(57)【要約】本発明は、プロトン導電性を有する高分子電解質を介して負極と正極とを向かい合うようにして設け、負極に液体燃料を、正極に空気を供給する構成を設けた単セルまたはこの単セルが複数積層されたセルスタックを有する、液体燃料形燃料電池とその運転を監視する運転監視方法および運転監視装置に関する。発明者は、前記液体燃料形燃料電池について、出力電流を過大にしたり、空気や液体燃料の供給が不足したりすると、負極側の排燃料が黒変し、電池特性が不可逆に低下する劣化現象を見出した。本発明は、前記劣化現象の発生を防止するために、前記液体燃料形燃料電池に、少なくとも一つのセルに対して、その負極と正極間の電位を監視し、その電位が所定の負電位以下であることを検出したときに、空気や液体燃料の供給を増加するか、警報を送出するか、出力電流を低減するか、電池の運転を停止するか、の少なくとも一つを行う機能等を備えさせたものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性を有する高分子電解質からなる電解質を介して負極と正極とを向かい合うようにして設け、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単セルまたはこの単セルが複数個積層されたセルスタックを有する液体燃料形燃料電池において、前記単セルまたは前記セルスタック中の少なくとも一つの単セルに対して、その負極と正極間の電位を監視する電位監視部を設け、この電位監視部は、前記電位が所定の負電位以下であることを検出したときに、液体燃料または酸化剤ガスの供給を増加するか、警報を送出するか、電池の出力電流を低減するか、電池の運転を停止するか、の少なくとも一つを行う機能を備えたことを特徴とする液体燃料形燃料電池。
【請求項２】
プロトン導電性を有する高分子電解質からなる電解質を介して負極と正極とを向かい合うようにして設け、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単セルが複数個直列接続されたセルスタックを少なくとも２台備え、かつ前記セルスタックは、少なくとも一個の単セルからなるセル群を複数個有しており、セルスタック間の、対応するセル群同士が並列接続されていることを特徴とする液体燃料形燃料電池システム。
【請求項３】
セル群を構成する少なくとも一つの単セルまたはセル群は、その負極と正極間の電位を監視する電位監視部を有し、この電位監視部は、前記電位が所定の電位以下であることを検出したときに、液体燃料または酸化剤ガスの供給を増加するか、警報を送出するか、電池の出力電流を低減するか、電池の運転を停止するか、の少なくとも一つの機能を備えたことを特徴とする、請求の範囲第２項の液体燃料形燃料電池システム。
【請求項４】
プロトン導電性を有する高分子電解質からなる電解質を介して負極と正極とを向かい合うようにして設け、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単セルまたはこの単セルが複数個積層されたセルスタックを有する液体燃料形燃料電池の運転を監視する液体燃料形燃料電池の運転監視方法において、単セルまたは前記セルスタック中の少なくとも一つの単セルの、負極と正極間の電位を監視し、前記電位が所定の負電位以下であることが検出されたときに、液体燃料または酸化剤ガスの供給を増加するか、警報を送出するか、電池の出力電流を低減するか、電池の運転を停止するか、の少なくとも一つを行うことを特徴とする液体燃料形燃料電池の運転監視方法。
【請求項５】
前記セルスタックを少なくとも２台設けると共に、前記セルスタックは、少なくとも一個の単セルからなるセル群を複数個有しており、セルスタック間の、対応するセル群同士を並列接続することを特徴とする、請求の範囲第４項の液体燃料形燃料電池システムの運転監視方法。
【請求項６】
プロトン導電性を有する高分子電解質からなる電解質を介して負極と正極とを向かい合うようにして設け、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単セルまたはこの単セルが複数個積層されたセルスタックを有する液体燃料形燃料電池の運転を監視する液体燃料形燃料電池の運転監視装置において、前記装置は、単セルまたは前記セルスタック中の少なくとも一つの単セルの、負極と正極間の電位を監視する電位監視部と、この電位監視部によって、前記電位が所定の負電位以下であることが検出されたときに、液体燃料または酸化剤ガスの供給を増加するか、警報を送出するか、電池の出力電流を低減するか、電池の運転を停止するか、の少なくとも一つを行う制御部とを備えたことを特徴とする液体燃料形燃料電池の運転監視装置。
