(57)【要約】【課題】環境温度が低いときでも起動性に優れ、短時間で負荷運転移行できるダイレクトメタノール型燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】通常運転時に使用するメタノール水溶液循環系統よりも、熱容量を小さくしたメタノール水溶液循環系統、あるいは総容積が小さいメタノール水溶液循環系統を起動用として備える。起動用の燃料をアノードに供給し、燃料電池の発熱作用を利用して温度を高めて電池を昇温する。アノード出口の燃料を再びアノード入口に循環させ、これを繰り返すことで、発電セルを運転温度まで加熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を挟んでカソードとアノードを有する発電セルの前記アノードに燃料を供給し、前記カソードに空気を供給して、電極で直接反応させて発電を行う直接発電可能な燃料電池の起動方法であって、通常運転時よりも低熱容量の燃料をアノードに供給し、アノード出口の燃料を再びアノード入口に循環させることを特徴とする燃料電池の起動方法。
【請求項２】
電解質を挟んでカソードとアノードを有する発電セルと、前記発電セルのアノードに燃料を供給しアノード出口の燃料を再びアノード入口に循環させる燃料供給循環系統と、前記発電セルのカソードに空気を供給する空気供給系統とを具備する直接発電可能な燃料電池発電システムにおいて、前記燃料供給循環系統として通常運転用燃料供給循環系統と起動用燃料供給循環系統を備え、前記起動用燃料供給循環系統における配管内の燃料溶液の体積を前記通常運転用燃料供給循環系統における配管内の燃料溶液の体積よりも小さくしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記通常運転用燃料供給循環系統と前記起動用燃料供給循環系統にそれぞれ燃料液を貯蔵する燃料貯蔵容器を備え、前記起動用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器の容積が前記通常運転用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器の容積よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記起動用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器にガス抜き部が備えられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記通常運転用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器からの燃料が前記起動用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器に供給されるように両方の燃料貯蔵容器が連結されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記通常運転用燃料供給循環系統に、燃料貯蔵容器が備えられ、その燃料貯蔵容器と前記発電セルのアノード入口とを結ぶ配管の途中に燃料循環手段が設けられ、アノード出口と前記燃料貯蔵容器とを結ぶ配管の途中にフィルタ及び脱気器が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記起動用燃料供給循環系統に、前記通常運転用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器の容積よりも小さい燃料貯蔵容器が備えられ、その燃料貯蔵容器と前記発電セルのアノード入口とを結ぶ配管の途中に燃料循環手段が設けられ、アノード出口と前記燃料貯蔵容器とを結ぶ配管の途中に開閉バルブが備えられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記起動用燃料供給循環系統の配管が前記発電セルのアノード入口近傍で前記通常運転用燃料供給循環系統の配管に接続され、前記発電セルのアノード出口近傍で前記通常運転用燃料供給循環系統の配管から分岐されて前記起動用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器に戻るように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記通常運転用燃料供給循環系統に前記燃料貯蔵容器に加えて、この燃料貯蔵容器の燃料を前記発電セルのアノード入口に供給する配管と燃料循環手段および、アノード出口の燃料を前記燃料貯蔵容器に戻す配管が備えられ、前記起動用燃料供給循環系統はアノード出口近傍にて前記通常運転用燃料供給循環系統から分岐され、前記通常運転用燃料供給循環系統に備わる前記燃料循環手段の入口側に接続されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