JP2007294334A - 燃料電池及び燃料濃度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料濃度を正確に測定することのできる燃料電池及びその燃料濃度測定方法、を提供する。
【解決手段】
複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに接続され、燃料の供給及び排出を行うために接続された燃料流路と、前記燃料流路を介して前記燃料電池スタックに燃料を送出する供給部と、前記燃料電池スタック及び前記供給部の動作を制御する制御部と、を具備する。前記複数の燃料電池セルの少なくとも一は、発電用のセルと燃料濃度測定用のセルとを兼ねる共用セルであり、前記燃料流路は、前記共用セルの上流側と下流側との夫々に設けられ、前記共用セルへの燃料の出入を遮断する遮断部、を有する。前記制御部は、燃料濃度測定時において、前記共用セルへ燃料を満たし、前記遮断部によって前記共用セルに対する燃料の出入を遮断した状態で前記共用セルを発電させ、前記共用セルが発電した発電量に基いて、燃料濃度を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを有する燃料電池及びその燃料濃度測定方法に関する。

燃料電池は、水素ガスやメタノール等の燃料流体と、酸化用流体（空気に含まれる酸素）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電装置である。例えば、固体高分子型の燃料電池の場合、各発電体部分は、固体高分子からなる電解質膜を酸素側電極と燃料側電極とで挟み込んだ構造を有している。酸素側電極には酸素を供給するために空気が供給され、燃料側電極には燃料流体が供給され、電気化学的な反応により発電が行われる。

水素ガスを燃料として用いる燃料電池は、発電により生成される生成物が水であり、環境を汚染することがないクリーンな電源として近年注目されている。例えば、電気自動車や住宅用電源システム等、大型のシステムにおいて実用化が期待されている。また、固体高分子型の燃料電池が小型、軽量であるという特徴を生かして、例えばノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型電子機器の電源としての応用も検討されている。燃料電池の発電体部分は、電解質膜・電極複合体又はＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれており、複数の燃料電池セルを電気的接続することで、スタック構造の燃料電池が構成されている。

このような携帯型電子機器等に用いられる燃料電池において、水素ガスに比べて取り扱いが容易なメタノールを、改質などせずそのまま燃料として用いるダイレクトメタノール方式の燃料電池（ＤＭＦＣ）が知られている。このダイレクトメタノール方式の燃料電池では、メタノールが満たされた燃料カートリッジが電子機器に装着され、燃料カートリッジ内のメタノールが燃料電池に供給されることで発電が行われる。

ダイレクトメタノール型の燃料電池の発電では、アノード電極において反応式１に示される反応が、カソード電極において反応式２に示される反応が、夫々起こる。
（反応式１）；ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ ＋ ＣＯ_２
（反応式２）；６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ ＋ １．５Ｏ_２ → ３ Ｈ_２Ｏ

即ち、アノード電極ではプロトンと電子と二酸化炭素が発生する。電子は外部回路を通ることによって発電に用いられる。二酸化炭素は大気中に排出される。プロトンはプロトン導電性電解質を通ってカソード電極に到達する。

一方、カソード電極ではアノード電極から到達したプロトンと外部回路を通ってきた電子と空気中の酸素が反応して水が生成される。よって、ＤＭＦＣの生成物は理論的に水と二酸化炭素のみとなり環境にやさしいクリーンなものとして大気中に排出される。

ダイレクトメタノール型燃料電池システムでは、液体燃料に含まれるメタノールの濃度制御が高効率発電を行うための重要な要素である。メタノール濃度が低すぎる場合には、十分な量の燃料がＭＥＡに供給されずに低い電圧での発電しかできない。メタノール濃度が高すぎる場合には、メタノールがアノード電極で酸化されずにカソード電極に透過するクロスオーバー現象が発生し、発電効率が低下したりＭＥＡ周辺部材が燃料中に溶出してしまうことがある。

そこで液体燃料中のメタノール濃度を厳密に制御することが要求される。メタノール濃度を制御する為に、濃度センサーを設けて、液体燃料に含まれるメタノール濃度をモニターすることで制御することが知られている。

メタノール濃度を測定するための方法として、特許文献１には、ＭＥＡの電圧値から燃料濃度を算出する燃料濃度検出装置、が開示されている。

また、特許文献２には、超音波の伝播速度の違いを利用して燃料濃度を算出する方法が開示されている。

また、特許文献３には、燃料電池の発電量を計測し、その出力結果をもとに燃料消費量を算出し、その算出値に基いて燃料消費量を補正する補正手段を具備する燃料電池システム、が開示されている。

