JPS6221228B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燃料電池発電装置に係り、特に液体燃
料を直接燃料として使用する直接型燃料電池の発
電装置に関するものである。

従来、燃料電池には天然ガス等の燃料を改質し
て水素を作り、これを電極に供給する間接型燃料
電池と、燃料をそのまま電極に供給する直接型燃
料電池がある。間接型燃料電池として、燃料の沸
点以上で運転する高温型燃料電池、例えば天然ガ
ス改質燃料（主に水素）を用いた酸性質燃料電池
は反応が速く電流密度が大きくとれるため、装置
が小型になる利点があるが、燃料の改質プロセス
でエネルギー損失が発生するとともに未反応の燃
料ガスを反応生成物と分離して回収することが困
難なため、燃料の利用率が低い問題がある。

一方液体燃料直接型燃料電池は、液体燃料から
炭酸ガス等のガス状反応物が気泡として容易に分
離され、反応生成物のみを除きやすい利点があ
る。しかし、液体燃料直接型燃料電池では動作温
度が液体燃料の沸点近くなると、燃料のガス状物
が生成し、却つて反応が阻害されるために電流密
度が低くなり、また燃料の浪費量が著しく、その
浪費量が50％程度に至ることもある。したがつて
従来、液体燃料直接型燃料電池の動作温度は液体
燃料の沸点よりも低い温度に抑えられている。

したがつて、液体燃料直接型燃料電池は動作温
度が低いため反応が遅く、単位電極面積当りの電
流密度が小さく規定の電流を得るためには装置が
大きくなる問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するために、電池
運転温度を上げても燃料利用効率が低下せず、単
位電極面積当りの電流密度を大きくすることによ
つて装置の小型化を図り、また未反応の燃料を容
易に回収することができる液体燃料電池発電装置
を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、電解質を
介して相対向配置された酸化剤極と燃料極とから
なる単位電池を複数備えてなる液体燃料電池本体
と、前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給する酸化剤
ガス供給手段と、前記燃料極に液体燃料を供給す
る液体燃料供給手段と、を具備してなる液体燃料
電池発電装置において、前記液体燃料が前記燃料
極に供給される以前で当該液体燃料を予熱する予
熱手段と、前記液体燃料電池本体内の液体燃料を
加圧して液体燃料の沸点以上でも当該液体燃料を
液状に保つ加圧手段と、前記燃料極から排出され
た使用済み液体燃料中の未反応液体燃料と反応生
成ガスとを分離する分離手段と、当該分離された
未反応液体燃料を前記燃料極にリサイクルする還
流手段と、を備えてなることを特徴とする液体燃
料電池発電装置である。

上記本発明によれば、燃料電池本体の動作温度
を液体燃料の沸点以上としても、燃料電池本体内
における燃料を液状に維持できる。したがつて、
燃料の利用効率が向上し、単位電極面積当りの電
流密度が著しく向上する。

以下、添付図面に基づいて本発明の実施例を説
明する。

第１図は、メタノール燃料電池本体、燃料循環
系および空気供給系の構成を模式的に示したもの
である。メタノール燃料電池本体は、燃料室１、
燃料極２（負電極となる）、電解液３、空気極４
（正電極となる）、及び空気室５を１単位として構
成され、大出力を出す場合には、この単位セルが
直列または並列に接続される。燃料室１には、メ
タノールと硫酸の混合液が充填されており、この
メタノールは燃料極２に塗布されている白金等の
触媒により活性化されH⁺が形成され、このH⁺が
硫酸の電解液３を通り、空気極４に達し、空気室
５の酸素と反応しH₂Oを形成する。この一連の電
気化学的反応の際放出されるエネルギーの一部を
電気エネルギーとして直接取り出される。

燃料循環系は、燃料タンク６から燃料電池本体
に燃料を供給する燃料ポンプ７、メタノールと硫
酸の混合物を加熱する熱交換器８、未反応メタノ
ールと硫酸の混合物を冷却する熱交換器９、未反
応メタノールと硫酸の混合物を燃料供給側へもど
す燃料回収ポンプ１０および調節弁１１とから主
として構成されている。

