JPS63236271A - 燃料電池運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池の運転方法に係わり、特しこ、冷却に
よる運転温度の調整方法に係わる。

〔従来の技術〕

燃料電池は、燃料および酸化剤の反応エネルギーを直接
電気エネルギーとして取出すもので、発電効率が高く、
騒音、振動も少なく、排ガスもクリーンであるため、新
発電方式として期待されている。特に、メタノールを燃
料とし硫酸等を電解質とする酸性電解質型メタノール燃
料電池（以下メタノール燃料電池という）は、常圧かつ
比較的低温（約６０℃）で運転され、小形化も容易であ
るため、中小容量の電源として広範な用途が開けている
。

本電池においては、所定の出力を安定して得るためには
、運転温度を所定範囲内に維持する必要がある。

燃料電池においては反応エネルギーの全てが電気エネル
ギーに変換される訳ではなく、熱エネルギーとして放出
される部分もすくながらずある。

従って、この熱エネルギーを利用して運転温度を適正な
範囲に維持することが可能である。しがしながら、操作
条件あるいは運転環境によっては温度が高くなり過ぎる
場合があり、何らかの方法で冷却して適正な温度範囲に
維持する必要が生じる。

電池冷却の方法としては、一般的に、後述のアノライト
を冷却する方法と、酸化剤として供給する空気により冷
却する方法のニガ法が考えられる。

前者に属する方法として、特公昭５３−１４５１３３が
ある。この方法は、アノライトをラジェーターに導き伝
熱面を介して空気により冷却するもので。

同公報ではラジェーター構造を提案している。この方法
には、伝熱面を介して冷却ししがち空冷であるため、大
きな伝熱面積を要するという問題がある。しかも、環境
温度が高くなると、すなわち冷却空気（大気）温度が高
くなると冷却能力が低下し実質上冷却が不可能となると
いう限界がある。

後者の方法は、簡単な方法ではあるが、発電に必要な空
気量と冷却に必要な空気量が必ずしも一致するとは限ら
ない。従って、空気量選定の自由度は大きくなく、あま
り大きな冷却能力は期待できない。環境温度が高くなる
と冷却能力が低下し実質上冷却が不可能となるのは前者
の場合と同様である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、上記の問題点を解決し、電池の発熱に
より電池温度が運転に適正な温度域以上に上昇するよう
な操作条件あるいは運転環境においても、運転温度を適
正な温度域に維持することができる、燃料電池運転方法
を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、後述するアノライト中の水を蒸発させ、蒸
発潜熱によりアノライトを冷却することにより達成され
る。

具体的な方法としては、アノライトと冷却空気を直接接
触させることにより達成される。

さらに、水に対し透過性を有する膜を介してアノライト
と冷却空気を接触させることによっても達成される。

さらに、アノライトに対する親和性の小さな多孔質膜を
介してアノライトと水を接触させることにより良好に達
成される。

〔作用〕

酸性電解質型メタノール燃料電池においては、一般にア
ノライトと称するメタノールと硫酸の混合水溶液を電池
のメタノール極（アノード）に供給し、酸化剤としての
空気を空気極（カソード）に供給して発電を行わしめる
。通常アノライトは′＃環槽を介してポンプ等の循環手
段により電池本体のメタノール（極）室に循環され、発
電により消費されるメタノール量に相当するメタノール
を（必要に応じて、発電反応等でやはり消費される水と
共に）アノライトに補給することによりメタノール濃度
を一定に保ち、発電状態に維持する。

前述の如く、発電を円滑に行なわしめるためには電池温
度を適正に保つことが有効で、これは主としてアノライ
トの温度を適正に保つことにより達成される。適正温度
は、運転条件にもよるが、運転電流密度（単位電極面積
あたりの電流密度）が４０〜６０　ｍ　Ａ　／　ｃｒｌ
の場合おおよそ４０〜６０℃である。

本発明は、アノライトの水を蒸発させ蒸発潜熱によりア
ノライトを冷却して電池運転温度を適正な範囲に維持す
るものである。本法では５８０ｋｃａＱ／ｇと大きな蒸
発潜熱を利用するため冷却能力は大きく、しかも環境温
度が高くとも、極端な場合には４ｏ〜６０℃の電池運転
温度より高くとも、大気が飽和温度以下であるかぎりは
冷却が可能となる。

