JP2007066910A - 直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法及び水管理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定的で持続的な運転のために燃料電池スタックに所望の一定濃度の燃料を効果的に供給することができる熱交換器を利用した直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法及び装置を提供する。
【解決手段】混合燃料を燃料電池スタックのアノードに供給する混合装置が具備された直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法において；燃料電池スタックの出力電圧または出力電流の信号を感知する段階と、感知された信号に相応して混合燃料の濃度値をルックアップテーブルで抽出する段階と、抽出された混合燃料の濃度値を基準濃度値と比較する段階と、比較された混合燃料の濃度値が基準濃度値より大きければ、燃料電池スタックのカソード側流出口と混合装置とを連結する配管に結合された熱交換器によって、配管に流れる流体を所定時間の間、強制冷却する段階と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器を有する直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法及び水管理装置に関するものである。

燃料電池（Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）はメタノール、エチルアルコール、天然ガスのような炭化水素系列の物質内に含有されている水素と空気中の酸素の均衡が取れた電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる発電システムである。

各種の燃料電池は基本的に同じ原理によって作動するが、使われる燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが異なっている。例えば、燃料電池は使われる電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）の種類によって、燐酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、高分子電解質燃料電池、アルカリ燃料電池などに分類することができる。

高分子電解質燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ ＦｕｅｌＣｅｌｌ:ＰＥＭＦＣ）は、他の燃料電池に比べて出力特性がかなり高く、作動温度が低くて、同時に早い始動及び応答特性とともに、ポータブル電磁機器用のような移動用（ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｂｌｅ）電源や自動車用動力源のような輸送用電源は勿論、住宅、公共建物の停止型発電所のような分散用電源など、その応用範囲が広いという長所を持つ。

そして、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ ＦｕｅｌＣｅｌｌ:ＤＭＦＣ）は、高分子電解質を使うという点から高分子電解質燃料電池の一種として分類することができるが、メタノールのような液状の燃料を直接スタックに供給することができるため、燃料から水素を得るために改質器を使う一般的な高分子電解質型燃料電池より小型化に対してさらに有利であるという長所がある。

直接メタノール型燃料電池は、通常スタック（ｓｔａｃｋ）、燃料タンク及び燃料ポンプなどを具備する。スタックは、水素を含む燃料と酸素や空気などの酸化剤とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。

スタックは、膜−電極アセンブリー（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ:ＭＥＡ）からなる単位燃料電池が、セパレーター（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）を介して数十〜数百個が積層された構造を持つ。ここで、膜−電極アセンブリーは高分子絶縁膜を間に置いて、アノード電極とカソード電極とがその両面に附着されたような構造を持つ。

特開２００５−８５７２３号公報

しかし、前記の直接メタノール型燃料電池は、アノード電極とカソード電極とに供給される燃料のモル濃度によって、その運転効率に大きな差が出てしまう。例えば、アノード電極に供給される燃料のモル濃度が高ければ、現在使うことができる高分子絶縁膜の性能の限界により、アノード側からカソード側に移動する燃料の量が増加し、したがってカソード電極側で反応する燃料によって逆起電力が発生して出力が減少する問題がある。

このように、直接メタノール型燃料電池は、燃料電池スタックの構成及び特性によって所定の燃料濃度で最適の運転効率を持つ。したがって、直接メタノール型燃料電池では安定で持続的な運転のために、燃料のモル濃度を適切に調節する方法が要求される。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安全で持続的な運転のために、燃料電池スタックに一定濃度の燃料を効果的に供給することができる、直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法及び水管理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料電池スタックから流出する未反応燃料及び水と、燃料供給装置から供給される高濃度燃料と、が混合された混合燃料を燃料電池スタックのアノードに供給する混合装置が具備された直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法において；燃料電池スタックの出力電圧または出力電流の信号を感知する段階と、感知された信号に相応して混合燃料の濃度値をルックアップテーブルで抽出する段階と、抽出された混合燃料の濃度値を基準濃度値と比較する段階と、比較された混合燃料の濃度値が基準濃度値より大きければ、燃料電池スタックのカソード側流出口と混合装置とを連結する配管に結合された熱交換器によって、配管に流れる流体を所定時間の間、強制冷却する段階と、を含むことを特徴とする、直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法が提供される。

