(57)【要約】【課題】  センサー等の絶対的な濃度測定を行わなくても発電部に最適な濃度の希釈燃料を供給することができる燃料電池発電装置の運転方法の提供と、その運転方法により運転される燃料電池発電装置の提供を目的とする。【解決手段】  希釈燃料の燃料流量に応じて発電部の出力電圧の変化を見ることで、センサー等の絶対的な濃度測定を行わなくても、希釈燃料を最適な濃度に常に調整することができる。また、この運転方法により、負荷や燃料電池発電装置の状況に応じて出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すことができる。【選択図】図１
2006073486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被希釈燃料を水で希釈した希釈燃料と空気とによって発電を行う発電部を有する燃料電池発電装置の運転方法であって、
上記発電部に供給される上記希釈燃料の燃料流量を増減させる工程と、
上記発電部の出力電圧を測定する工程と、
上記燃料流量及び上記出力電圧の関係から上記希釈燃料の濃度を調整する工程とを有する
ことを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項２】
上記希釈燃料の濃度は、上記発電部から出力される電流密度を一定に保つとともに上記希釈燃料の燃料流量を増加させて上記発電部の出力電圧が増加した場合、上記希釈燃料の濃度を増加させ、
上記発電部から出力される電流密度を一定に保つとともに上記希釈燃料の燃料流量を増加させて上記発電部の出力電圧が減少した場合、上記希釈燃料の濃度を減少させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項３】
上記希釈燃料の濃度は、予め上記希釈燃料の複数の濃度毎に上記燃料流量における上記出力電圧を測定した測定値から調整されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項４】
被希釈燃料を水で希釈した希釈燃料と空気とによって発電を行う発電部と、
上記発電部に上記希釈燃料を所定の流量で供給する燃料供給部と、
上記発電部の出力電圧を測定する電圧測定部と、
上記希釈燃料の濃度を調整する燃料混合部とを有し、
上記電圧測定部で測定された発電部の出力電圧及び上記燃料供給部から上記発電部に供給される燃料の燃料流量の関係から、上記燃料混合部で上記希釈燃料の濃度を調整することを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電装置の運転方法及びその運転方法により運転される燃料電池発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素やメタノール等の燃料と酸素等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として注目されており、例えば、自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。
【０００３】
燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、薄型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、電子機器の駆動電源として有望である。この固体高分子電解質型燃料電池は、水素の他にメタノールや天然ガスを改質して水素を生成させて燃料とするものも開発されている。近年では、メタノールを燃料として直接燃料電池に供給し発電を行う直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）も開発されている。
【０００４】
ＤＭＦＣは、固体高分子電解質などの電解質をカソード及びアノードにより挟んだ発電セルを有している。アノードにメタノール水溶液を供給することにより、アノード表面でメタノールと水とによってＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−という反応が起こる。一方、カソードに空気を供給することにより、カソード表面で空気中の酸素と、アノードで発生した電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ＋）によって３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏという反応が起こる。すなわち、燃料のメタノールだけでは反応が進行しない。そのため、メタノールと水とを混合してアノードに供給する必要がある。
【０００５】
このときの供給方法としては、予めメタノールと水とを適切な濃度となるように混合し、調整されたメタノール水溶液をアノードに供給する方法があり、システムの簡便化が図れる。しかしながら、一般にＤＭＦＣは、最大出力の得られるメタノール濃度と最大効率の得られるメタノール濃度は異なるため、予めメタノールと水とを適切な濃度となるように混合するとＤＭＦＣの運転状況に応じてメタノール水溶液の濃度を変更することができない。また、Nafion（登録商標）に代表される固体電解質を用いた電極電解質接合体（ＭＥＡ）を搭載するＤＭＦＣの場合、エネルギー密度を上げようとして、メタノール濃度を増加させるとＭＥＡの劣化速度が増加するという問題点を有している。
