JP2006048945A - 燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池に供給される燃料の濃度を適切に評価する。
【解決手段】 燃料電池スタック２０を構成するセル２３の電圧を、共通のグランドを基準として、直列するセル２３が２セルづつ増やされた電圧Ｖ１〜Ｖｎを電圧計９１〜９８によりそれぞれ計測する。計測された電圧Ｖ１〜Ｖｎから、２セル毎のセル電圧Ｖｃ１〜Ｖｃｎが算出された後、セル電圧Ｖｃ１〜Ｖｃｎから標準偏差が算出される。このようにして算出された標準偏差は、燃料の濃度が許容範囲からはずれると、大幅に増加するため、燃料濃度の指標として用いることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、燃料電池に供給される燃料の状態に応じた燃料電池の制御に関する。

燃料電池は、燃料および酸化剤から電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ない直接発電が挙げられる。このため、燃料電池は、小規模でも高い発電効率が期待できる。また、窒化化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が向上する。このように、燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用でき、環境に優しい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギー供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

特に近年、燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell:ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノールを改質することなく、アノードへ直接供給し、メタノールと酸素との電気化学反応により電力を得る。メタノールは水素に比べて、単位体積当たりのエネルギーが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器などの電源への利用が期待されている。

ＤＭＦＣのアノードへ供給されるメタノール水溶液の濃度が高すぎると、ＤＭＦＣ内部の固体高分子膜の劣化が促進され、信頼性が低下したり、アノードに供給されたメタノール水溶液の一部が発電に消費されず電解質膜を通してカソードに透過する、いわゆるクロスリークが発生する。一方、メタノール水溶液の濃度が低すぎると、ＤＭＦＣから充分な出力を取り出すことができない。このため、ＤＭＦＣのアノードへ供給されるメタノール水溶液の濃度は、0.5〜4mol/L望ましくは0.8〜1.5mol/Lに調整した方が良く、この濃度域の幅を小さくすることが、ＤＭＦＣを安定して運転させることにつながることが分かっている。

しかしながら、ＤＭＦＣを有するシステムの場合、ＤＭＦＣを長時間に渡って運転させ、かつ、システムの小型・軽量化を図るため、一般的には、20mol/L以上の高濃度メタノールタンクを備え、ＤＭＦＣのアノードへ供給する前に濃度を薄く調整して供給する方式が取られている。そこで、メタノール水溶液の濃度をシステム内部で0.5〜1.5mol/Lに調整するために、光学式、超音波式、あるいは比重による方式など種々のメタノール水溶液濃度センサを用いて、メタノール水溶液の濃度を測定することが行われている。

たとえば、特許文献１は、メタノール水溶液の循環経路上で二酸化炭素ガスの存在量が比較的少ない場所にメタノールセンサを設置する技術を開示する。
特開２００４−０９５３７６号公報

しかしながら、従来のように、メタノール水溶液濃度センサを用いてアノードに供給されるメタノール水溶液の濃度を検出する場合には、以下に述べるような課題が生じる。

すなわち、燃料電池システム内にメタノール水溶液濃度センサを設置すると、システムの小型化が困難となる。また、メタノール水溶液濃度センサの稼働により電力が消費されるので、余分な電力が必要となる。さらに、メタノール水溶液濃度センサの費用が必要になるので、コスト増につながる。

この他、従来のメタノール水溶液濃度センサは、メタノール燃料電池動作時の温度変化、負荷変動、副生成物の発生などの外的要因による影響を受けやすいため、得られる濃度が必ずしも正確ではない場合がある。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池に供給される燃料の濃度を適切に評価する技術の提供にある。また、本発明の他の目的は、上記技術を用いた燃料電システムの制御の提供にある。

本発明の燃料電池システムは、複数のセルで構成された燃料電池を含むシステムであって、複数のセルの電圧を検出するセル電圧検出手段と、検出された複数のセルの電圧のばらつきを評価するセル電圧評価手段と、を備えることを特徴とする。

各セルの発電効率は、燃料の濃度が適切な範囲であればほぼ一定であるが、燃料の濃度が適切な範囲からはずれるにつれて大幅に減少する。一般に、各セルの発電性能には、各セルの電極の特性により個体差が生じている。このため、燃料の濃度が適切な範囲においては、各セルの電圧は一定のばらつきを呈するが、燃料の濃度が適切な範囲からはずれるにつれてばらつきが大きくなる。上記発明によれば、複数のセルの電圧を検出してばらつきを評価することができるので、燃料の濃度の変化を確実に検知することに利用することができる。また、上記発明によれば、燃料センサーを別途設ける必要がないため、省スペース、省電力、または低コスト化を図ることができる。また、燃料電池の各セルの電圧のばらつきを直接評価しているので、温度変化、負荷変動、副生成物の増減などの外的要因の影響を受けず、燃料の濃度の評価を行うことができる。

