JP2010153276A

JP2010153276A - 燃料電池用濃度検出システム、及び、燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2010153276A
Application number: JP2008331820A
Authority: JP
Inventors: Mitsugi Nakahara; 貢中原; Shinsuke Ando; 慎輔安藤; Katsunori Nishimura; 勝憲西村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】
燃料電池に供給する燃料の濃度を検出する燃料電池用濃度検出システムにおいて、電池反応に伴う副生成物によって変化した燃料濃度検出器の検出感度の補正を行い、より正確な燃料濃度の検出が可能な燃料電池用濃度検出システムを提供することを目的とする。
【解決手段】
燃料濃度が既知である高濃度液体燃料と純水や低濃度液体燃料によって濃度検出器の検出感度をそれぞれ補正し、得られた燃料濃度の検出感度の特性に基づいて測定対象のメタノール燃料濃度を検出する構成とする。この構成により、電池反応に伴う副生成物によって変化した燃料濃度検出器の検出感度が補正できるため、スタックへ供給される高濃度液体燃料と純水や低濃度液体燃料とで希釈したメタノール燃料の濃度を正確に検出するが可能となり、スタックは適切な燃料濃度の供給を受けて発電できるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池電源システムにおいて、発電部分である燃料電池に供給する燃料の濃度を検出する燃料電池用濃度検出システムと、この燃料電池用濃度検出システムを備えた燃料電池電源システムに関する。

次世代の電源システムとして、燃料電池が注目されている。燃料電池は、化学エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換できることから、高効率な電源システムとして期待されている。従来においては、移動体用や定置用の燃料電池として、水素を燃料とするＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）を中心に、各方面でその実用化開発が進められている。

一方、メタノールを燃料とする燃料電池であるＤＭＦＣ（ダイレクトメタノール形燃料電池）は、燃料の取り扱い性の容易さから携帯機器用燃料電池として、その実用化が望まれている。また、燃料電池の性質上、従来の二次電池を用いた電源システムとは異なって充電が不要であり、発電機として分類されることから、可搬型電源としての用途が考えられる。

ＤＭＦＣ電源システムは、電解質膜として機能する固体高分子膜に触媒とカーボンを調合，塗布し電極部を形成した発電部分に対する燃料や空気の供給方式により、大きくパッシブ型とアクティブ型の２つに分類することができる。

すなわち、パッシブ型ＤＭＦＣ電源システムは、発電部分であるＭＥＡ（膜電極接合体）へ燃料であるメタノール、及び酸素を含む空気をそれぞれ燃料供給ポンプや空気供給ファンなどの補機を使用しないで、自然拡散などの方法で供給するものである。燃料供給ポンプや空気供給ファンなどの補機を使用しないことから、燃料電池電源システムの小型軽量化が可能となり、携帯機器用電源として開発が進められている。

一方、アクティブ型ＤＭＦＣ電源システムは、燃料供給ポンプや空気供給ファンなどの補機を使用してＭＥＡに強制的に燃料及び空気を供給するものである。燃料及び空気を強制的に供給することにより、ＭＥＡでの燃料や空気の拡散供給を促進することができる。また、電池反応によって発生する二酸化炭素や反応生成水をＭＥＡ外部に排出可能である。これにより、高電流密度領域まで安定的に発電を実現することができる。これらのことから、アクティブ型ＤＭＦＣ電源システムは、電源システムとして機器構成は複雑になるものの高出力の燃料電池電源システムが実現できる。

アクティブ型ＤＭＦＣ電源システムにおいては、必要としている電力に対して単セルでは発生電力が少ないために複数のセルを積層したスタックを使用することが一般的である。

パッシブ型及びアクティブ型ＤＭＦＣ電源システムにおける電池反応は以下にて示される。

（アノード反応）ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-
（カソード反応）３／２Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- → ３Ｈ₂Ｏ
（全体反応）ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂ → ２Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂
すなわち、ＤＭＦＣ電源システムにおいては、アノード反応では水とメタノールの両方が必要であり、また、カソード反応においては酸素が必要となる。従って、パッシブ型及びアクティブ型ＤＭＦＣ電源システムでは、水，メタノール及び酸素を供給することで電池反応を発生させ、この電池反応により発電するものである。ＤＭＦＣ発電システムにおいて、発電部分であるＭＥＡへの水及びメタノールの供給方法としては、以下のようになる。先ず、ＭＥＡに対しては燃料及び空気を独立して供給する必要がある。複数のセルを積層してスタックを構成する場合においては、燃料と空気とを分離するために燃料及び空気の流路を有するセパレータを設ける。このセパレータはカーボンや金属などの導電性材料を用いることにより、燃料や空気の流体は分離しながら複数のセルを電気的に直列接続することができる。

