電解質膜
１２ 燃料極
１３ 空気極
Claims (9)
- 燃料極と空気極を電解質膜を介して対向配置した燃料電池本体の燃料極にメタノール水溶液を直接供給する直接メタノール型燃料電池の運転方法であって、
燃料電池本体からの出力を一定電圧にして負荷に供給する工程と、
前記負荷に供給された電流を検知する工程と、
前記検知された検出電流値を入力し、かつ指令電流値を得るために最低必要限のメタノール水溶液を燃料電池本体に供給するように前記燃料供給ポンプを駆動する工程と、
を備えたことにより、
燃料極から排出される排出流体中の未利用メタノール濃度を最小にすることを特徴とする燃料電池の運転方法。 - 燃料極から排出された排出流体中のメタノールを触媒で水と二酸化炭素に分解して外部に排出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の運転方法。
- 燃料極から排出された排出流体を空気極に供給する空気中に混合することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の運転方法。
- 空気極から排出された排出流体を気液分離し、気体中のメタノールを触媒で水と二酸化炭素に分解して外部に排出することを特徴とする請求項３記載の燃料電池の運転方法。
- 燃料極と空気極を電解質膜を介して対向配置した燃料電池本体の燃料極にメタノール水溶液を直接供給する直接メタノール型燃料電池システムであって、
燃料供給部から燃料極の供給口にメタノール水溶液を供給する燃料供給ポンプと、
前記燃料電池本体からの出力を一定電圧にして負荷に供給する定電圧回路と、
前記定電圧回路を経由した電流を検知する電流検知器と、
前記電流検知器により検知された電流値を入力し、かつ指令電流値を得るために最低必要限のメタノール水溶液を燃料電池本体に供給するように前記燃料供給ポンプを駆動する制御回路と、
を備えたことにより、
燃料極から排出される排出流体中の未利用メタノール濃度を最小にすることを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料極の排出口から排出された未利用メタノールを水と二酸化炭素に分解する浄化触媒を内蔵した浄化装置を備えたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
- 空気極の供給口に空気を供給する空気ポンプと、空気極の排出口から排出された気液混合流体から生成した水を分離する気液分離器と、分離した水を燃料供給部に供給するリターンポンプとを備えたことを特徴とする請求項５又は６記載の燃料電池システム。
- 燃料極の排出口からの排出流体を空気極の供給口に供給するように燃料極の排出口と空気極の供給口を接続し、気液分離器の気体排出口に浄化装置を配設したことを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
- 浄化装置と燃料電池本体を近接配置または熱的に結合したことを特徴とする請求項５〜８の何れかに記載の燃料電池システム。
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| JP2007035489A (ja) * | 2005-07-28 | 2007-02-08 | Toshiba Corp | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
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| US20070154777A1 (en) * | 2006-01-05 | 2007-07-05 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. The Penn State Research Foundation | Cathode electrodes for direct oxidation fuel cells and systems operating with concentrated liquid fuel at low oxidant stoichiometry |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS56118274A (en) * | 1980-02-20 | 1981-09-17 | Nissan Motor Co Ltd | Water-removing device for fuel cell |
| JPS60189174A (ja) * | 1984-03-07 | 1985-09-26 | Hitachi Ltd | 燃料電池 |
| US5573866A (en) * | 1995-05-08 | 1996-11-12 | International Fuel Cells Corp. | Direct methanol oxidation polymer electrolyte membrane power system |
| US5945231A (en) * | 1996-03-26 | 1999-08-31 | California Institute Of Technology | Direct liquid-feed fuel cell with membrane electrolyte and manufacturing thereof |
| US6472090B1 (en) * | 1999-06-25 | 2002-10-29 | Ballard Power Systems Inc. | Method and apparatus for operating an electrochemical fuel cell with periodic reactant starvation |
| DE10040087A1 (de) * | 2000-08-16 | 2002-03-07 | Siemens Ag | Verfahren zur Abtrennung von Brennstoff aus einem Abgas und zugehörige Vorrichtung |
| US6824899B2 (en) * | 2000-11-22 | 2004-11-30 | Mti Microfuel Cells, Inc. | Apparatus and methods for sensor-less optimization of methanol concentration in a direct methanol fuel cell system |
| JP4453206B2 (ja) | 2001-01-24 | 2010-04-21 | カシオ計算機株式会社 | 電源システム |
| US6632553B2 (en) * | 2001-03-27 | 2003-10-14 | Mti Microfuel Cells, Inc. | Methods and apparatuses for managing effluent products in a fuel cell system |
| US6878473B2 (en) * | 2001-05-02 | 2005-04-12 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Fuel cell power generating apparatus, and operating method and combined battery of fuel cell power generating apparatus |
| JP4131916B2 (ja) | 2001-05-02 | 2008-08-13 | 株式会社東芝 | 燃料電池発電装置の運転方法 |
| US6794071B2 (en) * | 2001-06-14 | 2004-09-21 | Mti Microfuel Cells Inc. | Apparatus and method for rapidly increasing power output from a direct oxidation fuel cell |
| EP1280218A1 (de) * | 2001-07-27 | 2003-01-29 | Abb Research Ltd. | Verfahren zur Regelung der Methanolkonzentration in direkt-Methanol-Brennstoffzellen |
| JP2003132924A (ja) | 2001-10-30 | 2003-05-09 | Yuasa Corp | 直接メタノール形燃料電池システム |
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