本法における気液接触方式としては、バブリング方式、
スプレィ方式、充填方式、濡壁方式２等の一般的な気液
接触方式が適用できる。

さらに、本発明においては、水に対し透過性を有する膜
を介して水を蒸発させることにより良好な結果を得るこ
とができる。水の蒸発速度を高めるたるには気液接触面
積を大きくすることが必要であり、膜を介しアノライト
と冷却空気を接触させることにより接触面積を大きくす
ることができ、冷却能力を大きくすることができる。

さらに、本発明においては、アノライトに対する親和力
の小さな多孔質膜を介して水を蒸発させることによって
良好な結果を得ることができる。

この方法では、所定圧力以下ではアノライトは表面張力
により膜を透過することができず、膜内に気液界面を形
成し、この界面から水を蒸発させることができる。膜は
多孔質であることから、水の膜中における移動抵抗は、
はとんど気相と同程度まで小さくなり、しかも気液接触
面積は大きくなるため、高い冷却能力が得られる。この
場合、多孔質膜としては、ポリテトラフルオロエチレン
（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂を材料とする多孔質膜、
ポリエチレン、ポリプロピレン等の炭化水素系樹脂を材
料とする多孔質膜等が良好に適用できるが１本発明は特
に膜材料の種類を限定するものではない。また、これら
の膜を利用した気液接触装置についてもその構造につい
て特に限定するものでない０例えば、特開昭６０−１４
７２８６には環状膜を使用した装置が、また、特開昭５
７−１１３８０１には平膜を積層した装置および平膜を
スパイラル状に巻いた装置が示されているが、これらを
含む種種の構造の膜装置が適用できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。本実
施例は、蒸発潜熱利用冷却器にアノライトに対する親和
力の小さな多孔質膜を利用したものである。

第１図において、燃料電池本体１にはアノライト循環槽
３を介してポンプ等のアノライト供給手段８により、ア
ノライト流路１１を通じて、アノライトが循環される。

また、燃料電池本体１には。

空気がファン等の空気供給手段６により流路９を通じて
供給される。メタノールおよび空気の供給で電池本体は
発電を行う。燃料メタノールあるいはメタノール水溶液
が燃料貯槽４がら燃料流路１２および弁１９を通じてア
ノライト循環槽３に供給され１発電が継続される。アノ
ライ１−の循環流路１１内に蒸発潜熱利用冷却器２が設
けられる。

蒸発潜熱利用冷却器２ではＰＴＦＥ多孔質膜を介して、
アノライトとファン等の空気供給手段７により弁１８を
通じて供給される空気が接触し、アノライトは水の蒸発
潜熱により冷却されてアノライト循環槽３に戻り、加湿
された空気は（必要に応じて、混入したメタノール等の
除去を目的とした排空気浄化器５を経て）系外へ排出さ
れる。

以上により、アノライトの温度が低下し、温度の低いア
ノライトが燃料電池本体１内を循環することにより燃料
電池本体温度が低下し、運転温度を適正な範囲に納める
ことができる。

弁１８の開示調節により供給空気量を調節することによ
り、また、弁２０および２１の操作により、アノライト
の蒸発潜熱利用冷却器２内流通量を調節することにより
、冷却熱量は容易に調節できる。

なお、第１図においては二つの空気供給手段６゜７が設
けられているが、一つの供給手段で、発電のための空気
供給と、冷却のための空気供給を行わしめることも可能
なことは言うまでもない。以上の方法により、高電流密
度、アノライトの高メタノール濃度、等の温度上昇し昌
い運転条件下、あるいは高い環境温度下においても、電
池温度を適正な温度域に維持して安定な運転を継続する
ことが可能となる。

