JP2009110919A - 直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法、燃料濃度制御装置および直接液体燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電流密度の急激な変化に反応して異なる変化状態を表す燃料電池スタックの出力電圧を用いて、燃料濃度を容易に制御することができる直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法および燃料濃度制御装置を提供する。
【解決手段】本発明の直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法は、ａ）燃料電池スタックの出力電流および出力電圧を監視して、出力電流の電流密度が所定の大きさ以上低下し、所定時間維持されたことを検知するステップと、（ｂ）電流密度が低下する直前の初期出力電圧から、電流密度の低下に反応して増加した後に維持される新たな出力電圧になるまでを検知するステップと、（ｃ）初期出力電圧と新たな出力電圧との間において検知される過渡電圧を、新たな出力電圧と比較するステップと、（ｄ）過渡電圧が新たな出力電圧以下である場合、燃料電池スタックに供給される液体燃料の濃度を増加させるステップと、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、出力電流密度の急激な変化に反応する出力電圧の推移を用いて、燃料濃度を容易に制御することができる直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法および燃料濃度制御装置に関する。

直接液体燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＤＬＦＣ）は、アノードに液体燃料を直接使用する燃料電池であって、代表的な燃料電池としては、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＤＭＦＣ）を含む。このような燃料電池は、固体高分子を電解質として使用するため、電解質の腐食や蒸発の危険がなく、１００℃未満の作動温度で運転されるため、携帯用または小型電子機器の電源に好適である。このようなメリットにより、現在、直接液体燃料電池に対する研究が盛んに行われている。

直接液体燃料電池は、一般的に、アノードに供給される燃料濃度により、その性能に大きな差がある。一方、直接液体燃料電池は、液体燃料と酸化剤とを電気化学的に反応させて電気を発生させるため、動作中に燃料濃度が低下する可能性がある。このような燃料濃度の低下による不十分な燃料供給は、アノード電極に損傷を与え、運転性能を悪化させることがある。したがって、直接液体燃料電池において、適正範囲の燃料濃度を維持することは、運転性能の維持のために優先的に考慮する必要がある。

さらに、直接液体燃料電池は、携帯端末、ＰＭＰ（Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｐｌａｙｅｒ）などの携帯用電子機器の小型化により、これら携帯用電子機器の電源として使用するため、小型化が求められている。

大韓民国特許公開第２００４−００２１６５１号 米国特許出願公開第２００５／００５３８１１号明細書 特開２００５−２８５６２８号公報

前述した必要性や要求に応じるため、直接液体燃料電池を小型化し、その小型化された燃料電池の燃料濃度の制御のために濃度センサを適用することが考えられる。しかし、従来の濃度センサのほとんどは、使用時間の増加に応じて感知能力が急速に低下するという問題があった。さらに、その大きさが比較的大きいため、小型の直接液体燃料電池への適用は困難という問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、出力電流密度の急激な変化に反応して異なる変化状態を表す燃料電池スタックの出力電圧を用いて、燃料濃度を容易に制御することが可能な、新規かつ改良された直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法および燃料濃度制御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、ａ）燃料電池スタックの出力電流および出力電圧を監視して、出力電流の電流密度が所定の大きさ以上低下し、所定時間維持されたことを検知するステップと、（ｂ）電流密度が低下する直前の初期出力電圧から、電流密度の低下に反応して増加した後に維持される新たな出力電圧になるまでを検知するステップと、（ｃ）初期出力電圧と新たな出力電圧との間において検知される過渡電圧を、新たな出力電圧と比較するステップと、（ｄ）過渡電圧が新たな出力電圧以下である場合、燃料電池スタックに供給される液体燃料の濃度を増加させるステップと、を含むことを特徴とする、直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法が提供される。

ここで、過渡電圧が新たな出力電圧より大きい場合、燃料電池スタックに供給される液体燃料の濃度をそのまま維持するステップをさらに含むこともできる。

また、出力電流の電流密度の所定の大きさは、４０ｍＡ／ｃｍ^２より大きくすることが望ましく、所定時間は、２秒以上であることが望ましい。

さらに、液体燃料は、メタノール水溶液を含んでもよい。このとき、燃料濃度は、０．５モル濃度より大きく、２モル濃度以下が適正範囲となる。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、（ａ）燃料電池スタックの出力電流密度が所定の大きさ以上低下するように出力電流を制限するステップと、（ｂ）電流密度を制限する直前の初期出力電圧から、電流密度の低下に反応して増加した後に維持される新たな出力電圧になるまでを検知するステップと、（ｃ）初期出力電圧と新たな出力電圧との間において検知される過渡電圧を、新たな出力電圧と比較するステップと、（ｄ）過渡電圧が新たな出力電圧以下である場合、燃料電池スタックに供給される液体燃料の濃度を増加させるステップと、を含むことを特徴とする、直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法が提供される。

