JP2004507053A - 燃料電池のアノード液体中の燃料濃度の調節方法および付属装置 - Google Patents

燃料電池のアノード液体中の燃料濃度の調節方法および付属装置 Download PDF

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Abstract

本発明によれば、アノードとカソードとにそれぞれ排気ガスが発生する燃料電池において、カソード排気ガス中の二酸化炭素濃度が測定され、それによって燃料電池の膜を通じて生じる燃料損失が検出される。このために、付属装置にはガス流中に二酸化炭素センサ（１６）が配置されている。

Description

【０００１】
本発明は、アノード、膜およびカソードを備え、アノードとカソードとにそれぞれ排気ガスが発生する燃料電池のアノード液体中の燃料濃度の調節方法に関する。また、本発明は本方法を実施するための装置にも関する。本発明では燃料は特にメタノールであるが、必ずしもそれに限定されない。
【０００２】
燃料電池は液体状もしくはガス状の燃料により作動される。燃料電池が水素により動作する場合は、液体燃料からガス状水素を発生させるための水素インフラもしくは改質器が必要である。液体燃料は例えばガソリン、もしくはエタノールやメタノールなどのアルコールである。いわゆるＤＭＦＣ（“Ｄｉｒｅｃｔ　Ｍｅｔｈａｎｏｌ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ”＝直接メタノール型燃料電池）は燃料としての液体メタノールにより直接動作する。ＤＭＦＣの機能および状態は“ＶＩＫ報告”、２１４号、１９９９年１１月発行、ｐ５５〜６２に詳細に記載されている。
【０００３】
燃料電池装置は専門分野では燃料電池スタックもしくは略して“スタック”とも呼ばれている燃料電池積層体を共に形成する多数の個別の燃料電池ユニットから成る。燃料としてのメタノールにより作動される直接メタノール型燃料電池の場合、燃料電池内にアノードとカソードとに排気ガスが発生する。
【０００４】
直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）においてはアノード側で燃料であるメタノールと水が混合され、配量ポンプによりスタックを通じてポンプ送出される。この場合、メタノールは一部がアノード反応によって消費され、二酸化炭素が発生する。メタノールの残りの部分は浸透および電気浸透により膜を通じてカソードへ搬送され、カソードの触媒体において直接二酸化炭素に酸化される。
【０００５】
ガス‐蒸気混合物を含むアノード液体はアノードから出た後にガスと液体とに分離される。できるだけ多くの二酸化炭素が液体から除去され、次に液体がポンプにより再びアノードへ供給される。この液体のメタノール濃度が低下しすぎないようにするために、メタノールを十分な量で供給し続ける必要がある。電流量に相当するメタノール量は電流の流れから算出可能であるが、電気浸透および浸透を通じた損失を補充する追加量は定性的には検出不可能であるので、アノード液体は低すぎる濃度を有することになる。
【０００６】
後者の問題は一定の過剰増倍率を用いて解決される。しかし、損失は詳細にはメタノールを供給される燃料電池の作動方法に関係し、電気浸透および浸透がセル内の電流密度に応じて様々に重なり合うので、かなり長時間にわたりメタノールが増加するか、あるいはごくわずかな過剰の場合はメタノール濃度が十分とならない。このような場合には燃料電池スタックの供給不十分なセルの極性転換の危険がきわめて高い。セルの極性転換によってセルの修復不可能な損傷が生じることもある。
【０００７】
従来の技術では直接メタノール型燃料電池におけるメタノール量は電流の流れによって算出され、一定の倍率、例えば１．５〜２．０倍だけ高くなっている。それによってメタノール損失が補償されるが、メタノール濃度はそのつどの電流密度に必ずしも最適でないことが甘受される。メタノールは供給不足およびその結果としての極性転換の危険を回避するためにむしろ過剰に供給されねばならないので、メタノール損失は必要とされるよりも多くなる。
【０００８】
上記の作動コンセプトを有する上述の燃料電池システムの効率が最適でなく、改善が必要であることは一般に認められている。
【０００９】
従って、本発明の課題は、直接メタノール型燃料電池のアノード液体における燃料濃度の調節が改善される方法を提案し、付属装置を提供することにある。
【００１０】
本発明によれば、この課題は請求項１の特徴事項により解決される。付属装置は請求項６に記載されている。本発明による方法ないし本発明による装置の実施態様はそれぞれの従属請求項に記載されている。
【００１１】
本発明においては、カソード排気ガス中の二酸化炭素を測定することにより、膜を通じる燃料損失が検出されると有利である。濃度を測定するには市販のセンサが使用され、これは例えば冷却器および与圧調整器の後のガス流中に配置されている。
【００１２】
本発明の別の利点および詳細について、請求項と関連させた図面に基づく記述により説明する。唯一の図は特にこの燃料電池の作動に必要な付設のシステム構成要素を備えたＤＭＦＣ燃料電池の１つのユニットを概略的に示している。
【００１３】
