Technical Report報文

1 kW 級 DMFC システム ｢YFC-1000｣ の開発
Development of 1 kW Class DMFC System "YFC-1000"
佐野利夫*山尾剛生*石丸文也*野村栄

一*Toshio Sano
Takeo Yamao
Fuminari Ishimaru
Eiichi Nomura

Abstract

The 1 kW class DMFC system "YFC-1000” has been developed for a movable power source. The system iscomposed of a cell stack, a fuel tank with 20 liters capacity, an air pump, a fuel pump, a DC/AC inverter, anda system controller. This system is entirely self-contained, and its operation is to be automatically controlledwith a system controller. The stack voltage and the output power for this system were 30 V and 1350 W atcurrent flow of 45 A, and 26 V, 2050 W at 80 A, respectively, under the condition of using 1 mol l-1 of methanol
aqueous solution, the fuel flow rate of 2 l min-1, the air flow rate of 280 l min-1, the operating temperature of338 K. The system was evaluated for various performances such as basic characteristics, starting characteristics, and so on. As a result, the designed performances of system were fully demonstrated. For example, thesystem was operated at a constant AC power of 800 W for 8 hours with stable characteristics of voltage andpower. On this operation, 12 l of 54 mass% methanol aqueous solution was consumed and the calculated value
for energy efficiency was 17.2%.

1

ノールをガス化，改質することなく , そのまま燃料と緒言して , 直接発電することができるシンプルな電源とし地球環境問題，エネルギー問題が深刻さを増す中，て期待されている．とくに近年，携帯電話，ノートパ

これらの対策の一つとして，燃料電池に関する研究

ソコン用等の小形機器用 DMFC システムの開発が進開発が盛んにおこなわれている．燃料電池は，化学エめられている 3)．これに対して，移動体用 , 定置用電ネルギーを，直接電気エネルギーに変換する高効率源等の大形システムについてもその開発が期待され．その中でも，直るが，その報告例はほとんどない．我々は移動体電接メタノール形燃料電池（DMFC）は，液体のメタ源用としての高出力 DMFC システムに着目し , 電極かつクリーンな発電手段である

1,2)

面積が 61 cm2 の単セルを 39 セル直列に積層した 100
W 級 DMFC システム "YFC-100" を開発した 4)．さら* 研究開発センター 第五開発部© 2004 GS Yuasa Corporation, All rights reserved.

42

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2004 年 12 月に，電極の大形化の要素技術開発 5,6) をおこない , 今回 ,

2. 2

2

第 1巻第1号

システムの構成

電極面積が 611 cm の単セルを 63 セル直列に積層しYFC-1000 の外観を Fig. 2 に，構成図を Fig. 3 に示

た 1kW 級 DMFC システム "YFC-1000" を開 発 し た．

す．また，その仕様を Table 2 に示す．システムの基

本報では，その特性および制御方法について報告する．

本的な構成は , すでに報告した YFC-100 と同じであ2YFC-1000 形 DMFC の構成

2.1

セルスタックの構成

る 4)．所定の濃度に調製されたメタノール水溶液は，循環ポンプによって，循環タンクからセルスタックに供給され，そのメタノール水溶液はセルスタックの内

1 kW 級セルスタックの外観写真を Fig. 1 に，その部で反応して水素イオンと二酸化炭素を生成する 7)．

仕様を Table 1 に示す．燃料極および空気極の触媒

また，未反応のメタノール水溶液は，再び循環タンクには , それぞれ Pt-Ru 合金および Pt 担持カーボンをに戻る構成としている．メタノール水溶液の濃度調製用いた．また , 膜−電極接合体（Membrane Electrode

は，セルスタックに組み込んだセンサーで濃度を測定Assembly，以下 MEA と略す）は , パーフルオロス

し，その値が一定値以下であると判断した場合に，燃ルホン酸の電解質膜にこれらの電極をホットプレス料を燃料タンクから循環タンクに所定量を補充する．

して接合することによって作製した . その電極面積は一方，空気は空気ブロアーによって，セルスタック

2611 cm とした．この MEA をセパレータ板で挟み込の空気極に供給する．セルスタックの内部で，空気中んだものを 63 枚積層し，さらに端子板，メタノールの酸素と燃料極からイオン交換膜を移動してきた水素濃度センサーおよびエンドプレートを組み合わせてセイオンとが反応して水を生成する 7)．したがって , セルスタックを作製した．

