WO2005124914A1 - 燃料電池システム及び燃料電池起動方法 - Google Patents

燃料電池システム及び燃料電池起動方法 Download PDF

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WO2005124914A1
WO2005124914A1 PCT/JP2005/010922 JP2005010922W WO2005124914A1 WO 2005124914 A1 WO2005124914 A1 WO 2005124914A1 JP 2005010922 W JP2005010922 W JP 2005010922W WO 2005124914 A1 WO2005124914 A1 WO 2005124914A1
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fuel
concentration
power generation
temperature
tank
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PCT/JP2005/010922
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Tsuyoshi Kanai
Go Sudo
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Sony Corporation
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a method for activating the fuel cell.
  • a fuel cell is a power generating element that generates power by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen or methanol with an oxidizing gas such as oxygen.
  • Fuel cells are attracting attention as power generation elements because the products generated by power generation are water and do not pollute the environment.For example, attempts have been made to use them as drive power sources for driving automobiles. Has been done.
  • Fuel cells are classified into various types according to differences in electrolytes and the like, and a typical example is a fuel cell using a solid polymer electrolyte as an electrolyte.
  • Solid polymer electrolyte fuel cells can be manufactured at low cost, are easily reduced in size, thickness and weight, and have a high output density in terms of battery performance. Hope.
  • This solid polymer electrolyte fuel cell uses hydrogen as a fuel.
  • a fuel cell in which methanol or natural gas is reformed to generate hydrogen and used as a fuel has been developed.
  • a direct methanol fuel cell has been developed, which uses methanol as fuel to supply power directly to the fuel cell to generate electricity.
  • the direct methanol fuel cell has an appropriate operating temperature of 60 ° C and 80 ° C, it is necessary to raise the temperature of the fuel cell when starting the fuel cell in the stop state. There is a problem that cannot be started.
  • a supplementary battery such as a lithium-ion battery until the fuel cell is started.
  • an auxiliary battery with an appropriate capacity is required.
  • a fuel cell system in which the concentration of a methanol aqueous solution as a fuel is increased at the time of starting, and a methanol aqueous solution that permeates an electrolyte membrane is directly combusted with oxygen by a force source.
  • methanol see, for example, JP-A-5-307970
  • an aqueous methanol solution see, for example, JP-A-2002-075414
  • the fuel cell system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-520399 sprays methanol in a circulation path connected to the anode by using a methanol tank capillar injection nozzle provided in the system.
  • the amount is controlled by the temperature of the power generation cell. That is, the concentration of the methanol aqueous solution supplied to the anode is controlled by the amount of methanol sprayed by the spray nozzle.
  • the concentration of the aqueous methanol solution supplied to the anode cannot be reduced unless the methanol in the aqueous methanol solution is consumed in the power generation cell.
  • the present invention provides a system that can always operate a fuel cell using an optimal concentration of fuel, and a system that does not directly supply fuel to a power source.
  • the purpose is to provide.
  • Another object is to reduce the time required for starting.
  • the fuel cell system of the present invention comprises a power generation cell having an electrolyte sandwiched between a positive electrode and a negative electrode, a first storage container for storing a low-concentration fuel having a predetermined concentration, and And a second storage container for storing a high-concentration fuel with a high concentration.
  • concentration of the fuel stored in the first storage container and the second storage container according to the temperature of the power generation cell. It is characterized by switching and supplying different fuels.
  • the low-concentration fuel that mainly performs the power generation reaction and the high-concentration fuel that mainly performs the power generation reaction and the reaction that raises the temperature of the power generation cell are stored in separate storage containers.
  • the fuel supplied to the negative electrode can be instantaneously switched according to the temperature of the power generation cell. This makes it possible to always operate at the optimum concentration.
  • the high-concentration fuel can be dispersed and supplied, and local heat generation can be prevented. Further, it is possible to prevent water from adhering to the positive electrode, which is generated by directly supplying fuel to the positive electrode.
  • the fuel cell starting method of the present invention provides a power generation cell having an electrolyte sandwiched between a positive electrode and a negative electrode, a first storage container for storing a low-concentration fuel of a predetermined concentration, and the low-concentration fuel.
  • the fuel cell system increases the temperature of the power generation cell by supplying high-concentration fuel to the negative electrode side, thereby reacting with the oxidant supplied to the positive electrode side. Can be done. At this time, heat generation can be promoted by keeping the supply amount of the high-concentration fuel and the oxidant to the power generation cell low. As a result, the time for raising the temperature of the power generation cell at the start of the fuel cell system can be reduced. In addition, since the temperature of the power generation cell can be raised in a short time, the capacity of the auxiliary battery used when the temperature of the power generation cell is low can be reduced, and the fuel cell system can be downsized. it can.
  • the fuel cell system according to the present invention mainly includes a low-concentration fuel that performs a power generation reaction and a power generation reaction that is mainly performed.
  • a low-concentration fuel that performs a power generation reaction
  • a power generation reaction that is mainly performed.
  • the fuel cell system of the present invention stores low-concentration fuel adjusted to a concentration that allows efficient power generation reaction in the first storage container.
  • low-concentration fuel having a stable concentration can be supplied, and stable power generation can be performed.
  • it is not necessary to adjust the fuel concentration in the flow path it is not necessary to provide a nozzle for spraying the fuel.
  • concentration of stored fuel can be adjusted according to the usage environment.
  • the first storage container and the second storage container are each detachable, and the storage containers can be replaced.
  • the fuel cell system supplies high-concentration fuel to the negative electrode side, thereby reacting with the oxidant supplied to the positive electrode side to raise the temperature of the power generation cell. Can be done. At this time, heat generation can be promoted by keeping the supply amount of the high-concentration fuel and the oxidant to the power generation cell low. As a result, the time for raising the temperature of the power generation cell at the start of the fuel cell system can be reduced. In addition, since the temperature of the power generation cell can be raised in a short time, the capacity of the auxiliary battery used when the temperature of the power generation cell is low can be reduced, and the fuel cell system can be downsized. it can.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a configuration of a fuel cell system of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing movements of methanol and a high-concentration methanol aqueous solution when starting the fuel cell system of the present invention.
  • FIG. 3 shows methanol and low concentrations during normal operation of the fuel cell system of the present invention. It is a figure which shows the movement of a methanol aqueous solution.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of the configuration of the fuel cell system of the present invention.
  • the fuel cell system 1 of the present invention includes a power generation cell 3 formed by an electrolyte membrane 30 sandwiched between a pair of electrodes including an anode 31 serving as a negative electrode and a force sword 32 serving as a positive electrode, and mainly includes a power generation cell 3.
  • the first tank 210 as the first storage container for storing the low-concentration aqueous methanol solution of the low-concentration fuel used for the power generation reaction, and the high-concentration fuel of the high-concentration fuel mainly used for the temperature rise reaction of the power generation cell 3
  • It has a second tank 220 as a second storage container for storing the aqueous solution.
  • an air pump 410 for supplying air as an oxidant to the power generation cell 3, a gas-liquid separator 411 for separating water generated in the power generation cell 3 from other substances, and a separated water for the power generation cell 3
  • a water recovery pump 414 that discharges water to the outside and supplies the first tank 210 or the second tank 220, a fuel circulation pump 412 that circulates a low-concentration methanol aqueous solution and a high-concentration methanol aqueous solution, and a power generation cell 3.
  • a temperature measuring device 400 for measuring the temperature a concentration measuring device 401 for measuring the concentrations of the low-concentration aqueous methanol solution and the high-concentration aqueous methanol solution, and the methanol of the fuel to be diluted, which is the raw material of the low-concentration aqueous methanol solution and the high-concentration aqueous methanol solution,
  • a diluted fuel tank 200 as a third storage container for storing, a diluted fuel supply pump 413 for supplying methanol to the first tank 210 and the second tank 220, Switching valves 501, 502, 503, 504 for switching the flow path of the low-concentration aqueous methanol solution and high-concentration methanol aqueous solution, and the measured values of the temperature measuring device 400 and the concentration measuring device 401, and instruct the valves, etc.
  • the methanol or air used in the fuel cell system 1 is not limited to this, and can be appropriately changed depending on the power generation cell 3 mounted. Further, the fuel cell system 1 may have an auxiliary battery (not shown) for promoting the temperature of the power generation cell 3. As shown in FIG. 1, the power generation cell 3 is a direct methanol fuel cell that uses an aqueous methanol solution as a fuel and supplies the fuel directly to the power generation cell 3. The system can be appropriately changed according to the power generation capacity of the fuel cell, which is not limited to this.
