JPS6366860A - Methanol fuel cell - Google Patents

Methanol fuel cell

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JPS6366860A
JPS6366860A JP61212314A JP21231486A JPS6366860A JP S6366860 A JPS6366860 A JP S6366860A JP 61212314 A JP61212314 A JP 61212314A JP 21231486 A JP21231486 A JP 21231486A JP S6366860 A JPS6366860 A JP S6366860A
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JP
Japan
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exhaust gas
water
heat exchanger
liquid level
fuel cell
Prior art date
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Application number
JP61212314A
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Japanese (ja)
Inventor
Osamu Kuroda
修 黒田
Toshio Ogawa
敏雄 小川
Katsuya Ebara
江原 勝也
Sankichi Takahashi
燦吉 高橋
Seiji Koike
小池 清二
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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Abstract

PURPOSE:To make the supply of water from the outside of a cell unnecessary by installing a heat exchanger into which exhaust gas of oxygen containing gas supplied to a cathode is introduced and in which water vapor in the exhaust gas is cooled and condensed, and a circulator by which condensed water is circulated to an anolyte. CONSTITUTION:When liquid level is lower than a specified value, a control signal from a liquid level sensor 8 is sent to a passage valve 10 and a passage valve 9. The passage valve 9 is opened by a signal S1 from the sensor 8, and the air is supplied to a cell stack 1 by the operation of a blower 4 through a heat exchanger 6. The air passed through the cell stack 1 is exhausted as exhaust gas. The exhaust gas containing a large volume of water vapor passes through the heat exchanger 6 through the passage valve 9 since the passage valve 10 is closed, then the gas is exhausted to the outside of the cell. In the heat exchanger, heat exchange is performed between the exhaust gas and the air, and a large volume of water vapor in the exhaust gas is condensed as condensed water 30, and the condensed water is supplied to an anolyte tank 2 through a pipeline 7. When the liquid level in the tank 2 reaches a specified value, the recovery of the condensed water is stopped.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、メタノール燃料電池に関し、特に、メタノー
ルを燃料とし、硫酸水溶液等の酸性電解質を用いる発電
システムに利用される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a methanol fuel cell, and is particularly applicable to a power generation system that uses methanol as fuel and uses an acidic electrolyte such as an aqueous sulfuric acid solution.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

燃料電池は、燃料及び酸化剤の反応エネルギーを直接電
気エネルギーとして取り出すものである。
A fuel cell directly extracts the reaction energy of a fuel and an oxidant as electrical energy.

発電効率が高<、m音、振動も少なく、さらに、排ガス
も清浄であるため、新発電方式として期待されている。
It is expected to be a new power generation method because it has high power generation efficiency, low noise and vibration, and clean exhaust gas.

特に、液体メタノールを燃料とする酸性電解質型メタノ
ール燃料電池(以下「メタノール燃料電池」)は、常圧
かつ比較的低温(約60℃)で運転され、小型化も容易
であるため、原理的に可搬型電源としての適性を有する
。しかし1本電池の実用化にあたっては、これらの原理
的な特長を生かして、運転、保守の容易な発電システム
を構築する必要がある。
In particular, acidic electrolyte methanol fuel cells (hereinafter referred to as "methanol fuel cells") that use liquid methanol as fuel operate at normal pressure and relatively low temperatures (approximately 60°C), and are easy to miniaturize. It is suitable as a portable power source. However, in order to put a single battery into practical use, it is necessary to take advantage of these fundamental features to construct a power generation system that is easy to operate and maintain.

従来、この問題に対しては、特開昭56−93268号
に見られるが如く、燃料供給系に関する従来例が存在す
る。
Conventionally, there is a conventional example of a fuel supply system to solve this problem, as seen in Japanese Patent Laid-Open No. 56-93268.

次にメタノール燃料電池の構成及び作用について説明す
る。
Next, the structure and operation of the methanol fuel cell will be explained.

メタノール燃料電池では、アノード(燃料極)。In a methanol fuel cell, the anode (fuel electrode).

電解質(ghイオン交換膜とa酸)、カソード(a他剤
)が一単位となって、単位電池を構成し、この単位電池
をセパレータを介して多数積層(単位電池の直列回路を
構成)し、燃料電池スタックが構成される。この電池ス
タックにより所定の出力電圧を得ることができる。
The electrolyte (GH ion exchange membrane and A acid) and the cathode (A and other agents) form a unit battery, and a large number of unit batteries are stacked with separators in between (configuring a series circuit of unit batteries). , a fuel cell stack is constructed. A predetermined output voltage can be obtained with this battery stack.

セパレータは、単位電池を電気的に接続するコネクター
であるため、導電性材料で構成される。
The separator is a connector that electrically connects the unit batteries, and is therefore made of a conductive material.

