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JP2005222823A - Fuel cell power generation method - Google Patents

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JP2005222823A JP2004030006A JP2004030006A JP2005222823A JP 2005222823 A JP2005222823 A JP 2005222823A JP 2004030006 A JP2004030006 A JP 2004030006A JP 2004030006 A JP2004030006 A JP 2004030006A JP 2005222823 A JP2005222823 A JP 2005222823A
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generation method of a fuel cell with improved operability for a user at starting. <P>SOLUTION: At starting of changing over from a power generation operation suspending period to a power generation operation period, at least a part of water remaining at a fuel electrode of a cell during the power generation operation suspending period or fuel solution with a density not generating cross-over is collected and preserved, and further, the density of the fuel solution is put back to an appropriate density by supplying fuel liquid to start power generation operation. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は固体電解質膜を使用して発電する燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell that generates power using a solid electrolyte membrane.

この種の、直接メタノール型燃料電池のセルスタック1A(MEA=Membrane Electrode Assembly)は、図6に示すように構成されている。
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)。
This type of direct methanol fuel cell stack 1A (MEA = Membrane Electrode Assembly) is configured as shown in FIG.
The cell stack 1A of the fuel cell has electrode catalyst layers 3 and 4 formed on both sides of the solid electrolyte membrane 2, and an aqueous methanol solution on one side of the solid electrolyte membrane 2 via the electrode catalyst layer 3 on one side of the solid electrolyte membrane 2. 5 is supplied, and oxygen 6 is supplied to the electrode catalyst layer 4 on the other side of the solid electrolyte membrane 2 (Non-patent Document 1).

この発電原理を説明する。
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。
This power generation principle will be described.
In the cell stack 1 </ b> A, the fuel electrode 7 having the electrode catalyst layer 3 is formed on one side of the solid electrolyte membrane 2, and the air electrode 8 having the electrode catalyst layer 4 is formed on the other side of the solid electrolyte membrane 2. When an aqueous methanol solution of fuel is supplied to the fuel electrode 7, a chemical reaction proceeds at the fuel electrode 7 to generate carbon dioxide, protons, and electrons.

CHOH + HO → CO + 6H + 6e
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。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
Among these, protons permeate through the solid electrolyte membrane 2 and electrons pass through an external circuit. Then, a chemical reaction proceeds between the protons, the electrons, and oxygen supplied to the air electrode 8 at the air electrode 8. Is generated.

燃料極7に供給するメタノール水溶液のメタノールと水の理論濃度は、モル比で1:1(64重量%メタノール水溶液)であるが、固体電解質膜2がメタノールを透過して空気極19に到達(メタノールクロスオーバー)することで電池出力が低下するため、実際の最適濃度は約3〜30重量%くらいになり、メタノールと水が発電反応すると水が余る状態になる。   The theoretical concentration of methanol and water in the aqueous methanol solution supplied to the fuel electrode 7 is 1: 1 (64 wt% methanol aqueous solution) in molar ratio, but the solid electrolyte membrane 2 permeates the methanol and reaches the air electrode 19 ( Since the battery output is reduced by methanol crossover), the actual optimum concentration is about 3 to 30% by weight, and when methanol and water generate a power generation reaction, the water is in a surplus state.

このメタノール水溶液燃料の供給には、燃料極7の液室内をメタノール水溶液で充満させ、消費量に応じてタンクより燃料を燃料極7の液室内に直接に供給する燃料液静止型方式(受動型)と、メタノール水溶液燃料を燃料極7の液室内を通して循環させ、これと連通する循環タンク内にはメタノール燃料タンクよりメタノール燃料を消費量に応じて供給する燃料液循環方式(能動型)とがある(特許文献1)(特許文献2)。   In order to supply the methanol aqueous solution fuel, the liquid chamber of the fuel electrode 7 is filled with the methanol aqueous solution, and the fuel liquid static type system (passive type) that supplies the fuel directly from the tank to the liquid chamber of the fuel electrode 7 according to the amount of consumption. ) And a fuel liquid circulation system (active type) in which methanol aqueous fuel is circulated through the liquid chamber of the fuel electrode 7 and methanol fuel is supplied from the methanol fuel tank according to the amount of consumption in the circulation tank. Yes (Patent Document 1) (Patent Document 2).

この二つの方式を比較すると、受動型は燃料を循環させる部分が不要なため小型化には適しているが、燃料極7の電極触媒層3でメタノール水溶液が反応してメタノールが消費されていくと、メタノール濃度が低下していき電池出力が低下する問題がある。能動型は液体燃料が燃料極7の液室内を循環するため、受動型の約3〜5倍の出力濃度が得られるという利点がある。   Comparing these two methods, the passive type is suitable for miniaturization because it does not require a portion for circulating the fuel, but the methanol aqueous solution reacts with the electrode catalyst layer 3 of the fuel electrode 7 and the methanol is consumed. Then, there is a problem that the battery output decreases as the methanol concentration decreases. Since the active type circulates in the liquid chamber of the fuel electrode 7, the active type has an advantage that an output concentration about 3 to 5 times that of the passive type can be obtained.

図7は、(特許文献2)を引用したもので、高濃度メタノールはメタノール貯蔵タンク9にセットされており、メタノール貯蔵タンク9は燃料+水注入装置10を介して循環タンク11に接続されている。ポンプ12によって循環タンク11から取り出されたメタノール水溶液5は、セルスタック1Aの燃料極7と熱交換器13を介して循環タンク11に戻るように循環経路が形成されている。また、セルスタック1Aの空気極8には、酸化剤供給装置14を介して空気が供給されている。   FIG. 7 quotes (Patent Document 2), where high-concentration methanol is set in a methanol storage tank 9, and the methanol storage tank 9 is connected to a circulation tank 11 via a fuel + water injection device 10. Yes. A circulation path is formed so that the aqueous methanol solution 5 taken out from the circulation tank 11 by the pump 12 returns to the circulation tank 11 via the fuel electrode 7 and the heat exchanger 13 of the cell stack 1A. Air is supplied to the air electrode 8 of the cell stack 1 </ b> A via the oxidant supply device 14.

これによってセルスタック1Aでは、メタノール水溶液が電池反応を起こして、メタノールの消費と二酸化炭素が発生する。この低濃度メタノール液とガスの混合流体が循環タンク11に戻り、液体と二酸化炭素ガスは循環タンク11で重力分離されて、二酸化炭素ガスは循環タンク11の上方から排出される。一方、前記電池反応によってメタノールと水が消費されて燃料が減るので、燃料+水注入装置10から最適なメタノール燃料となる濃度で所定量が循環タンク11の内部に注入される。   As a result, in the cell stack 1A, the methanol aqueous solution causes a battery reaction to consume methanol and generate carbon dioxide. The mixed fluid of the low-concentration methanol liquid and the gas returns to the circulation tank 11, the liquid and the carbon dioxide gas are separated by gravity in the circulation tank 11, and the carbon dioxide gas is discharged from above the circulation tank 11. On the other hand, methanol and water are consumed by the cell reaction and fuel is reduced. Therefore, a predetermined amount is injected from the fuel + water injection device 10 into the circulation tank 11 at a concentration that provides the optimum methanol fuel.

セルスタック1Aの空気極8に酸化剤供給装置14を介して空気が供給されることによって反応によって発生した水は、水回収装置15で回収されて燃料+水注入装置10に戻されて、再び燃料極7に供給する水として使用されている。酸化剤供給装置14としては一般に空気ポンプが使用されている。   The water generated by the reaction by supplying air to the air electrode 8 of the cell stack 1A via the oxidant supply device 14 is recovered by the water recovery device 15 and returned to the fuel + water injection device 10, and again. It is used as water to be supplied to the fuel electrode 7. As the oxidant supply device 14, an air pump is generally used.

このようにして燃料極7に発電動作に適した濃度のメタノール水溶液を循環させ、空気極8には空気が供給されて連続運転されているが、工場出荷から消費者が使用開始するまでの使用開始前の待機状態を検討する。   In this way, a methanol aqueous solution having a concentration suitable for power generation operation is circulated in the fuel electrode 7 and air is supplied to the air electrode 8 for continuous operation. Consider the waiting state before starting.

この使用開始前の発電運転の休止期間において、メタノール水溶液を燃料極に充填しておくと、休止期間中に放電現象でメタノールが消費されて二酸化炭素が発生して長期間の保存に適さない。   If the methanol aqueous solution is filled in the fuel electrode during the rest period of the power generation operation before the start of use, methanol is consumed due to a discharge phenomenon during the rest period and carbon dioxide is generated, which is not suitable for long-term storage.

