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JP3918999B2 - Direct methanol fuel cell system and its operation method - Google Patents

Direct methanol fuel cell system and its operation method Download PDF

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JP3918999B2
JP3918999B2 JP2002214513A JP2002214513A JP3918999B2 JP 3918999 B2 JP3918999 B2 JP 3918999B2 JP 2002214513 A JP2002214513 A JP 2002214513A JP 2002214513 A JP2002214513 A JP 2002214513A JP 3918999 B2 JP3918999 B2 JP 3918999B2
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methanol
fuel
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GS Yuasa Corp
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料としてのメタノール水溶液を直接供給して発電を行うことができる直接メタノール形燃料電池システムとその運転方法に関するもので、さらに詳しく言えば、寒冷地に設置もしくは保管されるのに適した直接メタノール形燃料電池システムの構成とその起動を円滑に行うことができる運転方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、環境問題や資源問題への対策が重要視され、その対策の一つとして燃料電池の開発が活発に行われている。特に、液体燃料としてのメタノール水溶液を改質またはガス化せずに直接発電に利用する直接メタノール形燃料電池は、構造がシンプルで小型化、軽量化が容易であるという点で、携帯形小型電子機器用電源、コンピュータ用電源、ポータブル電源として注目されている。
【0003】
上記した直接メタノール形燃料電池は、電解質の両側を負極と正極とで挟んで接合し、前記負極に液体燃料としてのメタノール水溶液を供給する構成を有し、前記正極に酸化剤ガスとしての空気を供給する構成を有するセルが複数個積層されたセルスタックからなり、このセルスタックには、各セルの負極にメタノール水溶液を供給し、正極に空気を供給するとともに、各セルの電気化学反応によって生成した反応生成物を排出するための、流路溝とマニホールドを有するセパレータが、各セル間に介挿されている。
【0004】
すなわち、前記セパレータの流路溝やマニホールドは、負極にメタノール水溶液を供給し、正極に空気を供給するとともに、負極からは生成した二酸化炭素を、正極からは生成した水を排出する役割を果たしている。
【0005】
このような直接メタノール形燃料電池は、負極にメタノール水溶液を供給し、正極に空気を供給すると、負極ではメタノールと水が反応して二酸化炭素を生成するとともに水素イオンと電子を放出し、正極では空気中の酸素が電解質を通過してきた前記水素イオンと電子を取り込んで水を生成し、外部回路に電気エネルギーを発生させる、というものである。
【0006】
上記した直接メタノール形燃料電池は、その出力特性の点からは、メタノール水溶液の濃度を高くした方が好ましいが、濃度を高くすると、メタノール水溶液がプロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を透過(クロスオーバー)する量が多くなるため、メタノール水溶液の透過量の増加による効率の低下を考慮したうえでメタノール水溶液の濃度を定める必要があり、言い換えれば、出力特性や効率が、運転温度、メタノール水溶液の濃度や空気の供給量などの運転条件に大きく依存するという特徴があった。
【0007】
また、このような直接メタノール形燃料電池は、高出力を安定して得るためには雰囲気温度を30〜90℃にして運転するのが望ましいが、運転が可能な温度範囲を0〜100℃といった広範囲に定めることができるため、このような直接メタノール形燃料電池を分散形電源として寒冷地の屋内外に設置もしくは保管される場合があり、このような場合であっても、その起動が円滑に行えるようにすることが不可欠になってきている。すなわち、温度が−20℃といった雰囲気下に設置または保管されても、円滑な起動ができることが不可欠であった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、直接メタノール形燃料電池の電解質として用いられるナフィオン(登録商標)などのプロトン導電性固体高分子膜には、膜中に水が存在しており、前述した雰囲気下に直接メタノール形燃料電池を設置すると、それが氷結して起動が円滑に行えないといった問題があるだけでなく、一旦運転した後で前述した雰囲気下に保管すると、正極や正極側のセパレータあるいは配管系統に残留する水が氷結して再起動が円滑に行えないといった問題があった。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した課題を解決するためになされたもので、その請求項1記載の発明は、プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設し、前記負極に液体燃料を、前記正極に酸化剤ガスを供給する構成を設けたセルまたはこのセルが複数個積層されたセルスタックを備え、前記セルまたはセルスタックに供給するメタノール濃度が1〜8%のメタノール水溶液を貯蔵する燃料貯蔵部を設け、前記燃料貯蔵部とセルまたはセルスタックとの間に、前記燃料貯蔵部から液体燃料の一部を供給して液体燃料の温度を上昇させる昇温手段を設けたことを特徴としている。この請求項1記載の発明によれば、−20℃といった雰囲気下で起動させる場合や一旦運転した後で前述した雰囲気下に保管した後で再起動する場合であっても、昇温手段によって、安定した運転が可能な温度である30℃程度まで液体燃料の温度を上昇させることができるから、前述した雰囲気下での起動や再起動を円滑に行うことができるとともに、昇温手段によって必要以上にメタノール水溶液が消費されるの防止することができる