さらに、セパレータの両面には溝が設けられ、この溝と
電極との間で構成された流路を通じて、アノードには燃
料としてのメタノールが、カソードには酸化剤としての
空気が、それぞれ供給される。
Furthermore, grooves are provided on both sides of the separator, and methanol as a fuel is supplied to the anode, and air as an oxidizer is supplied to the cathode through the flow path formed between the grooves and the electrodes. .

アノードへのメタノールの供給は、アノライト(メタノ
ールと硫酸及び水との混合物)をアノライトタンクから
アノードへ循環させて行うものである・ 上記セパレータでは、隣接する単位電池間でのメタノー
ルと空気との混合を防止するようになっている。
Methanol is supplied to the anode by circulating anolite (a mixture of methanol, sulfuric acid, and water) from the anode tank to the anode. In the above separator, methanol and air are mixed between adjacent unit cells. It is designed to prevent mixing.

メタノール極(アノード)では、 CHsOH+HzO−4COz+6H+6e−・・・(
1) の反応が生じており、電子が過剰となっている。
At the methanol pole (anode), CHsOH+HzO-4COz+6H+6e-...(
1) The following reaction has occurred, resulting in an excess of electrons.

逆に空気極(カソード)では、 6H++3/20”+6e″″→3 HzO−(2)の
反応が生じており、電子が不足し、アノードとカソード
を外部回路で接続すると電子の流れが生じて電力を取り
だすことができる。
Conversely, at the air electrode (cathode), a reaction of 6H++3/20"+6e""→3HzO-(2) occurs, and there is a shortage of electrons. When the anode and cathode are connected with an external circuit, a flow of electrons occurs. You can extract electricity.

結局全反応は、 CH30H+H20+3/20z4COz+3)+12
0・・・(3) の反応が生じるものである。
In the end, the total reaction is CH30H+H20+3/20z4COz+3)+12
0...(3) The following reaction occurs.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

しかし、実際には、反応に関与せず系外に排出される水
があり、またメタノールと空気が燃焼して水を生成する
ため、実際の物質収支は複雑である。
However, in reality, there is water that does not participate in the reaction and is discharged from the system, and water is produced by combustion of methanol and air, so the actual mass balance is complicated.

メタノール燃料電池の運転条件や電池構造及び電池規模
にもよるが、本発明の発明者の検討したところ、実際の
物質収支は次の如くである。
Although it depends on the operating conditions of the methanol fuel cell, the cell structure, and the cell scale, the inventor of the present invention has investigated and found that the actual material balance is as follows.

CHs○H+4.1HzO+1.502→COz+ 6
 、 I H2O・・・(4)すなわち、理論的にはメ
タノールと当モル必要な水は、理論値の4.1倍も必要
である。そのために、電池反応を円滑に進める上で多量
の蒸留水の補給を常時しなければならない。
CHs○H+4.1HzO+1.502→COz+ 6
, I H2O...(4) That is, the theoretically equivalent mole of water required for methanol is 4.1 times the theoretical value. Therefore, a large amount of distilled water must be constantly replenished to ensure that the cell reaction proceeds smoothly.

本発明は、かかる問題点を解決するために、i2!池外
からの水の補給を必要としないメタノール燃料電池を提
供することを目的とする。
In order to solve such problems, the present invention provides i2! The purpose of the present invention is to provide a methanol fuel cell that does not require water supply from outside the pond.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は電解質を挾持して相対向するカソード及びアノ
ードからなる単位電池をセパレータを介して複数個積層
してなる燃料電池スタックと、前記アノードにアノライ
トを供給するアノライト供給装置と、前記カソードに酸
素含有ガスを供給するガス供給装置とからなるメタノー
ル燃料電池において、前記カソードに供給された酸素含
有ガスの排ガスが導入され、該排ガス中の水魚気分を冷
却して凝集する熱交換器と、該凝集水を前記7ノライト
に還流する還流装置とを備えてなることを特徴とするメ
タノール燃料電池である。
The present invention provides a fuel cell stack in which a plurality of unit cells each consisting of a cathode and an anode facing each other while sandwiching an electrolyte are stacked together with a separator interposed therebetween; A methanol fuel cell comprising: a gas supply device for supplying a gas containing oxygen; This methanol fuel cell is characterized by comprising a reflux device for refluxing water to the 7-nolite.

〔作用〕[Effect]

上記本発明の構成によれば、水蒸気を多量に含む空気極
からの排ガスを、熱交換器に導びいて冷却して水を回収
することができる。この回収した水をアノライトタンク
に循環することにより糸外からの水の補給が不要となる
According to the configuration of the present invention described above, exhaust gas from the air electrode containing a large amount of water vapor can be guided to the heat exchanger, cooled, and water can be recovered. By circulating this collected water to the anolyte tank, there is no need to replenish water from outside the yarn.

