JP2008210662A

JP2008210662A - 直接型燃料電池システムとその制御方法

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Publication number: JP2008210662A
Application number: JP2007046672A
Authority: JP
Inventors: Satoru Nakamura; 知中村; Yoshihiro Yamamoto; 好浩山本
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: JP5348600B2

Abstract

【課題】意図しない水素発生を抑止することができる直接型燃料電池システムとその制御方法を提供する。
【解決手段】固体高分子電解質膜を電解質とする直接型燃料電池（１１）と、直接型燃料電池（１１）に有機物あるいは有機物溶液を供給する燃料供給手段（５２）と、直接型燃料電池（１１）に酸化剤を供給する酸化剤供給手段（５１）と、を備えた直接型燃料電池システムの制御方法において、直接型燃料電池（１１）が開路状態である場合に、リレー（５７）等による直接型燃料電池（１１）の電極間の短絡、カソードへの酸化剤供給及びカソードからの未反応酸化剤排出の停止、アノードからの燃料の排出、の内のひとつ以上の操作を行うことを特徴とする。又は、さらに直接型燃料電池（１１）の単位電池の電圧を計測する電圧計測手段を備えた直接型燃料電池システムの制御方法において、計測された単位電池の開路電圧が８００ｍＶ以下となった場合に、上記の操作を行うことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、有機物あるいは有機物溶液を直接アノードに供給して発電を行うことができる直接型燃料電池システム及びその制御方法に関する。

近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策のひとつとして燃料電池の開発が活発に行われている。特にアルコールなどの有機物を燃料に用いて改質・ガス化を行う事なく直接発電に利用する事ができる直接型燃料電池は、構造がシンプルで小型化・軽量化が容易であり、分散型電源、可搬型電源、コンピューター用、ポータブル電子機器用、携帯電話用等のコンシューマ電源として有望である。

これらの直接型燃料電池には、電解質膜の両側にカソード極およびアノード極を接合した膜電極接合体（ＭＥＡ）をカソード極セパレータおよびアノード極セパレータで挟持した単電池セルを多数積層して構成した物や、複数のＭＥＡを平面上に並べ、各ＭＥＡを電気的に接続した物などが開発されている。特に、複数のＭＥＡを平面上に並べた後者の形態は、ラップトップ型コンピュータなどのポータブル電子機器や携帯電話の電源として有望視されている。

直接型燃料電池ではアノード側に有機物溶液を供給すると、電池反応によって炭酸ガスが発生し、燃料排気側では廃燃料と炭酸ガスが排出される。一方、カソード側では酸化剤として空気を供給すると、電池反応により水が発生し、空気出口から排出される。

このような直接型燃料電池の中にも、カソードへの空気供給やアノードへの燃料供給にポンプ等の動力装置を用いるアクティブ型と、動力装置を用いないパッシブ型の直接メタノール型燃料電池が検討されてきた。

このようなパッシブ型の燃料電池は、アクティブ型の燃料電池と比較して、出力が取りにくいといった短所がある反面、ポンプ駆動のための電力が不要であり電池の発電効率を高くする事ができるという長所がある。また、シンプルでコンパクトなシステムが構成できる、ポンプ駆動音のない静かな発電機となる、といった特長がある。そのため、よりシンプルなシステム構成が可能となり、携帯電話用電源、ラップトップコンピューター用電源といった小型コンシューマー用途に最適な燃料電池となる可能性がある。

我々は、直接型燃料電池の研究開発の過程で、特許文献１に示すように、特定の条件において、直接型燃料電池のアノードから水素が発生する現象を発見した。水素発生条件は、カソードへの酸化剤供給量と単電池電圧とによって決まり、単位電池の開路電圧が３００〜８００ｍＶの範囲で水素が発生し、燃料電池から負荷に対する電力供給がなされているか否かには関らないことが分っている。
特許第３８１２５８１号公報

このことは、直接型燃料電池システムにおいて、特定の条件下で、意図せずに、直接型燃料電池システムから水素が排出される可能性があることを示している。水素は可燃性の気体であり、空気と、極めて広い混合比で爆発性の混合気を生じるため、直接型燃料電池システムにおける水素の発生は、爆発事故などを引き起す可能性があり、そのような危険性を回避する手段が求められている。

