(57)【要約】【課題】簡便な装置構成で発電に最適な燃料濃度の調整を行うことが可能な燃料電池および燃料電池の運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池のスタックセルで、燃料の上流側に位置する上流側発電部と燃料の下流側に位置する下流側発電部での出力密度を測定し、上流側での電圧が高い場合には燃料の濃度を高くする制御を行い、上流側での電圧が低い場合には燃料の濃度を低くする制御を行う。この制御を繰り返すことにより、発電効率を最大とする燃料の濃度を目指す制御を実行できる。発電部に濃度センサーを設ける必要がないため、燃料電池の構成の簡素化と小型化を図ることが可能となる。【選択図】図１
2004327354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両面に燃料極と空気極が配された発電単位を複数有する燃料電池であって、
燃料の流れ方向で上流側に位置する発電単位で形成される上流側発電部と、
燃料の流れ方向で下流側に位置する発電単位で形成される下流側発電部と、
前記上流側発電部および前記下流側発電部での出力密度に基づいて前記燃料極に供給する燃料の濃度を調整する燃料濃度調整部と
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料濃度調整部は、前記上流側発電部の発電単位での出力密度が前記下流側発電部の発電単位での出力密度よりも大きい場合には、前記燃料の濃度を高くすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料濃度調整部は、前記上流側発電部の発電単位での出力密度が前記下流側発電部の発電単位での出力密度よりも小さい場合には前記燃料の濃度を低くすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記発電単位での発電により生成された水分を回収し、前記燃料濃度調整部に供給する水分回収部を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記下流側発電部の燃料極を通過した燃料を前記燃料濃度調整部に還流することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
前記上流側発電部を形成する発電単位の数と、前記下流側発電部を形成する発電単位の数とが同数であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項７】
前記上流側発電部を形成する発電単位の数が、前記下流側発電部を形成する発電単位の数よりも多いことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項８】
前記上流側発電部を形成する発電単位が燃料の流れ方向に並列に配置され、
前記下流側発電部を形成する発電単位が燃料の流れ方向に並列に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項９】
前記燃料はアルコールを含有した水溶液であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記アルコールがメタノールであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池。
【請求項１１】
電解質の両面に燃料極と空気極が配された発電単位を複数有する燃料電池の運転方法であって、
燃料の流れ方向で上流側に位置する上流側発電単位での出力密度と、
燃料の流れ方向で下流側に位置する下流側発電単位での出力密度と、
に基づいて前記燃料極に供給する燃料の濃度を調整することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１２】
発電により生成された水分を回収し、前記燃料の濃度調整に利用することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１３】
前記下流側発電単位を通過した燃料に、濃度の高い燃料を混合して還流することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１４】
前記上流側発電単位を流れる燃料の流量と、前記下流側発電単位を流れる燃料の流量とを同量とすることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１５】
前記上流側発電単位を流れる燃料の流量よりも、前記下流側発電単位を流れる燃料の流量が多いことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１６】
前記上流側発電単位での出力密度が、下流側発電単位での出力密度よりも大きい場合には前記燃料の濃度を高くすることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１７】
前記上流側発電単位での出力密度が、下流側発電単位での出力密度よりも小さい場合には前記燃料の濃度を低くすることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を挟んで燃料極と空気極が設けられた燃料電池および燃料電池の運転方法に関し、特に発電の燃料にメタノールを用いるダイレクトメタノール型の燃料電池および燃料電池の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料と酸素（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主として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近年注目されており、例えば自動車を駆動するための駆動電源や家庭用コジェネレーションシステムとして使用する試みが行われている。