〔実施例〕〔Example〕

次に本発明にかかるメタノール燃料電池の実施例につい
て説明する。
Next, examples of the methanol fuel cell according to the present invention will be described.

第1図に一実施例の構成図を示す、第1図において、カ
ソード及びアノードを有する電池スタック1が設けられ
ている。アノードにはアノライトタンク2中のアノライ
トが、ポンプ3を介して供給される配管23が備えられ
ている。この配管23はループ状になっており、内部を
アノライトが循環するようになっている。
FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment. In FIG. 1, a battery stack 1 having a cathode and an anode is provided. The anode is equipped with a pipe 23 through which the anolite in the anolite tank 2 is supplied via a pump 3. This pipe 23 has a loop shape, and an anolite circulates inside.

アノライトとはメタノール、硫酸及び水の混合物である
。アノライトタンク2のアノライト液面近傍には液レベ
ルセンサ8が設けられている。
Anolyte is a mixture of methanol, sulfuric acid and water. A liquid level sensor 8 is provided near the anolite liquid level in the anolite tank 2.

アノライトタンク2には、メタノールタンク24から、
メタノールが供給されるようになっている。
From the methanol tank 24 to the anorite tank 2,
Methanol is now supplied.

また、電池スタック1内には、配管25が設けられ、ブ
ロワ4により、空気がカソードに供給されるようになっ
ており、反応後は、排ガスとなって排出されるようにな
っている。
Further, a pipe 25 is provided in the battery stack 1, and air is supplied to the cathode by a blower 4, and after the reaction, air is discharged as exhaust gas.

カソードに導く配管25は、熱交換器6内を通るように
なっており、同様にカソードを出た配管も熱交換器6内
を通るようになっている。
The pipe 25 leading to the cathode passes through the heat exchanger 6, and the pipe exiting the cathode also passes through the heat exchanger 6.

配管25の電池スタック下流側で熱交換器6の上流側に
は流路弁9が設けられている。また、電池スタックの上
流側で熱交換器6の下流側には同様な流路弁11が設け
られている。
A flow path valve 9 is provided on the downstream side of the battery stack of the piping 25 and on the upstream side of the heat exchanger 6. Further, a similar flow valve 11 is provided upstream of the battery stack and downstream of the heat exchanger 6.

配管25には、熱交換器6を迂回する配管26が接続さ
れている。この配管26の配管25上流側には、流路弁
12が設けられている。
A pipe 26 that bypasses the heat exchanger 6 is connected to the pipe 25 . A flow path valve 12 is provided on the upstream side of the pipe 25 of the pipe 26 .

流路弁9が設けられている配管25の上流側には、流路
弁10を有する配管27が設けられている。
A pipe 27 having a flow path valve 10 is provided upstream of the pipe 25 in which the flow path valve 9 is provided.

以上のように構成された本実施例にかかるメタノール燃
料電池では、空気極(カソード)から排出される水蒸気
から凝集水を回収し、燃料極(アノード)に供給するこ
とにより水補給の不要化を達成できる。
In the methanol fuel cell according to this embodiment configured as described above, coagulated water is recovered from the water vapor discharged from the air electrode (cathode) and supplied to the fuel electrode (anode), thereby eliminating the need for water replenishment. It can be achieved.

この具体的な動作について説明する。This specific operation will be explained.

凝縮水の回収は、アノライトタンク2中に設けられた液
レベルセンサ8によって行う。すなわち、アノライトタ
ンク中の液量が所定値にあることを液レベルセンサ8で
検出する。所定値に水量がある場合は水回収を行わず、
所定値以下の水量である場合には水回収を行うものであ
る。
Condensed water is collected by a liquid level sensor 8 provided in the anorite tank 2. That is, the liquid level sensor 8 detects that the amount of liquid in the anorite tank is at a predetermined value. If the water amount is at a predetermined value, water will not be collected;
If the amount of water is less than a predetermined value, water is recovered.

まず液レベルが所定値より低い場合について説明する。First, a case where the liquid level is lower than a predetermined value will be explained.

液レベルセンサ8からの制御信号が流路弁1o及び流路
弁9に送られる。流路弁9に送られる信号S1により流
路弁9°が開放される。−力信号S2により流路弁10
が閉鎖されている。また、水回収を行う場合には流路弁
12が閉じられ、流路弁11が開放されている。まず、
ブロワ4の動きにより空気が熱交換器を介して電池スタ
ック1内に供給される。電池スタック内を通過した空気
は排ガスとなり、ガス中に多量の水蒸気を含んでいる。
A control signal from the liquid level sensor 8 is sent to the flow path valve 1o and the flow path valve 9. A signal S1 sent to the flow path valve 9 opens the flow path valve 9°. - channel valve 10 by force signal S2;
is closed. Further, when water is to be recovered, the flow path valve 12 is closed and the flow path valve 11 is opened. first,
The movement of the blower 4 supplies air into the battery stack 1 through the heat exchanger. The air that has passed through the battery stack becomes exhaust gas, which contains a large amount of water vapor.