また、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に関して、開路で、酸素欠乏状態の場合に、単一セル内で、電池反応と電解反応が共存し、カソードでＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻の反応、アノードで６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２の反応が生じ、アノード側から水素が発生すること、その場合の開路電圧は４００〜５００ｍＶ程度であることも知られている（非特許文献１及び２参照）。
非特許文献１の論文は、「水素の発生は、運転中のセルにおける電力のアウトプットを減少させるばかりでなく、開路状態で燃料を連続的に消費するので、ＤＭＦＣが運転中及び待機中のいずれの時でも、カソードに酸素を十分かつ一定に供給し続けることが重要である」と結論付け、非特許文献２の論文も、「大きなＭＥＡ面積を有するＤＭＦＣについては、システムのシャットダウン及びスタートアップによって引き起こされる水素の蓄積に注意する必要がある」と結論付けているから、アノード側からの水素の発生を抑止した方がよいという技術的思想は示されているといえるが、いずれの論文にも、水素発生を抑止する具体的な手段については記載がない。
Electrochemical and Solid-State Letters,8(1)A52-A54(2005) Electrochemical and Solid-State Letters,8(4)A211-A214(2005)

本発明は、上記のような直接型燃料電池システムにおける水素の発生の問題を解決しようとするものであり、意図しない水素発生を抑止することができる直接型燃料電池システムとその制御方法を提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するために以下の手段を採用する。
（１）固体高分子電解質膜を電解質とする直接型燃料電池と、
前記直接型燃料電池に有機物あるいは有機物溶液を供給する燃料供給手段と、
前記直接型燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
を備えた直接型燃料電池システムの制御方法において、
前記直接型燃料電池が開路状態である場合に、
前記直接型燃料電池の電極間の短絡、
カソードへの酸化剤供給及びカソードからの未反応酸化剤排出の停止、
アノードからの燃料の排出、
の内のひとつ以上の操作を行うことを特徴とする、直接型燃料電池システムの制御方法。
（２）固体高分子電解質膜を電解質とする直接型燃料電池と、
前記直接型燃料電池に有機物あるいは有機物溶液を供給する燃料供給手段と、
前記直接型燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記直接型燃料電池の単位電池の電圧を計測する電圧計測手段と、
を備えた直接型燃料電池システムの制御方法において、
前記電圧計測手段によって計測された単位電池の開路電圧が８００ｍＶ以下となった場合に、
前記直接型燃料電池の電極間の短絡、
カソードへの酸化剤供給及びカソードからの未反応酸化剤排出の停止、
アノードからの燃料の排出、
の内のひとつ以上の操作を行うことを特徴とする、直接型燃料電池システムの制御方法。
（３）前記直接型燃料電池の電極間に、リレーと電気抵抗からなる回路を設け、制御装置から送られた信号により、前記リレーを閉じることによって、前記電極間の短絡を行うことを特徴とする、前記（１）又は（２）の直接型燃料電池システムの制御方法。
（４）制御装置から送られた信号により、前記カソードに酸化剤を供給するブロアを停止するとともに、カソードからの未反応酸化剤を排出する排気口を閉鎖することによって、前記カソードへの酸化剤供給及びカソードからの未反応酸化剤排出の停止を行うことを特徴とする、前記（１）又は（２）の直接型燃料電池システムの制御方法。
（５）制御装置から送られた信号により、前記アノードに燃料を供給するポンプを逆回転させることによって、前記アノードからの燃料の排出を行うことを特徴とする、前記（１）又は（２）の直接型燃料電池システムの制御方法。
（６）前記（１）〜（５）のいずれか一項の方法によって制御されることを特徴とする、直接型燃料電池システム。

請求項１に係る発明によれば、直接型燃料電池システムの運転停止状態もしくはアイドリング状態において、直接型燃料電池システムを構成する直接型燃料電池が開路状態である場合に、燃料電池の電極間の短絡、カソードへの酸化剤供給及びカソードからの未反応酸化剤排出の停止、アノードからの燃料の排出を行うことにより、直接型燃料電池システムからの水素発生を低減または防止することができる。