ここで、（ａ）ステップは、燃料電池スタックと外部負荷との間に定電流回路部を接続するステップを含むことができる。また、定電流回路部は、燃料電池スタックと外部負荷との間に直列接続される定電流ダイオードを有するようにしてもよい。

さらに、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、燃料電池スタックのアノードに直接供給される液体燃料の濃度を制御する直接液体燃料電池の燃料濃度制御装置が提供される。かかる燃料濃度制御装置は、燃料電池スタックの出力電流密度を階段状に低下させる定電流回路部と、電流密度が低下する直前の初期出力電圧から、初期出力電圧から増加した後に安定して維持される新たな出力電圧になるまでを検知するセンサ部と、初期出力電圧と新たな出力電圧との間において検知される過渡電圧と、新たな出力電圧とを比較する比較部と、過渡電圧が新たな出力電圧以下である場合に燃料電池スタックに供給される液体燃料の濃度を高くする作動制御部と、を備えることを特徴とする。

ここで、定電流回路部は、燃料電池スタックと外部負荷との間に直列接続される定電流ダイオードを備えることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、燃料電池スタックのアノードに直接供給される液体燃料の濃度を制御する直接液体燃料電池の燃料濃度制御装置が提供される。かかる燃料濃度装置は、プログラムが格納されるメモリと、メモリに結合されて前記プログラムを実行するプロセッサと、を備える。そして、プロセッサは、プログラムにより、所定の電流密度レベルより低い電流密度レベルに変化させる試験電流を燃料電池スタックから出力させ、燃料電池スタックから試験電流に応じて高くなる新たな出力電圧を検知し、新たな出力電圧に到達する前の過渡電圧が前記新たな出力電圧以下である場合、液体燃料の濃度を所定の大きさだけ増加させることを特徴とする。

ここで、プロセッサは、燃料電池スタックと外部負荷との間に定電流ダイオードを直列接続されたスイッチング装置を制御して、試験電流を発生させるようにしてもよい。

さらに、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に位置する電解質を備え、アノードに供給される液体燃料とカソードに供給される酸化剤との電気化学的反応により電気エネルギーを生成する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに液体燃料を供給する燃料供給装置と、燃料電池スタックに供給される液体燃料の濃度を調節するために燃料供給装置を制御する制御装置と、を備える直接液体燃料電池が提供される。制御装置は、燃料電池スタックの出力電流密度を階段状に低下させる定電流回路部と、出力電流密度が低下する直前の燃料電池スタックの初期出力電圧から、初期出力電圧から増加した後に安定して維持される新たな出力電圧になるまでを検知するセンサ部と、初期出力電圧と新たな出力電圧との間において検知される過渡電圧と、新たな出力電圧とを比較する比較部と、過渡電圧が新たな出力電圧以下である場合、燃料電池スタックに供給される液体燃料の濃度を高くする作動制御部と、を備えることを特徴とする。

ここで、定電流回路部は、制御装置の制御信号に応答し、燃料電池スタックと外部負荷との間に直列接続される定電流ダイオードを備えることもできる。

本発明によれば、自然的または人為的な燃料電池スタックの出力電流密度の急激な変化による出力電圧の推移に基づき、燃料電池スタックのアノードインレット付近の燃料濃度を容易に判断することができる。これにより、小型の直接液体燃料電池に好適な燃料濃度を容易に維持することが可能となる。したがって、直接液体燃料電池システムの運転性能および信頼性が向上され、高性能の小型の直接液体燃料電池システムの設計に寄与することができるようになる。

以上説明したように本発明によれば、出力電流密度の急激な変化に反応して異なる変化状態を表す燃料電池スタックの出力電圧を用いて、燃料濃度を容易に制御することが可能な、直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法および燃料濃度制御装置を提供することができる。

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、本明細書および図面において、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の実施形態）
まず、図１に基づいて、本発明の第１の実施形態にかかる直接液体燃料電池について説明する。なお、図１は、本実施形態に係る直接液体燃料電池の概略説明図である。

直接液体燃料電池１０は、図１に示すように、液体燃料と酸化剤との電気化学的反応により電気エネルギーを生成し、生成された電気エネルギーを外部負荷６０に供給する燃料電池本体２０と、この燃料電池本体２０に供給する液体燃料を貯蔵する燃料タンク３０、およびこの燃料タンク３０に貯蔵された液体燃料を燃料電池本体２０に移送する燃料ポンプ３２を備えた燃料供給装置と、電流センサ５１および電圧センサ５２に結合し、燃料電池本体２０から出力される電流密度の急激な低下に反応する出力電圧の変化過程に基づき、燃料電池本体２０に供給される液体燃料の濃度を所望の範囲内に制御する制御装置４０と、を備える。