【０００６】
また、その他の供給方法としては、高濃度のメタノールと発電によってカソードで生成した水とにより燃料電池発電装置内で適切な濃度となるように混合し、調整されたメタノール水溶液をアノードに供給する方法がある。この方法では、燃料電池発電装置の状況に応じて適切にメタノール水溶液の濃度を変えることができるが、そのために、メタノール水溶液の濃度を検出する必要がある。その濃度検出には、静電容量法、電気化学的酸化法、超音波法、比重法といった方式の濃度センサーやセンサー用のセルが用いられている。
【０００７】
これらの濃度センサーは、メタノールと水のみで構成される場合に優れた特性を示すが、ＤＭＦＣでは、発電反応の副反応によりギ酸などの副生成物が発生する。このような副生成物は、測定値に誤差を与える原因となり、誤差の生じた濃度により、最適な濃度のメタノール水溶液を供給することができない。センサー用のセルを設置した場合、一般に、燃料電池の出力は経時的に変化する傾向がある。したがって、初期と運転時間経過時とでは出力が異なる。また、装置の履歴によってもこの経時変化の度合いが異なるので、絶対的な濃度を検出し続けることは困難である。
【０００８】
さらに、上述のようなセンサーを用いないでメタノール水溶液の濃度を評価し、その濃度に適した流量でメタノール水溶液を供給し、燃料電池発電装置の運転の最適化をする方法が報告されている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、燃料電池発電装置の出力電流と運転時間からメタノール水溶液の濃度を算出し、算出された濃度に応じて起電部へのメタノール水溶液の流量を変化させて燃料電池発電装置の運転を最適化する方法である。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２２８３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
燃料電池発電装置の出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すためには燃料の濃度を運転状況に応じて最適化することが望ましい。しかしながら、上述のような方法では、燃料の濃度を最適化することが困難であった。
【００１１】
また、特許文献１は、濃度検出のためのセンサーを用いていないものの、出力電流と運転時間をパラメータにして所定の演算を行い、メタノール水溶液の濃度を検出する。そして、算出された濃度から最適な燃料流量で燃料電池にメタノール水溶液を供給する方法である。すなわち、燃料電池の最適な運転は、メタノール水溶液の濃度ではなく、流量によって行われるものであり、流量の細かな制御が必要となる。また、上述のように、燃料電池の出力は経時的に変化する傾向があり、装置の履歴によってもこの経時変化の度合いが異なるため、算出される濃度に誤差が生じる可能性がある。また、濃度の算出のために複雑な演算を行わなければならない。
【００１２】
そこで、本発明は、そのような従来の実状に鑑み、センサー等の絶対的な濃度測定を行わなくても発電部に最適な濃度の希釈燃料を供給し、負荷や燃料電池発電装置の状況に応じて出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すように、希釈燃料の濃度を調整する燃料電池発電装置の運転方法を提供することを目的とする。また、本発明は、この運転方法により出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すことができる最適な濃度に調整された希釈燃料が供給される燃料電池発電装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の燃料電池発電装置の運転方法は、被希釈燃料を水で希釈した希釈燃料と空気とによって発電を行う発電部を有する燃料電池発電装置の運転方法であって、上記発電部に供給される上記希釈燃料の燃料流量を増減させる工程と、上記発電部の出力電圧を測定する工程と、上記燃料流量及び上記出力電圧の関係から上記希釈燃料の濃度を調整する工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の燃料電池発電装置の運転方法は、装置内に濃度センサー等を備えることなく、常に最適な濃度の希釈燃料を燃料電池発電装置の発電部に提供することができる。負荷や燃料電池発電装置の状況に応じて出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すことができるように希釈燃料の濃度を調整することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池発電装置は、被希釈燃料を水で希釈した希釈燃料と空気とによって発電を行う発電部と、上記発電部に上記希釈燃料を所定の流量で供給する燃料供給部と、上記発電部の出力電圧を測定する電圧測定部と、上記希釈燃料の濃度を調整する燃料混合部とを有し、上記電圧測定部で測定された発電部の出力電圧及び上記燃料供給部から上記発電部に供給される燃料の燃料流量の関係から、上記燃料混合部で上記希釈燃料の濃度を調整することを特徴とする。