  • the power generation cell 3 includes a membrane-like electrolyte membrane 30 that allows protons and methanol to pass therethrough, an anode 31 having a catalyst in the power generation reaction, and a force sword 32.
  • the electrolyte membrane 30 is sandwiched between the anode 31 and the force sword 32. It is formed by laminating.
  • the electrolyte membrane 30 that transmits protons and methanol is formed of a material having both permeability, oxidation resistance, and heat resistance.
  • the anode 31 and the force sword 32 are made of a metal material, a carbon material, or a conductive nonwoven fabric.For example, when a carbon material is used, a catalyst such as platinum is supported on a porous surface of the carbon material. Is also good.
  • the size and shape of the electrolyte membrane 30, the anode 31, and the force sword 32 are appropriately changed according to the size and shape of the power generation cell 3.
  • the power generation cell 3 is a direct methanol fuel cell that uses an aqueous methanol solution as a fuel and supplies the direct power generation cell 3 with a fuel. However, it can be changed as appropriate according to the power generation capacity of the fuel cell.
  • the power generation cell 3 can generate a power generation reaction and a reaction of increasing the temperature of the power generation cell 3 by supplying a methanol aqueous solution described below to the anode 31 and air to the power source 32.
  • the power generation cell 3 has a temperature measurement device 400 for measuring the temperature inside the power generation cell 3.
  • the temperature measurement device 400 is connected to a control device 402 that reads the temperature of the power generation cell 3 and issues a command to a valve or the like.
  • the temperature measuring device 400 to be used is appropriately changed depending on the power generation cell 3 to be mounted, which is not particularly limited. For example, a fuel cell system
  • the temperature of the power generation cell 3 is measured by the temperature measurement device 400, and the fuel supplied to the anode 31 can be switched via the control device 402 according to the temperature.
  • the fuel tank 200 to be diluted is a storage container for storing methanol as the fuel to be diluted. It is connected to a first tank 210 for storing a low-concentration aqueous methanol solution and a second tank 220 for storing a high-concentration aqueous methanol solution via a dilution fuel supply pump 413. Further, a switching valve 501 is provided at a branch point between the first tank 210 and the second tank 220, so that methanol is supplied to one of the first tank 210 and the second tank 220. can do. The switching valve 501 is connected to a control device 402 described below, and can be operated in conjunction with another valve or the like.
  • the diluted fuel supply pump 413 is provided between the diluted fuel tank 200 and the first tank 210 and the second tank 220, and supplies methanol from the diluted fuel tank 200 to the first tank 210. And a predetermined amount can be sent to the second tank 220.
  • the fuel-to-be-diluted supply pump 413 can be operated in conjunction with a valve or the like in accordance with a command from the control device 402 described below.
  • the concentration of the low-concentration aqueous methanol solution or the high-concentration aqueous methanol solution is equal to or lower than a predetermined concentration
  • the diluted fuel supply pump 413 supplies the methanol stored in the diluted fuel tank 200 to the first tank 210 or the second tank. 220 can be supplied.
  • the methanol can be diluted with the fuel to be diluted without supplying the low-concentration methanol aqueous solution and the high-concentration methanol aqueous solution separately adjusted outside the fuel cell system 1 to the first tank 210 and the second tank 220, respectively.
  • the concentration can be automatically adjusted in the fuel cell system 1.
  • the first tank 210 is a storage container that stores a low-concentration aqueous methanol solution.
  • the second tank 220 is a storage container for storing a high-concentration methanol aqueous solution.
  • the first tank 210 and the second tank 220 are detachable, and the tanks can be replaced as needed.
  • the first tank 210 and the second tank 220 are connected to a node 31 of the power generation cell 3 via a switching valve 504, a concentration measuring device 401, and a fuel circulation pump 412 described below. Further, in order to circulate the aqueous methanol solution, the anode 31 is connected to the first tank 210 and the second tank 220 via the switching valve 503.
  • the switching valves 503 and 504 are connected to a control device 402 described below, and can be operated in conjunction with other valves or the like.
  • the fuel cell system 1 can instantaneously switch the aqueous methanol solution to be used depending on the temperature of the power generation cell 3.
  • the first tank 210 and the second tank 22 The shape and size of 0 can be appropriately changed according to the frequency of use.
  • the concentration measuring device 401 is provided between the first tank 210 and the second tank 220 and the power generation cell 3, and is provided with a low-concentration methanol supplied from the first tank 210 to the anode 31 of the power generation cell 3. And the concentration of the high-concentration methanol aqueous solution supplied from the second tank 220 to the anode 31 of the power generation cell 3 can be measured.
  • This concentration measuring device 401 is connected to the control device 402 and can be operated in conjunction with a valve or the like, similarly to the temperature measuring device 400 described above.
  • the concentration measuring device 401 measures the concentrations of the low-concentration aqueous methanol solution and the high-concentration methanol aqueous solution as described above, and, based on the concentrations, supplies methanol and water to the first tank 210 and the second tank 220 via the control device 402. And the concentration of the aqueous methanol solution can be adjusted.
  • the fuel circulation pump 412 is provided between the first tank 210 and the second tank 220 and the power generation cell 3.
  • the fuel circulation pump 412 can take out the low-concentration aqueous methanol solution from the first tank 210 and supply it to the anode 31. Further, the low-concentration aqueous methanol solution supplied to the anode 31 can be returned to the first tank 210. Further, the fuel circulation pump 412 can take out the high-concentration methanol aqueous solution from the second tank 220 and supply it to the anode 31. Further, the high-concentration methanol aqueous solution supplied to the anode 31 can be returned to the second tank 220.
  • the fuel circulation pump 412 is connected to the control device 402 and can be operated in conjunction with a valve or the like. Further, the circulation amount of the aqueous methanol solution can be controlled via the control device 402. As a result, the temperature of the methanol aqueous solution can be brought close to the temperature of the fuel cell system 1, and the heating efficiency of the temperature increase reaction of the power generation cell 3 and the power generation efficiency of the power generation reaction can be increased. Also, the use efficiency of methanol can be improved.
  • the air pump 410 is connected to the power sword 32 and can supply air to the power sword 32.
  • air pump 410 is used as a means for supplying air, but any means may be used as long as air can be supplied to force sword 32.
  • a fan or the like may be used as the means.
  • the air pump 410 is connected to the control device 402 and can be operated in conjunction with the fuel circulation pump 412 and the like.
  • the amount of air supplied to the force sword 32 can be controlled via the control device 402. You can. As a result, the amount of heat radiation can be reduced, and the heating efficiency in response to the temperature rise of the power generation cell 3 and the power generation efficiency in the power generation reaction can be increased. In addition, power consumption can be reduced.
  • the gas-liquid separator 411 operates in cooperation with the water recovery pump 414, and is provided between the power generation cell 3 and the water recovery pump 414.
  • the water generated in the power generation cell 3 together with the exhaust by the air pump 410 can be supplied to the gas-liquid separator 411.
  • the supplied water can be separated from water and other substances by the gas-liquid separator 411.
  • the gas-liquid separator 411 can separate water and other substances from water, air (oxygen and nitrogen), carbon dioxide, and the like existing in the power generation cell 3.
  • the water recovery pump 414 is provided between the gas-liquid separator 411 and the first tank 210 and the second tank 220, and separates the water separated by the gas-liquid separator 411 into the first tank 210 and the second tank 210.
  • the second tank 220 can be supplied.
  • the water recovery pump 414 can supply water to the first tank 210 or the second tank 220 via the switching valve 502 according to an instruction of the control device 402.
  • the fuel to be diluted, methanol is stored in the fuel tank to be diluted 200. Then, the fuel is supplied to the first tank 210 or the second tank 220 by the fuel supply pump 413 for dilution.
  • the concentration at this time is higher than the concentrations of the low-concentration methanol aqueous solution and the high-concentration methanol aqueous solution, and is not particularly limited as long as it is a concentration.
  • the low-concentration aqueous methanol solution which is a low-concentration fuel, is stored in the first tank 210.
  • the low-concentration methanol aqueous solution is formed by mixing methanol supplied from the fuel tank 200 to be diluted with water supplied by the water recovery pump 414 in the first tank 210.
  • the low-concentration methanol aqueous solution is supplied to the power generation cell 3 via the fuel circulation pump 412, and can mainly cause a power generation reaction.
  • the concentration of the low-concentration aqueous methanol solution is approximately 1.5 wt% to 6.5 wt%. This is not particularly limited. The concentration is appropriately changed to a value that allows an efficient power generation reaction of the power generation cell 3. be able to.