また、請求項２に係る発明によれば、直接型燃料電池システムの単電池電圧を監視し、その開路電圧が８００ｍＶ以下の水素発生領域となった場合に、燃料電池の電極間の短絡、カソードへの酸化剤供給及びカソードからの未反応酸化剤排出の停止、アノードからの燃料の排出を行うことにより、直接型燃料電池システムからの水素発生を低減または防止することができる。

本発明の直接型燃料電池システムには、固体高分子電解質膜を電解質とする直接型燃料電池を使用する。固体高分子電解質膜は、有機物あるいは有機物溶液の透過性を持つものであれば良く、通常はプロトン伝導性を持つものが使用される。プロトン伝導性を持つ固体高分子電解質膜としては、デュポン社のナフィオン膜等のスルホン酸基を持つパーフルオロカーボンスルホン酸系膜が好ましい。

直接型燃料電池のアノードに供給する有機物としては、プロトン伝導性を持つ固体高分子電解質膜を透過し、電気化学的に酸化されてプロトンを生成する液体又は気体燃料であればよく、メタノール、エタノール、エチレングリコール、２−プロパノールなどのアルコール、ホルムアルデヒドなどのアルデヒド、蟻酸などのカルボン酸、ジエチルエーテルなどのエーテルを含む液体燃料が好ましい。有機物溶液としては、これらの液体燃料と水を含む溶液、その中でも、アルコール、特にメタノールを含む水溶液が好ましい。

直接型燃料電池のカソードに供給する酸化剤としては、酸素を含む気体又は酸素が好ましく、空気を使用することができる。

メタノールを燃料とし、酸素を含む気体（空気）を酸化剤とする直接型燃料電池においては、通常、以下のように、アノード側で（Ａ）の反応、カソード側で（Ｂ）の反応が起きて、発電が行われている。
（Ａ）ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→６Ｈ^＋＋６ｅ⁻＋ＣＯ_２
（Ｂ）６Ｈ^＋＋６ｅ⁻＋３／２Ｏ_２→３Ｈ_２Ｏ

一方、ナフィオン等のプロトン伝導性固体電解質膜を用いた場合には、ＣＨ_３ＯＨがアノードからカソードへ透過するクロスオーバー現象が知られており、空気流量が低下すると、カソードの酸素供給の不足する領域で、（Ｂ）の反応が起きず、クロスオーバーメタノールが電解酸化され、（Ｄ）の反応が起き、一方、アノード側では、（Ｃ）の反応が起きて水素が発生する。
（Ｃ）６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２
（Ｄ）ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→６Ｈ^＋＋６ｅ⁻＋ＣＯ_２

直接型燃料電池システムにおいては、通常、十分な空気流量で発電しているから水素が発生することはないが、負荷を切り離して直接型燃料電池の運転を停止する場合等において、空気流量が徐々に低下すると、アノードには燃料（メタノール）が残っているため、カソード側で（Ｄ）の反応、アノード側で上記（Ｃ）の反応が起きて、水素ガスが発生する。そこで、本発明においては、負荷を切り離して開路状態とした場合に、燃料電池の電極間の短絡、カソードへの酸化剤供給及びカソードからの未反応酸化剤排出の停止、アノードからの燃料の排出の内のひとつ以上の操作を行うことにより、直接型燃料電池システムからの水素発生を低減または防止する。すなわち、１）燃料電池の両極の短絡により単電池電圧が低下すれば水素の発生は起こらない、２）カソードへの酸化剤の供給及びカソードからの未反応酸化剤の排出を停止し単電池電圧が低下すれば水素の発生は起こらない、３）アノードに燃料が存在しなければ水素の発生は起こらないため、水素発生を低減または防止することができる。