記通常運転用燃料供給循環系統に、燃料貯蔵容器と、この燃料貯蔵容器の燃料を前記発電セルのアノード入口に供給する配管と燃料循環ポンプおよび、アノード出口の燃料を前記燃料貯蔵容器に戻す配管が備えられ、前記起動用燃料供給循環系統は前記通常運転用燃料供給循環系統に備わる前記燃料循環ポンプの入口と出口の間でバイパスされて並列に設けられ、そのバイパス系統に前記通常運転用燃料供給循環系統の前記燃料循環ポンプに比べて吐出流量の少ない小容量の起動用循環ポンプが備えられ、起動時に前記通常運転用燃料供給循環系統に備わる前記燃料貯蔵容器に通常運転時よりも少ない体積の燃料を注入し前記起動用循環ポンプにて起動することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
電解質を挟んでカソードとアノードを有する発電セルと、前記発電セルのアノードに燃料を供給しアノード出口の燃料を再びアノード入口に循環させる燃料供給循環系統と、前記発電セルのカソードに空気を供給する空気供給系統とを具備する直接発電可能な燃料電池発電システムにおいて、前記燃料供給循環系統として通常運転用燃料供給循環系統と起動用燃料供給循環系統を備え、前記起動用燃料供給循環系統における配管熱容量を前記通常運転用燃料供給循環系統の配管熱容量よりも小さくしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記通常運転用燃料供給循環系統と前記起動用燃料供給循環系統にそれぞれ燃料液を貯蔵する燃料貯蔵容器を備え、前記起動用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器の容積が前記通常運転用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器の容積よりも小さいことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記起動用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器にガス抜き部が備えられていることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記通常運転用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器からの燃料が前記起動用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器に供給されるように両方の燃料貯蔵容器が連結されていることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
前記通常運転用燃料供給循環系統に、燃料貯蔵容器が備えられ、その燃料貯蔵容器と前記発電セルのアノード入口とを結ぶ配管の途中に燃料循環手段が設けられ、アノード出口と前記燃料貯蔵容器とを結ぶ配管の途中にフィルタ及び脱気器が設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１６】
前記起動用燃料供給循環系統に、前記通常運転用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器の容積よりも小さい燃料貯蔵容器が備えられ、その燃料貯蔵容器と前記発電セルのアノード入口とを結ぶ配管の途中に燃料循環手段が設けられ、アノード出口と前記燃料貯蔵容器とを結ぶ配管の途中に開閉バルブが備えられていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１７】
前記起動用燃料供給循環系統の配管が前記発電セルのアノード入口近傍で前記通常運転用燃料供給循環系統の配管に接続され、前記発電セルのアノード出口近傍で前記通常運転用燃料供給循環系統の配管から分岐されて前記起動用燃料供給循環系統における燃料貯蔵容器に戻るように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１８】
前記通常運転用燃料供給循環系統に前記燃料貯蔵容器に加えて、この燃料貯蔵容器の燃料を前記発電セルのアノード入口に供給する配管と燃料循環手段および、アノード出口の燃料を前記燃料貯蔵容器に戻す配管が備えられ、前記起動用燃料供給循環系統はアノード出口近傍にて前記通常運転用燃料供給循環系統から分岐され、前記通常運転用燃料供給循環系統に備わる前記燃料循環手段の入口側に接続されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１９】