ルスタックから排出される排空気の中には大量の水蒸気が含まれるために，排空気はラジエーターで冷却して液体の水にして水タンクに回収する．循環タンクの液量が一定量以下に減少した場合には，回収した水をポンプで汲み上げて循環タンクに供給し，液量の回復をはかっている．なお，液量の検知は，循環タンク内に設置したレベルセンサー L でおこなっている．また，レベルセンサー H は，レベルセンサー L およびメタノール濃度センサーが故障したときに，必要以上の燃料および水の追加によって，循環液が循環タンク内から溢れないようにするためのもので , その上限を規定するためのものである．燃料タンクの容量は，出力規Fig. 1

Appearance of a cell stack for YFC-1000.

Table 1 Speciﬁcations of the cell stack for
YFC-1000.
Items

Unit

Standard

Maximum power

W1500

Output voltage

VDC 28

Standard current

A

45Standard operating
temperatureK

338

Number of cells

cell63

Active area

cm2611

Outside dimennsions

mm

335W × 245L × 305H

Masskg

44Fig. 2 Appearance of a DMFC system "YFC-1000".

43

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2004 年 12 月

第 1巻

第1号

1φ 2 W
AC 100 V
10 Amax
1 KVA

Inverter

Disconnect condition：
Voltage L
Temperature H
Fuel empty
DC line-to-ground fault
Ambient temperature H

Control device

Ambienttemperature Fuel empty
HStarting

StopStarting

Voltage L
Densitometer LDC line-to-ground fault

Temperature L
Densitometer

Fuel pump

Circulation pump

P2

P1

Thermometer

Abnormal temperature

Level sensor H

Stack
Level sensor L

Level sensor L

Blower

DC/DCconverter

Temperature sensor

Circulation
tank n(1mol/l MeOH)

P3

Battery

Water pump

Fuel tank(17mol/l MeOH)

Radiator

Water tankFig. 3

Schematic diagram and electric circuit of "YFC-1000".

Table 2

Speciﬁcations of 1 kW class DMFC system "YFC-1000".

Items

UnitStandard

Usableconditions

Temperature

K278 〜 313

Humidity%

30 〜 90SystemdesignModel

Movable independent power source

Maximum power

W

1000

Output voltage

VAC 100

Power variation%

Under ± 10

Continuous operation time

hour

8

NoisedB57

Outside dimensions

mm

800W × 400L × 700H

Masskg120

Ahead 1 m

Output terminal shape

AC plug type

Supply system

Forced circulation

Additional fuel concentration

Methanol 54%

Tank size
Supportbattery

Remarks

literGS-Yuasa made20

Type

Small valve-regulated lead-acid battery

Model

REH24-12Number of battery

2GS-Yuasa made模および運転時間から , YFC-100 形の場合の 10 倍相おり，前者は起動時の補機電力の供給，後者は鉛蓄電

当の 20 l とした．

池の過充電防止の役目を担っている．警報項目は，「小発電した電力はインバーターで変換し，AC 100 V形固体高分子形燃料電池に関する基準」8) に準拠して，で外部負荷へ供給する（最大 10 A）．また，システム

セルスタック電圧 L（下限），セルスタック温度 H（上には鉛蓄電池や DC/DC コンバーターが組み込まれて限），筐体内温度 H（上限），過電流，制御装置異常，

44

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2004 年 12 月

れらのうち , いずれかの警報が発生したときには，負70

荷および補機への電力供給を遮断して，システムが停60止する．なお , 燃料切れの場合も同じである．

3

YFC-1000 の特性

3.1

セルスタックの特性

第1号

1600
1400

Cell Stack Power

1200501000

AC Load power

40800

Cell stack voltage

30600

20400
Cell stack temperature

10セルスタックの特性は電圧−電流特性によって評価00123456789Time / hFig. 5 The operation characteristics for cell stackof 1 kW class DMFC system "YFC-1000".