  • the high-concentration methanol aqueous solution that is a high-concentration fuel is stored in the second tank 220.
  • the high-concentration aqueous methanol solution is formed by mixing methanol supplied from the fuel tank 200 to be diluted with water supplied by the water recovery pump 414 in the second tank 220.
  • the high-concentration methanol aqueous solution is supplied to the power generation cell 3 via the fuel circulation pump 412, and can mainly raise the temperature of the power generation cell 3.
  • the concentration of the high-concentration methanol aqueous solution is approximately 20 wt% to 30 wt% .This is higher than that of the low-concentration methanol aqueous solution which is not particularly limited, and the reaction of the temperature rise of the power generation cell 3 according to the usage environment is efficient.
  • the concentration can be appropriately changed to a concentration that can be performed.
  • the switching valve 501 is installed between the fuel tank 200 to be diluted and the first tank 210 and the second tank 220, and switches the methanol in the fuel tank 200 to be diluted into the first tank 210 or the second tank. 220 can be supplied.
  • the switching valve 502 is installed between the water recovery pump 414 and the first tank 210 and the second tank 220, and causes the water recovery pump 414 to supply water to the first tank 210 or the second tank 220. be able to.
  • the switching valve 503 is provided between the power generation cell 3 and the first tank 210 and the second tank 220.
  • the switching valve 503 can supply a low-concentration methanol aqueous solution to the first tank 210 and a high-concentration methanol aqueous solution to the second tank 220.
  • the switching valve 504 is provided between the first tank 210 and the second tank 220 and the power generation cell 3, and can supply a low-concentration methanol aqueous solution or a high-concentration methanol aqueous solution to the power generation cell 3.
  • the number, shape, size, and the like of the switching valves 501, 502, 503, and 504 can be appropriately changed depending on devices and the like installed in the fuel cell system 1, which are not particularly limited.
  • the control device 402 reads the numerical values of the temperature measurement device 400 and the concentration measurement device 401, and outputs the air pump 410, the water recovery pump 414, the fuel circulation pump 412, the diluted fuel supply pump 413, the switching valves 501, 502, 503, 504 can be controlled.
  • the fuel circulation pump 412 and the switching valves 502, 503, 504 can be controlled to move the high-concentration methanol aqueous solution from the second tank 220 to the anode 31.
  • the fuel supply pump 413, the water recovery pump 414, and the switching valve 501 are controlled so that methanol and water The tank can supply 220 kg.
  • the fuel cell system 1 of the present invention comprises a low-concentration methanol aqueous solution that mainly performs a power generation reaction and a high-concentration methanol aqueous solution that mainly performs a power generation reaction and a reaction that raises the temperature of the power generation cell 3 in separate tanks.
  • the high-concentration aqueous methanol solution is supplied to the anode 31 when the temperature of the power generation cell 3 is equal to or lower than the predetermined temperature, and is supplied to the anode 31 when the temperature of the power generation unit 3 exceeds the predetermined temperature.
  • the aqueous methanol solution can be switched instantly. As a result, it is possible to always operate at the optimum concentration.
  • the fuel cell system 1 of the present invention stores the low-concentration aqueous methanol solution in the first tank 210 in a concentration adjusted to allow efficient power generation reaction. By supplying fuel to the power generation cell 3 only from the tank 210, a low-concentration methanol aqueous solution having a stable concentration can be supplied, and stable power generation can be performed.
  • first tank 210 and the second tank 220 are each detachable, and the storage container can be replaced.
  • a high-concentration aqueous methanol solution is supplied to the power generation cell 3 so that the temperature of the power generation cell 3 rises.
  • a reaction can take place.
  • the reaction of increasing the temperature of the power generation cell 3 can be caused by supplying the high concentration methanol aqueous solution from the second tank 220 to the anode 31 and the air from the air pump 410 to the power sword 32, respectively.
  • Methanol in the high-concentration aqueous methanol solution passes through the electrolyte membrane 30, and an oxidation reaction of methanol occurs at the force source 32.
  • a low-concentration aqueous methanol solution is supplied to the power generation cell 3 to cause a power generation reaction.
  • the power generation reaction can be caused by supplying a low-concentration methanol aqueous solution from the first tank 210 to the anode 31 and supplying air from the air pump 410 to the force sword 32, respectively.
  • the low-concentration aqueous methanol solution is called CH OH + H0 ⁇ CO + 6H + + 6e—at the anode 31 by the water and methanol in the low-concentration methanol aqueous solution.
  • a power generation reaction can be performed by supplying a low-concentration aqueous methanol solution and air to the power generation cell 3 of the fuel cell system 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing the operation of the methanol and high-concentration methanol aqueous solution at the time of startup of the fuel cell system 1 of the present invention. ing.
  • the fuel cell system 1 supplies a high-concentration methanol aqueous solution from the second tank 220 to the anode 31 of the power generation cell 3 via the fuel circulation pump 412 as shown in FIG.
  • air is supplied to the power sword 32 of the power generation cell 3 via the air pump 410.
  • the high-concentration methanol aqueous solution supplied to the anode 31 is returned to the second tank 220 again.
  • Water generated by this reaction is separated by a gas-liquid separator 411 and used as water for methanol dilution via a water recovery pump 414.
  • the control valve 402 causes the switching valve 503 to The flow path to the first tank 210 is shut off, and the switching valve 504 shuts off the flow path from the first tank 210. Therefore, the low concentration methanol aqueous solution is stored in the first tank 210 m2.
  • the control device 402 controls the supply amounts of the high-concentration methanol aqueous solution and the air so that the supply amounts are optimal for the reaction of raising the temperature of the power generation cell 3.
  • the temperature of the power generation cell 3 is measured by the temperature measuring device 400, and the value is read by the control device 402.
  • the control device 402 can instantaneously switch from the operation of causing the reaction of the temperature rise of the power generation cell 3 to the operation of generating the power generation reaction.
  • the predetermined temperature is a temperature at which power can be generated relatively efficiently in the power generation reaction in the power generation cell 3 and differs depending on the power generation cell 3 mounted.
  • the high-concentration methanol aqueous solution used in the reaction of increasing the temperature of the power generation cell 3 is obtained by mixing the methanol stored in the fuel tank 200 to be diluted with the water recovered from the power generation cell 3 in the second tank 220. Can be created.
  • the diluted fuel supply pump 413 is operated by the control device 402. Further, the control device 402 controls the switching valve 501 and the switching valve 502 so as to shut off the flow path to the first tank 210.
  • the concentration of the high-concentration methanol aqueous solution is constantly measured by the concentration measuring device 401, and the value is transmitted to the control device 402.
  • the control device 402 controls the fuel supply pump 413 to be diluted and the water recovery pump 414 so that the high concentration methanol aqueous solution of the predetermined concentration is obtained. Can be activated.
  • the operation of the fuel cell system 1 described above is not limited to the start-up operation.
  • the control device 402 can instantaneously switch the aqueous methanol solution supplied to the anode 31 from a low-concentration aqueous methanol solution to a high-concentration aqueous methanol solution so as to cause a reaction of a rise in the temperature of the power generation cell 3.
  • FIG. 3 is a diagram showing the operation of the methanol and low-concentration methanol aqueous solution during the normal operation of the fuel cell system 1 of the present invention.
  • the flow of the aqueous solution of tanol is shown.
  • the fuel cell system 1 performs the power generation cell operation from the first tank 210 via the fuel circulation pump 412 as shown in FIG.
  • the low concentration methanol aqueous solution is supplied to the anode 31 of 3.
  • air is supplied to the power sword 32 of the power generation cell 3 via the air pump 410. Thereby, a power generation reaction occurs.
  • the low-concentration aqueous methanol solution supplied to the anode 31 is returned to the first tank 210 again.
  • Water generated by this reaction is separated by a gas-liquid separator 411 and used as water for methanol dilution via a water recovery pump 414.
  • the switching valve 503 shuts off the flow path to the second tank 220 and the switching valve 504 shuts off the flow path from the second tank 220 by the control device 402. Therefore, the high-concentration aqueous methanol solution remains in the second tank 220.
  • the control device 402 determines the supply amounts of the low-concentration methanol aqueous solution and air as the optimum supply amounts for the power generation reaction.
  • the low-concentration aqueous methanol solution used in the power generation reaction is supplemented by mixing the methanol stored in the fuel tank 200 to be diluted with the water recovered from the power generation cell 3 in the first tank 210. be able to.
  • the diluted fuel supply pump 413 is operated by the control device 402.
  • the control device 402 controls the switching valve 501 and the switching valve 502 so that the flow path to the second tank 220 is shut off.
