JP2003331885A

JP2003331885A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2003331885A
Application number: JP2002142243A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamada; 浩次山田
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2003-11-21

Abstract

(57)【要約】【課題】直接燃料供給型燃料電池を用いて、低出力か
ら高出力まで効率良く発電することができ、良好な性能
を実現することのできる燃料電池装置を提供すること。【解決手段】直接燃料供給型の燃料電池２に、燃料濃
度の低い混合液が貯留されている第１タンク１４と、燃
料濃度の高い混合液が貯留されている第２タンク１５と
を、選択的に切り替えて接続できるように構成し、平坦
走行時において、アクセル開度センサ(負荷センサ２７)
によりアクセルの開度が小さく検知された時には、ＣＰ
Ｕ５の制御によって、第１タンク１４を燃料電池２に接
続して、燃料濃度の低い混合液を燃料電池２に供給し、
登板走行時において、アクセルの開度が大きく検知され
た時には、ＣＰＵ５の制御によって、第２タンク１５を
燃料電池２に接続して、燃料濃度の高い混合液を燃料電
池２に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池装置、詳
しくは、メタノールなどの燃料を燃料側電極に直接供給
する直接燃料供給型燃料電池を備える燃料電池装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、メタノールなどの燃料を燃料側電
極に直接供給する直接燃料供給型燃料電池の開発が進め
られつつある。

【０００３】このような直接燃料供給型燃料電池は、た
とえば、電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極お
よび酸素側電極と、燃料側電極と接触され、燃料と水と
の混合液が導入される燃料側通路が形成されている燃料
側セパレータと、酸素側電極と接触され、酸素が導入さ
れる酸素側通路が形成されている酸素側セパレータとを
備えており、メタノールなどの燃料と水との混合液を、
燃料側セパレータの燃料側通路から、直接、燃料側電極
に供給するとともに、酸素側セパレータの酸素側通路か
ら、酸素を酸素側電極に供給して、燃料の電気化学反応
によって生じるプロトンを、電解質層中において燃料側
電極から酸素側電極に移動させることにより、電気エネ
ルギーを得るようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような直
接燃料供給型燃料電池では、混合液中の燃料濃度が低い
場合には、低い出力で効率良く発電できる一方、高い出
力を得ようとすると、燃料濃度が低いため、混合液を大
量に供給しなければならず、圧力損失が大きくなって効
率良く発電できず、また、混合液中の燃料濃度が高い場
合には、混合液の供給量を増加しなくても高い出力が得
られる一方、低い出力では、燃料濃度が高いため、燃料
が電気化学反応を起こさないまま電解質層を通過してし
まうクロスリークを生じて、効率良く発電できないとい
う特性を有している。

【０００５】そのため、このような直接燃料供給型燃料
電池を、負荷変動のあるデバイス、たとえば、自動車な
どに搭載すると、低出力から高出力まで一律に効率良く
発電することができず、直接燃料供給型燃料電池の良好
な性能を実現できないという不具合がある。

【０００６】本発明は、このような不具合に鑑みなされ
たものであり、その目的とするところは、直接燃料供給
型燃料電池を用いて、低出力から高出力まで効率良く発
電することができ、良好な性能を実現することのできる
燃料電池装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明は、電解質層を挟んで対向配
置される燃料側電極および酸素側電極、前記燃料側電極
と接触され、燃料と水との混合物が導入される燃料側通
路が形成されている燃料側供給部材、および、前記酸素
側電極と接触され、酸素が導入される酸素側通路が形成
されている酸素側供給部材を備える直接燃料供給型燃料
電池と、前記燃料側通路に、燃料と水との混合物を供給
するための燃料供給手段とを備える燃料電池装置におい
て、前記燃料供給手段は、燃料と水との混合比を変更す
るための混合比変更手段を備えていることを特徴として
いる。

【０００８】このような構成によると、混合比変更手段
によって、要求される出力に応じて、燃料側供給部材の
燃料側通路に燃料供給手段から供給される混合物中の燃
料濃度を変更することができる。そのため、負荷変動の
ある、たとえば、自動車などのデバイスに搭載しても、
低出力時には、燃料濃度の低い混合物を供給し、また、
高出力時には、燃料濃度の高い混合物を供給することに
より、低出力から高出力まで効率良く発電することがで
き、良好な性能を実現することができる。

【０００９】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の発明において、前記直接燃料供給型燃料電池に
対する要求出力に対応する負荷を検知するための負荷検
知手段と、前記負荷検知手段により検知された負荷に基
づいて、前記混合比変更手段を制御するための混合比制
御手段とを備えていることを特徴としている。

【００１０】このような構成によると、負荷検知手段に
よって負荷を検知した後、その負荷に基づいて混合比制
御手段が混合比変更手段を制御することにより、その検
知された負荷に対応する要求出力が得られるような混合
比で、混合物を燃料側供給部材の燃料側通路に供給する
ことができる。そのため、負荷変動があっても、常にそ
の負荷に応じた適切な混合比の混合物を供給することが
でき、常に効率の良い発電を実現することができる。