ＤＭＦＣ発電システムにおいては、例えば、燃料として高濃度のメタノールをカートリッジやタンクに燃料の消費に応じて外部から補給する。高濃度のメタノールの補給により、長時間の連続発電を実現することが可能となる。一方、スタックへの燃料供給においては、ＭＥＡのメタノールクロスオーバによる燃料の損失と発熱の抑制，メタノールに対するＭＥＡの健全性確保の観点から適切な燃料濃度が存在する。従って、高濃度のメタノール燃料に対し、予めカートリッジやタンクに用意した純水や非常に低濃度のメタノール水溶液で希釈し、適切なメタノールの濃度に調整したうえでスタックへ供給する。高濃度のメタノール燃料を希釈するための純水は、前述した電池反応で生成した水を回収して使用することもできる。

スタックへ供給したメタノール燃料は、そのメタノールと水の一部は電池反応とそれに伴う発電に使用されて消費され、また、ごく一部はＭＥＡのメタノールクロスオーバと水のクロスオーバとしてＭＥＡを透過する。これらの電池反応による発電及びメタノールや水のクロスオーバによる透過にて消費されなかったメタノールと水はスタックから排出される。従って、スタックでのメタノール及び水の消費分を補給して所定のメタノール濃度に調整した後に、再びスタックに供給される。

このとき、希釈したメタノール水溶液の濃度は、メタノールの密度，屈折率，音波の伝播時間などの濃度依存性を利用した燃料濃度検出器にて検出され、このメタノール濃度検出信号に基づいて、予め設定されたメタノール濃度に希釈された後にスタックへ燃料が供給されることになる（例えば、特許文献１等）。

以上のようなスタックに対する詳細な燃料や空気の供給方法、及び燃料であるメタノール濃度の検出器に関しては、たとえば、携帯機器用燃料電池システムとセンサ（次世代センサ協議会第５０回研究会、２００７年７月２３日）にて記述されている。

特表２００５−５３１８８９号公報

ＤＭＦＣ発電システムにおいては、前述したように、スタックへ燃料を供給する際にはＭＥＡのメタノールクロスオーバによる燃料の損失と発熱の抑制，スタックの安定発電のための限界燃料濃度，メタノールに対するＭＥＡの健全性確保の観点から適切な燃料濃度が存在する。従って、高濃度のメタノール燃料を予め用意した純水や非常に低濃度のメタノール水溶液で希釈し、適切なメタノールの濃度範囲に調整したうえでスタックへ供給する必要がある。電池反応による発電及びメタノールや水のクロスオーバによる透過にて消費されなかったメタノールと水はスタックのアノード側から外部へ排出される。従って、スタックでのメタノール及び水の消費分が補給されて所定のメタノール濃度範囲に調整された後に、再びスタックに供給される。この時、メタノール及び水の補給量を決定するための濃度検出信号は、メタノールに感度を有する燃料濃度検出器で検出される。

燃料電池のアノード側の電池反応では、前述したように、メタノールと水が反応し水素イオンと電子と二酸化炭素が生成する。このアノード側電池反応の過程においては、その中間反応生成物として蟻酸，蟻酸メチル、あるいはホルムアルデヒドなどの副生成物が発生することが知られている。特に、蟻酸に関しては、燃料電池を構成している部材に対する腐食などの影響を考慮する必要がある。

メタノール水溶液の濃度は、メタノールの密度，屈折率，音波の伝播時間などの濃度依存性を利用した燃料濃度検出器にて検出され、このメタノール濃度検出信号に基づいてスタックへ供給される燃料は、予め設定されたメタノール濃度範囲に希釈された後に供給されることになる。従って、スタックへ再び供給するメタノール水溶液は、スタックのアノード側から排出されたメタノール水溶液に対してメタノール及び水を補給することになり、その際に燃料濃度検出器も低濃度ではあるが蟻酸の環境にさらされることになる。その結果として、燃料濃度検出器の構成材料及び検出方法によっては、燃料濃度検出器のゼロ点のドリフト発生や検出感度が蟻酸等により影響され、あるいは、経年変化により正確なメタノール濃度の検出に支障をきたす場合がある。このため、燃料電池用濃度検出システムの課題としては、何らかの方法によって燃料濃度検出器の検出感度を補正し、スタックへ供給されるメタノール燃料の濃度を正確に検出する方法が求められている。

本発明は、燃料電池に供給する燃料の濃度を検出する燃料電池用濃度検出システムにおいて、電池反応に伴う副生成物によって変化した燃料濃度検出器の検出感度の補正を行い、より正確な燃料濃度の検出が可能な燃料電池用濃度検出システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、以下に示す燃料電池用濃度検出システムの構成によって燃料濃度検出器の検出感度を補正し、スタックへ供給されるメタノール燃料の濃度を正確に検出するものである。

