JP2005209569A - 燃料電池の燃料および空気の制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電を行っていない時のメタノールクロスオーバー起因するメタノール水溶液燃料の消費を防止できるダイレクトメタノール型燃料電池装置を提供する。
【解決手段】ダイレクトメタノール型燃料電池１０において、前記燃料電池が発電していない時に前記燃料が流れる燃料流路を閉じる機構を有する。即ち、燃料ポンプ２１を停止することにより、燃料５０の供給を停止する。従って、燃料極のアノード２側の燃料がメタノールクロスオーバーによってカソード３側に移動しても、無駄な燃料消費が防止される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池装置の燃料および空気制御に関する。

メタノールから直接電力を取り出すダイレクトメタノール型燃料電池（以下ＤＭＦＣと略す）の代表的な構成を図４に示す。ＤＭＦＣはプロトンを通す電解質膜１の両側に燃料極であるアノード２と空気極であるカソード３備えている。このアノード２およびカソード３は、通常多孔質のカーボンペーパー上にカーボン粉末に白金触媒等を担持した触媒層が塗布され、電解質膜１にホットプレス法などにより接着され、膜電極複合体（以下ＭＥＡと略す）６を形成している。

次にＤＭＦＣの動作原理を示す。アノード２に供給されたメタノール水溶液からなる燃料５０はアノード２が持つ触媒層でメタノール１分子当たり、６個の電子と６個のプロトンおよび炭酸ガスに分解される。このうちプロトンは電解質膜を通ってカソード３に至り、電子はアノード２に接続された電線で外部負荷を駆動した後、外部負荷とカソード３を結ぶ電線を通りカソード３に至る。なお、炭酸ガスはアノード２側に残るので、そのまま放置するとアノード表面に付着し、メタノールとアノードの接触面積が減少するためＤＭＦＣの発電能力が低下する。このため、この炭酸ガスは適宜除去する必要がある。

一方、カソード３では供給された空気５２が持つ酸素が、プロトンおよび電子と反応し水を生成する。ここでも、水がカソード３表面に付着すると空気とカソード３との接触面積が減少するので、ＤＭＦＣの発電能力が低下する。このため、この水も適宜除去する必要がある。

以上に述べた原理でＤＭＦＣは電気を発電するが、プロトンが電解質膜を移動する際にアノード２に供給された燃料のメタノールが一緒に移動するメタノールクロスオーバー（以下ＭＣＯと略す）と呼ぶ現象が発生する。このＭＣＯはプロトンの移動によっても発生するが、メタノール水溶液の濃度勾配によっても生じるため、ＤＭＦＣが発電を行っている時のみならず、発電を行っていない場合にもアノード側の燃料がカソード側に移動するため、燃料が消費されるという問題が発生する。

このＭＣＯの影響を低減するために、低ＭＣＯ電解質膜の検討がなされているが、現状では米国デュポン社で開発し市販されている電解質膜Ｎａｆｉｏｎを越えるものがまだ開発されていなかった。
一方、特許文献１に燃料電池の出力電流に応じて燃料の流量を制御する方法が述べられているが、燃料電池が発電していない場合の燃料制御にまで踏み込んだ対策が提案されていなかった。
更に、特許文献２にはカソード側から排出される物質を水に接触させて回収し、回収した水溶液を燃料として再利用するために、送液する機構を持つことが記載されているが、本文献にも燃料電池が発電していない場合の燃料制御にまで踏み込んだ対策が提案されていなかった。
特許第３４４６４６５号公報 特開２００３−２９７４０１号公報

上記したように、従来技術には以下のような問題点があった。すなわち、ＭＣＯ低減のためには、低ＭＣＯの新規電解質膜を開発するという、高度な技術課題を解決する必要があった。更に低ＭＣＯの新規電解質膜が開発できたとしてもＭＣＯはゼロにはできないため、発電を行っていない時でも常に燃料が消費され続けるという本質的な問題があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、新規に電解質膜を開発することなく、ＤＭＦＣ特有のＭＣＯ起因の燃料消費を低減する方法および装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明によれば、燃料を燃料極に供給し、空気極に空気を供給することで直接発電可能な燃料電池において、前記燃料電池が発電していない時に前記燃料極の燃料流路を閉じる機構を持つことを特徴とするものである。