  • the concentration is measured by the concentration measuring device 401 and controlled by the control device 402 so as to have a predetermined concentration value, in substantially the same manner as in the case of the high-concentration methanol aqueous solution described above.
  • the fuel cell system 1 of the present invention comprises a low-concentration aqueous methanol solution mainly performing a power generation reaction and a high-concentration aqueous methanol solution mainly performing a power generation reaction and a reaction of raising the temperature of a power generation cell.
  • aqueous methanol solution supplied to the anode 31 can be instantaneously switched according to the temperature of the power generation cell 3. This makes it possible to always operate at the optimum concentration.
  • the fuel cell system of the present invention stores low-concentration fuel adjusted to a concentration that allows efficient power generation reaction in the first storage container. By supplying fuel to the power generation cell from, low-concentration fuel having a stable concentration can be supplied, and stable power generation can be performed.
  • the first storage container and the second storage container can be designed according to the frequency of use, and the fuel can be used without waste.
  • the concentration of stored fuel can be adjusted according to the usage environment.
  • the first storage container and the second storage container are detachable, and the storage containers can be replaced.
  • the fuel cell system 1 supplies a high-concentration methanol aqueous solution to the anode 31 and air.
  • a reaction of the temperature rise of the power generation cell 3 can be caused in the power sword 32 of the power generation cell 3.
  • the temperature of the high-concentration methanol aqueous solution and the air supplied to the power generation cell 3 are lower than a predetermined temperature at which the power generation reaction is switched.
  • the power generation cell 3 radiates heat, which hinders the temperature rise of the power generation cell 3. Since this heat release amount depends on the supply amount of the high-concentration methanol aqueous solution and the air, the heat release amount can be suppressed low by reducing the supply amount of the high-concentration methanol aqueous solution and the air supplied to the power generation cell 3. That is, by supplying the high-concentration methanol aqueous solution and air little by little to the power generation cell 3, the high-concentration methanol aqueous solution and air can be supplied while approaching the temperature of the power generation cell 3.
  • the temperature rise of the power generation cell 3 can be promoted. Also, by suppressing the supply of the high-concentration methanol aqueous solution and air to the power generation cell 3 to be lower than the supply of the low-concentration methanol aqueous solution and air to the power generation cell when performing the power generation reaction, the fuel cell system 1 is improved. The time during which the temperature of the power generation cell 3 rises during startup can be further reduced.
  • the supply amounts of the high-concentration methanol aqueous solution and air at this time are not particularly limited. It is appropriately changed depending on the temperature outside the fuel cell system 1, the size of the power generation cell 3, and the like.
  • the temperature of the power generation cell 3 can be increased in a short time by the fuel cell starting method of the present invention, so that the capacity of the auxiliary battery used when the temperature of the power generation cell 3 is low can be reduced. As a result, the fuel cell system 1 can be downsized.

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Abstract

　本発明の課題は、常に最適な濃度の燃料を用いて燃料電池を運転することができるシステムを提供することを目的とする。さらに、始動時に係る時間を短縮することを目的とする。本発明は、主に発電反応を行う低濃度燃料と主に発電反応と発電セルの温度上昇を行う反応とを行う高濃度燃料とをそれぞれ別々の貯蔵容器に貯蔵させることにより、発電セルの温度によって負極に供給する燃料を瞬時に切り替えることができる。これにより、常に最適な濃度での運転を行うことが可能となる。また、短時間で発電セルの温度を上昇させることができるため、発電セルの温度が低いときに使用する補助バッテリーの容量を小さくすることが可能となり、燃料電池システムを小型にすることができる。

Description

明 細 書
燃料電池システム及び燃料電池起動方法
技術分野
[0001] 本発明は燃料電池システムに関するものであり、また、その燃料電池を起動させる 方法に関するものである。
背景技術
[0002] 燃料電池は、水素やメタノール等の燃料気体と酸素等の酸化剤ガスを電気化学的 に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成され る生成物が水であることから環境を汚染することがな 、発電素子として注目されてお り、例えば、自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。