【0010】
本発明の直接メタノール形燃料電池システムにおいて、システムの運転の待機時に、燃料貯蔵部から、少なくともセルまたはセルスタックに液体燃料の一部を注入して保持させておくことが好ましいこれによれば、プロトン導電性固体高分子膜中の水分の氷結が注入した液体燃料によって防止でき、さらに液体燃料の一部をセルまたはセルスタックに接続される配管系統にも注入しておくと、配管系統に水が残留して再起動が阻害されるという問題も解消できる。
【0011】
また、その請求項記載の発明は、請求項記載の直接メタノール形燃料電池システムにおいて、昇温手段は、それをバイパスするバイパス流路を有したことを特徴としている。この請求項記載の発明によれば、起動または再起動後はバイパス流路を介して、液体燃料をセルまたはセルスタックに供給することができるから、昇温手段によって必要以上に液体燃料が消費されるのを防止することができる。
【0013】
本発明の直接メタノール形燃料電池システムにおいて、燃料貯蔵部は、濃度が1〜8%に維持されているメタノール水溶液を主成分とする液体燃料が貯蔵される燃料タンクと、濃度が8〜60%に維持されているメタノール水溶液を主成分とする高濃度メタノールタンクとからなり、昇温手段を前記高濃度メタノールタンクとセルまたはセルスタックとの間に設けたことが好ましいこれによれば、起動や再起動時は、比較的高い濃度である8〜60%に維持されているメタノール水溶液の一部を昇温手段に供給して速やかにその温度を上昇させることができるとともに、このメタノール水溶液のクロスオーバーによってシステムの温度を上昇させることができるから、前述した起動や再起動をより円滑に行うことができる。
【0014】
本発明の直接メタノール形燃料電池システムにおいて、システムの運転の待機時に、高濃度メタノールタンクから、少なくともセルまたはセルスタックに高濃度メタノール水溶液の一部を注入して保持させておくことが好ましいこれによれば、プロトン導電性固体高分子膜中の水分の氷結が注入した高濃度メタノール水溶液によって防止でき、さらに高濃度メタノール水溶液の一部をセルまたはセルスタックに接続される配管系統にも注入しておくと、配管系統に水が残留して再起動が阻害されるという問題も解消できる。
【0015】
プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設し、前記負極に液体燃料を、前記正極に酸化剤ガスを供給する構成を設けたセルまたはこのセルが複数個積層されたセルスタックを備え、前記セルまたはセルスタックに供給する液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部を設けた直接メタノール形燃料電池システムを運転する、本発明の直接メタノール形燃料電池システムの運転方法において、前記燃料貯蔵部とセルまたはセルスタックとの間に、燃料貯蔵部から液体燃料の一部を供給して液体燃料の温度を上昇させる昇温手段を設け、起動時に、液体燃料の一部を昇温手段に供給して液体燃料の温度を上昇させるようにすることが好ましいこれによれば、−20℃といった雰囲気下での起動や再起動の場合であっても、それを円滑に行うことができる。
【0016】
本発明の直接メタノール形燃料電池システムの運転方法において、昇温手段は、それをバイパスするバイパス流路を有しており、起動後は、燃料貯蔵部とセルまたはセルスタックとの間を、バイパス流路を介して連通させるようにすることが好ましい。これによれば、起動または再起動後は液体燃料をバイパス流路に流すことができるから、昇温手段によって必要以上に液体燃料が消費されるのを防止することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、その実施の形態に基づいて説明する。
【0018】
図1は、本発明の実施の形態に係る直接メタノール形燃料電池システムのブロック図を示し、その特徴は、セルが複数個積層されたセルスタック10に、その負極に液体燃料としてのメタノール水溶液を供給する構成1と、その正極に酸化剤ガスとしての空気を供給する構成2と、負極で生成した二酸化炭素と反応に寄与しなかったメタノール水溶液を排出する構成3と、正極で生成した水と反応に寄与しなかった空気を排出する構成4とが設けられ、前記構成1は液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部5に至る経路に、起動時にメタノール水溶液の温度を上昇させる昇温手段6およびこの昇温手段6をバイパスして起動後の液体燃料をセルスタック10に供給するためのバイパス流路7を有している。
【0019】