また、特許文献４には、燃料電池に接続された外部負荷に流れる電流値に基いて適正なメタノール水溶液の供給を制御する燃料電池システム、を開示している。

ところで、上述のような燃料電池システムにおいて、燃料濃度は正確に測定されることが望まれる。また、携帯電子機器に搭載される際には、省スペース化の要求を達成した上で燃料濃度測定が行われることが望まれる。
特公平６−２６１３２号 公報 特開平１１−２３５４１号 公報 特開２００５−２６２１５号 公報 特開２００５−３１７４３７号 公報

即ち、本発明の目的は、燃料濃度を正確に測定することのできる燃料電池及びその燃料濃度測定方法、を提供することにある。
本発明の他の目的は、携帯電子機器に搭載される際に要求される省スペース化を達成した上で、正確な燃料濃度測定を行うことのできる燃料電池及びその燃料濃度測定方法、を提供することにある。

その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。

本発明にかかる燃料電池（１００）は、複数の燃料電池セル（１０２）を有する燃料電池スタック（１０４）と、複数の燃料電池セルの各々に対して、燃料の供給及び排出を行うために接続された燃料流路（１１１、１１２、１１３、１１４）と、燃料流路を介して燃料電池スタック（１０４）に燃料を送出する供給部（１０１）と、燃料電池スタック（１０４）及び供給部（１０１）の動作を制御する制御部（２００）と、を具備する。
複数の燃料電池セル（１０２）の少なくとも一は、発電用のセルと燃料濃度測定用のセルとを兼ねる共用セル（１０３）であり、燃料流路（１１１〜１１４）は、共用セル（１０３）の上流側と下流側との夫々に設けられ、共用セル（１０３）への燃料の出入を遮断する遮断部（１１５）、を有している。制御部（２００）は、燃料濃度測定時において、共用セル（１０３）へ燃料を満たし、遮断部（１１５）によって共用セル（１０３）に対する燃料の出入を遮断した状態で共用セル（１０３）を発電させ、共用セル（１０３）が発電した発電量に基いて、燃料濃度を算出する。
共用セル（１０３）に燃料を満たし、燃料の出入を遮断した状態で発電を行うと、燃料は消費されてやがて限界電流に達する。この限界電流に達するまでの発電量は、発電を開始する前の燃料濃度に依存するので、この発電量に基いて燃料濃度を算出することができる。この際、発電量は、燃料電池セルの温度や電圧、燃料電池セルを構成する部材の抵抗値に依存しない。燃料電池セルの温度や電圧に依らず、また部材の劣化による抵抗値の変化などの影響を排除して燃料濃度を測定することができるので、正確な測定を行うことができる。
また、制御部（２００）や遮断部（１１５）としては、スペースを圧迫するような巨大な装置を用いる必要は無い。携帯電子機器に要求される省スペース化が達成された上で正確な燃料濃度を測定することができる。

上記の燃料電池（１００）において、制御部（２００）は、燃料濃度測定時に、共用セル（１０３）から掃引した電流値と、共用セル（１０３）が発電した発電時間とに基いて発電量を計算する。

上記の燃料電池（１００）において、制御部（２００）は、燃料濃度測定時に、共用セル（１０３）から可変に電流を掃引し、電流値と発電時間とを積分して発電量を計算する。

上記の燃料電池（１００）の一の形態では、更に、共用セル（１０３）の温度を測定する温度測定部（１０８）、を具備する。制御部（２００）は、燃料濃度測定時に、温度測定部（２００）によって測定された温度に基いて、共用セル（１０３）から掃引する電流値を決定する。

上記の燃料電池（１００）の他の形態では、制御部（２００）が、燃料濃度測定時に、燃料交換時からの経過時間に基いて、共用セル（１０３）から掃引する電流値を決定する。

上記の燃料電池（１００）の他の形態では、制御部（２００）が、燃料濃度測定時に、前回実施した燃料濃度測定時の燃料濃度測定結果に基いて、共用セル（１０３）から掃引する電流値を決定する。

上記の燃料電池（１００）において、制御部（２００）には、予め、遮断部（１１５）によって共用セル（１０３）への燃料の出入が遮断された状態で共用セル（１０３）に貯えられる燃料の容量が格納されている。制御部（２００）は、燃料濃度測定時に、発電量とその容量とに基いて、燃料濃度を算出する。