混合燃料の濃度値が基準濃度値より大きい場合に、燃料電池スタックのカソード側流出口と混合装置とを連結する配管を強制冷却することにより、配管を通過する水蒸気の凝縮量が増加して混合装置に流入される水の量が増加するので、混合装置内の燃料濃度を低くすることができる。こうして、熱交換器を利用して燃料電池スタックから生成された水を効果的に管理し、燃料電池スタックに所望の一定濃度の燃料を容易に供給することができ、燃料電池スタックを安定して長期間運転することができる。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、燃料電池スタックから流出する未反応燃料及び水が貯蔵される循環処理装置と、循環処理装置から供給される低濃度燃料及び燃料供給装置から供給される高濃度燃料が混合された混合燃料を燃料電池スタックに供給する混合装置と、が具備される直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法において；低濃度燃料の濃度を感知する段階と、感知された低濃度燃料の濃度値を低濃度燃料の基準濃度値と比較する段階と、低濃度燃料の濃度値が前記低濃度燃料の基準濃度値より大きければ、燃料電池スタックのカソード側流出口と循環処理装置とを連結する配管に結合された熱交換器によって、配管に流れる流体を所定時間の間、強制冷却する段階と、を含むことを特徴とする、直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法が提供される。

循環処理装置から供給される低濃度燃料の濃度に基づいて、低濃度燃料の濃度値が基準濃度値より大きい場合に、熱交換器を制御して燃料電池スタックに所望の一定濃度の混合燃料を供給することもできる。

配管に流れる流体を強制冷却させる段階は、熱交換器をオン動作させて配管の露出された部分に外部空気を供給する段階を含むことができる。配管の露出された部分に熱交換器で外部空気を供給することにより、配管を通過する流体の冷却効果を高めることができる。

燃料電池スタックの出力電圧または出力電流の信号を感知する段階と、感知された信号に相応して、混合燃料の濃度を前もって貯蔵されたルックアップテーブルで抽出する段階と、抽出された混合燃料の濃度値が基準濃度値より大きければ、熱交換器のオン動作を維持し、抽出された混合燃料の濃度値が基準濃度値以下であれば、熱交換器の動作を停止させる段階と、をさらに含むことができる。これにより、循環処理装置から供給される低濃度燃料の濃度に基づく熱交換器の制御後に、さらに燃料電池スタックからの混合燃料の濃度に基づいて熱交換器を制御して、燃料電池スタックに所望の一定濃度の混合燃料を供給することができる。

抽出された混合燃料の濃度値が基準濃度値より小さければ、燃料供給装置から流入する高濃度燃料の供給量を所定時間の間増加させる段階をさらに含むことができる。このように混合燃料の濃度値が基準濃度値より小さい場合には、高濃度燃料の供給量を増加して混合燃料の濃度値を大きくし、燃料電池スタックに所望の一定濃度の混合燃料を供給することができる。

また、循環処理装置から供給される低濃度燃料の濃度値が低濃度燃料の基準濃度値以下であれば、熱交換器をオフに制御する段階をさらに含むことができ、低濃度燃料が通過する配管を強制冷却して配管を通過する水蒸気を凝縮させ、低濃度燃料の濃度を低くすることができ、燃料電池スタックに一定濃度の燃料を供給することができる。

上記課題を解決するために、さらに本発明の別の観点によれば、燃料電池スタックから流入する未反応燃料及び水と、燃料供給装置から流入する高濃度燃料と、が混合された混合燃料を燃料電池スタックのアノードに供給する混合装置が具備された直接メタノール型燃料電池システムの水管理装置において；燃料電池スタックのカソード側流出口と混合装置とを連結する配管に接するように設置され、配管を通過する流体を凝縮させる熱交換器と、燃料電池スタックの出力電圧または出力電流を感知し、前もって貯蔵されたルックアップテーブルを利用して、感知された出力電圧または出力電流に相応する混合燃料の濃度値を抽出し、抽出された混合燃料の濃度値が基準濃度値より高ければ、熱交換器を動作させて流体の凝縮量を増加させる制御装置と、を備えることを特徴とする、直接メタノール型燃料電池システムの水管理装置が提供される。

混合燃料の濃度値が基準濃度値より高い場合に、制御装置が燃料電池スタックのカソード側流出口と混合装置とを連結する配管を強制冷却することにより、配管を通過する流体を凝縮させて混合装置に流入する水の量を増加させることができるので、混合装置内の燃料濃度を低くすることができる。こうして、熱交換器を利用して燃料電池スタックから生成された水を効果的に管理し、燃料電池スタックに所望の一定濃度の燃料を容易に供給することができ、燃料電池スタックを安定して長期間運転することができる。

混合装置は、燃料電池スタックのアノード側から未反応燃料が流入し、燃料電池スタックのカソード側から水が流入して、未反応燃料と水とが混合した低濃度燃料が貯蔵される循環処理装置と、低濃度燃料及び高濃度燃料が流入して、低濃度燃料及び高濃度燃料が混合された混合燃料を燃料電池スタックのアノードに供給する燃料混合装置と、を有することができる。