前記通常運転用燃料供給循環系統に、燃料貯蔵容器と、この燃料貯蔵容器の燃料を前記発電セルのアノード入口に供給する配管と燃料循環ポンプおよび、アノード出口の燃料を前記燃料貯蔵容器に戻す配管が備えられ、前記起動用燃料供給循環系統は前記通常運転用燃料供給循環系統に備わる前記燃料循環ポンプの入口と出口の間でバイパスされて並列に設けられ、そのバイパス系統に前記通常運転用燃料供給循環系統の前記燃料循環ポンプに比べて吐出流量の少ない小容量の起動用循環ポンプが備えられ、起動時に前記通常運転用燃料供給循環系統に備わる前記燃料貯蔵容器に通常運転時よりも少ない体積の燃料を注入し前記起動用循環ポンプにて起動することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項２０】
前記発電セルが固体高分子形燃料電池の発電セルよりなることを特徴とする請求項２又は１１に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の起動方法とその方法を実施するための燃料電池発電システムに関するものである。本発明は、特にダイレクトメタノール燃料電池に適用するのに好適である。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は一般的にアノード、電解質層、カソードを積層して燃料電池セルを構成し、アノードに還元剤として水素などの燃料を、カソードに酸化剤として酸素（例えば空気中の酸素）を供給して、燃料供給と反応生成物の排出を連続的に行い、燃料と酸素によって電気化学反応を生じさせて電力を得る電池であり、種々の形式のものが開発されている。
【０００３】
燃料電池の一種である固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池と比べて、作動温度が低いが高い出力密度を有する特徴を持ち、低コスト化が可能で、小型・軽量化も容易であることから、電子機器の駆動電源や充電器などの用途へも展開可能である。特にメタノールと水を含む液体燃料を直接アノードへ供給するだけで発電可能なダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）が近年注目されている。
【０００４】
ＤＭＦＣではアノードに燃料としてメタノール水溶液が供給され、カソードには一般的には空気が供給され、各セルにおいて電気化学反応を生じさせて発電するとともに、電気化学反応により生成した反応生成物を排出する。このときアノードからは二酸化炭素が、カソードからは水が生成物として排出される。
【０００５】
ＤＭＦＣの運転温度は電解質膜の特性にも依存するがおおよそ５０℃〜８０℃であるため、燃料電池の停止状態から起動する場合、燃料電池の作動温度まで昇温する必要があり、特に低温環境下では瞬時に起動できない問題がある。
【０００６】
この問題を解決するために、燃料電池が起動できるようになるまでリチウムイオン電池に代表される二次電池などの補助バッテリーを使って駆動させる方法がある。しかしながら起動までの時間が長くかかる場合、それだけ電気容量の大きいバッテリーが必要となる。また、ヒーターや触媒燃焼などにより加熱する方法もあるが、これもバッテリー電源や燃焼触媒が必要となり、システムの複雑さ、コストアップの要因となる。
【０００７】
燃料電池の始動時には、通常運転時よりも高濃度な燃料を供給して発熱反応を促進させて電池温度を昇温する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００６−４８６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは高濃度用に通常時とは別に燃料濃度調節機構を備えたタンクが必要となる。さらに、電気化学反応ではなく、メタノール酸化反応による発熱反応の促進を目的として高濃度燃料を起動時に使用しているので、発電以外に使われる燃料の使用量が増加し、燃料効率、発電効率の面から好ましいといえない。また、急激な発熱は電解質膜や電極にとって決して好ましいものではなく、劣化を早める可能性がある。
【０００９】
本発明の目的は、環境温度が低いときでも燃料消費を最小限に抑えて短時間で起動でき、しかも起動時の電気化学反応以外のメタノール酸化反応による急激な発熱を極力抑制した燃料電池起動方法とそれを実施するための燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池発電システムの起動方法は、燃料電池の発熱作用を利用して燃料電池に使われる液体燃料の温度を高めて電池を昇温する方法であって、起動時に、通常運転時よりも低熱容量の燃料を発電セルのアノードに供給し、アノード出口の燃料を再びアノード入口に循環させるものである。
【００１１】
また、上記の起動方法を実現する燃料電池発電システムとして、通常運転時の燃料供給循環系統とは別に、起動時専用の燃料供給循環系統を備え、起動用燃料供給循環系統における配管内の燃料溶液の体積を、通常時の燃料供給循環系統における配管内の燃料溶液の体積よりも小さくするものである。あるいは、起動用燃料供給循環系統の配管熱容量を通常運転時の燃料供給循環系統の配管熱容量よりも小さくするものである。