この多量の水蒸気を含んだ排ガスは流路弁10が閉じら
れているので、流路弁9を介して熱交換器6内を通過し
排ガスとして系外に排出される。熱交換器6内において
は排ガスと空気との間で熱交換が行われ、排ガス中の多
量の水蒸気が凝縮水30となって熱交換器6内に成生じ
配管7を介してアノライトタンク2中に供給される。こ
のようにしてアノライトタンク2中の液レベルが所定量
になった場合に、凝縮水の回収を中止する。
Since the flow path valve 10 is closed, this exhaust gas containing a large amount of water vapor passes through the heat exchanger 6 via the flow path valve 9 and is discharged to the outside of the system as exhaust gas. In the heat exchanger 6, heat exchange is performed between the exhaust gas and air, and a large amount of water vapor in the exhaust gas becomes condensed water 30, which is generated in the heat exchanger 6 and then transferred to the anolyte tank 2 via piping 7. supplied inside. In this way, when the liquid level in the anolyte tank 2 reaches a predetermined level, collection of condensed water is stopped.

次に、凝縮水の回収の中止における動作について説明す
る。液レベルセンサ8により、アノライトタンク2中の
アノライト量が所定値高さまできた場合には、制御信号
S2により流路弁10が開放される一方、液レベルセン
サ8からの制御信号S1により流路弁9が閉鎖される。
Next, the operation when stopping recovery of condensed water will be explained. When the amount of anolite in the anolite tank 2 reaches a predetermined height according to the liquid level sensor 8, the flow path valve 10 is opened by the control signal S2, and the flow path is opened by the control signal S1 from the liquid level sensor 8. Valve 9 is closed.

このような流路弁の制御を行うと、電池スタックを通過
した排ガスは熱交換器6に供給されることなく流路弁1
oを介して排ガスが系外に排出される。この際、空気と
排ガスとの間で熱交換が行われないために。
When the flow path valves are controlled in this manner, the exhaust gas that has passed through the battery stack is not supplied to the heat exchanger 6, but instead flows through the flow path valve 1.
Exhaust gas is discharged to the outside of the system via o. At this time, there is no heat exchange between the air and the exhaust gas.

熱交換器6内に凝縮水が生ぜず、したがってアノライト
タンク中に水の供給が行われない。
No condensed water forms in the heat exchanger 6 and therefore no water is supplied into the anolyte tank.

以上のように流路弁の制御を行うことにより凝縮水の回
収を行うことができる。この凝縮水の回収にあたっては
流路弁の弁開、閉のほかに流路弁の開度の調整をするこ
とによって行うこともできる。すなわち、流路弁10及
び流路弁9の開度を調整することにより熱交換器6中に
導かれる排ガス量を所定の量に調整することができる。
By controlling the flow path valves as described above, condensed water can be recovered. This condensed water can be collected not only by opening and closing the flow path valve but also by adjusting the opening degree of the flow path valve. That is, by adjusting the opening degrees of the flow path valves 10 and 9, the amount of exhaust gas introduced into the heat exchanger 6 can be adjusted to a predetermined amount.

その結果、凝縮水の量も調整できる故、アノライトタン
ク中のアノライト量を所定のものに調整可能である。こ
のような弁開度の調整は次のような場合に有効である。
As a result, since the amount of condensed water can also be adjusted, the amount of anolyte in the anolyte tank can be adjusted to a predetermined value. Such adjustment of the valve opening degree is effective in the following cases.

排ガスの温度(運転状態により変化する)や熱交換器6
の操作温度(冷却温度)に変動が生じ、凝縮水の生成速
度がg動しても、これと無関係に必要な水を確実に回収
することができる。しかも、制御方法が簡単であり、特
に弁の開閉及び弁開度の調整により、複雑な機能を有す
る機器は不要で信頼性よく水回収を行うことができる。
Exhaust gas temperature (varies depending on operating conditions) and heat exchanger 6
Even if the operating temperature (cooling temperature) fluctuates and the production rate of condensed water changes, the necessary water can be reliably recovered regardless of this. Moreover, the control method is simple, and in particular, by opening/closing the valve and adjusting the valve opening degree, water can be recovered reliably without the need for equipment with complicated functions.