【請求項７】
前記セルスタックを少なくとも２台設けると共に、前記セルスタックは、少なくとも一個の単セルからなるセル群を複数個有し、かつセルスタック間の、対応するセル群同士が並列接続されていることを特徴とする、請求の範囲第６項の液体燃料形燃料電池システムの運転監視装置。
【発明の詳細な説明】
発明の属する技術分野
本発明は、液体燃料形燃料電池やそのシステム、燃料電池の運転監視方法、および運転監視装置に関する。
従来の技術
直接メタノール形燃料電池などの、液体燃料を用いた燃料電池が注目されている。液体燃料形燃料電池では、プロトン導電性を有する高分子電解質の両面に負極（燃料極）と正極（空気極）とを接合する。この接合体を、負極に液体燃料を、正極に酸化剤ガスを供給する、グラファイト板等のセパレータで挟み込んで、単セルとする。そしてセルを複数個積層してセルスタックとする。負極は白金−ルテニウム触媒を担持した炭素粉末を多孔性のカーボンペーパーに塗布することによって作製され、正極は白金触媒を担持した炭素粉末を同様のカーボンペーパーに塗布することによって作製される。液体燃料には、メタノール水溶液の他に、イソプロパノール水溶液、ジメチルエーテル−水系などが用いられる。メタノール水溶液は、濃度が例えば３ｗｔ％程度である。
発明者は、出力電流を過大にしたり、空気や液体燃料の供給が不足したりすると、負極側の排燃料が黒変し、電池特性が不可逆に低下する現象を見出した。このような現象は、同様の電極や同様の高分子電解質を用いた燃料電池でも、水素燃料では生じず、液体燃料でのみ生じた。次に負極側の排燃料を分析するとルテニウムが検出され、これは、負極の白金−ルテニウム触媒から、ルテニウムが燃料中に溶出したものと考えられる。
発明者は、ルテニウムの溶出機構を以下のように推定した。燃料の供給や酸化剤の供給が不足し、あるいは過大な出力電流を取り出すと、正極と負極との電位が逆転することがある。例えば単セルを直列に接続すると、直列に接続された他の単セルで大きな出力電流が流れるために、条件の悪いセルで電位の逆転が生じやすい。液体燃料形燃料電池では、燃料中にはメタノールやジメチルエーテルの酸化で生じた蟻酸や、プロパノールの酸化で生じたイソプロピオン酸などが微量に含まれ、排燃料は弱酸性の液体電解質とみなすことができる。そして液体電解質中で正極の電位が負極に対して反転し、例えば−６００ｍＶ以下になると、負極のルテニウムが溶出する。当然のことながらこの現象は不可逆である。また単セルの出力電圧は数百ｍＶ程度で、セルを直列に接続したセルスタックとして使用することが前提なため、最も条件の悪いセルで転極が生じやすくなっている。なおこの明細書では、正極と負極との電位が逆転することを転極と呼び、転極が著しくなった際に負極からルテニウムが溶出する。正極には通常ルテニウムは含まれていないので、正極からのルテニウムの溶出が生じない。
発明の概要
この発明の課題は、転極による液体燃料形燃料電池の劣化を防止することにある。
この発明の液体燃料形燃料電池では、前記単セルまたは前記セルスタック中の少なくとも一つの単セルは、その負極と正極間の電位を監視する電位監視部を有し、この電位監視部は、前記電位が所定の負電位以下であることを検出したときに、液体燃料または酸化剤ガスの供給を増加するか、警報を送出するか、電池の出力電流を低減するか、電池の運転を停止するか、の少なくとも一つを行う機能を備えたことを特徴とする。なおこの明細書では、負極と正極間の電位は、正極が負極よりも高い電位である際に正とする。
このようにすると、燃料電池の転極を検出し、負極中のルテニウムが溶出するのを防止できる。転極の検出電位は、セル当たりで例えば＋２００〜−５００ｍＶ、好ましくは０〜−５００ｍＶ、特に好ましくは−２００〜−５００ｍＶとする。セルを複数直列に接続したセル群の電位を監視する場合は、いずれかのセルが上記の検出電位に達し、他のセルは正常な電位を保っている場合に検出できるようにする。