[0003] 燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的な ものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分 子電解質型燃料電池は、低コストィ匕が可能で、小型化、薄型化、軽量化も容易であり 、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、電子機器の駆動電源として有 望である。この固体高分子電解質型燃料電池は、水素を燃料とするが、その他にメタ ノールや天然ガスを改質して水素を生成させて燃料とするものも開発されて 、る。近 年では、メタノールを燃料として直接燃料電池に供給し発電を行う直接メタノール型 燃料電池も開発されている。
[0004] 直接メタノール型燃料電池は、その適当な運転温度が 60°C力 80°Cであるため、 燃料電池の停止状態力 の始動において、燃料電池の温度を上昇させる必要があり 、瞬時に起動できない問題点がある。この問題を解決するために、燃料電池の起動 までの間はリチウムイオン電池などの補助バッテリーを使って駆動させる方法がある。 しかしながら、起動までの時間が長い場合、それに相応しい電気容量を持つ補助バ ッテリーが必要となる。また、ヒーターなどにより加熱する方法もある力 これも補助バ ッテリーの電力が必要となる。
[0005] また、始動時に燃料であるメタノール水溶液の濃度を高め、電解質膜を透過するメ タノール水溶液を力ソードで酸素と直接燃焼させる燃料電池システムがある。（例え ば、特開 2003— 520399号公報参照）また、力ソードに直接メタノール (例えば、特 開平 5— 307970号公報参照）又はメタノール水溶液 (例えば、特開 2002— 07541 4号公報参照)を供給し、酸素と直接燃焼させる方法がある。
[0006] しかしながら、特開 2003— 520399号公報の燃料電池システムは、システム内に 1 つ設けられたメタノールタンクカゝら噴射ノズルを使ってメタノールをアノードに接続した 循環路で噴霧し、その噴射量を発電セルの温度によって制御するものである。すな わち、アノードに供給するメタノール水溶液の濃度を、噴霧ノズルによるメタノールの 噴霧量によって制御している。しかしながら、このシステムでは、アノードに供給される メタノール水溶液の濃度は、発電セルでメタノール水溶液中のメタノールを消費しな ければ濃度を下げることができない。したがって、発電セルの温度が上昇した場合、 噴霧ノズル力ゝらのメタノールの噴霧を中止しても瞬時に高い濃度のメタノール水溶液 力 低い濃度のメタノール水溶液に切り替えることができない。さらに、このシステムで は、常に最適な濃度での運転が実現できないという問題点がある。また、特開平 5— 307970号公報の方法は、力ソードに直接投入されるメタノールと酸素との反応の多 くがメタノールの導入口付近に集中し、その部分が局所的に発熱し、発電セル全体 の温度が不均一となる。そのため、発電セルの温度が所定の温度を越えたとしても、 発電セル全体の温度が不均一であるために効率の良 、反応を行うことができな 、。 そして、特開 2002— 075414号公報の方法は、力ソードに投入されるメタノール水 溶液中の水が力ソードに付着してしまう。発電反応は、電極と電解質との界面で行わ れるため、力ソードに水が付着することにより、力ソードに接触する酸素の量が減少し 、発電反応の効率が低下するという問題点がある。
[0007] そこで、本発明は、従来の実情に鑑み、常に最適な濃度の燃料を用いて燃料電池 を運転することができるシステム、及び、力ソードに燃料を直接供給することのないシ ステムを提供することを目的とする。さらに、始動時に係る時間を短縮することを目的 とする。
発明の開示
[0008] 本発明の燃料電池システムは、正極及び負極により挟まれる電解質を有する発電 セルと、所定の濃度の低濃度燃料を貯蔵する第 1の貯蔵容器と、上記低濃度燃料よ りも高 、濃度の高濃度燃料を貯蔵する第 2の貯蔵容器とを有し、上記発電セルの温 度に応じて第 1の貯蔵容器と第 2の貯蔵容器とに貯蔵されている濃度の異なる燃料 を切り替えて供給することを特徴とする。
[0009] 本発明の燃料電池システムによれば、主に発電反応を行う低濃度燃料と主に発電 反応と発電セルの温度上昇を行う反応とを行う高濃度燃料とをそれぞれ別々の貯蔵 容器に貯蔵させることにより、発電セルの温度によって負極に供給する燃料を瞬時に 切り替えることができる。これにより、常に最適な濃度での運転を行うことが可能となる 。また、高濃度燃料を負極カゝら電解質を介して正極に供給することで、高濃度燃料を 分散させて供給することができ、局所的な発熱を防ぐことができる。また、正極に直接 燃料を供給することにより発生する正極への水の付着を防ぐことができる。
[0010] また、本発明の燃料電池起動方法は、正極及び負極により挟まれる電解質を有す る発電セルと、所定の濃度の低濃度燃料を貯蔵する第 1の貯蔵容器と、上記低濃度 燃料よりも高 ヽ濃度の高濃度燃料を貯蔵する第 2の貯蔵容器とを有し、上記発電セ ルの温度に応じて第 1の貯蔵容器と第 2の貯蔵容器とに貯蔵されている濃度の異な る燃料を切り替えて供給する燃料電池システムの始動時にぉ ヽて、上記高濃度燃料 の上記負極への供給量を上記低濃度燃料の該負極への供給量より低減させて該負 極に供給する工程と、上記発電セルの温度が所定の温度以上である場合における 酸化剤の該正極への供給量より低減させて該正極に供給する工程とを有することを 特徴とする。
[0011] 本発明の燃料電池起動方法によれば、燃料電池システムは、高濃度燃料を負極 側に供給することにより、正極側に供給される酸化剤と反応して発電セルの温度を上 昇させることができる。このとき、高濃度燃料と酸化剤との発電セルへの供給量を低く 抑えることにより、発熱を促進させることができる。これにより、燃料電池システムの始 動時における発電セルの温度を上昇させる時間を短縮することができる。また、短時 間で発電セルの温度を上昇させることができるため、発電セルの温度が低いときに使 用する補助バッテリーの容量を小さくすることが可能となり、燃料電池システムを小型 にすることができる。
[0012] 本発明の燃料電池システムは、主に発電反応を行う低濃度燃料と主に発電反応と 発電セルの温度上昇を行う反応とを行う高濃度燃料とをそれぞれ別々の貯蔵容器に 貯蔵させることにより、発電セルの温度によって負極に供給する燃料を瞬時に切り替 えることができる。これにより、常に最適な濃度での運転を行うことが可能となる。また 、高濃度燃料を負極カゝら電解質を介して正極に供給することで、高濃度燃料を分散 させて供給することができ、局所的な発熱を防ぐことができる。また、正極に直接燃料 を供給することにより発生する正極への水の付着を防ぐことができる。また、本発明の 燃料電池システムは、効率的な発電反応を行える濃度に調製された低濃度燃料を 第 1の貯蔵容器に貯蔵していることから、通常運転時において、第 1の貯蔵容器のみ から燃料を発電セルに供給することにより、安定した濃度を有する低濃度燃料を供給 することができ、安定した発電を行うことができる。また、流路で燃料濃度の調製を行 う必要がないため、燃料を噴霧するノズルを備えなくてもよい。さら〖こ、第 1の貯蔵容 器と第 2の貯蔵容器とを別々にすることにより、使用頻度にあわせて設計することがで き、燃料を無駄なく使用することができる。また、貯蔵されている燃料の濃度を使用環 境に合わせて調節することができる。そして、第 1の貯蔵容器と第 2の貯蔵容器とはそ れぞれ着脱自在であり、貯蔵容器の取替えもできる。
[0013] 本発明の燃料電池起動方法によれば、燃料電池システムは、高濃度燃料を負極 側に供給することにより、正極側に供給される酸化剤と反応して発電セルの温度を上 昇させることができる。このとき、高濃度燃料と酸化剤との発電セルへの供給量を低く 抑えることにより、発熱を促進させることができる。これにより、燃料電池システムの始 動時における発電セルの温度を上昇させる時間を短縮することができる。また、短時 間で発電セルの温度を上昇させることができるため、発電セルの温度が低いときに使 用する補助バッテリーの容量を小さくすることが可能となり、燃料電池システムを小型 にすることができる。
図面の簡単な説明
[0014] [図 1]図 1は、本発明の燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。
[図 2]図 2は、本発明の燃料電池システムの始動時におけるメタノールと高濃度メタノ ール水溶液の動きを示す図である。
[図 3]図 3は、本発明の燃料電池システムの通常運転時におけるメタノールと低濃度 メタノール水溶液の動きを示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0015] 以下、本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムにおける燃料電池起動方 法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明においては、以下 の記述に限定されるものではなぐ本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変 更可能である。