また、休止期間中には燃料極へメタノール水溶液を供給せずに乾燥状態にしておき、起動時にメタノール水溶液を燃料極へ供給する起動方法も考えられるが、この場合には供給されたメタノール水溶液に燃料極7の電極触媒層3が十分に馴染むまでの間には定格性能を得ることができないため、起動時の立ち上がり性能が悪い、と言う問題がある。   In addition, a start-up method may be considered in which the methanol aqueous solution is not supplied to the fuel electrode during the suspension period, and the methanol aqueous solution is supplied to the fuel electrode at the time of start-up. Since the rated performance cannot be obtained until the electrode catalyst layer 3 of the fuel electrode 7 becomes sufficiently familiar, there is a problem that the startup performance at the time of startup is poor.

さらに、使用開始時には水回収装置15に水が回収されていないので、高濃度燃料を用いる場合には、工場出荷時に燃料電池装置内に予め希釈液または水を注入する、または、使用開始時に燃料電池装置内に希釈液または水を外部から供給するという動作が必要になると想定される。   Further, since water is not recovered in the water recovery device 15 at the start of use, when using high-concentration fuel, a diluent or water is injected into the fuel cell device in advance at the time of shipment from the factory, or the fuel at the start of use. It is assumed that an operation of supplying a diluent or water from the outside into the battery device is required.

(特許文献3)には、発電運転の休止期間には水または燃料を燃料極に存在させることによって、長期保存と休止中には燃料極の電極触媒層が乾燥していないために起動時の立ち上がり性能を改善できる方法が記載されている。
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) 特許第2939978号 特表平10−507572号 特開2003−77512公報
(Patent Document 3) discloses that water or fuel is present in the fuel electrode during the suspension period of power generation operation, and the electrode catalyst layer of the fuel electrode is not dried during long-term storage and suspension. A method is described that can improve start-up performance.
Industrial Research Committee “Electronic Materials” February 2003, p. 31 “Portable Small Fuel Cell” (Nobuyuki Kamiya) Japanese Patent No. 2939978 Special table hei 10-507572 JP 2003-77512 A

水またはクロスオーバーが発生しない濃度のメタノール水溶液を燃料極に存在させた燃料電池を、消費者が使用開始する方法などについて、(特許文献3)などには具体的に記載されておらず、燃料電池の使用開始の際の消費者の操作性を改善する必要がある。   A method for a consumer to start using a fuel cell in which water or a methanol aqueous solution having a concentration that does not cause crossover is present in the fuel electrode is not specifically described in (Patent Document 3) and the like. There is a need to improve consumer operability when starting to use batteries.

本発明は、燃料電池の使用開始の際の消費者の操作性を改善できる具体的な燃料電池発電方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the specific fuel cell power generation method which can improve the operativity of consumers at the time of the start of use of a fuel cell.

本発明の請求項1に記載の燃料電池発電方法は、セルの燃料極に発電運転の休止期間には、水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液を存在させ、発電運転期間には、燃料タンクから前記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に際し、発電運転の休止期間から発電運転期間へ移行する起動時には、発電運転の休止期間にセルの燃料極に存在していた水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液の少なくとも一部を回収して保管し、さらに燃料液体を供給して前記燃料極における燃料水溶液の濃度を適正濃度にして発電運転を開始し、前記燃料極における燃料水溶液を希釈する場合には前記保管していた水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液を前記燃料極に供給して濃度の調整を実施することを特徴とする。   In the fuel cell power generation method according to claim 1 of the present invention, water or a fuel aqueous solution having a concentration that does not cause crossover is present in the fuel electrode of the cell during the suspension period of the power generation operation. When the fuel liquid is supplied from the tank to the fuel electrode and air is supplied to the air electrode of the cell to generate power, at the time of start-up that shifts from the power generation operation suspension period to the power generation operation period, Collect and store at least a portion of the water or fuel aqueous solution at a concentration that does not cause crossover that existed in the fuel electrode, and supply the fuel liquid to generate an appropriate concentration of the fuel aqueous solution at the fuel electrode. When the operation is started and the aqueous fuel solution in the fuel electrode is diluted, the stored water or the aqueous fuel solution having a concentration that does not cause crossover is supplied to the fuel electrode. Which comprises carrying out the adjustment of the degree.

本発明の請求項2に記載の燃料電池発電方法は、請求項1において、燃料液体を前記燃料極に供給した後に、前記燃料極の液体を強制移動させて混合して前記燃料極における燃料水溶液の濃度を適正濃度にすることを特徴とする。   The fuel cell power generation method according to claim 2 of the present invention is the fuel cell power generation method according to claim 1, wherein after supplying the fuel liquid to the fuel electrode, the liquid in the fuel electrode is forcibly moved and mixed to mix the aqueous fuel solution in the fuel electrode. It is characterized in that the density of the liquid is adjusted to an appropriate density.

本発明の請求項3に記載の燃料電池発電方法は、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た燃料供給流路における前記燃料極に、発電運転の休止期間には、水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液を存在させ、発電運転の休止期間から発電運転期間へ移行する起動時には、発電運転の休止期間にセルの燃料極に存在していた水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液の少なくとも一部を回収して保管し、さらに燃料液体を供給するとともに前記燃料極を経て前記第1の燃料タンクと第2の燃料タンクの間で燃料供給流路の燃料液体を強制移動させて混合して前記燃料極における燃料水溶液の濃度を適正濃度にして発電運転を開始し、前記燃料極における燃料水溶液を希釈する場合には前記保管していた水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液を前記燃料極に供給して濃度の調整を実施することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a fuel cell power generation method in which the fuel electrode in the fuel supply channel in which the first and second fuel tanks are disposed on both sides of the fuel electrode in the center During the suspension period of operation, water or a fuel aqueous solution with a concentration that does not cause crossover is present, and at the time of start-up to shift from the suspension period of power generation operation to the power generation operation period, it exists in the fuel electrode of the cell during the suspension period of power generation operation At least a part of the water or the aqueous fuel solution having a concentration that does not cause crossover is collected and stored, and further supplied with a fuel liquid and between the first fuel tank and the second fuel tank via the fuel electrode. The fuel liquid in the fuel supply passage is forcibly moved and mixed to start the power generation operation with the concentration of the aqueous fuel solution at the fuel electrode set to an appropriate concentration, and to dilute the aqueous fuel solution in the fuel electrode. Which comprises carrying out the adjustment of the concentration by supplying a fuel aqueous solution of concentration the storage to have water or crossover does not occur in the fuel electrode to.

本発明の燃料電池発電方法によると、発電運転の休止期間から発電運転期間へ移行する起動時には、発電運転の休止期間にセルの燃料極に存在していた水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液の少なくとも一部を回収して保管し、前記燃料極における燃料水溶液を希釈する場合には前記保管していた水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液を前記燃料極に供給して濃度の調整を実施するので、発電反応により生成した水が回収できていない状態、例えば、発電運転初期時に濃度調整が行われる場合でも、水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液を外部から補給するなどの操作を消費者が実施しなくても済む。   According to the fuel cell power generation method of the present invention, at the time of start-up that shifts from the power generation operation suspension period to the power generation operation period, the fuel having a concentration that does not cause water or crossover that was present in the fuel electrode of the cell during the power generation operation suspension period When at least a part of the aqueous solution is collected and stored, and the aqueous fuel solution in the fuel electrode is diluted, the stored water or the aqueous fuel solution having a concentration that does not cause crossover is supplied to the fuel electrode. Since adjustment is performed, water generated by the power generation reaction cannot be recovered, for example, even when concentration adjustment is performed at the beginning of power generation operation, water or a fuel aqueous solution having a concentration that does not cause crossover is supplied from the outside. It is not necessary for the consumer to perform this operation.

以下、本発明の燃料電池発電方法を具体的な各実施の形態に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1〜図3は本発明の(実施の形態1)を示す。
Hereinafter, the fuel cell power generation method of the present invention will be described based on specific embodiments.
(Embodiment 1)
1 to 3 show (Embodiment 1) of the present invention.

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。   In FIG. 1, the fuel cell device of this embodiment includes a cell 1, first and second fuel tanks C1 and C2, a single air pump AP, a buffer tank B1, and a water storage tank C3. The methanol storage container C4, a piping path connecting between them, and a valve or a gas-liquid separator connected to the piping path are combined.

