JP2006318669A

JP2006318669A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2006318669A
Application number: JP2005137410A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Harada; 康宏原田; Nobuo Shibuya; 信男渋谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2006-11-24

Abstract

【課題】燃料電池スタックの発電状況を簡単な構成で監視することができ、小型で安定した性能を発揮させることが可能となる燃料電池装置の提供。
【解決手段】電解質膜を燃料極と酸化剤極で挟んで構成されたセル２２を複数個積層配置した燃料電池スタックと、セル２２に液体燃料を供給する送液ポンプと、セル２２に酸化剤を供給する送気ポンプと、燃料電池スタックの両電極間、及び、参照セル２２ａの両電極間に交流電圧を印加する交流電圧印加部５１と、燃料電池スタックの両電極間及び参照セル２２ａにおける両電極間に応答する２つの電流信号に基づいて２つインピーダンス値を算出し、これら２つのインピーダンス値に基づいて燃料電池スタックに含まれるセル２２の不良発生を検出するＤＭＦＣ制御部５０とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、直接型メタノール燃料電池を主体として構成された燃料電池装置に関し、特に小型で安定した性能を持つものに関する。

現在、様々な燃料電池装置が開発されており、実用化に至っている（例えば特許文献１〜３参照）。直接メタノール型の燃料電池装置のうち、特にモバイル機器搭載用途向けに用いられている可搬型の燃料電池装置においては、発電中にスタックセル内部の発電状況を知る手段が確立されていない。単セルが積層されたスタック内部では燃料配流に不具合が生じやすく、何らかの原因で燃料が不足した場合は、積層されたセルのうち最も燃料が不足したセルに逆電位が生じるため、起電部材（ＭＥＡ）を破損する原因となっている。特に、小型化を優先した可搬型の燃料電池装置は小型の燃料ポンプを使用しているため、燃料配流に対する問題が起こり易く、これを回避することが必須の課題となっている。

このような問題に対処するために、全ての積層セルの電位を監視することで燃料不足等による電位の著しい低下が確認された場合に、燃料電池の電気的負荷を開放するなどの処置をすることが考えられる（例えば特許文献４参照）。
特開２００３−０３２９０８号公報特開２００３−０６８３４２号公報特開２００３−１７３８０７号公報特開２００４−２２０８２３号公報

上述した燃料電池装置では、次のような問題があった。すなわち、積層された全てのセル電位を監視しなければならないため、各セルのセパレータからの配線や、電位検出のための装置が必要になり、構成が煩雑となり小型化が困難である。上述したように燃料電池スタックのセルごとに電圧検出用の配線が必要となり、またスタックセルの積層数に応じた電圧監視回路が必要である。このため検出装置が煩雑となり、燃料電池装置の小型化に適さない。また、出力電圧の低下を検出することで、不良セルの発生を検知することはできるが、その時点でセルは破壊されており、検出の目的が達成できない。

したがって、可搬型のような小型燃料電池に搭載するためには、より簡便な手法で燃料電池の不具合を検出しなくてはならない。

そこで本発明は、燃料電池スタックの発電状況を簡単な構成で監視することができ、小型で安定した性能を持つ燃料電池装置を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の燃料電池装置は次のように構成されている。

電解質膜を燃料極と酸化剤極で挟んで構成されたセルを複数個積層配置した燃料電池スタックと、前記セルの燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給部と、前記セルの酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記燃料電池スタックのうち複数のセルにおける両電極間、及び、これら複数のセルに含まれる少なくとも１つの参照セルにおける両電極間に交流電圧を印加する交流電圧印加部と、前記複数のセルにおける両電極間及び前記参照セルにおける両電極間に応答する２つの電流信号に基づいて２つインピーダンス値を算出し、これら２つのインピーダンス値に基づいて前記複数のセルに含まれるセルの不良発生を検出する発電制御部とを備えていることを特徴とする。