燃料電池本体２０は、基本的に、燃料電池スタックを含み、燃料電池スタックは、アノード、カソード、およびこれらアノードとカソードとの間に位置する固体高分子電解質からなる膜電極集合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）を含む。前述した燃料電池スタックは、カソードに酸化剤を供給するための酸化剤供給装置を別途に備えるアクティブ型のスタックとして設計されるか、若しくは酸化剤供給装置は備えていないが、アノードに液体燃料を供給する燃料移送装置を備えるセミパッシブ型（パッシブ型ともいう）のスタックとして設計することができる。ここで、液体燃料は、石油または石油から得られる炭化水素系物質、メタノール、エタノールを含み、また、液状の燃料を主成分とするが、一部の気状の燃料が追加された混合燃料を含むこともできる。酸化剤は、純酸素または空気中の酸素を含む。

前述した燃料電池スタックにおいて、電解質は、フッ素系電解質膜または炭化水素系電解質膜により実現可能である。アノードは、電解質膜の一面に位置するアノード電極と、このアノード電極に接し、アノード電極に液体燃料を効果的に供給するための流路を備えたセパレータとを備えることができる。同様に、カソードは、電解質膜の他面に位置するカソード電極と、このカソード電極に接し、カソード電極に酸化剤を効果的に供給するための流路またはホールを有するセパレータとを備えることができる。

制御装置４０は、燃料電池本体２０から出力される単位面積当たりの電流を測定する電流センサ５１と、燃料電池本体２０から出力される電圧を測定する電圧センサ５２とに結合され、燃料電池本体２０の電流および電圧に関する変化を監視する。制御装置４０は、ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）のような論理回路やマイクロプロセッサの一部の機能部で実現可能である。

以上、本実施形態にかかる直接液体燃料電池の構成について説明した。次に、図２に基づいて、本実施形態にかかる直接液体燃料電池の燃料電池制御方法について説明する。なお、図２は、本実施形態に係る直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法を示すフローチャートである。

本実施形態にかかる制御装置４０は、図１および図２を参照すると、まず、燃料電池本体２０から出力される単位面積当たりの電流が所定の大きさ以上低下し、所定時間維持されていることを検知する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０では、電流センサ５１を介して所定時間間隔で順次検知される燃料電池本体２０の出力電流密度が階段状に急激に低下する時点を検出する。電流密度が急激に低下する条件としては、直接液体燃料電池１０の作動中に、燃料電池本体２０に接続された外部負荷６０の要求電力が突然非常に大きくなった場合や、このような外部負荷６０が燃料電池本体２０の負担になる場合などがある。この場合、燃料電池本体２０では、出力電流密度が瞬間的に所定の大きさ以上低下する可能性がある。

次いで、制御装置４０は、電流密度が急激に低下する時点直前の出力電圧（以下、「初期出力電圧」とする。）から、電流密度の低下に反応してそのレベルが増加した後、新たなレベルで維持される新たな出力電圧までを検知する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２では、燃料電池本体２０の出力電流密度が急激に低下したとき、燃料電池本体２０の初期出力電圧と新たな出力電圧との間の過渡電圧をも検知する。過渡電圧は、新たな出力電圧レベルより高いレベルで瞬間的に高くなった後、新たな出力電圧を安定して維持するか、初期出力電圧から徐々に増加して新たな出力電圧に到達することができる。

さらに、制御装置４０は、過渡電圧を、新たな出力電圧と比較する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４では、燃料電池本体２０に直接供給される液体燃料の濃度に応じて相異なるレベルを示す過渡電圧の大きさに基づいて、現在の燃料の濃度状態の適不適を判別する。

その後、制御装置４０は、過渡電圧が新たな出力電圧以下であれば、燃料電池本体２０に供給される液体燃料の濃度を増加させる（ステップＳ１６）。一方、制御装置４０は、過渡電圧が新たな出力電圧より大きければ、燃料電池本体２０に供給される液体燃料の濃度をそのまま維持する（ステップＳ１８）。

