JP2008117536A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】スタックの異常をより精度良く検出することの可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】各スタック２２に設けられた温度センサ６５ａ、６５ｂにより、温度を測定する。測定された温度の最大値Ｔｍａｘと最小値Ｔｍｉｎとの温度を比較し、測定された温度の最大値Ｔｍａｘと最小値Ｔｍｉｎとの差が、既定値よりも小さい時は、燃料電池１が正常に運転されていると判断され、運転が継続される。一方、測定された温度の最大値Ｔｍａｘと最小値Ｔｍｉｎとの差が、既定値よりも大きい時は、燃料電池１が正常に運転されておらず、異常が生じていると判断する。各スタック２２の最大温度と最小温度を測定し、測定された温度差が既定値以上となった時は、燃料電池１に異常があると判断して燃料電池１の運転を停止することで、燃料電池１の損傷を防止する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に関し、特にスタックの温度に応じた運転制御方法に関する。

現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易である。ＤＭＦＣは発電の際に排出される未使用燃料を再度発電のために使用することができるため、小型で長時間運転が求められる電子機器の電源として適している。

燃料電池の発電効率を上げるためには、燃料電池の運転温度を適切な温度範囲に制御する必要がある。燃料電池の運転温度が高い場合は、熱により燃料電池が損傷する恐れがあり、また運転温度が低いと発電効率が低下する恐れがある。そのため、燃料電池には、運転中に適切な温度に保つために、燃料電池の冷却を行うための冷却装置や冷却機構が設けられている。

燃料電池に設けられた冷却機構の異常を検出する技術として、例えば特許文献１に記載されたものが挙げられる。燃料電池スタックに流入する冷媒温度と燃料電池スタックから排出される冷媒温度との温度差を測定し、その温度差が所定値よりも大きいか否かを判定することにより、燃料電池システムの異常を検出することができる。
特開２００３−１０９６３７号公報

しかし、上記の方式の場合、冷媒温度を測定する温度センサが故障しているのか、燃料電池スタック自体が故障しているのか区別するのが困難であるという問題がある。

そこで本発明の目的は、スタックの異常をより精度良く検出することの可能な燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池は、発電により生じた電力を電子機器に供給する電力供給部を有する燃料電池において、液体燃料を収容する燃料タンクと、アノードとカソードを有し、前記液体燃料と酸素を化学反応させて発電を行う第１のスタックおよび第２のスタックと、前記燃料タンクから前記第１のスタックおよび第２のスタックに液体燃料を供給する燃料供給部と、前記第１のスタックに設けられる第１の温度センサと、前記第２のスタックに設けられる第２の温度センサと、前記第１の温度センサにより測定される温度と前記第２の温度センサにより測定される温度とを比較した結果に基づいて、前記第１のスタックおよび第２のスタックへの燃料供給を制御する制御部と、を備え、前記第１の温度センサにより測定される温度と前記第２の温度センサにより測定される温度との差が既定値以上となった時、前記燃料供給を停止することを特徴とする。

本発明によれば、スタックの異常をより精度良く検出することの可能な燃料電池を提供することができる。

以下本発明に係る実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図である。図２は燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図である。

燃料電池１は例えばノート型コンピュータ１０の外部電源として用いられる。この燃料電池１はダイレクトメタノール方式の燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。メタノールと水を混合した予混合液を燃料とし、この予混合液を空気中の酸素と電解質膜で化学反応させることによって発電させる。このＤＭＦＣは、水素を燃料に用いる燃料電池よりも取り扱いが容易で、装置全体を小型にまとめることができる。

燃料電池１は、略直方体に形成された本体１１と、本体１１の底に沿って平坦に延出した載置部１２とを有している。本体１１の壁部には多数の通気孔１１ａが形成されている。本体１１の内部には後述する発電部が納められている。本体１１の一部は、カバー１１ｂとして取り外せるように形成されている。本体１１のカバー１１ｂを取り外した部分には後述する燃料タンクが入れられている。

載置部１２は、ノート型コンピュータ１０の後部とドッキングできるように形成されている。載置部１２の内部には、後述する制御部が設けられている。制御部は発電部の動作を制御する。載置部１２の上面には、ノート型コンピュータ１０を連結するロック機構１３と、燃料電池１から電力をノート型コンピュータ１０に供給するためのコネクタ１４とが設けられている。ロック機構１３は、載置部１２上の３箇所に配置されており、それぞれ位置決め突起１３ａとフック１３ｂとを備える。ノート型コンピュータ１０の後部底面には、ロック機構１３に連結される係合孔、およびコネクタ１４に接続されるソケットが設けられている。