この発明の液体燃料形燃料電池システムは、燃料電池セルが複数個直列接続されたセルスタックを少なくとも２台備え、かつ前記セルスタックは、少なくとも一個の単セルからなるセル群を複数個有しており、セルスタック間の、対応するセル群同士が並列接続されていることを特徴とする。このようにすると、条件の悪いセルで転極が生じるのを、並列に接続した他の単セルで防止できる。好ましくは、セル群を構成する少なくとも一つの単セルまたはセル群に対して、その負極と正極間の電位を電位監視部で監視する。
この発明の液体燃料形燃料電池の運転監視方法は、単セルまたは前記セルスタック中の少なくとも一つの単セルの、負極と正極間の電位を監視し、前記電位が所定の負電位以下であることが検出されたときに、液体燃料または酸化剤ガスの供給を増加するか、警報を送出するか、電池の出力電流を低減するか、電池の運転を停止するか、の少なくとも一つを行うことを特徴とする。好ましくは、前記セルスタックを少なくとも２台設けると共に、前記セルスタックは、少なくとも一個の単セルからなるセル群を複数個有しており、セルスタック間の対応するセル群同士を並列接続する。
この発明の液体燃料形燃料電池の運転監視装置は、単セルまたは前記セルスタック中の少なくとも一つの単セルの、負極と正極間の電位を監視する電位監視部と、この電位監視部によって、前記電位が所定の負電位以下であることが検出されたときに、液体燃料または酸化剤ガスの供給を増加するか、警報を送出するか、電池の出力電流を低減するか、電池の運転を停止するか、の少なくとも一つを行う制御部とを備えたことを特徴とする。好ましくは、前記セルスタックを少なくとも２台設けると共に、前記セルスタックは、少なくとも一個の単セルからなるセル群を複数個有し、かつセルスタック間の、対応するセル群同士が並列接続されている。
実施例
以下に最初の実施例を説明する。
（評価試験１）
評価試験に供した単セルでは、電解質としてプロトン導電性を有する高分子電解質膜としてのナフィオン（登録商標）１１７を、負極として白金−ルテニウム触媒を担持した炭素粉末（田中貴金属株式会社製）を多孔性のカーボンペーパーに塗布したものを、正極として白金触媒を担持した炭素粉末（田中貴金属株式会社製）をカーボンペーパーに塗布したものを用いた。これらをホットプレス法によって接合することによって膜電極接合体（ＭＥＡ）とし、この膜電極接合体（ＭＥＡ）をグラファイト製のセパレータで挟持した。この単セルの有効電極面積は３６ｃｍ２であった。この単セルを９０℃に加熱し、液体燃料としての濃度が３ｗｔ％のメタノール水溶液を１０ミリリットル／分で供給し、酸化剤ガスとしての空気を２リットル／分で供給し、出力電流を１２Ａの定電流とした。そして空気の流量を２リットル／分にしてメタノール水溶液の流量を１０ミリリットル／分から減少させるかまたは、メタノール水溶液の流量を１０ミリリットル／分にして空気の流量を２リットル／分から減少させた。メタノール水溶液の流量が２ミリリットル／分以下または空気の流量が０．６リットル／分以下になると転極が発生し、負極での反応生成物が黒く変色した。この反応生成物を分析したところ、通常の反応生成物中にはほとんど含有されていないルテニウムが多量に含有されていることがわかった。そしてこれによって反応生成物が黒く変色していることがわかった。このことから、メタノール水溶液または空気の供給に不足が生じていると思える場合に、このような現象が生じることがわかった。
（評価試験２）
評価試験１で用いたものと同じ単セルを、９０℃に加熱し、液体燃料としての濃度が３ｗｔ％のメタノール水溶液を２ミリリットル／分で供給し、酸化剤ガスとしての空気を０．６リットル／分で供給し、出力電流を０Ａから定電流で増加させた。それが１２Ａ以上になると転極が発生し、負極の反応生成物が黒く変色した。この反応生成物を分析したところ、同様にルテニウムが多量に含有されていることが分かった。
評価試験１、２において、反応生成物が黒く変色した時の単セルの、負極／正極間の電位を調査したところ、いずれも転極が生じて、０．５〜０．６Ｖの逆電位が生じていることがわかった。引き続いて以下の評価試験３を行った。
（評価試験３）