【０００３】
さらに、上述の自動車駆動用の駆動電源等に止まらず、例えばノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  ＤＩｇＩｔａｌ  ＡｓｓＩｓｔａｎｔ）などの携帯型電子機器の駆動電源としての燃料電池の開発も活発に行われている。このような燃料電池においては、所要の電力を安定して出力できるとともに、携帯可能なサイズ及び重量とされることが重要となり、このような要求に対応するべく各種技術開発が盛んに行われている。
【０００４】
燃料電池は、電解質の違いや燃料の供給方法等によって様々なタイプのものに分類されるが、メタノールを水素に改質せずに燃料として直接用いるダイレクトメタノール型の燃料電池（ＤＩｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）も提案されている。ダイレクトメタノール型の燃料電池では、アノード側で主としてＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ―の如き反応がおき、カソード側で主として３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ―→３Ｈ２Ｏの如き反応がおきている。アノード側で発生したプロトン（Ｈ＋）が電解質によってカソード側に伝達され、全体としてＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏの反応が起きて発電とともに水と二酸化炭素が生成される。
【０００５】
ダイレクトメタノール型の燃料電池では、燃料として純粋なメタノールを供給するだけではアノードでの発電反応が進行しないため、水とメタノールとを混合した燃料をアノードに供給する必要がある。このときの燃料供給方法として、予めメタノールと水を適切な組成で混合しておく方法が提案されている。また、燃料を循環させる燃料流路を設置し、純粋なメタノールを補充することで発電反応によって消費され不足したメタノール成分を補給し、発電反応によってカソードで生成された水を回収して燃料に混合する方法が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料として予めメタノールと水とを混合しておく場合には、燃料電池システムにメタノールと水の混合を行う機構を設けなくてもよいため、燃料電池システムの構造を簡素化することができる。しかし、供給されるメタノールが予め水分と混合されているために、供給される燃料自体のエネルギー密度が低下してしまう。
【０００７】
燃料のエネルギー密度を上げるためにメタノール濃度が高い燃料を用いると、プロトンを伝導するイオン交換膜をメタノールがクロスオーバーし、燃料電池の発電効率を低下させるだけではなく、発電体であるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が劣化しやすくなり、燃料電池の寿命が短くなってしまう。また、燃料は燃料電池に供給する前の製造過程で純粋なメタノールと水とを混合しておく必要があり、メタノールと水を混合した状態で保存する場合には、メタノール濃度を長期にわたって安定させるための問題が発生する可能性がある。
【０００８】
これに対し、発電によって生成された水を回収して燃料の混合に再利用する場合には、燃料中のメタノール濃度を一定に保つためにメタノールの濃度を測定するセンサーを設置する必要がある。メタノール濃度のセンサーは、現在実用化されているものは一般にサイズが大きく、燃料電池システムに組み込むことが困難である上、燃料電池システム自体も複雑化、大型化してしまうという問題がある。
【０００９】
他のセルと構造的に相違するセルを用いてセンサーと同様の働きを実現させる技術も提案されている（特許文献１）が、燃料電池システムの複雑化、大型化という問題が十分に解決されていない。
【００１０】
【特許文献１】特表２００２−５２０７７８号公報
【００１１】
したがって本発明は、簡便な装置構成で発電に最適な燃料濃度の調整を行うことが可能な燃料電池および燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の燃料電池は、電解質の両面に燃料極と空気極が配された発電単位を複数有する燃料電池であって、燃料の流れ方向で上流側に位置する発電単位で形成される上流側発電部と、燃料の流れ方向で下流側に位置する発電単位で形成される下流側発電部と、前記上流側発電部および前記下流側発電部での出力密度に基づいて前記燃料極に供給する燃料の濃度を調整する燃料濃度調整部とを有することを特徴とする。
【００１３】
発電部での出力密度はある燃料濃度で極大値をとるため、燃料濃度の高い上流側発電部と燃料濃度の低い下流側発電部の電圧の相異から、出力密度を最大にするためにどのような燃料濃度の制御を行えばよいかがわかる。したがって、上流側に配置された発電部と下流側に配置された発電部での出力密度に基づいて燃料の濃度を調整することにより、発電部に濃度センサーを設けずに発電に最適な燃料濃度を実現することができる。発電部の出力密度を測定するだけで最適な燃料濃度を実現でき、濃度センサーを必要としないために、燃料電池の構成を簡略化し小型化を図ることが可能となる。
【００１４】
また、燃料濃度調整部は、上流側発電部の発電単位での出力密度が下流側発電部の発電単位での出力密度よりも大きい場合には、燃料の濃度を高くし、上流側発電部の発電単位での出力密度が下流側発電部の発電単位での出力密度よりも小さい場合には燃料の濃度を低くする。これにより、燃料の濃度と関連する出力密度の極大値を目標とした燃料濃度の調整を行うことが可能となる。
【００１５】
さらに燃料電池が、発電単位での発電により生成された水分を回収し、燃料濃度調整部に供給する水分回収部を有することで、発電によって生じた水分を燃料濃度の調整に用いることができる。また、下流側発電部の燃料極を通過した燃料を燃料濃度調整部に還流することで、発電反応によって濃度が低下した燃料と純度の高い燃料を混合する循環型の燃料濃度調整を行うことができる。