【００１２】
さらには、起動用燃料供給循環系統に燃料溶液を供給する手段と、供給された燃料溶液を貯蔵する燃料貯蔵容器を備え、燃料貯蔵容器の容積を、通常の運転時に使用される燃料液貯蔵容器の容積よりも小さくするものである。
【００１３】
起動用燃料供給循環系統には、循環用の小容量循環駆動手段やガス抜き手段を設けることが好ましく、また、起動用の燃料は通常の運転時に使用される燃料液貯蔵容器から供給するようにして設備を簡素化することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、起動用燃料供給循環系統内の燃料溶液の熱容量を小さくするため、同じ電池からの発熱量を伝熱により吸収しても燃料電池の昇温速度が速くなり、低温時においても短時間で発電に必要な電池温度を達成でき、発電に移行できる。このため、起動時に消費する燃料消費量が低減でき、発電効率及び発電容量が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、ＤＭＦＣ発電システム及びその起動方法に関する詳細な実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明による燃料電池発電システムの構成の一例を示す構成図である。本発明の燃料電池システム１は、アノード２及びカソード３からなる一対の電極により挟まれる電解質膜２０で形成される発電セル１０と、主に発電セル１０において通常運転時に使用される低濃度のメタノール水溶液を調合し、貯蔵する調合タンク７、主に起動時に使われる分量のメタノール水溶液量を貯蔵する起動用メタノール容器６を有している。
【００１７】
また、調合タンク７にて低濃度のメタノール水溶液を調合するため、希釈用の高濃度なメタノール水溶液を貯蔵する被希釈燃料タンク４と、主として水または極低濃度のメタノール水溶液を貯蔵する水タンク５を備える。被希釈燃料タンク４から調合タンク７に高濃度なメタノール水溶液を供給する被希釈燃料供給手段１５、メタノール希釈用の水を水タンク５から調合タンク７に供給する水供給手段１６を有する。また、発電セル１０に酸化剤である空気を供給するための空気ファン１３などの空気供給手段と、発電セル１０にて発生した水とその他の物質とを分離する気液分離器８、気液分離器８にて分離した水を水タンク５に送る水回収ポンプ１４が備わる。
【００１８】
更に発電セル１０に調合タンク７のメタノール水溶液を供給し循環させる燃料循環ポンプ１１、この燃料循環ポンプ１１によって循環するメタノール水溶液を清浄に保つためのフィルタ１８、燃料循環ポンプ１１によって循環するメタノール水溶液から発電セル１０のアノード２内にて発生したガスを分離する脱気器１７、起動用メタノール容器６のメタノール水溶液を発電セル１０に供給し循環させる起動循環ポンプ１２、調合タンク７のメタノール水溶液と起動用メタノール容器６のメタノール水溶液の流路を切り替えるバルブ１０１、１０２と温度測定装置の測定値を読み取り、上記バルブ、上記ポンプ等に指示を送る制御装置９を有している。
【００１９】
発電セル１０はプロトン及びメタノールを透過させる膜状の電解質膜２０、発電反応における触媒を有するアノード２及びカソード３からなり、電解質膜２０をアノード２、カソード３で挟み、張り合わせて形成される。プロトン及びメタノールを透過させる電解質膜２０は透過性と耐酸化性、耐熱性を兼ね備えた材質で形成され、できるだけメタノールの透過性の低いものが好ましい。
【００２０】
アノード２、カソード３は金属材料や炭素材料、導電性を有する不繊布などを用いて構成され、例えば炭素材料を用いる場合、炭素材料の多孔質表面に白金などの触媒を担持させてもよい。
【００２１】
電池反応は、アノード２に低濃度メタノール水溶液を、カソード３に空気供給手段から空気を供給することにより起こすことができる。低濃度メタノール水溶液は、アノード２において、低濃度メタノール水溶液中の水とメタノールによって、下記の式１に示すように反応する。
【００２２】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−        …式１
この反応で発生するプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜２０を透過しカソード３に移動する。また、発生した電子（ｅ−）は、アノード２から外部回路を通りカソード３に移動する。移動してきたプロトンと電子は、カソード３において、供給される空気中の酸素と下記の式２に示す反応を起こす。
【００２３】
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ            …式２
したがって、本発明の燃料電池システム１の発電セル１０には、低濃度メタノール水溶液と空気を供給することにより電池反応を行うことができる。