本発明にかかる燃料濃度測定方法は、複数の燃料電池セル（１０２）を有する燃料電池スタック（１０４）に供給される燃料の濃度を測定する燃料濃度測定方法である。その燃料濃度測定方法は、複数の燃料電池セル（１０２）のうちの少なくとも一の共用セル（１０３）に燃料を満たすステップ（ステップＳ３０）と、共用セル（１０３）に対する燃料の出入を遮断するステップ（ステップＳ４０）と、燃料の出入が遮断された状態で前記共用セルを発電させる発電ステップ（ステップＳ５０）と、共用セルの発電した発電量を測定する発電量測定ステップ（ステップＳ６０）と、発電量に基いて、燃料濃度を算出する燃料濃度算出ステップ（ステップＳ７０）と、を具備する。

上記の燃料濃度測定方法では、発電量測定ステップ（Ｓ６０）において、共用セル（１０３）から掃引した電流値と、共用セル（１０３）が発電した発電時間とに基いて発電量を計算する。

上記の燃料濃度測定方法では、発電ステップ（Ｓ５０）において、共用セル（１０３）から電流を変化させて掃引し、発電量測定ステップ（Ｓ６０）において、発電量を計算するに際し、電流値と発電時間とを積分して発電量を計算する。

上記の燃料濃度測定方法の一の形態において、発電ステップ（Ｓ５０）は、共用セル（１０３）の温度を測定するステップと、共用セル（１０３）の温度に基いて、発電時に共用セルから掃引する電流値を決定するステップと、を含む。

上記の燃料濃度測定方法の他の形態において、発電ステップ（Ｓ５０）は、燃料交換時からの経過時間に基いて、共用セル（１０３）から掃引する電流値を決定するステップ、を含む。

上記の燃料濃度測定方法の他の形態において、発電ステップ（Ｓ５０）は、前回実施した燃料濃度測定時の燃料濃度測定結果に基いて、共用セル（１０３）から掃引する電流値を決定するステップ、を含む。

上記の燃料濃度測定方法は、燃料濃度算出ステップ（Ｓ７０）において、燃料濃度を算出するに際し、発電量と、共用セル（１０３）への燃料の出入が遮断された状態で前記共用セルに貯えられる燃料の容量と、に基いて、燃料濃度を算出する。

本発明に依れば、燃料濃度を正確に測定することのできる燃料電池及びその燃料濃度測定方法、が提供される。
本発明に依れば、更に、携帯電子機器に搭載される際に要求される省スペース化を達成した上で、正確な燃料濃度測定を行うことのできる燃料電池及びその燃料濃度測定方法、が提供される。

（第１の実施形態）
図面を参照して、第１の実施形態について説明する。図１は本実施の形態に係る燃料電池１００の概略構成図である。燃料電池１００は、ポンプ１０１、燃料流路１１１〜１１４、燃料電池スタック１０４、遮断部１１５、及び制御部２００を有している。燃料電池１００には、メタノール水溶液が供給され、これを燃料として燃料電池スタック１０４が発電を行う。

燃料電池スタック１０４は、フレーム上に設けられた複数の燃料電池セル１０２を有している。本実施の形態では、６個の燃料電池セル１０２が３行×２列で配置されている。複数の燃料電池セル１０２のうちの一のセルは、通常発電時のセルと燃料濃度測定時のセルとを兼用する共用セル１０３である。各燃料電池セル１０２は、燃料室（図１では図示されていない）と、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、を有している。燃料室は、フレームに設けられた凹部であり、燃料室に貯えられた燃料（メタノール）が、ＭＥＡに供給されることで燃料電池セルが発電する。

燃料流路１１１〜１１４は、ポンプ１０１と燃料電池スタック１０４とを接続するように設けられている。ポンプ１０１から送出された燃料は、燃料流路１１１を介して燃料電池スタック１０４に送られる。この時、まず共用セル１０３の燃料室に燃料が送りこまれる。共用セル１０２の燃料室には、燃料の出口として２つの燃料流路１１３，１１２が接続されている。燃料流路１１３は、共用セル１０３と他の燃料電池セル１０２との燃料室同士を直列に接続している。燃料流路１１３から燃料電池スタック１０４外へ排出された燃料は、燃料流路１１４を介してポンプ１０１に戻されるようになっている。一方、共用セル１０２の他の出口である燃料流路１１２は、他の燃料電池セル１０２を経由せずに、燃料流路１１４へ直接接続されている。