また、特許文献１に示されているように、水素ガスの発生は、開路電圧に依存し、空気流量が低下し、開路電圧が３００〜８００ｍＶになると、水素ガスが発生することが分かっている。そこで、本発明においては、直接型燃料電池の単位電池の電圧を計測する電圧計測手段を備え、該電圧計測手段によって計測された単位電池の開路電圧が８００ｍＶ以下の水素発生領域となった場合に、燃料電池の電極間の短絡、カソードへの酸化剤供給及びカソードからの未反応酸化剤排出の停止、アノードからの燃料の排出の内のひとつ以上の操作を行うことにより、直接型燃料電池システムからの水素発生を低減または防止する。電圧計測手段によって計測された単位電池の開路電圧が３００ｍＶから８００ｍＶの範囲、あるいは、２００ｍＶから８００ｍＶの範囲である場合に、上記の操作を行うようにしてもよい。

以下、燃料としてメタノール水溶液を用いる直接メタノール型燃料電池を例に、図を用いながら、本発明を詳細に説明する。

（比較例）
白金とルテニウムとを活性炭素に担持させてなる燃料極触媒に、テフロン（登録商標）分散液およびナフィオン（登録商標）溶液を混合して作製した燃料極ペーストを、カーボンペーパー上に塗布してアノード１を得、白金を活性炭素に担持させてなる空気極触媒に、テフロン（登録商標）分散液およびナフィオン（登録商標）溶液を混合して作製した空気極ペーストを、カーボンペーパーに塗布してカソードを得た。アノード・カソードとも、電極面積は６４ｃｍ^２、触媒担持量は１ｍｇ／ｃｍ^２とした。

次に、図１に示すように、上記のようにして作製したアノード１及びカソード（図示せず）をナフィオン１１７（登録商標）からなる電解質膜（２）の両面にホットプレスで接合し、得られた膜電極接合体１０個を、シリコンゴム製のパッキン（３）とグラファイト製のバイポーラ型セパレータ（４）を介して積層した。さらに、図２に示すように、この積層体（５）を２枚の金属製集電板（６）で挾持したものを、シリコンゴム製の絶縁板（７）を介して、２枚の金属性エンドプレート（８）で挾持し、図３に示すように、これらエンドプレート同士をボルト（９）とナット（１０）で結合することによって、直接メタノール型燃料電池スタック（１１）を作製した。

上記バイポーラ型セパレータ（４）には、片面に燃料供給用の溝（１２）〔図示せず。図１においては、セパレータ（４）の裏面に形成されている。〕が設けられるとともに、燃料供給用の溝(１２)に燃料を供給するためのマニホールド穴(１３)がセパレータ（４）を貫通して形成されている。各セパレータ（４）の燃料供給用マニホールド穴（１３）はスタック（１１）を組み立てた状態で相互に連通するとともに、集電板（６）、積層体（５）、絶縁板（７）、エンドプレート（８）に設けられた燃料供給用マニホールド穴とも連通している。また、上記バイポーラ型セパレータ（４）には、燃料供給用の溝（１２）から燃料を排出するためのマニホールド穴（１４）がセパレータ（４）を貫通して形成されている。各セパレータ（４）の燃料排出用マニホールド穴（１４）はスタック（１１）を組み立てた状態で相互に連通するとともに、集電板（６）、積層体（５）、絶縁板（７）、エンドプレート（８）に設けられた燃料排出用マニホールド穴とも連通している。このことによって、燃料電池スタック（１１）の外部からエンドプレート（８）の燃料供給用マニホールド穴に供給された燃料は、各バイポーラ型セパレータ（４）の燃料供給用の溝（１２）を流れて各単電池のアノード（１）に供給される。アノード（１）で消費されなかった燃料は、アノード（１）で発生した反応生成物とともに、エンドプレート（８）の燃料排出用マニホールド穴から排出される。