循環処理装置と燃料混合装置とを連結する燃料移送管に挿入設置され、燃料移送管を通過する低濃度燃料の濃度を測定する濃度センサーをさらに有することができる。測定された低濃度燃料の濃度値に基づいて熱交換器を制御し、燃料電池スタックに所望の一定濃度の混合燃料を供給することができる。

制御装置は、混合燃料の濃度値が基準濃度値より低ければ、循環処理装置の低濃度燃料を燃料混合装置に供給するポンプの単位時間当り供給量を所定時間の間減少させることができる。また、制御装置は、混合燃料の濃度値が基準濃度値より低ければ、燃料供給装置から供給される高濃度燃料の供給量を所定時間の間増加させることができる。このように混合燃料の濃度を高めて、燃料電池スタックに所望の一定濃度の混合燃料を供給することができる。

以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックからの流出物をリサイクルする混合装置を有し、熱交換器を利用して燃料電池スタックのカソード側から流出される水を効率的に制御することにより、燃料電池スタックに所望の一定濃度の燃料を供給して、燃料電池システムの運転効率を高めることができ、直接メタノール型燃料電池の安定で持続的な運転に寄与することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態による水管理方法が採用された直接メタノール型燃料電池システムを説明するためのブロック図である。図１を参照すれば、直接メタノール型燃料電池システムは、燃料供給装置１１０、燃料電池スタック１２０、混合装置１３０、ポンプ１４０、制御装置１５０、電力変換装置１６０及び熱交換器１７０を含む。

燃料供給装置１１０は、燃料タンクと燃料タンクに貯蔵された高濃度燃料を混合装置１３０に供給するためのポンプで構成されうる。燃料電池スタック１２０は、高分子絶縁膜両側にアノード電極とカソード電極が接合される構造の膜−電極アセンブリーを有する。また、燃料電池スタック１２０は、単位電池を構成する膜−電極アセンブリー複数個がセパレーターまたはバイポーラプレート（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）を介して積層された構造を持つ。

燃料電池スタック１２０は、アノードに供給される混合燃料とカソードに供給される酸化剤を利用して電気エネルギーを発生させる。ここで、混合燃料は水素を含む燃料、例えば、メタノールを含み、酸化剤は空気や酸素などを含む。そして、燃料電池スタック１２０のカソード側流出物は、第１配管（配管）１２２を通じて混合装置１３０に流入して、燃料電池スタック１２０のアノード側流出物は、第２配管１２４を通じて混合装置１３０に流入する。

混合装置１３０は、燃料電池スタック１２０から流入する未反応燃料及び水と、燃料供給装置１１０から供給される高濃度燃料と、が混合された混合燃料を貯蔵する。また、混合装置１３０は、燃料電池スタック１２０から流入する二酸化炭素などの好ましくないガスを排出するための手段を具備することができる。混合装置１３０に貯蔵された混合燃料は、ポンプ１４０を通じて燃料電池スタック１２０のアノード側に供給される。

制御装置１５０は、プログラムが貯蔵されるメモリとこのメモリに結合されてプログラムによって燃料電池システムを制御する中央処理装置とを有する。そして、制御装置１５０は、燃料電池スタック１２０の構造及び特性によって決まる混合燃料の基準濃度値をメモリに貯蔵する。また、制御装置１５０は、燃料電池スタック１２０の出力電圧値または出力電流値に対応する混合燃料の濃度値を貯蔵している。例えば、制御装置１５０に貯蔵されている混合燃料の濃度値は、変化する出力電圧値または出力電流値に相応する多くの予想値が貯蔵されたルックアップテーブルを具備する。

制御装置１５０は、電力変換装置１６０から燃料電池スタック１２０の出力電圧または出力電流に対する所定レベルの電気信号（信号）を受ける。入力された電気信号は制御装置１５０でそれに相応する燃料濃度値として感知され、熱交換器１７０の制御に利用される。

電力変換装置１６０は、燃料電池スタック１２０の正常運転の時、制御装置１５０やポンプ１４０または外部に電力を供給する。電力変換装置１６０は、制御装置１５０に燃料電池スタック１２０の出力電圧及び出力電流を伝達する。

熱交換器１７０は、燃料電池スタック１２０と混合装置１３０とを連結する第１配管１２２に隣接するように設置される。熱交換器１７０は、制御装置１５０の制御信号に応じてオンオフ制御されて、例えば、通常システムの温度制御のために使われるファン（ｆａｎ）装置で具現されることが好ましい。