評価試験１で用いたものと同じ単セルを９０℃に加熱し、液体燃料として濃度が３ｗｔ％のメタノール水溶液を２ミリリットル／分で供給し、酸化剤ガスとしての空気を０．６リットル／分で供給した。この状態で、負極／正極間の電位が−２００ｍＶ、−４００ｍＶ、−６００ｍＶ、−８００ｍＶとなるように、逆電圧を３０分間ずつ連続して印加し、その負極側の反応生成物が変色するかどうかと反応生成物中にルテニウムが含有されているかどうかを調査分析した。結果を表１に示す。
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表１から、逆電圧が−２００ｍＶ、−４００ｍＶであれば、負極側の反応生成物の変色も反応生成物中のルテニウムの含有も認められなかった。これに対し、逆電圧が−６００ｍＶ、−８００ｍＶであれば、負極側の反応生成物の変色も反応生成物中のルテニウムの含有も認められることがわかった。
（評価試験４）
評価試験１で用いたものと同じ単セルを、９０℃に加熱し、液体燃料としての濃度が３ｗｔ％のメタノール水溶液を８ミリリットル／分で供給し、酸化剤ガスとしての空気を３リットル／分で供給した。この状態で、負極に対して正極の電位が−４００ｍＶの逆電圧を印加した後と、−６００ｍＶの逆電圧を印加した後で、電池特性がどのように変化するかを、出力電流と出力電圧との関係を調査することによって分析した。結果を図１に示す。
−４００ｍＶの逆電圧を印加した後は、負極側の反応生成物の変色も反応生成物中のルテニウムの含有も認められなかっただけでなく、電池特性の変化も認められなかった。これに対して、−６００ｍＶの逆電圧を印加した後は、負極側の反応生成物の変色も反応生成物中のルテニウムの含有も認められ、電池特性の顕著な低下が認められた。
すなわち、直接メタノール形燃料電池では、メタノール水溶液や空気の供給不足またはメタノール水溶液や空気の供給に対して出力電流が過大になると、単セルに転極が生じて、負極に対する正極の電位が逆転する。その電位が−６００ｍＶになると、負極側から排出される蟻酸のためメタノール水溶液が弱酸性に保持されているため、それが電解液として機能する。その結果、負極の触媒の成分であるルテニウムが電気化学的に溶解する。そして、一旦、このようにルテニウムが電気化学的に溶出してしまうと、負極の触媒機能が低下し、それによって電池特性の低下が生じる。単セルが多数直列に接続されたセルスタックの場合、特定の単セルにこのような現象が発生すると、セルスタック全体の特性低下の原因になる。ところで水素燃料の固体高分子形燃料電池では、負極では反応生成物は生じず、わずかに高純度な水が正極側から拡散するのみである。このため、このような転極を生じても、ルテニウムが電気化学的に溶出することもない。このように転極によるルテニウムの溶出は、液体燃料形燃料電池の特有の問題である。
すなわち、評価試験１〜４の結果より、本発明の液体燃料形燃料電池の、図２に示す一つの単セル１からなるものに、その負極／正極間の電位を監視する電位監視部２を設ける。そしてこの電位監視部２によって、電位がたとえば−４００ｍＶといった所定の負電位を検出したときに、液体燃料または酸化剤ガスの供給を増加するか、警報を送出するか、電池の出力電流を低減するか、電池の運転を停止するか、の少なくとも一つを行う。また本発明に係る液体燃料形燃料電池の運転監視方法では、図３にそのフロー図を示したように、単セルの負極／正極の電位を監視する。そして電位が、たとえば−４００ｍＶ以下といった所定の負電位を検出したときに、液体燃料または酸化剤ガスの供給を増加するか、警報を送出するか、電池の出力電流を低減するか、電池の運転を停止するか、の少なくとも一つを行う。また本発明に係る液体燃料形燃料電池の運転監視装置１０では、図４に示したように、単セルの、負極／正極間の電位を監視する電位監視部２を設ける。そしてこの電位監視部２によって、電位が、たとえば−４００ｍＶといった所定の負電位を検出したときに、液体燃料コントローラー１１によって液体燃料の供給を増加するか、酸化剤ガスコントローラー１２によって酸化剤ガスの供給を増加するか、警報表示部１４によって警報を送出するか、電池運転コントローラー１３によって電池の出力電流の低減または電池の運転の停止をするか、の少なくとも一つを行う制御部３とを設ける。これにより、負極の触媒中のルテニウムの電気化学的な溶出が防止でき、液体燃料形燃料電池を、長期間、安定して運転できる。なお、図２〜図４は、一つの単セルの電位を監視しているが、複数個の単セルからなるセルスタック中の、少なくとも一つの単セルの電位を監視すればよい。
