JP3889002B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
燃料電池のセルスタック1Aは、固体電解質膜2の両面に電極触媒層3,4を形成し、固体電解質膜2の一方の側の電極触媒層3を介して固体電解質膜2の片面にメタノール水溶液5を供給し、固体電解質膜2のもう一方の側の電極触媒層4に酸素6を供給するように構成されている(非特許文献1)。
セルスタック1Aは固体電解質膜2の片側に電極触媒層3を有する燃料極7が形成され、固体電解質膜2のもう一方の側に電極触媒層4を有する空気極8が形成されている。燃料極7に燃料のメタノール水溶液を供給すると、燃料極7で化学反応が進行して、二酸化炭素とプロトンと電子とが生成する。
このうち、プロトンは固体電解質膜2を透過し、電子は外部回路を経由したのち、これらのプロトンと電子と空気極8に供給した酸素とで、空気極8で化学反応が進行して、水を生成する。
工業調査会「電子材料」2003年2月 第31頁 「携帯用小型燃料電池」(神谷信行)
また、セルの前記燃料極を中央にしてその両側に第1,第2の燃料タンクを配設して、運転第1ステージと運転第2ステージとを切り換えて発電することによって、燃料極における気泡の排出が良好に行われるとともに、燃料としてメタノール水溶液を使用した場合のメタノールクロスオーバーが低減され、長期間にわたって安定した動作を期待できる。
図1において、この実施の形態の燃料電池装置は、セル1と、第1,第2の燃料タンクC1,C2と、単一の空気ポンプAPと、バッファタンクB1と、水貯蔵タンクC3と、メタノール貯蔵容器C4と、これらの間を接続する配管経路と、この配管経路に接続されたバルブや気液分離器などを組み合わせて構成されている。
停 止 時
バルブV1〜V11は全て閉状態にセットされており、第2の燃料タンクC2にメタノール水溶液が入れられているけれども、第1の燃料タンクC1は空状態になっている。さらに、セル1の燃料極7と第1,第2のメタノール水溶液流路16,17には、燃料が満たされている。水貯蔵タンクC3には水が入っている。
空気ポンプAPをオンにすると、バッファタンクB1を介してセル1の空気極8に空気が送られる。空気極8の流路の流路抵抗によりバッファタンクB1の圧力は数kPaまで上昇して安定し、スタンバイ状態となる。
a.待機ステージ
このメタノール水溶液の供給に際しての待機ステージでは、コントローラ25によってバルブV1,V3が閉状態、バルブV2,V4が閉状態にセットされる。
b.運転第1ステージ
この状態では、バルブV1,V4を閉状態、バルブV2,V3を開状態にセットして、バッファタンクB1からバルブV3とフィルタF2を介して第2の燃料タンクC2へ加圧空気を送り込み、一方、第1の燃料タンクC1ではフィルタF1とバルブV2を介して内部空気が大気に放出されるため、第2の燃料タンクC2から気液分離器L2で気液分離された後に第2の燃料供給流路17へ押し出されたメタノール水溶液は、燃料極7を通過し、この燃料極7の通過でメタノールと水が消費され、二酸化炭素ガスが発生して気液混合流となったメタノール水溶液が第1の燃料供給流路16を経て、さらに気液分離器L1で気液分離されて、気液混合流の二酸化炭素ガスが気液分離器L1で分離されて大気に排出される。気液分離で残ったメタノール水溶液だけが気液分離器L1を介して第1の燃料タンクC1へ流れ込む。
メタノール水溶液がセクションS41に到達したことを検出したコントローラ25は、次の運転第2ステージに切り換わる。
この運転第2ステージは、第1の燃料タンクC1から第2の燃料タンクC2へメタノール水溶液を移動させる運転ステージに切り換わる。具体的には、バルブV2,V3を閉状態,バルブV1,V4を開状態にセットし、バッファタンクB1からバルブV1とフィルタF1を介して第1の燃料タンクC1へ加圧空気を送り込み、一方、第2の燃料タンクC2ではフィルタF2とバルブV4を介して内部空気が大気に放出されるため、第1の燃料タンクC1から気液分離器L1で気液分離された後に第1の燃料供給流路16へ押し出されたメタノール水溶液は、燃料極7を通過し、この燃料極7の通過でメタノールと水が消費され、二酸化炭素ガスが発生して気液混合流となったメタノール水溶液が第2の燃料供給流路17を経て、さらに気液分離器L2で気液分離されて、気液混合流の二酸化炭素ガスが気液分離器L2で分離されて大気に排出される。気液分離で残ったメタノール水溶液だけが気液分離器L2を介して第1の燃料タンクC2へ流れ込む。
高濃度メタノールを注入する場合には、バルブV5,V9を閉状態、バルブV8を開状態にすることで、バッファタンクB1からバルブV8を介してメタノール貯蔵容器C4の密閉室24に加圧空気が供給され、供給された加圧空気の圧力が前記袋23に印加される。この状態を待機状態とする。そして、バルブV5を開状態にすることで、供給された加圧空気の圧力に応じて前記袋23が押しつぶされて袋23からフィルタF3とバルブV5を介して第1の燃料供給流路16に高濃度メタノールが注入される。この注入はセクションS41が“Hi”レベルになったことをコントローラ25が検出するまで行う。