第２図に１本発明の他の実施例を示す。本実施例は、蒸
発潜熱利用冷却器においてアノライトと空気を直接接融
させるものである。

第２図において、燃料電池本体１にポンプ等のアノライ
ト供給手段８により、アノライト流路１１を通じて、ア
ノライトが循環さ九、また、燃料電池本体１には、空気
がファン等の空気供給手段６により流路９を通じて供給
され、電池本体で発電を行い、燃料メタノールあるいは
メタノール水溶液が燃料貯槽４から燃料流路１２および
弁１９を通じてアノライト循環経路に供給され１発電が
継続されるのは第１図の場合と同様である。

また、アノライトの循環流ｙ＆１１内に蒸発潜熱利用冷
却器２が設けられるものも第１図の場合と同様である。

本実施例と前述の実施例との最大の相異点は、蒸発潜熱
利用冷却器２内において触媒とアノライトが直接接触す
ることにある。すなわち。

本実施例では、蒸発潜熱利用冷却器２は、気液接触のた
めの充填材層１４、ミストセパレータ１６゜アノライト
受層１５からなり、ファン等の空気供給手段７により弁
１８を通じて供給される空気が充填材層１４においてア
ノライトと直接接触し、アノライトは水の蒸発潜熱によ
り冷却されてアノライト受槽１５に戻り、加湿された空
気は（必要に応じて、混入したメタノール等の除去を目
的とした排空気浄化器５を経て）系外へ排出される。

以上により、アノライトの温度が低下し、電池運転温度
を適正な範囲に納めることができる。

弁１８，２０．２１の操作により冷却空気量およびアノ
ライト流量を調節することにより冷却熱量が容易に調節
できることは前述の実施例と同様である。

第３図に、本発明のさらに他の実施例を示す。

本実施例は蒸発潜熱利用冷却器とアノライト循環槽が一
体となり、冷却空気は冷却器内を自然対流で流通する。

第３図において、蒸発潜熱利用冷却器２のアノライト循
環槽３がアノライトに対して親和力の小さな多孔質膜１
３を介して一体となっている。すなわち、アノライト循
環槽３の接液部の少なくとも一部が多孔質膜１３で構成
されその多孔質膜のアノライト接触面の裏面側に冷却空
気が流通する。

また、多孔質膜１３は鉛直方向に配置される。さらに排
空気浄化器５が雰発潜熱利用冷却器２の上部に位置し１
両者を結ぶ流路は、上り一方向とされる。排空気浄化器
５内にはメタノール酸化触媒が充填され、排空気の流路
は鉛直方向とされる。

冷却用空気はアノライトにより加温され、排空気浄化器
５内で排空気に含まれるメタノールの酸化熱によりさら
に加温されて、自然対流で流通する。

燃料電池本体への空気供給方法、アノライトの循環方法
、燃料供給方法、等については、前述の２実施例の場合
と同様である。

以上の実施例の方法においては、冷却系統の小形化と簡
易化が達成できる。

〔発明の効果〕

以上の本発明の方法によれば、電池の発熱により電池温
度が運転に適正な温度域以上に上昇するような操作条件
下あるいは運転環境下においても、運転温度を適正な温
度域に維持し、安定に運転を継続することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は、本発明の実施例を示す装置のフ
ローである。 １・・・メタノール燃料電池本体、２・・・蒸発潜熱利
用冷却器、３・・・アノライト循環槽、４・・・燃料貯
槽。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、メタノールを燃料とし硫酸等を電解質とする酸性電
   解質型燃料電池において、特に電池の発熱により電池温
   度が運転に適正な温度域以上に上昇するような操作条件
   あるいは環境条件における運転において、アノライト中
   の水を蒸発させ蒸発潜熱によりアノライトを冷却するこ
   とにより運転温度を適正な範囲に維持し、安定に運転を
   継続せしめる燃料電池の運転方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、水に対し透過性を
   有する膜を介してアノライト中の水を蒸発させる燃料電
   池の運転方法。 ３、特許請求の範囲第２項において、アノライトに対す
   る親和性の小さな多孔質膜を介して水を蒸発させる燃料
   電池の運転方法。 ４、特許請求の範囲第１項において、アノライトと冷却
   空気を直接接触させ、アノライト中の水を蒸発させる燃
   料電池の運転方法。