空気供給系は、送風機１２、空気配管１３およ
び調節弁１４からなつている。

このような燃料電池システムにおいて、燃料電
池本体は自己の発熱によつて温度が上昇するが、
送風機１２の風量を調整することによつて、一定
の温度に保たれる。また、燃料室１内の圧力は、
燃料ポンプ７による加圧と調節弁１１による放圧
を調整することにより規定値に設定される。燃料
室１内の温度は、メタノールの沸点（65℃）以上
に保たれるが、圧力を上げることによつてメタノ
ールと硫酸の混合物は、液状に保たれ、液状の
まゝ熱交換器９、燃料回収ポンプ１０、熱交換器
８の系路を循環する。熱交換器８において、燃料
電池の排熱を利用してメタノールと硫酸の混合物
が加熱される。熱交換器９において、冷却水配管
１５より冷却水が供給されて器内はメタノールの
沸点以下に維持される。これによつて炭酸ガス等
のガス状生成物とメタノールおよび硫酸の液状混
合物とは気液分離され、分離されたガス状生成物
は調節弁１１を介して大気中に放出される。なお
調節弁１４は送風機１２とともに空気室５内の圧
力を調節して燃料室１内の圧力とほぼ等しくする
ことによつて、電極に加わる圧力を軽減させるよ
うになつている。

次に第１図に示す装置において、燃料電池本体
の動作温度及び圧力を変えて発生するセル電圧及
び電流を測定した実験結果を第２図に示す。この
実験に用いた燃料極２及び空気極４は、タンタル
製焼結板に白金黒、アセチレンブラツク及びポリ
テトラフルオロエチレン粘結体を混合塗布したも
のであり、10cm×10cmの広さを有する。電解液３
は、フエノール布のスペーサにより１mmの厚さに
保たれている。空気室５には毎分20の空気を供
給し、燃料室１にはメタノール１モルと硫酸３モ
ルの比率の混合液を毎分５供給した。さらに冷
却水配管１５内には水を導入し、熱交換器９内の
メタノールと硫酸の混合液の温度を50℃まで冷却
している。

このような実験の結果、第２図に示すように燃
料電池本体内の圧力を１気圧に維持したまま動作
温度を20℃、50℃の順に上げていくと、高いセル
電圧が発生し電池性能が改善されるが、80℃の動
作温度ではセル電圧が急激に低下した。この現象
は、燃料室１及び電解液３内にメタノールの蒸気
がたまり、反応が阻害されるためと堆測される。
そこで燃料電池本体内の圧力を高め、メタノール
を液状に維持しながら動作温度を上げたところ、
70℃（２気圧）、100℃（５気圧）の条件下で高い
セル電圧を示した。

またメタノールを燃料とする５セルの積層燃料
電池において、１ボルト（Ｖ）における発生電流
を燃料電池の動作温度を変えながらメタノールを
液状に維持した状態で測定した実験を行なつた。
この実験では、メタノールは電解室である硫酸と
混合してあり、その濃度は１モルである。この実
験結果を第３図に示す。第３図によれば、発生電
流はメタノールの沸点（64.1℃）付近から高い温
度になると大きくなることを示している。

以上のように第１図に示す装置において、燃料
電池の動作温度をメタノールの沸点以上とし、燃
料電池内におけるメタノールを液状に維持するこ
とによつて反応が速く単位電極面積当りの電流密
度を大きくすることができ、装置の小型化を図る
ことができる。また燃料電池内で発生するガス状
反応物（炭酸ガス）とメタノール及び硫酸の液状
混合物とは熱交換器９において、気液分離操作に
より効率的に分離され、メタノールが回収され
る。