前記昇温手段6としては、図2に示した構造のものがよい。すなわち、図2に示したように、メタノール水溶液を貯蔵する燃料貯蔵部5に至る経路の一部の配管を多孔性パイプ61とし、白金触媒を塗布したガラス繊維62を前記多孔性パイプ61の外周に巻回し、さらにこのガラス繊維62の外周に多数の空気導入口630を開口させた、断熱層を兼ねる合成樹脂製の外装管63を配したものである。このような構造の昇温手段6にメタノール水溶液が通過すると、それが多孔性パイプ61からガラス繊維62に滲み出し、空気と白金触媒に接触することによって酸化されて反応熱を発生させるとともに多孔性パイプ61中のメタノール水溶液が加熱され、直接メタノール形燃料電池システムの円滑な起動や再起動に寄与することができる。
【0020】
上記した昇温手段6による発熱量を調査するため、長さが40cmの多孔性パイプ61を準備し、これに白金触媒を塗布したガラス繊維62を巻回し、さらにこのガラス繊維62の外周に多数の空気導入口630を開口させた、断熱層を兼ねる合成樹脂製の外装管63を配したものをセルスタック10と燃料貯蔵部5との間に設け、温度が0℃の雰囲気下において、燃料貯蔵部5から前記多孔性パイプ61内に温度が0℃、濃度が3%のメタノール水溶液を300ミリリットル/分で流したところ、約20分で流出してくるメタノール水溶液の温度が30℃になって、空気をセルスタック10に供給すると起動できることがわかった。これに対し、このような昇温手段6を設けないで同様の調査をしたところ、20分経過しても、メタノール水溶液の温度は変化せず、空気をセルスタック10に供給しても起動することはできなかった。なお、この場合の発熱量は、メタノール水溶液が多孔性パイプ61から滲み出す速度(メタノール水溶液を流す速度)、ガラス繊維62に塗布された白金触媒の量および空気導入口630の形状によって定まり、メタノール水溶液を加熱する温度に応じて適宜定めるのがよい。
【0021】
【実施例】
次に、上記した実施の形態を、具体的な実施例に基づいて説明する。
【0022】
(実施例1)
図3は実施例1に係る直接メタノール形燃料電池システムの構成を示す図で、前記燃料貯蔵部5を、主成分が1〜8%の濃度のメタノール水溶液を貯蔵する燃料タンク51としたものである。この場合は、前記システムを、−20℃といった雰囲気下で起動または再起動させる際に、前記メタノール水溶液をポンプ16、弁15を介して昇温手段6に供給してこれを酸化させ、これによってメタノール水溶液の温度を上昇させることができるから、その起動や再起動を円滑に行うことができる。また、図3では、昇温手段6をバイパスするバイパス流路7を設けており、システムが起動または再起動した後にバイパス流路7を介してメタノール水溶液がポンプ11、弁12を介してセルスタック10に供給できるようにしている。これにより、必要以上にメタノール水溶液が酸化されるのを防止できる。なお、図3において、23は後述する、寒冷地に設置または保管する場合に、メタノール水溶液を構成2に注入するためのバルブであり、通常の運転時には閉鎖されている。
【0023】
(実施例2)
図4は実施例2に係る直接メタノール形燃料電池システムの構成を示す図で、前記燃料貯蔵部5を、主成分が1〜8%の濃度のメタノール水溶液を貯蔵する燃料タンク51と、主成分が8〜60%の濃度のメタノール水溶液を貯蔵する高濃度メタノールタンク52とし、前記燃料タンク51からポンプ11と弁12を介してメタノール水溶液がセルスタック10に供給できるようにし、前記高濃度メタノールタンク52からポンプ13、弁14および昇温手段6を介してセルスタック10に高濃度メタノール水溶液が供給できるようにしたものである。この場合は、前記システムを、−20℃といった雰囲気下で起動または再起動させる際に、前記高濃度メタノールタンク52からポンプ13、弁18および弁14を介して高濃度メタノール水溶液を昇温手段6に供給してこれを酸化させると、メタノール水溶液の温度を速やかに上昇させることができるとともに、濃度が比較的高いメタノール水溶液によるクロスオーバーによってシステムの温度上昇も促進できるから、その起動や再起動をさらに円滑に行うことができる。そして、起動後は前記ポンプ13を停止させ、弁18、弁14を閉鎖し、燃料タンク51からポンプ11と弁12を介してメタノール水溶液がセルスタック10に供給されるようにする。また、図4においても、昇温手段6をバイパスするバイパス流路7を設けて、多様な構成が可能となるようにしている。たとえば、図4に示したようなバイパス流路7、弁17およびポンプ19を設けることにより、システムが起動または再起動した後に、前記弁14を閉鎖し、必要に応じて弁17を開放して燃料タンク51に高濃度メタノール水溶液が供給できるようにすれば、燃料タンク51中のメタノール水溶液の濃度が1〜8%になるように制御することができる。また、これ以外に、ポンプ19、弁17、弁14を介して燃料タンク51から昇温手段6にメタノール水溶液を供給する機能を持たせることもできる。さらに、通常の雰囲気下でセルスタック10を起動する場合にも、ポンプ13、弁18、弁17、ポンプ19、ポンプ11および弁12を介して高濃度メタノールタンク52からセルスタック10に高濃度メタノール水溶液を供給する機能を持たせることができるが、この機能だけであれば、ポンプ19はなくてもよい。
【0024】
前記セルは、ナフィオン(登録商標)などのプロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設し、前記負極にメタノール水溶液などの液体燃料を供給するための負極側セパレータを、前記正極に空気などの酸化剤ガスを供給するための正極側セパレータを設けてなる。前記負極は、たとえば、C(カーボン)−Pt−Ruのような導電性触媒にナフィオン(登録商標)とPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)とを混合したものであり、前記正極は、たとえば、C(カーボン)−Ptのような導電性触媒にナフィオン(登録商標)とPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)とを混合したものである。