ファン装置は、空気を圧縮して第１配管１２２側に供給することができる装置である。この場合、ファン装置によって第１配管１２２を通過する流体の強制冷却効果を高めるために、第１配管１２２は、少なくともファンと向い合う部分で螺旋形などの形態であり、配管全体または一部が露出されて形成されることが好ましい。

図２は本実施の形態による水管理方法を示すフローチャートである。図２を参照すれば、直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法は、先に制御装置で燃料電池スタックの出力電圧または出力電流を感知し、あらかじめ貯蔵されたルックアップテーブルを利用して感知された信号に対応する混合燃料の濃度値を抽出する（Ｓ１２）。

ルックアップテーブルは、予想される燃料電池スタックの出力電圧値または出力電流値の少なくともいずれかについての多くの値を、それに対応する混合燃料の多くの濃度値であらかじめ設定して貯蔵した表を示す。このようなルックアップテーブルは、燃料電池スタックの特性によってお互いに異なるように作成されうる。

次に、抽出された混合燃料の濃度値が基準濃度値より大きいかを比較する（Ｓ１４）。比較の結果、抽出された混合燃料の濃度値が基準濃度値より大きければ、燃料電池スタックのカソード側流出口と混合装置を連結する第１配管を通過する流体を所定時間の間、強制冷却する（Ｓ１６）。

ここで、所定時間は、抽出された混合燃料の濃度値と基準濃度値との差によって設定される。例えば、抽出された混合燃料の濃度値と基準濃度値との差が大きければ、長時間の間ファン装置がオン動作されるように設定される。一方、比較の結果、抽出された混合燃料の濃度値が基準濃度値以下であれば、熱交換器を動作させないでそのまま現在のプロセスを終了する。

ここで、熱交換器を動作させないということは、熱交換器から供給される外部空気が配管側に流入されないようにすることを含む。言い換えれば、既存のシステム温度制御のための熱交換器を共用する場合、熱交換器から供給される外部空気が配管側に流入されないようにするため、遮断膜などの手段を利用して、燃料電池スタックのカソード側流出口と混合装置との間に設置された配管を通過する流体が、実質的に熱交換器の影響を受けないようにすることを含む。

また、前記の判断の結果、抽出された混合燃料の濃度値が混合燃料の基準濃度値より小さければ、燃料供給装置を制御して単位時間当り高濃度燃料の供給量を所定時間の間増加させることができる。そして、前記の判断結果で抽出された混合燃料の濃度値が混合燃料の基準濃度値と同じであれば、別途の進行過程なしに、現在のプロセスを終了することができる。

上述したＳ１６の段階によって、第１配管を通過する水蒸気の凝縮量が増加し、水蒸気の凝縮量が増加するほど混合装置に流入される水の量が増加し、混合装置内の燃料濃度が低くなる。よって、所望の濃度を持つ混合燃料を燃料電池スタックに供給する（Ｓ１８）ことができる。

前記の構成によれば、熱交換器を利用して燃料電池スタックから生成された水を効果的に管理して、それによって燃料電池スタックに所望の一定濃度の燃料を容易に供給することができる。

（第２の実施の形態）
図３は第２の実施の形態による水管理方法が採用された直接メタノール型燃料電池システムを説明するためのブロック図である。図３を参照すれば、本実施の形態による直接メタノール型燃料電池システムは、燃料供給装置１１０、燃料電池スタック１２０、燃料混合装置１３２、ポンプ１４２、制御装置１５２、電力変換装置１６０、熱交換器１７０、循環処理装置１８０及び濃度センサー１９０を備える。ここで、図１と同様の機能のものについては、同じ番号で示している。

燃料電池スタック１２０は、アノードに供給される水素を含む燃料とカソードに供給される酸化剤との電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる。燃料電池スタック１２０のカソード側流出物は第１配管（配管）１２２を通じて循環処理装置１８０に流入し、燃料電池スタック１２０のアノード側流出物は第２配管１２４を通じて循環処理装置１８０に流入する。

循環処理装置１８０に流入する未反応燃料及び水は、低濃度燃料としてポンプ１４２を通じて燃料混合装置１３２に供給される。燃料混合装置１３２に供給された低濃度燃料は、燃料供給装置１１０から供給された高濃度燃料と混合された後、燃料電池スタック１２０のアノードに再度供給される。

循環処理装置１８０は、燃料電池スタック１１０のアノード側流出口から流出する未反応燃料を貯蔵して二酸化炭素などの反応生成物を排出する。そして、燃料電池スタック１２０のカソード側流出口から流出する水を貯蔵し、窒素や酸素などの不要なガスを排出する。また、循環処理装置１８０は、未反応燃料及び水が混合された低濃度燃料を、ポンプ１４２を通じて燃料混合装置１３２に供給する。