遮断部１１５は、燃料電池スタック１０４内に設けられている。遮断部１１５は、共用セル１０３の上流側と下流側との夫々に設けられている。即ち、燃料流路１１１、燃料流路１１３、燃料流路１１２の夫々に遮断部１１５が設けられている。尚、燃料流路１１３に設けられた遮断部１１５の位置は、共用セル１０３とそのすぐ下流側の燃料電池セル１０２との間である。

遮断部１１５は、例えば弁である。遮断部１１５は、開閉自在である。遮断部１１５が閉じている状態では、燃料はその燃料流路の下流側には流れない。

ポンプ１０１は、既述のように燃料流路１１１〜１１４を介して燃料電池スタック１０４に接続されている。また、図示しない燃料カートリッジにも接続されており、燃料カートリッジから燃料電池スタック１０４に燃料を送出する。

制御部２００は、遮断部１１５、燃料電池スタック１０４、及びポンプ１０１に接続されており、これらの動作を制御する。制御部２００は、コンピュータに例示され、インストールされたプログラムによってその機能を実現する。制御部２００には、予め、限界電流に達するときのメタノール濃度、及び、遮断部１１５を閉じた時に共用セル１０３に貯えられる燃料容量、がデータとして記憶されている。

上述のように構成された燃料電池２００の燃料測定時における動作方法について説明する。図８は、燃料濃度測定方法の動作フローを示す図である。以下に述べる動作は、制御部２００にインストールされたコンピュータプログラムが実行されることで実現される。

ステップＳ１０；遮断部の開閉
まず、遮断部１１５の開閉が行われる。この開閉により、燃料流路１１１が閉、燃料流路１１２が開、燃料流路１１３が閉、という状態になる。

ステップＳ２０；ポンプ作動
続いて、ポンプ１０１が作動する。ポンプ１０１が燃料流路１１２を介して共用セル１０３にメタノールが送出される。

ステップＳ３０；共用セルを燃料で満たす
ポンプの作動は、共用セル１０３がメタノールで満たされるまで行われる。尚、この時、燃料流路１１３は閉じているので、下流側の燃料電池セル１０２へはメタノールは供給されない。共用セル１０３からメタノールが溢れた場合には、開いている燃料流路１１１を介して排出される。共用セル１０３の燃料室がメタノールで一杯になると、次のステップＳ４０へ進む。尚、共用セル１０３の燃料室をメタノールで満たすには、予め共用セル１０３の容量を測定しておき、ポンプ１０１がこの容量分のメタノールを送出することで行うことができる。メタノールの送出量は、例えば、ポンプ１０１の回転数やパルス数をカウントする、所定時間送液を行う、等の方法で制御することができる。

ステップＳ４０；共用セルの燃料出入を遮断
共用セル１０３の燃料室がメタノールで一杯になると、再び遮断部１１５の開閉が行われる。この時、燃料流路１１１、１１２も閉となるように遮断部１１５の開閉が行われる。即ち、共用セル１０３に接続される燃料流路１１１、１１２、１１３の全てが閉の状態となり、共用セル１０３の燃料室は外部から遮断される。そして、ポンプ１０１も停止する。尚、ポンプ１０１から、共用セル１０３を経由せずに、他の燃料電池セル１０２に直接接続されるバイパス流路を別に設ければ、必ずしもポンプ１０１を停止させる必要は無い。

ステップＳ５０；共用セルの発電
続いて、共用セル１０３を定電流発電させる。この時、発電開始からの経過時間がカウントされる。共用セル１０３の燃料室に満たされた燃料は、外部から遮断されているので、発電を継続すると燃料濃度は徐々に低くなっていく。やがて、限界電流に達する。限界電流となると、それ以上燃料電池セルは発電できなくなる。制御部２００は、この限界電流に達するまでの経過時間を測定する。

ステップＳ６０；発電量の算出
続いて、ステップＳ５０での経過時間をもとに、限界電流に達するまでに共用セル１０３が発電した発電量が算出される。発電量は、電流値と経過時間との積として求められる。

ステップＳ７０；燃料濃度の算出
ステップＳ５０で算出した発電量は、発電によって消費されたメタノール量に依存している。これを利用して、発電量からメタノール消費量が算出される。更に、予め記憶された容量データと、限界電流に達したときのメタノール濃度と、に基いて、発電前のメタノール濃度（燃料濃度）が算出される。

ステップＳ８０；燃料濃度の判定
Ｓ７０で算出した燃料濃度の判定を行う。制御部２００は、予め設定された運転可能な燃料濃度と、Ｓ７０で算出した燃料濃度との比較を行う。