【００１６】
本発明の燃料電池装置は、発電部に常に最適な濃度の希釈燃料を供給することができる。また、負荷や燃料電池発電装置自身の劣化等による状況の変化に対しても、発電部に常に最適な濃度に調整された希釈燃料を供給することができるため、最大限の出力特性、発電効率特性を供給することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池発電装置の運転方法は、装置内に濃度センサー等を備えることなく、常に最適な濃度の希釈燃料を燃料電池発電装置の発電部に提供することができる。すなわち、濃度センサーを用いて濃度調整する場合の問題である副生成物の影響やセンサー自身の劣化の影響を受けずに運転することができる。そして、負荷や燃料電池発電装置の状況に応じて出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すことができるように、希釈燃料の濃度を調整することができる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池発電装置は、上述の運転方法により、常に最適な濃度に調整された希釈燃料を供給することができ、出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００２０】
本発明の燃料電池発電装置１の運転方法は、被希釈燃料であるメタノールを水で希釈した希釈燃料のメタノール水溶液と空気とによって発電を行う発電部２を有する燃料電池発電装置１に対し、この発電部２に供給されるメタノール水溶液の燃料流量を増減させ、発電部２の出力電圧を測定し、この燃料流量と出力電圧との関係により、メタノール水溶液の燃料濃度を最適化する方法である。
【００２１】
図１は、本発明の燃料電池発電装置１の運転方法によって運転される燃料電池発電装置１の一例を示す構成図である。燃料電池発電装置１は、負極であるアノード２１及び正極であるカソード２２からなる一対の電極により挟まれる電解質膜２０で形成される発電部２と、発電反応に利用されるメタノール水溶液を所定の濃度に調整する燃料混合部３０と、燃料混合部３０から発電部２にメタノール水溶液を供給する燃料供給部３１と、燃料混合部３０で希釈される被希釈燃料であるメタノールを貯蔵する被希釈燃料貯蔵部３２と、発電部２から排出される排出燃料から気体成分と液体成分とに分離する気液分離部３３と発電部２に空気を供給するための空気供給部４０と、発電部２から排出される空気を冷却し水とその他の物質とに分ける冷却部４１と、冷却器４１で分けられた水を貯蔵する水貯蔵部４２と、気液分離部３３で分離される気体成分と冷却部４１で分けられたその他の物質を排出する排気部４３と、燃料電池発電装置１の各部材を制御する制御部４４を有している。各部材間には、バルブ等を設けていてもよく、このバルブの開け閉めにより、メタノール水溶液や空気の流れを制御することもできる。
【００２２】
発電部２は、プロトン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２１及びカソード２２からなり、電解質膜２０をアノード２１及びカソード２２により挟み、張り合わせて形成される。プロトンを透過させる電解質膜２０は、透過性と耐酸化性と耐熱性とを兼ね備えた材質で形成される。アノード２１、カソード２２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。電解質膜２０、アノード２１及びカソード２２の大きさ及び形状は、発電部２の大きさ及び形状に合わせて適宜変更される。
【００２３】
また、発電部２は、発電部２からの出力電圧を測定することができる電圧測定部２３を備え、電圧測定部２３で測定された発電部２の出力電圧を制御部４４に伝達することができる。この測定された出力電圧と燃料供給部３１からのメタノール水溶液の流量により、燃料混合部３０でメタノール水溶液の濃度が調整される。を発電部２は、図１に示されるように、メタノール水溶液を燃料とし、直接発電部２に供給する直接メタノール型燃料電池発電装置であるが、本発明の燃料電池発電装置１は、これに限られるものではなく、燃料電池の発電能力に応じて適宜変更することができる。また、発電部２には、発電部２の温度を測定する温度測定器を備えていてもよく、例えば、発電反応による発電部２の発熱により過熱しないように制御することもできる。
【００２４】