【００１６】
上流側発電部を形成する発電単位の数と、下流側発電部を形成する発電単位の数とを同数にするとしても、上流側発電部を形成する発電単位の数を、下流側発電部を形成する発電単位の数よりも多くするとしても良い。上流側の発電単位数を下流側よりも多くする場合には、上流側の単層に流れる燃料の流量よりも下流側の単層に流れる燃料の流量が多くなり、上流側で発電によって濃度が低下した燃料であっても下流側で流量を増加させることで発電効率を向上させることが可能となる。
【００１７】
また、上流側発電部を形成する発電単位が燃料の流れ方向に並列に配置し、下流側発電部を形成する発電単位が燃料の流れ方向に並列に配置する。燃料としてメタノールなどのアルコールを含有した水溶液を用いることができる。
【００１８】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池の運転方法は、電解質の両面に燃料極と空気極が配された発電単位を複数有する燃料電池の運転方法であって、燃料の流れ方向で上流側に位置する上流側発電単位での出力密度と、燃料の流れ方向で下流側に位置する下流側発電単位での出力密度とに基づいて前記燃料極に供給する燃料の濃度を調整することを特徴とする。
【００１９】
燃料の流れの上流側に配置された発電単位と下流側に配置された発電単位での出力密度に基づいて燃料の濃度を調整することにより、発電部に濃度センサーを設けずに発電に最適な燃料濃度を実現することができる。濃度センサーを必要としないために、燃料電池の構成を簡略化し小型化を図ることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
［第一の実施の形態］
以下、本願発明を適用した燃料電池および燃料電池の運転方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、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。なお、本実施の形態では燃料としてメタノールと水を混合した水溶液を用いた例を示すが、他の有機溶剤と水を混合した水溶液を用いても良い。
【００２１】
本発明の燃料電池は、燃料の流れ方向に発電素子を並列に配置して上流側発電部および下流側発電部を構成し、上流側発電部と下流側発電部とを燃料の流れ方向に直列に配置した構造をとる。
【００２２】
図１は本発明の燃料電池の構造を示すブロック図であり、燃料と空気の流れを示している。図に示すように燃料電池は、発電素子を複数積層したスタック構造を有する発電部３０と、燃料であるメタノールを供給する燃料供給部４０と、燃料を循環させるとともに燃料の濃度調整を行う燃料濃度調整部５０と、発電部３０に対して酸素を含んだ空気を供給する空気供給部６０と、発電部３０で発生した水分を回収する水分回収部７０とを有している。図中の太線矢印は各部での燃料の流れを示しており、細線矢印は空気や水分やメタノールの流れを示している。
【００２３】
発電部３０は、後述する図２に示すように電解質１３のアノード側とカソード側を電極１４で挟み込んだＭＥＡ３１ａ乃至３１ｊを１０層積層したスタックセル構造を有している。１０層の発電素子のうちの５層であるＭＥＡ３１ａ乃至３１ｅが燃料の流れ方向に並列に配置されて上流側発電部３２を構成し、残りの５層であるＭＥＡ３１ｆ乃至３１ｊが燃料の流れ方向に並列に配置されて下流側発電部３３を構成している。また、上流側発電部３２には上流側発電部３２の電圧Ｖｕを測定する上流側電圧計３４が接続され、下流側発電部３３には下流側発電部３３の電圧Ｖｄを測定する下流側電圧計３５が接続されている。
【００２４】
上流側発電部３２および下流側発電部３３の各層は電流の流れる方向に対して直列に接続されている。つまり、上流側発電部３２および下流側発電部３３を構成する各発電素子は電流に対して直列に接続され、各発電素子に流れる電流は等しいことになる。したがって、上流側発電部３２のスタック構造の電圧Ｖｕを上流側電圧計３４で測定し、上流側発電部３２に含まれる発電素子の数で割れば上流側での発電素子あたりの出力密度を求めることができる。また、下流側発電部３３のスタック構造の電圧Ｖｄを下流側電圧計３５で測定し、下流側発電部３３に含まれる発電素子の数で割れば下流側での発電素子あたりの出力密度を求めることができる。
【００２５】
上流側発電部３２と下流側発電部３３とは燃料の流れ方向に直列に接続されている。燃料濃度調整部５０から供給される燃料は、上流側発電部３２の各層の燃料流路を通過してアノード側で一部消費され、上流側発電部３２での発電反応によって濃度が低下した燃料が下流側発電部３３の各層の燃料流路に流入していく。下流側発電部３３を通過した燃料は再び燃料濃度調整部５０に到達し、発電部３０と燃料濃度調整部５０との間で燃料が循環する。上流側発電部３２および下流側発電部３３での発電に用いられる酸素は、空気供給部６０から各層の空気流路に供給され、発電に伴ってカソード側に生成される水分は空気とともに水分回収部７０に排出される。
【００２６】
燃料供給部４０は、発電部３０で燃料として用いられるメタノールを燃料濃度調整部５０に供給する部分であり、燃料タンク４１とバルブ４２とポンプ４３とが配管４４で接続され、配管４４は燃料濃度調整部５０に接続されている。燃料タンク４１には純粋なメタノールが貯蔵されており、バルブ４２の開閉とポンプ４３の駆動とによって燃料濃度調整部５０に対してメタノールを供給する。また、バルブ４２の調整とポンプ４３の制御によって燃料濃度調整部５０に対するメタノールの供給量を調整することができる。
【００２７】