前述した循環処理装置１８０は、アノード側流出物が流入する下半分の部分とカソード側流出物が流入する上半分の部分、及び気体は上半分へ透過させて液体は下半分下半部へ透過させるように下半分と上半分との間に設置された選択的透過膜と、からなる構成を有するのが好ましい。

燃料混合装置１３２は、燃料供給装置１１０及び循環処理装置１８０から流入する高濃度燃料及び低濃度燃料が混合されて貯蔵されるタンクのような構造を有する。燃料混合装置１３２は、高濃度燃料及び低濃度燃料が固まることなく、混合し易い適切な構造を持つ。例えば、燃料混合装置１３２は、高濃度燃料及び低濃度燃料が樹脂やフィルターを通過しながら混合される混合タンクの構造を持つことが好ましい。

制御装置１５２は、プログラムが貯蔵されるメモリと、このメモリに結合されてプログラムによって燃料電池システムを制御する中央処理装置と、を有する。そして、制御装置１５２は、燃料電池スタック１２０の構造及び特性によって決まる低濃度燃料の基準濃度値をメモリに貯蔵する。また、制御装置１５２は、予想される燃料電池スタック１２０の出力電圧値または出力電流値とそれに相応する低濃度燃料の多くの濃度値をメモリに貯蔵する。例えば、制御装置１５２は、低濃度燃料の多くの濃度値に相応する燃料電池スタック１２０の出力電圧値または出力電流値の少なくともいずれかについて多くの値が貯蔵された複数の低濃度燃料用の第１ルックアップテーブルを具備する。

また、制御装置１５２は、濃度センサー１９０から低濃度燃料の濃度に対する所定の電気信号を受ける。そして入力された電気信号に相応する低濃度燃料の濃度値に基づいて熱交換器１７０にオン／オフ制御する。一方、制御装置１５２は、前述した第１の実施の形態の構成で説明したように電力変換装置１６０から燃料電池スタック１１０の出力電圧または出力電流の信号を感知し、感知された信号に相応する低濃度燃料の濃度値によって熱交換器１７０にオン／オフ制御することができる。また制御装置１５２は、ポンプ１４２及び燃料供給装置１１０を制御する。

熱交換器１７０は、燃料電池スタック１２０と循環処理装置１８０とを連結する第１配管１２２に隣接するように設置されて、第１配管１２２を通過する流体を強制冷却させるための装置である。

熱交換器１７０は、燃料電池スタック１２０のアノード側に供給された燃料の濃度を所望の濃度に設定するために、感知された燃料の濃度値に対応して、制御装置１５２によってオン／オフ制御される。

熱交換器１７０は、ファン装置以外に多様な装置で具現されうる。例えば、熱交換器１７０は熱交換用の流体が通過する配管が第１配管１２２を取り囲むように構成されてもよい。

濃度センサー１９０は、循環処理装置１８０から燃料混合装置１３２に供給される低濃度燃料の濃度を測定するためのものである。言い換えれば、濃度センサー１９０は低濃度燃料の濃度を検出してそれに相応する電気信号を制御装置１５２に伝達する。この時、伝達される電気信号は、増幅器などの所定装置を通じて制御装置１５２に入力されうる。

濃度センサー１９０は、循環処理装置１８０と燃料混合装置１３２とを連結する燃料移送管内に設置される。勿論、濃度センサー１９０は、循環処理装置１８０内に設置されてもよい。濃度センサー１９０は、メタノールなどの燃料の濃度によって体積が変化するイオン伝導高分子樹脂または複合樹脂などを利用したセンサーに具現されうる。

図４は図３の直接メタノール型燃料電池システムに採用された水管理方法を示すフローチャートである。図４を参照すれば、本実施の形態による直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法は、まず、循環処理装置に貯蔵されて燃料混合装置に供給される低濃度燃料の濃度を測定する濃度センサーで低濃度燃料の濃度に対する第１電気信号が制御装置に入力されれば、制御装置はあらかじめ貯蔵された第１ルックアップテーブルを通じて、入力された第１電気信号に相応する低濃度燃料の濃度値を抽出する（Ｓ２２）。

第１ルックアップテーブルは、濃度センサーで測定する低濃度燃料濃度と低濃度燃料濃度による電気信号のレベルを対応記録した表を示す。

次に、制御装置はメモリに貯蔵されている低濃度燃料の基準濃度値を利用して抽出された低濃度燃料の濃度値が低濃度燃料の基準濃度値より大きいかを判断する（Ｓ２４）。

前記の判断の結果、抽出された低濃度燃料の濃度値が低濃度燃料の基準濃度値より大きければ、熱交換器をオン制御し、燃料電池スタックのカソード側流出口と循環処理装置との間に設置された第１配管を通過する流体を所定時間の間、強制冷却させる（Ｓ２６）。

