JP2008077941A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 システムの小型化及び簡略化が実現でき、燃料濃度の検知精度を高くして発電部の電極面内における出力密度の均一化を図ることができ、燃料利用効率及び発電効率を向上可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 膜電極複合体７３ｃを介して互いに対向する第１流路板７３ａ及び第２流路板７３ｂを含む発電セル７と、第１流路板７３ａの上流領域から電流を取り出す第１集電板７４ａと、第１集電板７４ａから離間し、第１流路板７３ａの下流領域から電流を取り出す第２集電板７４ｂと、第１集電板７４ａに対向し、第２流路板７３ｂの上流領域から電流を取り出す第３集電板７５ａと、第２集電板７４ｂに対向し、第２流路板７３ｂの下流領域から電流を取り出す第４集電板７５ｂと、第１集電板７４ａ及び第２集電板７４ｂの電流密度の差に基づいて、発電セル７に供給するアルコールの供給量を制御する制御部１０とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、アルコール等の液体燃料を直接発電部に供給して発電する直接型燃料電池に好適な燃料電池システムに関する。

アルコール等の液体燃料を直接発電部に供給する直接型燃料電池は、発電部に供給する燃料濃度を一定範囲に制御することにより、発電部における燃料の利用効率及び発電効率を高めることが可能である。燃料濃度を制御するためには、燃料濃度センサを用いて発電部のアノード極へ供給する燃料の濃度を検知する方法が従来より知られている。しかし、濃度センサを用いる方法は、センサ筐体や制御基盤等の機器が必要となるため、システムの小型化及び簡略化を実現する上では好ましくない。また、発電部の経時的な特性変化が起こった場合に、発電に最適な燃料濃度値が初期の濃度値から外れ、初期に濃度センサで設定した制御濃度では充分な性能が得られない場合がある。

センサを用いずに燃料濃度を検知する方法としては、発電部の温度に基づいて燃料濃度を検知する方法、発電部全体の出力電圧に基づいて燃料濃度を検知する方法、或いは、複数の積層された発電セル内において上流側発電セルと下流側発電セルとの出力密度差から燃料濃度を検知する方法（例えば、特許文献１参照。）などが知られている。

しかし、発電部の温度に基づいて燃料濃度を検知する方法は、発電部の体積が小さい場合に、発電部の温度が外気温や負荷電流によって変動しやすいため、正確な検知が困難である。逆に、発電部の体積が大きい場合には、発電部の熱容量も大きくなるため、濃度変化に対する温度変化の遅れ時間が非常に大きくなる。

発電部全体の出力電圧に基づいて燃料濃度を検知する方法は、出力電圧が所望の電圧に比較して低い場合に、その状態が、燃料濃度が低い状態によるものなのか、高い状態によるものなのかの判断が困難である。更に、環境因子や局所的なセルの水詰まり、配流変動等により影響を受ける場合があるため、充分な精度が得られない場合がある。

上流側発電セルと下流側発電セルとの出力密度差から燃料濃度を検知する方法は、上流部側発電セルへ供給した燃料を下流部発電セルへ送り込む必要があるため、アノード流路の経路が長くなり、燃料を循環するための燃料ポンプに大きな圧力を要する。また、発電部全体としての燃料濃度の最適化を図ることはできても、各発電セルを個別に考慮した場合の最適な燃料濃度に制御することができない。特に、直接型燃料電池の発電部を薄型、大面積化した場合は、１枚の電極面内においても入口側と出口側で大きな濃度勾配が生じるため、電極面内における出力密度が不均一になる。
特開２００４−３２７３５４号公報

本発明は、システムの小型化及び簡略化が実現でき、燃料濃度の検知精度を高くして発電部の電極面内における出力密度の均一化を図ることができ、燃料利用効率及び発電効率を向上可能な燃料電池システムを提供する。

本願発明の態様によれば、膜電極複合体、膜電極複合体を介して互いに対向する第１流路板及び第２流路板を含む複数の発電セルと、複数の発電セルの最も陰極側の発電セルの第１流路板の上流領域から電流を取り出す第１集電板と、第１集電板から離間し、最も陰極側の発電セルの第１流路板の下流領域から電流を取り出す第２集電板と、複数の発電セルを介して第１集電板に対向し、複数の発電セルの最も陽極側の発電セルの第２流路板の上流領域から電流を取り出す第３集電板と、複数の発電セルを介して第２集電板に対向し、最も陽極側の発電セルの第２流路板の下流領域から電流を取り出す第４集電板と、第１集電板及び第２集電板の電流密度の差に基づいて、複数の発電セルに供給するアルコールの供給量を制御する制御部とを備える燃料電池システムが提供される。

本願発明の他の態様によれば、膜電極複合体、膜電極複合体を介して互いに対向する第１流路板及び第２流路板を含む複数の発電セルと、複数の発電セルの最も陰極側の発電セルの第１流路板の上流領域から電流を取り出す第１集電板と、第１集電板から離間し、最も陰極側の発電セルの第１流路板の下流領域から電流を取り出す第２集電板と、複数の発電セルを介して第１集電板及び第２集電板に対向し、複数の発電セルの最も陽極側の発電セルの第２流路板から電流を取り出す第３集電板と、第１集電板及び第２集電板の電流密度の差に基づいて、複数の発電セルに供給するアルコールの供給量を制御する制御部とを備える燃料電池システムが提供される。