すなわち、予め設定された濃度範囲で混合タンクから燃料電池の発電部分へ液体燃料を供給するために液体燃料濃度を測定する燃料電池用濃度検出システムにおいて、燃料濃度が既知の高濃度液体燃料と、純水を含めた低濃度液体燃料とが供給され、高濃度液体燃料と低粘度液体燃料が混合された希釈燃料を貯蔵する混合タンクと、前記混合タンクから前記燃料電池の発電部分へ供給される希釈燃料の一部が流量調節弁を介して供給され、前記希釈燃料の濃度を検出する濃度検出器とを有し、前記濃度検出器に前記高濃度液体燃料、及び、低濃度液体燃料を個別に供給できる構成としたことを特徴とする。また、上記システムにおいて、燃料濃度が既知の前記高濃度液体燃料と前記低濃度液体燃料によって前記濃度検出器の検出感度をそれぞれ補正し、検出感度を補正した前記濃度検出器によって燃料濃度が未知である前記希釈燃料濃度を検出することを特徴とする。従って、燃料濃度が既知であるこれらの高濃度液体燃料と純水や低濃度液体燃料によって濃度検出器の検出感度をそれぞれ補正でき、検出感度を補正した濃度検出器によって燃料濃度が未知である希釈燃料濃度を検出することが可能となる。

燃料濃度が既知の高濃度液体と純水や低濃度液体燃料の濃度検出器への供給方法は、以下となる。すなわち、燃料電池用濃度検出システムにおいて、燃料濃度が既知である高濃度液体燃料あるいは低濃度液体燃料を濃度検出器へ供給する場合には、前述した希釈燃料の一部の流量を調整するための流量調節弁を閉状態とし、燃料濃度が既知である燃料濃度に対する濃度検出器の検出感度をそれぞれ求める。また、燃料電池の発電部分へ混合タンクから希釈燃料として供給する配管を分岐して燃料電池の発電部分へ供給する希釈燃料の一部として濃度検出計に流量調節弁を介して供給し燃料濃度を検出する場合には、燃料濃度が既知である高濃度液体燃料あるいは低濃度液体燃料を濃度検出器へ供給することを停止し、さらに、流量調節弁を開状態として希釈燃料の燃料濃度を前述した既知の燃料濃度による検出感度を用いて燃料検出器を補正し検出する。

ＤＭＦＣ電源システムにおいて、電池反応により発生した生成水を利用して燃料濃度検出器の検出感度を補正する場合には、以下のような構成で実現できる。すなわち、予め設定された濃度範囲で混合タンクから燃料電池の発電部分へ液体燃料を供給するために液体燃料濃度を測定する燃料電池用濃度検出システムにおいて、高濃度液体燃料と燃料電池の発電に伴い発生する生成水とを濃度検出器に個別に供給するとともに濃度測定後の液体燃料を混合タンクに排出する構成とし、さらに、高濃度液体燃料に回収した生成水を混合タンクで混合した後に、燃料電池の発電部分へ混合タンクから希釈燃料として供給する配管を分岐して燃料電池の発電部分へ供給する希釈燃料の一部として濃度検出器に流量調節弁を介して供給する構成、なおかつ、回収した生成水を直接的に濃度検出器に生成水調節弁を介して供給する構成とする。燃料濃度が既知であるこれらの高濃度液体燃料と生成水によって濃度検出器の検出感度を補正し、検出感度を補正した濃度検出器によって燃料濃度が未知である希釈燃料濃度を検出する。

このとき、燃料濃度が既知の濃度液体と回収した生成水の濃度検出器への供給方法は、以下となる。すなわち、燃料電池用濃度検出システムにおいて、燃料濃度が既知である高濃度液体燃料あるいは回収した生成水を濃度検出器へ供給する場合には、前述した希釈燃料の一部の流量を調整するための流量調節弁を閉状態とし、濃度検出器による高濃度燃料及び生成水による燃料濃度の検出感度をそれぞれ求める。また、前述した燃料電池の発電部分へ混合タンクから希釈燃料として供給する配管を分岐して燃料電池の発電部分へ供給する希釈燃料の一部として濃度検出計に流量調節弁を介して供給し燃料濃度を検出する場合には、燃料濃度が既知である高濃度液体燃料あるいは生成水を濃度検出器へ供給することを停止し、さらに、流量調節弁を開状態として希釈燃料の燃料濃度を前述した既知の燃料濃度による検出感度を用いて燃料検出器を補正し検出する。

本発明により、電池反応に伴う副生成物によって変化した燃料濃度検出器の検出感度が補正できるため、スタックへ供給される高濃度液体燃料と純水や低濃度液体燃料とで希釈したメタノール燃料の濃度を正確に検出することが可能となり、スタックは適切な燃料濃度の供給を受けて発電できるようになる。