ステップＳ９０、１００；通常時の発電の開始
Ｓ８０にて、燃料濃度が運転可能な濃度であった場合には、制御部１１５が、遮断部１１５を開閉して、燃料流路１１１及び燃料流路１１３を開、燃料流路１１２を閉の状態とする。そして、ポンプ１０１を作動させる（ステップＳ９０）。これにより、燃料が、燃料流路１１１、燃料流路１１３、及び燃料流路１１４を介して全ての燃料電池セル１０２を循環するように流れ、通常時の発電が開始される（ステップＳ１００）。

尚、この時に、共用セル１０３で燃料測定に使用されたメタノールを下流側の燃料電池セル１０２に流さないように、まず燃料流路１１２のみを開としてもよい。このようにすれば、燃料測定に使用された共用セル１０３内の燃料を、燃料流路１１２を介して排出することができる。燃料測定に使用されたメタノールが排出された後、燃料流路１１２を閉、燃料流路１１３を開とすれば、通常時の発電が開始される。

ステップＳ８１、８２；燃料交換の報知
一方、Ｓ８０にて、燃料濃度が運転可能な濃度に満たなかった場合には、制御部２００が、燃料の交換をユーザに対して報知する報知部に対して、燃料交換信号を発信する（ステップ８１）。報知部は、燃料交換信号を取得するとユーザに対してアラームを発し、燃料カートリッジの交換を促す（ステップＳ８２）。尚、報知部の動作としては、表示画面にアラーム表示を行う、警告を示すブザーを発するなどの動作が挙げられる。

以上説明したように、本実施の形態に依れば、共用セル１０３にメタノールを満たして燃料の出入を遮断した状態で、限界電流に達するまで発電した発電量に基いて、メタノール濃度を求めることができる。限界電流に達するまでの発電量は、共用セル１０３の燃料容量と、燃料濃度測定前の燃料濃度にのみ依存する。燃料容量は発電環境に依存せず正確な値を把握することのできるパラメータである。発電時の諸条件（電圧や各部材の抵抗値）に依存せずに、正確な燃料濃度を測定することができる。

また、燃料濃度測定にあたり、遮断部１１５を設けてこれを開閉するので、複数の燃料電池セル１０２の全てを燃料で満たして、これが限界電流に達するまで発電を行う必要は無い。少なくとも一の共用セル１０３の容量分の燃料が限界電流に達するまで発電を行えばよく、短時間で燃料濃度を測定することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態を図２を用いて説明する。燃料の循環経路は第１の実施形態と同じである。第１の実施形態と比較して、本実施の形態では、一部の遮断部１１５が異なっている。第１の実施形態では、燃料流路１１１、燃料流路１１２の開閉は、燃料電池スタック１０４内に設けられた遮断部によって行われていたが、本実施の形態では、燃料電池スタック１０４外に設けられたバルブ１０５によって行われる。このように、燃料電池スタック１０４外に設けられたバルブ１０５によって燃料流路１１１、燃料流路１１２の開閉を行っても、第１の実施形態と同様の作用を奏することができる。燃料電池スタック１０４外に設けることで、燃料電池スタック１０４内に弁構造などを付加する必要が無く、構成が簡素化される。よって、燃料電池スタック１０４を製造する上で有利である。なお、バルブ１０５以外の構成、動作は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

（第３の実施形態）
第３の実施形態を図３を用いて説明する。本実施の形態では、第１の実施形態に対して燃料流路１１２のレイアウトが工夫されている。図１に描かれた第１の実施形態の例では、燃料流路１１２が、共用セル１０３のそのすぐ下流側の燃料電池セル１０２側の辺に接続されている。これに対して本実施の形態では、燃料流路１１１の接続された辺に燃料流路１１２が接続されている。

燃料濃度測定時においては、第１の実施形態と同様、ポンプ１０１で供給されるメタノールは燃料流路１１１を通って共用セル１０３へと到達する。その時燃料電池スタック１０４の配管状態は燃料流路１１１と燃料流路１１２が開、燃料流路１１３が閉になっており、メタノールが共用セル１０３の燃料室に供給されるようになっている。メタノールが共用セル１０３の燃料室に満たされた後、メタノールは燃料電池スタック１０４内の燃料流路１１３を通って燃料流路１１４へと通じる。そしてメタノールは再びポンプ１０１に戻り上述した流路を循環する。

共用セル１０３の燃料室が燃料で満たされた後、燃料電池スタック１０４の配管状態は、燃料流路１１１と燃料流路１１２が閉となり、共用セル１０３の燃料室への燃料の出入りを遮断して燃料測定を開始する。燃料の算出方法は第１の実施の形態と同様である。