-1-12000した．運転条件は燃料極に 1 mol l-1 の濃度のメタノー

Power / W, Temperature / K

80Volatge / V

制御電源 L，直流地絡および漏電に対処している．こ第 1巻ル水溶液を 2 l min ，空気極に 280 l min の流量で供給し，温度は 338 K とした．1 kW 級セルスタックの電圧−電流特性を Fig. 4 に示す．図から，定格電流45 A のときの，設計値である作動電圧 28 V よりも，みられるものの安定に推移した．このように DMFC

30 V と高く , 1350 W の出力が得られることがわかる．

を連続運転すると，若干ではあるが電圧が徐々に低下

また , セルスタックの最大出力は , 80 A で 2050 W でする傾向は DMFC で一般的に見られる現象である 9,あった．

10)

3.2

れているが，その機構は明らかでない．また，セルス．原因としては，電極における CO 被毒等が考えら

基本特性基本特性を確認するために，連続運転を実施した．

タック電圧は± 3 V の範囲で変動していることが認試験方法としては，システムを起動してから，所定められる．これは，メタノール水溶液の濃度変化によ時間経過後に負荷を接続し，8 時間の連続運転をおこるものである．今後，運転制御プログラムの最適化をなった．その際のセルスタックの電圧，出力および温はかり，この変動幅を縮小していく予定である．セル度を測定し，特性の安定性を検討した．なお，負荷はスタックは，起動すると送液ポンプ，空気ブロアー等AC800 W を接続した．その特性を Fig. 5 に示す．セ補機類および補助用鉛蓄電池を充電する電力も供給す

ルスタックの温度は起動してから約 30 分で試験標準る．セルスタックの出力は温度上昇とともに 300 W ま運転温度である 338 K に上昇し，その後は一定に推移で上昇し，負荷の接続によってさらに 1200 W まで上昇，した．セルスタックの電圧は，温度上昇とともに 35

その後は時間の経過とともに若干の低下傾向は見られV まで上昇した．その電圧は負荷の接続によって一時るものの電圧と同様に安定して推移した．このように ,的に 27 V まで低下したが，徐々に 30 V 近傍まで回システムの起動から停止まで，セルスタックの特性は復し，その後は時間の経過とともに若干の低下傾向は安定しており，運転上 , 問題のないことが確認された．
起動特性

システムの起動時に，セルスタックを発電するため

60

2400

502000なければならない．この場合には，システムに組み込

401600んだ鉛蓄電池からの放電によって補機への電力供給を

30120020800104000020406080には，送液ポンプや空気ブロアー等の補機を作動させPower/W

Voltage/V

3.3

おこない，自立運転後には鉛蓄電池を充電するようにしている．YFC-1000 の起動特性を評価するために，起動直後の鉛蓄電池の充放電電流を測定することによって，システムが自立運転できるまでの時間を調査した．基本特性（3.1 項）試験における，起動直後の0100

鉛蓄電池の充放電電流の変化を Fig.6 に示す．図より，Current/A

起動して 10 秒後には鉛蓄電池への充電電流が流れたことがわかる．すなわち，10 秒後には燃料電池が自Fig. 4 I-V performance of a cell stack for 1 kW
class DMFC system "YFC-1000".

立運転していることが確認できた．

45

GS Yuasa Technical Report

2004 年 12 月

3な出力のものが考えられる．そこで，300 W，450 W，30600 W および 800 W の定出力運転を行い，そのときCell stack temperature

25Current / A

2Start point of charge current flowfrom cell stack to lead-acid battery(self-operation of cell stack after starting)

1020Discharge

15Charge-1

10

Current of lead-acid battery

-25-3

00

1第1号

35
Cell stack voltage

Voltage / V, Temperature / ×10 K

4

第 1巻のシステム効率を調べた．なお，運転時間は定格の 8時間とした．各出力における，システム効率を算出して Fig. 8 に示す．システム効率は以下の式 11) を用いて算出した．
システム効率＝電圧効率×

燃料利用率×（1 −補機動力損失）
図より，システム効率は出力が大きくなるとともに2増大することがわかる．その値は , 出力が 800 W のTime / min.