本願発明の他の態様によれば、膜電極複合体、膜電極複合体に対向する第１上流流路板、膜電極複合体を介して第１上流流路板に対向する第２上流流路板、第１上流流路板の下流側において第１上流流路板から絶縁され、膜電極複合体に対向する第１下流流路板、膜電極複合体を介して第１下流流路板に対向し、第２上流流路板の下流側において第２上流流路板から絶縁された第２下流流路板を含む複数の発電セルと、第１上流流路板及び第１下流流路板から検出される電流密度の差に基づいて、複数の発電セルに供給するアルコールの供給量を制御する制御部とを備える燃料電池システムが提供される。

本願発明の他の態様によれば、膜電極複合体と、膜電極複合体に対向し、アルコールを流通させる流路板と、複数の孔を有し、膜電極複合体を介して流路板に対向する第１集電板と、流路板を介して第１集電板に対向し、流路板の上流領域から電流を取り出す第２集電板と、第２集電板から離間し、流路板の下流領域から電流を取り出す第３集電板と、第２集電板及び第３集電板の電流密度の差に基づいて、流路板に供給するアルコールの供給量を制御する制御部とを備える燃料電池システムが提供される。

本発明によれば、システムの小型化及び簡略化が実現でき、燃料濃度の検知精度を高くして発電部の電極面内における出力密度の均一化を図ることができ、燃料利用効率及び発電効率を向上可能な燃料電池システムが提供できる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載においては、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

（燃料電池システム）
本発明の実施の形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように、発電部７と発電部７の発電に必要な補器１００と、補器１００を制御する制御部１０と、制御部１０に接続された記憶装置２０とを備える。

補器１００は、燃料タンク２、燃料供給部３、混合タンク４、燃料送給部５、空気送給部６、負荷部９及び検出部８を備える。燃料タンク２には、アルコール又はアルコールと少量の水を含んだ高濃度アルコール水溶液が貯蔵されている。アルコールとしては、例えばメタノールが好適である。燃料供給部３は、燃料タンク２から送給されるアルコール又は高濃度アルコール水溶液を、混合タンク４に供給する。

混合タンク４は、燃料供給部３から供給されたアルコール又は高濃度アルコール水溶液を、発電部７から排出される流体（アルコール水溶液を含む流体）と混合し、発電に最適な濃度のアルコール水溶液を貯蔵する。燃料送給部５は、混合タンク４から送給されるアルコール水溶液を、発電部７のアノード極に送給する。空気送給部６は、発電部７のカソード極に空気を送給する。負荷部９は、発電部７から電気エネルギを取り出す。検出部８は、負荷部９が取り出す電気エネルギを検出する。

燃料タンク２と燃料供給部３は、ラインＬ１で接続されている。燃料供給部３と混合タンク４は、ラインＬ２で接続されている。混合タンク４と燃料送給部５はラインＬ３で接続されている。燃料送給部５と発電部７は、ラインＬ４で接続されている。発電部７と混合タンク４は、ラインＬ５で接続されており、発電部７のアノード極から排出された流体を混合タンク４に循環させている。ラインＬ５には、発電部７で生成された二酸化炭素等の気体も含まれるため、ラインＬ５の途中又は混合タンク４に、気体と液体を分離するための気液分離部４１が設けられている。

空気送給部６と発電部７は、ラインＬ６で接続されている。発電部７から排出された流体は、ラインＬ７を通して大気へ放出される。なお、ラインＬ７を混合タンク４と接続し、発電部７のカソード極で生成する流体を混合タンク４へ供給してもよい。

図２に、発電部７の一例を示す。発電部７は、それぞれ直列に積層された同一構造の複数の発電セル７３と、複数の発電セル７３を挟み込んで固定する第１締付板７１ａ及び第２締付板７１ｂとを有する。それぞれの発電セル７３は、膜電極複合体（ＭＥＡ）７３ｃ、ＭＥＡ７３ｃを介して互いに対向するアノード流路板７３ａ及びカソード流路板７３ｂ、及びアノード流路板７３ａとカソード流路板７３ｂとを絶縁するガスケット７３ｄを１単位として構成されている。

ＭＥＡ７３ｃは、プロトン導電性の固体高分子膜からなる電解質膜、電解質膜の両面に触媒を塗布して形成された電極（アノード極、カソード極）、電極の外側に形成され、燃料及び空気の供給、反応生成物の排出、及び反応した電子を円滑に集電するためのガス拡散層を有する。図２に示すＭＥＡ７３ｃは、例えば、電解質膜としてナフィオン膜（登録商標）を、アノード極の触媒として白金ルテニウムを、カソード極の触媒として白金をそれぞれ用いることができる。アノード極側ガス拡散層としては、市販のカーボンペーパーを、カソード極側ガス拡散層としては、市販のカーボンクロスをそれぞれ用いることができる。

アノード流路板７３ａ、カソード流路板７３ｂの材料としては、導電性カーボンが利用可能である。アノード流路板７３ａは、図３に示すように、１本もしくは複数の流路で燃料入口から出口へと燃料が蛇行して流れる「サーペンタイン流路」と称される蛇行状の流路を、ＭＥＡ７３ｃに接する側の表面に有している。アノード流路板７３ａのサーペンタイン流路の燃料入口それぞれには、図１の燃料送給部５からアルコール水溶液がそれぞれ並列に送給される。カソード流路板７３ｂは、アノード流路板７３ａ同様のサーペンタイン流路もしくは、複数の流路で蛇行せずに並行して空気が流れるパラレル流路を、ＭＥＡ７３ｃに接する側の表面に有している。カソード流路板７３ｂの流路のそれぞれには、図１の空気送給部６から空気がそれぞれ並列に送給される。アノード流路板７３ａ、カソード流路板７３ｂへの送給は、発電セル７３内部に分岐マニフォールドを設けるか、外部にマニフォールドを接続することによって行ってもよい。