燃料濃度が適正値であれば、燃料電池スタック１０４全体に燃料が供給されるようにするため、燃料流路１１１と燃料流路１１３を開、燃料流路１１２を閉にする。燃料流路１１３を通った燃料は燃料流路１１４を経由してポンプ１０１へと戻り、再び燃料流路１１１から燃料電池スタック１０４へ供給される。これにより燃料は燃料電池スタック１０４全体に供給され循環を繰り返す。

本実施の形態に依れば、燃料流路１１２と燃料流路１１１とが共用セル１０３の同じ辺に接続されているので、流路構成が簡素化される。即ち、燃料流路１１２を燃料流路１１１と異なる方向へ伸ばす必要が無いので、第１の実施形態よりも更に省スペース化させることができる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について説明する。図４は本実施形態にかかる燃料電池の構成を示す概略構成図である。第１の実施形態に対して、温度センサ１０８が追加されている点で工夫されている。また、制御部２００には、カソード温度−電流値テーブルが予め格納されている。温度センサ１０８以外の構成は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

温度センサ１０８は、共用セル１０３のカソード側に設けられている。温度センサ１０８は、共用セル１０３のカソード電極表面の温度を測定する。

カソード温度−電流値テーブルは、温度センサ１０８が測定したカソード温度と、燃料濃度測定時に共用セル１０３から掃引すべき電流値と、の対応関係が記載されている。

制御部２００は、燃料濃度測定時において、温度センサ１０８から取得したカソード電極表面の温度に基いて、カソード温度−電流値テーブルを参照して、共用セル１０３から掃引する電流値を決定する。また、制御部２００は、共用セル１０３の発電時において、共用セル１０３から掃引する電流を変化させる。

本実施の形態の動作方法について説明する。本実施の形態では、第１の実施形態での動作方法に対して、共用セルを発電させるステップ（Ｓ５０、６０）での動作が工夫されている。図９は、共用セルを発電させるステップ（Ｓ５０）の動作フローを示す図である。

ステップＳ５１；カソード電極温度の測定
共用セル１０３を発電させるに際し、まず温度センサ１０８によってカソード電極表面温度が測定される。測定された結果は、制御部２００に通知される。

ステップＳ５２；電流値の決定
制御部２００は、カソード温度−電流値テーブルを参照して、温度センサから通知されたカソード電極表面温度に対応する電流値を取得する。

ステップＳ５３；共用セルの発電
制御部２００は、共用セル１０３を発電させて、Ｓ５２で取得した電流値で共用セルから電流を掃引する。

以上のＳ５１〜Ｓ５３の動作は、共用セル１０３が発電している間にも繰り返される。図５は、本実施の形態において発電時間と電流値との変化を示す図である。即ち、Ｓ５１のカソード電極温度が共用セル１０３から掃引する電流値にフィードバックされるので、発電時間の経過とともに電流値が変化する。

ステップＳ６０；発電量測定
Ｓ５１〜Ｓ５３の処理により、電流値を変化させて発電させた場合には、発電量は電流を発電時間で積分した値として求めることができる。

続いて、カソード温度−電流値テーブルの記載する対応関係について説明する。燃料電池セル１０２に供給される燃料濃度が高い場合、アノード側からカソード側へ燃料が透過することがある（クロスオーバー現象）。クロスオーバー現象が発生すると、カソード側の温度が高くなる。従って、カソード側の温度は、燃料濃度を反映している。カソード温度−電流値テーブルの対応関係は、間接的に燃料濃度と発電時の掃引電流との対応関係を示している。

実験結果を参照して、燃料濃度と、掃引電流との関係について説明する。図６は、発明者らによって行われた実験で用いた燃料電池セル１０２の構造を示す図である。燃料電池セル１０２は、燃料室１０７と、燃料室１０７上に配置されたＭＥＡ１０６と、を有している。燃料室１０７の容積は１ｃｃである。まず燃料室１０７にメタノールを満たし、燃料挿入口を栓で封じて密封した。そして、電流値（０．５Ａ、１Ａ、２Ａ、３Ａ）の各電流値で定電流発電を行い、限界電流に達するまでの時間（発電時間）を測定した。この測定は、初期の燃料濃度値を変えた複数のメタノール水溶液に対して実施した。図７は、初期燃料濃度と発電時間との関係を示す実験結果である。図７Ａは、１Ａ〜３Ａで発電させた時の結果を示しており、図７Ｂは０．５Ａで発電させた時の実験結果を示している。尚、図７Ａでは、１Ａの定電流発電時に限界電流がメタノール濃度約４％で発生した為に、４％〜３０％の範囲でプロットを行っている。一方、図７Ｂでは、０．５Ａの定電流発電時に限界電流が約２％のときに発生したので、濃度範囲が３％〜３０％の範囲でプロットを行っている。