【００２４】
また、発電セル１０は電池反応により発熱するため、セルの温度を検出するため発電セル内の温度を測定する温度測定センサ４０を有し、この温度測定センサ４０は発電セル内の温度を読み取り、バルブ等に命令を行う制御装置９と接続されている。
【００２５】
被希釈燃料タンク４は被希釈燃料のメタノールを貯蔵する貯蔵容器であり、被希釈燃料供給手段１５を介して低濃度メタノール水溶液を貯蔵する調合タンク７に接続されている。
【００２６】
被希釈燃料供給手段１５はポンプあるいは調節バルブであり、被希釈燃料タンク４と調合タンク７の間に設けられ、被希釈燃料タンク４のメタノールを所定量、調合タンク７に送り込むことができる。
【００２７】
水タンク５は気液分離器８により回収した水を貯蔵する貯蔵容器であり、水供給手段１６を介して低濃度メタノール水溶液を貯蔵する調合タンク７に接続されている。水供給手段１６はポンプあるいは調節バルブであり、水タンク５と調合タンク７の間に設けられ、水タンク５の水を所定量、調合タンク７に送り込む。被希釈燃料供給手段１５及び水供給手段１６は下記で説明する制御装置の命令に従って作動する。
【００２８】
調合タンク７は通常運転時の低濃度メタノール水溶液を貯蔵する貯蔵容器であり、起動用メタノール容器６は起動時のメタノール水溶液を貯蔵する貯蔵容器である。
【００２９】
調合タンク７は下記で説明する逆止弁１０３、燃料循環ポンプ１１を介して発電セル１０のアノード２と接続されている。また、メタノール水溶液を循環させるために、アノード２は切替えバルブ１０２及びフィルタ１８、脱気器１７を介して調合タンク７と接続されている。
【００３０】
起動用メタノール容器６は起動循環ポンプ１２を介して発電セル１０のアノード２と接続されている。また、メタノール水溶液を循環させるために、アノード２は切替えバルブ１０１を介して起動用メタノール容器６と接続されている。
【００３１】
また、起動用メタノール容器６にはガス抜き手段１９が設けられており、アノード２出口の循環液中に含まれるガス、主として二酸化炭素をメタノール循環液から分離する。さらに起動用メタノール容器６の容積及び起動用燃料供給循環系統の配管内容積は調合タンク７とその循環系統の配管内容積よりも小さくなっている。
【００３２】
さらに、起動用メタノール容器６は調合タンク７と接続されており、調合タンク７のメタノール水溶液が起動用メタノール容器６に起動用燃料供給手段１００を介して供給される。起動用燃料供給手段１００としてはポンプあるいは開閉バルブがあり、本実施例では消費電力の小さい電磁開閉バルブにより重力を利用して上から下に向かって調合タンク７内のメタノール水溶液が流れる構造となっている。
【００３３】
本実施例の燃料電池発電システム１は調合タンク７とそれにつながる循環系統、起動用メタノール容器６とそれにつながる起動循環系統をそれぞれ設けることにより、起動時と通常運転時によって使用する循環系統を切り替えることができる。
【００３４】
燃料循環ポンプ１１は調合タンク７と発電セル１０の間に設けられ、調合タンク７内のメタノール水溶液をアノード２に供給し、またアノード２に供給されたメタノール水溶液を調合タンク７に戻すものである。燃料循環ポンプ１１は制御装置９と接続されバルブ等と連動して作動することができる。またメタノール水溶液の循環流量は燃料循環ポンプ仕様の流量範囲において制御可能である。
【００３５】
フィルタ１８はアノード２出口と調合タンク７の間に設けられ、メタノール水溶液中の不純物を除去する。
【００３６】
脱気器１７はアノード２出口と調合タンク７の間に設けられ、メタノール水溶液中に含まれるガス、主として二酸化炭素を除去する。
【００３７】
起動循環ポンプ１２は起動用メタノール容器６とアノード２の間に設けられ、起動用メタノール容器６内のメタノール水溶液をアノード２に供給し、またアノード２に供給されたメタノール水溶液を起動用メタノール容器６に戻すものである。起動循環ポンプ１２は制御装置９と接続され、バルブ１０１と連動して作動する。起動循環ポンプ１２は起動時のみ使用され、循環流量は一定であり、特に流量制御は行わせなくても良い。
【００３８】
気液分離器８は水回収ポンプ１４と協調して作動し、発電セル１０と水タンク５との間に設けられている。空気ファン１３で示される空気供給手段による排気と共に発電セル１０内に発生した水を排気ガスから分離し、貯蔵する。水が分離された排気ガスは気液分離器８から系外に排出される。
【００３９】
水回収ポンプ１４は気液分離器８と水タンク５の間に設けられ、気液分離器８で分離された水を水タンク５に供給する。
【００４０】