【0025】
次に、このような直接メタノール形燃料電池システムを、通常の条件下の運転する場合は、図3、4に示した弁21を開放して空気ブロワー22から空気をセルスタック10の正極に送出するとともに、前記弁12を開放し、ポンプ11によってメタノール水溶液を燃料貯蔵部5からセルスタック10の負極に供給することによって行うが、このような運転の終了後、前記システムを、雰囲気温度が−5℃以下の寒冷地に移送する場合や雰囲気温度が−5℃以下の寒冷地での運転に備えて設置もしくは保管する場合には、図4に示したように、弁17、弁12を開放し、ポンプ11を介してポンプ13によって高濃度メタノール水溶液を高濃度メタノールタンク52からセルスタック10に注入して保持しておく。この際、高濃度メタノール水溶液はセルスタック10だけでなく、弁12からセルの負極に液体燃料を供給する構成1に至る経路(配管系統)、前記構成1から弁23を介してセルの正極に酸化剤ガスを供給する構成2に至る経路(配管系統)、負極で生成した二酸化炭素を排出する構成3および正極で生成した水を排出する構成4にも注入しておくのがよい。なお、このように注入するのは、図3に示した実施例1でも同様に行うことができる。これにより、上記した寒冷地であっても、正極や正極側のセパレータあるいは経路(配管系統)が高濃度メタノール水溶液によって充填することができるから、これに残留する水の氷結が防止できる。また、起動時は、空気ブロワー22から空気をセルスタック10の正極に送出することにより、前述した高濃度メタノール水溶液を除去することができる。
【0026】
上記した液体燃料直接供給形燃料電池システムでは、セルを複数個積層したセルスタック10であるが、このセルスタック10に代えて、1個のセルにしてもよい。
【0027】
また、前記高濃度メタノールタンク52に貯蔵するメタノール水溶液の濃度としては、雰囲気温度が−5℃程度であれば約8%以上、雰囲気温度が−20℃程度であれば約25%以上、雰囲気温度が−40℃程度であれば約40%以上とするのがよいが、濃度が60%以上になると引火の可能性が高くなるため、濃度の上限を60%とするのがよい。
【0028】
また、燃料タンク51に貯蔵されるメタノール水溶液の濃度は、メタノールの透過量の増加による効率の低下を考慮したうえで良好な出力特性が得られる範囲である1〜8%に維持されるようにするのがよい。
【0029】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、寒冷地に設置されるのに適した液体燃料直接供給形燃料電池の構成とその起動を円滑に行うことができる運転方法を提供するのに有用であり、その用途の拡大に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る直接メタノール形燃料電池システムのブロック図である。
【図2】昇温手段の構造を示した図である。
【図3】本発明の実施の形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの一実施例を示す図である。
【図4】本発明の実施の形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
5 燃料貯蔵部
6 昇温手段
7 バイパス流路
10 セルスタック
51 燃料タンク
52 高濃度メタノールタンク
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a direct methanol fuel cell system capable of generating electricity by directly supplying an aqueous methanol solution as a liquid fuel and, more specifically, to a method for operating or storing the system in a cold region. The present invention relates to a configuration of a suitable direct methanol fuel cell system and an operation method capable of smoothly starting the system.
[0002]
[Prior art]
In recent years, countermeasures to environmental problems and resource problems have been emphasized, and fuel cells have been actively developed as one of the countermeasures. In particular, direct methanol fuel cells that directly use methanol power as a liquid fuel for power generation without reforming or gasification are simple in structure, small in size, and easy to reduce in weight. It is attracting attention as a power source for equipment, a power source for computers, and a portable power source.