（２）前記（１）に記載された燃料電池装置であって、前記参照セルは、前記燃料電池スタックのうち端部に位置するものであることを特徴とする。

（３）前記（１）に記載された燃料電池装置であって、前記発電制御部は、前記複数のセルのインピーダンス値から求めた平均の単セルインピーダンス値と、前記参照セルのインピーダンス値との差を検出することを特徴とする。

（４）前記（１）に記載された燃料電池装置であって、前記発電制御部は、不良発生が検出されたことに伴い、前記燃料電池スタックの保護動作を行うことを特徴とする。

（５）前記（４）に記載された燃料電池装置であって、前記保護動作は、前記液体燃料供給部または前記酸化剤供給部における供給量を調整し、前記燃料電池スタックの回復運転を行うことを特徴とする。

（６）前記（４）に記載された燃料電池装置であって、前記保護動作は、前記燃料電池スタックから負荷の遮断を行うことを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池スタックの発電状況を簡単な構成で監視することができ、小型で安定した性能を発揮させることが可能となる。

図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池装置１０の概略構成を示すブロック図、図２は燃料電池装置１０に組み込まれたＤＭＦＣ起電装置２０とＤＭＦＣ制御部５０の構成を模式的に示すブロック図、図３はＤＭＦＣ制御部５０における燃料または酸化剤の定常状態と枯渇状態のインピーダンス値の差を示すナイキスト線図、図４は燃料電池装置１０の動作フローを示す説明図である。

燃料電池装置１０は、ハウジング１１を備えている。ハウジング１１内には、ＤＭＦＣ起電装置２０と、このＤＭＦＣ起電装置２０に液体燃料を供給する送液ポンプ３０と、空気（酸化剤）を供給する送気ポンプ４０と、これらの送液ポンプ３０及び送気ポンプ４０の作動を制御して前記ＤＭＦＣ起電装置２０の発電動作を制御するＤＭＦＣ制御部（発電制御部）５０と、補助電源部（二次電池）６０とが配置され、１つの電源ユニットを構成している。なお、補助電源部６０は装置外部に設けてもよい。また、図１中７０は熱交換器、７１は燃料送液ポンプ、７２は混合タンクを示している。さらに、図１中８０はハウジング１１に対して着脱自在に取り付けられた燃料カートリッジを示しており、内部にメタノール水溶液（燃料）が充填されている。

ＤＭＦＣ起電装置２０は、燃料電池スタック２１を備えている。燃料電池スタック２１は、電解質膜を介して燃料極と酸化剤極とに挟まれて形勢されたセル２２がセパレータ２３を介して十数組〜数十組積層されたものを備えている。なお、図２中２２ａは参照セルを示している。セル２２においては、燃料のメタノール水溶液と空気（酸素）とを化学反応させて起電力を発生する。

ＤＭＦＣ制御部５０は、ＤＭＦＣ起電装置２０の両電極間及び参照セル２２ａに、０．０１Ｈｚから１０００ＫＨｚ、数ｍＡ程度の交流電圧を印加する交流電圧印加部５１と、その応答電流を検出する電流検出部５２と、それらの検出値からインピーダンスを求める演算部５３と、燃料電池スタック２１の全電圧をモニタする電圧検出部５４と負荷電流を検出する電流検出部５５と、ＤＭＦＣ起電装置２０の運転時間をカウントするタイマ部５６とを備えている。

次に、本燃料電池装置１０による不良セルの検出原理について説明する。なお、図３のナイキスト線図は、印加する交流の周波数を０．５〜０．０１Ｈｚの範囲で変化させた場合の、インピーダンス値の変化を示している。なお、ナイキスト線図は、横軸が実軸、縦軸が虚軸を示している。図３中αは定常運転時、βは枯渇運転時を示している。すなわち、何らかの理由で、セル２２の一部に燃料や酸化剤ガスの配流に問題が生じ、枯渇運転となった場合は、実軸上でインピーダンス値が大幅に増加する（Ｒ１からＲ２）ことが判る。なお、実際には交流の周波数は一定の値を用い、それぞれの燃料電池装置１０に適した交流の周波数を用いることが好ましい。