ノート型コンピュータ１０が載置部１２に押し当てられると、ロック機構１３がノート型コンピュータ１０の係合孔に挿入される。フック１３ｂによって載置部１２にノート型コンピュータ１０が保持される。その結果、ノート型コンピュータ１０のソケットがコネクタ１４と電気的に接続される。この状態で、本体１１に設けられたスイッチがオンにされると、燃料電池１は、発電を開始する。

載置部１２は、さらにイジェクトボタン１５を備える。このイジェクトボタン１５を押すと、ロック機構１３のフック１３２が解除され、ノート型コンピュータ１０を燃料電池１から取り外すことができるようになる。

図３は本発明の実施形態に係る燃料電池の発電システムの系統図である。

燃料電池１は、発電部２０と、燃料電池１の動作を制御する制御部２１とを備えている。制御部２１は発電部２０の制御を行う他、ノート型コンピュータ１０との通信を行う通信制御部としての機能を有する。発電部２０は本体１１内に設けられており、制御部２１は載置部１２内に設けられている。

発電部２０は、発電を行うための中心となるスタック２２を有する他、燃料となるメタノールを収納する燃料カートリッジ２３を備えている。スタック２２は、化学反応によって発電を行う発電部として機能する。燃料カートリッジ２３には高濃度のメタノールが封入されている。燃料カートリッジ２３は、燃料を消費した時には容易に交換できるよう、着脱可能となっている。

発電部２０は燃料、その他の流体を流す液体流路と、空気、その他の気体を流す気体流路と、を備えている。液体流路には、燃料カートリッジ２３の出力部に配管接続された燃料ポンプ２４、燃料ポンプ２４の出力部に配管を介して接続された混合タンク２５、混合タンク２５の出力部に接続された送液ポンプ２６が設けられる。送液ポンプ２６の出力部は配管９１を介してスタック２２のアノード（燃料極）２７に接続される。配管９１は、混合タンク２５からスタック２２にメタノール水溶液を送出するための流路を規定している。例えば必要とされる発電出力に応じてスタック２２の数を選択することができる。本実施形態では、スタック２２が３つの場合を例に説明する。３つのスタック２２を区別して説明する必要がある時は、それぞれスタック２２ａ、２２ｂ、２２ｃと表記し、区別する必要のない時は単にスタック２２と表記する。スタック２２ａ、２２ｂ、２２ｃにそれぞれ設けられるアノード２７、カソード５３、冷却ファン３０、温度センサ６５についても区別して説明する必要がある時は、アノード２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、カソード５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、冷却ファン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、温度センサ６５ａ、６５ｂ、６５ｃと表記する。区別する必要がない時は、単にアノード２７、カソード５３、温度センサ６５と表記して説明する。

混合タンク２５には気液分離膜２５ａが設けられる。発電反応に伴って生成され、混合タンク２５へ還流した二酸化炭素は、混合タンク２５内で気化する。気化した二酸化炭素は気液分離膜２５ａを通過して、配管９４ａを介して湿った空気とともに最終的には排気口５８から外部へ排気される。気液分離膜２５ａを通して空気中に飛沫したメタノール及び空気は、排気フィルタ６０を通過することで回収除去される。

送液ポンプ２６とスタック２２との間で、配管９１にはイオンフィルタ２８が設けられている。混合タンク２５の出力部は、送液ポンプ２６、イオンフィルタ２８を介してアノード（燃料極）２７に接続されている。イオンフィルタ２８は例えば金属イオン吸着物質を用いて実現され、配管９１を介して混合タンク２５からスタック２２に向けて送出されるメタノール水溶液中に含まれる金属イオンを吸着することにより、メタノール水溶液から金属イオンを除去する。

アノード２７の出力部は配管９２を介して混合タンク２５の入力部に接続されている。配管９２は、スタック２２のアノード２７から排出される排出流体、つまり化学反応で用いられなかった未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素、を混合タンク２５に戻す流路を規定している。スタック２２の近傍には冷却ファン３０が取り付けられ、発電反応等でスタック２２の温度が上昇した際に、規定の温度範囲に冷却するために用いられる。上述した燃料カートリッジ２３、燃料ポンプ２４、混合タンク２５、送液ポンプ２６は、スタック２２に燃料を供給する燃料供給部を構成している。