セル1は、従来例で説明したように固体電解質膜2を中央にして両面にそれぞれ電極触媒層3,4を形成して構成されており、セル1の燃料極7を中央にしてその両側に第1,第2の燃料タンクC1,C2を配設して、第1の燃料タンクC1と燃料極7の間が第1の燃料供給流路16で接続され、第2の燃料タンクC2と燃料極7の間が第2の燃料供給流路17で接続されている。   As described in the prior art, the cell 1 is configured by forming the electrode catalyst layers 3 and 4 on both sides with the solid electrolyte membrane 2 at the center, and the fuel electrode 7 of the cell 1 at the center and on both sides thereof. The first and second fuel tanks C1 and C2 are arranged, the first fuel tank C1 and the fuel electrode 7 are connected by the first fuel supply channel 16, and the second fuel tank C2 and the fuel are connected. The poles 7 are connected by a second fuel supply channel 17.

ここで、第1,第2の燃料タンクC1,C2は、図2に示すように蛇行した細いサーペンタイン型燃料タンクで構成されている。例えば、蛇行した経路の一部となる凹部を形成した第1のガラス基板18と、第1のガラス基板18の凹部とは面同士が対称で蛇行した経路の一部となる凹部を形成した第2のガラス基板19とを、それぞれの凹部が内側になるように張り合わせて形成される。20は空気入口、21は液出入口である。   Here, the first and second fuel tanks C1 and C2 are constituted by meandering thin serpentine fuel tanks as shown in FIG. For example, the first glass substrate 18 having a recess that becomes a part of a meandering path, and the recesses of the first glass substrate 18 having a recess that becomes a part of a meandering path are symmetrical. The two glass substrates 19 are bonded to each other so that the respective concave portions are inside. 20 is an air inlet and 21 is a liquid inlet / outlet.

第1の燃料タンクC1の燃料出口(以下、セクションS42と称す)には第1の気液分離器L1が介装され、第2の燃料タンクC2の燃料出口(以下、セクションS52と称す)には第2の気液分離器L2が介装されている。第1の燃料タンクC1の空気入口(以下、セクションS41と称す)には疎水性多孔質膜の第1のフィルタF1が介装され、第2の燃料タンクC2の空気入口(以下、セクションS51と称す)にも疎水性多孔質膜の第2のフィルタF2が介装されている。   A first gas-liquid separator L1 is interposed at the fuel outlet (hereinafter referred to as section S42) of the first fuel tank C1, and the fuel outlet (hereinafter referred to as section S52) of the second fuel tank C2. Is provided with a second gas-liquid separator L2. A first filter F1 of a hydrophobic porous membrane is interposed in the air inlet (hereinafter referred to as section S41) of the first fuel tank C1, and the air inlet (hereinafter referred to as section S51) of the second fuel tank C2. Also includes a second filter F2 of a hydrophobic porous membrane.

セル1の空気極8に空気を供給する空気供給流路は、空気極8の一端とバッファタンクB1とを管路22で接続し、空気極8の他端を第3の気液分離器L3とバルブV11を介して水貯蔵タンクC3の一端に接続している。この水貯蔵タンクC3の一端はバルブV6を介して前記第2の燃料供給流路17に接続されている。水貯蔵タンクC3も第1,第2の燃料タンクC1,C2と同じように、蛇行した細いサーペンタイン型タンクで構成されている。これはタンクC1,C2,C3の何れの場合も、流路径が大きくなると落下などの衝撃により流路に形成されたメニスカスが崩れる可能性があるので、落下などの衝撃によっても流路に形成されたメニスカスが崩れない細さに形成されている。   The air supply flow path for supplying air to the air electrode 8 of the cell 1 connects one end of the air electrode 8 and the buffer tank B1 with a pipe line 22 and connects the other end of the air electrode 8 to the third gas-liquid separator L3. And one end of a water storage tank C3 through a valve V11. One end of the water storage tank C3 is connected to the second fuel supply channel 17 through a valve V6. Similarly to the first and second fuel tanks C1 and C2, the water storage tank C3 is constituted by a meandering thin serpentine tank. In any of the tanks C1, C2, and C3, the meniscus formed in the flow path may be broken due to an impact such as a drop when the flow path diameter is increased. The meniscus is thin enough not to collapse.

空気ポンプAPによって内部圧力が目標値を維持するように加圧されているバッファタンクB1は、バルブV1と前記第1のフィルタF1を介して第1の燃料タンクC1の空気入口に接続され、バッファタンクB1がバルブV3と前記第2のフィルタF2を介して第2の燃料タンクC2の空気入口に接続されている。また、バルブV1と第1のフィルタF1との接続点はバルブV2を介して大気に接続されている。バルブV3と第2のフィルタF2との接続点はバルブV4を介して大気に接続されている。   A buffer tank B1 whose internal pressure is pressurized so as to maintain a target value by the air pump AP is connected to the air inlet of the first fuel tank C1 via the valve V1 and the first filter F1, and is buffered. A tank B1 is connected to the air inlet of the second fuel tank C2 via a valve V3 and the second filter F2. A connection point between the valve V1 and the first filter F1 is connected to the atmosphere via the valve V2. A connection point between the valve V3 and the second filter F2 is connected to the atmosphere via the valve V4.

前記メタノール貯蔵容器C4には高濃度メタノールが封入された可撓性の袋23を収容する密閉室24が形成されており、この密閉室24はバルブV8を介してバッファタンクB1に接続されている。また、密閉室24はバルブV9を介して大気に開放されている。前記袋23の燃料出口は、異物混入防止用のフィルタF3とバルブV5を介して前記第1の燃料供給流路16に接続されている。メタノール貯蔵容器C4には余剰水タンクC5が併設されている。   The methanol storage container C4 is formed with a sealed chamber 24 for accommodating a flexible bag 23 filled with high-concentration methanol, and this sealed chamber 24 is connected to the buffer tank B1 via a valve V8. . The sealed chamber 24 is opened to the atmosphere via a valve V9. The fuel outlet of the bag 23 is connected to the first fuel supply channel 16 via a filter F3 and a valve V5 for preventing contamination. A surplus water tank C5 is attached to the methanol storage container C4.

余剰水タンクC5は、バルブV7を介して水貯蔵タンクC3の他端に接続されている。また、水貯蔵タンクC3の他端は、疎水性多孔質膜の第1のフィルタF4とバルブV10を介してバッファタンクB1に接続されている。   The surplus water tank C5 is connected to the other end of the water storage tank C3 via the valve V7. The other end of the water storage tank C3 is connected to the buffer tank B1 through a first filter F4 of a hydrophobic porous membrane and a valve V10.

さらに、前記セクションS42(第1の燃料タンクC1の燃料出口)、前記セクションS52(第2の燃料タンクC2の燃料出口)、前記セクションS41(第1の燃料タンクC1の空気入口)、前記セクションS51(第2の燃料タンクC2の空気入口)には、図3に示すようにそれぞれレベル計としての電極P1,P2が敷設されており、この電極P1,P2の間にメタノール水溶液が介在している電気抵抗値と、メタノール水溶液が介在しなくなった状態とを判別している。   Further, the section S42 (fuel outlet of the first fuel tank C1), the section S52 (fuel outlet of the second fuel tank C2), the section S41 (air inlet of the first fuel tank C1), the section S51. As shown in FIG. 3, electrodes P1 and P2 as level meters are respectively laid at the (air inlet of the second fuel tank C2), and an aqueous methanol solution is interposed between the electrodes P1 and P2. The electrical resistance value is discriminated from the state in which the aqueous methanol solution is no longer present.

この実施の形態では第1の燃料タンクC1の燃料液体の液面を検出する第1のセンサとしてセクションS41,S42にそれぞれ電極P1,P2が設けられており、第2の燃料タンクC2の燃料液体の液面を検出する第2のセンサとしてセクションS51,S52にそれぞれ電極P1,P2が設けられている。バルブV6と水貯蔵タンクC3の間のセクションS61に第3のセンサとして前記第1,第2のセンサと同様に電極P1,P2が設けられている。   In this embodiment, electrodes P1 and P2 are provided in sections S41 and S42, respectively, as a first sensor for detecting the liquid level of the fuel liquid in the first fuel tank C1, and the fuel liquid in the second fuel tank C2 is provided. As a second sensor for detecting the liquid level, electrodes P1 and P2 are provided in sections S51 and S52, respectively. Similarly to the first and second sensors, electrodes P1 and P2 are provided as a third sensor in a section S61 between the valve V6 and the water storage tank C3.