前述した直接液体燃料電池の出力電圧は、燃料電池スタックのアノードインレット付近の燃料濃度または燃料供給量や、燃料電池スタックの現在の電流密度レベルのような運転条件に大きく影響する。つまり、直接液体燃料電池の出力電圧において、出力電流密度の急激な変化に反応する出力電圧の過渡的な変化（ｏｖｅｒｓｈｏｏｔｉｎｇ）、すなわち、ダイナミック動作は、燃料電池スタック内の単位電池（以下、「セル」とする）への十分な燃料供給に基づく。このような十分な燃料供給は、燃料電池スタックのアノードインレットに供給される燃料量、すなわち、燃料濃度が適正範囲にあるか否かで判断することができる。したがって、燃料電池スタックの出力電流密度が階段状に変化するとき、その出力電圧がダイナミック動作とならなければ、燃料電池スタックのアノードインレットに供給される燃料濃度が低いと判断することができる。本実施形態では、これを用いて直接液体燃料電池の燃料濃度を制御する。

図３Ａ〜図３Ｄは、本実施形態にかかる直接液体燃料電池の作動原理を具体的に説明するための説明図である。本実施形態の説明において、出力電流密度および出力電圧は、図３Ａ〜図３Ｄに示すグラフのセル電流およびセル電圧にそれぞれ対応する。

本実施形態にかかる直接液体燃料電池の作動原理は、燃料電池スタックの電流密度レベルが階段状に低下したとき、燃料電池スタックの出力電圧が新たな電圧レベルに増加することにある。このとき、変化する出力電圧は、燃料電池スタックのアノードに供給される燃料濃度の状態に応じて新たな出力電圧より高い過渡電圧を示すか否かに基づく。

さらに具体的に説明すると、１モル濃度のメタノールが平均１ｍｌ／ｍｉｎの流速でアノードに供給される燃料電池スタックを用い、燃料電池スタックの単位面積当たりの出力電流を所定時間間隔で監視した。そして、図３Ａに示すように、電流センサを介して、燃料電池スタックの単位面積当たりの出力電流が約１８０ｍＡ／ｃｍ^２から約１００ｍＡ／ｃｍ^２まで、階段状に約８０ｍＡ／ｃｍ^２急激に低下したときに燃料電池スタックの出力電圧の変化を測定した。燃料電池本体の出力電圧は、図３Ｂに示すように、電流密度の急激な低下により、約０．４９Ｖの初期出力電圧から約０．５４Ｖの新たな出力電圧に増加した。このとき、出力電圧は、初期出力電圧から約０．５８Ｖの過渡電圧を経て新たな出力電圧に安定した。

前述した出力電流密度の低下幅は、４０ｍＡ／ｃｍ^２より大きな値に設定することが好ましい。所定の低下幅を４０ｍＡ／ｃｍ^２以下に設定すると、出力電圧の変化において所望の過渡電圧の形態がほとんど発生しない。そして、前述した出力電流密度の低下幅の上限値は、燃料電池スタックの構造により予め設定可能な正格出力電流密度を考慮して制限することができる。そして、前述した出力電圧の所望する変化の形態は、出力電流密度の低下が所定時間維持される際にはっきりと検知されるため、出力電流密度の低下は、少なくとも２秒またはそれ以上に設定されることが好ましい。

このような図３Ａおよび図３Ｂの関係に基づき、さらなる具体例を挙げると、図３Ｃに示すように、燃料濃度を１モル濃度、０．７５モル濃度、０．５モル濃度で、それぞれ異なるように設定した直接メタノール型燃料電池システムの運転条件下で、燃料電池スタックの単位面積当たりの出力電流が約１８０ｍＡ／ｃｍ^２から約１００ｍＡ／ｃｍ^２まで、短時間で急速に低下したとき、燃料電池スタックの出力電圧は、１モル濃度の場合、約０．４９Ｖから約０．５８Ｖの過渡電圧を経て約０．５４Ｖの新たな電圧に変化した。また、０．７５モル濃度の場合、約０．４９Ｖから約０．５９Ｖの過渡電圧を経て約０．５５Ｖの新たな電圧に変化した。そして、０．５モル濃度の場合、約０．４１Ｖから、過渡電圧なしに、約０．５２Ｖの新たな電圧に変化した。

他の例として、図３Ｄに示すように、２モル濃度を有するメタノールを平均１．４ｍｌ／ｍｉｎおよび平均３ｍｌ／ｍｉｎの流速でそれぞれ供給する直接メタノール型燃料電池システムの運転条件下で、燃料電池スタックの単位面積当たりの出力電流が約１８０ｍＡ／ｃｍ^２から約１００ｍＡ／ｃｍ^２に急激に低下したとき、燃料電池スタックの出力電圧は、燃料供給速度が平均１．４ｍｌ／ｍｉｎの場合、約０．４８Ｖから約０．５６Ｖの過渡電圧を経て約０．５４Ｖの新たな電圧に変化した。また、燃料供給速度が平均３ｍｌ／ｍｉｎの場合、約０．４６Ｖから約０．５６Ｖの過渡電圧を経て約０．５２Ｖの新たな電圧に変化した。