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。燃料電池の電解質膜のアノード側では、供給されたメタノール水溶液すなわちメタノール及び水が、（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＋３Ｈ₂Ｏ …（３）
単位電池の開路電圧は概ね１.２Ｖであるが、メタノール燃料が電解質膜を浸透するメタノールクロスオーバの影響で実質的には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発電状態（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。従って、実際に電源として用いる場合には、燃料電池電源システムに接続される負荷機器の要求にしたがって、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、さらに必要に応じて電圧変換回路により電圧調整される。

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、直列あるいは並列に接続することで電池容量を調整することが可能である。ＤＭＦＣ電源システムとしては、直並列に接続された複数の単電池に対し、メタノール燃料や水，空気を供給することで電源システムとして構成する。このとき、メタノールクロスオーバによる燃料の透過の抑制、メタノールによる電解質膜の健全性確保の観点から、直並列に接続された複数の単電池へ供給するメタノール燃料濃度には適正値が存在する。従って、メタノール濃度検出器を用いて直並列に接続された複数の単電池へ供給する燃料濃度を検出し、適正濃度のメタノール燃料を供給するように燃料濃度を調整することが必要となる。

以下、本発明の実施の形態にかかる燃料電池用濃度検出システムの実施例を詳細に説明する。

図１に本実施例にかかる燃料電池電源システムにおける燃料電池燃料検出システムの基本システムの構成を示す。図１において、燃料濃度検出器６に対して、既知の高濃度液体燃料１、既知濃度の純水あるいは低濃度液体燃料３が供給される構成である。また、未知濃度のメタノール燃料２も燃料濃度検出器６に供給可能である。これらの液体燃料１，２，３は、図示していないが流量駆動源をそれぞれの流体配管に持っている。燃料濃度検出器６を通過したメタノール燃料あるいは純水などの液体燃料は、濃度検出済みの液体燃料４として燃料濃度検出器６から排出される。燃料濃度検出器６にて検出されたメタノール濃度検出信号５は、メタノール燃料供給制御回路７に出力される。

以上に示した燃料電池用濃度検出システムにおいて、通常時は、既知の高濃度液体燃料１、及び、既知濃度の純水あるいは低濃度液体燃料３は、それぞれの流量駆動源が停止しており、未知濃度のメタノール燃料２のみが燃料濃度検出器６に供給される。従って、燃料濃度検出器６では、メタノール燃料濃度を検出し、メタノール濃度検出信号５としてメタノール燃料供給制御回路７に出力する。メタノール燃料供給制御回路７では、予め設定した燃料濃度に対して所定の濃度範囲内であるかを判定する。燃料濃度を判定した結果、燃料濃度が設定値より高濃度であれば純水あるいは低濃度液体燃料３の流量駆動源を起動し、未知濃度のメタノール燃料２と純水あるいは低濃度液体燃料３とを混合することで相対的に低濃度化を図る。これに対し、燃料濃度を判定した結果、燃料濃度が設定値より低濃度であれば高濃度液体燃料１の流量駆動源を起動し、未知濃度のメタノール燃料２と高濃度液体燃料１とを混合することで相対的に高濃度化を図る。

燃料電池の発電に伴い未知濃度のメタノール燃料２にギ酸等の副生成物が混入するような場合には、燃料濃度検出器６の燃料濃度検出感度が変化することがある。従って、燃料濃度検出器の長時間の使用に伴い、燃料濃度検出器６の検出感度を補正することが必要である。この燃料濃度検出器６の検出感度の補正は以下の方法による。先ず、既知濃度の高濃度液体燃料１のみを燃料濃度検出器６に供給する。燃料濃度が既知であるため、高濃度における燃料濃度検出器６のメタノール濃度検出信号５が求められる。次に、既知濃度の純水あるいは低濃度液体燃料３のみを燃料濃度検出器６に供給する。同様に燃料濃度が既知であるために、低濃度における燃料濃度検出器６のメタノール濃度検出信号５が求められる。これらの２つのメタノール濃度検出信号５に基づいて、メタノール燃料濃度に対する燃料濃度検出器６の検出感度の特性がメタノール燃料供給制御回路７で求められる。このようにして得られた燃料濃度検出器６の検出感度を用いて、未知濃度のメタノール燃料２の燃料濃度が検出されることになる。燃料濃度検出器６の検出感度の特性を求める時期については、累積発電時間での補正や定期的な補正など予め決めておくことで実現できる。