上記構成において、セル電圧評価手段で評価されたばらつきが基準値を超えた場合に、燃料が許容範囲からはずれたことを報知する報知手段を備えてもよい。これによれば、ユーザまたはシステムの管理者は、燃料電池に供給される燃料の濃度が許容範囲からはずれたことを的確に把握することができる。

上記構成において、燃料電池に供給される燃料を貯留する燃料貯留手段と、燃料貯留手段に燃料を補給する燃料補給手段と、燃料貯留手段から燃料電池のアノードに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、燃料補給手段による燃料の補給を調節する制御部と、を備え、制御部は、セル電圧評価手段で評価されたばらつきが基準値を超えた場合に、燃料を燃料貯留手段に補給してもよい。これによれば、燃料電池に供給される燃料の濃度が低下した場合に、適切に燃料を補給することにより、燃料電池の発電状態を適切に維持することができる。上述の燃料電池システムにおいて、燃料がメタノール水溶液であってもよい。

本発明の燃料電池の制御方法は、複数のセルで構成された燃料電池を制御する方法において、複数のセルの電圧を検出するステップと、検出された複数のセルの電圧のばらつきを評価するステップと、評価されたばらつきが基準値を超えた場合に、燃料電池に供給される燃料を補給するステップと、を備えることを特徴とする。これによれば、各セルの電圧のばらつきに基づいて、燃料濃度の低下時に適切に燃料を補給することができる。この燃料電池の制御方法において、燃料がメタノール水溶液であってもよい。

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、燃料電池に供給される燃料の濃度を適切に評価することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０、タンク３０、燃料用ポンプ４０、酸化剤用ポンプ５０、燃料格納部６０、高濃度燃料補給ポンプ７０および制御部８０を備える。

燃料電池スタック２０は、メタノール溶液および空気を用いて電気化学反応により電力を発生する。図２は、本実施形態に用いられる燃料電池スタック２０の構成を示す。燃料電池スタック２０は、複数の膜電極接合体２１とバイポーラプレート２２を積層して構成された積層体９０、この積層体９０の両側に設けられた負極用の集電体２３ａおよび正極用の集電体２３ｂ、絶縁体２４を介して集電体２３ａ、集電体２３ｂにそれぞれ組み付けられる端板２５ａおよび端板２５ｂを備え、端板２５ａと端板２５ｂにより、積層体９０が締め付けられる。

本実施形態の燃料電池スタック２０には、ｍ組の膜電極接合体２１が積層されている。図２において、各膜電極接合体を区別するために、膜電極接合体２１ａ〜２１ｐのように符号２１にアルファベットを付した。各膜電極接合体２１は、高分子電解質膜２６、高分子電解質膜２６の一方の面に当接するアノード２７、および高分子電解質膜２６の他方の面に当接するカソード２８を含む。アノード２７およびカソード２８は触媒層を含み、アノード２７には、白金触媒、または白金ルテニウム合金触媒が使用され、カソード２８には、白金触媒が用いられる。

各セル２３ａ〜２３ｐは、それぞれに対応する膜電極接合体２１ａ〜２１ｐに燃料流路および酸化剤流路を含み、燃料電池の１単位として機能する。

各バイポーラプレート２２のアノード２７側には、燃料が流通する燃料流路が設けられ、各バイポーラプレート２２のカソード２８側には、酸化剤が流通する酸化剤流路が設けらている。本実施形態では、燃料としてメタノール水溶液が用いられ、酸化剤として空気が用いられる。なお、バイポーラプレートに代えて、燃料流路が設けられた燃料プレートと、酸化剤流路が設けられた酸化剤プレートと、燃料プレートと酸化剤プレートとの間に介在するセパレータを用いてもよい。

本実施形態の燃料電池スタック２０は電圧計９１〜９８をさらに備える。電圧計９１〜９８により、セル２３ａおよびセル２３ｂの直列電圧Ｖ１、セル２３ａからセル２３ｄまでの直列電圧Ｖ２、セル２３ａからセル２３ｆまでの直列電圧Ｖ３、セル２３ａからセル２３ｈまでの直列電圧Ｖ４、セル２３ａからセル２３ｊまでの直列電圧Ｖ５、セル２３ａからセル２３ｌまでの直列電圧Ｖ６、セル２３ａからセル２３ｎまでの直列電圧Ｖ７、セル２３ａからセル２３ｐまでの直列電圧Ｖｎが、共通のグランドを基準として、それぞれ測定される。各電圧計９１〜９８で測定された電圧値は、後述する制御部８０に送信される。このように、各セル２３の電圧計測に用いるグランドを共通にすることにより、制御部８０の演算処理に必要なＡＤコンバータの必要チャンネル数を減らすことができる。