上述した実験結果から分かるように、化学量論的な燃料量が１に近づき、０．５モルの濃度を有するメタノール燃料の場合のように、燃料電池スタックにおいて要求する濃度より低い濃度を有する燃料が燃料電池本体のアノードインレットに供給される場合は、セルに供給される燃料が不足し、セルのダイナミック動作が不可能と考えられる。一方、０．７５モル濃度、１モル濃度、および２モル濃度のメタノール燃料の場合は、十分な燃料供給により、セルのダイナミック動作が可能と考えられる。

このように、メタノールの適正モル濃度を０．５モル濃度超過、２モル濃度以下と仮定する場合、本実施形態によれば、燃料濃度の差による過渡電圧の相異なる大きさを利用して、現在の燃料濃度がどのレベル付近に位置するかを判別し易くなる。これにより、メタノールの場合、燃料濃度が０．５モル濃度以下の場合、０．５モル濃度より高い濃度を有する燃料、または２モル濃度より高い濃度を有する高濃度燃料を所定量ずつ追加供給することにより、アノードインレットにおける燃料濃度を所望の濃度範囲に制御することができる。

上述のように、本実施形態において、出力電圧のダイナミック動作は、直接メタノール型燃料電池システムにおいて燃料電池スタックに供給されるメタノールの濃度が適切な範囲に存在する場合に現れる。したがって、本実施形態では、前述した出力電圧のダイナミック動作の発生可否を用いて、現在、燃料電池本体に供給される燃料濃度が適切な状態なのか低い状態なのかを判別し、判別結果に基づいて燃料濃度を制御する。

一方、本実施形態において、１モル濃度のメタノールが平均１ｍｌ／ｍｉｎの流速でアノードに供給される燃料電池スタックの単位面積当たりの出力電流が約３８０ｍＡ／ｃｍ^２から約３００ｍＡ／ｃｍ^２に階段状に低下したとき、燃料電池スタックから出力される出力電圧は、約０．３５Ｖから約０．３８Ｖの新たな出力電圧に変化する。このとき、新たな出力電圧より高い過渡電圧が発生しないことがある。このように、本実施形態の燃料濃度制御技術は、燃料電池スタックの正格出力電流密度レベルを基準としたとき、現在の出力電流密度レベルがあまり高くならないうちに適用することが好ましい。

（第２の実施形態）
次に、図４に基づいて、本発明の第２の実施形態にかかる直接液体燃料電池について説明する。なお、図４は、本実施形態にかかる直接液体燃料電池の概略説明図である。

直接液体燃料電池１０ａは、図４に示すように、燃料電池本体２０と、燃料タンク３０と、弁３２ａと、空気ポンプ３３と、制御装置４０ａと、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、定電流ダイオード５３と、スイッチング装置５４とを備える。

本実施形態の直接液体燃料電池１０ａは、第１の実施形態に係る直接液体燃料電池１０と比較して、人為的に燃料電池本体２０の単位面積当たりの電流の強度を一定の大きさ以上低下させるために、燃料電池本体２０と外部負荷６０との間に、スイッチング装置５４により選択的に直列接続される定電流ダイオード５３と、スイッチング装置５４のオン・オフ動作を制御する制御装置４０ａとを備えることを主な特徴とする。

定電流ダイオード５３は、燃料電池本体２０の電流密度を所定の大きさ以上強制的に低下させるための装置である。本実施形態では、定電流ダイオード５３のほか、カレントミラー回路を用いた定電流回路部を用いて当該機能を実現することができる。

スイッチング装置５４は、燃料濃度の測定時にのみ、燃料電池本体２０と定電流ダイオード５３とを電気的に接続させるための装置である。スイッチング装置５４は、制御装置４０ａから印加される制御信号によりオン・オフ制御され、機械的なスイッチや半導体スイッチにより実現可能である。

制御装置４０ａは、第１の実施形態で説明した制御装置４０の構成および機能を有するだけでなく、燃料電池本体２０のアノードに供給される液体燃料の濃度の測定および制御のために、燃料電池本体２０の電流密度が所定の大きさ以上低下するように、燃料電池本体２０の出力端子に定電流ダイオード５３を直列接続させるスイッチング装置５４をオン・オフ制御するための構成および機能をも有する。

また、制御装置４０ａは、燃料電池本体２０の出力電流密度の階段式変化に反応する出力電圧の変化中において、過渡電圧の大きさに応じて得られる現在の燃料の濃度状態に基づき、弁３２ａの開度を制御する。