ここで、熱交換器をオン動作させる所定時間は、抽出された低濃度燃料の濃度値とあらかじめ貯蔵された低濃度燃料の基準濃度値との差によって設定される。例えば、抽出された低濃度燃料濃度値と低濃度燃料の基準濃度値との差が大きいほど、長時間の間、熱交換器がオン動作することになる。

前記判断の結果、抽出された低濃度燃料の濃度値が低濃度燃料の基準濃度値より大きくなければ、別途の過程を遂行せず終了する。一方、抽出された低濃度燃料の濃度値が基準濃度値より小さければ、燃料混合装置に低濃度燃料を供給するポンプを制御して循環処理装置から燃料混合装置に供給される低濃度燃料の単位時間当りの供給量を減少させることができる。また、抽出された低濃度燃料の濃度値が基準濃度値と同じであれば、別途の過程を遂行せずこのプロセスを終了することができる。

次に、前記段階を通じて第１配管を通過する水蒸気の凝縮量を増加させると、循環処理装置に流入する水の量が増加し、循環処理装置内の低濃度燃料の濃度が低くなる。こうして、所望の濃度に低くなった低濃度燃料を、ポンプを通じて燃料混合装置に供給する（Ｓ２８）。

次に、燃料電池スタックに流入する混合燃料の濃度を抽出する（Ｓ３０）。例えば、制御装置にあらかじめ貯蔵された第２ルックアップテーブル（ルックアップテーブル）を利用して燃料電池スタックの出力電圧値または出力電流値に相応する混合燃料の濃度値を抽出する。ここで、第２ルックアップテーブルは燃料電池スタックの出力電圧及び出力電流に相応する混合燃料の濃度値が貯蔵された表を示す。一方、混合燃料の濃度を抽出する際に、低濃度燃料の濃度を測定する場合と同じように所定の濃度センサーを利用して抽出することも可能である。

次に、抽出された混合燃料の濃度値が既に貯蔵された混合燃料の基準濃度値と実質的に同じであるかを判断する（Ｓ３２）。

前記判断の結果、抽出された混合燃料の濃度値が混合燃料の基準濃度値と実質的に同じであれば、熱交換器をオフ制御（Ｓ３４）、つまり、第１配管に流れる流体を強制冷却しているファン装置をオフ制御する。また、混合燃料の濃度値が基準濃度値より高ければ、ファン装置のＯＮ制御を持続する。さらに、制御装置は、混合燃料の濃度値が基準濃度値より低ければ、循環処理装置の低濃度燃料を燃料混合装置に供給するポンプの単位時間当り供給量を所定時間の間減少させるか、燃料供給装置から供給される高濃度燃料の供給量を所定時間の間増加させることにより、燃料電池スタックに所望の一定濃度の混合燃料を供給することができる。

前述した構成によれば、熱交換器を利用して燃料電池スタックのカソードから流出される水蒸気と水とを効果的に制御することで、燃料電池スタックに一定の濃度の燃料を容易に供給することができる。

図５は第２の実施の形態による直接メタノール型燃料電池システムの水管理装置に採用された制御装置を説明するためのブロック図である。図５を参照すれば、制御装置２００は、システムの動作を制御するために、特に、直接メタノール型燃料電池システムの水管理をするためにシステムの各要素を制御するためのプログラムが貯蔵されたメモリシステム２０７と、このメモリシステム２０７に結合されてプログラムを遂行するプロセッサ２０１とを備える。

より具体的には、プロセッサ２０１は、計算を遂行するためのＡＬＵ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ Ｌｏｇｉｃ Ｕｎｉｔ）２０２、データ及び命令語の一時的な貯蔵のためのレジスタ２０３、及びシステムの動作を制御するためのコントローラ２０４を有する。

プロセッサ２０１は、デジタル（Ｄｉｇｉｔａｌ）社のアルファ（Ａｌｐｈａ）、ＭＩＰＳテクノロジー、ＮＥＣ、ＩＤＴ、ジーメンス（Ｓｉｅｍｅｎｓ）などのＭＩＰＳ、インテル（Ｉｎｔｅｌ）とサイリックス（Ｃｙｒｉｘ）、ＡＭＤ及びネックスゼン（Ｎｅｘｇｅｎ）を含む会社のｘ８６、及びＩＢＭとモートローラ（Ｍｏｔｏｒｏｌａ）のパワーＰＣ（Ｐｏｗｅｒ ＰＣ）のように多様なアキテクチャー（Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｒｕｅ）を持つプロセッサの中の、少なくとも一つを有している。