燃料濃度調整部５０は、混合器５１と、フィルタ５２と、バルブ５３とが燃料配管５４で接続されている。混合器５１は、上流側電圧計３４が測定した電圧Ｖｕと、下流側電圧計３５が測定した電圧Ｖｄとに基づいて、燃料供給部４０から供給される純粋なメタノールと、発電部３０から回収された燃料と、水分回収部７０から供給される水分とを混合して、メタノールを含有した水溶液である燃料のメタノール濃度を調整する。フィルタ５２は燃料中のゴミや不純物などを濾過して除去し、バルブ５３は開閉を調整することで発電部３０に対する燃料の供給量を調整する。混合器５１でメタノール濃度が調整された燃料は、燃料配管５４を通って発電部３０に対して送出される。本実施の形態では、発電効率に与える影響が支配的な要因がメタノール濃度となるように、濃度３％の燃料が発電部３０を一回循環したときにメタノールの利用率が２０％となるよう燃料の流速を制御する。
【００２８】
空気供給部６０は、外気取入口６１とブロア６２とフィルタ６３とバルブ６４とを有し、外気取入口６１から酸素を含んだ空気を取入れて、空気をブロア６２で発電部３０に対して供給する。外気取入口６１から取入れられた空気は、フィルタ６３で塵芥を除去し、バルブ６４で流量を調整して発電部３０に対して送りだされる。
【００２９】
水分回収部７０は、発電部３０の各層のカソード側で発生した水分を回収し、回収した水分を燃料濃度調整部５０に供給する。発電部３０の各層のカソード側を通過した排気気体は、発電反応によって生じた水分を含んで水分回収部７０に排出される。水分回収部７０では、バルブ７１で排気気体の流量を調節し、冷却器ドレイン７２で排気気体を冷却して水蒸気を蒸留する。冷却器ドレイン７２で水分が除去された乾燥空気は排気口７３から大気中に排出される。冷却器ドレイン７２で排気気体から取り出された水分は、バルブ７４とフィルタ７５とを通ってポンプ７６によって燃料濃度調整部５０に送りだされ、燃料濃度調整部５０での燃料の濃度調整に用いられる。このとき、バルブ７４の開閉調整とポンプ７６の駆動制御によって燃料濃度調整部５０に供給する水分量を調整し、フィルタ７５によって水分中に含まれる汚れや不純物が除去される。
【００３０】
したがって、図１に示したような燃料電池では、燃料供給部４０が純粋なメタノールを燃料濃度調整部５０に供給し、燃料濃度調整部５０が発電部３０から還流してきた燃料と燃料供給部４０から供給される純粋なメタノールとを混合して燃料濃度の調整を行い発電部３０への燃料の循環を行う。燃料濃度調整部５０での燃料濃度の調整には、水分回収部７０が供給する水分を用いることも出来る。発電部３０では、燃料濃度調整部５０から送り出された燃料が始めに上流側発電部３２で使用され、濃度が低下した燃料が下流側発電部３３で使用されて発電が行われる。
【００３１】
図２は、本発明の燃料電池のスタックセル構造の一例を示す分解斜視図である。図２に示すように、２つのセパレータ１１とこれら２つのセパレータ１１の間に挟持されるＭＥＡ１２とから発電素子１３が構成される。なお同図においては、２つの発電素子１３を積層して構成されたスタックセル構造を示しているが、さらに多数の発電素子１３を積層することでスタックセルを構成するとしてもよい。
【００３２】
ＭＥＡ１２は、イオン伝導性を有する電解質１４と、この電解質１４を両面から挟み込む電極１５とによって形成される。電解質１４としては、例えばパーフルオロスルホン酸系の固体高分子電解質膜を用いることができる。また電極１５としては、一例として、発電反応を促進するための触媒として白金が担持された電極を用いることができる。
【００３３】
セパレータ１１には、図中表面側にミアンダ状の溝である燃料流路１６が形成され、該セパレータ１１の図中裏面側に複数の溝である空気流路１７が形成された板状部材である。このセパレータ１１においては、外部から空気供給ファンなどによって空気流路１７に空気が供給され、燃料電池のスタック構造の内部における空気の流動が実現される。
【００３４】
各セパレータ１１には、燃料の入口となる燃料供給孔１８及び燃料の出口となる燃料排出孔１９がセパレータ１１を厚さ方向に貫通する形で形成されており、燃料流路１６の一方の端部は燃料供給孔１８と接続され、他方の端部は燃料排出孔１９と接続されている。上記燃料供給孔１８と燃料排出孔１９は、複数のセパレータ１１を重ね合わせたときに互いに連通し、それぞれ燃料供給路および燃料排出路を構成する。
【００３５】
また、ＭＥＡ１２の周縁付近には、発電素子１３を積層してスタック構造を形成した際に、セパレータ１１とＭＥＡ１２との間を封止する封止部材２２が配置される。この封止部材２２は、セパレータ１１の周縁部とＭＥＡ１２の周縁部とを十分に絶縁することができる材質から構成される。また、封止部材２２としては、スタックセルの放熱性を高めるために高い熱伝導性を有する材質を用いることが好ましい。
【００３６】
図２に示したスタックセル構造の燃料供給孔１８に燃料であるメタノールと水の混合物を供給すると、燃料供給孔１８が連通している複数の発電素子１３に形成された燃料流路１６に燃料が流入する。その後、燃料流路１６を通過した燃料は、燃料排出孔１９からスタックセルの外部へと排出される。燃料が燃料流路１６を通過する過程で、ＭＥＡ１２のアノード側ではＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ―の如き反応がおきる。
【００３７】
セパレータ１１の空気流路１７に外部から酸素を含んだ空気が供給されると、ＭＥＡ１２のカソード側では３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ―→３Ｈ２Ｏの如き反応がおきる。アノード側で発生したプロトン（Ｈ＋）が電解質によってカソード側に伝達され、カソード側の酸素とプロトンが反応して、全体としてＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏの反応が起きて発電とともに水と二酸化炭素が生成される。
【００３８】