前記の物質収支式かられかるように、メタノール燃料電
池の電池反応にはメタノールの約4倍(モル比)もの多
量の水が必要であるが、約6倍量(モル比)の水が水蒸
気として空気極から排出される排ガス中に含まれている
ため、所要水量の全量を排ガス中から回収することがで
きる。この結果運転中のアノライトタンク2への補給剤
としてはメタノールのみでよく、水の補給は全く不要と
なる。回収水の水質も、水以外に含まれるものとしては
微量の未反応メタノール及びその部分酸化で生成する物
質ぐらいでその他の不純物が存在せず電池反応において
何らの支障も存在しない。
As can be seen from the above mass balance equation, the cell reaction of a methanol fuel cell requires about 4 times as much water (in molar ratio) as methanol, but about 6 times as much water (in molar ratio) as water vapor is required. Since it is contained in the exhaust gas discharged from the air electrode, the entire required amount of water can be recovered from the exhaust gas. As a result, only methanol can be used as a replenisher to the anolyte tank 2 during operation, and there is no need to replenish water. The quality of the recovered water is such that, other than water, the only substances contained are a trace amount of unreacted methanol and a substance produced by its partial oxidation, and there are no other impurities, so there is no problem in the battery reaction.

凝縮水の回収を行わないとするとアノライトタンク2中
へ系外から蒸留水を供給することが必要であるが、蒸留
水中へにも水量な不純物が存在することは普通である。
If condensed water is not recovered, it is necessary to supply distilled water to the anolyte tank 2 from outside the system, but it is normal for a considerable amount of impurities to be present in the distilled water as well.

その結果、アノライトタンク中へ長時間の間に不純物が
蓄積していく恐れがあるが、本実施例のように純水な凝
縮水を得ることができるようにすると、電池の安定運転
に好適であるということができる。
As a result, impurities may accumulate in the anorite tank over a long period of time, but if pure condensed water can be obtained as in this example, it is suitable for stable battery operation. It can be said that

前記アノライトタンク2中のアノライトはポンプ3の作
用により電池スタック1を流通しアノライトタンク2中
へ!#環されるようになっている。
The anolite in the anolyte tank 2 flows through the battery stack 1 by the action of the pump 3 and enters the anolyte tank 2! # It is designed to be linked.

アノライト中の水は電池スタックのアノードにおいて消
費され、アノライトタンク2中の液レベルが低下するこ
とになる。前述のように本実施例ではこの液レベルの低
下を液レベルセンサ8で検知し、凝縮水の回収を行うこ
とができる。しかも、多量の水回収が必要な場合は多量
の排ガスを熱交換器6へ導き、逆に少量の水しか必要の
ない場合には少量の排気ガスを熱交換器6へ導けばよい
The water in the anolyte will be consumed at the anode of the battery stack, causing the liquid level in the anolyte tank 2 to drop. As described above, in this embodiment, the drop in the liquid level can be detected by the liquid level sensor 8 and the condensed water can be recovered. Furthermore, if a large amount of water needs to be recovered, a large amount of exhaust gas may be guided to the heat exchanger 6, and conversely, if only a small amount of water is required, a small amount of exhaust gas may be guided to the heat exchanger 6.

本実施例では、空気が排ガス中の熱量を奪い、空気温度
が上昇することになる。したがって予熱された空気を電
池スタック1内へ送ることになり、電池の保温及び温度
コントロールを可能とする。
In this embodiment, the air absorbs heat from the exhaust gas, causing the air temperature to rise. Therefore, preheated air is sent into the battery stack 1, making it possible to keep the batteries warm and control the temperature.

また電池運転開始時には、電池スタックへ供給される空
気が加熱されているために、所定運転温度を約60℃ま
で保温することが迅速に行える。したがってクイックス
タートが可能である。
Furthermore, since the air supplied to the battery stack is heated at the start of battery operation, the predetermined operating temperature can be quickly maintained to about 60°C. Therefore, a quick start is possible.

上記実施例では空気と排ガスとの間で熱交換を行ってい
る。したがって冷却用ブロワはブロワ4一つですみ、装
置のコンパクト化を図ることができる。したがって可搬
型をその特徴とするメタノール燃料電池においては、よ
り適用範囲が広がることになる。なお、排ガスの熱が熱
交換された空気は、温度が上がるため、電池スタックの
温度が所定値以上に上昇する場合がある。この様な場合
には、次のような制御を行うこともできる。すなわち、
電池スタック内等に温度センサーをおき、温度センサー
の温度信号が一定値を超えた場合に、弁11を閉鎖し流
路弁12を開放するようにする。
In the above embodiment, heat exchange is performed between air and exhaust gas. Therefore, only one cooling blower (4 blowers) is required, and the apparatus can be made more compact. Therefore, the range of application of methanol fuel cells, which are characterized by their portability, will be expanded. Note that since the temperature of the air with which the heat of the exhaust gas has been exchanged increases, the temperature of the battery stack may rise to a predetermined value or higher. In such a case, the following control can also be performed. That is,
A temperature sensor is placed inside the battery stack, and when the temperature signal from the temperature sensor exceeds a certain value, the valve 11 is closed and the flow path valve 12 is opened.