燃料混合部３０は、ポンプやバルブ等を介して被希釈燃料貯蔵部３２と接続され、燃料供給部３１を介して発電部２と接続されている。そして、燃料混合部３０は、被希釈燃料貯蔵部３２に貯蔵されている被希釈燃料であるメタノールと水貯蔵部４２に貯蔵されている水とから、発電部２での発電反応のために必要な被希釈燃料であるメタノール水溶液の濃度を調整することができる。そして、濃度調整されたメタノール水溶液は、燃料供給部３１を介して発電部２に供給され、発電反応に利用される。この燃料混合部３０では、発電部２の出力電圧と燃料供給部３１から発電部２へのメタノール水溶液の流量から制御部４４を介して濃度を調整することができる。
【００２５】
燃料供給部３１は、燃料混合部３０と発電部２に接続されている。そして、燃料供給部３１は、燃料混合部３０で調整されたメタノール水溶液を発電部２のアノード２１に所定の流量で供給することができる。このメタノール水溶液の流量は、制御部４４により適宜変更可能である。そして、このメタノール水溶液の流量は、制御部４４に伝達され、メタノール水溶液の濃度調整のパラメータとなる。このメタノール水溶液の流量と発電部２での出力電圧とにより、制御部４４を介して燃料混合部３０でメタノール水溶液の濃度を調整することができる。この燃料供給部３１は、例えば、発電部２に供給されるメタノール水溶液の流量を制御することができれば、バルブやポンプ等を燃料供給部３１の代わりとして利用してもよく、燃料電池発電装置１に応じて適宜変更される。また、発電部２に供給されるメタノール水溶液のゴミや不純物を取り除くためのフィルターを備えていてもよい。
【００２６】
被希釈燃料貯蔵部３２は、ポンプやバルブ等を介して燃料混合部３０と接続されている。燃料混合部３０に供給する被希釈燃料であるメタノールを貯蔵している。また、制御部４４の指令を受け、燃料混合部３０でメタノールが必要となった場合に、被希釈燃料貯蔵部３２と燃料混合部３０との間に設置されたバルブ、ポンプ等を介して燃料混合部３０に必要量を供給することができる。
【００２７】
気液分離部３３は、発電部２及び燃料混合部３０と接続されている。気液分離部３３は、発電部２のアノード２１から排出される排出燃料から液体成分と気体成分とを分離することができる。液体成分は、ポンプやフィルターなどを介して燃料混合器３０に供給され、メタノールや水と混合し再び燃料として燃料供給部３１を介して発電部２のアノード２１に供給することができる。また、気体成分は、排気部４３を介して装置外部に排出することができる。
【００２８】
空気供給部４０は、発電部２と接続され、発電部２のカソード２２に空気を供給することができる。空気供給部４０は、発電部２のカソード２２に発電反応に十分な空気を供給することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ファンやポンプ等が挙げられる。供給された空気は、発電部２において、発電反応に利用される。発電部２に供給される空気は、ゴミや不純物を取り除くためのフィルターを備えていてもよい。
【００２９】
冷却部４１は、発電部２と水貯蔵部４２と排気部４３とに接続されている。冷却部４１は、発電部２のカソード２２からの排出される空気を冷却し、発電部２から排出される空気中に含まれている水を分離させることができる。そして、冷却部４１は、分離した水を水貯蔵部４２に供給することができる。また、水を分離した気体成分は、排気部４３に送られ、気液分離部３３から排出される気体成分と一緒に装置外部に排出される。本例では、カソード２２から排出される空気から水を分離させるために冷却部４１を備えているが、空気中の水を分離できるものであればこれに限るものではない。また、水貯蔵部４２に水を供給するためにポンプ等を備えていてもよい。そして、水貯蔵部４２に供給される水は、ゴミや不純物を取り除くためのフィルターを備えていてもよい。
【００３０】
水貯蔵部４２は、冷却部４１と燃料混合部３０と接続されている。水貯蔵部４２は、冷却部４１で分離された水を貯蔵し、燃料混合部３０でのメタノール水溶液の調整に利用することができる。水貯蔵部４２で貯蔵されている水は、燃料混合部３０で制御するメタノール水溶液の濃度に応じてバルブやポンプ等を介して供給することができる。
【００３１】
排気部４３は、気液分離部３３及び冷却部４１と接続され、装置外部に気体を排出するために開口を有している。排気部４３は、気液分離部３３から排出される気体成分と、冷却部４１でカソード２２から排出された空気から水を分離した気体成分とを装置外部に排出することができる。このとき、装置外部に排出される気体成分は、気体成分中に含まれる燃焼することができる化合物を燃焼させてから排気してもよい。これにより、例えば、発電反応で発生した副生成物等を装置外部に放出することを防ぐこともできる。
【００３２】
制御部４４は、発電部２の出力電圧と燃料供給部３１から発電部２へのメタノール水溶液の燃料流量からメタノール水溶液の濃度を最適化するように燃料混合部３０、被希釈燃料貯蔵部３２及び水貯蔵部４２を制御することができる。例えば、出力電圧とメタノール水溶液の燃料流量から、メタノール水溶液の濃度を増加させようとする場合、制御部４４を介して、被希釈燃料貯蔵部３２から燃料混合部３０にメタノールを供給し、燃料混合部３０でメタノール水溶液の濃度を高くすることができる。例えば逆に、メタノール水溶液の濃度を低くする場合、水貯蔵部４２から燃料混合部３０に水を供給し、燃料混合部３０でメタノール水溶液の濃度を低くすることができる。また、発電部２に備えられてもよい温度測定器で測定された発電部２の温度から、最適なメタノール水溶液の濃度を制御してもよい。
