JP2009205824A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池発電部の温度上昇に対応できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、電解質膜／電極接合体による発電部、発電部のアノード側に燃料を供給するポンプ、発電部のカソード側に酸素を供給するユニット、及び発電部の規定値より高い温度の検知に応答して、発電部のアノード側より発電部に水を供給する流路を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜/電極接合体と拡散層で構成されるMEA（Membrane Electrode Assembly）のアノード側で液体の燃料が酸化され、カソードで酸素が還元される燃料電池に関する。

最近の電子技術の進歩によって、電話器、ノート型パソコン、オーデオ・ビジュアル機器、カムコーダ、あるいは個人情報端末機器などの携帯電子機器が急速に普及している。従来、こうした携帯用電子機器は二次電池によって駆動するシステムであり、シール鉛蓄電池からNi／Cd電池、Ni／水素電池、さらにはLiイオン二次電池へと新型の高エネルギー密度二次電池の出現により、携帯機器はより小型・軽量化が進み、一方では携帯機器の高機能化が図られてきた。何れの二次電池においても、中でもLiイオン二次電池についてはエネルギー密度をより一層高めるために、電池活物質の開発や高容量電池構造の開発が進められ、より一充電での使用時間の長い電源を実現する努力が払われている。

然しながら、二次電池は一定の電力を使用したあとに、必ず充電操作を必要とし、充電設備と比較的長い充電時間が必要となるため、携帯機器を何時でも、何処でも、長時間にわたって連続的に駆動するには多くの問題が残されている。今後、携帯機器は増加する情報量とその高速化、高機能化に対応して、より高出力密度で高エネルギー密度の電源、すなわち、連続駆動時間の長い電源を必要とする方向に向かっており、充電を必要としない小型発電機、即ち、容易に燃料補給ができるマイクロ発電機の必要性が高まっている。

こうした背景から、上記要請に応え得るものとして燃料電池電源が考えられる。燃料電池は少なくとも固体又は液体の電解質及び所望の電気化学反応を誘起する二個の電極、アノード及びカソードから構成され、その燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに高効率で変換する発電機である。燃料には化石燃料或いは水などから化学変換された水素、通常の環境で液体或いは溶液であるメタノール、アルカリハイドライドやヒドラジン又は加圧液化ガスであるジメチルエーテルが用いられ、酸化剤ガスには空気又は酸素ガスが用いられる。燃料はアノードにおいて電気化学的に酸化され、カソードでは酸素が還元されて、両電極間には電気的なポテンシャルの差が生じる。このときに外部回路として負荷が両極間にかけられると電解質中にイオンの移動が生起し外部負荷には電気エネルギーが取り出される。このために各種の燃料電池は、火力機器代替の大型発電システム、小型分散型コージェネレーションシステムやエンジン発電機代替の電気自動車電源としての期待は高く、実用化開発が活発に展開されている。

こうした燃料電池の中でも、液体燃料を使用する直接型メタノール燃料電池（DMFC：Direct Methanol Fuel Cell）(特許文献１)やメタルハイドライド、ヒドラジン燃料電池は燃料の体積エネルギー密度が高いために小型の可搬型又は携帯型の電源として有効なものととして注目され、中でも取り扱いが容易で、近い将来バイオマスからの生産も期待されるメタノールを燃料とするDMFCは理想的な電源システムといえる。

固体高分子膜電解質型燃料電池発電（PEM-FC：Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell）システムは一般的に固体高分子電解質膜の両面に多孔質のアノード及びカソードを配した単位電池を直列及び必要に応じて並列に接続した電池、燃料容器、燃料供給装置と空気又は酸素供給装置から構成される。特に液体燃料を用いるDMFCのような燃料電池を携帯機器用電源として用いるためには、より出力密度の高い電池を目指して電極触媒の高性能化、電極構造の高性能化、燃料クロスオーバー（浸透）の少ない固体高分子膜の開発などの努力が払われているとともに、燃料ポンプや空気ブロアの小型化の極限技術追求、燃料供給ポンプ、空気供給ブロアなどの補機動力を必要としないシステムも追求されている。

特開2007-273388

電解質膜/電極接合体の破損,燃料濃度の異常,外部環境温度上昇,電池システムの誤作動などにより電池発電部の温度が上昇した場合、燃料電池システム全体の発煙・発火など重大な事故が発生する可能性や、人体に対して火傷などの危険が発生する可能性がある。したがって、電池発電部の温度上昇に対応できる冷却技術を適用した燃料電池システム及びその制御方法が必要となる。

本発明の燃料電池システムは、電解質膜／電極接合体による発電部、発電部のアノード側に燃料を供給するポンプ、発電部のカソード側に酸素を供給するユニット、及び発電部の規定値より高い温度の検知に応答して、発電部のアノード側より発電部に水を供給する流路を有する。