【００１１】また、請求項３に記載の発明は、請求項２
に記載の発明において、前記混合比変更手段は、燃料と
水との混合比がそれぞれ異なる混合物が、それぞれ貯留
されている複数の貯留部と、各前記貯留部からの供給を
切り替える切替手段を備えており、前記混合比制御手段
は、前記切替手段を制御することを特徴としている。

【００１２】このような構成によると、混合比制御手段
の制御により、切替手段が各貯留部からの供給を、負荷
に対応して切り替えるので、簡易な構成によって、確実
に、その負荷に対応した適切な混合比の混合物を供給す
ることができ、効率の良い発電を実現することができ
る。

【００１３】また、請求項４に記載の発明は、請求項２
に記載の発明において、前記燃料供給手段は、前記直接
燃料供給型燃料電池の前記燃料側通路の流入側と流出側
とが接続され、燃料と水との混合物が循環されるクロー
ズドラインを備えており、前記混合比変更手段は、少な
くとも燃料または水がそれぞれ貯留されている複数の貯
留部と、各前記貯留部からの供給を切り替える切替手段
を備えており、前記混合比変更手段が、前記クローズド
ラインに接続されるとともに、前記クローズドラインに
おける前記混合比変更手段との接続部分の上流側には、
前記クローズドラインを流れる燃料と水との混合物中の
燃料濃度を検知するための濃度検知手段が設けられてお
り、前記混合比制御手段は、前記濃度検知手段によって
検知された燃料濃度に基づいて、前記燃料側通路に、負
荷に対応する燃料濃度の混合物が供給されるように前記
切替手段を制御することを特徴としている。

【００１４】このような構成によると、一旦、直接燃料
供給型燃料電池に供給された混合物を、クローズドライ
ンを介して、再び、直接燃料供給型燃料電池に供給する
ことができるので、混合物の有効利用を図ることができ
るとともに、混合物を排出するための装置構成を不要と
することができ、経済性の向上を図ることができる。

【００１５】しかも、この構成においては、濃度検知手
段によって、再び供給されようとする混合物中の燃料濃
度を検知して、その検知された燃料濃度に基づいて、混
合比制御手段が切替手段を制御することにより、その混
合物を、負荷に対応する燃料濃度の混合物が供給される
ような混合比に変更して、燃料側供給部材の燃料側通路
に供給することができるので、常にその負荷に応じた適
切な混合比の混合物を供給することができ、常に効率の
良い発電を実現することができる。

【００１６】そのため、混合物の有効利用を図りつつ、
常に負荷に対応した適切な混合比の混合物を供給するこ
とができ、常に効率の良い発電を実現することができ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の燃料電池装置の
一実施形態を示す概略構成図である。この燃料電池装置
１は、たとえば、電気自動車に搭載して、車両駆動用の
モータに対して電力を供給するための発電装置として構
成されている。

【００１８】図１において、この燃料電池装置１は、直
接燃料供給型燃料電池としての燃料電池２、燃料供給手
段としての燃料供給部３、エアコンプレッサ４および混
合比制御手段としてのＣＰＵ５などを備えている。

【００１９】燃料電池２は、構成単位である単位セル６
を複数積層したスタック構造とされている。単位セル６
は、図２に示すように、電解質層としてのプロトン移動
層７と、プロトン移動層７を挟んで対向配置される燃料
側電極８および酸素側電極９と、さらに、これら燃料側
電極８および酸素側電極９を挟んで対向配置される燃料
側供給部材としての燃料側セパレータ１０および酸素側
供給部材としての酸素側セパレータ１１とを備えてい
る。

【００２０】プロトン移動層７は、燃料から生成される
プロトンＨ^＋を移動させることができる媒体、たとえ
ば、固体高分子膜、ゼオライト、セラミックス、ガラス
などから形成されており、好ましくは、固体高分子膜か
ら形成されている。固体高分子膜としては、より具体的
には、パーフルオロスルホン酸膜（例えば、Ｎａｆｉｏ
ｎ、Ｄｕｐｏｎｔ社）などのプロトン導電性のイオン
交換膜などが用いられる。

【００２１】燃料側電極８は、たとえば、触媒が担持さ
れるカーボンなどからなる多孔質電極からなり、その一
方の面がプロトン移動層７の一方の面と接触するように
配置されている。なお、触媒としては、燃料からプロト
ンＨ^＋および電子ｅ⁻を生成させる触媒作用を有するも
のであって、たとえば、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐ
ｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎ
ｉ）などの周期表第ＶＩＩＩ族元素や、例えば、Ｃｕ、
Ａｇ、Ａｕなどの周期表第Ｉｂ族元素など、さらにはこ
れらの組み合わせなどが用いられる。好ましくは、Ｐ
ｔ、Ｐｄ、Ｎｉが用いられ、また、これらとともに、Ｒ
ｕを用いれば、触媒の被毒を防止することができる。