【００３３】
メタノール水溶液は、燃料混合部３０で制御部４４によって所定の濃度のメタノール水溶液を調整される。このときの濃度調整は、被希釈燃料貯蔵部３２及び水貯蔵部４２からメタノールと水を燃料混合部３０に供給することにより調整される。そして、燃料混合部３０で調整されたメタノール水溶液は、燃料供給部４１を介して所定の流量で発電部２のアノード２１に供給される。一方、空気は、空気供給機４０から発電部２のカソード２２に供給される。
【００３４】
このように、発電部２のアノード２１にメタノール水溶液が供給され、発電部２のカソード２２に空気が供給されることにより発電部２で発電反応を起こすことができる。この発電反応は、アノード２１において、供給されるメタノール水溶液中の水とメタノールによってＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−という反応が起こる。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２２に移動する。また、発生した電子（ｅ−）は、アノード２１から外部回路を通りカソード２２に移動する。移動してきたプロトンと電子は、カソード２２において、供給される空気中の酸素と、３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏという反応を起こす。したがって、本発明の燃料電池発電装置１の発電部２は、メタノール水溶液と空気を供給することにより発電反応を行うことができる。
【００３５】
発電部２のアノード２１から排出されるメタノール水溶液は、気液分離部３３に供給される。気液分離部３３では、排出されたメタノール水溶液の気液分離を行うことができる。これにより、メタノール水溶液に混入している発電部２での発電反応により発生する二酸化炭素などの気体成分を分離することができる。気体成分を分離した液体成分であるメタノール水溶液は、燃料混合部３０に供給される。そして、燃料混合部３０において発電部２に供給する濃度に調整される。
【００３６】
一方、発電部２のカソード２２から排出される空気は、冷却部４１に供給され、冷却部において、空気が冷却される。これにより、空気に混入している発電部２での発電反応により発生した水を分離することができる。分離された水は、水貯蔵部４２に供給される。水貯蔵部４２に貯蔵される水は、燃料混合部３０でのメタノール水溶液の濃度調整に利用される。そして、気液分離部３３でメタノール水溶液から分離された二酸化炭素などの気体成分と、冷却部４１で水を分離した空気は、ともに排出部４３に供給され、装置外部に排出される。
【００３７】
図２は、燃料電池発電装置の一定流量での電流電圧特性及び電流出力特性の一例を示した図であり、例えば、メタノール水溶液の流量を一定にし、１ｍｏｌ／ｌ、０．６ｍｏｌ／ｌ、０．４ｍｏｌ／ｌの各濃度における電流電圧特性及び電流出力の変化を示している。この図２においては、０．６ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液で最大出力が得られるように最適化された燃料電池発電装置である。このとき、空気流量は一定である。図２に示されるように、最適な濃度である０．６ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液は、同じ電流密度において出力電圧及び出力電力が最大となっている。０．６ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液よりも高い濃度の１ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液は、所定の出力電流で比較した場合、０．６ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液より低い出力電圧及び出力電力しか得られない。これは、発電部のアノードに供給されたメタノール水溶液のメタノールが、電解質を透過しカソードに移動する現象（いわゆるクロスオーバー）が起こり、電流電圧特性及び電流出力特性が低下してしまうためである。
【００３８】
一方、０．６ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液よりも低い濃度の０．４ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液は、所定の出力電流で比較した場合、０．６ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液より低い出力電圧及び出力電力しか得られない。これは、メタノールが不足し、電流電圧特性及び電流出力特性が低下してしまうためである。したがって、最適な発電反応を行うためには、メタノール水溶液をその発電部に対して最適な濃度を有するメタノール水溶液を供給する必要があることがわかる。
【００３９】