[0003]
The direct methanol fuel cell described above has a configuration in which both sides of the electrolyte are sandwiched between a negative electrode and a positive electrode, an aqueous methanol solution as a liquid fuel is supplied to the negative electrode, and air as an oxidant gas is supplied to the positive electrode. It consists of a cell stack in which a plurality of cells having a configuration to be supplied are stacked. In this cell stack, an aqueous methanol solution is supplied to the negative electrode of each cell, air is supplied to the positive electrode, and generated by an electrochemical reaction of each cell. A separator having a channel groove and a manifold for discharging the reaction product is inserted between the cells.
[0004]
That is, the flow channel and manifold of the separator serve to supply an aqueous methanol solution to the negative electrode, supply air to the positive electrode, and discharge generated carbon dioxide from the negative electrode and discharged water from the positive electrode. .
[0005]
In such a direct methanol fuel cell, when an aqueous methanol solution is supplied to the negative electrode and air is supplied to the positive electrode, methanol and water react at the negative electrode to generate carbon dioxide and release hydrogen ions and electrons. Oxygen in the air takes in the hydrogen ions and electrons that have passed through the electrolyte to generate water, and generates electric energy in an external circuit.
[0006]
In the direct methanol fuel cell described above, it is preferable to increase the concentration of the methanol aqueous solution from the viewpoint of its output characteristics. However, when the concentration is increased, the methanol aqueous solution permeates the electrolyte composed of the proton conductive solid polymer membrane ( Therefore, it is necessary to determine the concentration of the methanol aqueous solution in consideration of the decrease in efficiency due to the increase in the permeation amount of the methanol aqueous solution. In other words, the output characteristics and efficiency depend on the operating temperature and the methanol aqueous solution. There is a feature that it greatly depends on operating conditions such as the concentration of air and the amount of air supplied.
[0007]
In addition, such a direct methanol fuel cell is preferably operated at an ambient temperature of 30 to 90 ° C. in order to stably obtain a high output, but the operable temperature range is 0 to 100 ° C. Since such direct methanol fuel cells can be installed or stored indoors or outdoors in cold regions as distributed power sources, even in such cases, startup is smooth. Making it possible is becoming essential. That is, it has been essential to be able to start up smoothly even if installed or stored in an atmosphere at a temperature of -20 ° C.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, proton conductive solid polymer membranes such as Nafion (registered trademark) used as an electrolyte for direct methanol fuel cells have water in the membrane, and direct methanol fuel cells are used in the atmosphere described above. When installed, it not only freezes and does not start smoothly, but once it has been operated and stored in the atmosphere described above, water remaining in the positive electrode, the separator on the positive electrode side or the piping system is frozen. As a result, there was a problem that the restart could not be performed smoothly.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve the above-described problems. The invention according to claim 1 is configured such that a negative electrode and a positive electrode are opposed to each other through an electrolyte composed of a proton conductive solid polymer film. An aqueous methanol solution having a cell provided with a structure for supplying an oxidant gas to the positive electrode or a cell stack in which a plurality of these cells are stacked, and a methanol concentration of 1 to 8% supplied to the cell or the cell stack And a temperature raising means for raising a temperature of the liquid fuel by supplying a part of the liquid fuel from the fuel storage unit between the fuel storage unit and the cell or the cell stack. It is characterized by that. According to the first aspect of the present invention, even when starting up in an atmosphere such as −20 ° C. or when restarting after storing in the above-mentioned atmosphere after operating once, Since the temperature of the liquid fuel can be increased up to about 30 ° C., which is a temperature at which stable operation is possible, the start-up and restart under the atmosphere described above can be performed smoothly and more than necessary by the temperature raising means. It is possible to prevent the aqueous methanol solution from being consumed .
[0010]
In the direct methanol fuel cell system of the present invention , it is preferable to inject and hold at least a part of the liquid fuel from the fuel storage unit into the cell or the cell stack during standby of the system operation. According to this, it is possible to prevent the freezing of moisture in the proton conductive solid polymer membrane by the injected liquid fuel, and further, when a part of the liquid fuel is also injected into the piping system connected to the cell or the cell stack. The problem of water remaining in the piping system and hindering restarting can also be solved.
[0011]
The invention described in claim 2 is characterized in that, in the direct methanol fuel cell system described in claim 1 , the temperature raising means has a bypass flow path for bypassing it. According to the second aspect of the present invention, after starting or restarting, the liquid fuel can be supplied to the cell or the cell stack via the bypass flow path. Can be prevented.