実施例では、単セルまたはセルスタック中の、少なくとも一つの単セルの、負極／正極間の電位を監視するようにした。しかしセルスタックを構成する複数個の単セルを、たとえば２〜６セルごとの複数のブロックに分け、各ブロックについて、負極／正極間の電位を監視し、そのブロックの電位から、特定の単セルに逆電圧が発生していることを検出するようにしてもよい。この場合、各ブロック中の単セルは、その数が少ないほど精度は向上するものの、電位監視部の数が多くなるため、２〜６セルごとの複数のブロック、好ましくは、３〜５セルごとの複数のブロックにすることが望ましい。
また本発明の液体燃料形燃料電池では、電位監視部に代えて、単セル、セルスタックの少なくとも一つの単セルまたは複数個の単セルからなるブロックに、転極による逆電圧が印加されないように、例えばダイオード等の電子回路を設けてもよい。
最適実施例
本発明の直接メタノール形燃料電池システムを構成するセルおよびセルスタックのセルでは、プロトン導電性を有する高分子電解質膜としてのナフィオン１１７（商品名、「ナフィオン」はデュポン社の登録商標）を電解質に用い、白金−ルテニウム触媒を担持した炭素粉末を多孔性のカーボンペーパーに塗布したものを負極に用い、白金触媒を担持した炭素粉末をカーボンペーパーに塗布したものを正極に用いた。そしてこれらを温度１３０℃，圧力９８０Ｎでホットプレス法によって接合して膜電極接合体（ＭＥＡ）とし、この膜電極接合体（ＭＥＡ）をグラファイト製のセパレータで挟持した。このセルの有効電極面積は３６ｃｍ２で、セルスタックは、このセルを１０セル積層して直列接続した。
セルスタックを６台準備し、３台のセルスタックにより、図５に示したような、本発明の直接メタノール形燃料電池システムを構成した。このシステムでは、２個ずつの単セルからなる５個のセル群によってセルスタック２２ａ，２２ｂ，２２ｃを構成した。各セルスタック２２ａ，２２ｂ，２２ｃ間の、対応するセル群２３ａ，２３ｂ，２３ｃ（同じ位置にあるセルからなるセル群）同士を接続線３８によって接続して並列接続した。
図５に示したシステムでは、特定の単セルが劣化し、セルスタックを構成する各セルに対してメタノール水溶液や空気の供給が不均一になり、特定の単セルにメタノール水溶液や空気の供給が十分でなくなっても、セルスタック間の、対応するセル群２３ａ，２３ｂ，２３ｃ同士が接続線３８によって接続されているので、特定の単セルの出力電圧が極端に低下することはない。
これに対し、図６に示したように、１台のセルスタック２２ｂ中の一つのセル群２３ｂ（２個の単セル２１ｂが直列接続されてなる）に電位監視部５を設け、この電位監視部５により、セル群２３ｂの負極／正極間の電位を監視する。そして電位が所定の電位以下であることを検出したときに、そのセル群２３ｂを含むセルスタック２２ｂまたはシステムに対する、液体燃料または酸化剤ガスの供給を増加するか、警報を送出するか、システムの出力電流を低減するか、システムの運転を停止するか、の少なくとも一つを行う。電位監視部５は、セル群２３ｂ中の単セル２１ｂごとに、その負極／正極間の電位を監視するようにしてもよい。また監視部５は、セルスタック２２ｂ中のセル群２３ｂ以外の、少なくとも一個のセル群に設けてもよい。電位監視部５によって単セル２１ｂの負極／正極間の電位を監視する場合は、その設定電圧を−０．５Ｖ以上の任意の値に定めることができる。またセル群２３ｂの負極／正極間の電位を監視する場合は、セル群中のいずれの単セルの電圧も−０．５Ｖ以下にならないように、セル群中のセル数に応じて定める。なお、セル群２３ｂの負極／正極間の電位を監視する場合は、健全な複数のセル中に一つだけ劣化したセルがあると、監視する電位の変化が小さくなって劣化したセルの検出が困難になるため、セル群中のセル数は大きくしない方が好ましい。
図６のシステムを９０℃に加熱し、セル当り液体燃料として、濃度が３ｗｔ％のメタノール水溶液を８ミリリットル／分で供給し、酸化剤ガスとして、空気を１リットル／分で供給して運転した。セル群２３ｂにはメタノール供給を減少させて、メタノール水溶液をセル当り１ミリリットル／分で供給した。比較のための従来例として、セルスタックの１つの単セルにメタノール水溶液をセル当り１ミリリットル／分で供給し、他の単セルにはメタノール水溶液を８ミリリットル／分で供給した。空気供給はどの単セルも１リットル／分とした。メタノール供給を減少させた単セルの放電電圧を電位監視部５で測定しながら、電流密度を増加させた。結果を図８に示す。