発電素子１３が燃料の流れ方向に並列に配置されるとは、燃料供給孔１８が連通して積層されたスタックセルでは、燃料供給孔１８に供給された燃料が各層の発電素子１３に対して分岐して流れることを意味する。発電素子１３が燃料の流れ方向に並列に配置されている場合には、燃料供給孔１８に供給された燃料が各層の発電素子１３に分岐して流れていくために、各層の燃料流路１６に流入する燃料のメタノール濃度は同一となる。
【００３９】
複数の発電素子１３をスタックセル構造として燃料の流れ方向に並列に配置して上流側発電部３２を構成し、さらに別のスタック構造として複数の発電素子１３を燃料の流れ方向に並列に配置して下流側発電部３３を構成する。上流側発電部３２と下流側発電部３３とが燃料の流れ方向に直列に配置されるとは、上流側発電部３２の燃料排出孔１９と下流側発電部３３の燃料供給孔１８とを接続し、燃料が上流側発電部３２を通過した後に下流側発電部３３を通過することを意味する。つまり、上流側発電部３２の各層で燃料流路１６を並列に流れた燃料は、燃料排出孔１９へと排出された後に下流側発電部３３の各発電素子で燃料流路１６を並列に流れることになる。
【００４０】
次に、図３を用いて燃料濃度調整部５０での燃料濃度の調整について説明する。図３は燃料のメタノール濃度と発電による出力密度との関係を示したグラフである。発電素子に供給される燃料のメタノール濃度が低い場合には、発電に用いられるメタノールが十分に供給されないために出力密度が低くなる。また、発電素子に供給される燃料のメタノール濃度が高い場合には、アノードからクロスオーバーによって透過したメタノールがカソードで直接酸化反応するため反応素子の特性が低下し出力密度が低くなる。
【００４１】
したがって、出力密度が極大値を取るようなメタノール濃度Ｄｐ１（ｍｏｌｅ／ｌ）が存在し、燃料の濃度が常にＤｐ１となるように燃料中のメタノール濃度を調整することで燃料電池の発電効率を極大とすることができる。
【００４２】
上述した様に、本発明の燃料電池では燃料の流れ方向で上流側に上流側発電部３２が配置され、燃料の流れ方向で下流側に下流側発電部３３が配置されている。発電部３０と燃料濃度調整部５０との間で循環される燃料は、上流側発電部３２で発電反応に利用された後に下流側発電部３３での発電反応に利用される。したがって、常に上流側発電部３２でのメタノール濃度が下流側発電部３３でのメタノール濃度よりも高いことになる。逆に、下流側発電部３３でのメタノール濃度は上流側発電部３２でのメタノール濃度よりも低いことになる。
【００４３】
出力密度を最大にするメタノール濃度Ｄｐ１よりも上流側発電部３２に供給されるメタノール濃度が低い場合での、上流側発電部３２のメタノール濃度をＤｕ１とし、下流側発電部３３のメタノール濃度をＤｄ１とする。グラフ中に示すように、メタノール濃度Ｄｐ１以下では濃度が高いほうが出力密度が高いので、Ｄｕ１での出力密度がＤｄ１での出力密度よりも高くなる。したがって、上流側発電部３２の出力密度が下流側発電部３３の出力密度よりも高い場合には、燃料のメタノール濃度を高くすることでメタノール濃度を出力密度が最大となるＤｐ１に近づけることが出来る。
【００４４】
また、出力密度を最大にするメタノール濃度Ｄｐ１よりも上流側発電部３２に供給されるメタノール濃度が高い場合での、上流側発電部３２のメタノール濃度をＤｕ２とし、下流側発電部３３のメタノール濃度をＤｄ２とする。グラフ中に示すように、メタノール濃度Ｄｐ１以上では濃度が高いほうが出力密度が低いので、Ｄｕ２での出力密度がＤｄ２での出力密度よりも低くなる。したがって、上流側発電部３２の出力密度が下流側発電部３３の出力密度よりも低い場合には、燃料のメタノール濃度を低くすることでメタノール濃度を出力密度が最大となるＤｐ１に近づけることが出来る。
【００４５】
上流側発電部３２でのメタノール濃度がＤｐ１より高く、下流側発電部３３でのメタノール濃度がＤｐ１よりも低い場合でも、上述した様に上流側の出力密度が下流側よりも大きいときにはメタノール濃度を高くする方向に制御を行い、上流側の出力密度が下流側よりも小さいときにはメタノール濃度を低くする方向に制御を行う。上流側発電部３２での出力密度と、下流側発電部３３での出力密度が等しい場合には燃料のメタノール濃度は変化させない。
【００４６】
図４に本発明の燃料電池におけるメタノール濃度の調整手順を説明するフローチャートを示す。図４に示す燃料濃度制御ルーチンは定期的にが呼び出されて実行されるが、条件を満たした場合に不定期に実行されるとしても良い。
【００４７】
ステップ１では、上流側電圧計３４が上流側発電部３２の発電反応による出力電流の電圧Ｖｕを測定し、下流側電圧計３５が下流側発電部３３の発電反応による出力電流の電圧Ｖｄを測定する。電圧Ｖｕと電圧Ｖｄの測定後にステップ２に移行する。
【００４８】
ステップ２では、混合器５１が電圧Ｖｕと電圧Ｖｄの比較を行う。電圧Ｖｕのほうが電圧Ｖｄよりも大きい場合には、燃料中のメタノール濃度は図３に示したＤｕ１とＤｄ１の関係にあり、メタノール濃度をＤｐに近づけるためにステップ３に移行する。その他の場合にはステップ４に移行する。
【００４９】
ステップ３では、メタノール濃度をＤｐに近づけるために、混合器５１はメタノール濃度を上昇させる方向に制御を行い、その後にＥＮＤステップに移行して燃料濃度制御ルーチンを終了する。燃料濃度を高くするために、燃料濃度調整部５０では、燃料供給部４０から供給される純粋なメタノールの流量を多くし、水分回収部７０から供給される水分の流量を減少させる方向の制御を行う。これにより、発電部３０から還流してきた燃料に混合器５１で追加されるメタノール量が増加し、発電部３０へ供給される燃料中のメタノール濃度が高くなる。
【００５０】
ステップ４では、混合器５１が電圧Ｖｕと電圧Ｖｄの比較を行う。電圧Ｖｕのほうが電圧Ｖｄよりも小さい場合には、燃料中のメタノール濃度は図３に示したＤｕ２とＤｄ２の関係にあり、メタノール濃度をＤｐに近づけるためにステップ５に移行する。その他の場合にはＥＮＤステップに移行して燃料濃度制御ルーチンを終了する。
【００５１】