図１に戻り、タンク３０は、燃料電池スタック２０に供給されるメタノール水溶液を貯留する。タンク３０に貯留されたメタノール水溶液は、0.5〜1.5mol/Lに希釈された後、燃料用ポンプ４０により燃料電池スタック２０の各アノード２７に供給される。燃料電池スタック２０での反応後に残った未反応の燃料は、タンク３０に回収される。このように、燃料電池スタック２０に供給されるメタノール水溶液は、燃料電池スタック２０とタンク３０とを含む循環系を流通する。一方、酸化剤用ポンプ５０は外部から空気を取り込み、燃料電池スタック２０の各カソード２８に供給する。メタノールと空気の反応により生じた水などの生成物は、タンク３０に回収される。

燃料格納部６０は、タンクに貯留されたメタノール水溶液よりも濃度が高い高濃度のメタノール水溶液を貯蔵する。たとえば、タンク３０内のメタノール水溶液の濃度が、8mol/Lのとき、燃料格納部６０内の高濃度のメタノール水溶液の濃度を22mol/Lとすることができる。高濃度燃料補給ポンプ７０は、後述する制御部８０の指示に基づいて、所定量の高濃度のメタノール水溶液を燃料格納部６０からタンク３０に供給する。

制御部８０は、電圧計９１〜９８から送られる電圧値Ｖ１〜ｎに基づいて、各セル２３の電圧を算出し、各セル２２の電圧のばらつきを評価する。制御部８０による各セルの電圧のばらつきは、各セルの電圧から求められる標準偏差を指標とすることが好適である。さらに、制御部８０は、各セル２３の電圧のばらつきに対する評価結果に基づいて、高濃度燃料補給ポンプ７０の動作を制御し、タンク３０に供給される高濃度のメタノール水溶液の量を調節する。

本実施形態では、各セル２３の電圧は下記の式に従って算出される。
セル２３ａおよびセル２３ｂの直列電圧Ｖｃ１：Ｖ１
セル２３ｃおよびセル２３ｄの直列電圧Ｖｃ２：Ｖ２−Ｖ１
セル２３ｅおよびセル２３ｆの直列電圧Ｖｃ３：Ｖ３−Ｖ２
セル２３ｇおよびセル２３ｈの直列電圧Ｖｃ４：Ｖ４−Ｖ３
セル２３ｉおよびセル２３ｊの直列電圧Ｖｃ５：Ｖ５−Ｖ４
セル２３ｋおよびセル２３ｌの直列電圧Ｖｃ６：Ｖ６−Ｖ５
セル２３ｍおよびセル２３ｎの直列電圧Ｖｃ７：Ｖ７−Ｖ６
セル２３ｏおよびセル２３ｐの直列電圧Ｖｃｎ：Ｖｎ−Ｖ（ｎ−１）
本実施形態では、ｍ組のセル２３に対して、ｎ個の電圧計により全てのセル２３の電圧を監視している。なお、本実施形態では、ｎはｍ／２である。各セル２３にそれぞれ電圧計を設置して、各セル２３の電圧を検出することも可能であり、本発明に適用することができるが、本実施形態のように、複数のセル２３の電圧を一つの電圧計でまとめて検出することにより、制御部８０へのインプット／アウトプット端子の数を減らすことができ、部品点数の削減によるコスト低下を図ることができる。また、データ量を減らすことにより、制御部８０における演算処理の負担を軽減することができる。

図３は、燃料電池システム１０によるメタノール水溶液の管理動作を示すフローチャートである。まず、電圧計９１〜９８により、電圧Ｖ１〜Ｖｎがそれぞれ計測される（Ｓ１０）。計測された電圧Ｖ１〜Ｖｎは制御部８０にそれぞれ送信される（Ｓ２０）。制御部８０は、電圧Ｖ１〜Ｖｎからセル電圧Ｖｃ１〜Ｖｃｎを算出する（Ｓ３０）。さらに、制御部８０は、算出されたセル電圧Ｖｃ１〜Ｖｃｎの標準偏差を算出する（Ｓ４０）。制御部８０は、算出された標準偏差が所定の基準値を超えたか否かを判定する（Ｓ５０）。算出された標準偏差が所定の基準値を超えていなければ、ここでの処理を終える。一方、算出された標準偏差が所定の基準値を超えている場合には、制御部８０は、高濃度燃料補給ポンプ７０を用いて、タンク３０に高濃度のメタノール水溶液を補給する（Ｓ６０）。このように、複数のセル電圧のばらつきを検知し、複数のセル電圧のばらつきに応じて燃料の補給を行うことにより、燃料電池の発電状態を適切に維持することができる。