なお、タンクC1,C2,C3の何れのものも、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ている。これは、流路壁面の濡れが高いと壁面に水膜が残存し、燃料の移動効率が悪くなるので、この点を改善する事を目的としている。より具体的には、タンクC1,C2,C3の流路内部へのフッ素系の撥液処理もしくはフッ素系のパイプ材料を使用して、流路隔壁に水膜及び滴を残すことなく燃料移動がスムーズで移動効率がよく、明確な液面検出が行える。   All of the tanks C1, C2, and C3 are configured using a liquid repellent treatment for the inside of the flow path or a liquid repellent material for the flow path pipe. The purpose of this is to improve this point because if the wetting of the channel wall surface is high, a water film remains on the wall surface and the fuel transfer efficiency deteriorates. More specifically, using a fluorine-based liquid repellent treatment or a fluorine-based pipe material inside the flow paths of the tanks C1, C2, C3, the fuel can move without leaving a water film and droplets on the flow path partition walls. Smooth, good movement efficiency and clear liquid level detection.

上記の各バルブV1〜V11は、運転状態に応じて電気的に開閉状態を切り換えることができる電磁弁が使用され、より好ましくは、開閉状態の切り換えのタイミングにセットパルス電圧を印加すると、セットパルス電圧が無くなってその後にリセットパルス電圧が印加されるタイミングまで流路が開状態に自己保持され、リセットパルス電圧を印加すると、リセットパルス電圧が無くなってその後にセットパルス電圧が印加されるタイミングまで流路が閉状態に自己保持されるラッチングタイプの電磁弁が消費電力低減の上で好ましく、図1において各バルブV1〜V11には各運転状態に応じてコントローラ25から前記セットパルス電圧とリセットパルス電圧が印加されている。なお、コントローラ25には起動時に各種バルブなどを作動させるための起動専用電池を備えている。   Each of the valves V1 to V11 is an electromagnetic valve that can be electrically switched between open and closed states according to the operating state. More preferably, when a set pulse voltage is applied at the switching timing of the open and closed state, The flow path is self-maintained until the reset pulse voltage is applied after the voltage disappears, and when the reset pulse voltage is applied, the reset pulse voltage disappears and the set pulse voltage is applied thereafter. A latching type solenoid valve that is self-maintained in a closed state is preferable for reducing power consumption. In FIG. 1, each of the valves V1 to V11 is supplied with the set pulse voltage and the reset pulse voltage from the controller 25 according to each operation state. Is applied. The controller 25 is provided with a start-up battery for operating various valves and the like at start-up.

次の各状態に分けて説明する。
「発電運転の休止期間」
「起動時」
「発電運転」
工場出荷された燃料電池装置は「発電運転の休止期間」「起動時」の状態を経て「発電運転」状態になるが、図1の各構成要素の作用を明確にするために、発電に必要な適度な濃度のメタノール水溶液が燃料極7に存在している「発電運転」状態を最初に説明してから、「発電運転の休止期間」「起動時」の状態を説明する。
This will be described in the following states.
"Power generation suspension period"
"On startup"
"Power generation operation"
The fuel cell device shipped from the factory enters the “power generation operation” state through the “power generation operation suspension period” and “start-up” states, but is necessary for power generation in order to clarify the operation of each component in FIG. First, a “power generation operation” state in which a methanol aqueous solution having an appropriate and appropriate concentration exists in the fuel electrode 7 will be described, and then a “power generation operation suspension period” and a “start-up” state will be described.

「発電運転」
a.待機ステージ
第1の燃料タンクC1が空状態、第2の燃料タンクC2が発電に必要な適度な濃度のメタノール水溶液によって満状態になってから、コントローラ25は次の運転第1ステージを実行する。
"Power generation operation"
a. Standby stage After the first fuel tank C1 is empty and the second fuel tank C2 is filled with an aqueous methanol solution having an appropriate concentration necessary for power generation, the controller 25 executes the next operation first stage.

なお、第1の燃料タンクC1が空状態、第2の燃料タンクC2が満状態は、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、コントローラ25は前記セクションS41,S42,S51,S52の電極P1,P2の電気導通度から、第1の燃料タンクC1が空状態、第2の燃料タンクC2が満状態かチェックする。   When the first fuel tank C1 is empty and the second fuel tank C2 is full, the controller 25 sets the valves V1, V3 to the closed state and the valves V2, V4 to the closed state. From the electrical continuity of the electrodes P1, P2 of S41, S42, S51, S52, it is checked whether the first fuel tank C1 is empty and the second fuel tank C2 is full.

具体的には、第1の燃料タンクC1の両端のセクションS41,S42のメタノールレベルがメタノールを検出できない状態(以下、このメタノール無し状態を“Low”と称す),第2の燃料タンクC2の両端のセクションS51,S52のメタノールレベルがメタノールを検出した状態(以下、メタノール有り状態を“Hi”と称す)かチェックする。   Specifically, the methanol levels of the sections S41 and S42 at both ends of the first fuel tank C1 cannot detect methanol (hereinafter, this methanol-free state is referred to as “Low”), both ends of the second fuel tank C2. It is checked whether the methanol level in the sections S51 and S52 in the state where methanol is detected (hereinafter, the state with methanol is referred to as “Hi”).

第1の燃料タンクC1が空状態、第2の燃料タンクC2が満状態でない場合には、コントローラ25は、バルブV2,V3を閉状態、バルブV1,V4開状態にして、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、第1の燃料タンクC1に残っていたメタノール水溶液を第1の燃料供給流路16と燃料極7と第2の燃料供給流路17、ならびに気液分離器L2を経て第2の燃料タンクC2へ移動させ、第2の燃料タンクC2から押し出された空気はフィルタF2からバルブV4を介して大気に放出される。   When the first fuel tank C1 is empty and the second fuel tank C2 is not full, the controller 25 closes the valves V2 and V3 and opens the valves V1 and V4, and opens the valves from the buffer tank B1. Pressurized air is sent to the first fuel tank C1 through V1 and the filter F1, and the methanol aqueous solution remaining in the first fuel tank C1 is used as the first fuel supply channel 16, the fuel electrode 7, and the second fuel. The air that has been moved to the second fuel tank C2 through the supply flow path 17 and the gas-liquid separator L2 and is pushed out from the second fuel tank C2 is released from the filter F2 to the atmosphere via the valve V4.

なお、待機ステージの終わりに第2の燃料タンクC2が満状態にならない場合には、メタノール水溶液が不足していると判定して、コントローラ25がこれを検出して第1の燃料供給流路16へ高濃度メタノールの注入を指示するとともに第2の燃料供給流路17へ水を注入するように制御する。   If the second fuel tank C2 does not become full at the end of the standby stage, it is determined that the methanol aqueous solution is insufficient, and the controller 25 detects this and detects the first fuel supply channel 16. Control is performed to instruct the injection of high-concentration methanol and to inject water into the second fuel supply channel 17.

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。
b. First stage of operation In this state, the valves V1, V4 are closed and the valves V2, V3 are set to the open state, and the pressurized air is supplied from the buffer tank B1 to the second fuel tank C2 via the valve V3 and the filter F2. On the other hand, in the first fuel tank C1, the internal air is released to the atmosphere through the filter F1 and the valve V2, so that the first fuel tank C1 is separated from the second fuel tank C2 by the gas-liquid separator L2. The methanol aqueous solution pushed out to the fuel supply flow path 17 passes through the fuel electrode 7, and methanol and water are consumed by passing through the fuel electrode 7, and carbon dioxide gas is generated to form a gas-liquid mixed flow. The aqueous methanol solution is further gas-liquid separated by the gas-liquid separator L1 through the first fuel supply flow path 16, and the carbon dioxide gas in the gas-liquid mixed flow is separated by the gas-liquid separator L1 and discharged to the atmosphere. . Only the methanol aqueous solution remaining in the gas-liquid separation flows into the first fuel tank C1 via the gas-liquid separator L1.