[0016] 図 1は、本発明の燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。本発明の 燃料電池システム 1は、負極であるアノード 31及び正極である力ソード 32からなる一 対の電極により挟まれる電解質膜 30で形成される発電セル 3と、主に発電セル 3にお いて発電反応に利用される低濃度燃料の低濃度メタノール水溶液を貯蔵する第 1の 貯蔵容器として第 1のタンク 210、主に発電セル 3の温度上昇の反応に利用される高 濃度燃料の高濃度メタノール水溶液を貯蔵する第 2の貯蔵容器として第 2のタンク 22 0とを有している。また、発電セル 3に酸化剤である空気を供給するためのエアポンプ 410と、発電セル 3で発生した水とその他の物質とに分離する気液分離機 411と、分 離した水を発電セル 3の外部に排出すると共に第 1のタンク 210又は第 2のタンク 22 0に供給する水回収ポンプ 414と、低濃度メタノール水溶液及び高濃度メタノール水 溶液を循環させる燃料循環ポンプ 412と、発電セル 3の温度を測定する温度測定装 置 400と、低濃度メタノール水溶液及び高濃度メタノール水溶液の濃度を測定する 濃度測定装置 401と、低濃度メタノール水溶液及び高濃度メタノール水溶液の原料 となる被希釈燃料のメタノールを貯蔵する第 3の貯蔵容器として被希釈燃料タンク 20 0と、メタノールを第 1のタンク 210及び第 2のタンク 220に供給する被希釈燃料供給 ポンプ 413と、メタノール、低濃度メタノール水溶液及び高濃度メタノール水溶液の 流路の切替を行う切替バルブ 501、 502、 503、 504と、温度測定装置 400及び濃 度測定装置 401の測定値を読み取り、バルブ等に指示を送る制御装置 402とを有し ている。この燃料電池システム 1に使用されるメタノールや空気は、これに限られるも のではなぐ搭載する発電セル 3により適宜変更することができる。また、燃料電池シ ステム 1は、発電セル 3の温度の上昇を促す図示されていない補助バッテリーを有し ていても良い。 [0017] 発電セル 3は、図 1に示されるように、この発電セル 3は、メタノール水溶液を燃料と し、直接発電セル 3に供給する直接メタノール型燃料電池であるが、本発明の燃料 電池システムは、これに限られるものではなぐ燃料電池の発電能力に応じて適宜変 更することができる。
[0018] 発電セル 3は、プロトン及びメタノールを透過させる膜状の電解質膜 30、発電反応 における触媒を有するアノード 31及び力ソード 32からなり、電解質膜 30をアノード 3 1及び力ソード 32により挟み、張り合わせて形成される。プロトン及びメタノールを透 過させる電解質膜 30は、透過性と耐酸化性と耐熱性とを兼ね備えた材質で形成され る。アノード 31、力ソード 32は、金属材料や炭素材料、導電性を有する不繊布などを 用いて構成され、例えば、炭素材料を用いる場合、炭素材料の多孔質表面に白金な どの触媒を担持させても良い。電解質膜 30、アノード 31及び力ソード 32の大きさ及 び形状は、発電セル 3の大きさ及び形状に合わせて適宜変更される。発電セル 3は、 図 1に示されるように、この発電セル 3は、メタノール水溶液を燃料とし、直接発電セ ル 3に供給する直接メタノール型燃料電池である力 本発明の燃料電池システムは、 これに限られるものではなぐ燃料電池の発電能力に応じて適宜変更することができ る。発電セル 3は、アノード 31に下記で説明するメタノール水溶液、力ソード 32に空 気を供給することで発電反応と発電セル 3の温度上昇の反応を起こすことができる。
[0019] また、発電セル 3は、発電セル 3内の温度を測定する温度測定装置 400を有して 、 る。また、この温度測定装置 400は、発電セル 3の温度を読み取ると共にバルブ等に 命令を行う制御装置 402と接続されている。使用される温度測定装置 400は、特に 限定されるものではなぐ搭載する発電セル 3により適宜変更される。例えば、燃料電 池システ
ム 1に高分子電解質膜を用いる発電セル 3を搭載した場合、大凡 70°Cから 100°Cま で上昇するため、設置される温度測定装置 400は、この温度を超えても十分に測定 することができるものであればよい。この温度測定装置 400により発電セル 3の温度を 測定し、その温度によって、アノード 31に供給する燃料を制御装置 402を介して切り 替えることができる。
[0020] 被希釈燃料タンク 200は、被希釈燃料のメタノールを貯蔵する貯蔵容器であり、被 希釈燃料供給ポンプ 413を介して低濃度メタノール水溶液を貯蔵する第 1のタンク 2 10及び高濃度メタノール水溶液を貯蔵する第 2のタンク 220に接続されて ヽる。また 、第 1のタンク 210と第 2のタンク 220との分岐点には切替バルブ 501が設けられてい るため、メタノールを第 1のタンク 210と第 2のタンク 220とのうちいずれか一方に供給 することができる。この切替バルブ 501は、下記で説明する制御装置 402と接続され 、他のバルブ等と連動して作動させることができる。
[0021] 被希釈燃料供給ポンプ 413は、被希釈燃料タンク 200と第 1のタンク 210及び第 2 のタンク 220との間に設けられており、メタノールを被希釈燃料タンク 200から第 1の タンク 210及び第 2のタンク 220に所定の量を送り込むことができる。被希釈燃料供 給ポンプ 413は、下記で説明する制御装置 402の命令に従って、バルブ等と連動し て作動させることができる。被希釈燃料供給ポンプ 413は、低濃度メタノール水溶液 や高濃度メタノール水溶液の濃度が所定の濃度以下である場合、被希釈燃料タンク 200に貯蔵されているメタノールを第 1のタンク 210や第 2のタンク 220に供給するこ とができる。これにより、それぞれ別々に燃料電池システム 1の外で調整された低濃 度メタノール水溶液及び高濃度メタノール水溶液を第 1のタンク 210及び第 2のタンク 220に供給しなくても、メタノールを被希釈燃料タンク 200に供給することで燃料電池 システム 1内で自動的に濃度調整を行うことができる。
[0022] 第 1のタンク 210は、低濃度メタノール水溶液を貯蔵する貯蔵容器である。また、第 2のタンク 220は、高濃度メタノール水溶液を貯蔵する貯蔵容器である。この第 1のタ ンク 210及び第 2のタンク 220は、着脱可能であり、必要に応じてタンクを取り替える ことができる。この第 1のタンク 210及び第 2のタンク 220は、下記で説明する切替バ ルブ 504、濃度測定装置 401及び燃料循環ポンプ 412を介して発電セル 3のァノー ド 31と接続している。また、メタノール水溶液を循環させるために、アノード 31は、切 替バルブ 503を介して第 1のタンク 210及び第 2のタンク 220と接続されている。この 切替バルブ 503、 504は、下記で説明する制御装置 402と接続され、その他のバル ブ等と連動して作動させることができる。燃料電池システム 1は、この第 1のタンク 210 と第 2のタンク 220を搭載することにより、発電セル 3の温度によって使用するメタノー ル水溶液を瞬時に切り替えることができる。この第 1のタンク 210及び第 2のタンク 22 0の形状や大きさは、使用頻度に合わせて適宜変更することができる。
[0023] 濃度測定装置 401は、第 1のタンク 210及び第 2のタンク 220と発電セル 3との間に 設けられ、第 1のタンク 210から発電セル 3のアノード 31に供給される低濃度メタノー ル水溶液、及び、第 2のタンク 220から発電セル 3のアノード 31に供給される高濃度 メタノール水溶液の濃度を測定することができる。この濃度測定装置 401は、上記の 温度測定装置 400と同様に、制御装置 402に接続され、バルブ等と連動して作動さ せることができる。濃度測定装置 401は、上記のように低濃度メタノール水溶液及び 高濃度メタノール水溶液の濃度を測定し、その濃度によって、制御装置 402を介して メタノールや水を第 1のタンク 210及び第 2のタンク 220に供給し、メタノール水溶液 の濃度を調整することができる。
[0024] 燃料循環ポンプ 412は、第 1のタンク 210及び第 2のタンク 220と発電セル 3との間 に設けられている。燃料循環ポンプ 412は、第 1のタンク 210から低濃度メタノール水 溶液を取り出し、アノード 31に供給することができる。また、アノード 31に供給された 低濃度メタノール水溶液を第 1のタンク 210に戻すことができる。さらに、燃料循環ポ ンプ 412は、第 2のタンク 220から高濃度メタノール水溶液を取り出し、アノード 31に 供給することができる。また、アノード 31に供給された高濃度メタノール水溶液を第 2 のタンク 220に戻すことができる。燃料循環ポンプ 412は、制御装置 402と接続され、 バルブ等と連動して作動させることができる。また、メタノール水溶液の循環量を制御 装置 402を介して制御することもできる。これにより、メタノール水溶液の温度を燃料 電池システム 1の温度に近付けることができ、発電セル 3の温度上昇の反応の加熱効 率や発電反応の発電効率を高くすることができる。また、メタノールの使用効率も上 昇させることができる。
[0025] エアポンプ 410は、力ソード 32と接続され、力ソード 32に空気を供給することができ る。例えば、本実施の形態においては、エアポンプ 410を空気の供給手段として使 用しているが、力ソード 32に空気を供給することができればどのような手段を用いても よい。例えば、その手段として、ファン等を用いることが挙げられる。また、エアポンプ 410は、制御装置 402と接続され、燃料循環ポンプ 412等と連動して作動させること ができる。また、力ソード 32への空気の供給量を、制御装置 402を介して制御するこ とができる。これにより、放熱量を低減させることができ、発電セル 3の温度上昇の反 応の加熱効率や発電反応の発電効率を高くすることができる。また、消費電力を低 下させることができる。
[0026] 気液分離機 411は、水回収ポンプ 414と協調して作動し、発電セル 3と水回収ポン プ 414との間に設けられている。エアポンプ 410による排気と共に発電セル 3内で発 生した水を気液分離機 411に供給することができる。供給された水は、気液分離機 4 11により水とその他の物質とを分離させることができる。例えば、気液分離機 411は、 発電セル 3に存在する水、空気 (酸素や窒素）、二酸化炭素等のうち水とその他の物 質とを分離させることができる。