図７Ａ、Ｂに示される実験結果から、各電流値において、発電時間と初期燃料濃度とは直線的な関係となる事がわかった。また、同じ初期燃料濃度で比較すると、電流値が高いほど発電時間が短い結果となった。これは、高い電流値で発電を行うとメタノール消費が早くなり、発電時間が短くなることを示唆している。従って、高い掃引電流で発電を行うと、燃料濃度測定を短時間で済ませることができる。

図７Ｂに示される０．５Ａの定電流発電時には、限界電流が約２％の時に発生した。従って、また、０．５Ａよりも１Ａの方が、限界電流の発生する濃度が高くなるという結果から、高い電流値を掃引した場合、比較的高い濃度で限界電流が発生してしまうので、低濃度領域の燃料濃度測定が困難となることが判る。

このように、掃引電流が高い場合、発電時間を短縮させて燃料濃度測定に係る時間を短縮させることができるが、被測定対象の燃料濃度が低い場合には測定が困難となる場合がある。即ち、燃料濃度が高い場合には掃引電流を高くし、燃料濃度が低い場合には掃引電流を低くすることが好ましい。よって、カソード温度−電流値テーブルの対応関係を、燃料濃度が高い場合（カソード温度が高い場合）に高い電流値となるような関係としておくことで、実際の燃料濃度に最適な掃引電流で共用セル１０３を発電させることができる。よって、より正確、且つ短時間で、燃料濃度の測定を行うことができる。

尚、本実施の形態では、カソード温度の測定結果を共用セル１０３の発電時にフィードバックされる場合について説明したが、低濃度領域を測定する必要のない場合には必ずしも掃引電流を変化させる必要はなく、最初にカソード温度−電流値テーブルから取得した電流値を一定で掃引しつづけてもよい。

また、本実施の形態では、カソード温度を測定することにより、燃料濃度を予測する場合について説明したが、燃料濃度を予測するにあたり他の手法を用いてもよい。

例えば、前回に燃料濃度の測定を行った際の結果から今回の燃料濃度を予測することも出きる。前回の燃料濃度測定結果が高濃度であった場合には、今回も燃料濃度は高いものと予測して、共用セル１０３から掃引する電流を高く設定することができる。この場合には、カソード温度−電流値テーブルに替えて、予め前回の燃料濃度測定結果と電流値との対応関係を示すテーブルが制御部２００に格納されていればよい。

また、燃料カートリッジを燃料カートリッジを交換してからの経過時間を把握しておき、この経過時間に基いて燃料濃度を予測することもできる。即ち、燃料カートリッジを交換してからの経過時間が長い場合には、燃料消費が大きく、燃料濃度は低くなっていると予測される。即ち、掃引する電流を低く設定することができる。この場合には、カソード−電流値テーブルに替えて、予め燃料カートリッジ交換からの経過時間と電流値との対応関係を示すテーブルが制御部２００に格納されていればよい。

第１の実施形態の燃料電池の構成図である。 第２の実施形態の燃料電池の構成図である。 第３の実施形態の燃料電池の構成図である。 第４の実施形態の燃料電池の構成図である。 発電時間と掃引電流との関係を示す図である。 燃料電池セルの構造を示す図である 燃料濃度と発電時間との関係を示す実験結果である。 燃料濃度と発電時間との関係を示す実験結果である。 燃料濃度測定方法の動作フローである。 第４の実施形態における燃料濃度測定方法の動作フローである。

符号の説明

１００ 燃料電池
１０１ ポンプ
１０２ 燃料電池セル
１０３ 共用セル
１０４ 燃料電池スタック
１０５ バルブ
１０６ ＭＥＡ
１０７ 燃料室
１０８ 温度センサー
１１１ 燃料流路
１１２ 燃料流路
１１３ 燃料流路
１１４ 燃料流路
１１５ 遮断部
２００ 制御部

Claims (14)