また、上記バイポーラ型セパレータ（４）には、燃料供給用の溝が設けられた面と反対側の面に、酸化剤供給用の溝（１５）が設けられるとともに、酸化剤供給用の溝（１５）に酸化剤を供給するためのマニホールド穴（１６）がセパレータ（４）を貫通して形成されている。各セパレータ（４）の酸化剤供給用マニホールド穴（１６）はスタック（１１）を組み立てた状態で相互に連通するとともに、集電板（６）、積層体（５）、絶縁板（７）、エンドプレート（８）に設けられた酸化剤供給用マニホールド穴とも連通している。また、上記バイポーラ型セパレータ（４）には、酸化剤供給用の溝（１５）から酸化剤を排出するためのマニホールド穴（１７）がセパレータ（４）を貫通して形成されている。各セパレータ（４）の酸化剤排出用マニホールド穴（１７）はスタック（１１）を組み立てた状態で相互に連通するとともに、集電板（６）、積層体（５）、絶縁板（７）、エンドプレート（８）に設けられた酸化剤排出用マニホールド穴とも連通している。このことによって、燃料電池スタック（１１）の外部からエンドプレート（８）の酸化剤供給用マニホールド穴に供給された酸化剤は、各バイポーラ型セパレータ（４）の酸化剤供給用の溝（１５）を流れて各単電池のカソードに供給される。カソードで消費されなかった酸化剤は、カソードで発生した反応生成物とともに、エンドプレート（８）の酸化剤排出用マニホールド穴から排出される。

上記燃料電池スタック（１１）を用いて、図４に示す燃料電池システムを構成した。ブロア（５１）は、酸化剤としての空気を燃料電池スタック（１１）に送り込む。ポンプ（５２）は、燃料としての約３重量パーセントのメタノール水溶液を、燃料タンク（５６）から燃料電池スタック（１１）に送り込む。燃料電池スタック（１１）では、空気中の酸素とメタノールが反応し、電力を発生する。発生した電力は、電力端子（６４）および（６５）から負荷に供給される。燃料電池スタック（１１）の酸化剤排出用マニホールドからは、反応によって生成した水と、未反応の空気が排出され、ラジエータ（５３）によって冷却された後に、排気口（６６）から燃料電池システム外へ排出される。ラジエータ（５３）で凝縮した水は、水タンク（５４）へ回収される。

運転に伴い、燃料中のメタノールが燃料電池スタック（１１）で消費されるため、燃料タンク（５６）の燃料中のメタノール濃度は徐々に低下する。燃料タンク（５６）に設置されたメタノール濃度センサー（図示せず）および燃料温度センサー（図示せず）からの信号（９７）が、制御装置（６０）に送られ、制御装置（６０）はこれらの信号（９７）から燃料中のメタノール濃度を推定する。燃料中のメタノール濃度が２重量パーセント以下と推定された場合には、制御装置（６０）は、信号（９６）をバルブ（６２）に送り、バルブ（６２）を開く。これにより、高濃度燃料タンク（５５）に貯蔵されている５０〜６０重量パーセントのメタノール水溶液が燃料タンク（５６）に補給され、燃料タンク（５６）の燃料のメタノール濃度を約３重量パーセントに調整する。

また、燃料タンク（５６）の液量が減少したことを、燃料タンク（５６）に設置された液量センサー（図示せず）が検知すると、液量センサーから制御装置（６０）に信号（９７）が送られる。信号（９７）を受け取った制御装置（６０）は、バルブ（６１）に信号（９４）を送ってバルブ（６１）を開く。これにより、水タンク（５４）に貯蔵されている水が、燃料タンク（５６）に補給され、燃料タンク（５６）中の燃料液量を回復する。また、燃料中のメタノール濃度が４重量パーセントを越えたと制御装置（６０）が推定した場合には、制御装置（６０）は、信号（９４）をバルブ（６１）に送り、バルブ（６１）を開く。これにより、水タンク（５４）に貯蔵されている水が燃料タンク（５６）に補給され、燃料タンク（５６）の燃料のメタノール濃度を約３重量パーセントに調整する。

この燃料電池システムを用いて、毎分５リットルの空気と、毎分１リットルの燃料を燃料電池スタック（１１）に供給したところ、７０Ｗの電力が発生した。燃料タンク（５６）に取り付けたベント（６７）から排出された気体を収集し、ガスクロマトグラフィーで成分分析したところ、水素は検出されなかった。

続いて、空気流量と燃料流量を維持したまま、負荷を切り離し、燃料電池スタック（１１）の電極間を開路状態にした。燃料電池スタック（１１）の開路電圧は約１３Ｖとなった。燃料タンク（５６）に取り付けたベント（６７）から排出された気体を収集し、ガスクロマトグラフィーで成分分析したところ、水素は検出されなかった。