また、発電部の電流電圧特性及び電流出力特性は、例えば、電解質の経時劣化等により変化する。したがって、まだ運転していない燃料電池発電装置のメタノール水溶液の最適な濃度と、所定の運転時間を経過した燃料電池発電装置のメタノール水溶液の最適な濃度とは異なる場合があり、常に最適な運転を行うには、メタノール水溶液の濃度を柔軟に変える必要がある。
【００４０】
図３は、電流密度が一定条件における、発電部の出力電圧と発電部への流量との関係の一例を示す図であり、例えば、１ｍｏｌ／ｌ、０．６ｍｏｌ／ｌ、０．４ｍｏｌ／ｌの各濃度における出力電圧の変化を示している。このとき、空気流量は一定である。そして、この図３に示されるような特性を示す燃料電池発電装置は、メタノール水溶液の流量を２０ｃｃ／ｍｉｎの流量で定常的に運転されるように構成されている。例えば、図２と同様に、発電部が０．６ｍｏｌ／ｌで最適化されている場合、０．６ｍｏｌ／ｌでは、１５ｃｃ／ｍｉｎを境に出力電圧が変化していないことがわかる。また、最適な濃度より高い濃度である１ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液では、流量を多くするにしたがって、出力電圧が低下することがわかる。逆に、最適な濃度より低い濃度である０．４ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液では、流量を多くするにしたがって出力電圧が高くなっていることがわかる。
【００４１】
本発明の燃料電池発電装置の運転方法は、メタノール水溶液の濃度の違いにおける電圧と流量の関係を利用する。メタノール水溶液の流量を増加させて出力電圧の変化が見られない場合、そのメタノール水溶液の濃度は最適化されていることを示す。また、メタノール水溶液の流量を増加させて出力電圧が低下した場合、そのメタノール水溶液の濃度は最適な濃度より高いことを示している。さらに、メタノール水溶液の流量を増加させて出力電圧が増加した場合、そのメタノール水溶液の濃度は最適な濃度より低いことを示している。
【００４２】
すなわち、メタノール水溶液の流量を増加させて出力電圧が低下した場合、メタノール水溶液の濃度を低下させるように濃度調整を行うことで、最適な濃度のメタノール水溶液とすることができる。また、メタノール水溶液の流量を増加させて出力電圧が増加した場合、メタノール水溶液の濃度を増加させるように濃度調整を行うことで、最適な濃度のメタノール水溶液とすることができる。
【００４３】
さらに、流速を低下させてもメタノール水溶液の濃度調整を行うことができる。例えば、メタノール水溶液の流量を低下させて出力電圧が低下した場合、そのメタノール水溶液の濃度は、最適な濃度よりも低いことを示している。そのため、メタノール水溶液の濃度を増加するように濃度調整を行うことで、最適な濃度のメタノール水溶液とすることができる。一方、メタノール水溶液の流量を低下させて出力電圧が増加した場合、そのメタノール水溶液の濃度は、最適な濃度よりも高いことを示している。そのため、メタノール水溶液の濃度を低下させるように濃度調整を行うことで、最適な濃度のメタノール水溶液とすることができる。
【００４４】
このように、発電部に供給されるメタノール水溶液の濃度を測定する濃度センサー等を用いずにメタノール水溶液を最適化することができる。また、電解質の劣化等によって電流電圧特性及び電流出力特性が変化したとしても、発電部の出力によりその時点で最大出力となるようにメタノール水溶液の濃度調整を行うことができる。
【００４５】
図４は、本発明の燃料電池発電装置の運転方法を示すフロー図である。本発明の運転方法で運転される燃料電池発電装置は、起動により発電部にメタノール水溶液と空気が供給され、上述のように発電反応が進行する。この燃料電池発電装置が起動すると、ステップＳ１に示されるように、発電部の電圧測定部で出力電圧測定され、その測定値を制御部に伝達し、制御部によって出力電圧の変化が監視される。このとき、発電部の電流密度は一定に保たれている。次に、ステップＳ２に示されるように、制御部にて監視されている出力電圧の低下が見られなければ、ステップＳ１に戻り、ひきつづき発電部の出力電圧が電圧測定部を介して制御部で監視される。
【００４６】
ステップＳ２において、発電部の出力電圧の低下が制御部で確認されたとき、ステップＳ３の処理を行う。発電部の出力電圧の低下が見られた場合、その発電部における最適な濃度のメタノール水溶液が供給されていないことを示している。したがって、発電部に供給されるメタノール水溶液を最適な濃度に調整する必要がある。図３に示されるように、メタノール水溶液の濃度が最適な濃度よりも高い場合、メタノール水溶液の流量を増加させると、出力電圧が低下する。一方、メタノール水溶液の濃度が最適な濃度よりも低い場合、メタノール水溶液の流量を増加させると、出力電圧が増加する。これを利用して、メタノール水溶液の流量を増加させることで、最適なメタノール水溶液の濃度と比べて発電部に供給されるメタノール水溶液の濃度の高低を判断することができる。
【００４７】