【００２２】酸素側電極９は、たとえば、上記と同様
に、触媒が担持される多孔質電極からなり、その一方の
面がプロトン移動層７の他方の面と接触するように配置
されている。

【００２３】燃料側セパレータ１０は、ガス不透過の導
電性材料から形成されており、その一方の面が燃料側電
極８の他方の面と接触するように配置されている。この
燃料側セパレータ１０には、その一方の面に、燃料側電
極８の全体に燃料を接触させるための燃料側通路として
の燃料側流路溝１２が形成されている。

【００２４】酸素側セパレータ１１は、ガス不透過の導
電性材料から形成されており、その一方の面が酸素側電
極９の他方の面と接触するように配置されている。この
酸素側セパレータ１１には、その一方の面に、酸素側電
極９の全体に酸素（空気）を接触させるための酸素側通
路としての酸素側流路溝１３が形成されている。

【００２５】そして、この燃料電池２は、このような単
位セル６が複数積層されるスタック構造とされており、
燃料側セパレータ１０および酸素側セパレータ１１は、
実際には、両面または片面に燃料側流路１２および／ま
たは酸素側流路１３が形成されるセパレータ（より具体
的には、たとえば、スタックされる端部に配置される端
部セパレータには、通常、燃料側流路１２または酸素側
流路１３のいずれかが片面に形成されており、この端部
セパレータが、燃料側供給部材または酸素側供給部材を
構成し、スタックされる途中に介装される中央セパレー
タには、通常、燃料側流路１２および酸素側流路１３の
両方が両面に形成されており、この中央セパレータが、
燃料側供給部材および酸素側供給部材を兼ねるように構
成される。）として構成されている。

【００２６】そして、このような燃料電池２に、たとえ
ば、燃料としてメタノールを用いて、メタノールと水と
の混合液（すなわち、メタノール水溶液）を、燃料側セ
パレータ１０の燃料側流路溝１２に導入するとともに、
酸素（空気）を、酸素側セパレータ１１の酸素側流路溝
１３に導入すると、燃料側流路溝１２に導入されたメタ
ノール水溶液は、燃料側電極８に直接供給され、その燃
料側電極８において、触媒作用により下記式（１）の反
応が促される。

【００２７】ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ （１）一方、酸素側流路溝１３に導入された酸素（空気）は、
酸素側電極９に供給されるので、上記式（１）により生
成したプロトンＨ^＋が、プロトン移動層７を通過すると
ともに、電子ｅ⁻が図示しない外部回路を通過して酸素
側電極９に到達すると、その酸素側電極９において、下
記式（２）に示すように、酸素と反応して水を生成し、
その結果、電気化学的反応によって、起電力が発生す
る。

【００２８】３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ（２）燃料供給部３は、図１に示すように、混合比変更手段と
しての混合比調整部３Ａおよび送液ポンプ１８を備えて
おり、混合比調整部３Ａは、貯留部としての第１タンク
１４および第２タンク１５、切替手段としての切替バル
ブ１６を備えている。そして、これら各部が燃料電池２
とともに配管を介して接続されている。

【００２９】すなわち、第１タンク１４と切替バルブ１
６とが第１配管１９によって接続され、第２タンク１５
と切替バルブ１６とが第２配管２０によって接続され、
切替バルブ１６と燃料電池２とが第３配管２１によって
接続されている。また、第３配管２１の途中には、送液
ポンプ１８が介装されている。なお、第３配管２１は、
より具体的には、燃料電池２の単位セル６において、燃
料側セパレータ１０の燃料側流路溝１２の流入側に接続
されている。

【００３０】第１タンク１４には、第２タンク１５に貯
留される混合液よりも、燃料濃度の低い燃料と水との混
合液が貯留されている。より具体的には、たとえば、メ
タノール濃度が、０．０５〜１Ｍ／Ｌのメタノール水溶
液が貯留されている。また、第２タンク１５には、第１
タンク１４に貯留される混合液よりも、燃料濃度の高い
燃料と水との混合液が貯留されている。より具体的に
は、たとえば、メタノール濃度が、２〜１０Ｍ／Ｌのメ
タノール水溶液が貯留されている。

【００３１】また、切替バルブ１６には、第１タンク１
４または第２タンク１５から選択的に流出した混合液
を、燃料電池２に流入させるべく、３方向切替バルブが
用いられている。

【００３２】送液ポンプ１８は、第１タンク１４または
第２タンク１５から選択的に流出した混合液を、加圧し
て燃料電池２に向けて送液するように構成されている。

【００３３】そして、この混合比調整部３Ａでは、切替
バルブ１６によって、燃料電池２に対して第１タンク１
４または第２タンク１５の接続が選択的に切り替えられ
ることにより、第１タンク１４または第２タンク１５か
らの混合液が選択的に燃料電池２に供給される。

【００３４】すなわち、切替バルブ１６を第１配管１９
と第３配管２１とを接続する第１方向に切り替えた状態
では、第１タンク１４に貯留される混合液が、第１配管
１９、切替バルブ１６および第３配管２１を介して燃料
電池２に流入される。