図８に示すように、図５のシステムから接続線３８を除いた従来のシステムでは、放電電流密度が３００ｍＡ／ｃｍ２付近になると放電電圧が低下し始め、放電電流密度が３２０ｍＡ／ｃｍ２で放電電圧が−０．６Ｖを示して大きな転極の発生が認められた。図６（本発明）のシステムでは、放電電流密度が３００ｍＡ／ｃｍ２付近になると放電電圧が低下し始めたものの、放電電流密度が３６０ｍＡ／ｃｍ２付近になるまで、転極の発生は認められなかった。また従来のシステムでは、放電電流密度が３２０ｍＡ／ｃｍ２での運転を約３０分間継続したところ、負極の反応生成物が黒く変色して、電池特性の低下が認められるようになった。これに対し、図６のシステムでは、放電電流密度が３２０ｍＡ／ｃｍ２では転極の発生が認められず、その電流密度での運転を約３０分間継続しても、負極の反応生成物の変色はなく、セルスタックの特性の低下も認められなかった。セルスタック２２ａ，２２ｂ，２２ｃ間の、対応するセル群２３ａ，２３ｂ，２３ｃ同士を接続線３８によって接続している図６のシステムでは、接続線３８によって対応するセル群２３ａ，２３ｂ，２３ｃ間で放電電流を分担させることができる。これに対し、従来のシステムでは、メタノール水溶液を供給する流量を小さくしたセル２１ｂにも、他の単セルと同じ電流が流れ、その単セル２１ｂの放電電圧が極端に低下する。また放電電圧が所定値以下であることが検出されたときに、そのセルスタックまたはシステムに対してメタノール水溶液の供給を増加するようにした図７のシステム（後述）では、放電電流密度を４００ｍＡ／ｃｍ２にしても（この時、燃料供給を１２ミリリットル／分に増加）転極は発生しなかった。ここでは、セル当りの放電電圧を、セル群２３ｂ中の一つの単セルで転極が発生すると検出できるように、０．２Ｖとした。なお、従来例で生成した黒く変色した反応生成物を分析すると、通常の反応生成物中にはほとんど含有されていないルテニウムが多量に検出された。
図９、図１０は、実施例の直接メタノール形燃料電池システムを模式的に示している。このシステムは、図９（ａ）、図１０（ａ）に示したように、一枚の固体電解質膜２４の一部にプロトン導電性のあるプロトン導電部２６を形成する。プロトン導電部２６の表裏に負極３０と正極３２とを形成して、複数の単セル２１を固体電解質膜２４上に隣接して形成し、各セル２１間に樹脂等を含浸させてプロトン導電性のない絶縁部２８を形成する。絶縁部２８に接続部３４を形成し、この接続部３４によって単セルを電気的に接続する。このようなシート方式の直列接続により、複数のセルからなるＭＥＡが得られ、このＭＥＡをセルスタック２２ａ，２２ｂ，２２ｃとする。負極３０は、例えばＣ（カーボン）−Ｐｔ−Ｒｕの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）を混合したものとした。ここでＰｔとＲｕの比を１：１．５（モル比）、（貴金属＋カーボン）に対する貴金属の割合を約５０ｗｔ％、触媒：ＰＴＦＥ：ナフィオンを重量比で５５：１７：２８とした。そして貴金属の含有量は、単位電極表面積当たり１ｍｇ／ｃｍ２とした。これ以外にカーボンペーパーなどのバッキング層を液体燃料流路側に設ける。正極３２では、Ｃ（カーボン）−Ｐｔ−Ｒｕの導電性触媒に代えて、好ましくはＣ（カーボン）−Ｐｔの導電性触媒を用い、貴金属をＰｔ１００％、（貴金属＋カーボン）に対する貴金属の割合を約５０ｗｔ％、触媒：ＰＴＦＥ：ナフィオンを重量比で６６：１３：２１とした。そして貴金属の含有量は、単位電極表面積当たり１ｍｇ／ｃｍ２とした。他の点は負極３０と同様とし、同様にカーボンペーパーなどのバッキング層を設けることが好ましい。図９（ａ）、図１０（ａ）に示したものでは、プロトン導電部２６の厚さを１８０μｍ、負極３０と正極３２の厚さをそれぞれ２００μｍとした。負極３０と正極３２には、導電性触媒からなる、厚さが１００〜５００μｍの触媒層を設けることができる。