一方、気体流路には、吸気口５０、送気ポンプ５１が設けられる。送気バルブ５２が配置された配管９３を介して、送気ポンプ５１がスタック２２のカソード（空気極）５３に接続される。配管９４ａ、９４ｂを介して、凝縮器５４がカソード５３の出力部に接続される。また、混合タンク２５の出力部は、配管９４ａを介して凝縮器５４に接続されている。凝縮器５４は配管９６を介して排気口５８に接続される。凝縮器５４と排気口５８との間には排気フィルタ６０が設けられる。

凝縮器５４は、カソード５３の出力部から排出される排出流体（水蒸気、水）を冷却するカソード冷却部として機能する。凝縮器５４には図示しないフィンが備えられ、水蒸気を効果的に凝縮する。凝縮器５４に対向して冷却ファン５５が配設されている。凝縮器５４による冷却により、水蒸気は凝固され、またカソード５３の出力部から排出される水の温度も低下される。これにより、水回収タンク５６から配管９５を介して流れる水の温度は４５℃〜５０℃程度となる。

後に詳述するように、発電反応に伴って発電部２０のアノード２７側には二酸化炭素が生成され、カソード５３側には水（水蒸気）が生成される。アノード２７側で生じた二酸化炭素および化学反応に供されなかったメタノール溶液は配管９２を通り、図示しないファンやフィンにより冷却された後、混合タンク２５に還流する。

混合タンク２５に還流した二酸化炭素は、混合タンク２５内で気化する。気化した二酸化炭素は気液分離膜２５ａを通過して、混合タンク２５から配管９４ａを通って、湿り空気とともに排気フィルタ６０に通される。二酸化炭素と湿り空気は、最終的には排気口５８から外部へ排気される。気液分離膜２５ａを通して空気中に飛沫したメタノール及び空気は、排気フィルタ６０を通過することで回収除去される。

次に、燃料電池１における発電部２０の発電メカニズムについて、燃料と空気（酸素）の流れに沿って説明する。燃料カートリッジ２３内の高濃度メタノールは、燃料ポンプ２４によって、混合タンク２５に供給される。混合タンク２５の内部で高濃度メタノールは、回収された水やアノード２７からの低濃度メタノール（発電反応の残余分）等と混合されて希釈され、低濃度メタノール水溶液が生成される。低濃度メタノール水溶液の濃度は発電効率の高い濃度、例えば３〜６％、を保てるように制御される。この濃度制御は、例えば、濃度センサ６２の検出結果を基に燃料電池１の制御部２１が、燃料ポンプ２４によって混合タンク２５に供給される高濃度メタノールの量を制御することによって実現される。または、混合タンク２５に環流する水の量を水回収ポンプ６３等で制御することによって実現できる。

混合タンク２５には、混合タンク２５内のメタノール水溶液の液量を検出する液量センサ６４や、温度を検出する温度センサ６５が設けられ、これらセンサの検出結果は制御部２１に送られて発電部２０の制御などに使用される。

混合タンク２５で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ２６によって、配管９１を介して各スタック２２へ圧送され、各スタック２２内のアノード２７に注入される。送液ポンプ２６からのメタノール水溶液はイオンフィルタ２８によって金属イオンが除去された後に、スタック２２のアノード２７に送られる。アノード２７では、メタノールの酸化反応が行われることで電子が発生する。酸化反応で生成される水素イオン（Ｈ+）はスタック２２内に設けられる図示しない固体高分子電解質膜を透過してカソード５３に達する。

アノード２７で行われる酸化反応によって生成される二酸化炭素は、反応に供されなかったメタノール水溶液とともに再び混合タンク２５に環流する。この場合、アノード２７から排出されるメタノール水溶液は冷却ファン３０によって冷却され、混合タンク２５に送られる。二酸化炭素は混合タンク２５内で気化し、凝縮器５４へ向かい、最終的には排気バルブ５７を介して、排気口５８から外部へ排気される。