[0027] 水回収ポンプ 414は、気液分離機 411と第 1のタンク 210及び第 2のタンク 220との 間に設けられ、気液分離機 411で分離した水を第 1のタンク 210及び第 2のタンク 22 0に供給することができる。水回収ポンプ 414は、制御装置 402の指示に従って切替 バルブ 502を介して水を第 1のタンク 210又は第 2のタンク 220に供給することができ る。
[0028] 被希釈燃料であるメタノールは、被希釈燃料タンク 200に貯蔵されて ヽる。そして、 被希釈燃料供給ポンプ 413により第 1のタンク 210又は第 2のタンク 220に供給され る。このときの濃度は、低濃度メタノール水溶液及び高濃度メタノール水溶液の濃度 よりも高 、濃度であれば特に限定されるものではな 、。
[0029] 低濃度燃料である低濃度メタノール水溶液は、第 1のタンク 210に貯蔵されている。
低濃度メタノール水溶液は、被希釈燃料タンク 200から供給されるメタノールと水回 収ポンプ 414力も供給される水とを第 1のタンク 210内で混合することにより形成され る。低濃度メタノール水溶液は、燃料循環ポンプ 412を介して発電セル 3に供給され 、主に、発電反応を起こすことができる。低濃度メタノール水溶液の濃度は、大凡 1. 5wt%から 6. 5wt%の濃度である力 これは特に限定するものではなぐ発電セル 3 の効率的な発電反応を行うことができる濃度に適宜変更することができる。
[0030] 高濃度燃料である高濃度メタノール水溶液は、第 2のタンク 220に貯蔵されている。
高濃度メタノール水溶液は、被希釈燃料タンク 200から供給されるメタノールと水回 収ポンプ 414力も供給される水とを第 2のタンク 220内で混合することにより形成され る。高濃度メタノール水溶液は、燃料循環ポンプ 412を介して発電セル 3に供給され 、主に、発電セル 3の温度を上昇させることができる。高濃度メタノール水溶液の濃度 は、大凡 20wt%から 30wt%である力 これは特に限定するものではなぐ低濃度メ タノール水溶液より高濃度で、使用環境に合わせて発電セル 3の温度上昇の反応を 効率的に行うことができる濃度に適宜変更することができる。上記低濃度メタノール 水溶液及び上記高濃度メタノール水溶液を発電セル 3で発生した水を使ってメタノー ルを希釈することにより、希釈用の水を貯蔵する容器を用意する必要が無くなり、燃 料電池システム 1の小型化を行うことができる。また、高濃度メタノール水溶液をァノ ード 31から電解質膜 30を介して供給することにより、発電セル 3の温度上昇の反応 を起こす力ソード 32に分散させて高濃度メタノール水溶液を供給することができる。
[0031] 切替バルブ 501は、被希釈燃料タンク 200と第 1のタンク 210及び第 2のタンク 220 との間に設置され、被希釈燃料タンク 200のメタノールを第 1のタンク 210又は第 2の タンク 220に供給させることができる。切替バルブ 502は、水回収ポンプ 414と第 1の タンク 210及び第 2のタンク 220との間に設置され、水回収ポンプ 414で水を第 1のタ ンク 210又は第 2のタンク 220に供給させることができる。切替バルブ 503は、発電セ ル 3と第 1のタンク 210及び第 2のタンク 220との間に設置されている。切替バルブ 50 3は、低濃度メタノール水溶液を第 1のタンク 210に、高濃度メタノール水溶液を第 2 のタンク 220に供給させることができる。切替バルブ 504は、第 1のタンク 210及び第 2のタンク 220と発電セル 3との間に設置され、低濃度メタノール水溶液又は高濃度メ タノール水溶液を発電セル 3に供給させることができる。切替バルブ 501、 502、 503 、 504は、特に限定されるものではなぐ燃料電池システム 1に設置する装置等により 、数、形状、大きさ等を適宜変更することができる。
[0032] 制御装置 402は、温度測定装置 400及び濃度測定装置 401の数値を読み取り、ェ ァポンプ 410、水回収ポンプ 414、燃料循環ポンプ 412、被希釈燃料供給ポンプ 41 3、切替バルブ 501、 502、 503、 504を制御することができる。例えば、燃料循環ポ ンプ 412、切替バルブ 502、 503、 504を制御し、高濃度メタノール水溶液を第 2のタ ンク 220からアノード 31に供給するように動かすことができる。また、被希釈燃料供給 ポンプ 413、水回収ポンプ 414、切替バルブ 501を制御し、メタノールと水とを第 2の タンク 220〖こ供給させることちできる。
[0033] 本発明の燃料電池システム 1は、主に発電反応を行う低濃度メタノール水溶液と主 に発電反応と発電セル 3の温度上昇を行う反応とを行う高濃度メタノール水溶液とを それぞれ別々のタンクに貯蔵させることにより、発電セル 3の温度が所定の温度以下 である場合、高濃度メタノール水溶液をアノード 31に供給し、発電部 3の温度が所定 の温度を超えた場合、アノード 31に供給するメタノール水溶液を瞬時に切り替えるこ とができる。これにより、常に最適な濃度での運転を行うことができる。また、高濃度メ タノール水溶液をアノード 31から供給することで、電解質膜 30を介して力ソード 32に 分散させて供給することができ、局所的な発熱を防ぐことができる。また、力ソード 32 に直接メタノール水溶液を供給することにより発生する力ソード 32への水の付着を防 ぐことができる。また、本発明の燃料電池システム 1は、効率的な発電反応を行える濃 度に調製された低濃度メタノール水溶液を第 1のタンク 210に貯蔵していることから、 通常運転時において、第 1のタンク 210のみから燃料を発電セル 3に供給することに より、安定した濃度を有する低濃度メタノール水溶液を供給することができ、安定した 発電を行うことができる。また、流路で燃料濃度の調製を行う必要がないため、燃料 を噴霧するノズルを備えなくてもよい。さらに、第 1のタンク 210と第 2のタンク 220とを 別々にすることにより、使用頻度にあわせて設計することができ、燃料を無駄なく使用 することができる。また、貯蔵されている燃料の濃度を使用環境に合わせて調節する ことができる。そして、第 1のタンク 210と第 2のタンク 220とはそれぞれ着脱自在であ り、貯蔵容器の取替えもできる。
[0034] 本発明の燃料電池システム 1の発電セル 3では、発電セル 3の温度が所定の温度 以下の場合、高濃度メタノール水溶液を発電セル 3に供給することで、発電セル 3の 温度上昇の反応を起こすことができる。発電セル 3の温度上昇の反応は、アノード 31 に第 2のタンク 220から高濃度メタノール水溶液を、力ソード 32にエアポンプ 410から 空気をそれぞれ供給することにより起こすことができる。高濃度メタノール水溶液中の メタノールは、電解質膜 30を透過し、力ソード 32において、メタノールの酸化反応が 起きる。この酸化反応は発熱反応であるため、発電セル 3の内部に熱が放出される。 したがって、放出された熱により発電セル 3の温度を上昇させることができる。また、発 電セル 3に供給する高濃度メタノール水溶液の供給量と空気の供給量を発電反応時 よりも低減させることで、高濃度メタノール水溶液を発電セル 3の温度上昇の反応を 効率的に起こさせることができ、効率的に発電セル 3の温度を上昇させることができる o高濃度メタノール水溶液は、アノード 31から電解質膜 30を介して力ソード 32に供 給されるため、直接力ソード 32に供給する場合に比べ、高濃度燃料を分散させなが ら供給することができ、局所的な発熱反応を起こすことを防ぐことができる。
[0035] また、本発明の燃料電池システム 1の発電セル 3では、発電セル 3の温度が所定の 温度を超える場合、低濃度メタノール水溶液を発電セル 3に供給することで、発電反 応を起こすことができる。発電反応は、アノード 31に第 1のタンク 210から低濃度メタ ノール水溶液を、力ソード 32にエアポンプ 410から空気をそれぞれ供給することによ り起こすことができる。低濃度メタノール水溶液は、アノード 31において、低濃度メタノ ール水溶液中の水とメタノールによって CH OH + H 0→CO +6H+ + 6e—という
3 2 2
反応が起こる。この反応で発生するプロトン (H+)は、電解質膜 30を透過し力ソード 3 2に移動する。また、発生した電子 (e_)は、アノード 31から外部回路を通り力ソード 3 2に移動する。移動してきたプロトンと電子は、力ソード 32において、供給される空気 中の酸素と、 3/20 +6H+ + 6e"→3H Oという反応を起こす。したがって、本発明
2 2
の燃料電池システム 1の発電セル 3には、低濃度メタノール水溶液と空気を供給する ことにより発電反応を行うことができる。
[0036] 図 2は、本発明の燃料電池システム 1の始動時におけるメタノール及び高濃度メタノ ール水溶液の動作について示した図であり、矢印 90がメタノール及び高濃度メタノ ール水溶液の流れを示している。燃料電池システム 1は、始動時において、図 2のよ うに、第 2のタンク 220から燃料循環ポンプ 412を介して、発電セル 3のアノード 31に 高濃度メタノール水溶液を供給する。それと同時にエアポンプ 410を介して発電セル 3の力ソード 32に空気を供給する。これにより、発電セル 3の温度上昇の反応が起き 、発電セル 3の温度を上昇させることができる。また、アノード 31に供給された高濃度 メタノール水溶液は、再び第 2のタンク 220に戻される。また、この反応によって発生 した水は、気液分離機 411により分離され、水回収ポンプ 414を介してメタノールの 希釈用の水として利用される。このとき、制御装置 402によって、切替バルブ 503は、 第 1のタンク 210への流路を遮断し、また、切替バルブ 504は、第 1のタンク 210から の流路を遮断している。したがって、低濃度メタノール水溶液は、第 1のタンク 210〖こ 留まっている。また、制御装置 402は、高濃度メタノール水溶液と空気の供給量を発 電セル 3の温度を上昇させる反応に最適な供給量となるように制御して 、る。発電セ ル 3の温度は温度測定装置 400により測定され、その値は、制御装置 402で読み取 られている。制御装置 402は、温度測定装置 400の値が所定の温度を越えた場合、 この発電セル 3の温度上昇の反応を起こす動作から、発電反応を起こす動作に瞬時 に切り替えることができる。この所定の温度とは、発電セル 3での発電反応において、 比較的効率良く発電することができる温度のことであり、搭載する発電セル 3により異 なる。