ステップＳ３では、制御部を介して燃料供給部で燃料流量を増加させるように制御する。ここで、ステップＳ４に示されるように、発電部の電圧測定部で測定された出力電圧を確認し、ステップＳ１で監視された出力電圧と制御部で比較する。制御部で出力電圧の復帰が確認されない場合、ステップＳ８で、ステップＳ３で増加させた燃料流量を元の流量に戻すように制御部で燃料供給部を制御し、ステップＳ９のように、メタノール水溶液の濃度を減少させるように制御部を介して燃料混合部を制御する。一方、制御部で出力電圧の復帰が確認された場合、ステップＳ５で、ステップＳ３で増加させた燃料流量を元の流量に戻すように制御部で燃料供給部を制御し、ステップＳ６のように、メタノール水溶液の濃度を増加させるように制御部を介して燃料混合部を制御する。
【００４８】
ステップＳ６に示されるように、メタノール水溶液の濃度を増加させ、再び発電部の電圧測定部で測定された出力電圧とステップＳ１で監視された出力電圧とを制御部で比較する。そして、ステップＳ７に示されるように、出力電圧の復帰が制御部で確認されない場合、メタノール水溶液の濃度が未だ低いことを示すため、ステップＳ６に戻り、メタノール水溶液の濃度をさらに増加させるように制御部を介して燃料供給部を制御する。そして、制御部で出力電圧の復帰が確認された場合、メタノール水溶液の濃度が最適な濃度となったことを示し、ステップＳ１１に移行し、濃度調整が終了する。
【００４９】
ステップＳ９では、メタノール水溶液の濃度を減少させ、再び発電部の電圧測定部で測定された出力電圧とステップＳ１で監視された出力電圧とを制御部で比較する。そして、ステップＳ１０に示されるように、出力電圧の復帰が制御部で確認されない場合、メタノール水溶液の濃度が未だ高いことを示すため、ステップＳ９に戻り、メタノール水溶液の濃度をさらに減少させるように制御部を介して燃料供給部を制御する。そして、制御部で出力電圧の復帰が確認された場合、メタノール水溶液の濃度が最適な濃度となったことを示し、ステップＳ１１に移動し、濃度調整が終了する。
【００５０】
このようなメタノール水溶液の調整は、燃料流量の増加によって判断するだけに限らず、最適な濃度のメタノール水溶液より高い濃度で燃料流量を減少させた場合に出力電圧が増加し、最適な濃度のメタノール水溶液より低い濃度で燃料流量を減少させた場合に出力電圧が減少する傾向を示す燃料流量の範囲内で、燃料流量を減少させても同様に判断することができる。
【００５１】
そして、ステップＳ１１のように、引き続き発電を行う場合は、ステップＳ１に戻り、引き続き発電部の電圧測定部で測定される出力電圧の監視が制御部で続けられる。一方、これで燃料電池発電装置の運転を停止する場合、制御部を介して燃料供給部が停止し、装置の運転が停止する。
【００５２】
これにより、センサーや複雑な演算を行うことなく、燃料電池発電装置の出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すために必要な最適なメタノール水溶液の濃度を調整することができる。この濃度の調整は、発電部の出力電圧によって行われるものであるため、例えば、燃料電池発電装置の経時劣化により出力電圧が低下した場合であっても、同様の操作によりその時点で最適なメタノール水溶液の濃度に調整することができる。すなわち、センサーや演算等により絶対的なメタノール水溶液を測定し、所定の値になるように濃度の調整を行うよりも、柔軟に最適な濃度にメタノール水溶液を調整することができる。
【００５３】
また、図４では、出力電圧がステップＳ１で監視された出力電圧に復帰したかどうかにより制御を行っているが、例えば、出力電圧の増減により制御を行ってもよい。この場合、例えば、電圧が減少し、燃料流量を増加させたとき、出力電圧の増減を制御部により判断する。出力電圧が増加した場合、燃料流量を元に戻し、メタノール水溶液の濃度が薄いため、濃度を増加させるように制御部を介して燃料混合部を制御する。これを出力が下がり始めるまで続ける。一方、出力電圧が減少した場合、燃料流量を元に戻し、メタノール水溶液の濃度が濃いため、濃度を減少させるように制御部を介して燃料混合部を制御する。これを出力電圧が上がり始めるまで続ける。これにより、常に最適な濃度にメタノール水溶液を調整することができ、常に最大の出力電圧で燃料電池発電装置を運転することができる。
【００５４】
さらに、これを応用して、燃料電池発電装置に接続されている負荷から要求される電圧が燃料電池発電装置の最大出力電圧よりも低い場合、それに合わせて発電を行った方が効率的である。したがって、この場合、例えば、負荷の要求される電圧値を制御部が確認し、その電圧値に見合った電圧で出力するようにメタノール水溶液の濃度を調整してもよい。図３に示されるように、メタノール水溶液の濃度０．６ｍｏｌ／ｌで、流量２０ｃｃ／ｍｉｎで最適化されている場合、同じ流量でも０．４ｍｏｌ／ｌの方が出力電圧が低い。このように、負荷から要求される電圧が低い場合、メタノール水溶液の濃度を減少させて要求される電圧に見合う出力電圧を発生させるように制御することもできる。このようにメタノール水溶液の濃度を調整することで、負荷に見合う出力電圧で燃料電池発電装置を運転することができ、効率的な運転を行うことができる。