[0013]
In the direct methanol fuel cell system of the present invention , the fuel storage unit includes a fuel tank that stores a liquid fuel mainly composed of an aqueous methanol solution whose concentration is maintained at 1 to 8%, and a concentration of 8 to 60%. consists of a high-concentration methanol tank composed mainly of the aqueous methanol solution is maintained, it is preferred that a heating device is provided between the high-concentration methanol tank and a cell or cell stack. According to this , at the time of start-up and restart, a part of the methanol aqueous solution maintained at a relatively high concentration of 8 to 60% can be supplied to the temperature raising means and the temperature can be quickly raised. At the same time, the temperature of the system can be increased by the crossover of the aqueous methanol solution, so that the startup and restart described above can be performed more smoothly.
[0014]
In the direct methanol fuel cell system of the present invention , it is preferable to inject and hold a part of the high-concentration methanol aqueous solution from the high-concentration methanol tank into at least a cell or a cell stack during standby of the system operation. According to this , water freezing in the proton conductive solid polymer membrane can be prevented by the high concentration methanol aqueous solution injected, and a part of the high concentration methanol aqueous solution is also injected into the piping system connected to the cell or cell stack. By doing so, the problem that water remains in the piping system and the restarting is hindered can be solved.
[0015]
A cell having a configuration in which a negative electrode and a positive electrode are opposed to each other through an electrolyte composed of a proton conductive solid polymer membrane, a liquid fuel is supplied to the negative electrode, and an oxidant gas is supplied to the positive electrode, or a plurality of such cells are stacked. In the operation method of the direct methanol fuel cell system according to the present invention, the direct methanol fuel cell system of the present invention is operated, wherein the direct methanol fuel cell system provided with a fuel storage section for storing the cell or the liquid fuel supplied to the cell stack is provided. A temperature raising means is provided between the fuel storage unit and the cell or cell stack to supply a part of the liquid fuel from the fuel storage unit to increase the temperature of the liquid fuel. It is preferable to increase the temperature of the liquid fuel by supplying to the temperature means. According to this , even in the case of startup or restart in an atmosphere of −20 ° C., it can be performed smoothly.
[0016]
In the operation method of the direct methanol fuel cell system of the present invention , the temperature raising means has a bypass flow path that bypasses the temperature raising means, and after starting, bypasses between the fuel storage unit and the cell or the cell stack. It is preferable to communicate with each other through a flow path. According to this , after starting or restarting, the liquid fuel can be flowed to the bypass flow path, so that it is possible to prevent the liquid fuel from being consumed more than necessary by the temperature raising means.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the embodiments.
[0018]
FIG. 1 is a block diagram of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The feature of the direct methanol fuel cell system is that a cell stack 10 in which a plurality of cells are stacked has an aqueous methanol solution as a liquid fuel at the negative electrode. Configuration 1 for supplying, Configuration 2 for supplying air as an oxidant gas to the positive electrode, Configuration 3 for discharging a carbon dioxide produced at the negative electrode and a methanol aqueous solution that did not contribute to the reaction, Water produced at the positive electrode, The structure 4 for discharging the air that has not contributed to the reaction is provided. The structure 1 has a temperature raising means 6 for raising the temperature of the aqueous methanol solution at the time of start-up on the path leading to the fuel storage unit 5 for storing the liquid fuel, and this A bypass flow path 7 for bypassing the temperature raising means 6 and supplying the activated liquid fuel to the cell stack 10 is provided.
[0019]
The temperature raising means 6 preferably has the structure shown in FIG. That is, as shown in FIG. 2, a part of the pipe leading to the fuel storage unit 5 for storing the methanol aqueous solution is a porous pipe 61, and a glass fiber 62 coated with a platinum catalyst is an outer periphery of the porous pipe 61. Further, a synthetic resin-made outer tube 63 that also serves as a heat insulating layer, in which a large number of air introduction ports 630 are opened on the outer periphery of the glass fiber 62, is provided. When the aqueous methanol solution passes through the temperature raising means 6 having such a structure, it oozes into the glass fiber 62 from the porous pipe 61 and is oxidized by contacting air and the platinum catalyst to generate reaction heat and is porous. The aqueous methanol solution in the pipe 61 is heated, which can contribute to smooth start-up and restart of the direct methanol fuel cell system.