空気（酸素）は、空気供給部を構成する送気ポンプ５１により、吸気口５０から取り込まれ、加圧された後、送気バルブ５２から配管９３を介しスタック２２のカソード（空気極）５３に供給される。カソード５３では、酸素（Ｏ2）の還元反応が進行し、外部の負荷からの電子（ｅ-）と、アノード２７からの水素イオン（Ｈ+）と酸素（Ｏ2）とから水（Ｈ2Ｏ）が水蒸気として生成される。この水蒸気はカソード５３から排出され、凝縮器５４に入る。凝縮器５４では、冷却ファン５５によって水蒸気が冷却されて水（液体）となり、水回収タンク５６内に一時的に蓄積される。この回収された水は水回収ポンプ６３によって混合タンク２５へと環流し、高濃度メタノールを希釈する循環システムが構成される。

アノード２７から配管９２を介して混合タンク２５に還流した二酸化炭素は、混合タンク２５内で気化する。気化した二酸化炭素は気液分離膜２５ａを通過して、混合タンク２５から配管９４ａを通る。混合タンク２５からの配管９４ａはカソード５３からの配管と合流される。カソード反応で生じた湿り空気は配管９４ａを通って凝縮器５４に通される。配管９４ａを通る気体は、カソード反応で生じた湿り空気と、気液分離膜２５ａを通過した二酸化炭素と、を含むため高温多湿になっている。また、凝縮器５４で凝縮されずに残る湿り空気は、配管９６に導入される。スタック２２から排出する気体に含まれるメタノール成分を清浄化し、無害化し、放出しなくてはならないため、排気フィルタ６０をスタック２２より下流側に設けている。排気フィルタ６０で無害化された気体は排気口５８から燃料電池１の外に放出される。

上述のように、送液ポンプ２６および送気ポンプ５１によりスタック２２には、発電に必要なメタノール水溶液および空気が供給される。発電により生じた熱はスタック２２に取り付けられた冷却ファン３０により冷却される。各スタック２２には温度センサ６５が取り付けられており、これによりスタック２２の温度を測定している。スタック２２の発電状況や温度により各ポンプや冷却ファン３０の駆動制御を行っている。

本実施形態では、スタック２２ａ、２２ｂ、２２ｃにそれぞれ設けられた温度センサ６５ａ、６５ｂ、６５ｃから各スタック２２の温度を測定し、測定された温度の最大値と最小値を比較することにより燃料電池１が正常に運転されているかどうか判断する。

図３に示すように、同型のスタック２２を並列に配置し、各スタック２２への燃料・空気の供給状態を等しくした場合、各スタック２２の発電による発熱量はほぼ等しくなり、その結果各スタック２２の同一箇所の温度もほぼ等しくなる性質を利用している。したがって、各スタック２２の形状はほぼ同一であることが望ましく、また温度センサ６５を取り付ける温度測定箇所は各スタック２２の対応するほぼ同一の箇所であることが望ましい。また、温度測定箇所は、温度測定値が外気の影響を受けないよう、スタック２２の内部に設けることが望ましい。スタック２２の表面に設ける場合は断熱材等により温度センサ６５が外気から遮断されていることが望ましい。

図４は本発明の実施形態に係る燃料電池の運転を示すフローチャートである。各スタック２２に設けられた温度センサ６５により、各スタック２２の温度を測定する（ステップ１）。測定された温度の中から最大値Ｔｍａｘと最小値Ｔｍｉｎを選択する（ステップ２）。測定された温度の最大値Ｔｍａｘと最小値Ｔｍｉｎとの温度を比較し、温度差が既定値以上であるかどうかを判定する（ステップ３）。測定された温度の最大値Ｔｍａｘと最小値Ｔｍｉｎとの差が、既定値よりも小さい時は（ステップ３のＮｏ）、燃料電池１が正常に運転されていると判断され（ステップ４）、運転が継続される。一方、測定された温度の最大値Ｔｍａｘと最小値Ｔｍｉｎとの差が、既定値よりも大きい時は（ステップ３のＹｅｓ）、燃料電池１が正常に運転されておらず、異常が生じていると判断する（ステップ５）。燃料電池１に異常があると判断されると燃料電池１の運転が停止される。燃料電池１に異常があると判断すると、発電部２０内のポンプやファンの駆動を停止するとともに、配管上に設けられたバルブを閉じて燃料が循環しないようにする。また、燃料電池１とノート型コンピュータ１０との電気的接続を切断し、ノート型コンピュータへの電力供給も停止する。