第４図は本発明の他の実施例を示すもので、第
１図では空気系の排熱を利用して燃料の予熱を行
つているのに対し、本図は燃料系の排熱を利用し
て燃料の予熱を行つている点が異なつている。す
なわち、燃料のメタノールは、常温、常圧のメタ
ノールタンク６から燃料ポンプ７を介し運転圧力
４気圧の燃料循環系に送り込まれる。液状メタノ
ールは熱交換器８内で燃料系の排熱によつて加
熱、気化され、110℃まで昇温し、気体の状態で
燃料室１に送り込まれる。燃料室１内において、
メタノールは加圧状態のもとに液状となり、発電
に寄与するとともに一部の気体状メタノールも反
応し発電に寄与する。未反応メタノールと炭酸ガ
ス等の反応生成物は、反応熱によつてさらに加熱
され、190℃まで昇温して燃料電池本体外に送り
出される。このガスは熱交換器８を通して熱交換
されて120℃まで冷却され、次いで熱交換器９に
おいてメタノールの沸点以下に冷却され液化され
る。これによつて液化しない炭酸ガス等の反応生
成物は調整弁１１を経て系外に放出され、液化し
たメタノールはポンプ１０を介して再び熱料電池
本体に供給される。

本実施例において、電解液として濃縮リン酸を
用いられている。濃縮リン酸は沸点が高く、高温
まで液状を保つことができるためである。ただし
200℃を超えると、リン酸の縮合が超るため、燃
料電池の動作温度は190℃とされている。

次に第４図に示す装置において、燃料電池の電
極として、タンタル焼結板上に白金黒とアセチレ
ンブラツクとテフロン粘結剤との混合物を塗布し
た電極を用い、上述した条件中におけるリン酸電
解液燃料電池の性能を調べ、その結果を第５図の
Ａに示す。比較のため、燃料電池の動作温度50
℃、燃料電池本体内の圧力１気圧における硫酸電
解液燃料電池の性能を第５図中にＢとして示す。
第５図によれば、運転圧力４気圧の条件で高温度
（190℃）の燃料を液状に維持することができるた
め、高いセル電圧が発生していることを示してい
る。

なお第４図の実施例では燃料室内に気化したメ
タノールを供給するシステムを記載したが、第１
図の実施例同様メタノールと電解液の混合液を気
化させることなく液状で供給し、かつ液状の混合
液を燃料供給系に循環させるようにすることもで
きる。また第１図および第４図には図示されてい
ないが、燃料電池の燃料室１または空気室５に隣
接して水などの冷媒を通す冷媒室を設け、この冷
媒によつて燃料電池を冷却し所定の動作温度に保
持するとともに冷媒の排熱を燃料の予熱に利用す
ることもできる。

本発明において、液体燃料としてはメタノール
の他にヒドラジン、エタノール、ガソリンなどの
常温、常圧で液状の燃料すべてが含まれる。

以上、本発明によれば燃料電池の動作温度を高
めても液体燃料の発電に対する利用率が高く、未
反応の燃料と反応生成物との分離が容易であるか
ら、燃料電池に供給される燃料の濃度を高くして
高出力の発電と燃料電池の小型化を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の動作原理の一例を示す系統
図、第２図は燃料電池の電圧−電流特性を示す
図、第３図は燃料電池の動作温度と発生電流との
関係を示す図、第４図は本発明の動作原理の他の
例を示す系統図、第５図は燃料電池の電圧−電流
特性を示す図である。 １……燃料室、２……燃料極、３……電解液、
４……空気極、５……空気室、６……燃料タン
ク、８，９……熱交換器、１２……送風機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電解質を介して相対向配置された酸化剤極と
   燃料極とからなる単位電池を複数備えてなる液体
   燃料電池本体と、前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供
   給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料極に液体
   燃料を供給する液体燃料供給手段とを具備してな
   る液体燃料電池発電装置において、 前記液体燃料が前記燃料極に供給される以前
   で、当該液体燃料を予熱する予熱手段と、 前記液体燃料電池本体内の液体燃料を加圧し
   て、液体燃料の沸点以上でも当該液体燃料を液状
   に保つ加圧手段と、 前記燃料極から排出された使用済み液体燃料中
   の未反応液体燃料と反応生成ガスとを分離する分
   離手段と、 当該分離された未反応液体燃料を前記燃料極に
   リサイクルする還流手段と、 を備えてなることを特徴とする液体燃料電池発電
   装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記分離装
   置は、気液分離装置であることを特徴とする液体
   燃料電池発電装置。