この時、前記燃料電池が駆動する電子機器に、別に設けた二次電池の充電不要を判断し、充電不要な時に前記燃料流路を閉じることとし、燃料流路を閉じる機構とは、電磁弁または手動弁もしくは電磁ポンプまたは手動ポンプであることが好ましい。

また、本発明によれば、燃料を燃料極に供給し、空気極に空気を供給することで直接発電可能な燃料電池において、燃料電池が発電していない時に前記空気極の空気流路を閉じる機構を持つことを特徴とするものである。

この時、空気流路を閉じる機構とは、送風ファンもしくは手動シャッタまたは電動シャッタもしくは電磁弁または手動弁であることが好ましく、また、燃料電池の発電開始時に空気極に付着している水滴もしくは水分を送風ファンもしくは送風ポンプから吐出される空気で飛散させることが更に好ましい。

また、本発明によれば、燃料を燃料極に供給し、空気極に空気を供給することで直接発電可能な燃料電池において、燃料電池が発電していない時に前記燃料極の燃料を排出し、水で置換する機構を持つことを特徴とするものである。

この時に用いる水は燃料電池の空気極で生成される水を使用することが好ましく、更には、水を貯蔵するための水タンクを所有することが更に好ましい。

なお、本発明において燃料とは、例えばメタノール水溶液をいう。

以上に述べた手段は、燃料がメタノール水溶液、燃料電池がダイレクトメタノール形の燃料電池に適用することが好ましい。

以上に述べたように、本発明によれば燃料電池が発電していない時に燃料流路を閉じることにより、燃料極であるアノード側への燃料供給が遮断できるため、ＭＣＯ起因の燃料消費を低減することができる。

更に、燃料電池が発電していない時に空気極であるカソード側への空気流路を閉じることにより、最初は燃料の濃度勾配によるＭＣＯによってアノード側からカソード側に燃料が移動するが、カソード側に閉じ込められた空気中の酸素を消費してしまうと、アノード側とカソード側の燃料濃度が平衡に達し、それ以上は燃料の移動が発生しないため、平衡に達した後は燃料消費が防止できる。これは空気に触れているカソード側のＭＥＡの全面をシャッターで覆っても同様の効果が得られる。

更に本発明によれば、燃料電池が発電していない場合に、アノード側の燃料を排出し水で置換することで、アノード側に燃料がなくなるとＭＣＯが発生しないため、燃料消費を低減することができる。また、このＭＥＡは乾燥すると発電性能が低下するという問題を抱えるため、水で置換することでＭＥＡの乾燥を防ぐことが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を、燃料電池装置に適用した場合を例にとって、図面を参照しながら説明する。なお、本実施例では説明を簡略化するために１枚のＭＥＡを示しているが、実際の使用にあたっては複数枚のＭＥＡを積層（スタック構造）したり、並列（サイドバイサイド構造）に並べたりして必要な電圧と出力を得ることは言うまでもない。

図1は請求項１に記載の発明の一実施例で、燃料電池が発電していない時に燃料極の燃料流路を閉じる機構を持つ燃料電池装置の構成図である。図において燃料電池装置１００は電解質膜１および燃料極のアノード２と空気極のカソード３からなるＭＥＡ６が燃料電池セル１０の内部に納められている。このＭＥＡ６のアノード２側には燃料ポンプ２１が取り付けられており、燃料タンク１１に入れたメタノール水溶液からなる燃料５０が燃料ポンプ２１によって燃料電池セル１０に向かって矢印Ａの方向に供給される。この燃料５０は燃料極であるアノード２の表面を通過し、その燃料はアノード２の触媒反応によってプロトン、電子および炭酸ガスに変換される、残った一部の燃料は矢印Ｂの方向に排出され、燃料タンク１１に戻される。もしくは図示しない、別に設けた廃棄燃料タンクに排出される。この燃料タンク１１に戻った燃料は、燃料電池セル１０でメタノールが消費されて燃料濃度が薄くなっている。このため、図示しない高濃度の燃料を保存する高濃度燃料タンクから、燃料タンク１１に高濃度燃料を補給することで燃料タンク１１の燃料濃度を一定に保つことが好ましい。また、前述したようにアノード２で発生した炭酸ガスがアノード２の表面に残留すると、燃料５０とアノード２との接触面積が減少し発電能力が低下するため、大気中に放出することが望ましいが、燃料のメタノールと炭酸ガスを分離可能な図示しない分離膜で炭酸ガスのみを選択して大気中に放出することが、燃料消費を低減するために更に好ましい。また、大気に放出しないで燃料電池セル１０もしくは燃料タンク１１内に図示しない炭酸ガス吸着剤を備え、この吸着剤に炭酸ガスを吸収させ、定期的に交換しても良い。