図２に示すように、第１締付板７１ａに対向する最上層の発電セル７３のアノード流路板７３ａの上流領域上には、アノード第１集電板７４ａが配置されている。第１締付板７１ａに対向する最上層の発電セル７３のアノード流路板７３ａの下流領域上には、アノード第２集電板７４ｂが配置されている。図２において「上流領域」は、燃料が投入される側に近接する紙面左側の領域を指し、「下流領域」は、燃料が排出される側に近接する紙面右側の領域を指す。図３において「上流領域」は、図３の「燃料入口」に近接する側の領域を指し、「下流領域」は、図３の「燃料出口」に近接する側の領域を指す。また、最上層の発電セル７３における「最上層」は、最も陰極側の紙面上側を指し、後述する「最下層」は最も陽極側の紙面下側を指し、燃料電池システムの重力方向とは無関係である。

アノード第１集電板７４ａは、アノード流路板７３ａの上流領域から電気エネルギを取り出す。アノード第２集電板７４ｂは、アノード流路板７３ａの下流領域から電気エネルギを取り出す。なお、図３に示すように、アノード第１集電板７４ａ及びアノード第２集電板７４ｂは、上流領域と下流領域との間で互いに一定距離離間することにより、絶縁されている。

一方、図２に示すように、第２締付板７１ｂに対向する最下層の発電セル７３のカソード流路板７３ｂの上流領域下には、アノード第１集電板７４ａに対向するカソード第１集電板７５ａが配置されている。第２締付板７１ｂに対向するカソード流路板７３ｂの下流領域下には、アノード第２集電板７４ｂに対向するカソード第２集電板７５ｂが配置されている。

カソード第１集電板７５ａは、カソード流路板７３ｂの上流領域から電気エネルギを取り出す。カソード第２集電板７５ｂは、カソード流路板７３ｂの下流領域から電気エネルギを取り出す。カソード第１集電板７５ａとカソード第２集電板７５ｂは、上流領域と下流領域との間で互いに一定距離離間することにより、絶縁されている。

アノード第１集電板７４ａ、アノード第２集電板７４ｂ、カソード第１集電板７５ａ及びカソード第２集電板７５ｂは、導電性を高めるために銅板の表面に金メッキ処理が施されている。アノード第１集電板７４ａ及びアノード第２集電板７４ｂと第１締付板７１ａとの間には、絶縁シート７２が配置されている。カソード第１集電板７５ａ及びカソード第２集電板７５ｂと第２締付板７１ｂとの間には、絶縁シート７２が配置されている。

アノード第１集電板７４ａとアノード第２集電板７４ｂは、負荷部９ａに対して並列に接続されている。カソード第１集電板７５ａとカソード第２集電板７５ｂは、負荷部９ｂに対して並列に接続されている。図２において、アノード第１集電板７４ａ、アノード第２集電板７４ｂ、カソード第１集電板７５ａ、カソード第２集電板７５ｂは、それぞれ同一の面積を有しているが、異なる面積であっても構わない。

カソード第１集電板７５ａと負荷部９ｂとの間を接続する導線上には、カソード第１集電板７５ａが集電した電流値を測定するための電流計８１が配置されている。カソード第２集電板７５ｂと負荷部９ｂとの間を接続する導線上には、カソード第２集電板７５ｂが集電した電流値を測定するための電流計８２が配置されている。電流計８１，８２は、導線の間に直接挿入してもよいし、直接挿入せずに、非接触の状態において導線からの電磁力を測定する計測器を用いても構わない。また、電流計８１及び電流計８２は、アノード第１集電板７４ａ及びアノード第２集電板７４ｂと負荷部９ａとの間を接続する導線上に配置されていても構わない。負荷部９ａの電流値（負荷電流値）が既知である場合は、電流計８１、８２のどちらか一方を配置するだけでもよい。

図１の制御部１０は、判定部１１、計算部１２、比較部１３、及び調整部１４を備える。判定部１１は、発電部７の駆動に必要な補器１００が正常に運転しているか否かを判定する。計算部１２は、例えば、図２の電流計８１及び電流計８２により測定された電流値に基づいて、カソード第１集電板７５ａ、カソード第２集電板７５ｂの電流密度を計算する。

比較部１３は、例えば、予め記憶装置２０に記憶された設定範囲を読み出して、計算部１２が計算したカソード第１集電板７５ａとカソード第２集電板７５ｂの電流密度の差を設定範囲と比較する。調整部１４は、比較結果に基づいて、燃料供給部３又は燃料送給部５を制御し、発電部７に供給するアルコールの供給量を調整する。記憶装置２０は、発電部７のアルコール濃度を所定の範囲に制御するための設定範囲、或いは、制御部１０による補器１００の制御に必要な各種設定条件等を記憶する。

次に、実施の形態に係る燃料電池システムの運転の流れを、図４のフローチャートを用いて説明する。まず、図４のステップＳ１において、図１の調整部１４が、燃料送給部５を制御し、図２に示す発電部７のアノード流路板７３ａのそれぞれに図１の混合タンク４から送給されるアルコール水溶液を並列に送給して発電部７を駆動させる。更に、図１の調整部１４が、空気送給部６を制御し、図２に示す発電部７のカソード流路板７３ｂのそれぞれに空気を並列に送給し、発電部７を駆動させる。

具体的には、例えば、図１の調整部１４が、図２のアノード流路板７３ａへのアルコール供給量として、アルコール利用率が２５％となるように燃料送給部５を調整し、カソード流路板７３ｂへの空気供給量として、酸素利用率が３０％となるように空気送給部６を調整する。「アルコール利用率」とは、発電部７全体に送給するアルコール量(mol/s)に対する発電部７における反応で用いられるアルコール量(mol/s)の割合を指し、理論空燃比（ストイキオメトリ）の逆数で表される。