[0020]
In order to investigate the amount of heat generated by the temperature raising means 6, a porous pipe 61 having a length of 40 cm is prepared, and a glass fiber 62 coated with a platinum catalyst is wound around the porous pipe 61. A synthetic resin sheathing tube 63 that also serves as a heat insulating layer with an air inlet 630 is provided between the cell stack 10 and the fuel storage unit 5. When a methanol aqueous solution having a temperature of 0 ° C. and a concentration of 3% was flowed from the storage section 5 into the porous pipe 61 at 300 ml / min, the temperature of the methanol aqueous solution flowing out in about 20 minutes became 30 ° C. Thus, it was found that the air can be started by supplying air to the cell stack 10. On the other hand, when the same investigation was conducted without providing such a temperature raising means 6, the temperature of the methanol aqueous solution did not change even after 20 minutes, and it started even when air was supplied to the cell stack 10. I couldn't. The calorific value in this case is determined by the speed at which the methanol aqueous solution oozes from the porous pipe 61 (speed at which the methanol aqueous solution flows), the amount of platinum catalyst applied to the glass fiber 62, and the shape of the air inlet 630. It is preferable to determine appropriately according to the temperature at which the aqueous solution is heated.
[0021]
【Example】
Next, the above-described embodiment will be described based on specific examples.
[0022]
Example 1
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the direct methanol fuel cell system according to the first embodiment, in which the fuel storage unit 5 is a fuel tank 51 for storing a methanol aqueous solution having a concentration of 1 to 8% as a main component. is there. In this case, when the system is started or restarted in an atmosphere of −20 ° C., the aqueous methanol solution is supplied to the temperature raising means 6 through the pump 16 and the valve 15 to oxidize it. Since the temperature of methanol aqueous solution can be raised, the starting and restarting can be performed smoothly. Further, in FIG. 3, a bypass flow path 7 that bypasses the temperature raising means 6 is provided, and after the system is started or restarted, the aqueous methanol solution passes through the bypass flow path 7 and the cell stack via the pump 11 and the valve 12. 10 can be supplied. Thereby, it can prevent that methanol aqueous solution is oxidized more than necessary. In FIG. 3, reference numeral 23 denotes a valve for injecting an aqueous methanol solution into the configuration 2 when it is installed or stored in a cold region, which will be described later, and is closed during normal operation.
[0023]
(Example 2)
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a direct methanol fuel cell system according to the second embodiment. The fuel storage unit 5 includes a fuel tank 51 for storing a methanol aqueous solution having a concentration of 1 to 8% as a main component, and a main component. Is a high-concentration methanol tank 52 for storing a methanol aqueous solution having a concentration of 8 to 60%, and the methanol aqueous solution can be supplied from the fuel tank 51 to the cell stack 10 via the pump 11 and the valve 12, and the high-concentration methanol tank The high-concentration aqueous methanol solution can be supplied from 52 to the cell stack 10 via the pump 13, the valve 14, and the temperature raising means 6. In this case, when the system is started or restarted in an atmosphere of −20 ° C., the high-concentration methanol aqueous solution is heated from the high-concentration methanol tank 52 via the pump 13, the valve 18 and the valve 14. When this is supplied and oxidized, the temperature of the aqueous methanol solution can be quickly raised, and the temperature rise of the system can be promoted by crossover with a relatively high concentration of aqueous methanol solution. Furthermore, it can be performed smoothly. After startup, the pump 13 is stopped, the valves 18 and 14 are closed, and an aqueous methanol solution is supplied from the fuel tank 51 to the cell stack 10 via the pump 11 and the valve 12. Also in FIG. 4, a bypass channel 7 that bypasses the temperature raising means 6 is provided so that various configurations are possible. For example, by providing the bypass flow path 7, the valve 17 and the pump 19 as shown in FIG. 4, after the system is started or restarted, the valve 14 is closed and the valve 17 is opened as necessary. If a high concentration aqueous methanol solution can be supplied to the fuel tank 51, the concentration of the aqueous methanol solution in the fuel tank 51 can be controlled to be 1 to 8%. In addition, a function of supplying an aqueous methanol solution from the fuel tank 51 to the temperature raising means 6 via the pump 19, the valve 17, and the valve 14 can be provided. Further, when starting the cell stack 10 under a normal atmosphere, the high concentration methanol is transferred from the high concentration methanol tank 52 to the cell stack 10 via the pump 13, the valve 18, the valve 17, the pump 19, the pump 11 and the valve 12. Although a function of supplying an aqueous solution can be provided, the pump 19 may be omitted if only this function is provided.
[0024]
The cell has a negative electrode separator for supplying a liquid fuel such as a methanol aqueous solution to the negative electrode through an electrolyte composed of a proton conductive solid polymer membrane such as Nafion (registered trademark). The positive electrode side separator for supplying oxidizing gas, such as air, to the said positive electrode is provided. The negative electrode is a mixture of Nafion (registered trademark) and PTFE (polytetrafluoroethylene) in a conductive catalyst such as C (carbon) -Pt-Ru, and the positive electrode is, for example, C ( This is a mixture of Nafion (registered trademark) and PTFE (polytetrafluoroethylene) in a conductive catalyst such as (carbon) -Pt.