【００３５】また、切替バルブ１６を第２配管２０と第
３配管２１とを接続する第２方向に切り替えた状態で
は、第２タンク１５に貯留される混合液が、第２配管２
０、切替バルブ１６および第３配管２１を介して燃料電
池２に流入される。

【００３６】エアコンプレッサ４は、第４配管２２を介
して、燃料電池２、より具体的には、燃料電池２の単位
セル６において、酸素側セパレータ１１の酸素側流路溝
１３の流入側に接続されている。

【００３７】ＣＰＵ５は、切替バルブ１６に接続されて
おり、切替バルブ１６の第１方向または第２方向の選択
的な切り替えを制御している。また、このＣＰＵ５に
は、負荷センサ２７が接続されている。この負荷センサ
２７は、燃料電池２に対する要求出力に対応する負荷を
検知するためのものであって、特に制限されないが、よ
り具体的には、自動車本体の負荷抵抗検知センサや、ア
クセル開度検知センサなどとして構成されている。

【００３８】なお、このＣＰＵ５は、送液ポンプ１８に
も接続されており、送液ポンプ１８の作動および停止あ
るいは送液量を制御している。また、このＣＰＵ５は、
燃料電池２によって出力された電流値をモニタしてい
る。

【００３９】そして、このＣＰＵ５では、負荷センサ２
７によって検知された負荷に基づいて、切替バルブ１６
の切り替えを制御している。

【００４０】すなわち、直接燃料供給型の燃料電池２で
は、混合液中の燃料濃度が低い場合には、低い出力で効
率良く発電できる一方、高い出力を得ようとすると、燃
料濃度が低いため、混合液を燃料側セパレータ１０の燃
料側流路溝１２に大量に供給しなければならず、圧力損
失が大きくなって効率良く発電できず、また、混合液中
の燃料濃度が高い場合には、混合液の供給量を増加しな
くても高い出力が得られる一方、低い出力では、燃料濃
度が高いため、燃料が電気化学反応を起こさないままプ
ロトン移動層７を通過してしまうクロスリークを生じ
て、効率良く発電できないという特性がある。

【００４１】そのため、負荷センサ２７によって負荷を
検知し、その負荷に対応する要求出力が低い場合、つま
り、燃料電池２に対して低出力が要求されている場合に
は、ＣＰＵ５が、切替バルブ１６を第１方向に切り替え
るように制御する。そうすると、より燃料濃度の低い混
合液が燃料電池２に供給されるので、低い出力において
効率の良い発電を実現することができる。また、その負
荷に対応する要求出力が高い場合、つまり、燃料電池２
に対して高出力が要求されている場合には、ＣＰＵ５
が、切替バルブ１６を第２方向に切り替えるように制御
する。そうすると、より燃料濃度の高い混合液が燃料電
池２に供給されるので、高い出力において効率の良い発
電を実現することができる。

【００４２】図３は、この燃料電池２において、混合液
として、０．１Ｍ／Ｌメタノール水溶液と、５Ｍ／Ｌメ
タノール水溶液とが用いられる場合の電圧−電流特性が
それぞれ示されている。次に、図３を参照して、上記の
制御をより具体的に説明する。

【００４３】図３において、０．１Ｍ／Ｌメタノール水
溶液の場合には、電流値（つまり出力）が、１８０ｍＡ
／ｃｍ^２（すなわち、０．１Ｍ／Ｌメタノール水溶液の
特性曲線と５Ｍ／Ｌメタノール水溶液の特性曲線との交
点における電流値）以下の低出力領域においては、電圧
（つまり効率）が、０．８〜０．５Ｖ程度と高く、一
方、電流値（つまり出力）が、１８０ｍＡ／ｃｍ^２を超
える高出力領域においては、たとえば、３００ｍＡ／ｃ
ｍ^２を超えると、電圧（つまり効率）が急激に低下す
る。また、５Ｍ／Ｌメタノール水溶液の場合には、電流
値（つまり出力）が、１８０ｍＡ／ｃｍ^２以下の低出力
領域においては、電圧（つまり効率）が、０．６〜０．
５Ｖ程度とそれほど高くなく、一方、電流値（つまり出
力）が、１８０ｍＡ／ｃｍ^２を超える高出力領域におい
ても、電圧（つまり効率）が急激に低下することなく、
０．５〜０．４Ｖ程度を維持している。