図９（ａ）に示した直列接続では、負極３０とその左側の隣接した正極３２との間に、金属板や金属フィルム、カーボンペーパー、導電性高分子などの電子伝導性のある材料からなる接続部３４を設ける。そして負極３０と正極３２との配列方向に関して、所定の向きにある負極３０と正極３２とを電子的に接続する。図１０（ａ）に示した直列接続では、固体電解質膜２４の一方の同一表面上に負極３０を、他方の同一表面上に正極３２を形成し、絶縁部２８を貫通させて接続部３４を形成する。この接続部３４によって固体電解質膜２４（プロトン導電部２６）の表裏両面の負極３０と正極３２とを電子的に接続する。また、３６，３７はセルスタック２２ａ〜ｃの出力端子であり、この出力端子３６，３７の同極性同士を互いに接続することによって各セルスタック２２ａ〜ｃを並列に接続してシステムを構成する。本発明のシステムでは、図９（ａ）、図１０（ａ）およびそれぞれの接続図である図９（ｂ）、図１０（ｂ）に示したように、各セルスタック２２ａ〜ｃの個々の単セル２１によってセル群２３を構成するとともに、各セルスタック２２ａ〜ｃ間の、対応するセル群２３同士を接続線３８によって並列に接続する。なお、接続線３８は、導電性のネットやカーボン板を介在させることによって実現できる。
本発明の運転監視方法や運転監視装置では、図７に示したように、２個の単セル２１ｂが直列接続されたセル群２３ｂの、負極／正極間の電位を電位監視部５で監視する。電位が所定の電位以下であることが検出されたときに、制御部７は、液体燃料コントローラー１１を介して、セル群２３ｂが含まれるセルスタック２２ｂまたはシステムに対する液体燃料の供給を増加させる。あるいは酸化剤ガスコントローラー１２を介して、セルスタック２２ｂまたはシステムに対する酸化剤ガスの供給が増加され、警報表示部１４によって警報が送出され、または電池運転コントローラー１３によって、システムの出力電流が低減されまたはシステムが運転停止される。電位監視部５は、１個の単セル２１ｂの、負極／正極間の電位を監視してもよく、複数のセル群２３ｂでの負極／正極間の電位を監視してもよい。
【図面の簡単な説明】
図１は、単セルに−４００ｍＶの逆電圧を印加した後と−６００ｍＶの逆電圧を印加した後で電池特性がどのように変化するかを、出力電流と出力電圧との関係で示した図である。
図２は、実施例の直接メタノール形燃料電池の構成を示す図である。
図３は、実施例の直接メタノール形燃料電池の運転監視方法を示す図である。
図４は、実施例の直接メタノール形燃料電池の運転監視装置を示す図である。
図５は、実施例の直接メタノール形燃料電池システムの要部を示す図である。
図６は、他の実施例の直接メタノール形燃料電池システムの要部を示す図である。
図７は、実施例の直接メタノール形燃料電池システムの運転監視装置の一例を示す図である。
図８は、実施例の直接メタノール形燃料電池システムと従来の直接メタノール形燃料電池システムの放電特性を比較した図である。
図９は、実施例の直接メタノール形燃料電池システムを模式的に示す図である。
図１０は、他の実施例の直接メタノール形燃料電池システムを模式的に示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年12月10日(2004.12.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】プロトン導電性を有する高分子電解質からなる電解質を介して、白金−ルテニウム触媒を有する負極と、白金触媒を有する正極とを向かい合うようにして設け、前記負極に、メタノール水溶液、イソプロパノール水溶液、及びジメチルエーテル−水からなる群の少なくとも一員の液体燃料を供給し、前記正極に酸化剤ガスを供給するようにした単セル、を有する液体燃料形燃料電池であって、
前記単セルでの負極電位が正極電位に対して反転し、負極電位が正極電位よりも正になったことを検出するための検出手段と、
該検出手段で負極電位が正極電位よりも正になったことを検出した際に、液体燃料または酸化剤ガスの供給を増加するか、警報を送出するか、電池の出力電流を低減するか、電池の運転を停止するか、の少なくとも一つを行うための手段とを設けて、
負極のルテニウムが液体燃料中に溶出することを防止するようにした、液体燃料形燃料電池。
【請求項２】前記検出手段は、負極電位が正極電位よりも２００ｍＶ以上正になったことを検出するようにした、請求の範囲第１項の液体燃料形燃料電池。