図１には後続の配量ポンプ２および加熱器３を備えたメタノールタンクが示されており、これらの配量ポンプ２および加熱器３を通じて作動燃料としての液体メタノールが燃料電池ユニット１０に到達する。燃料電池ユニット１０は変形されて直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ＝Ｄｉｒｅｃｔ　Ｍｅｔｈａｎｏｌ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）として実現されており、主としてアノード１１、膜１２およびカソード１３により表されている。アノード部分には冷却器４、ＣＯ２分離器５、精留ユニット６およびメタノールセンサ７が付設されている。別の配量ポンプ８は燃料回路へのメタノールの再供給に使用される。
【００１４】
カソード側には空気圧縮器１４、カソード液体用の冷却器ないしは水分離器１５およびＣＯ２センサ１６が存在している。さらに、装置の作動のために燃料電池ユニット１０の制御および調節ユニット２５ならびに場合によってはインバータ２６も存在する。
【００１５】
このＤＭＦＣでは１次および２次の液体回路が存在している。１次液体回路においては燃料電池１０のアノード１１にメタノール‐水混合物が、カソード１３に空気が供給される。２次液体回路においては残留燃料からＣＯ２が分離され、この残留燃料は燃料電池回路に返送される。さらに、カソード排気ガスが排気ガス側の液体回路における冷却器ないしは水分離器１５を通じて搬送される。この後、燃料電池の膜１２を通じたメタノール損失に関する尺度である排気ガス中のＣＯ２濃度が測定される。測定信号は１次配量ポンプ２へ返送される。図１におけるＣＯ２センサ１６は市販のセンサであり、冷却器１５および存在する与圧調整器の後のガス流中に取付けられている。従って、ＣＯ２濃度はモルで測定される。
【００１６】
この場合、１モルのメタノールは１モルの二酸化炭素に相当する。カソード側の空気量は、圧縮器出力により知られるかないしは空気流量を測定することにより測定できる。
【００１７】
センサにより測定される二酸化炭素量には或る程度のシステム上の誤差が生じる。というのは、アノードにおいて電気化学的変換により発生するわずかな量の二酸化炭素が膜を通じてカソードへ拡散し、その結果利用された空気が少量のわずかな、場合によってはわずかに変動する二酸化炭素濃度を有するからである。しかし、補助的な電気浸透がメタノールの場合に有効ではないように二酸化炭素に対しても有効ではないので、この誤差は許容できる。
【００１８】
メタノールの配量は流れた電流から算出され、そのほかにカソード側の二酸化炭素濃度からも算出できる。次に、確実な作動を行うには、膜‐電解質アノード（ＭＥＡ）およびスタック特性に応じて、第１にファラデー電流と、第２に損失電流とから得られるこの基礎配量に追加的なメタノール流量を加算することができる。メタノールに関するλは必要に応じて１．０５〜１．５まで増大される。
【００１９】
図１に示されているシステムおよび図１に基づいて記述されている作動コンセプトでは、燃料電池システムを制御するために排気中のカソード側の二酸化炭素濃度を補助的に使用することが重要である。これにより、燃料電池回路におけるメタノール濃度を測定することはもはや必ずしも必要ではなくなる。
【００２０】
実際にはＤＭＦＣには排気ガス中の二酸化炭素センサが配備される。検証のために特性曲線の測定が実施され、成果を収めている。
【００２１】
以上、燃料としてのメタノールにより作動されるＤＭＦＣに基づいて記述された課題解決法は、その他の燃料により作動される燃料電池にも転用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】システム構成要素を備えたＤＭＦＣ燃料電池の概略図。
【符号の説明】
２　　配量ポンプ
４　　冷却器
７　　メタノールセンサ
１０　燃料電池ユニット
１１　アノード
１２　膜
１３　カソード
１４　圧縮器
１５　冷却器ないしは水分離器
１６　ＣＯ２センサ

Claims (7)

  1. アノード、膜およびカソードを備え、アノードとカソードとにそれぞれ排気ガスが発生する燃料電池のアノード液体中の燃料濃度の調節方法において、カソード排気ガス中の二酸化炭素濃度が測定され、膜を通じて生じる燃料損失が検出されることを特徴とする燃料電池のアノード液体中の燃料濃度の調節方法。
  2. 燃料がメタノールであることを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 二酸化炭素濃度がガス流中に配置されているセンサにより測定されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
  4. 液体回路中に存在する冷却および与圧調整ユニットの後のガス流中の二酸化炭素濃度が測定されることを特徴とする請求項３記載の方法。
  5. 測定の際に求められた二酸化炭素濃度がメタノールに換算され、その場合１モルの二酸化炭素が１モルのメタノールに相当することを特徴とする請求項２記載の方法。
  6. ガス流中に配置されている二酸化炭素センサ（１６）を備えた請求項１乃至４の１つに記載の方法を実施するための装置。
  7. センサ（１６）が場合によっては存在する与圧調整器の冷却器（１５）の後のガス流中に取付けられていることを特徴とする請求項６記載の装置。
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