【００４４】そのため、このような場合には、第１タン
ク１４に０．１Ｍ／Ｌメタノール水溶液を、第２タンク
１５に５Ｍ／Ｌメタノール水溶液を、それぞれ貯留する
とともに、ＣＰＵ５において、閾値として、たとえば、
１８０ｍＡ／ｃｍ^２を設定しておき、負荷センサ２７で
検知された負荷を、燃料電池２に対して要求される出力
（電流値）に換算した場合に、その換算された電流値
が、１８０ｍＡ／ｃｍ^２以下の時（たとえば、アクセル
開度センサによって、アクセルの開度が小さく検知され
た時）には、切替バルブ１６を第１方向に切り替えるよ
うに制御する。そうすると、より燃料濃度の低い０．１
Ｍ／Ｌメタノール水溶液が燃料電池２に供給されるの
で、低出力時において効率の良い発電を実現することが
できる。また、換算された電流値が、１８０ｍＡ／ｃｍ
^２を超えている時（たとえば、アクセル開度センサによ
って、アクセルの開度が大きく検知された時）には、切
替バルブ１６を第２方向に切り替えるように制御する。
そうすると、より燃料濃度の高い５Ｍ／Ｌメタノール水
溶液が燃料電池２に供給されるので、高出力時において
効率の良い発電を実現することができる。

【００４５】その結果、この燃料電池装置１では、負荷
センサ２７によって負荷を検知した後、その負荷に基づ
いてＣＰＵ５が切替バルブ１６の切り替えを制御するこ
とにより、その検知された負荷に対応する要求出力が得
られるような混合比の混合液を、第１タンク１４または
第２タンク１５から選択的に、燃料側セパレータ１０の
燃料側流路溝１２に供給することができる。そのため、
負荷変動があっても、常にその負荷に応じた適切な混合
比の混合液を供給することができる、つまり、低出力時
（たとえば、平坦走行時）には、燃料濃度の低い混合液
を供給し、また、高出力時（たとえば、登板走行時）に
は、燃料濃度の高い混合液を供給することができるの
で、低出力から高出力まで効率良く発電することがで
き、直接燃料供給型の燃料電池２の良好な性能を実現し
つつ、常に効率の良い発電を実現することができる。

【００４６】しかも、この燃料電池装置１では、ＣＰＵ
５の制御により、切替バルブ１６の切り替えを制御する
が、燃料電池２に対する第１タンク１４または第２タン
ク１５の供給を、負荷に対応して切り替えるのみである
ので、簡易な構成によって、確実に、その負荷に対応し
た適切な混合比の混合液を供給することができ、効率の
良い発電を実現することができる。

【００４７】また、上記の燃料電池装置１では、燃料電
池２に対する第１タンク１４または第２タンク１５の接
続を、負荷に対応して、直接選択的に切り替えるように
したが、たとえば、燃料電池２を循環するクローズドラ
インを形成して、そのクローズドラインにおける燃料電
池２の上流側に、燃料タンク３２または水タンク３３を
接続して、それら燃料タンク３２または水タンク３３の
接続を、負荷に対応して選択的に切り替えるようにして
もよい。

【００４８】図４に、そのような燃料電池装置１の一実
施形態を示す概略構成図を示す。

【００４９】すなわち、図４において、この燃料電池装
置１も、上記と同様に、直接燃料供給型燃料電池として
の燃料電池２、燃料供給手段としての燃料供給部３、エ
アコンプレッサ４および混合比制御手段としてのＣＰＵ
５などを備えている。

【００５０】燃料電池２は、上記と同一構成であり、上
記と同様の単位セル６が複数積層されたスタック構造と
されている。

【００５１】燃料供給部３は、クローズドライン２８
と、混合比変更手段としての混合比調整部３Ａとを備え
ている。

【００５２】クローズドライン２８は、配管からなり、
燃料電池２を循環するように、その一端が燃料電池２の
下流側に接続されるとともに、その他端が燃料電池２の
上流側に接続される閉鎖回路として形成されている。ま
た、このクローズドライン２８には、燃料電池２から流
出した混合液中のガス成分を排気するための気液分離装
置２６と、流量を安定させるために循環する混合液を一
時貯留するためのリザーバタンク２９と、上記の送液ポ
ンプ１８と同様の構成のメイン送液ポンプ３８と、クロ
ーズドライン２８を流れる混合液中の燃料濃度を検知す
るための濃度検知手段としての第１濃度検知センサ３０
および第２濃度検知センサ３１とが、燃料電池２の下流
側から上流側に向かって、順次介装されている。

【００５３】なお、クローズドライン２８の一端は、よ
り具体的には、燃料電池２の単位セル６において、燃料
側セパレータ１０の燃料側流路溝１２の流出側に接続さ
れており、クローズドライン２８の他端は、より具体的
には、燃料電池２の単位セル６において、燃料側セパレ
ータ１０の燃料側流路溝１２の流入側に接続されてい
る。

【００５４】そして、このようなクローズドライン２８
において、燃料電池２から流出した混合液は、まず、気
液分離装置２６に送られ、ガス成分が排気された後、リ
ザーバタンク２９に送られ、一時貯留された後、メイン
送液ポンプ３８によって、第１濃度検知センサ３０およ
び第２濃度検知センサ３１に送られる。そして、第１濃
度検知センサ３０および第２濃度検知センサ３１によっ
て、後述する混合比調整部３Ａから燃料または水が供給
される前後の混合液中の燃料濃度がそれぞれ検知された
後、再び、燃料電池２に流入される。