図２にＤＭＦＣ電源システムへの燃料電池用燃料検出システムを適用した実施例を示す。図２において、高濃度液体燃料カートリッジ９からは高濃度メタノール燃料１が高濃度メタノール燃料輸送ポンプ１０により駆動されて、燃料濃度検出器６に接続供給される。同様に、純水カートリッジ８からは純水あるいは低濃度液体燃料３が純水輸送ポンプ１１により駆動され、燃料濃度検出器６に接続供給される。これらの高濃度メタノール燃料輸送ポンプ１０及び純水輸送ポンプ１１は、通常時には停止している。燃料濃度検出器６から排出されたメタノール燃料などは、混合タンク１３に輸送される。混合タンク１３のメタノール燃料２２は燃料循環ポンプ１４でＤＭＦＣ電源システムのスタック１５に供給され、その一部は電池反応やメタノールクロスオーバで消費される。未反応のメタノール燃料２３は、スタックのアノード側から排出され再び混合タンク１３に戻される。燃料循環ポンプ１４とスタック１５とを接続する配管は分岐しており、燃料濃度測定対象となる未知のメタノール燃料２が分流される。前述した分岐配管には流量制御弁１６が接続されており、この流量制御弁１６は通常開状態となっている。従って、燃料濃度検出器６には、流量制御弁１６を介して未知濃度のメタノール燃料２が供給され、燃料濃度検出器６にてメタノール濃度検出信号５が得られる。メタノール燃料供給制御回路７では、メタノール濃度検出信号５から予め設定した燃料濃度に対して所定の濃度範囲内であるかを判定する。燃料濃度を判定した結果、燃料濃度が設定値より高濃度であれば純水あるいは低濃度液体燃料３の純水輸送ポンプ１１をポンプ起動信号１７で所定時間だけ起動し、未知濃度のメタノール燃料２と純水あるいは低濃度液体燃料３とを混合することで相対的に低濃度化を図る。これに対し、燃料濃度を判定した結果、燃料濃度が設定値より低濃度であれば高濃度液体燃料１の高濃度メタノール燃料輸送ポンプ１０をポンプ起動信号１８で所定時間だけ起動し、未知濃度のメタノール燃料２と高濃度液体燃料１とを混合することで相対的に高濃度化を図る。

ＤＭＦＣ発電システムにおいては、前述したように、スタック１５へ燃料を供給する際にはＭＥＡのメタノールクロスオーバによる燃料の損失と発熱の抑制，メタノールに対するＭＥＡの健全性確保の観点から適切な燃料濃度が存在する。従って、高濃度のメタノール燃料を予め用意した純水や非常に低濃度のメタノール水溶液で希釈し、適切なメタノールの濃度範囲に調整したうえでスタック１５へ供給する必要がある。電池反応による発電及びメタノールや水のクロスオーバによる透過にて消費されなかったメタノールと水はスタック１５のアノード側から排出される。従って、メタノール及び水のスタックでの消費分を補給されて所定のメタノール濃度範囲に調整された後に、再びスタック１５に供給される。この時、メタノール及び水の補給量を決定するためのメタノール濃度検出信号５は、メタノールに感度を有する燃料濃度検出器６で検出される。

メタノール水溶液の濃度は、メタノールの密度，屈折率，音波の伝播時間などの濃度依存性を利用した燃料濃度検出器６にて検出され、このメタノール濃度検出信号５に基づいてスタック１５への燃料は、予め設定されたメタノール濃度に混合タンク１３にて混合希釈された後に供給されることになる。従って、スタック１５へ再び供給するメタノール燃料の一部が分流されて燃料濃度検出器６に供給されるため、燃料濃度検出器６は低濃度ではあるが蟻酸の環境にさらされることになる。その結果として、燃料濃度検出器６の構成材料及び検出方法によっては、燃料濃度検出器６のゼロ点のドリフト発生や検出感度が蟻酸等により影響され、あるいは、経年変化により正確なメタノール濃度の検出に支障をきたす場合がある。このため、燃料濃度検出器６の検出感度を補正し、スタックへ供給されるメタノール燃料の濃度を正確に検出する必要がある。このため、燃料濃度検出器６は、以下の方法でメタノール燃料濃度に関する検出感度を補正する。

すなわち、ＤＭＦＣ電源システムの発電累計時間などから燃料濃度検出器６の検出感度を補正する必要があると判断された場合には、先ず、燃料濃度検出器６へ燃料を供給している流量制御弁１６を弁駆動信号１９により通常開状態から閉状態とする。この段階では、燃料濃度検出器６には、新たな燃料供給がない状態である。次に、高濃度燃料カートリッジ９に接続された高濃度メタノール燃料輸送ポンプ１０のみを駆動信号１８により所定時間だけ起動し、燃料濃度検出器６に高濃度液体燃料を供給する。燃料濃度が既知であるため、高濃度燃料に対する燃料濃度検出器６のメタノール濃度検出信号５が求められる。次に、純水あるいは低濃度カートリッジ８に接続された純水輸送ポンプ１１のみを駆動信号１７により所定時間だけ起動し、燃料濃度検出器６に純水あるいは低濃度液体燃料を先程と同様に供給する。燃料濃度が既知であるため、純水あるいは低濃度に対する燃料濃度検出器６のメタノール濃度検出信号５が求められる。なお、燃料濃度検出器６に純水あるいは低濃度燃料を高濃度燃料の後に供給することで、燃料濃度検出器６の耐メタノール性に関して使用上の条件緩和にもつなげることができる。