空気ファン１３にて示される空気供給手段はカソード３と接続され、カソード３に空気を供給する。なお、空気供給手段は空気ファンに限るものではなく、カソード３に空気を供給することが出来ればどのような手段を用いても良い。例えば、エアポンプを用いることができる。また、空気ファン１３は制御装置９と接続し、燃料循環ポンプ１１ならびに起動循環ポンプ１２等と連動して作動させることができる。また、カソード３への空気供給量を、制御装置９を介して制御することができる。これにより起動時には通常運転時より空気流量を低減させることにより発電セルからの除熱量を低減させ、発電セルの温度上昇を早めることができる。また、消費電力を低減することができる。
【００４１】
流路切替え用のバルブ１０１はアノード２の出口と起動用メタノール容器６の間に設けられ、アノード２の出口から起動用メタノール容器６に向かうメタノール水溶液の流れを制御装置９を介して遮断あるいは流通させることができる。
【００４２】
流路切替え用のバルブ１０２はアノード２の出口と調合タンク７の間に設けられ、アノード２の出口から調合タンク７に向かうメタノール水溶液の流れを制御装置９を介して遮断あるいは流通させることができる。
【００４３】
逆止弁１０３は調合タンク７とアノード２入口の間に設けられ、起動循環ポンプ１２が運転中にメタノール水溶液が調合タンク７に逆流することを防止する。
【００４４】
制御装置９は少なくとも温度測定センサ４０の数値を読み取り、空気ファン１３、燃料循環ポンプ１１、起動循環ポンプ１２，流路切替え用のバルブ１０１，１０２を制御することができる。例えば起動時には燃料循環ポンプ１１はＯＦＦにし、バルブ１０２を閉止し、起動用循環ポンプ１２をＯＮにし、バルブ１０１を開状態にする。これにより、起動用メタノール容器６内のメタノール水溶液をアノード２に供給することができる。温度測定センサ４０の値が所定の温度以上になったら、起動用循環ポンプ１２を停め、バルブ１０１を閉止するとともにバルブ１０２を開状態にして燃料循環ポンプ１１をＯＮとし、温度測定センサ４０の温度を読み取りながら、温度に対応して適切なメタノール水溶液量を制御しながら調合タンク７からアノード２に供給する。
【００４５】
また、制御装置９を介して起動用燃料供給手段１００は少なくとも燃料電池発電システム１が起動する前に開き、調合タンク７のメタノール水溶液を起動用メタノール容器６内に供給することができる。
【００４６】
また、制御装置９は調合タンク７内のメタノール水溶液濃度が所定の濃度以下の場合、被希釈燃料タンク４のメタノールを被希釈燃料供給手段１５により調合タンク７に供給することができる。また、調合タンク７内の液量が所定の液量以下になると、水供給手段１６により水タンク５の水を調合タンク７に供給することができる。
【００４７】
本発明の燃料電池発電システム１は、起動時、調合タンク７と起動用メタノール容器６内のメタノール水溶液の濃度は凡そ１重量％から１０数重量％の範囲にあるが、特に限定するものではない。ただし、起動用メタノール容器６内のメタノール水溶液の液量は調合タンク７内に貯められているメタノール水溶液量よりも少なくなるよう起動用メタノール容器６の容積は調合タンク７の容積に比べて小さく作られている。
【００４８】
起動時には外部バッテリー（図示せず）により起動用循環ポンプ１２と空気ファン１３を作動させ、起動用メタノール容器６内のメタノール水溶液がアノード２に送られ、空気がカソード３に送られる。これにより、電池反応および一部メタノールの酸化反応により発熱し、アノード２出口でのメタノール水溶液の温度はアノード２内での伝熱作用によりアノード２入口よりも高くなる。アノード２出口のメタノール水溶液は起動用循環ポンプ１２により起動用メタノール容器６に戻り、再びアノード２に送られる。
【００４９】
なお、発電が始まったら起動用循環ポンプ１２及び空気ファン１３の動力源は制御装置９により、外部バッテリーから燃料電池発電システム１に切り替わる。ここで起動用メタノール容器６を含む起動用燃料供給循環系統全体が有するメタノール水溶液量が少ないほど、燃料であるメタノール水溶液の熱容量が小さくなるため、循環するメタノール水溶液の温度上昇速度は熱容量の大きい通常運転用の循環系統に比べて速い。メタノール循環液の温度上昇速度はあくまで起動用燃料供給循環系統を流れるメタノール水溶液の質量に最も大きく依存し、供給速度の影響よりも大きい。また、電池セルの温度はこのメタノール水溶液の温度に大きく依存し、ほぼメタノール循環液の温度上昇に合せて発電セル温度も上昇する。従って、本発明の起動用燃料供給循環系統を用いることにより、昇温速度が高まり、より短時間で定格の発電状態が可能となるセル温度に到達することができる。
【００５０】
ただし、アノード２出口のメタノール水溶液には電気化学反応によって二酸化炭素が生成され、アノード２出口から起動用メタノール容器６までの間ではメタノール水溶液と二酸化炭素の気液２相の流れが生じることになる。起動用燃料供給循環系統をメタノール水溶液が循環している間に、もし二酸化炭素が系統内に留まっていると、ガスが系統内に満ち、循環用起動ポンプ１２はメタノール水溶液をアノード２に供給できなくなる。これを防止するため起動用メタノール容器６にはガス抜き手段１９が備わっている。ガス抜き手段１９の具体例として、本実施例では起動用メタノール容器６の上部にガス抜き用のパイプを備え、二酸化炭素を含むガスだけを大気に排出するように工夫されている。もちろん起動用メタノール容器６からガスだけを分離することができるのであれば、ガス抜き手段は特に限定されるものではない。