一方、本実施形態の直接液体燃料電池は、運転性能および運転効率の向上のため、システム内の水、熱および電力を管理するための装置をさらに備えることができる。すなわち、本明細書において説明する燃料電池本体は、基本的に、セミパッシブ型またはアクティブ型の燃料電池スタックと共に、水、熱および電力を管理するための装置のうちいずれか１つ以上を備えることができる。前述した水、熱および電力を管理するための装置は、燃料タンクから高濃度の燃料を受けて貯蔵し、燃料電池本体から未反応燃料および水を受けて貯蔵し、貯蔵された燃料を燃料電池スタックのアノードに供給可能な混合タンクと、水を貯蔵し、貯蔵された水を燃料電池スタックまたは混合タンクに供給可能な水供給装置と、燃料電池スタックまたは燃料電池スタックから出力される流体の熱を利用または回収する熱交換器と、燃料電池スタックの出力を変換する電力変換装置と、起動および過負荷時に要求される電力を供給する補助電源と、補助電源を充電するための充電回路と、温度や流量などを検知する各種センサとを備えることができる。

以下では、本実施形態の直接液体燃料電池の作動過程を、図５を参照して説明する。なお、図５は、本実施形態に係る直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法を示すフローチャートである。

図４および図５を参照すると、制御装置４０ａは、まず、燃料電池本体２０の出力側に定電流ダイオード５３が直列接続するように、スイッチング装置５４をオン状態に制御し、燃料電池本体２０の単位面積当たりの出力電流を瞬間的に低いレベルに下げて制限する（ステップＳ２０）。

次いで、制御装置４０ａは、電流密度の急激な変化に反応する燃料電池本体２０の出力電圧を検知する。このとき、制御装置４０ａは、反応初期の初期出力電圧から増加した後、安定化する新たな出力電圧と共に、初期出力電圧と新たな出力電圧との間の過渡電圧を検知する（ステップＳ２２）。

さらに、制御装置４０ａは、検知された過渡電圧と新たな出力電圧とを比較する（ステップＳ２４）。比較の結果、過渡電圧が新たな出力電圧以下であれば、液体燃料の濃度が増加するように燃料を追加供給する（ステップＳ２６）。また、比較の結果、過渡電圧が新たな出力電圧より大きければ、液体燃料の濃度がそのまま維持されるように現在の燃料の供給状態を維持する（ステップＳ２８）。

ここで、図６に基づいて、本実施形態の直接液体燃料電池に適用可能な制御装置について説明する。なお、図６は、本実施形態の直接液体燃料電池に適用可能な制御装置を示すブロック図である。

本実施形態の制御装置は、図６に示すように、マイクロプロセッサ１００と、マイクロプロセッサ１００に燃料電池の出力電流および出力電圧に関する情報を提供するセンサ部とから構成することができる。また、制御装置は、マイクロプロセッサ１００の制御により燃料電池に結合される定電流回路部をさらに備えることができる。

マイクロプロセッサ１００は、計算を実行するためのＡＬＵ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ Ｌｏｇｉｃ Ｕｎｉｔ）１１０と、データおよびコマンドの一時格納のためのレジスタ１１２と、燃料電池システムの動作を制御するコントローラ１１４とを備える。マイクロプロセッサ１００は、入力端１１６に入力される信号を検知し、検知された信号に基づき、燃料電池システムの運転制御のための制御信号を生成し、出力端１１８を介して出力する。例えば、本実施形態のマイクロプロセッサ１００は、出力電流密度の階段状の低下に反応する燃料電池スタックの出力電圧の推移をレジスタ１１２に格納した後、格納された値をＡＬＵ１１０で比較する。そして、現在の燃料電池スタックのアノードに供給される液体燃料濃度の適不適を判別した後、判別した燃料の濃度状態に基づき、コントローラ１１４により制御信号を生成する。生成された制御信号に基づいて燃料濃度を調節することにより、小型燃料電池システムの安定性および信頼性を向上させることができる。

マイクロプロセッサ１００の入力端１１６には、燃料電池スタックや燃料電池周辺装置（ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｐｌａｎｔｓ：ＢＯＰ）１３８の温度を検出する温度センサ１２４の出力信号と、燃料タンク、混合タンク、水タンクに貯蔵される流体のレベルを検出するレベルセンサ１２８の出力信号と、燃料電池スタックの電圧または電流を検出するセンサ１３０の出力信号と、２次電池やスーパーキャパシタのような補助電源の電圧および電流を検出するセンサ１３２の出力信号と、アナログ−デジタル変換器やデジタル−アナログ変換器、またはデジタル−デジタル変換器のような電力変換装置の１次側または２次側電圧および電流を検出するセンサ１３４の出力信号と、が入力される。ここで、特定のセンサの出力信号は、増幅器１２６によって増幅された後、入力端１１６に入力される。