これらの２つのメタノール濃度検出信号５に基づいて、メタノール燃料濃度に対する燃料濃度検出器６の検出感度の特性がメタノール燃料供給制御回路７で求められる。その後は、燃料濃度検出器６へ燃料を供給している流量制御弁１６を弁駆動信号１９により閉状態から開状態とする。これにより再び、未知濃度のメタノール燃料が燃料濃度検出器６に供給され、新たに求められた燃料濃度検出器６の検出感度を用いて、未知濃度のメタノール燃料２の燃料濃度が検出されることになる。燃料濃度検出器６の検出感度の特性を求める時期については、累積発電時間での補正や定期的な補正など予め決めておくことで実現できる。

図３にＤＭＦＣ電源システムへの燃料電池用燃料検出システムを適用したその他の一実施例を示す。図２と異なる点は、高濃度メタノール燃料輸送ポンプ１０及び純水輸送ポンプの下流にそれぞれ流量電磁弁１００及び１１０を配置したことである。これにより、高濃度メタノール燃料輸送ポンプ１０及び純水輸送ポンプの下流のそれぞれ流量電磁弁１００及び１１０を連動させることにより、確実に高濃度液体燃料１及び純水あるいは低濃度液体燃料３とを個別に燃料濃度検出器６に供給できるようにした。

また、燃料濃度検出調整弁１６０を新たに燃料濃度検出器６と流量制御弁１６の間に設置した。これにより、未知濃度のメタノール燃料２２の燃料濃度を検出する必要がある場合には、この燃料濃度検出調整弁１６０を通常閉状態から開状態として燃料濃度検出器６に未知濃度のメタノール燃料２２を供給する構成である。

図４にＤＭＦＣ電源システムへの燃料電池用燃料検出システムを適用したその他の一実施例を示す。図２と異なる点は、燃料濃度検出器６の検出感度の純水による補正において、純水カートリッジを使用することなく電池反応により発生した生成水を回収し、その生成水により燃料濃度検出器６の検出感度の補正に活用する構成とした点である。

すなわち、図４において、高濃度液体燃料カートリッジ９０からは高濃度メタノール燃料２９０が高濃度メタノール燃料輸送ポンプ１９０により駆動されて、燃料濃度検出器６に接続供給される。同様に、スタック１５に供給されるカソード側空気３１は、スタック１５での電池反応に伴って生成する水を含んでから排出空気３２として排出され、生成水回収３９にて純水３４として回収される。回収された純水３４は、水回収ポンプ３５により三方制御弁３６を介して混合タンク１３に供給される。

高濃度メタノール燃料輸送ポンプ１９０は、通常時には停止している。また、三方制御弁３６は、通常時は混合タンク１３側が開状態である。混合タンク１３のメタノール燃料２２は燃料循環ポンプ１４でＤＭＦＣ電源システムのスタック１５に供給され、その一部は電池反応やメタノールクロスオーバで消費される。未反応のメタノール燃料２３は、スタック１５のアノード側から排出され再び混合タンク１３に戻される。燃料循環ポンプ１４とスタック１５とを接続する配管は分岐しており、燃料濃度測定対象となる未知濃度のメタノール燃料２が分流される。前述した分岐配管には流量制御弁１６が接続されており、この流量制御弁１６は通常開状態となっている。従って、燃料濃度検出器６には、流量制御弁１６を介して未知濃度のメタノール燃料２が供給され、燃料濃度検出器６にてメタノール濃度検出信号５が得られる。燃料濃度検出器６から排出されたメタノール燃料などは、混合タンク１３に輸送される。

メタノール燃料供給制御回路７では、メタノール濃度検出信号５から予め設定した燃料濃度に対して所定の濃度範囲内であるかを判定する。燃料濃度を判定した結果、燃料濃度が設定値より高濃度であれば水回収ポンプ３５を駆動信号３７で所定時間だけ起動し、未知濃度のメタノール燃料２と回収した純水３４とを混合することで相対的に低濃度化を図る。これに対し、燃料濃度を判定した結果、燃料濃度が設定値より低濃度であれば高濃度液体燃料２９０の高濃度メタノール燃料輸送ポンプ１９０をポンプ起動信号１７１で所定時間だけ起動し、未知濃度のメタノール燃料２と高濃度液体燃料２９０とを混合することで相対的に高濃度化を図る。