ときに 17.2% と最大となった．なお , 低出力時におけFig. 6 Change in charge-discharge current forlead-acid battery of 1 kW class DMFC system"YFC-1000" after starting.

る効率の低下は，低出力においても一定温度に保持するために，燃料を消費することによるものである．例
えば，おおよそ 8 時間の運転において，300 W 出力

直接メタノール形燃料電池のセルスタックの出力で 8 l の燃料を消費するのに対し，800 W 出力では 12性能は温度に強く依存する．このシステムを起動すl となるので，前者の方がシステム効率が低下するこると，徐々に温度が上昇しながら出力が向上するたとになる．

め，起動直後には定格に近い出力の負荷を接続する

3.5 寿命特性ことはできない．そこで，起動してから約 10 分後に，システムの寿命を検討するために，AC 800 W 出力定格出力電圧である DC 28 V を入力した際のセルスで毎日 8 時間の DSS（Daily start and stop）運転おタック電流を測定することで，負荷出力とセルスタッこない，セルスタック電圧の経時変化を検討した．累ク出力の関係を検討した．負荷出力は AC で 1000 W

計運転時間とセルスタック電圧の関係を Fig. 9 に示に相当する 1250 W を最大とした．その関係を Fig. 7す．図より，340 時間の運転で，13.5 mV h-1 の電圧に示す．図より，負荷を接続してから約 6 分で 1250低下率であった．DMFC の電圧低下率については，W に到達することがわかる．つまり，起動後 16 分にいくつかの報告 10, 12) 例があるが , 本システムの低下率は AC 1000 W の負荷を接続することが可能である．

は，これらの報告に記載されている値よりも小さい．

3.4

今後 , さらに低下率を低減して，寿命性能を向上させエネルギー効率特性

YFC-1000 は可般移動形独立電源であることから，ていきたい．

その負荷としては，一般家電製品をはじめとして様々

Load power

Cell stack power

330

1000

320800310600 Cell stack temperature

300

400

290

200

2800024681012141618System efficiency / %

1200

340
Temperature / K

1400

Power / W

20350

1600

270
201510500

Time / min

200

400

600

800

1000

AC output power / W

Fig. 7 Change in cell stack power of 1 kW class
DMFC system "YFC-1000" after the connection toload power of 1250 W.

Fig. 8 Energy eﬃciency of 1 kW class DMFC system "YFC-1000" under the operation with various
output powers.

46

GS Yuasa Technical Report

2004 年 12 月

35第1号

文献301) 渡辺政廣，化学と工業，50，1307 (1997).

25Voltage / V

第 1巻2) 内田裕之，渡辺政廣，塑性と加工，42，7 (2001).

203) M. Baldauf，W. Preidel，J. Power Sources ，84，

15161 (1999).

104) 佐野利夫，石丸文也，野村栄一，ユアサ時報，95，
12 (2003).

55) 元井昌司，藤田幸雄，佐野利夫，奥山良一，第 4400100

200300400回電池討論会講演要旨集，p.272 (2003).

Time / h6) 元井昌司，藤田幸雄，佐野利夫，奥山良一，ユア

Fig. 9 Durability performance of a cell stack for 1
kW class DMFC system "YFC-1000".

サ時報，96，5 (2004).
7) 藤田幸雄，元井昌司，清水大輔，奥山良一，野村栄一，
ユアサ時報，90，10 (2001).
8) 社団法人

日本電機工業会，小形固体高分子形燃料電池システムの安全に関する基準，12 (2004).

4 結論9) 羽二生隆宏，稲田浩也，小林智仁，国松昌幸，高直接メタノール形燃料電池システム YFC-1000 を開

木靖雄，第 44 回電池討論会講演要旨集，p.240 (2003).

発し，基本特性，起動特性，および寿命特性を評価し

10) J. Liu，Z. Zhou，X. Zhao，Q. Xin，G. Sun，and B.
Yi，Phys. Chem. ，6 134 (2004).

た結果，通常用途において問題なく運転できるシステムであることが確認できた．

11) 畑中達也，豊田中央研究所 R & D レビュー , 37，
59 (2002).
12) A. K. Shukla，C. L. Jackson，K. Scott，and R. K.
Raman，J. Electrochem. Soc .，47，3401 (2002).

47