その結果空気は弁11及び熱交換器6を通過することな
くその通常の空気温度のままブロワ4を通過してカソー
ド21内に供給される。この結果カソード内温度を冷却
することができ、温度上昇に伴う電池運転上の危険を防
止することができる。
As a result, the air is supplied into the cathode 21 through the blower 4 at its normal air temperature without passing through the valve 11 and the heat exchanger 6. As a result, the internal temperature of the cathode can be cooled, and dangers in battery operation due to temperature rise can be prevented.

本実施例では第1図に示すように、熱交換器6をアノラ
イトタンク2上部に設け、凝縮水30をポンプ等の液送
手段を設けることなく水頭差でアノライトタンク2に供
給することができる。したがって、装置のコンパクト化
及び装置の保安の容易化を達成することができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, a heat exchanger 6 is provided above the anorite tank 2, and the condensed water 30 is supplied to the anorite tank 2 with a difference in water head without providing a liquid feeding means such as a pump. Can be done. Therefore, the device can be made more compact and its security can be made easier.

前述のように本実施例では、アノライトタンク2中の液
レベルを検知することによって排ガス中の水蒸気の凝縮
を行い凝縮水をアノライトタンク2中へ供給するように
している。このほかに考えられる制御としては、アノラ
イトタンク中の硫酸濃度を検知して、排ガスと空気との
間で熱交換の要否及び熱交換の程度を制御することがで
きる。
As described above, in this embodiment, the water vapor in the exhaust gas is condensed by detecting the liquid level in the anorite tank 2, and the condensed water is supplied into the anorite tank 2. Another possible control is to detect the sulfuric acid concentration in the anorite tank and control whether or not heat exchange is necessary and the degree of heat exchange between exhaust gas and air.

すなわちアノライトタンク中の水が多ければ硫酸濃度が
低く、逆に水が少なくなれば硫酸濃度が高くなる。硫酸
濃度を検知することによって排ガスと空気との間の熱交
換の制御を行うことができるものである。
That is, the more water in the anorite tank, the lower the sulfuric acid concentration, and conversely, the less water, the higher the sulfuric acid concentration. By detecting the sulfuric acid concentration, heat exchange between exhaust gas and air can be controlled.

次に具体的な実施例について説明する。燃料電池には、
電極面積1o8cXlの単位電池を48枚積層した出力
100ワット級のものを使用した。電池の下部にアノラ
イトタンクを設け40Ωのアノライト(組成・メタノー
ル1七ル/Q、硫酸1.5モル/12、残り水)をポン
プで電池内の空気極に。
Next, specific examples will be described. For fuel cells,
A battery having an output of 100 watts and consisting of 48 stacked unit cells with an electrode area of 108 cXl was used. An anolyte tank was installed at the bottom of the battery, and a 40Ω anolyte (composition: methanol 17 mol/Q, sulfuric acid 1.5 mol/12, remaining water) was pumped to the air electrode inside the battery.

循環した。電池空気極にはブロワで空気を26Q/wi
nの流速で供給した。熱交換手段にはプレート型熱交換
を使用し、燃料電池と同一高さにし、凝縮水をアノライ
トタンクに導くラインを途中での水の滞留を防止すべく
下り一方向で設けた。電池排ガスはバルブの切換えで熱
交換器への導入と熱交換をせずに直接系外の排出のいず
れかが選択できるようにした。バルブには電磁バルブを
使用しアノライトタンクには、液レベルセンサを設けた
It circulated. Air is supplied to the battery air electrode using a blower 26Q/wi.
A flow rate of n was applied. A plate-type heat exchanger was used as the heat exchanger, and it was placed at the same height as the fuel cell, and a line leading condensed water to the anorite tank was provided in one direction in the downward direction to prevent water from accumulating along the way. By switching the valve, the battery exhaust gas can be either introduced into the heat exchanger or discharged directly outside the system without heat exchange. An electromagnetic valve was used for the valve, and a liquid level sensor was installed in the anorite tank.

所定の液レベルのときに排ガスの直接排出が行われ、液
レベルが所定のものより低い管台には熱交換器への排ガ
スの供給が行われるようにした。
The exhaust gas is directly discharged when the liquid level is at a predetermined level, and the exhaust gas is supplied to the heat exchanger when the liquid level is lower than the predetermined level.

空気極への供給空気の取り込みも、バルブ操作により直
接外部空気の取り込みと熱交換を経た空気の取り込みが
選択できるようにした。以上のように構成されたメタノ
ール燃料電池で次の具体的な操作を行った。
Regarding the intake of supply air to the air electrode, it is now possible to select between direct external air intake and air intake after heat exchange by operating a valve. The following specific operations were performed using the methanol fuel cell configured as described above.

(実施例1) 電池運転温度を60℃±2℃に保ちつつ発電を行わせた
。このようにすると、排ガスからは容易に凝縮水が得ら
れ、しかも凝縮水はヘッド差によりスムーズにアノライ
トタンク2に流入した。
(Example 1) Power generation was performed while maintaining the battery operating temperature at 60°C±2°C. In this way, condensed water could be easily obtained from the exhaust gas, and the condensed water smoothly flowed into the anolyte tank 2 due to the head difference.