一方、カソード３側には、吸入側を大気に開放した空気ポンプ２２が取り付けられており、矢印Ｃの方向に空気を燃料電池セル１０に供給する。この時、大気中の空気の代わりに、空気や酸素を圧縮したボンベを用意し、このボンベから空気もしくは酸素を燃料電池セル１０に供給してもよい。次に、この空気を燃料電池セル１０に納めたＭＥＡ６のカソード２に流すと空気中の酸素と、電解質膜を透過したプロトンおよびアノード２で発生し電線６１を通って二次電池６５を充電し、次に電気負荷装置６６を駆動し電線６２でカソード３に至った電子とが、カソード３の触媒で反応することにより水を生成する。この生成した水の一部および残りの空気は矢印Ｄの方向に燃料電池セル１０から排出される。前述したように、この生成した水がカソード３表面に残留すると空気中の酸素とカソード３との接触面積が減少するため、燃料電池セル１０の発電能力が低下する。このため、この水は適宜燃料電池から排出しなければならない。

次に、上述した燃料電池装置の動作を説明する。この実施の形態において本発明は、燃料電池セル１０の発電が不要な時には、燃料ポンプ２１を停止することにより、燃料電池セル１０への燃料５０の供給を停止する方法を用いる。燃料ポンプ２１は電磁式のポンプを用いるが、手動式のポンプを用いても良い。また、燃料ポンプを使用せずに、毛細管現象や重力による自然落下を用いて燃料を供給する方式を用いる場合は、燃料タンク１１に接続した燃料ポンプ２１の代わりに電磁弁を設け、燃料電池セル１０が発電していない時には前記の電磁弁を閉じることで、燃料極のアノード２側の燃料がＭＣＯによってカソード３側に移動しても、それ以上の燃料が供給されないので、ＭＣＯ起因の燃料消費を防止することができる。ここで前記の電磁弁は通電している時に弁が開き、通電していない時に弁を閉じる構造にすることが好ましい。この方式を用いることで、前記の電磁弁の電源を燃料電池セル１０から供給することが可能になる。すなわち、燃料電池セル１０が発電していない時には前記の電磁弁に電力を供給できないが、この電磁弁は閉じているため、燃料電池セル１０が燃料を消費することがない。なお、前記の電磁弁の代わりに手動弁を用いて、人手で燃料の供給を停止する方式も燃料電池セル１０の電力消費を下げることができるので好ましい方法である。

ここで燃料電池セルの１０の発電が不要な時を二次電池６５の充電完了で判断しても良いし、電気負荷装置６６の電源スイッチのＯＮ／ＯＦＦや二次電池６５の出力電流もしくは電気負荷装置６６への供給電流の大小で判断しても良い。

更なる実施の形態を図面を用いて説明する。

図２は請求項５に記載の発明の一実施例で、燃料電池が発電していない時に空気極の空気流路を閉じる機構を持つ燃料電池装置の構成図である。なお、この図において燃料の供給系および電気の流れは省略している。燃料電池装置１００に納めたＭＥＡ６のカソード３側には、吸入側を大気に開放した空気ポンプ２２が取り付けられ、矢印Ｃの方向に空気を燃料電池セル１０に供給する。更に空気供給路に設けた電磁弁２３および、矢印Ｄに示す空気排気口にも電磁弁２４を設ける。一方、この電磁弁を設けない場合には電動シャッタ２６をカソード３側に設け、矢印Ｅの方向に動作可能な機構を作る。なお電動シャッタ２６はカソード３のシャッタ側の面を全開および全閉できる様にしておく。