（セル電圧の変動例）
図４は、負荷が一定時のセル電圧の時間変化を示すグラフである。図４からわかるように、各セル電圧は、時間ｔ２から時刻ｔ３の間で、ほぼ一定の値で推移した後、メタノール水溶液の濃度低下に伴って徐々に低下し始める。時間ｔ３の直後では、各セル電圧は一様に減少するが、ある時点から各セル電圧のばらつきが大きくなり始める。

図５は、負荷が一定時の各時刻における各セル電圧と、全セル電圧の平均値との差の全セル電圧の平均値に対する割合（％）の時間変化を示すグラフである。図５より、各セルの電圧のばらつきが、時間経過、すなわちメタノール水溶液の濃度低下にともなって増大する様子がわかる。

図６は、負荷が一定時の各セル電圧から求めた標準偏差の時間変化を示すグラフである。標準偏差の値が基準値より大きくなった時点ｔ１，ｔ４で燃料が追加される。燃料追加の効果が現れるまで、標準偏差は増加するが、燃料追加により燃料電池スタック２０内のメタノール水溶液の濃度が上昇するにつれて、標準偏差が減少する。

図７は、負荷変動時のセル電圧の時間変化を示すグラフである。負荷変動を生じさせるために、燃料電池スタック２０の集電体２３ａと集電体２３ｂとの間に、ノートパソコンを接続した状態でこのノートパソコンを動作させた。図７と図４とを比較すると、負荷変動時には、セル電圧の振幅が激しくなることがわかる。図８は、負荷変動時の各セル電圧のばらつきがわかりやすいように、図７の楕円で囲まれた領域を拡大したグラフである。負荷変動が生じている場合にも、時間0から時間ｔ５に見られるように、各セルの電圧はそろって変動し、時間ｔ５以降にメタノール水溶液の濃度低下による電圧のばらつきが生じていることがわかる。図９は、負荷変動時の各セル電圧から求めた標準偏差の時間変化を示すグラフである。また、図１０は、負荷変動時の各セル電圧から求めた標準偏差の時間変化を示すグラフである。図９よび図１０からわかるように、負荷変動時の各セル電圧のバラツキおよび各セル電圧から求めた標準偏差は、負荷が一定時と同様な挙動を示し、負荷変動時においても各セル電圧から求めた標準偏差によってメタノール水溶液の濃度の評価を適切に行えることがわかる。

（基準値の設定）
燃料追加の基準となる基準値は、予め設定した値で固定値でもよく、時間経過により変化する可変値でもよい。

基準値を固定値とする場合には、たとえば、燃料電池システム出荷前の検査工程において、基準値が固定値として制御部８０に設定される。基準値は、燃料電池システム出荷前に、メタノール水溶液の濃度が適度な状態で各セル電圧から求めた標準偏差σ０のａ倍（ａは１より大きい数、好ましくはａは１．５〜３）とすることができる。これによれば、各燃料電池システムの固体差に応じた適切な基準値を設定することができ、燃料追加を適切なタイミングで行うことができる。

また、基準値を可変値とする場合には、たとえば、燃料電池システム出荷前の検査工程において、上述したパラメータａが固定値として制御部８０に設定される。この場合には、制御部８０は、図４のｔ２からｔ３までの定常状態において、電圧値Ｖ１〜Ｖｎから各セル電圧を求め、さらに各セル電圧から標準偏差σ１を算出する。制御部８０は、ａ×σ１を次に燃料追加する際の基準値として設定する。このように、基準値を可変とし、定常状態におけるセル電圧の標準偏差に基づいて基準値を変更することにより、基準値がセル特性の経時変化に応じて再設定されるため、セル特性の変化に応じて燃料を適切に追加することができる。

（セル電圧のばらつき評価）
上述の実施形態では、セル電圧のばらつきを標準偏差に基づいて評価しているが、他の評価方法も本発明に適用可能である。

たとえば、図５のグラフを用いて、セル電圧のばらつき（％）が所定の値、たとえば５％を超えたセルが所定のセル数、たとえば全セル数の半分を超えた段階を燃料追加の基準としてもよい。