100ワツトの出力を得ているとき、アノライトへの補
給に必要な水量(174g/h)を回収するのに必要な
排ガスの冷却温度は約40℃であった6すなわち、排ガ
スは60℃から40℃へ20℃冷却すれば必要水量が回
収できた。この温度差は通常技術で比較的容易に実現で
きるものであることから、確実に凝縮水の供給をアノラ
イトタンクへ行うことができるものである。
When obtaining an output of 100 watts, the cooling temperature of the exhaust gas required to recover the amount of water (174 g/h) required for replenishing the anorite was approximately 40°C6, that is, the exhaust gas was reduced from 60°C to 40°C. The required amount of water could be recovered by cooling to 20°C. Since this temperature difference can be achieved relatively easily using conventional technology, it is possible to reliably supply condensed water to the anolyte tank.

(実施例2) 上記実施例1の運転条件下で水回収量すなわち熱交換器
への排ガスの供給をアノライト液レベルで制御しつつ発
電を実施した。液レベルが低いときには排ガスを熱交換
器に導、入し、液レベルが高いときには系外へ排出する
ようにした。
(Example 2) Under the operating conditions of Example 1 above, power generation was carried out while controlling the amount of water recovery, that is, the supply of exhaust gas to the heat exchanger, at the anolyte liquid level. When the liquid level is low, the exhaust gas is introduced into the heat exchanger, and when the liquid level is high, it is discharged from the system.

100ワツトの出力を得つつ、アノライトタンクにはメ
タノールのみを一定量(77g/h)補給し続けたとこ
ろ、アノライトの組成は初期に調整した所定値から大き
くはずれることなく、電池出力も安定して得られた。ま
た、75ワツトの出力を得つつ、メタノールの供給量を
60 g / hとしたときにも、アノライト組成を一
定に保つことができ、安定した電池出力を得ることがで
きた。
While obtaining an output of 100 watts, we continued to replenish the anolyte tank with a constant amount of methanol (77g/h), and the composition of the anolite did not deviate significantly from the initially adjusted predetermined value, and the battery output remained stable. obtained. Furthermore, even when an output of 75 watts was obtained and the amount of methanol supplied was 60 g/h, the anolyte composition could be kept constant and a stable battery output could be obtained.

(実施例3) 空気極へ供給する空気が、熱交換器を経て空気極に導入
されるようにバルブを操作して電池の発電をスタートし
た。すなわち、排ガスとの熱交換で予熱された空気が電
気極へ導入されるようにして発電を立ちあげた。このと
き室温(28℃)から60℃の運転定格温度まで上昇す
るのに要した時間は18分であった。
(Example 3) Power generation by the battery was started by operating a valve so that air supplied to the air electrode was introduced into the air electrode via a heat exchanger. That is, power generation was started by introducing air that had been preheated through heat exchange with exhaust gas into the electric electrode. At this time, the time required to raise the temperature from room temperature (28°C) to the operating rated temperature of 60°C was 18 minutes.

一方、外気を直接空気極へ送って同様に運転を立ちあげ
たところ、室温から60℃に立するまでに45分を要し
た。このように電池運転のクイックスタートが可能であ
ることがわかる。
On the other hand, when we started up the operation in the same way by sending outside air directly to the air electrode, it took 45 minutes for the temperature to rise from room temperature to 60°C. It can be seen that a quick start of battery operation is possible in this way.

次に上記第1図に示した実施例と異なる他の実施例につ
いて説明する。第2図はその実施例の構成を示した系統
図である0本実施例では、第1図の実施例と異なりガス
分離膜装置5が電池スタック1から排出される排ガス流
路に設けられ、しかも排ガスの熱交換器6上流側に設け
られているものである。
Next, another embodiment different from the embodiment shown in FIG. 1 will be described. FIG. 2 is a system diagram showing the configuration of this embodiment. In this embodiment, unlike the embodiment shown in FIG. 1, a gas separation membrane device 5 is provided in the exhaust gas passage discharged from the battery stack 1. Moreover, it is provided upstream of the exhaust gas heat exchanger 6.

次に動作について説明する6燃料電池スタツク1からの
排ガスは、ガス分離膜装置5に導かれる。
Exhaust gas from the six fuel cell stack 1, the operation of which will be described next, is led to the gas separation membrane device 5.