【００５５】
また、図３に示されるようなメタノール水溶液の流量と出力電圧との関係を示すようなテーブルを燃料電池発電装置の制御部に備えてもよい。例えば、メタノール水溶液の流量を変化させ、その出力電圧の変化の傾向と、制御部に備えられたテーブルとを比較し、流量の増加に伴って出力電圧が低下した場合は、メタノール水溶液の濃度を減少させ、流量の増加に伴って出力電圧が増加した場合は、メタノール水溶液の濃度を増加させるようにメタノール水溶液の濃度を制御してもよい。これにより、測定時点の発電部において、最適な濃度のメタノール水溶液を供給することができる。また、発電部の経時劣化等により出力電圧が変化する場合があるため、制御部に備えられたテーブルは、書き変えるようにしてもよい。これにより、制御部による判断が容易となる。また、上述のように、付加の要求する出力電圧に対して効率的な運転を行う場合、このようなテーブルを備える方がより効率的にメタノール水溶液の濃度調整を行うことができる。
【００５６】
このように、本発明の燃料電池発電装置の運転方法により、装置内に濃度センサーを備えることなく、常に最適な濃度のメタノール水溶液を燃料電池発電装置の発電部に提供することができる。すなわち、濃度センサーを用いて濃度調整する場合の問題である副生成物の影響やセンサー自身の劣化の影響を受けずに運転することができる。そして、負荷や燃料電池発電装置の状況に応じて出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すことができるように、メタノール水溶液の濃度を調整することができる。
【００５７】
さらに、本発明の燃料電池発電装置は、被希釈燃料を水で希釈した希釈燃料と空気とによって発電を行う発電部と、上記発電部から出力される電流密度を一定に保つとともに上記発電部に供給される希釈燃料の燃料流量を増減させ、上記発電部の出力電圧を測定とをすることにより、上記希釈燃料の濃度を調整する燃料混合部とを有している。
【００５８】
本発明の燃料電池発電装置は、図１で説明したように、希釈燃料であるメタノール水溶液と空気とにより発電する発電部と、メタノール水溶液を所定の速度で発電部に供給する燃料供給部と、メタノール水溶液を所定の濃度に調整する燃料混合部と、発電部の出力電圧と燃料供給部からのメタノール水溶液の流量から燃料混合部でメタノール水溶液の濃度を増加させるか減少させるかを判断する制御部等を有している。そして、図４に示されるような制御方法によりメタノール水溶液の濃度が調整される。
【００５９】
制御部によって発電部の出力電圧の低下が見られたとき、図４に示されるように、メタノールス溶液の流量を増加し、発電部からの出力電圧の変化を確認する。出力電圧が増加した場合、メタノール水溶液の濃度を増加させるように制御し、出力電圧が低下した場合、メタノール水溶液の濃度を減少させるように制御することで、発電部に最適な濃度のメタノール水溶液を提供することができる。
【００６０】
したがって、  本発明の燃料電池発電装置１は、発電部２に常に最適な濃度のメタノール水溶液を供給することができる。また、負荷や燃料電池発電装置１自身の劣化等による状況の変化に対しても、発電部２に常に最適な濃度に調整された希釈燃料を供給することができるため、最大限の出力特性、発電効率特性を供給することができる。
【００６１】
以上、本発明の燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置に関する実施の形態である。本実施の形態で使用している被希釈燃料のメタノールは、これに限られるものではなく、通常の燃料電池で使用されている燃料を利用することもできる。例えば、エタノールやジメチルエーテルなどを使用することもできる。また、出力電圧を見て運転を行っているが、発電部に出力電流を測定することができる電流測定部等を設け、出力電流を見て本発明の燃料電池発電装置を運転することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の構成図である。
【図２】本発明の燃料電池発電装置の一定流量での電流電圧特性及び電流出力特性の一例を示した図である。
【図３】本発明の燃料電池発電装置の電流密度が一定条件における、発電部の出力電圧と発電部への流量との関係の一例を示す図である。
【図４】本発明の燃料電池発電装置の運転方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  燃料電池発電装置
２  発電部
２０  電解質
２１  アノード
２２  カソード
２３  電圧測定部
３０  燃料混合部
３１  燃料供給部
３２  被希釈燃料貯蔵部
３３  気液分離部
４０  空気供給部
４１  冷却部
４２  水貯蔵部
４３  排気部
４４  制御部
【図１】
2006073486.tif 000003
【図２】
2006073486.tif 000004
【図３】
2006073486.tif 000005
【図４】
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