【００５５】混合比調整部３Ａは、貯留部としての燃料
タンク３２および水タンク３３、切替手段としての燃料
側送液ポンプ３４および水側送液ポンプ３５を備えてお
り、これらが配管を介して、クローズドライン２８にお
ける第１濃度検知センサ３０と第２濃度検知センサ３１
との間に接続されている。

【００５６】すなわち、燃料タンク３２と、クローズド
ライン２８における第１濃度検知センサ３０と第２濃度
検知センサ３１との間とが燃料側配管３６によって接続
され、水タンク３３と、クローズドライン２８における
第１濃度検知センサ３０と第２濃度検知センサ３１との
間とが水側配管３７によって接続されている。また、燃
料側配管３６の途中に、燃料側送液ポンプ３４が介装さ
れ、水側配管３７の途中に、水側送液ポンプ３５が介装
されている。なお、燃料タンク３２には、燃料、より具
体的には、たとえば、メタノールが貯留されており、水
タンク３３には、水が貯留されている。また、燃料側送
液ポンプ３４および水側送液ポンプ３５は、上記したメ
イン送液ポンプ３８と略同一構成である。

【００５７】エアコンプレッサ４は、上記と同様に、第
４配管２２を介して、燃料電池２、より具体的には、燃
料電池２の単位セル６において、酸素側セパレータ１１
の酸素側流路溝１３の流入側に接続されている。

【００５８】ＣＰＵ５は、燃料側送液ポンプ３４、水側
送液ポンプ３５およびメイン送液ポンプ３８に接続され
ており、これら燃料側送液ポンプ３４、水側送液ポンプ
３５およびメイン送液ポンプ３８の作動および停止ある
いは送液量を制御している。また、このＣＰＵ５には、
第１濃度検知センサ３０および第２濃度検知センサ３１
が接続されており、ＣＰＵ５において、燃料電池２に循
環して供給される混合液中の燃料濃度、より具体的に
は、クローズドライン２８における混合比調整部３Ａが
接続されている前後の燃料濃度をモニタしている。ま
た、このＣＰＵ５には、上記と同様に、負荷センサ２７
が接続されている。また、このＣＰＵ５は、上記と同様
に、燃料電池２によって出力された電流値をモニタして
いる。

【００５９】そして、このＣＰＵ５では、負荷センサ２
７によって検知された負荷に基づいて、燃料側送液ポン
プ３４、水側送液ポンプ３５およびメイン送液ポンプ３
８の選択的な作動および停止あるいは送液量を制御して
いる。すなわち、この燃料電池装置１では、負荷センサ
２７によって負荷が検知されると、ＣＰＵ５が、まず、
その負荷に対応する要求出力を出力するために必要とさ
れる混合液中の燃料濃度（目標濃度）を算出し、次い
で、その目標濃度と、第１濃度検知センサ３０により検
知されている混合液中の燃料濃度（測定濃度）とを比較
して、測定濃度が目標濃度より高い時には、燃料側送液
ポンプ３４の作動を停止させるとともに、水側送液ポン
プ３５およびメイン送液ポンプ３８を所定の送液量で作
動させる。一方、測定濃度が目標濃度より低い時には、
水側送液ポンプ３５の作動を停止させるとともに、燃料
側送液ポンプ３４およびメイン送液ポンプ３８を所定の
送液量で作動させる。

【００６０】すなわち、たとえば、負荷に対応する要求
出力が低い場合、つまり、燃料電池２に対して低出力が
要求されている場合において、目標濃度と測定濃度とを
比較して、測定濃度が目標濃度より高い時には、燃料側
送液ポンプ３４の作動を停止させるとともに、水側送液
ポンプ３５およびメイン送液ポンプ３８を所定の送液量
で作動させる。そうすると、燃料電池２の上流側におい
て、水タンク３３からクローズドライン２８に水が供給
されるので、そのクローズドライン２８を流れる混合液
中の燃料濃度が低くなって、より燃料濃度の低い混合液
が燃料電池２に供給される。その結果、低い出力におい
て効率の良い発電を実現することができる。

【００６１】また、たとえば、負荷に対応する要求出力
が高い場合、つまり、燃料電池２に対して高出力が要求
されている場合には、目標濃度と測定濃度とを比較し
て、測定濃度が目標濃度より低い時には、水側送液ポン
プ３５の作動を停止させるとともに、燃料側送液ポンプ
３４およびメイン送液ポンプ３８を所定の送液量で作動
させる。そうすると、燃料電池２の上流側において、燃
料タンク３２からクローズドライン２８に燃料が供給さ
れるので、そのクローズドライン２８を流れる混合液中
の燃料濃度が高くなって、より燃料濃度の高い混合液が
燃料電池２に供給される。その結果、高い出力において
効率の良い発電を実現することができる。

【００６２】図５は、このような制御のより具体的な一
例を示すフロー図である。次に、図５を参照して、この
ような制御の一例を説明する。なお、図５においては、
負荷センサ２７として、アクセル開度検知センサが用い
られている。