発電部７の駆動により、発電部７のアノード流路板７３ａ内で生成した二酸化炭素等の生成物及び未反応のアルコール水溶液は、図１に示すラインＬ５を通って混合タンク４に送給される。そして、気液分離部４１において二酸化炭素等の気体が除去された後に、混合タンク４に収容される。一方、発電部７のカソード流路板７３ｂ内で生成した水分及び残った空気は、ラインＬ７を通って外部へ排出される。

図４のステップＳ２において、負荷部９が、発電部７から電気エネルギ（電流）を取り出す。この時、発電部７から取り出される負荷部９の電流値、及び図２の電流計８１、８２で検出されるカソード第１集電板７５ａ及びカソード第２集電板７５ｂの電流値が、制御部１０を介して記憶装置２０に記録される。

次に、ステップＳ３において、図１の制御部１０が、記憶装置２０に記憶された電流値を読み出して、発電部７に送給されるアルコール水溶液の燃料濃度が最適となるように補器１００を制御する。制御方法の詳細は、図５のフローチャートを用いて説明する。

図５のステップＳ３１において、図１の判定部１１が、発電部７が通常運転モードであるか否かを判定する。「通常運転モード」とは、システムが起動、終了といった過度的な状態になく、かつ、燃料供給部３、燃料送給部５、空気送給部６といった補器１００が正常に動作していることを意味する。通常運転モードでないと判定された場合には、負荷を正常に引き出すことができないため、制御を中止し、終了する。一方、通常運転モードであると判定された場合は、ステップＳ３２に進む。

ステップＳ３２において、図１の計算部１２が、図２のカソード第１集電板７５ａの電流密度I1（A/cm²）及びカソード第２集電板７５ｂの電流密度I2（A/cm²）を計算する。電流密度I1は、電流計８１が検出するカソード第１集電板７５ａの電流値を、カソード第１集電板７５ａとアノード第１集電板７４ａと、ＭＥＡ７３ｃとが重なる部分の面積で割ることにより計算できる。電流密度I2は、図２のカソード第２集電板７５ｂから取り出された電流値を、カソード第２集電板７５ｂとアノード第２集電板７４ｂとＭＥＡ７３ｃが重なる部分の面積で割ることにより計算できる。

なお、負荷部９ａ，９ｂが取り出す負荷電流値が既知の場合は、電流密度I2は、負荷電流値からカソード第１集電板７５ａの電流値を引いた値を、カソード第２集電板７５ｂとアノード第２集電板７４ｂとＭＥＡ７３ｃが重なる面積で割ることにより計算してもよい。電流密度I1、I2の値は、図１の記憶装置２０に記憶される。

図５のステップＳ３３において、図１の比較部１３が、記憶装置２０から電流密度I1、I2の値を読み出して、ＭＥＡ７３ｃの平均電流密度Itに対するカソード第１集電板７５ａとカソード第２集電板７５ｂの電流密度の差((I1-I2)/It)と、記憶装置２０に記憶された上限値とを比較する。ここで、「平均電流密度It」とは、図２のＭＥＡ７３ｃの全面から平均的に取り出すべき電流密度を指し、負荷部９の負荷電流値をＭＥＡ７３ｃの面積で割ることにより計算される。上限値を上回る場合は、ステップＳ３４に進み、図１の調整部１４が燃料供給部３を調節して、発電部７に供給するためのアルコール供給量を増加させる。上限値を上回らない場合は、ステップＳ３５へ進む。

ステップＳ３５において、比較部１３が、記憶装置２０から電流密度I1、I2の値を読み出して、平均電流密度Itに対するカソード第１集電板７５ａとカソード第２集電板７５ｂの電流密度の差((I1-I2)/It)と、記憶装置２０に記憶された下限値とを比較する。下限値を下回る場合は、ステップＳ３６に進み、図１の調整部１４が燃料供給部３を調節して、発電部７に供給するためのアルコール供給量を減少させる。下限値を上回る場合は、再びステップＳ３１へ戻り、引き続き制御を続ける。

図６に、発電部７における電子の移動の様子を模式的に示す。発電が開始されると、ＭＥＡ７３ｃアノード極で生成した電子（ｅ^-）が、負荷部９ｂ側から負荷部９ａ側へ移動する。１枚当たりのＭＥＡ７３ｃの面積を大型化すると共に発電部７全体の体積を小型化するためには、アノード流路板７３ａ、カソード流路板７３ｂ、ＭＥＡ７３ｃを、図６の水平方向に大きく、図６の垂直方向に小さく形成する必要がある。

アノード流路板７３ａ、カソード流路板７３ｂ及びＭＥＡ７３ｃは、いずれも水平方向抵抗Ｒｈ、垂直方向抵抗Ｒｖをもっている。一方で、アノード流路板７３ａ、カソード流路板７３ｂの材料として用いられるカーボン及びＭＥＡ７３ｃは、金属に比べて数倍高い抵抗をもつ。このため、例えば、アノード第１集電板７４ａとアノード第２集電板７４ｂとを一定距離離間させて絶縁することにより、水平方向抵抗Ｒｈ＞＞垂直方向抵抗Ｒｖとなる。よって、アノード第１集電板７４ａとカソード第１集電板７５ａとの間に挟まれたＭＥＡ７３ｃの上流領域で生成した電子は、アノード第１集電板７４ａへ流れる。一方、アノード第２集電板７４ｂとカソード第２集電板７５ｂとの間に挟まれたＭＥＡ７３ｃの下流領域で生成した電子は、アノード第２集電板７４ｂへ流れる。その結果、ＭＥＡ７３ｃの上流領域の電流密度と下流領域の電流密度の差を比較することにより、ＭＥＡ７３ｃの電極面内における出力密度が均一となるようにアルコール水溶液の濃度を好適な濃度に制御できる。