また、プロセッサ２０１は燃料電池スタックや別途の電源供給装置２１４から電力の提供を受けて、燃料電池スタックの出力電圧及び出力電流（スタック電圧および電流２１３）を感知し、増幅器２１２を通じて濃度センサー２１１から検出された燃料濃度に対する電気信号の入力を受ける。入力された信号は、例えばアナログデジタル変換器でなる入力端２０５を通じてプロセッサ２０１に感知される。

また、プロセッサ２０１は、燃料供給装置や酸化剤供給装置などに使用される第１ポンプ２１５、第２ポンプ２１６及び第３ポンプ２１７を、出力端２０６を通じて制御する。この時、プロセッサ２０１は、各ポンプ２１５、２１６、２１７を制御するドライバーを制御したり、周波数などを通じて直接ポンプを制御したりするように具現されうる。また、プロセッサ２０１は、燃料電池スタックの出力電圧または出力電流に基礎するか、あるいは濃度センサー２１１から検出された燃料濃度に基礎して熱交換器２１８を制御する。

メモリシステム２０７は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）とＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）のような貯蔵媒体形態である高速のメインメモリと、フロッピー(登録商標)ディスク、ハードディスク、磁気テープ、ＣＤ−ＲＯＭ、フラッシュメモリなどの長期（ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ）貯蔵媒体形態の補助メモリ、及び電気、磁気、光学やその外の貯蔵媒体を利用してデータを貯蔵する装置を有する。ここで、メインメモリは、ディスプレイ装置を通じてイメージをディスプレイするビデオメモリを有することができる。

また、メモリシステム２０７は、燃料電池スタックの出力電圧値または出力電流値の少なくともいずれかと、それに相応する燃料濃度値とが貯蔵されたルックアップテーブル２０８及び濃度センサー２１１から入力される電気的な信号と、これに相応する低濃度燃料の濃度値が貯蔵されたルックアップテーブル２０９を有する。

このルックアップテーブル２０８、２０９は、熱交換器２１８の動作を制御するために参照される。また、メモリシステム２０７は、混合燃料に対する基準濃度値及び低濃度燃料に対する基準濃度値を貯蔵する。ここで、基準濃度値は燃料電池スタックの運転効率を最適化することができるように燃料電池スタックの特性によって前もって設定された燃料濃度に対する値を指す。

前述した構成によれば、本実施の形態の水管理装置は、燃料電池スタックの出力電圧または出力電流に基づいて判断するか、または濃度センサーから検出された低濃度燃料の濃度に基づいて判断するかして、熱交換器を制御し、それによって燃料電池スタックに所望の一定濃度の混合燃料が供給されて燃料電池スタックが安定して長期間運転されるようにする。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

前記の実施の形態では、燃料電池スタックのカソード流出口側に連結された配管に隣接するように設置された熱交換器を利用して燃料電池スタックのカソード側から流出される流体の凝縮量を制御することで効率的な水管理とともに、直接メタノール型燃料電池システムの安定で持続的な運転に寄与することができると説明した。しかし、本発明はそういう構成に限定されず、熱交換器が燃料電池スタックのカソード流出口側のみならず、アノード流出口側にも設置されて燃料電池スタックのアノード側から流出される未反応燃料を効果的に回収するように構成されてもよい。

本発明は、熱交換器を利用した直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法及び装置に適用可能である。

本発明の第１の実施の形態による水管理方法が採用された直接メタノール型燃料電池システムの一例を説明するためのブロック図である。 本発明の第１の実施の形態による直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態による水管理方法が採用された直接メタノール型燃料電池システムの一例を説明するためのブロック図である。 本発明の第２の実施の形態による直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態による直接メタノール型燃料電池システムの水管理装置に採用された制御装置を説明するブロック図である。

符号の説明

１１０ 燃料供給装置
１２０ 燃料電池スタック
１２２ 第１配管
１２４ 第２配管
１３０ 混合装置
１４０ ポンプ
１５０ 制御装置
１６０ 電力変換装置
１７０ 熱交換器

Claims (11)