マイクロプロセッサ１００の出力端１１８を介してＢＯＰ１３８に伝達される制御信号は、ＢＯＰ１３８に直接伝達されるか、あるいはＢＯＰ１３８の動作を制御するＢＯＰドライバを介して伝達することができる。ＢＯＰドライバは、システム効率の向上のため、低電力ドライバ１３６で実現可能である。ＢＯＰ１３８は、第１ポンプ１４０、第２ポンプ１４２、ファン１４４、およびスイッチング装置１４６の少なくともいずれか１つを備えることができる。第１ポンプ１４０は、燃料タンクに貯蔵された液体燃料を直接燃料電池スタックに供給する、あるいは混合タンクを介して燃料電池スタックに供給する燃料ポンプに対応する。第２ポンプ１４２は、燃料電池スタックに空気などの酸化剤を供給する空気ポンプに対応する。ファン１４４は、システム内の水および燃料の熱交換や温度調節のための熱交換装置に対応する。そして、スイッチング装置１４６は、定電流回路部を燃料電池スタックの出力端子に接続させるための装置に対応する。

このようなマイクロプロセッサ１００は、デジタル社の「Ａｌｐｈａ」、ＭＩＰＳテクノロジーズ、ＮＥＣ、ＩＤＴ、シーメンスなどの「ＭＩＰＳ」、インテル、サイリックス、ＡＭＤ、およびネクストジェンなどの「ｘ８６」、およびＩＢＭ、モトローラの「ＰｏｗｅｒＰＣ」のような、様々なアーキテクチャーを有するプロセッサのうち、少なくとも１つで実現可能である。そして、入力端１１６は、アナログ−デジタル変換器で実現可能であり、出力端１１８は、デジタル−アナログ変換器および／または出力バッファで実現可能である。

なお、本実施形態では、制御装置がマイクロプロセッサで実現された場合を一例として説明した。しかし、本発明はかかる例に限定されず、高性能マイクロプロセッサの代わりに、センサ部から入力される信号を比較するための比較部と、比較部からの出力信号の大きさに応じて燃料濃度を高くする、または維持するための作動制御部とが、論理回路により実現された制御装置を備えることができる。このような変形例は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者にとって自明な事項である。

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詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、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、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の第１の実施形態にかかる直接液体燃料電池を示す概略説明図である。 同実施形態にかかる直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法を示すフローチャートである。 同実施形態にかかる直接液体燃料電池の燃料濃度を制御する方法を具体的に説明するための説明図である。 同実施形態にかかる直接液体燃料電池の燃料濃度を制御する方法を具体的に説明するための説明図である。 同実施形態にかかる直接液体燃料電池の出力電圧と燃料濃度との関係を説明するための説明図である。 同実施形態にかかる直接液体燃料電池の出力電圧と燃料供給速度との関係を説明するための説明図である。 本発明の第２の実施形態にかかる直接液体燃料電池を示す概略説明図である。 同実施形態にかかる直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法を示すフローチャートである。 同実施形態にかかる直接液体燃料電池に適用可能な制御装置を示すブロック図である。

符号の説明

１０、１０ａ 直接液体燃料電池
２０ 燃料電池本体
３０ 燃料タンク
３２ 燃料ポンプ
３２ａ 弁
３３ 空気ポンプ
４０、４０ａ、１００ 制御装置
５１ 電流センサ
５２ 電圧センサ
５３ 定電流ダイオード
５４ スイッチング装置
６０ 外部負荷

Claims (14)