なお、図６に示す例においては、アノード第１集電板７４ａ、アノード第２集電板７４ｂ、カソード第１集電板７５ａ、及びカソード第２集電板７５ｂが、全て同じ形状であるため、それぞれの電流値を計測することにより、電流密度の差が比較可能である。

次に、アノード第１集電板７４ａとアノード第２集電板７４ｂとの配置間隔、又はカソード第１集電板７５ａとカソード第２集電板７５ｂの配置間隔について説明する。ＭＥＡ７３ｃのガス拡散層（図示省略）は、通常の金属に比べて高い抵抗値をもち、ＭＥＡ７３ｃの面内水平方向に非常に低い導電性を示す。カーボンを用いたアノード流路板７３ａ、カソード流路板７３ｂは、低い導電性をもつ。アノード第１集電板７４ａとアノード第２集電板７４ｂ、カソード第１集電板７５ａ及びカソード第２集電板７５ｂは、非常に導電性が高い。

よって、抵抗値は一般に、「ＭＥＡ７３ｃのガス拡散層＞アノード流路板７３ａ、カソード流路板７３ｂ＞アノード第１集電板７４ａ、アノード第２集電板７４ｂ、カソード第１集電板７５ａ、及びカソード第２集電板７５ｂ」の順となる。そのため、例えば、アノード第１集電板７４ａとアノード第２集電板７４ｂの間隔を充分に離すことにより、ＭＥＡ７３ｃの上流領域で生成される電流がアノード流路板７３ａの上流側領域を選択的に通過して、アノード第１集電板７４ａを流れることになる。

しかし、アノード第１集電板７４ａとアノード第２集電板７４ｂの間隔が広すぎると、集電効率（ＭＥＡ７３ｃの面積に対して集電板７４aおよび７４ｂが覆う割合）が落ちてしまう。逆にアノード第１集電板７４ａとアノード第２集電板７４ｂの間隔が非常に近い場合、ＭＥＡ７３ｃの上流領域の電流がアノード流路板７３ａの下流領域にも流れるため、アノード第２集電板７４ｂにも流れてしまうことにより、電流値の検出制度（ＭＥＡ７３ｃからの電流が、その領域直下に接する集電板７４ａと集電板７４ｂに理想的に流れた場合の電流差に対する実際に各々の集電板で検出される電流差の割合）が落ちてしまう。つまり、アノード流路板７３ａとカソード集電板７３ｂの間隔をパラメータとした場合、集電効率と電流検出制度の間にはトレードオフの関係が生じる。そこで、アノード流路板７３ａとカソード集電板７３ｂの厚さ、集電板７４ａと集電板７４ｂの間隔、そして集電板７４ａもしくは７４ｂがＭＥＡ７３ｃと接する幅の３つの値を変数として、集電効率と電流検出精度の両者を最大化するための条件を調べた。その結果、アノード流路板７３ａとカソード流路板７３ｂの厚さを共にＬｔ、集電板７４ａと集電板７４ｂの間隔をＬｇ、集電板７４ａもしくは７４ｂがＭＥＡ７３ｃと接する幅をともにＬｗとした場合、

８＜Ｌｗ／Ｌｇ／Ｌｔ＜９０

とした場合に集電効率かつ電流検出制度を９０％以上にできることが分かった。Ｌｗ／Ｌｇ／Ｌｔが８以下の場合は電流検出制度は向上するものの集電効率は低下し、逆にＬｗ／Ｌｇ／Ｌｔが９０よりも大きい場合には集電効率は向上するものの、電流検出精度は低下する。

次に、実施の形態に係る燃料電池システムを用いた発電制御に好適なアルコール濃度範囲の例を説明する。

図７は、発電部７に供給するアルコール濃度に対するカソード第１集電板７５ａ及びカソード第２集電板７５ｂに流れる電流密度（I1／It、I2／It）の関係を示したものである。各条件において全体の負荷電流値は一定である。負荷部９が所定の負荷電流値を発電部７に要求した時、１枚のＭＥＡ７３ｃの電極面から平均的に取り出すべき平均電流密度It（A/cm²）が求まる。

発電部７に供給するアルコール濃度が最適な濃度域よりも高い場合には、アノード流路板７３ａの上流領域では、燃料であるアルコール（図７ではメタノール）がアノード極側から電解質膜を通過してカソード極側へと移動するクロスオーバーの量が多くなるため、上流領域の出力密度が下がり、カソード第１集電板７５ａの電流密度（I1／It）が低くなる。一方、アノード流路板７３ａの領域では、上流領域でのアルコールのクロスオーバーによりアルコール濃度が薄くなるため、下流領域の電流密度が高くなり、カソード第２集電板７５ｂの電流密度（I2／It）も高くなる。

逆に、発電部７に供給するアルコール濃度が最適な濃度域よりも低い場合には、アノード流路板７３ａの下流領域で燃料不足が起こり、出力密度が下がる。そのため、カソード第２集電板７５ｂの電流密度（I2／It）が低くなり、カソード第１集電板７５ａの電流密度（I1／It）が相対的に高くなる。