運転第1ステージと運転第2ステージとの繰り返しの運転中には、次のようにして水貯蔵タンクC3に水が貯蔵される。つまり、バルブV7,V11を開状態,バルブV10,V6を閉状態にセットされると、セルの空気極8を通過した水+未反応空気混合流体が気液分離器L3に流れ、未反応空気は大気に排出され、水のみが気液分離器L3の親水性フィルタを通過してバルブV11を通過して水貯蔵タンクC3に貯蔵される。水貯蔵タンクC3に水が送り込まれると、水貯蔵タンクC3の気液の液面は水の増加につれ、余剰水タンクC5に向かって移動する。余剰水タンクC5は、具体的には前記メタノール貯蔵容器C4の密閉室24の外側に併設された多孔質の材料で構成されており、水貯蔵タンクC3の容量を越える余剰水は、余剰水タンクC5の多孔質の材料に吸収して保持され、この多孔質の材料から大気に蒸発させて排出する。
2 固体電解質膜
3,4 電極触媒層
7 燃料極
8 空気極
16 第1の燃料供給流路
17 第2の燃料供給流路
18 第1のガラス基板
19 第2のガラス基板
20 空気入口
21 液出入口
23 袋
24 密閉室
25 コントローラ
V1〜V11 バルブ
AP 空気ポンプ
B1 バッファタンク
C1,C2 第1,第2の燃料タンク
C3 水貯蔵タンク
C4 メタノール貯蔵容器
C5 余剰水タンク
S41 第1の燃料タンクC1の空気入口
S42 第1の燃料タンクC1の燃料出口
S51 第2の燃料タンクC2の空気入口
S52 第2の燃料タンクC2の燃料出口
L1 第1の気液分離器
L2 第2の気液分離器
L3 第3の気液分離器
F1 第1のフィルタ
F2 第2のフィルタ
Claims (6)
- 燃料タンクからセルの燃料極に燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電する燃料電池であって、
燃料液体を溜めることができ前記セルの前記燃料極を中央にしてその両側に配設され空気口と燃料口が設けられた管路からなる第1、第2の燃料タンクと、
加圧された空気源と前記第1、第2の燃料タンクの間に設けられ前記加圧空気源から前記第1の燃料タンクの空気口までの空気流路に設けられた前記空気流路を開閉可能な第1のバルブと、
前記第1のバルブと前記空気口との間の空気流路から分岐して終端が外気に接している空気流路に設けられた第2のバルブと、
前記加圧空気源から前記第2の燃料タンクの空気口までの空気流路に設けられた第3のバルブと、
前記第3のバルブと前記空気口との間の空気流路から分岐して終端が外気に接している空気流路に設けられた第4のバルブで構成され、
前記第1及び第4のバルブを閉じ、前記第2及び前記第3のバルブを開いて加圧空気を前記第3のバルブを介して前記第2の燃料タンクのみに供給し、前記第1の燃料タンク内の空気を前記第2のバルブを介して外気に放出することで前記第2の燃料タンクにストックされた前記燃料液体を前記セルを通して前記第1の燃料タンクに移動させる運転第1ステージと、前記第1及び第4のバルブを開き、前記第2及び前記第3のバルブを閉じて加圧空気を前記第1のバルブを介して前記第1の燃料タンクのみに供給し、前記第2の燃料タンク内の空気を前記第4のバルブを介して外気に放出することで前記第1の燃料タンクにストックされた前記燃料液体を前記セルを通して前記第2の燃料タンクに移動させる運転第2ステージとを切り換える切換回路と、
前記第1の燃料タンクの前記燃料液体の液面を検出する第1のセンサと、
前記第2の燃料タンクの前記燃料液体の液面を検出する第2のセンサと、
前記運転第1ステージ中に前記第2のセンサが液面の低下を検出した時は前記運転第2ステージへの切り換えを、前記運転第2ステージ中に前記第1のセンサが液面の低下を検出した時は前記運転第1ステージへの切り換えを前記切換回路に指示するコントローラと、
を設けた燃料電池。 - 第1、第2の燃料タンクを、サーペイン型燃料タンクとした請求項1に記載の燃料電池。
- 前記第1ないし第4のバルブを、ラッチ型バルブとした請求項1に記載の燃料電池。
- 前記サーペイン型燃料タンクは、流路内部への撥液処理もしくは流路パイプに撥液材料を用いて構成された請求項2に記載の燃料電池。
- 前記加圧された空気源は、さらに前記セルの空気極と空気流路で接続され、加圧空気を前記空気極に供給する
請求項1に記載の燃料電池。 - 燃料タンクからセルの燃料極に燃料液体を供給し、前記セルの空気極に空気を供給して発電する燃料電池であって、
燃料液体を溜めることができ燃料出口と空気入口をそれぞれ有し前記セルの前記燃料極の一端に燃料出口が接続された管路からなる第1の燃料タンクと、
燃料液体を溜めることができ燃料出口と空気入口をそれぞれ有し前記セルの前記燃料極の他端に燃料出口が接続された管路からなる第2の燃料タンクと、
加圧された空気源と前記第1,第2の燃料タンクの空気入口の間に設けられて前記第1,第2の燃料タンクの一方のタンクにストックしている燃料液体を前記燃料極を通過して他方の燃料タンクに送るように前記空気源から一方の燃料タンクの空気入口に加圧空気を供給し、他方の燃料タンクの空気入口からの空気を放出するように経路を切り換える切換回路と、
第1の燃料タンクの燃料液体の液面を検出する第1のセンサと、
第2の燃料タンクの燃料液体の液面を検出する第2のセンサと、
前記第1の燃料タンクへ燃料液体を供給して発電している運転第1ステージ中に前記第2のセンサが液面の低下を検出して前記切換回路に、前記第1の燃料タンクから前記第2の燃料タンクへ燃料液体を供給して発電する運転第2ステージへの切り換えを指示し、前記第2の燃料タンクへ燃料液体を供給して発電している運転第2ステージ中に前記第1のセンサが液面の低下を検出して前記切換回路に、前記運転第1ステージへの切り換えを指示するコントローラと
を設けた燃料電池。
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