さらに、この状態で、空気流量を毎分５００ミリリットルに低下させたところ、燃料電池スタック（１１）の開路電圧は約５Ｖとなった。燃料タンク（５６）に取り付けたベント（６７）から排出された気体を収集し、ガスクロマトグラフィーで分析したところ、水素の発生が確認された。水素発生速度は、毎分約６００ミリリットルであった。

比較例の燃料電池システムに機能を付加し、燃料電池スタック（１１）の電極間電圧を計測する電圧計測手段（５９）を設け、さらに、燃料電池スタック（１１）の電極間に、リレー（５７）と０．５Ωの電気抵抗（５８）からなる回路を設けた。負荷への電力供給が行われていない状況において、制御装置（６０）は電圧計測手段（５９）からの信号（９３）を受け取って、燃料電池スタック（１１）の電極間電圧を監視する。電極間電圧が２Ｖから８Ｖの間にある事を検知した場合、すなわち、平均単電池電圧が２００ｍＶから８００ｍＶの間にある場合、制御装置（６０）は、信号（９１）をリレー（５７）に送り、リレー（５７）を閉じる。本実施例の燃料電池システムの構成を図５に示す。

上記の燃料電池システムを用いて、毎分５リットルの空気と、毎分１リットルの燃料を燃料電池スタック（１１）に供給したところ、７０Ｗの電力が発生した。燃料タンク（５６）に取り付けたベント（６７）から排出された気体を収集し、ガスクロマトグラフィーで成分分析したところ、水素は検出されなかった。

さらに、この状態で、空気流量を毎分５００ミリリットルに低下させたところ、燃料電池スタック（１１）の開路電圧が８Ｖを下回ったため、制御装置によってリレー（５７）が閉じられ、燃料電池スタックの電極間電圧は約１Ｖとなった。燃料タンク（５６）に取り付けたベント（６７）から排出された気体を収集し、ガスクロマトグラフィーで分析したところ、水素は検出されなかった。

比較例の燃料電池システムに機能を付加し、制御装置（６０）が作業者からの運転停止命令（９８）を受け取った際に、制御装置（６０）は信号（９０）をブロア（５１）に送り、ブロア（５１）を停止するとともに、信号（９５）を、アノードからの未反応の空気を冷却するラジエータ（５３）と排気口（６６）の間に設けたバルブ（６３）に送り、バルブ（６３）を閉鎖するようにした。本実施例の燃料電池システムの構成を図６に示す。

さらに、この状態から、制御装置に停止命令を与えた。ブロア（５１）が停止するとともに、バルブ（６３）が閉鎖され、発電が停止した。燃料電池スタックの電極間電圧は約１Ｖまで低下した。燃料タンク（５６）に取り付けたベント（６７）から気体を収集し、ガスクロマトグラフィーで分析したところ、水素は検出されなかった。

比較例の燃料電池システムに機能を付加し、制御装置（６０）が作業者からの運転停止命令（９８）を受け取った際に、制御装置（６０）は信号（９２）をポンプ（５２）に送り、ポンプ（５２）を逆回転させて、燃料電池スタック（１１）のアノードから燃料を排出するようにした。本実施例の燃料電池システムの構成を図７に示す。

さらに、この状態から、制御装置に停止命令を与えた。ポンプ（５２）が逆回転して燃料電池（１１）のアノードから燃料が排出され、発電が停止した。燃料電池スタックの電極間電圧は約１Ｖまで低下した。燃料タンク（５６）に取り付けたベント（６７）から気体を収集し、ガスクロマトグラフィーで分析したところ、水素は検出されなかった。