1. 燃料電池スタックから流出する未反応燃料及び水と、燃料供給装置から供給される高濃度燃料と、が混合された混合燃料を前記燃料電池スタックのアノードに供給する混合装置が具備された直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法において；
   前記燃料電池スタックの出力電圧または出力電流の信号を感知する段階と、
   感知された前記信号に相応して前記混合燃料の濃度値をルックアップテーブルで抽出する段階と、
   抽出された混合燃料の前記濃度値を基準濃度値と比較する段階と、
   比較された混合燃料の前記濃度値が前記基準濃度値より大きければ、前記燃料電池スタックのカソード側流出口と前記混合装置とを連結する配管に結合された熱交換器によって、前記配管に流れる流体を所定時間の間、強制冷却する段階と、
   を含むことを特徴とする、直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法。
2. 燃料電池スタックから流出する未反応燃料及び水が貯蔵される循環処理装置と、前記循環処理装置から供給される低濃度燃料及び燃料供給装置から供給される高濃度燃料が混合された混合燃料を前記燃料電池スタックに供給する混合装置と、が具備される直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法において；
   前記低濃度燃料の濃度を感知する段階と、
   感知された前記低濃度燃料の濃度値を低濃度燃料の基準濃度値と比較する段階と、
   前記低濃度燃料の濃度値が前記低濃度燃料の基準濃度値より大きければ、前記燃料電池スタックのカソード側流出口と前記循環処理装置とを連結する配管に結合された熱交換器によって、前記配管に流れる流体を所定時間の間、強制冷却する段階と、
   を含むことを特徴とする、直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法。
3. 前記配管に流れる流体を強制冷却させる段階は、
   前記熱交換器をオン動作させて前記配管の露出された部分に外部空気を供給する段階を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法。
4. 前記燃料電池スタックの出力電圧または出力電流の信号を感知する段階と、
   感知された前記信号に相応して、前記混合燃料の濃度をあらかじめ貯蔵されたルックアップテーブルで抽出する段階と、
   抽出された前記混合燃料の濃度値が基準濃度値より大きければ、前記熱交換器のオン動作を維持し、抽出された前記混合燃料の濃度値が基準濃度値以下であれば、前記熱交換器の動作を停止させる段階と、
   をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法。
5. 抽出された前記混合燃料の濃度値が前記基準濃度値より小さければ、前記燃料供給装置から流入する前記高濃度燃料の供給量を所定時間の間増加させる段階をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法。
6. 比較された前記低濃度燃料の濃度値が、前記低濃度燃料の基準濃度値以下であれば、前記熱交換器をオフに制御する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の直接メタノール型燃料電池システムの水管理方法。
7. 燃料電池スタックから流入する未反応燃料及び水と、燃料供給装置から流入する高濃度燃料と、が混合された混合燃料を前記燃料電池スタックのアノードに供給する混合装置が具備された直接メタノール型燃料電池システムの水管理装置において；
   前記燃料電池スタックのカソード側流出口と前記混合装置とを連結する配管に接するように設置され、前記配管を通過する流体を凝縮させる熱交換器と、
   前記燃料電池スタックの出力電圧または出力電流を感知し、あらかじめ貯蔵されたルックアップテーブルを利用して、感知された出力電圧または出力電流に相応する前記混合燃料の濃度値を抽出し、抽出された前記混合燃料の濃度値が基準濃度値より高ければ、前記熱交換器を動作させて前記流体の凝縮量を増加させる制御装置と、
   を備えることを特徴とする、直接メタノール型燃料電池システムの水管理装置。
8. 前記混合装置は、
   前記燃料電池スタックのアノード側から未反応燃料が流入し、前記燃料電池スタックのカソード側から水が流入して、前記未反応燃料と前記水とが混合して低濃度燃料に貯蔵される循環処理装置と、
   前記低濃度燃料及び前記高濃度燃料が流入して、前記低濃度燃料及び前記高濃度燃料が混合された前記混合燃料を前記燃料電池スタックのアノードに供給する燃料混合装置と、
   を有することを特徴とする、請求項７に記載の直接メタノール型燃料電池システムの水管理装置。
9. 前記循環処理装置と前記燃料混合装置とを連結する燃料移送管に挿入設置され、前記燃料移送管を通過する前記低濃度燃料の濃度を測定する濃度センサーをさらに有することを特徴とする、請求項８に記載の直接メタノール型燃料電池システムの水管理装置。
10. 前記制御装置は、
    前記混合燃料の濃度値が前記基準濃度値より低ければ、前記循環処理装置の前記低濃度燃料を前記燃料混合装置に供給するポンプの単位時間当り供給量を所定時間の間減少させることを特徴とする、請求項８に記載の直接メタノール型燃料電池システムの水管理装置。
11. 前記制御装置は、
    前記混合燃料の濃度値が前記基準濃度値より低ければ、前記燃料供給装置から供給される前記高濃度燃料の供給量を所定時間の間増加させることを特徴とする、請求項８に記載の直接メタノール型燃料電池システムの水管理装置。
    

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