本発明の他の態様としての燃料電池制御方法は、電解質膜／電極接合体による発電部のアノード側に燃料を供給するポンプを起動し、発電部のカソード側に酸素を供給するユニットを制御し、発電部の規定値より高い温度の検知に応答して、発電部のアノード側より発電部に水を供給する。

本発明の望ましいさらに他の態様は、アノード側より水を供給する方向と燃料を供給する方向とを逆方向とする。

本発明の望ましいさらに他の態様は、アノード側に燃料を供給するポンプを用いて、アノード側に水を供給する。

本発明によれば、異常発熱した電池発電部を水により冷却することで、安全な燃料電池システムを提供できる。

以下に本発明に係る実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。本実施の形態に用いられるメタノールを燃料とする燃料電池では、以下に示す電気化学反応でメタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。電解質膜／電極接合体による燃料電池スタックのアノード側では供給されたメタノール水溶液が（１）式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）
生成された水素イオンは電解質膜中をアノードから燃料電池スタックのカソード側に移動し、カソード電極上で空気中から拡散してきた酸素ガスと電極上の電子と（２）式に従って反応して水を生成する。
６Ｈ⁺＋３／２Ｏ₂＋６ｅ^- → ３Ｈ₂Ｏ …（２）
従って発電に伴う全化学反応は（３）式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水とを生成し、化学反応式はメタノールの火炎燃焼と同じになる。
ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂ → ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ …（３）
単位電池の開路電圧は概ね１.２Ｖで燃料が電解質膜を浸透する影響で実質的には０.８５〜１.０Ｖであり、特に限定されるものではないが実用的な負荷運転の下での電圧は０.２〜０.６Ｖ程度の領域が選ばれる。したがって実際に電源として用いる場合には負荷機器の要求に従って所定の電圧が得られるように単位電池を直列接続して用いられる。単電池の出力電流密度は電極触媒，電極構造その他の影響で変化するが、実効的に単電池の発電部面積を選択して所定の電流が得られるように設計される。また、適宜、並列に接続することで電池容量を調整する。

図１は、冷却ポンプを有した燃料電池システムの構成例である。燃料電池スタック（電池発電部）10は、カソード側入口12、カソード側出口13、アノード側入口14及びアノード側出口15に各々出入口部材を有する。なお、入口と出口とは、後述する燃料及び空気(酸素)の入出に対応させた呼称として用いる。

本実施例の燃料電池システムは40〜50wt%のメタノール水溶液を高濃度燃料タンク1に、燃料濃度調整用に純水を水タンク2に有し、制御ユニット9が高濃度燃料供給ポンプ4及び水供給ポンプ5を起動し、概ね2〜5%程度の燃料に調合する。調合された燃料は燃料調合混合タンク3に貯えられる。高濃度燃料供給ポンプ4及び水供給ポンプ5は、燃料濃度センサや燃料消費バランス、残り燃料体積及び時間などに基づいて、制御ユニット9により制御される。本燃料電池システムでは、制御ユニット9により制御された空気供給ユニット８より空気(酸素)を燃料電池スタック10のカソード側入口12に強制的に供給する。燃料電池出力及び温度制御のために空気供給量を可変にできるように、制御ユニット9はファンやブロア空気ポンプの流量を制御している。

定常時は、図中の実線矢印で示すように、制御ユニット9は高濃度燃料供給ポンプ４及び水供給ポンプ５を起動し、所定の濃度の燃料を燃料調合混合タンク3に作製する。その後、制御ユニット9は燃料供給ポンプ7を起動し、所定濃度の燃料をアノード側入口14より燃料電池スタック10へ供給する。燃料電池スタック10を通過した燃料はアノード側出口15より外部へ排出され、燃料調合混合タンク3へ戻る。このとき、弁11は燃料が燃料調合混合タンク3へ戻るように制御ユニット9によって制御されている。

燃料電池スタック10内の温度監視センサ16が、何らかの異常による規定以上の温度(異常温度)を検出した場合、制御ユニット9は燃料供給ポンプ７を停止し、冷却水供給ポンプ6を起動することによって、図中の鎖線矢印で示すように、アノード側出口15より水を燃料電池スタック10に供給する。このとき、弁11は水が燃料調合混合タンク3へ流れないように制御ユニット9によって制御されている。温度監視センサ16などから制御ユニット9へのセンサ信号及び制御ユニット9から各制御対象への制御信号線は、点線で図中に示す。

本実施例によれば、異常温度検出に対応して、制御ユニット9により制御され、設けられた流路を用いて水を燃料電池スタック10に供給することにより、異常発熱を防ぎ、発煙・発火及び火傷など外部環境、人体への事故を防止できる。