ステップ５では、メタノール濃度をＤｐに近づけるために、混合器５１はメタノール濃度を低下させる方向に制御を行い、その後にＥＮＤステップに移行して燃料濃度制御ルーチンを終了する。燃料濃度を低くするために、燃料濃度調整部５０では、燃料供給部４０から供給される純粋なメタノールの流量を減少させ、水分回収部７０から供給される水分の流量を増加させる方向の制御を行う。これにより、発電部３０から還流してきた燃料に混合器５１で追加されるメタノール量が減少し、発電部３０へ供給される燃料中のメタノール濃度が低くなる。
【００５２】
本実施の形態では上流側発電部３２と下流側発電部３３を構成する発電素子数が同数であるので、ＶｕとＶｄを比較することは一層あたりの出力密度を比較することと同じである。上流側発電部を構成する発電素子数と下流側発電部を構成する発電素子数とが異なる場合には、上流側発電部と下流側発電部の一層あたりの出力密度を算出して、一層あたりの出力密度を比較して制御を行う。
【００５３】
以上述べたように、上流側発電部３２と下流側発電部３３での出力密度を測定し、上流側発電部３２での出力密度が下流側発電部３３での出力密度よりも高い場合には、燃料濃度調整部５０が燃料中のメタノール濃度を高くする制御を行い、上流側発電部３２での出力密度が下流側発電部３３での出力密度よりも低い場合には、燃料濃度調整部５０が燃料中のメタノール濃度を低くする制御を行う。この制御を繰り返すことによって、燃料濃度調整部５０が発電部３０に対して供給する燃料中のメタノール濃度をＤｐ１に近づけていくことができ、発電効率を最大にするメタノール濃度を目指す制御を実行することになる。
【００５４】
本発明の燃料電池および燃料電池の運転方法によれば、発電部に濃度センサーを設けずに上流側発電部と下流側発電部の出力密度を測定するだけで、発電に最適な燃料濃度を実現することができる。濃度センサーを必要としないために、燃料電池の構成を簡略化し小型化を図ることが可能となる。
【００５５】
［第二の実施の形態］
本願発明を適用した燃料電池および燃料電池の運転方法について、他の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお本実施の形態は、上述した第一の実施の形態とは発電部の構成のみが異なり、他の部分は図１を用いて説明したものと同様の構成である。
【００５６】
図５は本発明の燃料電池の構造を示すブロック図であり、燃料と空気の流れを示している。図に示すように燃料電池は、発電素子を複数積層したスタック構造を有する発電部８０と、燃料であるメタノールを供給する燃料供給部４０と、燃料を循環させるとともに燃料の濃度調整を行う燃料濃度調整部５０と、発電部８０に対して酸素を含んだ空気を供給する空気供給部６０と、発電部８０で発生した水分を回収する水分回収部７０とを有している。図中の太線矢印は各部での燃料の流れを示しており、細線矢印は空気や水分やメタノールの流れを示している。
【００５７】
発電部８０は、図２に示したように電解質のアノード側とカソード側を電極で挟み込んだＭＥＡ８１ａ乃至８１ｊを１０層積層したスタックセル構造を有している。１０層の発電素子のうちの７層であるＭＥＡ３１ａ乃至３１ｇが燃料の流れ方向に並列に配置されて上流側発電部８２を構成し、残りの３層であるＭＥＡ３１ｈ乃至３１ｊが燃料の流れ方向に並列に配置されて下流側発電部８３を構成している。また、上流側発電部８２には上流側発電部８２の電圧Ｖｕを測定する上流側電圧計８４が接続され、下流側発電部８３には下流側発電部８３の電圧Ｖｄを測定する下流側電圧計８５が接続されている。
【００５８】
上流側発電部８２および下流側発電部８３の各層は電流の流れる方向に対して直列に接続されている。つまり、上流側発電部８２および下流側発電部８３を構成する各発電素子は電流に対して直列に接続され、各発電素子に流れる電流は等しいことになる。したがって、上流側発電部８２のスタック構造の電圧Ｖｕを上流側電圧計８４で測定し、上流側発電部８２に含まれる発電素子の数で割れば上流側での発電素子あたりの出力密度を求めることができる。また、下流側発電部８３のスタック構造の電圧Ｖｄを下流側電圧計８５で測定し、下流側発電部８３に含まれる発電素子の数で割れば下流側での発電素子あたりの出力密度を求めることができる。
【００５９】
上流側発電部８２と下流側発電部８３とは燃料の流れ方向に直列に接続されている。燃料濃度調整部５０から供給される燃料は、上流側発電部８２の各層の燃料流路を通過してアノード側で一部消費され、上流側発電部８２での発電反応によって濃度が低下した燃料が下流側発電部８３の各層の燃料流路に流入していく。下流側発電部８３を通過した燃料は再び燃料濃度調整部５０に到達し、発電部８０と燃料濃度調整部５０との間で燃料が循環する。上流側発電部８２および下流側発電部８３での発電に用いられる酸素は、空気供給部６０から各層の空気流路に供給され、発電に伴ってカソード側に生成される水分は空気とともに水分回収部７０に排出される。
【００６０】
燃料供給部４０は、発電部８０で燃料として用いられるメタノールを燃料濃度調整部５０に供給する部分であり、燃料タンク４１とバルブ４２とポンプ４３とが配管４４で接続され、配管４４は燃料濃度調整部５０に接続されている。燃料タンク４１には純粋なメタノールが貯蔵されており、バルブ４２の開閉とポンプ４３の駆動とによって燃料濃度調整部５０に対してメタノールを供給する。また、バルブ４２の調整とポンプ４３の制御によって燃料濃度調整部５０に対するメタノールの供給量を調整することができる。
【００６１】
燃料濃度調整部５０は、混合器５１と、フィルタ５２と、バルブ５３とが燃料配管５４で接続されている。混合器５１は、上流側電圧計８４が測定した電圧Ｖｕと、下流側電圧計８５が測定した電圧Ｖｄとに基づいて、燃料供給部４０から供給される純粋なメタノールと、発電部８０から回収された燃料と、水分回収部７０から供給される水分とを混合して、メタノールを含有した水溶液である燃料のメタノール濃度を調整する。フィルタ５２は燃料中のゴミや不純物などを濾過して除去し、バルブ５３は開閉を調整することで発電部８０に対する燃料の供給量を調整する。混合器５１でメタノール濃度が調整された燃料は、燃料配管５４を通って発電部８０に対して送出される。本実施の形態では、発電効率に与える影響が支配的な要因がメタノール濃度となるように、濃度３％の燃料が発電部８０を一回循環したときにメタノールの利用率が４０％となるよう燃料の流速を制御する。