燃料電池スタック２１の両電極間のインピーダンス値は、燃料濃度や流量、負荷の変化、周囲温度の変化等により、大きく変動するものであるため、インピーダンス値の増大からでは不具合は検出できない。このため、負荷の変化、周囲温度の変化等は、全てのセルに共通して影響することを考慮し、参照セル２２ａについてのインピーダンス値Rrefを同時に求め、燃料電池スタック２１全体の平均インピーダンス値Rallと比較することにより、不具合の発生を検出するものである。すなわち、平均インピーダンス値Rallとインピーダンス値Rrefとの差が一定以上であると、燃料電池スタック２１のいずれかのセル２１において不具合が発生していると予想される。

なお、参照セル２２ａ自体の不具合が発生した場合も、上述した差が大きくなるため、不具合は検出されることとなる。参照セル２２ａを端部のセル２２とするのは、端部に配置されたセル２２は一般的に燃料配流の不具合を最も生じやすいことから、早い段階で不具合を検出する可能性を高めることができるためである。

このように構成された燃料電池装置１０は、燃料カートリッジ８０を装着すると、送液ポンプ３０を介してＤＭＦＣ起電装置２０にメタノール水溶液が供給される。一方、酸化剤としての空気（酸素）は、送気ポンプ４０により外気を取り込むことでＤＭＦＣ起電装置２０に供給される。これにより、ＤＭＦＣ起電装置２０において起電反応が開始され、その出力が外部に導出されるとともに、送液ポンプ３０や送気ポンプ４０が駆動される。

なお、補助電源部６０は、次のような機能を有している。すなわち、ＤＭＦＣ起電装置２０の起電反応前には、その起電力が零であるため、ＤＭＦＣ起電装置２０における起電反応を生じさせるために送液ポンプ３０や送気ポンプ４０等を駆動する。また、ＤＭＦＣ起電装置２０の発電初期時はその出力が不安定であるとともに、負荷急変時には、燃料電池出力が負荷に追従するまでのタイムラグがあり、電圧が不安定となる。このような出力不安定時において、ＤＭＦＣ起電装置２０に代わって電力を出力する機能を有している。

さらに、ＤＭＦＣ起電装置２０内部に発生した反応生成物を除去することで、出力を回復する出力回復運転を行う場合には、ＤＭＦＣ起電装置２０にかかる負荷を一旦開放、または低減させるため、燃料電池装置１０としての出力を維持するための一時的な電力補償を行う機能も持っている。

図４は、定常運転時における不良セルの検出から、回復動作を行い、定常運転動作に戻すまでの動作フローを示している。すなわち、定常運転中に、燃料電池スタック２１全体の合計インピーダンス値をセル数で割って、単セル２２あたりの平均インピーダンス値Rallを算出する（ＳＴ１０）。次に、参照セル２２ａのインピーダンス値Rrefを計測する（ＳＴ１１）。次に、平均インピーダンス値Rallと、参照セルのインピーダンス値Rrefの差の絶対値｜Ｄ｜を計算する（ＳＴ１２）。次に、絶対値｜Ｄ｜が予め設定した任意の差分値ｍを超えているか否かを判定し、超えていればＳＴ１４に進み、超えていなければＳＴ１０に戻る（ＳＴ１３）。

絶対値｜Ｄ｜が差分値ｍを超えている場合は、空気・燃料供給に問題があるとして、ＤＭＦＣ出力回復モードに入る（ＳＴ１４）。具体的には、ＤＭＦＣ起電装置２０の負荷を全て開放し、陽極にＣＯ_２が発生しないようにする。このとき、ＤＭＦＣ起電装置２０から供給されていた電力を補助電源部６０から供給するように切り替え、燃料電池装置１０の定格出力を下回ることがないように制御する。