1. 複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに接続され、燃料の供給及び排出を行うための燃料流路と、
   前記燃料流路を介して前記燃料電池スタックに燃料を送出する供給部と、
   前記燃料電池スタック及び前記供給部の動作を制御する制御部と、
   を具備し、
   前記複数の燃料電池セルの少なくとも一は、発電用のセルと燃料濃度測定用のセルとを兼ねる共用セルであり、
   前記燃料流路は、
   前記共用セルの上流側と下流側との夫々に設けられ、前記共用セルへの燃料の出入を遮断する遮断部、を有し、
   前記制御部は、燃料濃度測定時において
   前記共用セルへ燃料を満たし、
   前記遮断部によって前記共用セルに対する燃料の出入を遮断した状態で前記共用セルを発電させ、
   前記共用セルが発電した発電量に基いて、燃料濃度を算出する
   燃料電池。
2. 請求項１に記載された燃料電池であって、
   前記制御部は、燃料濃度測定時において、
   前記共用セルから掃引した電流値と、前記共用セルが発電した発電時間とに基いて前記発電量を計算する
   燃料電池。
3. 請求項２に記載された燃料電池であって、
   前記制御部は、燃料濃度測定時において、
   前記共用セルから可変に電流を掃引し、
   前記電流値と前記発電時間とを積分して前記発電量を計算する
   燃料電池。
4. 請求項２又は３に記載された燃料電池であって、
   更に
   前記共用セルの温度を測定する温度測定部
   を具備し、
   前記制御部は、燃料濃度測定時において、
   前記温度測定部によって測定された温度に基いて、前記共用セルから掃引する電流値を決定する
   燃料電池。
5. 請求項２又は３に記載された燃料電池であって、
   前記制御部は、燃料濃度測定時において、
   燃料交換時からの経過時間に基いて、前記共用セルから掃引する電流値を決定する
   燃料電池。
6. 請求項２又は３に記載された燃料電池であって、
   前記制御部は、燃料濃度測定時において、
   前回実施した燃料濃度測定時の燃料濃度測定結果に基いて、前記共用セルから掃引する電流値を決定する
   燃料電池。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載された燃料電池であって、
   前記制御部には、予め、前記遮断部によって前記共用セルへの燃料の出入が遮断された状態で前記共用セルに貯えられる燃料の容量が格納されており、
   前記制御部は、燃料濃度測定時において、
   前記発電量と前記容量とに基いて、前記燃料濃度を算出する
   燃料電池。
8. 複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックに供給される燃料の濃度を測定する燃料濃度測定方法であって、
   前記複数の燃料電池のうちの少なくとも一の共用セルに燃料を満たすステップと、
   前記共用セルに対する燃料の出入を遮断するステップと、
   燃料の出入が遮断された状態で前記共用セルを発電させる発電ステップと、
   前記共用セルの発電した発電量を測定する発電量測定ステップと、
   前記発電量に基いて、燃料濃度を算出する燃料濃度算出ステップと、
   を具備する
   燃料濃度測定方法。
9. 請求項８に記載された燃料濃度測定方法であって、
   前記発電量測定ステップにおいて、前記共用セルから掃引した電流値と、前記共用セルが発電した発電時間とに基いて前記発電量を計算する
   燃料濃度測定方法。
10. 請求項９に記載された燃料濃度測定方法であって、
    前記発電ステップにおいて、
    前記共用セルから電流を変化させて掃引し、
    前記発電量測定ステップにおいて、前記発電量を計算するに際し、
    前記電流値と前記発電時間とを積分して前記発電量を計算する
    燃料濃度測定方法。
11. 請求項９又は１０に記載された燃料濃度測定方法であって、
    前記発電ステップは、
    前記共用セルの温度を測定するステップと、
    前記共用セルの温度に基いて、発電時に前記共用セルから掃引する電流値を決定するステップと、
    を含む
    燃料濃度測定方法。
12. 請求項９又は１０に記載された濃度測定方法であって、
    前記発電ステップは、
    燃料交換時からの経過時間に基いて、前記共用セルから掃引する電流値を決定するステップ、
    を含む
    燃料濃度測定方法。
13. 請求項９又は１０に記載された燃料濃度測定方法であって、
    前記発電ステップは、
    前回実施した燃料濃度測定時の燃料濃度測定結果に基いて、前記共用セルから掃引する電流値を決定するステップ
    を含む
    燃料濃度測定方法。
14. 請求項８乃至１３のいずれかに記載された燃料濃度測定方法であって、
    前記燃料濃度算出ステップにおいて、前記燃料濃度を算出するに際し、
    前記発電量と、前記共用セルへの燃料の出入が遮断された状態で前記共用セルに貯えられる燃料の容量と、に基いて、前記燃料濃度を算出する
    燃料濃度測定方法。

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