上述した燃料電池装置の動作を説明する。この実施の形態において本発明は、燃料電池の発電が不要な時には電磁弁２３および電磁弁２４の両方もしくはいずれか一方を閉じることによって、カソード３側の空気の流れを遮断する。なお、この空気の供給は静圧が高い空気ポンプを用いることで圧損の大きい空気流路でも容易に空気を流すことが可能になるが、圧損が低い流路の場合にはファンを用いても良い。また、動力源を用いずに対流や拡散などの現象を用いて、空気を自然に供給しても良い。

また、電磁弁２３および電磁弁２４の代わりに設けた電動シャッタ２６を閉じることによって、カソード３側への空気供給を遮断しても良い。以上に述べた方法を用いてカソード３側の空気を遮断することにより、燃料電池が発電していない場合にアノード２側からＭＣＯによって燃料がカソード３側に移動してきても、カソード３側の酸素がなくなり反応が継続することがないため、アノード２側とカソード３側で燃料濃度が平衡し、ＭＣＯ起因の燃料移動がなくなり、燃料消費を低減することができる。更にＭＥＡ６は乾燥すると、発電性能が低下する現象が現れる。このため、カソード３側の空気を遮断する方式はＭＥＡ６の乾燥を防げるため、燃料電池セル１０の電池性能維持のためにも好ましい。しかし、水がカソード３に付着すると空気がカソード３に供給されないため、燃料電池セル１０が発電できなくなる。このため、燃料電池の発電開始時にはカソード３に付着した水を空気ポンプ２２や図示しないファンで吹き飛ばす構造を持つことが好ましい。

なお、ここで電磁弁２３および電磁弁２４および電動シャッタ２６は通電している時に開き、通電していない時に閉じる構造にすることが好ましい。この方式を用いることで、電磁弁２３および電磁弁２４および電動シャッタ２６の電源を燃料電池セル１０から供給することが可能になる。すなわち、燃料電池セル１０が発電していない時にはこの電磁弁２３および電磁弁２４および電動シャッタ２６に電力を供給できないが、電磁弁２３および電磁弁２４および電動シャッタ２６は閉じているため、燃料電池セル１０のカソード３の空気は大気と遮断された状態を保つことができ、燃料を消費することがない。

なお、この電磁弁２３および電磁弁２４代わりに手動弁、電動シャッタ２６の代わりに手動シャッタを用いて、人手で空気の供給を停止する方式も燃料電池の電力消費を下げることができるので好ましい方法である。

次に、更なる実施の形態を図面を用いて説明する。

図３は請求項９に記載の発明の一実施例で、燃料電池が発電していない時に燃料極の燃料を排出し、水で置換する機構を持つ燃料電池装置の構成図である。なお、この図において空気の供給系および電気の流れは省略している。燃料電池装置１００は燃料５０を蓄えた燃料タンク１１の燃料出口および、水５１を蓄えた水タンク１２の出口が三方弁２８につながり、三方弁２８の出口には燃料ポンプ２１および燃料ポンプ２７がつながれて各燃料ポンプの出口が一つにつながり燃料電池セル１０につながっている。ここで、三方弁２８を切り替えることによって燃料５０もしくは水５１のいずれか一方を、燃料ポンプ２１は矢印Ａの方向に送液でき、燃料ポンプ２７は矢印Ｅの方向に送液することが可能な構造になっている。