このような流路構成になっているため、第1の燃料タンクC1において流路液面境界ができ、その液面がセクションS42を通過し、セクションS41に向かって移動する。
なお、この運転第1ステージにおいて、空気極8にはバッファタンクB1から空気が供給され続けており、空気極8を通過した空気は気液分離器L3で分離されて大気に排出される。
Due to such a flow path configuration, a flow path liquid level boundary is formed in the first fuel tank C1, and the liquid level passes through the section S42 and moves toward the section S41.
In the first stage of operation, air is continuously supplied from the buffer tank B1 to the air electrode 8, and the air that has passed through the air electrode 8 is separated by the gas-liquid separator L3 and discharged to the atmosphere.

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。ただし、メタノール水溶液がセクションS41に到達しない場合には、所定量のメタノール水溶液が消費されたと判定して、コントローラ25がこれを検出して第1の燃料供給流路16へ高濃度メタノールの注入を指示するとともに第2の燃料供給流路17へ水を注入するように制御する。   The controller 25 that has detected that the aqueous methanol solution has reached section S41 switches to the next operation second stage. However, if the aqueous methanol solution does not reach the section S41, it is determined that a predetermined amount of aqueous methanol solution has been consumed, and the controller 25 detects this and injects high-concentration methanol into the first fuel supply channel 16. Instruct and control to inject water into the second fuel supply flow path 17.

c.運転第2ステージ
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。運転第1ステージと同様に、第2の燃料タンクC2においても流路液面境界ができ、その液面がセクションS52を通過し、セクションS51に向かって移動する。
c. Second Operation Stage This second operation stage switches to an operation stage that moves the aqueous methanol solution from the first fuel tank C1 to the second fuel tank C2. Specifically, the valves V2 and V3 are closed and the valves V1 and V4 are set to open, and pressurized air is sent from the buffer tank B1 to the first fuel tank C1 via the valve V1 and the filter F1, while In the second fuel tank C2, since the internal air is released to the atmosphere via the filter F2 and the valve V4, the first fuel supply is performed after gas-liquid separation from the first fuel tank C1 by the gas-liquid separator L1. The methanol aqueous solution pushed out to the flow path 16 passes through the fuel electrode 7, and methanol and water are consumed by passing through the fuel electrode 7, and the methanol aqueous solution that is generated as carbon dioxide gas and becomes a gas-liquid mixed flow is the first. The gas-liquid separator L2 further gas-liquid-separates through the fuel supply flow path 17, and the gas-liquid mixed flow carbon dioxide gas is separated by the gas-liquid separator L2 and discharged to the atmosphere. Only the methanol aqueous solution remaining in the gas-liquid separation flows into the first fuel tank C2 via the gas-liquid separator L2. Similar to the first stage of operation, the second fuel tank C2 also has a flow path liquid level boundary, and the liquid level passes through the section S52 and moves toward the section S51.

なお、この運転第2ステージにおいても、空気極8にはバッファタンクB1から空気が供給され続けており、空気極8を通過した空気は気液分離器L3で分離されて大気に排出される。   In the second stage of operation, air is continuously supplied from the buffer tank B1 to the air electrode 8, and the air that has passed through the air electrode 8 is separated by the gas-liquid separator L3 and discharged to the atmosphere.

メタノール水溶液がセクションS51に到達したことを検出したコントローラ25は、再び運転第1ステージに切り換わる。ただし、メタノール水溶液がセクションS51に到達しない場合には、所定量のメタノール水溶液が消費されたと判定して、コントローラ25がこれを検出して第1の燃料供給流路16へ高濃度メタノールの注入を指示するとともに第2の燃料供給流路17へ水を注入するように制御する。   The controller 25 that has detected that the aqueous methanol solution has reached the section S51 switches to the operation first stage again. However, if the aqueous methanol solution does not reach section S51, it is determined that a predetermined amount of aqueous methanol solution has been consumed, and the controller 25 detects this and injects high-concentration methanol into the first fuel supply channel 16. Instruct and control to inject water into the second fuel supply flow path 17.

高濃度メタノールの注入の場合
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。この際の注入は、コントローラ25が各々のセクションS41,S42,S51,S52が各ステージにおいて満状態になったかどうかを検出するまで行う。
In the case of injecting high-concentration methanol When injecting high-concentration methanol, the valves V5 and V9 are closed and the valve V8 is opened, so that the methanol storage container C4 is sealed from the buffer tank B1 through the valve V8. Pressurized air is supplied to the chamber 24, and the pressure of the supplied pressurized air is applied to the bag 23. This state is referred to as a standby state. Then, by opening the valve V5, the bag 23 is crushed according to the pressure of the supplied pressurized air, and the bag 23 is passed through the filter F3 and the valve V5 to the first fuel supply channel 16. High concentration methanol is injected. The injection at this time is performed until the controller 25 detects whether or not each section S41, S42, S51, S52 is full in each stage.

水の注入の場合
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。
In the case of water injection During the repeated operation of the operation first stage and the operation second stage, water is stored in the water storage tank C3 as follows. That is, when the valves V7 and V11 are set in the open state and the valves V10 and V6 are set in the closed state, the water + unreacted air mixed fluid that has passed through the air electrode 8 of the cell flows into the gas-liquid separator L3, and unreacted air Is discharged to the atmosphere, and only water passes through the hydrophilic filter of the gas-liquid separator L3, passes through the valve V11, and is stored in the water storage tank C3. When water is fed into the water storage tank C3, the gas-liquid level in the water storage tank C3 moves toward the surplus water tank C5 as the water increases. The surplus water tank C5 is specifically composed of a porous material provided outside the sealed chamber 24 of the methanol storage container C4, and surplus water exceeding the capacity of the water storage tank C3 It is absorbed and held in the porous material of C5, and is evaporated from the porous material to the atmosphere and discharged.

水貯蔵タンクC3から第2の燃料供給流路17への水の注入は、次のように実行される。この場合には、コントローラ25がバルブV7,V11を閉状態,バルブV6,V10を開状態にセットする。バルブV8は閉状態にセットされることで、バッファタンクB1からバルブV10とフィルタF4を介して水貯蔵タンクC3に加圧空気が供給され、水貯蔵タンクC3に貯蔵されていた水はバルブV6を介して第2の燃料供給流路17へ注入される。この際の注入は、コントローラ25が各々のセクションS41,S42,S51,S52が各ステージにおいて満状態になったかどうかを検出するまで行う。注入が終われば、コントローラ25はバルブV7,V11を開状態,バルブV10,V6を閉状態に戻す。   The injection of water from the water storage tank C3 to the second fuel supply channel 17 is performed as follows. In this case, the controller 25 sets the valves V7 and V11 to the closed state and the valves V6 and V10 to the open state. When the valve V8 is set to the closed state, pressurized air is supplied from the buffer tank B1 to the water storage tank C3 through the valve V10 and the filter F4, and the water stored in the water storage tank C3 is supplied to the valve V6. And injected into the second fuel supply channel 17. The injection at this time is performed until the controller 25 detects whether or not each section S41, S42, S51, S52 is full in each stage. When the injection is finished, the controller 25 returns the valves V7 and V11 to the open state and the valves V10 and V6 to the closed state.

上記の「高濃度メタノールの注入の場合」と「水の注入の場合」のそれぞれのタイミングは、燃料極7においてメタノールと水が消費されると、例えば、第2の燃料タンクC2に第1の燃料タンクC1から燃料を搬送する場合、セクションS41,S42が“Low”になってもセクションS51,S52が“Hi”にならない状態となる。この時にコントローラ25がメタノール濃度を見て、濃度が低いと判定した場合には高濃度メタノールを注入し、濃度が高いと判定した場合には水を注入する。   The timings of the “injection of high-concentration methanol” and the “injection of water” are as follows. For example, when methanol and water are consumed in the fuel electrode 7, When the fuel is transported from the fuel tank C1, the sections S51 and S52 do not become “Hi” even if the sections S41 and S42 become “Low”. At this time, when the controller 25 looks at the methanol concentration and determines that the concentration is low, high concentration methanol is injected, and when it is determined that the concentration is high, water is injected.

なお、前記メタノール濃度検出は、第1の燃料供給流路16と第2の燃料供給流路17の少なくとも一方に設けたメタノール濃度センサ(図示せず)の出力の直接の読み取り、またはセルの発電力から間接的に読み取る。   The methanol concentration detection may be performed by directly reading the output of a methanol concentration sensor (not shown) provided in at least one of the first fuel supply channel 16 and the second fuel supply channel 17 or by generating power in the cell. Read indirectly from force.