ここで、ＤＭＦＣ電源システムの発電累計時間などから燃料濃度検出器６の検出感度を補正する必要があると判断された場合には、先ず、燃料濃度検出器６へ燃料を供給している流量制御弁１６を弁駆動信号１９により通常開状態から閉状態とする。この段階では、燃料濃度検出器６には、新たな燃料供給がない状態である。次に、高濃度燃料カートリッジ９０に接続された高濃度メタノール燃料輸送ポンプ１９０のみを駆動信号１７１により所定時間だけ起動し、燃料濃度検出器６に高濃度液体燃料２９０を供給する。燃料濃度が既知であるため、高濃度燃料２９０に対する燃料濃度検出器６のメタノール濃度検出信号５が求められる。次に、三方制御弁３６について、混合タンク１３から燃料濃度検出器６側に開状態を切替え、さらに水回収ポンプ３５をポンプ起動信号３７により所定時間だけ起動し、燃料濃度検出器６に純水３４を先程と同様に供給する。これにより、燃料濃度が既知であるため、純水３４に対する燃料濃度検出器６のメタノール濃度検出信号５が求められる。なお、燃料濃度検出器６に純水３４を高濃度燃料の後に供給することで、燃料濃度検出器６の耐メタノール性に関して使用上の条件緩和にもつなげることができる。

これらの２つのメタノール濃度検出信号５に基づいて、メタノール燃料濃度に対する燃料濃度検出器６の検出感度の特性がメタノール燃料供給制御回路７で求められる。その後は、燃料濃度検出器６へ燃料を供給している流量制御弁１６を弁駆動信号１９により閉状態から開状態とする。また、三方制御弁３６を燃料濃度検出器６側から混合タンク１３側に開状態を切替える。これにより再び、未知濃度のメタノール燃料が燃料濃度検出器６に供給され、新たに求められた燃料濃度検出器６の検出感度を用いて、未知濃度のメタノール燃料２の燃料濃度が検出されることになる。燃料濃度検出器６の検出感度の特性を求める時期については、通常時には必要でないため累積発電時間での補正や定期的な補正など予め決めておくことで実現できる。

図５は、燃料濃度検出器のメタノール燃料濃度に対する検出感度の代表的特性を示したものである。ＤＭＦＣ電源システムの長時間の発電に伴い、スタックを循環するメタノール燃料にはギ酸などの副生成物が溶解する。燃料濃度検出器の初期的な検出感度曲線２００は、これらの副生成物の影響で例えば検出感度曲線３００に示したように変化する場合がある。この燃料濃度検出器の検出感度特性変化に関して、既知の燃料濃度である高濃度液体燃料としてメタノール燃料濃度４０％ｗｔに対する感度特性の一部を求め、さらに、低濃度液体燃料として純水（濃度０％ｗｔ）に対する感度特性を求める。これらの２つの感度特性から燃料濃度検出器の感度特性を補正し、新たにメタノール燃料に対する感度特性を得るものである。

本発明の実施例からも明らかなように、スタックに供給する所定濃度のメタノール燃料を得る方法として、高濃度液体燃料に純水を混合して希釈燃料を得るだけでなく、通常のＤＭＦＣ電源システムのスタックに供給されるメタノール燃料より低濃度の燃料を用意すれば、高濃度液体燃料と前述した低濃度液体燃料とを混合して所定の燃料濃度のメタノール燃料が得られることは明白である。

以上に示したように、本発明の燃料電池用燃料検出システムによれば、燃料濃度が既知である高濃度液体燃料あるいは純水や低濃度液体燃料を濃度検出器へ供給して濃度検出器の検出感度を求める構成とすることにより、電池反応に伴う副生成物によって変化した燃料濃度検出器の検出感度が補正できるため、スタックへ供給される高濃度液体燃料と純水や低濃度液体燃料とで希釈したメタノール燃料の濃度を正確に検出するが可能となり、スタックは適切な濃度範囲のメタノール燃料の供給を受けて発電できるようになる。

図６は、本発明の燃料電池用濃度検出システムにおいて、燃料濃度が既知である高濃度液体燃料あるいは低濃度液体燃料は、それぞれメカニカルキーを有する燃料カートリッジにより燃料濃度が識別され、これらのメカニカルキーにより識別された既知の燃料濃度によるそれぞれの検出感度を用いて燃料検出器を補正し、前述した希釈燃料の燃料濃度を検出するようにしたものである。すなわち、高濃度燃料カートリッジ９と純水あるいは低濃度燃料カートリッジ８は、メカニカルキー９３及び９４のセット、及びメカニカルキー８３及び８４のセットで燃料濃度が識別される。従って、燃料濃度検出器の検出感度の補正時には、これらのメカニカルキーの情報に基づいて燃料濃度の識別が行われ、既知の燃料濃度として燃料濃度検出器の検出感度の補正が行われることになる。