ここで、燃料電池１が正常かどうかを判断する際の既定値は、スタック２２に許容される温度の上限値と下限値の差により決定される。例えば、スタック２２が正常に機能する温度の上限値が７０℃であり下限値が５０℃であった場合、既定値は２０℃以下に設定する。

各スタック２２の最大温度と最小温度を測定し、測定された温度差が既定値以上となった時は、燃料電池１に異常があると判断して燃料電池１の運転を停止することで、燃料電池１の損傷を防止することができる。

図５は本発明の実施形態に係る燃料電池の運転の際の温度変化の一例を示す図である。スタック２２を３つ搭載した燃料電池１のスタック２２の温度が２０℃の状態から起動し、６０℃を目標に温度上昇させた場合を想定したスタック２２の温度変化を表した図である。スタック２２の温度が上昇するにしたがって、３つのスタック２２ａ、２２ｂ、２２ｃの間で温度差が生じ、特にスタック２２ｃの温度が他の２つと比べて低い状態である場合を表している。このような場合、スタック２２ｃの温度が低い原因は、スタック２２ｃの性能低下による発熱不足、または温度を監視している温度センサ６５ｃの故障等が考えられる。スタック２２ｃの温度は、初期状態である２０℃と目標値６０℃の間の温度であるため、スタック２２ｃの温度だけを参照してスタック２２ｃが異常かどうかを判断することは難しい。

そこで、本実施形態では他のスタック２２ａ、２２ｂとの温度差を見ることで、スタック２２ｃの異常を検知することが可能である。仮に、スタック２２が異常であると判断する基準値を１０℃とした場合、Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ≧１０℃となる点で、燃料電池１の異常を検知し運転停止することが出来る。

本発明を実施した場合、各スタックの温度を個別に監視しているだけでは検知できない異常を検知することが可能である。スタックの異常をより精度良く検出することで燃料電池の安全性を向上させることができる。

本発明ではその主旨を逸脱しない範囲であれば、上記の実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。

本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図。 本発明に係る燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図。 本発明の実施形態に係る燃料電池の発電システムの系統図。 本発明の実施形態に係る燃料電池の運転を示すフローチャート。 本発明の実施形態に係る燃料電池の運転の際の温度変化の一例を示す図。

符号の説明

１…燃料電池、１０…ノート型コンピュータ、１１…本体、１１ａ…通気孔、１１ｂ…カバー、１２…載置部、２０…発電部、２１…制御部、２２…スタック、２３…燃料カートリッジ、２４…燃料ポンプ、２５…混合タンク、２５ａ…気液分離膜、２７…アノード、２８…イオンフィルタ、３０…冷却ファン、５０…吸気口、５１…送気ポンプ、５３…カソード、６５…温度センサ

Claims (6)

1. 発電により生じた電力を電子機器に供給する電力供給部を有する燃料電池において、
   液体燃料を収容する燃料タンクと、
   アノードとカソードを有し、前記液体燃料と酸素を化学反応させて発電を行う第１のスタックおよび第２のスタックと、
   前記燃料タンクから前記第１のスタックおよび第２のスタックに液体燃料を供給する燃料供給部と、
   前記第１のスタックに設けられる第１の温度センサと、
   前記第２のスタックに設けられる第２の温度センサと、
   前記第１の温度センサにより測定される温度と前記第２の温度センサにより測定される温度とを比較した結果に基づいて、前記第１のスタックおよび第２のスタックへの燃料供給を制御する制御部と、を備え、
   前記第１の温度センサにより測定される温度と前記第２の温度センサにより測定される温度との差が既定値以上となった時、前記燃料供給を停止することを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１の温度センサにより測定される温度と前記第２の温度センサにより測定される温度との差が既定値以上となった時、前記電力供給部による電力供給を停止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記既定値は、前記スタックに許容される温度の上限値と下限値との温度差よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
4. 前記第１のスタックおよび第２のスタックを冷却するファンが設けられ、前記第１の温度センサにより測定される温度と前記第２の温度センサにより測定される温度とを比較した結果に基づいて前記冷却ファンの駆動を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
5. 前記第１のスタックと前記第２のスタックとはほぼ同一の形状を有し、前記第１の温度センサと前記第２の温度センサとは、それぞれのスタックのほぼ同一箇所に設置されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
6. 前記第１のスタックおよび前記第２のスタックには、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサをそれぞれ覆う断熱材を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。

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