このようにして第1の燃料供給流路16,第2の燃料供給流路17に注入された高濃度メタノールや水は、前記運転第1ステージと運転第2ステージとの繰り返しの運転によって迅速に均一に混合される。   The high-concentration methanol and water injected into the first fuel supply flow path 16 and the second fuel supply flow path 17 in this way are quickly brought about by repeated operation of the operation first stage and operation second stage. Mix evenly.

なお、第1の燃料タンクC1,第2の燃料タンクC2の体積は、セル1の燃料極7の流路を含む、第1の燃料供給流路16から第2の燃料供給流路17迄の流路体積と同等またはそれ以上が好ましい。それは、セル1の燃料が一方向で入れ換わるからである。   The volume of the first fuel tank C1 and the second fuel tank C2 is from the first fuel supply flow path 16 to the second fuel supply flow path 17 including the flow path of the fuel electrode 7 of the cell 1. It is preferably equal to or more than the channel volume. This is because the fuel in the cell 1 is changed in one direction.

このようにセル1の燃料極7への燃料の供給を、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による双方向供給を行った燃料電池装置において、セル1の電流−電圧特性の測定を行った。その結果、運転第1ステージと運転第2ステージとの切り換えのタイミングでの電流,電圧変化は、検出されなかった。1mW以下の変化と予想される。   As described above, in the fuel cell device in which the fuel is supplied to the fuel electrode 7 of the cell 1 by the bidirectional operation of the operation first stage and the operation second stage, the current-voltage characteristic of the cell 1 is improved. Measurements were made. As a result, changes in current and voltage at the timing of switching between the operation first stage and the operation second stage were not detected. The change is expected to be less than 1 mW.

また、一方向だとセル1の燃料極の入口は、ガス無、メタノール濃度リッチ、出口は、ガス量が多く、メタノール濃度が低いという状態が連続的に発生する。入口側は発電の出力高く、出口の発電出力が低いので、空気極の入口側の寿命低く、入口側濃度がいつも高いので、メタノールクロスオーバーが発生して出力上がらなくなるが、上記の実施の形態のように双方向にすることでMEA膜の出力が平均化され、MEAの負荷も平均化される。入出口のメタノール濃度が、低,高と入れかわるので、メタノールクロスオーバーが低減される。   Further, in one direction, there continuously occurs a state in which no gas is present at the fuel electrode inlet of the cell 1 and the methanol concentration is rich, and the outlet has a large amount of gas and a low methanol concentration. Since the power generation output at the inlet side is high and the power generation output at the outlet is low, the life on the inlet side of the air electrode is low, and the concentration on the inlet side is always high, so methanol crossover occurs and the output does not increase. By making them bidirectional as in the above, the output of the MEA film is averaged, and the load on the MEA is also averaged. Since the methanol concentration at the inlet and outlet is switched between low and high, methanol crossover is reduced.

結果的に出力が上昇、気泡の排出においても、一方向だと出口部での気泡の排出能力が低下するが、双方向だと流入の方向が変わるので、出口部で気泡量が多く排出能が低下していても入口に入れかわるので液体の流れの力によって、気泡の排出能に優れ、流体燃料供給不足も発生しにくく、長期間にわたって安定した動作を期待できる。   As a result, when the output increases and bubbles are discharged, the discharge capacity of the bubbles at the outlet is reduced if it is in one direction. Since the liquid is switched to the inlet even if the pressure drops, it is excellent in the ability to discharge bubbles due to the force of the liquid flow, and it is difficult to cause a shortage of fluid fuel supply, and a stable operation can be expected over a long period of time.

また、空気極8に空気を送るエアーポンプAPを燃料極7での燃料供給にも使用しているため、従来のように空気極8に空気を送るエアーポンプAPとは別に設けた液体ポンプによって燃料極7へ燃料供給する場合に比べて、単一のモータで済む分だけ装置の小型軽量化を実現できる。さらに、液体ポンプを使用して燃料極7へ燃料供給していた場合には呼び水を与えなければ起動できなかったが、この実施の形態では空気極8に空気を送るエアーポンプAPを燃料極7での燃料供給にも使用しているため、前記呼び水が不要で、確実な起動を実現できる。   In addition, since the air pump AP that sends air to the air electrode 8 is also used for fuel supply at the fuel electrode 7, a liquid pump provided separately from the air pump AP that sends air to the air electrode 8 as in the prior art. Compared with the case where fuel is supplied to the fuel electrode 7, the apparatus can be reduced in size and weight by a single motor. Further, when the fuel is supplied to the fuel electrode 7 using the liquid pump, it cannot be started unless the priming water is given. In this embodiment, the air pump AP for sending air to the air electrode 8 is provided with the fuel electrode 7. Because it is also used for fuel supply in the above, the priming water is unnecessary and a reliable start-up can be realized.

また、前記メタノール貯蔵容器C4から第1の燃料供給流路16への高濃度メタノールの注入にも、空気極8に空気を送るエアーポンプAPを使用しているため、メタノールに耐性のある特別な材料で作られたポンプを使用しなくても済み、メタノールの微量搬送に適している。燃料電池の姿勢を反対にしてメタノール貯蔵容器C4のメタノール出口に空気が接した場合であっても、確実にメタノールを注入できる。   In addition, since the air pump AP for sending air to the air electrode 8 is used for injecting high-concentration methanol from the methanol storage container C4 to the first fuel supply flow path 16, it has a special resistance to methanol. It is not necessary to use a pump made of material, and it is suitable for a small amount of methanol. Even when the fuel cell is reversed and the air contacts the methanol outlet of the methanol storage container C4, methanol can be reliably injected.

また、重量分離方式の循環タンクの場合、携帯用燃料電池では、上下逆さにされる恐れがあり、二酸化炭素ガスの排出ができない。液面が揺れるので液面センサが誤動作する。さらに、振動があった場合は、循環タンクがシャッフルされ液体に多量の気泡が混入し、空気ポンプを誤動作させるという問題があったが、上記の実施の形態では、第1,第2の燃料タンクC1,C2の形状が管路で形成したため、メタノールと空気の液面が燃料電池の姿勢によらず一定となり、安定した動作を期待できる。   In the case of a weight separation type circulation tank, the portable fuel cell may be turned upside down, and carbon dioxide gas cannot be discharged. Since the liquid level fluctuates, the liquid level sensor malfunctions. Further, when there is vibration, the circulation tank is shuffled and a large amount of bubbles are mixed into the liquid, causing the air pump to malfunction. In the above embodiment, the first and second fuel tanks are used. Since the shapes of C1 and C2 are formed by pipes, the liquid levels of methanol and air are constant regardless of the attitude of the fuel cell, and stable operation can be expected.

以上の「発電運転」よりも前に存在している「発電運転の休止期間」と、この「発電運転の休止期間」と「発電運転」の間で実行される「起動時」の状態を説明する。
「発電運転の休止期間」
工場出荷から消費者が使用開始するまでの発電運転の休止期間には、この燃料電池装置は、バルブV1〜V11は全て閉状態にセットされており、第1の燃料タンクC1は空状態、第1の燃料供給流路16と燃料極7および第2の燃料供給流路17を経て第2の燃料タンクC2には、水が充填されている。水貯蔵タンクC3は例えば空状態である。メタノール貯蔵容器C4は装着前または装着後のいずれでもよい。
Explains the “power generation operation suspension period” that exists before the above “power generation operation” and the “start-up” state executed between this “power generation operation suspension period” and “power generation operation” To do.
"Power generation suspension period"
In the rest period of the power generation operation from the factory shipment to the start of use by the consumer, in this fuel cell device, all the valves V1 to V11 are set in the closed state, the first fuel tank C1 is in the empty state, The second fuel tank C2 is filled with water through the one fuel supply channel 16, the fuel electrode 7, and the second fuel supply channel 17. The water storage tank C3 is empty, for example. The methanol storage container C4 may be either before or after mounting.

このように発電運転の休止期間には、燃料極7にはメタノール水溶液が存在しておらず、しかも水によって湿潤された状態になって長期保存と休止中には燃料極の電極触媒層が乾燥していないために起動時の立ち上がり性能を改善できる。   As described above, during the rest period of the power generation operation, no aqueous methanol solution exists in the fuel electrode 7, and the electrode catalyst layer of the fuel electrode is dried during long-term storage and rest due to being wet with water. The startup performance at startup can be improved.