以上の関係より、カソード第１集電板７５ａから取り出す電流密度I1が、カソード第２集電板７５ｂから取り出す電流密度I2より少ない場合（I1＜I2）には、発電部７に供給されるアルコール濃度が高いことを意味するため、図１の制御部１０は、発電部７に供給するアルコール濃度を低くするように制御すればよい。逆に、カソード第１集電板７５ａから取り出す電流密度I1が、カソード第２集電板７５ｂから取り出す電流密度I2より多い場合（I1＞I2）には、発電部７に供給されるアルコール濃度が低いことを意味するため、制御部１０は、発電部７に供給するアルコール濃度を高くするように制御すればよい。

図８に、平均電流密度Itに対するカソード第１集電板７５ａに流れる電流密度I1（A/cm²）及びカソード第２集電板７５ｂに流れる電流密度I2（A/cm²）の差分((I1-I2)/It)と、発電部７の発電効率との関係の一例を示す。「発電効率」とは、アルコールがもつエネルギ（Ｗ）に対して電気に変換可能なエネルギ（Ｗ）の割合を示す。図８の発電効率は、その値が最大となる場合を「１」として基準化している。各条件において平均電流密度It=（I1+I2）/2は一定である。図８より、電流密度I1と電流密度I2の差が±１０％の範囲にある時が、発電部７における効率が最も高いことが分かる。つまり、電流密度I1と電流密度I2の差が±１０％の範囲にある状態が、ＭＥＡ７３ｃの面内において均一に出力が得られる濃度状態であることを示す。

このように、カソード第１集電板７５ａとカソード第２集電板７５ｂに流れる電流密度I1、I2からアルコール濃度を推定し、ＭＥＡ７３ｃの面内においてアルコール濃度がより均一になるような条件を常に作り出すことができれば、ＭＥＡ７３ｃから高い出力を得るのに最適なアルコール濃度が経時的に変化した場合においても、特性に応じて高い出力が得られると同時に、面内を偏ることなく均一に反応を進めることができるため、局部的なＭＥＡ７３ｃの劣化を抑えることも可能となる。

なお、発電部７に供給する濃度に対するカソード第１集電板７５ａとカソード第２集電板７５ｂに流れる電流密度差割合(I1-I2)/Itは、発電部７に供給するアルコールの流量によっても変化する。図９は、供給濃度１．５Ｍとした場合のアルコール利用率とカソード第１集電板７５ａに対向する上流領域のアルコール平均濃度及びカソード第２集電板７５ｂに対向する下流領域のアルコール平均濃度との関係を示す。

図９は、良好な出力が得られる濃度域（約１．１Ｍ−１．４０Ｍ）を示している。図９に示すように、発電部７のアルコール利用率が１０％以下の場合、アルコール水溶液の供給流量が多くなるため、上流側と下流側の平均濃度の差がほとんどなくなる。このため、カソード第１集電板７５ａ及びカソード第２集電板７５ｂに流れる電流差が検知されにくくなる。また、アルコール水溶液の供給流量が多くなるため，燃料送給部５の負担が大きくなる。一方、アルコール利用率を４０％以上とした場合は、上流側と下流側での平均濃度差が大きくなるため、カソード第１集電板７５ａとカソード第２集電板７５ｂの電流差が顕著に現れやすくなる。良好な出力が得られる領域が約１．１−１．４Ｍなのに対し、上流側と下流側の平均濃度の差が０．３Ｍ以上になると、良好な出力が得られる濃度範囲は少なくなる。よって、図１の制御部１０は、発電部７におけるアルコール利用率を１０％以上、４０％以下となるように、アルコールの供給量を制御するのが望ましい。

（第１の変形例）
実施の形態の第１の変形例に係る燃料電池システムは、図１０に示すように、最上層の発電セル７３のアノード流路板７３ａ上において、アノード第１集電板７４ａとアノード第２集電板７４ｂとの間に、アノード第１集電板７４ａ及びアノード第２集電板７４ｂから離間するアノード第３集電板７４ｃが配置されている。最下層の発電セル７３のカソード流路板７３ｂの下において、カソード第１集電板７５ａとカソード第２集電板７５ｂとの間に、カソード第１集電板７５ａ及びカソード第２集電板７５ｂから離間し、アノード第３集電板７４ｃに対向するカソード第３集電板７５ｃが配置されている。また、ＭＥＡ７３ｃを挟み込む部材として、アノード・カソード流路板７３ｅが用いられている点が、図３に示す構成と異なる。アノード・カソード流路板７３ｅは、１枚の板にアルコール水溶液を流通させるためのアノード流路と空気を流通させるためのカソード流路とを有している。他は、図３に示す燃料電池システムと同様であるので、説明を省略する。

図１０に示す燃料電池システムによれば、ＭＥＡの面内の電流密度をより連続的に検出できるので、計測誤差を防ぐことができ、発電部７に供給すべきアルコール濃度をより高精度で制御できる。

（第２の変形例）
実施の形態の第２の変形例に係る燃料電池システムは、図１１に示すように、最下層の発電セル７３のカソード流路板７３ｂの上流側の流路から電流を取り出すカソード第１集電板７５ａと、カソード第１集電板７５ａから離間し、最下層の発電セル７３のカソード流路板７３ｂの下流側の流路から電流を取り出すカソード第２集電板７５ｂと、複数の発電セル７３を介してカソード第１集電板７５ａ及びカソード第２集電板７５ｂに対向し、最上層の発電セル７３ｂのアノード流路板７３ａから電流を取り出すアノード集電板７４を備える点が、図２に示す燃料電池システムと異なる。カソード第１集電板７５ａ及びカソード第２集電板７５ｂは、負荷部９ｂに並列に接続されている。アノード集電板７４は、負荷部９ａに直列に接続されている。