【００６２】
空気供給部６０は、外気取入口６１とブロア６２とフィルタ６３とバルブ６４とを有し、外気取入口６１から酸素を含んだ空気を取入れて、空気をブロア６２で発電部８０に対して供給する。外気取入口６１から取入れられた空気は、フィルタ６３で塵芥を除去し、バルブ６４で流量を調整して発電部８０に対して送りだされる。
【００６３】
水分回収部７０は、発電部８０の各層のカソード側で発生した水分を回収し、回収した水分を燃料濃度調整部５０に供給する。発電部８０の各層のカソード側を通過した排気気体は、発電反応によって生じた水分を含んで水分回収部７０に排出される。水分回収部７０では、バルブ７１で排気気体の流量を調節し、冷却器ドレイン７２で排気気体を冷却して水蒸気を蒸留する。冷却器ドレイン７２で水分が除去された乾燥空気は排気口７３から大気中に排出される。冷却器ドレイン７２で排気気体から取り出された水分は、バルブ７４とフィルタ７５とを通ってポンプ７６によって燃料濃度調整部５０に送りだされ、燃料濃度調整部５０での燃料の濃度調整に用いられる。このとき、バルブ７４の開閉調整とポンプ７６の駆動制御によって燃料濃度調整部５０に供給する水分量を調整し、フィルタ７５によって水分中に含まれる汚れや不純物が除去される。
【００６４】
したがって、図５に示したような燃料電池では、燃料供給部４０が純粋なメタノールを燃料濃度調整部５０に供給し、燃料濃度調整部５０が発電部８０から還流してきた燃料と燃料供給部４０から供給される純粋なメタノールとを混合して燃料濃度の調整を行い発電部８０への燃料の循環を行う。燃料濃度調整部５０での燃料濃度の調整には、水分回収部７０が供給する水分を用いることも出来る。発電部８０では、燃料濃度調整部５０から送り出された燃料が始めに上流側発電部８２で使用され、濃度が低下した燃料が下流側発電部８３で使用されて発電が行われる。
【００６５】
図５に示した燃料電池では、上流側発電部８２を構成する発電素子の層数が、下流側発電部８３を構成する発電素子の層数よりも多くなっている。したがって、上流側発電部８２の一層に流れる燃料の流量よりも、下流側発電部８３の一層に流れる燃料の流量のほうが多くなる。これにより、上流側発電部８２で発電反応によって燃料中のメタノールが一部消費され、下流側発電部８３で利用される燃料中のメタノール濃度が低下しても、下流側発電部８３の一層あたりに供給されるメタノール量を多くすることが出来る。
【００６６】
つまり、下流側発電部８３での発電に用いられる燃料は、上流側発電部８２を流れる燃料の濃度よりも低濃度であるが、流量が多いために単位時間当たりのメタノールの供給量を増やすことが出来るのである。これは、下流側発電部８３での発電効率を向上させることになるため、燃料濃度調整部５０と発電部８０との間を燃料が一回循環する間に消費されるメタノール成分を増加させる。したがって、図３に示したようなメタノール濃度と出力密度との関係は変化し、燃料電池の出力密度を最大値にするメタノール濃度は図３に示したものよりも高くなると考えられる。
【００６７】
図６は、図５に示した燃料電池でのメタノール濃度と出力密度との関係を示したグラフである。図３で示したグラフと同様に、発電素子に供給される燃料のメタノール濃度が低い場合には、発電に用いられるメタノールが十分に供給されないために出力密度が低くなる。また、発電素子に供給される燃料のメタノール濃度が高い場合には、発電反応時に電解質でプロトンの伝導に必要な水分が不足して発電反応が低下し出力密度が低くなる。
【００６８】
出力密度が極大値を取るようなメタノール濃度Ｄｐ２（ｍｏｌｅ／ｌ）は、図３で示したＤｐ１よりも高濃度側にシフトするが、本実施の形態においても燃料の濃度が常にＤｐ２となるように燃料中のメタノール濃度を調整することで燃料電池の発電効率を極大とすることができる。
【００６９】
出力密度を最大にするメタノール濃度Ｄｐ２よりも上流側発電部８２に供給されるメタノール濃度が低い場合での、上流側発電部８２のメタノール濃度をＤｕ３とし、下流側発電部８３のメタノール濃度をＤｄ３とする。グラフ中に示すように、メタノール濃度Ｄｐ２以下では濃度が高いほうが出力密度が高いので、Ｄｕ３での出力密度がＤｄ３での出力密度よりも高くなる。したがって、上流側発電部８２の一層あたりの出力密度が下流側発電部８３の一層あたりの出力密度よりも高い場合には、燃料のメタノール濃度を高くすることでメタノール濃度を出力密度が最大となるＤｐ２に近づけることが出来る。
【００７０】
また、出力密度を最大にするメタノール濃度Ｄｐ２よりも上流側発電部８２に供給されるメタノール濃度が高い場合での、上流側発電部８２のメタノール濃度をＤｕ４とし、下流側発電部８３のメタノール濃度をＤｄ４とする。グラフ中に示すように、メタノール濃度Ｄｐ２以上では濃度が高いほうが出力密度が低いので、Ｄｕ４での出力密度がＤｄ４での出力密度よりも低くなる。したがって、上流側発電部８２の一層あたりの出力密度が下流側発電部８３の一層あたりの出力密度よりも低い場合には、燃料のメタノール濃度を低くすることでメタノール濃度を出力密度が最大となるＤｐ２に近づけることが出来る。
【００７１】
上流側発電部８２でのメタノール濃度がＤｐ２より高く、下流側発電部８３でのメタノール濃度がＤｐ２よりも低い場合でも、上述した様に上流側の出力密度が下流側よりも大きいときにはメタノール濃度を高くする方向に制御を行い、上流側の出力密度が下流側よりも小さいときにはメタノール濃度を低くする方向に制御を行う。上流側発電部８２での出力密度と、下流側発電部８３での出力密度が等しい場合には燃料のメタノール濃度は変化させない。
【００７２】