起 動
発電運転の休止期間から発電運転期間へ移行する起動時には、コントローラ25に起動を指示すると、これを認識したコントローラ25は第1の燃料タンクC1と第1の燃料供給流路16と燃料極7および第2の燃料供給流路17に充填されている水の一部の回収を、バルブV6と水貯蔵タンクC3とを接続する管路26と水貯蔵タンクC3とて形成されている流路をタンクとして実施する。
Starting At the time of starting to shift from the suspension period of power generation operation to the power generation operation period, when the controller 25 is instructed to start, the controller 25 that recognizes this instructs the first fuel tank C1, the first fuel supply channel 16, and the fuel electrode. 7 and a flow path formed by a pipe 26 connecting the valve V6 and the water storage tank C3 and a water storage tank C3 for collecting a part of the water filled in the second fuel supply path 17 Is implemented as a tank.

具体的には、バルブV1,V6,V7を開放し、バルブV2,V3,V4,V5,V8,V9,V10,V11を閉じて、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、バルブV1からフィルタF1を介して第1の燃料タンクC1に加圧空気が送られ、第1の燃料供給流路16と空気極7などに充填されていた水が、バルブV6を介して水貯蔵タンクC3へ向けて送られる。   Specifically, when the valves V1, V6, V7 are opened, the valves V2, V3, V4, V5, V8, V9, V10, V11 are closed and the air pump AP is turned on, the cell is passed through the buffer tank B1. Air is sent to one air electrode 8, pressurized air is sent from the valve V 1 to the first fuel tank C 1 via the filter F 1, and the first fuel supply channel 16 and the air electrode 7 are filled. Water is sent to the water storage tank C3 via the valve V6.

コントローラ25は、前記セクションS61に水が達したことを検出すると、定量の水を回収したとして、バルブV1を開放したままで、バルブV4を開放し、バルブV2,V3,V5,V6,V7,V8,V9,V10,V11を閉じることによって、第1の燃料タンクC1に残った水を、第1の気液分離器L1から燃料極7を経て第2の燃料タンクC2へ移動させる。   When the controller 25 detects that the water has reached the section S61, the controller 25 assumes that the fixed amount of water has been collected, and opens the valve V4 while keeping the valve V1 open, and opens the valves V2, V3, V5, V6, V7, By closing V8, V9, V10, and V11, the water remaining in the first fuel tank C1 is moved from the first gas-liquid separator L1 to the second fuel tank C2 via the fuel electrode 7.

コントローラ25は、前記セクションS42が水を検出しなくなったことから水の第2の燃料タンクC2へ移動し終えたと判断して、バルブV1,V4を開放したままで、バルブV5,V8も開放し、バルブV2,V3,V6,V7,V9,V10,V11を閉じることによって、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に作用し、供給された加圧空気の圧力に応じて前記袋23が押し潰されてフィルタ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。この注入は第2の燃料タンクC2のセクションS51の電極P1,P2の間に液体が達して電極P1,P2が導通したことをコントローラ25が検出するまで行う。   The controller 25 determines that the movement to the second fuel tank C2 of water has ended because the section S42 no longer detects water, and opens the valves V5 and V8 while keeping the valves V1 and V4 open. By closing the valves V2, V3, V6, V7, V9, V10, V11, pressurized air is supplied from the buffer tank B1 to the sealed chamber 24 of the methanol storage container C4 via the valve V8, and the supplied pressurization is performed. The pressure of air acts on the bag 23, and the bag 23 is crushed according to the pressure of the supplied pressurized air, and the high-concentration methanol is supplied to the first fuel supply channel 16 through the filter F3 and the valve V5. Is injected. This injection is performed until the controller 25 detects that the liquid has reached between the electrodes P1 and P2 of the section S51 of the second fuel tank C2 and the electrodes P1 and P2 are conducted.

起動時の燃料攪拌は、コントローラ25がバルブV3,V2を開状態、バルブV1,V4を閉状態にして第2の燃料タンクC2から第1の燃料タンクC1に向かって、セクションS42が液体を検出するまで燃料を移動させる。次に、コントローラ25がバルブV3,V2を閉状態、バルブV1,V4を開状態にして第1の燃料タンクC1から第2の燃料タンクC2に向かって、セクションS53が液体を検出するまで燃料を移動させる。このような動作を数回繰り返すことにより、「発電運転」における液体の移動よりも短い間隔で水と高濃度メタノールとを迅速に攪拌することができる。   For fuel agitation at startup, the controller 25 detects the liquid from the second fuel tank C2 toward the first fuel tank C1 with the valves V3 and V2 opened and the valves V1 and V4 closed. Move the fuel until Next, the controller 25 closes the valves V3 and V2 and opens the valves V1 and V4. From the first fuel tank C1 toward the second fuel tank C2, fuel is supplied until the section S53 detects liquid. Move. By repeating such an operation several times, water and high-concentration methanol can be rapidly stirred at an interval shorter than the movement of the liquid in the “power generation operation”.

このように「起動時」には、「発電運転の休止期間」に燃料極7に入っていた水を水貯蔵タンクC3の側に一部を回収してメタノール貯蔵容器C4から第1の燃料供給流路16への高濃度メタノールを注入して「発電運転」に必要な濃度のメタノール水溶液を、コントローラ25が自動調製するので、燃料電池の使用開始の際の消費者の操作性が良好である。   Thus, at the “start-up”, a part of the water that has entered the fuel electrode 7 during the “power generation operation suspension period” is recovered to the water storage tank C3 side, and the first fuel is supplied from the methanol storage container C4. Since the controller 25 automatically prepares a methanol aqueous solution having a concentration necessary for “power generation operation” by injecting high-concentration methanol into the flow path 16, the operability of the consumer at the start of use of the fuel cell is good. .

また、この「起動時」に前記回収された水は廃棄されずに水貯蔵タンクC3の側に保存して「発電運転」状態におけるメタノール水溶液の希釈に有効に利用される。
さらに、上記のように「起動時」に高濃度メタノールを第1の燃料供給流路16に注入した後に第1の燃料タンクC1と第2の燃料タンクC2の間で移動させて、水と高濃度メタノールとを攪拌するので、起動開始直後から発電状態への遷移区間の出力電圧の立ち上がりが迅速である。
Further, the collected water is not discarded but stored on the side of the water storage tank C3 and effectively used for diluting the methanol aqueous solution in the “power generation operation” state.
Further, as described above, high-concentration methanol is injected into the first fuel supply channel 16 at the “start-up” time, and then moved between the first fuel tank C1 and the second fuel tank C2, so that water and high Since the methanol concentration is agitated, the output voltage rises quickly in the transition period from the start of startup to the power generation state.

(実施の形態2)
図4と図5は(実施の形態2)を示す。
(実施の形態1)ではセル1に対して、双方向に燃料を送る燃料電池に適用した例であったが、この図4,図5は本発明の燃料電池発電方法をセル1に対して、一方向に燃料を循環させる燃料電池に実施した場合を示している。図7と同様の作用をなすものには同一の符号を付けて説明する。
(Embodiment 2)
4 and 5 show (Embodiment 2).
In (Embodiment 1), the cell 1 is applied to a fuel cell that sends fuel in both directions. FIG. 4 and FIG. This shows a case where the present invention is implemented in a fuel cell in which fuel is circulated in one direction. Components having the same functions as those in FIG.

図4においては、燃料極7と熱交換器13の間に電磁バルブV100を介装し、燃料極7と水回収装置15の間に電磁バルブV200を介装して構成されている。
「発電運転の休止期間」には、図4に太線で示すように、循環タンク11の底部と、循環タンク11からポンプ12,燃料極7,電磁バルブV100の間に水が充填されている。燃料極7と電磁バルブV200の間にも水が充填されている。
In FIG. 4, an electromagnetic valve V <b> 100 is interposed between the fuel electrode 7 and the heat exchanger 13, and an electromagnetic valve V <b> 200 is interposed between the fuel electrode 7 and the water recovery device 15.
In the “power generation operation suspension period”, water is filled between the bottom of the circulation tank 11 and the pump 12, the fuel electrode 7, and the electromagnetic valve V100 from the circulation tank 11 as shown by a thick line in FIG. Water is also filled between the fuel electrode 7 and the electromagnetic valve V200.