上述した燃料電池装置の動作を説明する。この実施の形態において本発明は、燃料電池の発電が不要な時には、先ず三方弁２８の流路を矢印Ｆの方向に切り替えて燃料電池セル１０のアノード２側に入っている燃料を燃料ポンプ２７を駆動して矢印Ｅの方向に送液して燃料タンク１１に戻す。次に三方弁の流路を矢印Ｇに切替て燃料ポンプ２１を駆動し、水タンク１２の水５１を矢印Ａの方向に送液して燃料電池セル１０のアノード２側を水で満たす。このようにアノード側の燃料を水に置換することでＭＣＯの発生が生じないため、燃料の消費が生じない。また、ＭＥＡの乾燥が起こらないため、発電性能が低下することがない。更に、燃料電池セル１０が長期間発電しない場合には、アノード２側に注入した水が蒸発するため、適宜水を供給する必要がある。このため燃料電池セル１０の水のレベルを検出して、水面が一定レベル以下に低下した場合に燃料ポンプ２１を駆動し、水を補給することが好ましい。次に燃料電池の発電を開始する場合は上述した逆の動作を行うことになる。すなわち、三方弁２８の流路を矢印Ｇの方向に切り替えて燃料電池セル１０のアノード２側に入っている水を燃料ポンプ２７を駆動し矢印Ｅの方向に送液して、水を水タンク１２に戻す。次に三方弁の流路を矢印Ｆに切替て燃料タンクの燃料５０を燃料ポンプ２１を駆動し、矢印Ａの方向に送液して燃料電池セル１０のアノード２側を燃料で満たすことによって燃料電池セルは発電を開始する。なお、ここで用いた三方弁は電磁式を用いるが手動式の弁を用いても良い。

本発明は、ダイレクトメタノール形燃料電池装置に限らず、その他のタイプ、例えば水素型燃料電池装置やリン酸型燃料電池装置などにも応用することができるが、その応用範囲が、これらに限られるものではない。

請求項１に記載の一実施例で、燃料極の燃料流路を閉じる機構を持つ燃料電池装置の概略構成図である。 請求項５に記載の一実施例で、空気極の空気流路を閉じる機構を持つ燃料電池装置の概略構成図である。 請求項９に記載の一実施例で、燃料極の燃料を排出し、水で置換する機構を持つ燃料電池装置の概略構成図である。 燃料電池セルの概略断面図である。

符号の説明

１ 電解質膜
２ アノード
３ カソード
６ ＭＥＡ
１０ 燃料電池セル
１１ 燃料タンク
１２ 水タンク
２１ 燃料ポンプ
２２ 空気ポンプ
２３ 電磁弁
２４ 電磁弁
２６ シャッタ
２７ 燃料ポンプ
５０ 燃料
５１ 水
５２ 空気
６１ 電線
６２ 電線
６５ 二次電池
６６ 電気負荷装置
１００ 燃料電池装置

Claims (12)

1. 燃料を燃料極に供給し、空気を空気極に供給することで直接発電可能な燃料電池において、前記燃料電池が発電していない時に前記燃料極の燃料流路を閉じる機構を持つことを特徴とする燃料電池。
2. 前記燃料電池が駆動する電子機器に、別に設けた二次電池の充電不要を判断し、充電不要な時に前記燃料流路を閉じることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の燃料制御方法。
3. 前記の燃料流路を閉じる機構が、電磁弁または手動弁もしくは電磁ポンプまたは手動ポンプであることを特徴とする請求項１記載の燃料制御方法。
4. 燃料がメタノール水溶液、燃料電池がダイレクトメタノール形であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
5. 燃料を燃料極に供給し、空気を空気極に供給することで直接発電可能な燃料電池において、前記燃料電池が発電していない時に前記空気極の空気流路を閉じる機構を持つことを特徴とする燃料電池。
6. 前記空気流路を閉じる機構が、送風ファンもしくは手動シャッタまたは電動シャッタもしくは電磁弁または手動弁であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池の空気制御方法。
7. 燃料電池の発電開始時に空気極に付着している水滴もしくは水分を送風ファンもしくは送風ポンプから吐出される空気で飛散させることを特徴とする請求項５記載の燃料電池の空気制御方法。
8. 燃料がメタノール水溶液、燃料電池がダイレクトメタノール形であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
9. 燃料を燃料極に供給し、空気を空気極に供給することで直接発電可能な燃料電池において、前記燃料電池が発電していない時に前記燃料極の燃料を排出し、水で置換する機構を持つことを特徴とする燃料電池。
10. 燃料電池の空気極で生成される水を使用することを特徴とする請求項９記載の燃料電池。
11. 水を貯蔵するための水タンクを備えることを特徴とする請求項９または請求項１０記載記載の燃料電池。
12. 燃料がメタノール水溶液、燃料電池がダイレクトメタノール形であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池。
    

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