図１１に示す燃料電池システムによれば、集電板の個数を減少させることにより、システムの簡略化・小型化を図ることが可能となる。なお、発電セルの上流領域と下流領域の電流密度の差を検出するためには、発電セル７３を挟み込む２枚の集電板のうちのいずれかを上流領域と下流領域で分割すればよいため、図１２に示すように、第２締付板７１ｂに対向する最下層の発電セル７３のカソード流路板７３ｂ側の集電板（カソード集電板７５）を１枚にすることも可能であることは勿論である。

（第３の変形例）
実施の形態の第３の変形例に係る燃料電池システムは、図１３に示すように、ＭＥＡ７３ｃに対向するアノード上流流路板７７ａ、ＭＥＡ７３ｃを介してアノード上流流路板７７ａに対向するカソード上流流路板７７ｂ、アノード上流流路板７７ａから絶縁され、ＭＥＡ７３ｃに対向するアノード下流流路板７７ｅ、ＭＥＡ７３ｃを介してアノード下流流路板７７ｅに対向し、カソード上流流路板７７ｂから絶縁されたカソード下流流路板７７ｆとを有する。最上層の発電セル７３のアノード上流流路板７７ａ及びアノード上流流路板７７ａは、負荷部９ａに並列に接続されている。最下層の発電セル７３のカソード上流流路板７７ｂ及びカソード下流流路板７７ｆは、負荷部９ｂに並列に接続されている。アノード上流流路板７７ａ、カソード上流流路板７７ｂ、アノード下流流路板７７ｅ、カソード下流流路板７７ｆとしては、セラミック製の流路板を用いることができる。

図１３に示す燃料電池システムによれば、流路板と集電板を共通させることにより、システムの簡略化及び小型化を図ることができる。また、アノード上流流路板７７ａとアノード下流流路板７７ｅを完全に絶縁することが可能となるため、アノード上流流路板７７ａに対向する領域のＭＥＡ７３ｃで生成した電流がアノード下流流路板７７ｅに対向する領域側に流れてしまうような問題を防ぐことが可能であり、集電効率を上げることが可能となる。

（第４の変形例）
実施の形態の第４の変形例に係る燃料電池システムは、図１４に示すように、ＭＥＡ７３ｃ、ＭＥＡ７３ｃに対向するアノード流路板７８ａ、ＭＥＡ７３ｃを介してアノード流路板７８ａに対向するカソード集電板７５、アノード流路板７８ａを介してカソード集電板７５に対向し、アノード流路板７８ａの上流側の流路から電流を取り出すアノード第１集電板７４ａと、アノード第１集電板７４ａから離間し、アノード流路板７８ａの下流側の流路から電流を取り出すアノード第２集電板７４ｂを備える。カソード集電板７５は、空気を取り込むための複数の孔７９が設けられている。カソード集電板７５は、負荷部９ｂに直列に接続されている。アノード第１集電板７４ａ及びアノード第２集電板７４ｂは、負荷部９ａに並列に接続されている。図１４に示す燃料電池システムによれば、流路板と集電板を共通させることにより、システムの簡略化及び小型化を図ることができる。

なお、図１５に示すように、３個の発電セル７８を並列に配置することにより、図１４の燃料電池システムに比べて大出力を得ることもできる。この場合、各発電セル７８のアノード第１集電板７４ａがアノード第１集電ラインＬｘを介して負荷部９ａにそれぞれ並列に接続される。各発電セル７３のアノード第２集電板７４ｂが、アノード第２集電ラインＬｙを介して負荷部９ａにそれぞれ並列に接続される。各発電セル７８のカソード集電ラインは、負荷部９ｂにそれぞれ並列に接続される。電流密度の測定は、それぞれのラインに流れる電流を電流計８１等により検知することで、発電セル７８内部の濃度状態を把握することが可能となる。なお、集電ライン内及びそれぞれの接点で大きな抵抗が生ずると、流れる電流が変化する場合があるため、集電ラインは抵抗を極力低減させる材料等を選択するのが望ましい。

（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、図２、図３、図６、図１０〜図１３に示す燃料電池システムは、複数の発電セル７３を備えているが、発電セル７３の個数は特に限定されず、例えば、図１６に示すように、発電セル７３を１つで構成することにより小型化を図ることができる。本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を例示するブロック図である。 本発明の実施の形態に係る発電部の詳細構造を例示する断面図である。 本発明の実施の形態に係る発電部を例示する斜視図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの運転フローを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る燃料濃度の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る発電部における電子の移動を模式的に示す説明図である。 発電部に供給するアルコール濃度と発電部の上流領域と下流領域の電流密度（I1／It、I2／It）との関係を例示するグラフである。 図２のカソード第１集電板の電流密度I1及びカソード第２集電板の電流密度I2の差分と、発電部の発電効率との関係を例示するグラフである。 発電部に供給するアルコール水溶液の供給濃度１．５Ｍとした場合のアルコール利用率と発電部の上流領域及び下流領域の平均濃度の関係を例示するグラフである。 第１変形例に係る燃料電池システム（発電部）を例示する斜視図である。 第２変形例に係る燃料電池システム（発電部）を例示する断面図である。 第２変形例に係る燃料電池システム（発電部）を例示する断面図である。 第３変形例に係る燃料電池システム（発電部）を例示する断面図である。 第４変形例に係る燃料電池システム（発電部）を例示する断面図である。 第５変形例に係る燃料電池システム（発電部）を例示する断面図である。 その他の実施の形態に係る燃料電池システム（発電部）を例示する断面図である。