「起動時」にはコントローラ25が、電磁バルブV100を閉じたままの状態で、電磁バルブV200を開いた状態に切り換えてポンプ12を運転して、発電運転の休止期間に燃料極7に充填されていた水を水回収装置15に回収する。さらに、水回収装置15に回収された水は、燃料+水注入装置10でメタノール貯蔵タンク9から供給された高濃度メタノールの希釈に使用されて発電動作に適した濃度のメタノール水溶液となって前記循環タンク11に供給される。   At the “start-up”, the controller 25 switches the electromagnetic valve V200 to the open state while the electromagnetic valve V100 is closed, and operates the pump 12 to fill the fuel electrode 7 during the suspension period of the power generation operation. The collected water is collected in the water collecting device 15. Further, the water recovered in the water recovery device 15 is used to dilute the high-concentration methanol supplied from the methanol storage tank 9 by the fuel + water injection device 10 and becomes a methanol aqueous solution having a concentration suitable for power generation operation. It is supplied to the circulation tank 11.

この起動時の動作が終わると、コントローラ25は電磁バルブV200を閉じ、電磁バルブV100を開いた状態に切り換えてポンプ12を運転して、循環タンク11,ポンプ12,燃料極7,熱交換器13,循環タンク11の経路でメタノール水溶液を循環させる。   When the operation at the start-up is completed, the controller 25 closes the electromagnetic valve V200 and switches the electromagnetic valve V100 to an open state to operate the pump 12 to operate the circulation tank 11, the pump 12, the fuel electrode 7, and the heat exchanger 13. The aqueous methanol solution is circulated through the path of the circulation tank 11.

このように「起動時」には、「発電運転の休止期間」に燃料極7に入っていた水を水回収装置15に回収するので、燃料電池の使用開始の際の消費者の操作性が良好である。
また、この「起動時」に前記回収された水は廃棄されずに水回収装置15に保存して「発電運転」状態におけるメタノール水溶液の希釈に有効に利用される。
In this way, at the “start-up” time, the water that has entered the fuel electrode 7 during the “power generation operation suspension period” is recovered by the water recovery device 15, so that the operability of the consumer when starting to use the fuel cell is improved. It is good.
Further, the collected water at this “start-up” is not discarded but stored in the water recovery device 15 and effectively used for diluting the methanol aqueous solution in the “power generation operation” state.

上記の各実施の形態において、「発電運転の休止期間」に燃料極7に水が入っていたが、これはメタノールクロスオーバーが発生しない低濃度のメタノール水溶液であっても同様である。   In each of the above embodiments, water is contained in the fuel electrode 7 during the “power generation operation suspension period”. This is the same even in a low-concentration aqueous methanol solution in which methanol crossover does not occur.

本発明は、燃料電池の信頼性の向上と小型軽量化を実現することができ、この種の燃料電池を電源として使用する各種の携帯機器に有用である。   The present invention can improve the reliability and reduce the size and weight of a fuel cell, and is useful for various portable devices that use this type of fuel cell as a power source.

本発明の燃料電池発電方法を実施する(実施の形態1)の燃料電池の構成図1 is a block diagram of a fuel cell for carrying out the fuel cell power generation method of the present invention (Embodiment 1). 同燃料電池装置の第1,第2の燃料タンクC1,C2の平面図Plan view of first and second fuel tanks C1, C2 of the fuel cell device 図2の要部の拡大断面図2 is an enlarged cross-sectional view of the main part of FIG. 本発明の燃料電池発電方法を実施する(実施の形態2)の燃料電池の発電運転の休止期間の説明図Explanatory drawing of the idle period of the electric power generation operation of the fuel cell of Embodiment 2 which implements the fuel cell power generation method of the present invention 本発明の燃料電池発電方法を実施する(実施の形態2)の燃料電池の起動時の説明図Explanatory drawing at the time of starting of the fuel cell for carrying out the fuel cell power generation method of the present invention (Embodiment 2) 燃料電池の発電システムを説明するセルの拡大断面図Expanded sectional view of a cell for explaining a power generation system of a fuel cell 従来の燃料電池の構成図Configuration diagram of conventional fuel cell

符号の説明Explanation of symbols

1 セル
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cell 2 Solid electrolyte membrane 3, 4 Electrode catalyst layer 7 Fuel electrode 8 Air electrode 16 1st fuel supply flow path 17 2nd fuel supply flow path 18 1st glass substrate 19 2nd glass substrate 20 Air inlet 21 Liquid inlet / outlet 23 Bag 24 Sealed chamber 25 Controller V1 to V11 Valve AP Air pump B1 Buffer tank C1, C2 First and second fuel tank C3 Water storage tank C4 Methanol storage container C5 Surplus water tank S41 First fuel tank C1 Air inlet S42 Fuel outlet S51 of the first fuel tank C1 Air inlet S52 of the second fuel tank C2 Fuel outlet L1 of the second fuel tank C2 First gas-liquid separator L2 Second gas-liquid separator L3 First 3 gas-liquid separator F1 first filter F2 second filter

Claims (3)

セルの燃料極に発電運転の休止期間には、水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液を存在させ、発電運転期間には、燃料タンクから前記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に際し、
発電運転の休止期間から発電運転期間へ移行する起動時には、発電運転の休止期間にセルの燃料極に存在していた水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液の少なくとも一部を回収して保管し、さらに燃料液体を供給して前記燃料極における燃料水溶液の濃度を適正濃度にして発電運転を開始し、前記燃料極における燃料水溶液を希釈する場合には前記保管していた水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液を前記燃料極に供給して濃度の調整を実施する
燃料電池発電方法。
During the suspension period of power generation operation, water or a fuel aqueous solution having a concentration that does not cause crossover is present in the fuel electrode of the cell, and during the power generation operation period, fuel liquid is supplied from the fuel tank to the fuel electrode, When generating air by supplying air to the air electrode,
At the time of start-up to shift from the power generation operation suspension period to the power generation operation period, at least a part of the water or the aqueous fuel solution having a concentration that does not cause crossover that existed in the fuel electrode of the cell during the power generation operation suspension period is collected and stored. When the fuel liquid is further supplied to start the power generation operation by setting the concentration of the aqueous fuel solution in the fuel electrode to an appropriate concentration and diluting the aqueous fuel solution in the fuel electrode, the stored water or crossover A fuel cell power generation method for adjusting a concentration by supplying a fuel aqueous solution having a concentration that does not occur to the fuel electrode.
燃料液体を前記燃料極に供給した後に、前記燃料極の液体を強制移動させて混合して前記燃料極における燃料水溶液の濃度を適正濃度にする
請求項1記載の燃料電池発電方法。
2. The fuel cell power generation method according to claim 1, wherein after supplying the fuel liquid to the fuel electrode, the liquid of the fuel electrode is forcibly moved and mixed to adjust the concentration of the aqueous fuel solution in the fuel electrode to an appropriate concentration.
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た燃料供給流路における前記燃料極に、発電運転の休止期間には、水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液を存在させ、
発電運転の休止期間から発電運転期間へ移行する起動時には、発電運転の休止期間にセルの燃料極に存在していた水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液の少なくとも一部を回収して保管し、さらに燃料液体を供給するとともに前記燃料極を経て前記第1の燃料タンクと第2の燃料タンクの間で燃料供給流路の燃料液体を強制移動させて混合して前記燃料極における燃料水溶液の濃度を適正濃度にして発電運転を開始し、前記燃料極における燃料水溶液を希釈する場合には前記保管していた水またはクロスオーバーが発生しない濃度の燃料水溶液を前記燃料極に供給して濃度の調整を実施する
燃料電池発電方法。
Concentration at which water or crossover does not occur in the fuel electrode in the fuel supply channel in which the fuel electrode of the cell is in the center and the first and second fuel tanks are arranged on both sides of the cell. In the presence of an aqueous fuel solution,
At the time of start-up to shift from the power generation operation suspension period to the power generation operation period, at least a part of the water or the aqueous fuel solution having a concentration that does not cause crossover that existed in the fuel electrode of the cell during the power generation operation suspension period is collected and stored. Further, the fuel liquid is supplied, and the fuel liquid in the fuel supply flow path is forcibly moved and mixed between the first fuel tank and the second fuel tank via the fuel electrode, and mixed with the aqueous fuel solution in the fuel electrode In the case of diluting the aqueous fuel solution in the fuel electrode by starting the power generation operation with an appropriate concentration, the stored water or the aqueous fuel solution having a concentration that does not cause crossover is supplied to the fuel electrode. A fuel cell power generation method for performing the adjustment.
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