図2は、ポンプ逆回転式燃料電池システムの構成例である。本実施例の燃料電池システムは、燃料供給ポンプ７を逆回転させて、実施例１の冷却水供給ポンプ6の役割を果たすように構成したものである。したがって、実施例１の冷却水供給ポンプ6を除き、燃料供給ポンプ７を冷却水供給のために兼用する構成であり、定常時の燃料や水の流路も実施例１と類似であるので、説明を省略する。ただし、弁17を設け、定常時にアノード側出口15より外部へ排出された燃料が燃料調合混合タンク3へ戻るように制御ユニット9によって制御されている。

燃料電池スタック10内の温度監視センサ16が、何らかの異常による規定以上の温度を検出した場合、制御ユニット9は燃料供給ポンプ7を逆回転させ、図中の鎖線矢印で示すように、アノード側出口15より水を燃料電池スタック10に供給する。このとき、弁17は水タンク2より水を燃料電池スタック10に供給できるように制御ユニット9によって制御されている。

本実施例によれば、異常温度検出に対応して、燃料電池スタック10に水を供給することにより異常発熱を防ぎ、発煙・発火及び火傷など外部環境、人体への事故を防止できる。更に本実施例は、実施例1に比べてポンプの数を減らすことができ、配管も簡素化できる。このためシステムの小型化やコストダウンにつながる。

なお、実施例1及び実施例2共に、アノード側出口15より水を燃料電池スタック10に供給するのは、アノード側入口14付近よりアノード側出口15付近の方が高温になるためである。そのために、燃料電池スタック10において定常時に燃料が流れる方向と異常時に水が流れる方向とを逆にしている。また、カソード側出入口を使用せずに、異常時に水を、アノード側出口15より燃料電池スタック10に供給するのは、カソード側に比べてアノード側の方が高温になるためである。このように異常時に水をアノード側出口15より燃料電池スタック10に供給することにより、冷却効果を向上させている。

実施例1及び実施例2によれば、冷却のために水を用いるので、安全な燃料電池システムを提供できる。また、水は燃料濃度調整用の水やカソード側で生成される生成水であるので、特別な冷却方式や部材を用いることなく冷却でき、コスト低減にも効果がある。

冷却ポンプ付燃料電池システムの構成例である。 ポンプ逆回転式燃料電池システムの構成例である。

符号の説明

１：高濃度燃料タンク、２：水タンク、３：燃料調合混合タンク、４：高濃度燃料供給ポンプ、５：水供給ポンプ、６：冷却水供給ポンプ、７：燃料供給ポンプ、８：空気供給ユニット、９：制御ユニット、１０：燃料電池スタック、１１、１７：弁、１２：カソード側入口、１３：カソード側出口、１４：アノード側入口、１５：アノード側出口、１６：温度監視センサ。

Claims (10)

1. 電解質膜／電極接合体による発電部、
   前記発電部のアノード側に燃料を供給するポンプ、
   前記発電部のカソード側に酸素を供給するユニット、及び
   前記発電部の規定値より高い温度の検知に応答して、前記発電部の前記アノード側より前記発電部に水を供給する流路を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記アノード側より前記水を供給する方向と前記アノード側より前記燃料を供給する方向とが逆方向であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
3. 前記アノード側に前記燃料を供給する前記ポンプが、前記アノード側に前記水を供給することを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
4. 前記アノード側に前記燃料を供給する場合と前記アノード側に前記水を供給する場合とに対応して、前記ポンプを逆回転させることを特徴とする請求項3記載の燃料電池システム。
5. 前記アノード側より供給する前記水は、前記燃料の濃度を調整するための燃料濃度調整用水であることを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
6. 電解質膜／電極接合体による発電部のアノード側に燃料を供給するポンプを起動し、
   前記発電部のカソード側に酸素を供給するユニットを制御し、
   前記発電部の規定値より高い温度の検知に応答して、前記発電部の前記アノード側より前記発電部に水を供給することを特徴とする燃料電池制御方法。
7. 前記アノード側より前記水を供給する方向と前記アノード側より前記燃料を供給する方向とが逆方向であることを特徴とする請求項6記載の燃料電池制御方法。
8. 前記アノード側に前記燃料を供給する前記ポンプを、前記アノード側に前記水を供給するポンプとして制御することを特徴とする請求項7記載の燃料電池制御方法。
9. 前記アノード側に前記燃料を供給する場合と前記アノード側に前記水を供給する場合とに対応して、前記ポンプを逆回転させることを特徴とする請求項8記載の燃料電池制御方法。
10. 前記アノード側より供給する前記水は、前記燃料の濃度を調整するための燃料濃度調整用水であることを特徴とする請求項7記載の燃料電池制御方法。

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