[0025]
Next, when operating such a direct methanol fuel cell system under normal conditions, the valve 21 shown in FIGS. 3 and 4 is opened and air is sent from the air blower 22 to the positive electrode of the cell stack 10. At the same time, the valve 12 is opened and a methanol aqueous solution is supplied from the fuel storage 5 to the negative electrode of the cell stack 10 by the pump 11. When transporting to a cold area of 5 ° C. or lower, or when installing or storing in preparation for operation in a cold area where the ambient temperature is −5 ° C. or lower, the valves 17 and 12 are opened as shown in FIG. Then, a high-concentration methanol aqueous solution is injected from the high-concentration methanol tank 52 to the cell stack 10 through the pump 11 and held therein. At this time, the high-concentration methanol aqueous solution is supplied not only to the cell stack 10 but also from the valve 12 to the configuration 1 for supplying liquid fuel to the negative electrode of the cell (pipe system), from the configuration 1 to the positive electrode of the cell via the valve 23. It is also preferable to inject into the path (pipe system) leading to the configuration 2 for supplying the oxidant gas, the configuration 3 for discharging carbon dioxide generated at the negative electrode, and the configuration 4 for discharging water generated at the positive electrode. It should be noted that such implantation can be similarly performed in the first embodiment shown in FIG. As a result, even in the cold district described above, the positive electrode, the separator on the positive electrode side, or the path (pipe system) can be filled with the high-concentration methanol aqueous solution, so that freezing of water remaining on the positive electrode and the positive electrode can be prevented. Moreover, at the time of starting, the high concentration methanol aqueous solution mentioned above can be removed by sending air from the air blower 22 to the positive electrode of the cell stack 10.
[0026]
In the above-described liquid fuel direct supply type fuel cell system, the cell stack 10 is formed by stacking a plurality of cells. However, the cell stack 10 may be replaced with a single cell.
[0027]
The concentration of the aqueous methanol solution stored in the high-concentration methanol tank 52 is about 8% or more when the ambient temperature is about −5 ° C., and about 25% or more when the ambient temperature is about −20 ° C. If the temperature is about −40 ° C., it is preferably about 40% or more. However, if the concentration is 60% or more, the possibility of ignition increases. Therefore, the upper limit of the concentration is preferably 60%.
[0028]
Further, the concentration of the aqueous methanol solution stored in the fuel tank 51 is maintained at 1 to 8%, which is a range in which good output characteristics can be obtained in consideration of a decrease in efficiency due to an increase in the permeation amount of methanol. It is good to do.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, the present invention is useful for providing a configuration of a liquid fuel direct supply type fuel cell suitable for being installed in a cold region and an operation method capable of smoothly starting the fuel cell. It can contribute to the expansion of applications.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a structure of a temperature raising unit.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing another example of the direct methanol fuel cell system according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
5 Fuel Storage Unit 6 Temperature Raising Means 7 Bypass Channel 10 Cell Stack 51 Fuel Tank 52 High Concentration Methanol Tank

Claims (2)

プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設し、前記負極に液体燃料を、前記正極に酸化剤ガスを供給する構成を設けたセルまたはこのセルが複数個積層されたセルスタックを備え、前記セルまたはセルスタックに供給するメタノール濃度が1〜8%のメタノール水溶液を貯蔵する燃料貯蔵部を設け、前記燃料貯蔵部とセルまたはセルスタックとの間に、前記燃料貯蔵部から液体燃料の一部を供給して液体燃料の温度を上昇させる昇温手段を設けたことを特徴とする直接メタノール形燃料電池システム。A cell having a configuration in which a negative electrode and a positive electrode are opposed to each other through an electrolyte composed of a proton conductive solid polymer membrane, a liquid fuel is supplied to the negative electrode, and an oxidant gas is supplied to the positive electrode, or a plurality of such cells are stacked. A fuel storage part for storing a methanol aqueous solution having a methanol concentration of 1 to 8% to be supplied to the cell or the cell stack, and the fuel is provided between the fuel storage part and the cell or the cell stack. A direct methanol fuel cell system comprising a temperature raising means for raising a temperature of a liquid fuel by supplying a part of the liquid fuel from a storage unit. 昇温手段は、それをバイパスするバイパス流路を有したことを特徴とする請求項1に記載の直接メタノール形燃料電池システム。 2. The direct methanol fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature raising means has a bypass passage for bypassing the temperature raising means.
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