【００６３】図５において、この制御では、まず、ＣＰ
Ｕ５に、燃料電池２から出力された電流値Ｉのモニタ信
号、および、アクセル開度検知センサからのアクセル開
度量Ｖの出力信号が入力される（Ｓ１）。そうすると、
ＣＰＵ５は、これらの入力に基づいて、予め設定されて
いる電流値Ｉの関数式ｆ（Ｉ）とアクセル開度量Ｖの関
数式ｆ（Ｖ）との和から、目標濃度Ｃ_Ｒを算出（Ｃ_Ｒ＝
ｆ（Ｉ）＋ｆ（Ｖ））するとともに、その目標濃度Ｃ_Ｒ
から、予め設定されている目標濃度Ｃ_Ｒの関数式ｆ（Ｃ
_Ｒ）に従って、総流量Ｆを算出（Ｆ＝ｆ（Ｃ_Ｒ））する
（Ｓ２）。次いで、ＣＰＵ５に、第１濃度検知センサ３
０から測定濃度Ｃが入力されると（Ｓ３）、ＣＰＵ５
は、算出された目標濃度Ｃ_Ｒと入力された測定濃度Ｃと
を比較する（Ｓ４）。測定濃度Ｃが目標濃度Ｃ_Ｒよりも
高い場合（Ｓ４：ＹＥＳ）には、燃料側送液ポンプ３４
の作動を停止させる（Ｓ５）。そうすると、燃料側送液
ポンプ３４の流量Ｆａが０（Ｆａ＝０）となるので、総
流量Ｆは、メイン送液ポンプ３８の流量Ｆｍと水側送液
ポンプ３５の流量Ｆｂとの和となり（Ｆｍ＋Ｆｂ＝
Ｆ）、その結果、目標濃度Ｃ_Ｒ＝（測定濃度Ｃ×メイン
送液ポンプ流量Ｆｍ）／総流量Ｆの関係が導かれる。そ
して、これらの式から、目標濃度Ｃ_Ｒとなるように、メ
イン送液ポンプ３８の流量Ｆｍおよび水側送液ポンプ３
５の流量Ｆｂを算出し、その算出された流量Ｆｍおよび
流量Ｆｂとなるように、メイン送液ポンプ３８および水
側送液ポンプ３５を制御する（Ｓ７）。これによって、
要求出力に対応した効率の良い発電を実現することがで
きる。

【００６４】一方、測定濃度Ｃが目標濃度Ｃ_Ｒよりも低
いか同じ場合（Ｓ４：ＮＯ）には、水側送液ポンプ３５
の作動を停止させる（Ｓ６）。そうすると、水側送液ポ
ンプ３５の流量Ｆｂが０（Ｆｂ＝０）となるので、総流
量Ｆは、メイン送液ポンプ３８の流量Ｆｍと燃料側送液
ポンプ３４の流量Ｆａとの和となり（Ｆｍ＋Ｆａ＝
Ｆ）、その結果、目標濃度Ｃ_Ｒ＝（測定濃度Ｃ×メイン
送液ポンプ流量Ｆｍ＋燃料側送液ポンプ流量Ｆａ）／総
流量Ｆの関係が導かれる。そして、これらの式から、目
標濃度Ｃ_Ｒとなるように、メイン送液ポンプ３８の流量
Ｆｍおよび燃料側送液ポンプ３４の流量Ｆａを算出し、
その算出された流量Ｆｍおよび流量Ｆａとなるように、
メイン送液ポンプ３８および燃料側送液ポンプ３４を制
御する（Ｓ７）。これによって、要求出力に対応した効
率の良い発電を実現することができる。

【００６５】なお、第２濃度検知センサ３１では、燃料
タンク３２または水タンク３３から供給された後の混合
液中の濃度が、目標濃度Ｃ_Ｒに調整されていることを確
認している。

【００６６】そして、この燃料電池装置１では、一旦、
燃料電池２に供給された混合液を、クローズドライン２
８を介して、再び、燃料電池２に供給することができる
ので、混合液の有効利用を図ることができるとともに、
混合液を排出するための装置構成を不要とすることがで
き、経済性の向上を図ることができる。

【００６７】しかも、この燃料電池装置１においては、
第１濃度検知センサ３０によって、再び供給されようと
する混合液中の燃料濃度を検知して、その検知された燃
料濃度に基づいて、ＣＰＵ５が，燃料側送液ポンプ３
４、水側送液ポンプ３５およびメイン送液ポンプ３８の
作動および停止あるいは送液量を制御しているので、そ
の混合液を、負荷に対応する燃料濃度の混合液が供給さ
れるような混合比に変更して、再度、燃料電池２に供給
することができるので、常にその負荷に応じた適切な混
合比の混合液を供給することができ、常に効率の良い発
電を実現することができる。