なお、上記の実施例は、本発明への理解を容易にするために例として挙げたものに過ぎず、本発明の範囲を何ら限定する物ではない。実施例では、ポンプなどの動力装置で燃料や空気を燃料電池スタックに送り込む、アクティブ型と呼ばれる直接メタノール型燃料電池システムを例にとって説明を行ったが、燃料や空気の供給にポンプなどの動力機器を用いない、パッシブ型と呼ばれるタイプの直接メタノール型燃料電池システムにも、本発明は好適に用いられる。パッシブ型の直接メタノール型燃料電池システムに用いられる場合は、例えば、空気取り入れ口をシャッター状の装置によって閉鎖したり、アノードに燃料を供給するためのウィック構造物をアノードから引き離したり、燃料カートリッジからの燃料供給を遮断したりすることによって、本発明の効果が実現できる。パッシブ型の直接メタノール型燃料電池システムは、比較的低出力である一方、構造が簡単で小型化・軽量化が容易であるので、携帯電話やノート型パソコンなどの携帯用電子機器の電源として有望視されている。これらの機器は、飛行機や鉄道などの輸送機関に持ち込まれる機会が多く、使用者の身体に密着して使用されるため、特に水素に起因する事故への対策が重要であり、本発明が有効である。

本発明によって、直接メタノール型燃料電池からの水素発生が抑制されるため、安全性の高い直接メタノール型燃料電池システムが得られる。特に、飛行機や鉄道などの輸送機関に持ち込まれたり、衣服のポケット内に携帯される直接メタノール型燃料電池の安全性を高める事ができるため、直接メタノール型燃料電池の実用化に本発明は大きく貢献できる。

実施例および比較例の単電池の構成図である。実施例および比較例の燃料電池スタックの構成図である。実施例および比較例の燃料電池スタックの斜視図である。比較例の燃料電池システムの構成図である。実施例１の燃料電池システムの構成図である。実施例２の燃料電池システムの構成図である。実施例３の燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１アノード
２電解質膜
３パッキン
４セパレータ
５積層体
６集電板
７絶縁板
８エンドプレート
９ボルト
１０ナット
１１燃料電池スタック
１２燃料供給用の溝
１３燃料供給用マニホールド穴
１４燃料排出用マニホールド穴
１５酸化剤供給用の溝
１６酸化剤供給用マニホールド穴
１７酸化剤排出用マニホールド穴
５１ブロア
５２ポンプ
５３ラジエータ
５４水タンク
５５高濃度燃料タンク
５６燃料タンク
５７リレー
５８電気抵抗
５９電圧計測手段
６０制御装置
６１〜６３バルブ
６４，６５電力端子
６６排気口
６７ベント
９０〜９７信号
９８運転停止命令

Claims

固体高分子電解質膜を電解質とする直接型燃料電池と、
前記直接型燃料電池に有機物あるいは有機物溶液を供給する燃料供給手段と、
前記直接型燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
を備えた直接型燃料電池システムの制御方法において、
前記直接型燃料電池が開路状態である場合に、
前記直接型燃料電池の電極間の短絡、
カソードへの酸化剤供給及びカソードからの未反応酸化剤排出の停止、
アノードからの燃料の排出、
の内のひとつ以上の操作を行うことを特徴とする、直接型燃料電池システムの制御方法。
固体高分子電解質膜を電解質とする直接型燃料電池と、
前記直接型燃料電池に有機物あるいは有機物溶液を供給する燃料供給手段と、
前記直接型燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記直接型燃料電池の単位電池の電圧を計測する電圧計測手段と、
を備えた直接型燃料電池システムの制御方法において、
前記電圧計測手段によって計測された単位電池の開路電圧が８００ｍＶ以下となった場合に、
前記直接型燃料電池の電極間の短絡、
カソードへの酸化剤供給及びカソードからの未反応酸化剤排出の停止、
アノードからの燃料の排出、
の内のひとつ以上の操作を行うことを特徴とする、直接型燃料電池システムの制御方法。
前記直接型燃料電池の電極間に、リレーと電気抵抗からなる回路を設け、制御装置から送られた信号により、前記リレーを閉じることによって、前記電極間の短絡を行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載の直接型燃料電池システムの制御方法。
制御装置から送られた信号により、前記カソードに酸化剤を供給するブロアを停止するとともに、カソードからの未反応酸化剤を排出する排気口を閉鎖することによって、前記カソードへの酸化剤供給及びカソードからの未反応酸化剤排出の停止を行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載の直接型燃料電池システムの制御方法。
制御装置から送られた信号により、前記アノードに燃料を供給するポンプを逆回転させることによって、前記アノードからの燃料の排出を行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載の直接型燃料電池システムの制御方法。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法によって制御されることを特徴とする、直接型燃料電池システム。