符号の説明

２…燃料タンク
３…燃料供給部
４…混合タンク
５…燃料送給部
６…空気送給部
７…発電部
８…検出部
９，９ａ，９ｂ…負荷部
１０…制御部
１１…判定部
１２…計算部
１３…比較部
１４…調整部
２０…記憶装置
４１…気液分離部
７１…締付板
７２…絶縁シート
７３…発電セル
７３ａ…アノード流路板（第１流路板）
７３ｂ…カソード流路板（第２流路板）
７３ｃ…ＭＥＡ
７３ｄ…ガスケット
７３ｅ…アノード・カソード流路板
７４…アノード集電板
７４ａ…アノード第１集電板（第１集電板）
７４ｂ…アノード第２集電板（第２集電板）
７５…カソード集電板（第３集電板）
７７ａ…アノード上流流路板
７７ｂ…カソード上流流路板
７７ｅ…アノード下流流路板
７７ｆ…カソード下流流路板
７８…発電セル
７８ａ…アノード流路板
８１，８２…電流計
１００…補器

Claims (12)

1. 膜電極複合体、前記膜電極複合体を介して互いに対向する第１流路板及び第２流路板を含む複数の発電セルと、
   前記複数の発電セルの最も陰極側の発電セルの第１流路板の上流領域から電流を取り出す第１集電板と、
   前記第１集電板から離間し、前記最も陰極側の発電セルの第１流路板の下流領域から電流を取り出す第２集電板と、
   前記複数の発電セルを介して第１集電板に対向し、前記複数の発電セルの最も陽極側の発電セルの第２流路板の上流領域から電流を取り出す第３集電板と、
   前記複数の発電セルを介して第２集電板に対向し、前記最も陽極側の発電セルの第２流路板の下流領域から電流を取り出す第４集電板と、
   前記第１集電板及び前記第２集電板の電流密度の差に基づいて、前記複数の発電セルに供給するアルコールの供給量を制御する制御部
   とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 膜電極複合体、前記膜電極複合体を介して互いに対向する第１流路板及び第２流路板を含む複数の発電セルと、
   前記複数の発電セルの最も陰極側の発電セルの第１流路板の上流領域から電流を取り出す第１集電板と、
   前記第１集電板から離間し、前記最も陰極側の発電セルの第１流路板の下流領域から電流を取り出す第２集電板と、
   前記複数の発電セルを介して前記第１集電板及び第２集電板に対向し、前記複数の発電セルの最も陽極側の発電セルの第２流路板から電流を取り出す第３集電板と、
   前記第１集電板及び前記第２集電板の電流密度の差に基づいて、前記複数の発電セルに供給するアルコールの供給量を制御する制御部
   とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記第１集電板と前記第２集電板との間に、前記第１集電板及び前記第２集電板から離間し、前記第３集電板に対向する第４集電板が配置されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部が、前記第１集電板の電流密度が前記第２集電板の電流密度より低い場合に前記アルコールの供給量を減少又は停止させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部が、第１集電板の電流密度が前記第２集電板の電流密度より高い場合に前記アルコールの供給量を増加させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部が、前記膜電極複合体の平均電流密度に対する前記電流密度の差の割合が１０％以上である場合に前記アルコールの供給量を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御部が、前記発電セルにおけるアルコール利用率が１０％以上４０％以下となるように、前記発電セルに供給するアルコールの供給量を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記第１集電板及び前記第２集電板の少なくともいずれかの電流値を検出する検出部を更に含み、
   前記制御部が、
   前記電流値と前記第１集電板及び前記第２集電板及び前記膜電極複合体とが重なる部分の面積とに基づいて、前記第１集電板及び前記第２集電板の電流密度を計算する計算部と、
   前記膜電極複合体の平均電流密度に対する前記第１集電板及び前記第２集電板の電流密度の差の割合が規定範囲内であるか否かを比較する比較部と、
   前記比較の結果に基づいて、前記アルコールの供給量を調整する調整部
   とを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の燃料電池システム。
9. 前記発電セルが通常運転モードであるか否かを判定する判定部を更に備え、前記計算部が、判定結果に基づいて前記電流密度を計算することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記第１集電板と前記第２集電板との間隔をＬｇ、前記第１流路板及び第２流路板の厚さをＬｔ、前記第１集電板もしくは前記第２集電板がそれぞれ前記膜電極複合体と重なる長さをＬｗとした場合、８＜Ｌｗ／Ｌｇ／Ｌｔ＜９０となるように前記第１集電板と前記第２集電板との間隔を開けることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の燃料電池システム。
11. 膜電極複合体、前記膜電極複合体に対向する第１上流流路板、前記膜電極複合体を介して前記第１上流流路板に対向する第２上流流路板、前記第１上流流路板の下流側において前記第１上流流路板から絶縁され、前記膜電極複合体に対向する第１下流流路板、前記膜電極複合体を介して前記第１下流流路板に対向し、前記第２上流流路板の下流側において前記第２上流流路板から絶縁された第２下流流路板を含む複数の発電セルと、
    第１上流流路板及び前記第１下流流路板から検出される電流密度の差に基づいて、前記複数の発電セルに供給するアルコールの供給量を制御する制御部
    とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
12. 膜電極複合体と、
    前記膜電極複合体に対向し、前記アルコールを流通させる流路板と、
    複数の孔を有し、前記膜電極複合体を介して前記流路板に対向する第１集電板と、
    前記流路板を介して前記第１集電板に対向し、前記流路板の上流領域から電流を取り出す第２集電板と、
    前記第２集電板から離間し、前記流路板の下流領域から電流を取り出す第３集電板と、
    前記第２集電板及び前記第３集電板の電流密度の差に基づいて、前記流路板に供給するアルコールの供給量を制御する制御部
    とを備えることを特徴とする燃料電池システム。

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