メタノール濃度がＤｐ２となるように制御する方法は第一の実施の形態で説明したものと同様であり、燃料濃度調整部５０で燃料供給部４０から供給される純粋なメタノールの流量を調整し、水分回収部７０から供給される水分の流量を調整することにより行われる。本実施の形態では、上流側発電部８２を構成する発電素子数と下流側発電部８３を構成する発電素子数が異なるので、一層あたりの出力密度を比較して燃料濃度を高くするか低くするかを決定する。
【００７３】
以上述べたように、上流側発電部８２と下流側発電部８３での出力密度を測定し、上流側発電部８２での一層あたりの出力密度が下流側発電部８３での一層あたりの出力密度よりも高い場合には、燃料濃度調整部５０が燃料中のメタノール濃度を高くする制御を行い、上流側発電部８２での一層あたりの出力密度が下流側発電部８３での一層あたりの出力密度よりも低い場合には、燃料濃度調整部５０が燃料中のメタノール濃度を低くする制御を行う。この制御を繰り返すことによって、燃料濃度調整部５０が発電部８０に対して供給する燃料中のメタノール濃度をＤｐ２に近づけていくことができ、発電効率を最大にするメタノール濃度を目指す制御を実行することになる。
【００７４】
また、上流側発電部８２を構成する発電素子数を、下流側発電部８３を構成する発電素子数よりも多くすることで、下流側発電部８３に供給される燃料の流量を上流側発電部８２よりも多くし、下流側発電部８３での発電効率を向上させることができる。
【００７５】
本発明の燃料電池および燃料電池の運転方法によれば、発電部に濃度センサーを設けずに上流側発電部と下流側発電部の出力密度を測定するだけで、発電に最適な燃料濃度を実現することができる。濃度センサーを必要としないために、燃料電池の構成を簡略化し小型化を図ることが可能となる。
【００７６】
【発明の効果】
発電部での出力密度はある燃料濃度で極大値をとるため、燃料濃度の高い上流側と燃料濃度の低い下流側の電圧の相異から、出力密度を最大にするためにどのような燃料濃度の制御を行えばよいかがわかる。したがって、燃料の流れの上流側に配置された発電部と下流側に配置された発電部での出力密度に基づいて燃料の濃度を調整することにより、発電部に濃度センサーを設けずに発電に最適な燃料濃度を実現することができる。発電部の出力密度を測定するだけで最適な燃料濃度を実現でき、濃度センサーを必要としないために、燃料電池の構成を簡略化し小型化を図ることが可能となる。
【００７７】
また、燃料濃度調整部は、上流側発電部の発電単位での出力密度が下流側発電部の発電単位での出力密度よりも大きい場合には、燃料の濃度を高くし、上流側発電部の発電単位での出力密度が下流側発電部の発電単位での出力密度よりも小さい場合には燃料の濃度を低くする。これにより、燃料の濃度と関連する出力密度の極大値を目標とした燃料濃度の調整を行うことが可能となる。
【００７８】
さらに燃料電池が、発電単位での発電により生成された水分を回収し、燃料濃度調整部に供給する水分回収部を有することで、発電によって生じた水分を燃料濃度の調整に用いることができる。また、下流側発電部の燃料極を通過した燃料を燃料濃度調整部に還流することで、発電反応によって濃度が低下した燃料と純度の高い燃料を混合する循環型の燃料濃度調整を行うことができる。
【００７９】
上流側発電部を形成する発電単位の数と、下流側発電部を形成する発電単位の数とを同数にするとしても、上流側発電部を形成する発電単位の数を、下流側発電部を形成する発電単位の数よりも多くするとしても良い。上流側の発電単位数を下流側よりも多くする場合には、上流側の単層に流れる燃料の流量よりも下流側の単層に流れる燃料の流量が多くなり、上流側で発電によって濃度が低下した燃料であっても下流側で流量を増加させることで発電効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態における燃料電池の構成を示すブロック図であり、燃料の流れを太線矢印で示している。
【図２】本発明の第一の実施の形態におけるスタックセルであり、発電素子を複数積層したスタックセルの構造を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の第一の実施の形態における燃料のメタノール濃度と出力密度の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の燃料電池でのメタノール濃度を調整する手順を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第二の実施の形態における燃料電池の構成を示すブロック図であり、燃料の流れを太線矢印で示している。
【図６】本発明の第二の実施の形態における燃料のメタノール濃度と出力密度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１１    セパレータ
１２    ＭＥＡ
１３    発電素子
１４    電解質
１５    電極
１６    燃料流路
１７    空気流路
１８    燃料供給孔
１９    燃料排出孔
２２    封止部材
３０，８０    発電部
３１ａ〜３１ｊ，８１ａ〜８１ｊ    ＭＥＡ
３２，８２    上流側発電部
３３，８３    下流側発電部
３４    上流側電圧計
３５    下流側電圧計
４０    燃料供給部
４１    燃料タンク
４４    配管
５０    燃料濃度調整部
５１    混合器
５４    燃料配管
６０    空気供給部
６１    外気取入口
７０    水分回収部
７２    冷却器ドレイン
７３    排気口
４２，５３，６４，７１，７４    バルブ
４３，７６    ポンプ
５２，６３，７５    フィルタ
６２    ブロア
【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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