（セル電圧の測定方法）
セル電圧の測定方法は、上述の実施形態のように２つのセル毎の電圧を検出する形態に限定されない。たとえば、各セルに対応する電圧計を設けることにより、各セルの電圧をより正確に把握することができる。

また、２以上のセル毎に電圧を検出する場合にセルにあまりが生じるケース、たとえば、全セル数が奇数の場合に２つのセル毎に電圧を測定するとセルに１つあまりが生じるが、このような場合には、次のように処理することが好適である。

［全セル数が奇数の燃料電池スタックを２セル毎に電圧を計測する場合]
２セル毎の各電圧値Ｖi(i=1〜ｊ)からＶi／２をそれぞれ算出し、１セル当たりの電圧Vi(i=1〜ｊ)を求める。電圧Vi(i=1〜ｊ)と余りのセルの電圧Vｈを使って電圧のばらつきを評価する。これによれば、全セルの電圧の状態に応じた燃料状態の評価が可能としつつ、検出点数を減らすことにより制御部８０の演算処理に必要な入力チャンネル数を減らすことにより、システム構造の簡便化とコスト低減を図ることができる。

（燃料低下時の報知）
制御部８０は、上述のようにセル電圧のばらつきが基準値を超えた場合に燃料追加することに加えて、あるいは燃料追加に代えて、音声を発したり、表示装置に文字や画像を表示させることにより、燃料低下が生じていることを報知させてもよい。これによれば、燃料電池システムのユーザや管理者は、燃料低下が生じていることを容易に把握することができる。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

たとえば、高濃度燃料補給ポンプ７０は、一定量の高濃度のメタノール水溶液を燃料格納部６０からタンク３０に断続的に供給し、制御部８０は、セル電圧のばらつきを監視し、燃料電池スタック２０に供給されるメタノール水溶液の濃度が何らかの理由で突発的に低下したときに燃料を追加してもよい。

また、上述の実施形態においては、燃料としてメタノール水溶液を用いているが、上述の燃料電池システムの概念において燃料はメタノール水溶液に限られず、水素であてっもよい。

また、上述の実施形態においては、共通のグランドを基準として、Ｖ１〜Ｖｎを計測した後に、演算によりセル電圧Ｖｃ１〜Ｖｃｎを算出しているが、セル電圧Ｖｃ１〜Ｖｃｎを直接計測可能な電圧計をそれぞれ設けてもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。 本実施形態に用いられる燃料電池スタックの構成を示す図である。 本実施形態の燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 負荷が一定時のセル電圧の時間変化を示すグラフである。 負荷が一定時の各時刻における各セル電圧と、全セル電圧の平均値との差の全セル電圧の平均値に対する割合（％）の時間変化を示すグラフである。 負荷が一定時の各セル電圧から求めた標準偏差の時間変化を示すグラフである。 負荷変動時のセル電圧の時間変化を示すグラフである。 図７の楕円で囲まれた領域を拡大したグラフである。 負荷変動時の各セル電圧から求めた標準偏差の時間変化を示すグラフである。 負荷変動時の各セル電圧から求めた標準偏差の時間変化を示すグラフである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、２０ 燃料電池スタック、３０ タンク、４０ 燃料用ポンプ、５０ 酸化剤用ポンプ、６０ 燃料格納部、７０ 高濃度燃料補給ポンプ、８０ 制御部。

Claims (6)

1. 複数のセルで構成された燃料電池を含むシステムであって、
   前記複数のセルの電圧を検出するセル電圧検出手段と、
   検出された複数のセルの電圧のばらつきを評価するセル電圧評価手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記セル電圧評価手段で評価されたばらつきが基準値を超えた場合に、燃料が許容範囲からはずれたことを報知する報知手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池に供給される燃料を貯留する燃料貯留手段と、
   前記燃料貯留手段に燃料を補給する燃料補給手段と、
   前記燃料貯留手段から前記燃料電池のアノードに前記燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記燃料電池のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
   前記燃料補給手段による前記燃料の補給を調節する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記セル電圧評価手段で評価されたばらつきが基準値を超えた場合に、前記燃料を前記燃料貯留手段に補給することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料がメタノール水溶液であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 複数のセルで構成された燃料電池を制御する方法において、
   前記複数のセルの電圧を検出するステップと、
   検出された複数のセルの電圧のばらつきを評価するステップと、
   評価されたばらつきが基準値を超えた場合に、前記燃料電池に供給される燃料を補給するステップと、
   を備えることを特徴とする燃料電池の制御方法。
6. 前記燃料がメタノール水溶液であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の制御方法。

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