[0037] この発電セル 3の温度上昇の反応において使用される高濃度メタノール水溶液は、 被希釈燃料タンク 200に貯蔵されているメタノールと発電セル 3から回収した水とを第 2のタンク 220において混合することで作成することができる。このとき、制御装置 402 によって、被希釈燃料供給ポンプ 413が作動する。また、制御装置 402は、切替バ ルブ 501及び切替バルブ 502は、第 1のタンク 210への流路を遮断するように制御し ている。高濃度メタノール水溶液の濃度は、濃度測定装置 401により常に測定され、 その値は、制御装置 402に送信されている。制御装置 402は、濃度測定装置 401の 値が所定の濃度の値を示さない場合、被希釈燃料供給ポンプ 413及び水回収ボン プ 414を制御し、所定の濃度の高濃度メタノール水溶液となるように作動させることが できる。
[0038] 上記に示した燃料電池システム 1の動作は、始動時に限らず、例えば、外気温が低 V、時等のように、発電反応を行う通常運転中に所定の温度を下回った場合にお！、て も、始動時と同じ動作を行うように設定されていてもよい。このとき、制御装置 402によ つて、発電セル 3の温度上昇の反応を起こすように、アノード 31に供給するメタノール 水溶液を低濃度メタノール水溶液から高濃度メタノール水溶液に瞬時に切り替えるこ とがでさる。
[0039] 図 3は、本発明の燃料電池システム 1の通常運転時におけるメタノール及び低濃度 メタノール水溶液の動作にっ 、て示した図であり、矢印 91がメタノール及び低濃度メ タノール水溶液の流れを示している。燃料電池システム 1は、通常運転時、つまり、発 電セル 3の温度が所定の温度を超えた時、図 3のように、第 1のタンク 210から燃料循 環ポンプ 412を介して、発電セル 3のアノード 31に低濃度メタノール水溶液を供給す る。それと同時にエアポンプ 410を介して発電セル 3の力ソード 32に空気を供給する 。これにより、発電反応が起こる。アノード 31に供給された低濃度メタノール水溶液は 、再び第 1のタンク 210に戻される。また、この反応によって発生した水は、気液分離 機 411により分離され、水回収ポンプ 414を介してメタノールの希釈用の水として利 用される。このとき、制御装置 402によって、切替バルブ 503は、第 2のタンク 220へ の流路を遮断し、また、切替バルブ 504は、第 2のタンク 220からの流路を遮断して いる。したがって、高濃度メタノール水溶液は、第 2のタンク 220に留まっている。また 、制御装置 402は、低濃度メタノール水溶液と空気の供給量を発電反応に最適な供 給量と
するように制御している。
[0040] この発電反応に使用される低濃度メタノール水溶液は、被希釈燃料タンク 200に貯 蔵されているメタノールと発電セル 3から回収した水とを第 1のタンク 210において混 合することで補うことができる。このとき、制御装置 402によって、被希釈燃料供給ポ ンプ 413が作動する。また、制御装置 402は、切替バルブ 501及び切替バルブ 502 力 第 2のタンク 220への流路を遮断するように制御している。このときの濃度は、上 記高濃度メタノール水溶液の場合と略同様で、濃度測定装置 401によって測定され 、所定の濃度の値となるように制御装置 402により制御されて 、る。
[0041] 以上のように、本発明の燃料電池システム 1は、主に発電反応を行う低濃度メタノー ル水溶液と主に発電反応と発電セルの温度上昇を行う反応とを行う高濃度メタノー ル水溶液とをそれぞれ別々の貯蔵容器に貯蔵させることにより、発電セル 3の温度に よってアノード 31に供給するメタノール水溶液を瞬時に切り替えることができる。これ により、常に最適な濃度での運転を行うことが可能となる。また、高濃度メタノール水 溶液をアノード 31から電解質膜 30を介して力ソード 32に供給することで、高濃度メタ ノール水溶液を分散させて供給することができ、局所的な発熱を防ぐことができる。ま た、力ソード 32に直接燃料を供給することにより発生する力ソード 32への水の付着を 防ぐことができる。また、本発明の燃料電池システムは、効率的な発電反応を行える 濃度に調製された低濃度燃料を第 1の貯蔵容器に貯蔵していることから、通常運転 時において、第 1の貯蔵容器のみから燃料を発電セルに供給することにより、安定し た濃度を有する低濃度燃料を供給することができ、安定した発電を行うことができる。 また、流路で燃料濃度の調製を行う必要がないため、燃料を噴霧するノズルを備え なくてもよい。さらに、第 1の貯蔵容器と第 2の貯蔵容器とを別々にすることにより、使 用頻度にあわせて設計することができ、燃料を無駄なく使用することができる。また、 貯蔵されている燃料の濃度を使用環境に合わせて調節することができる。そして、第 1の貯蔵容器と第 2の貯蔵容器とはそれぞれ着脱自在であり、貯蔵容器の取替えも できる。
次に上記の燃料電池システム 1における、始動時の燃料電池起動方法につ!ヽて説 明する。燃料電池システム 1は、上記のように、発電セル 3の温度が燃料電池システ ム 1の始動時等のように所定の温度以下である場合、高濃度メタノール水溶液をァノ ード 31に、空気を力ソード 32に供給することにより、発電セル 3の力ソード 32におい て、発電セル 3の温度上昇の反応を起こすことができる。このとき、発電セル 3に供給 される高濃度メタノール水溶液と空気の温度は、発電反応に切り替わる所定の温度 より低い温度である。そのため、発電セル 3に高濃度メタノール水溶液と空気とを供給 することで発電セル 3が放熱し、発電セル 3の温度上昇の妨げとなる。この放熱量は、 高濃度メタノール水溶液と空気の供給量に依存しているため、発電セル 3に供給する 高濃度メタノール水溶液と空気の供給量を低減させることで放熱量を低く抑えること ができる。すなわち、高濃度メタノール水溶液と空気を少しずつ発電セル 3に供給す ることで、高濃度メタノール水溶液と空気を発電セル 3の温度に近付けながら供給す ることができる。したがって、高濃度メタノール水溶液と空気の発電セル 3への供給量 を低減させることで、発電セル 3の温度上昇を促進させることができる。また、高濃度 メタノール水溶液と空気の発電セル 3への供給量を、発電反応を行う場合の低濃度メ タノール水溶液と空気の発電セルへの供給量より低く抑えることにより、燃料電池シス テム 1の始動時における発電セル 3の温度上昇の時間をより短くすることができる。こ のときの高濃度メタノール水溶液と空気の供給量は、特に限定されるものではなぐ 燃料電池システム 1の外部の温度や、発電セル 3の大きさ等により適宜変更される。 また、本発明の燃料電池起動方法により、短時間で発電セル 3の温度を上昇させるこ とができるため、発電セル 3の温度が低いときに使用する補助ノ ッテリーの容量を小 さくすることが可能となり、燃料電池システム 1を小型にすることができる。

Claims

請求の範囲
[1] 正極及び負極により挟まれる電解質を有する発電セルと、所定の濃度の低濃度燃 料を貯蔵する第 1の貯蔵容器と、上記低濃度燃料よりも高!ヽ濃度の高濃度燃料を貯 蔵する第 2の貯蔵容器とを有し、上記発電セルの温度に応じて第 1の貯蔵容器と第 2 の貯蔵容器とに貯蔵されている濃度の異なる燃料を切り替えて供給することを特徴と する燃料電池システム。
[2] 上記低濃度燃料は、上記第 1の貯蔵容器と上記発電セルとの間を循環していること を特徴とする請求項 1の燃料電池システム。
[3] 上記高濃度燃料は、上記第 2の貯蔵容器と上記発電セルとの間を循環していること を特徴とする請求項 1の燃料電池システム。
[4] 上記低濃度燃料及び上記高濃度燃料は、それぞれ被希釈燃料を発電セル内で発 生した水で希釈することにより形成されることを特徴とする請求項 1の燃料電池システ ム。
[5] 上記被希釈燃料を第 3の貯蔵容器に貯蔵し、該被希釈燃料を該第 3の貯蔵容器か ら上記第 1の貯蔵容器及び上記第 2の貯蔵容器に供給することを特徴とする請求項 4の燃料電池システム。
[6] 上記被希釈燃料は、メタノールであることを特徴とする請求項 4の燃料電池システム
[7] 上記高濃度燃料は、始動時に上記負極に供給され、通常運転時に該負極に供給 される燃料を上記低濃度燃料に切り替えることを特徴とする請求項 1の燃料電池シス テム。
[8] 正極及び負極により挟まれる電解質を有する発電セルと、所定の濃度の低濃度燃 料を貯蔵する第 1の貯蔵容器と、上記低濃度燃料よりも高!ヽ濃度の高濃度燃料を貯 蔵する第 2の貯蔵容器とを有し、上記発電セルの温度に応じて第 1の貯蔵容器と第 2 の貯蔵容器とに貯蔵されている濃度の異なる燃料を切り替えて供給する燃料電池シ ステムの始動時にぉ 、て、上記高濃度燃料の上記負極への供給量を上記低濃度燃 料の該負極への供給量より低減させて該負極に供給する工程と、上記発電セルの温 度が所定の温度以上である場合における酸化剤の該正極への供給量より低減させ て該正極に供給する工程とを有することを特徴とする燃料電池起動方法。
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