このガス分離膜装置5では排ガス中の窒素及び酸素と水
蒸気が選択的に分離され、前二者は装置外へ排出され水
蒸気リッチとなった気体が回収のため熱交換器6へ導か
れる。熱交換器6では水蒸気分圧が高く非凝縮性ガス成
分の少ない気体を冷却することになるため、わずかの温
度差及び伝熱面積で所要の凝縮水を得ることができる。
In this gas separation membrane device 5, nitrogen and oxygen in the exhaust gas are selectively separated from water vapor, and the former two are discharged outside the device, and the vapor-rich gas is led to a heat exchanger 6 for recovery. Since the heat exchanger 6 cools a gas having a high water vapor partial pressure and a small amount of non-condensable gas components, the required condensed water can be obtained with a small temperature difference and heat transfer area.

なお上記第1図及び第2図の実施例において、水回収を
しない排ガスでは水分は蒸気として系外へ排出されるた
め、その処理が不要である。
In the embodiments shown in FIGS. 1 and 2 above, in the case of exhaust gas without water recovery, water is discharged outside the system as steam, so there is no need to treat it.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように本発明にかかるメタノール燃料電池
によれば、カソードからの排ガス中に含まれる水蒸気を
冷却して凝縮水とし、この凝縮水をアノライトタンク中
へ供給することができるために電池外からの水の補給を
必要としない、その結果電池運転が効率よく行え、しか
も電池のコンパクト化を図ることができるものである。
As explained above, according to the methanol fuel cell according to the present invention, the water vapor contained in the exhaust gas from the cathode can be cooled to form condensed water, and this condensed water can be supplied into the anolite tank. There is no need to supply water from outside, and as a result, battery operation can be performed efficiently, and the battery can be made more compact.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明にかかるメタノール燃料電池の一実施例
の構成を示す系統図、第2図は第1図の”tタノール燃
料電池にガス分離膜装置が付加された他の実施例の系統
図である。 1・・・メタノール燃料電池スタック、2・・・アノラ
イトタンク、6・・・熱交換器、7・・・凝縮水移送配
管。 21・・・カソード、22・・・アノード。
Fig. 1 is a system diagram showing the configuration of one embodiment of the methanol fuel cell according to the present invention, and Fig. 2 is a system diagram of another embodiment in which a gas separation membrane device is added to the tethanol fuel cell shown in Fig. 1. It is a figure. 1... Methanol fuel cell stack, 2... Anolite tank, 6... Heat exchanger, 7... Condensed water transfer piping. 21... Cathode, 22... Anode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、電解質を挾持して相対向するカーソド及びアノード
からなる単位電池をセパレータを介して複数個積層して
なる燃料電池スタックと、 前記アノードにアノライトを供給するアノライト供給装
置と、 前記カソードに酸素含有ガスを供給するガス供給装置と
からなるメタノール燃料電池において、 前記カソードに供給された酸素含有ガスの排ガスが導入
され、該排ガス中の水蒸気分を冷却して凝集する熱交換
器と、 該凝集水を前記アノライトに還流する還流装置とを備え
てなることを特徴とするメタノール燃料電池。 2、特許請求の範囲第1項において、前記カソードから
の排ガスからの水蒸気分を冷却するのは、当該排ガスと
前記カソードに供給される酸素含有ガスとの間で熱交換
を行うことにより冷却するものであることを特徴とする
メタノール燃料電池。 3、特許請求の範囲第1項において、アノライトタンク
中に液レベルセンサを設け、所定の液レベルになつたと
きに、カソードからの排ガスを燃交換器に導入する上流
側で排出し、所定の液レベル以下になつたときに、カソ
ードからの排ガスを熱交換器に導入するようにしたこと
を特徴とするメタノール燃料電池。 4、特許請求の範囲第1項において、熱交換器をアノラ
イトタンクより高い位置におき、凝縮水のアノライトタ
ンクへの補給をヘッド差で行うことを特徴とするメタノ
ール燃料電池。
[Scope of Claims] 1. A fuel cell stack comprising a plurality of unit cells stacked with a separator in between, each consisting of a cursor and an anode facing each other while holding an electrolyte between them; , a gas supply device for supplying oxygen-containing gas to the cathode, and a heat exchanger in which exhaust gas of the oxygen-containing gas supplied to the cathode is introduced and water vapor in the exhaust gas is cooled and condensed. 1. A methanol fuel cell, comprising: a reflux device for refluxing the coagulated water to the anolite. 2. In claim 1, the water vapor from the exhaust gas from the cathode is cooled by heat exchange between the exhaust gas and the oxygen-containing gas supplied to the cathode. A methanol fuel cell characterized by: 3. In claim 1, a liquid level sensor is provided in the anorite tank, and when the liquid level reaches a predetermined level, the exhaust gas from the cathode is discharged on the upstream side where it is introduced into the fuel exchanger. A methanol fuel cell characterized in that exhaust gas from the cathode is introduced into a heat exchanger when the liquid level drops below the liquid level. 4. The methanol fuel cell according to claim 1, characterized in that the heat exchanger is placed at a higher position than the anolite tank, and the condensed water is replenished to the anolite tank by a head difference.
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