【００６８】そのため、混合液の有効利用を図りつつ、
常に負荷に対応した適切な混合比の混合液を供給するこ
とができ、常に効率の良い発電を実現することができ
る。

【００６９】なお、上記の説明においては、いずれも燃
料濃度または種類の異なる２つのタンクを設けて、これ
らタンクから選択的に供給するように構成したが、たと
えば、水タンク３３、第１タンク１４、第２タンク１
５、燃料タンク３２などの４つのタンクを設けるなど、
タンクの数は特に限定されず、また、各タンクに貯留さ
れる混合液の燃料濃度も、適宜決定すればよい。

【００７０】また、この燃料電池装置１に用いられる燃
料としては、メタノールに限定されることはなく、たと
えば、ヒドラジン類やアンモニアなどであってもよい。
またそのような場合には、たとえば、第１タンクにヒド
ラジン、第２タンクにメタノール、第３タンクに水をそ
れぞれ貯留して、各タンクから選択的に供給するように
してもよい。

【００７１】さらに、燃料と水との混合液に限らず、こ
れらの混合ガスとして、燃料電池２に供給するようにし
てもよい。

【００７２】また、上記の燃料電池装置１は、自動車に
限らず、たとえば、船舶、航空機など、負荷変動を伴な
うその他のデバイスに搭載してもよい。

【００７３】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１に記載の発
明によれば、低出力時には、燃料濃度の低い混合物を供
給し、また、高出力時には、燃料濃度の高い混合物を供
給することにより、低出力から高出力まで効率良く発電
することができ、良好な性能を実現することができる。

【００７４】請求項２に記載の発明によれば、負荷変動
があっても、常にその負荷に応じた適切な混合比の混合
物を供給することができ、常に効率の良い発電を実現す
ることができる。

【００７５】請求項３に記載の発明によれば、簡易な構
成によって、確実に、その負荷に対応した適切な混合比
の混合物を供給することができ、効率の良い発電を実現
することができる。

【００７６】請求項４に記載の発明によれば、混合物の
有効利用を図りつつ、常に負荷に対応した適切な混合比
の混合物を供給することができ、常に効率の良い発電を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池装置の一実施形態を示す概略
構成図である。

【図２】図１に示す燃料電池の単位セルの要部側断面図
である。

【図３】図２に示す燃料電池における、電圧−電流特性
を示すグラフである。

【図４】本発明の燃料電池装置の他の実施形態を示す概
略構成図である。

【図５】図４に示す燃料電池装置の制御を実行するため
のフロー図である。

【符号の説明】

１燃料電池装置２燃料電池３燃料供給部３Ａ混合比調整部５ＣＰＵ７プロトン移動層８燃料側電極９酸素側電極１０燃料側セパレータ１１酸素側セパレータ１２燃料側流路溝１３酸素側流路溝１４第１タンク１５第２タンク１６切替バルブ２７負荷センサ２８クローズドライン３０第１濃度検知センサ３２燃料タンク３３水タンク３４燃料側送液ポンプ３５水側送液ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質層を挟んで対向配置される燃料
側電極および酸素側電極、前記燃料側電極と接触され、燃料と水との混合物が導入
される燃料側通路が形成されている燃料側供給部材、お
よび、前記酸素側電極と接触され、酸素が導入される酸素側通
路が形成されている酸素側供給部材を備える直接燃料供
給型燃料電池と、前記燃料側通路に、燃料と水との混合物を供給するため
の燃料供給手段とを備える燃料電池装置において、前記燃料供給手段は、燃料と水との混合比を変更するた
めの混合比変更手段を備えていることを特徴とする、燃
料電池装置。
【請求項２】前記直接燃料供給型燃料電池に対する要
求出力に対応する負荷を検知するための負荷検知手段
と、前記負荷検知手段により検知された負荷に基づいて、前
記混合比変更手段を制御するための混合比制御手段とを
備えていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電
池装置。
【請求項３】前記混合比変更手段は、燃料と水との混
合比がそれぞれ異なる混合物が、それぞれ貯留されてい
る複数の貯留部と、各前記貯留部からの供給を切り替え
る切替手段を備えており、前記混合比制御手段は、前記切替手段を制御することを
特徴とする、請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】前記燃料供給手段は、前記直接燃料供給
型燃料電池の前記燃料側通路の流入側と流出側とが接続
され、燃料と水との混合物が循環されるクローズドライ
ンを備えており、前記混合比変更手段は、少なくとも燃料または水がそれ
ぞれ貯留されている複数の貯留部と、各前記貯留部から
の供給を切り替える切替手段を備えており、前記混合比変更手段が、前記クローズドラインに接続さ
れるとともに、前記クローズドラインにおける前記混合比変更手段との
接続部分の上流側には、前記クローズドラインを流れる
燃料と水との混合物中の燃料濃度を検知するための濃度
検知手段が設けられており、前記混合比制御手段は、前記濃度検知手段によって検知
された燃料濃度に基づいて、前記燃料側通路に、負荷に
対応する燃料濃度の混合物が供給されるように前記切替
手段を制御することを特徴とする、請求項２に記載の燃
料電池装置。