【００５１】
発電セルの温度が所定の値に達したら、起動用循環ポンプ１２を停めて、流路切替え用のバルブ１０１を閉止するとともに、燃料循環ポンプ１１を起動し、バルブ１０２を開いて、調合タンク７のメタノール水溶液をアノード２に供給する。また、同時に制御装置９に備わるパワーコントロール機能により、負荷３０に電気が流れはじめる。この場合、アノード２に流れるメタノール水溶液は、温度の高い起動用燃料供給循環系統を流れていたメタノール水溶液から、温度の低い調合タンクからのメタノール水溶液に切り替わり、発電セル１０の温度は低下する。しかし、発電出力、表現を変えれば電流も増加するため、発熱量も増加することから、急激なセル温度の低下は避けることができる。
【００５２】
温度変化をできるだけ滑らかにするためには、燃料循環ポンプ１１の吐出流量を制御装置９により制御して、徐々にあるいは段階的に増加させていくことが望ましい。
【実施例２】
【００５３】
別の実施例を図２に示す。本実施例では起動用メタノール容器６から出るメタノール水溶液を、通常運転用燃料供給循環系統に備わる燃料循環ポンプ１１を介してアノード２に供給するようにしている。このため、燃料循環ポンプ１１と調合タンクとの間における任意の位置５０と起動用メタノール容器６とを接続する配管２００が設けられている。
【００５４】
本実施例での燃料循環ポンプ１１は使用流量範囲が広く、起動時の低流量から通常運転時の流量までをカバーできるポンプとなっている。燃料循環ポンプ１１は起動時と通常運転時において作動することができ、起動専用の燃料供給手段が不要になり、システムの簡素化、コスト低減につながる。
【実施例３】
【００５５】
さらに別の実施例を図３に示す。本実施例のシステム構成は通常の燃料供給循環系統に起動用循環系統をバイパスしたものである。すなわち、調合タンク７出口からアノード２入口に接続される起動用バイパス系統２０１を設けている。
【００５６】
この起動用バイパス系統２０１には上流から下流に向かってバルブ１０１、起動用循環ポンプ１２、逆止弁１０４が備わる。起動時には通常運転時に使用する燃料供給循環系統に設けられたバルブ１０２を閉止し、起動用バイパス系統２０１に設けたバルブ１０２を開状態にして起動用循環ポンプ１２を運転することにより、調合タンク７からアノード２に燃料が供給され、アノード２出口から調合タンク７にメタノール水溶液が戻る。
【００５７】
起動時において、調合タンク７では被希釈燃料タンク４と水タンク５からそれぞれメタノールと水が供給され、所定の液量とメタノール濃度に調整される。調合タンク７にて調合されるメタノール水溶液の量は任意に制御装置９を介して被希釈燃料供給手段１５及び水供給手段１６によって調整することができる。
【００５８】
起動時においては小量のメタノール水溶液を貯蔵し、起動用バイパス系統２０１を介して起動用循環ポンプ１２により、調合タンク７のメタノール水溶液をアノード２に供給する。起動循環液の温度が上昇するにつれて発電セル１０の温度も上昇し、所定の温度になると発電出力を上げ、負荷に電気が流れる。同時に被希釈燃料タンク４と水タンク５から、それぞれメタノールと水が所定の液量になるまで所定の増加割合で供給され続ける。最終的には通常運転時に必要なメタノール水溶液量まで供給される。
【００５９】
本実施例では、起動用に新たな起動用メタノール容器を設ける必要がなく、また、調合タンクと起動用メタノール容器とを接続する配管等が不要となり、システムの簡素化、コスト低減につながる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係わる燃料電池発電システムの第一の実施形態を示すシステム構成図である。
【図２】本発明に係わる燃料電池発電システムの第二の実施形態を示すシステム構成図である。
【図３】本発明に係わる燃料電池発電システムの第三の実施形態を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
【００６１】
１…燃料電池発電システム、２…アノード、３…カソード、６…起動用メタノール容器、７…調合タンク、９…制御装置、１０…発電セル、１１…燃料循環ポンプ、１２…起動用循環ポンプ、１３…空気ファン、１７…脱気器、１８…フィルタ、１９…ガス抜き手段、２０…電解質膜、２０１…起動用バイパス系統。
【図１】
2008257945.tif 000003
【図２】
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【図３】
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