1. （ａ）燃料電池スタックの出力電流および出力電圧を監視して、前記出力電流の電流密度が所定の大きさ以上低下し、所定時間維持されたことを検知するステップと、
   （ｂ）前記電流密度が低下する直前の初期出力電圧から、前記電流密度の低下に反応して増加した後に維持される新たな出力電圧になるまでを検知するステップと、
   （ｃ）前記初期出力電圧と新たな出力電圧との間において検知される過渡電圧を、前記新たな出力電圧と比較するステップと、
   （ｄ）前記過渡電圧が前記新たな出力電圧以下である場合、前記燃料電池スタックに供給される液体燃料の濃度を増加させるステップと、
   を含むことを特徴とする、直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法。
2. 前記過渡電圧が前記新たな出力電圧より大きい場合、前記燃料電池スタックに供給される前記液体燃料の濃度をそのまま維持するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法。
3. 前記出力電流の電流密度の所定の大きさは、４０ｍＡ／ｃｍ^２より大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法。
4. 前記所定時間は、２秒以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法。
5. 前記液体燃料は、メタノール水溶液を含み、
   前記燃料濃度の適正範囲は、０．５モル濃度より大きく、２モル濃度以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法。
6. （ａ）燃料電池スタックの出力電流密度が所定の大きさ以上低下するように出力電流を制限するステップと、
   （ｂ）前記電流密度を制限する直前の初期出力電圧から、前記電流密度の低下に反応して増加した後に維持される新たな出力電圧になるまでを検知するステップと、
   （ｃ）前記初期出力電圧と前記新たな出力電圧との間において検知される過渡電圧を、前記新たな出力電圧と比較するステップと、
   （ｄ）前記過渡電圧が前記新たな出力電圧以下である場合、前記燃料電池スタックに供給される液体燃料の濃度を増加させるステップと、
   を含むことを特徴とする、直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法。
7. 前記（ａ）ステップは、前記燃料電池スタックと外部負荷との間に定電流回路部を接続するステップを含むことを特徴とする、請求項６に記載の直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法。
8. 前記定電流回路部は、前記燃料電池スタックと外部負荷との間に直列接続される定電流ダイオードを有することを特徴とする、請求項７に記載の直接液体燃料電池の燃料濃度制御方法。
9. 燃料電池スタックのアノードに直接供給される液体燃料の濃度を制御する直接液体燃料電池の燃料濃度制御装置であって、
   前記燃料電池スタックの出力電流密度を階段状に低下させる定電流回路部と、
   前記電流密度が低下する直前の初期出力電圧から、前記初期出力電圧から増加した後に安定して維持される新たな出力電圧になるまでを検知するセンサ部と、
   前記初期出力電圧と前記新たな出力電圧との間において検知される過渡電圧と、前記新たな出力電圧とを比較する比較部と、
   前記過渡電圧が前記新たな出力電圧以下である場合に前記燃料電池スタックに供給される前記液体燃料の濃度を高くする作動制御部と、
   を備えることを特徴とする、直接液体燃料電池の燃料濃度制御装置。
10. 前記定電流回路部は、前記燃料電池スタックと外部負荷との間に直列接続される定電流ダイオードを備えることを特徴とする、請求項９に記載の直接液体燃料電池の燃料濃度制御装置。
11. 燃料電池スタックのアノードに直接供給される液体燃料の濃度を制御する直接液体燃料電池の燃料濃度制御装置であって、
    プログラムが格納されるメモリと、
    前記メモリに結合されて前記プログラムを実行するプロセッサと、
    を備え、
    前記プロセッサは、
    前記プログラムにより、所定の電流密度レベルより低い電流密度レベルに変化させる試験電流を前記燃料電池スタックから出力させ、前記燃料電池スタックから前記試験電流に応じて高くなる新たな出力電圧を検知し、前記新たな出力電圧に到達する前の過渡電圧が前記新たな出力電圧以下である場合、前記液体燃料の濃度を所定の大きさだけ増加させることを特徴とする、直接液体燃料電池の燃料濃度制御装置。
12. 前記プロセッサは、前記燃料電池スタックと外部負荷との間に定電流ダイオードを直列接続されたスイッチング装置を制御して、前記試験電流を発生させることを特徴とする、請求項１１に記載の直接液体燃料電池の燃料濃度制御装置。
13. アノード、カソード、および前記アノードと前記カソードとの間に位置する電解質を備え、前記アノードに供給される液体燃料と前記カソードに供給される酸化剤との電気化学的反応により電気エネルギーを生成する燃料電池スタックと、
    該燃料電池スタックに前記液体燃料を供給する燃料供給装置と、
    前記燃料電池スタックに供給される前記液体燃料の濃度を調節するために前記燃料供給装置を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記燃料電池スタックの出力電流密度を階段状に低下させる定電流回路部と、
    前記出力電流密度が低下する直前の前記燃料電池スタックの初期出力電圧から、前記初期出力電圧から増加した後に安定して維持される新たな出力電圧になるまでを検知するセンサ部と、
    前記初期出力電圧と前記新たな出力電圧との間において検知される過渡電圧と、前記新たな出力電圧とを比較する比較部と、
    前記過渡電圧が前記新たな出力電圧以下である場合、前記燃料電池スタックに供給される前記液体燃料の濃度を高くする作動制御部と、
    を備えることを特徴とする、直接液体燃料電池。
14. 前記定電流回路部は、前記制御装置の制御信号に応答し、前記燃料電池スタックと外部負荷との間に直列接続される定電流ダイオードを備えることを特徴とする、請求項１３に記載の直接液体燃料電池。
    
    

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