【請求項３】液体燃料形燃料電池は、前記単セルを複数積層したセルスタックを備え、
前記検出手段はセルスタックの少なくとも１つの単セルの、負極／正極間の電位差を監視するようにした、請求の範囲第１項の液体燃料形燃料電池。
【請求項４】前記検出手段はセルスタックの各単セルの、負極／正極間の電位差を監視するようにした、請求の範囲第３項の液体燃料形燃料電池。
【請求項５】液体燃料形燃料電池は、少なくとも一個の単セルからなるセル群を複数直列に接続したセルスタックを少なくとも２台有し、かつセルスタック間の対応するセル群を互いに並列に接続すると共に、
前記検出手段は、互いに並列に接続したセル群の負極／正極間の電位差を監視することにより、セル群のいずれかの単セルで負極電位が正極電位に対して反転したことを検出するようにした、請求の範囲第１項の液体燃料形燃料電池。
【請求項６】前記検出手段は、セル群の正極の負極に対する電位が＋２００ｍＶ以下に低下したことを検出するようにした、請求の範囲第５項の液体燃料形燃料電池。
【請求項７】プロトン導電性を有する高分子電解質からなる電解質を介して、白金−ルテニウム触媒を有する負極と、白金触媒を有する正極とを向かい合うようにして設け、前記負極に、メタノール水溶液、イソプロパノール水溶液、及びジメチルエーテル−水からなる群の少なくとも一員の液体燃料を供給し、前記正極に酸化剤ガスを供給するようにした単セル、を有する液体燃料形燃料電池の運転監視方法であって、
前記単セルでの負極電位が正極電位に対して反転し、負極電位が正極電位よりも正になったことを検出した際に、液体燃料または酸化剤ガスの供給を増加するか、警報を送出するか、電池の出力電流を低減するか、電池の運転を停止するか、の少なくとも一つを行うことにより、
負極のルテニウムが液体燃料中に溶出することを防止するようにした、液体燃料形燃料電池の運転監視方法。
【請求項８】負極電位が正極電位よりも２００ｍＶ以上正になったことを検出するようにした、請求の範囲第７項の液体燃料形燃料電池の運転監視方法。
【請求項９】液体燃料形燃料電池は、前記単セルを複数積層したセルスタックを備え、
負極電位が正極電位よりも正になったことの検出するため、検出前記検出手段はセルスタックの少なくとも１つの単セルの、負極／正極間の電位差を監視するようにした、請求の範囲第７項の液体燃料形燃料電池の運転監視方法。
【請求項１０】前記セルスタックの各単セルの、負極／正極間の電位差を監視するようにした、請求の範囲第９項の液体燃料形燃料電池の運転監視方法。
【請求項１１】プロトン導電性を有する高分子電解質からなる電解質を介して、白金−ルテニウム触媒を有する負極と、白金触媒を有する正極とを向かい合うようにして設け、前記負極に、メタノール水溶液、イソプロパノール水溶液、及びジメチルエーテル−水からなる群の少なくとも一員の液体燃料を供給し、前記正極に酸化剤ガスを供給するようにした単セル、を有する液体燃料形燃料電池の運転監視装置であって、
前記単セルでの負極電位が正極電位に対して反転し、負極電位が正極電位よりも正になったことを検出するための検出手段と、
該検出手段で負極電位が正極電位よりも正になったことを検出した際に、液体燃料または酸化剤ガスの供給を増加するか、警報を送出するか、電池の出力電流を低減するか、電池の運転を停止するか、の少なくとも一つを行うための手段とを設けて、
負極のルテニウムが液体燃料中に溶出することを防止するようにした、液体燃料形燃料電池の運転監視装置。
【請求項１２】前記検出手段は、負極電位が正極電位よりも２００ｍＶ以上正になったことを検出するようにした、請求の範囲第１１項の液体燃料形燃料電池の運転監視装置。
【請求項１３】液体燃料形燃料電池は、前記単セルを複数積層したセルスタックを備え、
前記検出手段はセルスタックの少なくとも１つの単セルの、負極／正極間の電位差を監視するようにした、請求の範囲第１１項の液体燃料形燃料電池の運転監視装置。
【請求項１４】前記検出手段はセルスタックの各単セルの、負極／正極間の電位差を監視するようにした、請求の範囲第１３項の液体燃料形燃料電池の運転監視装置。
【国際調査報告】
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