そして、送気ポンプ４０を停止、送液ポンプ３０を最大出力とし、燃料極に滞留しているＣＯ_２を排出する（ＳＴ１５）。陽極に滞留しているＣＯ_２の排出が終了する時間Ｔ１が経過するまで待機する（ＳＴ１６）。

次に、送気ポンプ４０を最大出力、送液ポンプ３０を通常出力とし、空気極に滞留しているＨ_２Ｏを排出する（ＳＴ１７）。空気極に滞留しているＨ_２Ｏの排出が終了する時間Ｔ２が経過するまで待機する（ＳＴ１８）。

次に、送気ポンプ４０及び送液ポンプ３０を通常出力とし、定常状態に戻す（ＳＴ１９）。さらに、ＤＭＦＣ起電装置２０に負荷を接続し、補助電源部６０からの電力を切ることで、ＤＭＦＣ発電により出力する（ＳＴ２０）。そしてＳＴ１０に戻る。

上述したように、本実施の形態に係る燃料電池装置１０によれば、直接メタノール型燃料電池の出力状況を燃料電池スタック２１全体の平均インピーダンス値Rall及び参照セル２２ａのインピーダンス値Rrefの差の絶対値｜Ｄ｜を調べることで検知することができる。このため、燃料電池スタック２１を構成する各セル２２すべての電圧を直接監視するよりも簡便であり、携帯型燃料電池などの小型化が課題となる燃料電池装置において、安定した運転制御をするうえで、実用上多大なる効果が奏せられる。

また、発電能力低下を検出する方法に比べて、早期の不良セルの検出が可能であるため、セル２２の破損を未然に防止することが可能である。なお、印加する交流の電流は数ｍＡとＤＭＦＣ起電装置２０の発電力に比べ無視できる程度に小さいので、発電に対する影響は無視することができる。

なお、本発明は前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池装置の構成を示すブロック図。同燃料電池装置に組み込まれたＤＭＦＣ起電装置とＤＭＦＣ制御部の構成を模式的に示すブロック図。同燃料電池装置における燃料または酸化剤の定常状態と枯渇状態のインピーダンス値の差を示すナイキスト線図。同燃料電池装置の動作フローを示す説明図。

符号の説明

１０…燃料電池装置、２０…ＤＭＦＣ起電装置、２１…燃料電池スタック、２２…セル、２２ａ…参照セル、３０…送液ポンプ、４０…送気ポンプ、５０…ＤＭＦＣ制御部（発電制御部）、６０…補助電源部（二次電池）。

Claims

電解質膜を燃料極と酸化剤極で挟んで構成されたセルを複数個積層配置した燃料電池スタックと、
前記セルの燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給部と、
前記セルの酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
前記燃料電池スタックのうち複数のセルにおける両電極間、及び、これら複数のセルに含まれる少なくとも１つの参照セルにおける両電極間に交流電圧を印加する交流電圧印加部と、
前記複数のセルにおける両電極間及び前記参照セルにおける両電極間に応答する２つの電流信号に基づいて２つインピーダンス値を算出し、これら２つのインピーダンス値に基づいて前記複数のセルに含まれるセルの不良発生を検出する発電制御部とを備えていることを特徴とする燃料電池装置。
前記参照セルは、前記燃料電池スタックのうち端部に位置するものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
前記発電制御部は、前記複数のセルのインピーダンス値から求めた平均の単セルインピーダンス値と、前記参照セルのインピーダンス値との差を検出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
前記発電制御部は、不良発生が検出されたことに伴い、前記燃料電池スタックの保護動作を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
前記保護動作は、前記液体燃料供給部または前記酸化剤供給部における供給量を調整し、前記燃料電池スタックの回復運転を行うことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
前記保護動作は、前記燃料電池スタックから負荷の遮断を行うことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。