本発明による燃料電池用濃度検出システムの一実施例を示す。本発明による燃料電池用濃度検出システムのその他の一実施例を示す。本発明による燃料電池用濃度検出システムのその他の一実施例を示す。本発明による燃料電池用濃度検出システムのその他の一実施例を示す。本発明による燃料電池用セパレータのその他の一実施例を示す。既知燃料濃度を識別するための燃料カートリッジの一実施例を示す。

符号の説明

１高濃度液体燃料
２検出対象のメタノール燃料
３純水あるいは低濃度液体燃料
５メタノール濃度検出信号
６燃料濃度検出器
７メタノール燃料供給制御回路
１３混合タンク
１５スタック
１６流量制御弁
３６三方制御弁

Claims

流体内成分の濃度を測定する燃料電池用濃度検出システムにおいて、濃度検出対象の流体を濃度検出器へ供給して濃度検出するとともに、前記濃度検出器に時間的な間隔を開けて２つ以上の既知濃度の流体をそれぞれ供給するシステム構成とし、濃度検出対象の流体の同一成分について既知濃度の流体により前記濃度検出器の検出感度を補正することを特徴とする燃料電池用濃度検出システム。
予め設定された濃度で混合タンクから燃料電池の発電部分へ液体燃料を供給するために液体燃料濃度を測定する燃料電池用濃度検出システムにおいて、
燃料濃度が既知の高濃度液体燃料と、純水を含めた低濃度液体燃料とが供給され、高濃度液体燃料と低粘度液体燃料が混合された希釈燃料を貯蔵する混合タンクと、
前記混合タンクから前記燃料電池の発電部分へ供給される希釈燃料の一部が流量調節弁を介して供給され、前記希釈燃料の濃度を検出する濃度検出器とを有し、
前記濃度検出器に前記高濃度液体燃料、及び、低濃度液体燃料を個別に供給できる構成としたことを特徴とする燃料電池用濃度検出システム。
請求項２に記載の燃料電池用濃度検出システムにおいて、燃料濃度が既知の前記高濃度液体燃料と前記低濃度液体燃料によって前記濃度検出器の検出感度をそれぞれ補正し、検出感度を補正した前記濃度検出器によって燃料濃度が未知である前記希釈燃料濃度を検出することを特徴とする燃料電池用濃度検出システム。
請求項２に記載の燃料電池用濃度検出システムにおいて、燃料濃度が既知の前記高濃度液体燃料あるいは低濃度液体燃料を濃度検出器へ供給時に、前記流量調節弁を閉状態とし、
前記濃度検出器に前記希釈燃料の供給時、及び、前記希釈燃料の濃度検出時に、前記高濃度液体燃料あるいは低濃度液体燃料の前記濃度検出器への供給を停止することを特徴とする燃料電池用濃度検出システム。
請求項２に記載の燃料電池用濃度検出システムにおいて、前記低濃度液体燃料として燃料電池の発電に伴い発生する生成水を用いたことを特徴とする燃料電池用濃度検出システム。
請求項２に記載の燃料電池用濃度検出システムにおいて、燃料濃度が既知の高濃度液体燃料あるいは低濃度液体燃料は、それぞれメカニカルキーを有する燃料カートリッジにより燃料濃度が識別され、これらのメカニカルキーにより識別された既知の燃料濃度によるそれぞれの検出感度を用いて燃料検出器を補正し、前述した希釈燃料の燃料濃度を検出することを特徴とする燃料電池用濃度検出システム。
予め設定された濃度で混合タンクから燃料電池の発電部分へ液体燃料を供給するために液体燃料濃度を測定する濃度検出器を備えた燃料電池発電システムにおいて、
燃料濃度が既知の高濃度液体燃料と、純水を含めた低濃度液体燃料とが供給され、高濃度液体燃料と低粘度液体燃料が混合された希釈燃料を貯蔵する混合タンクと、
前記混合タンクから供給される希釈燃料により発電する燃料電池と、
前記混合タンクから前記燃料電池の発電部分へ供給される希釈燃料の一部が流量調節弁を介して供給され、前記希釈燃料の濃度を検出する濃度検出器とを有し、
前記濃度検出器に前記高濃度液体燃料、及び、低濃度液体燃料を個別に供給できる構成としたことを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項７に記載の燃料電池発電システムにおいて、燃料濃度が既知の前記高濃度液体燃料と前記低濃度液体燃料によって前記濃度検出器の検出感度をそれぞれ補正し、検出感度を補正した前記濃度検出器によって燃料濃度が未知である前記希釈燃料濃度を検出することを特徴とする燃料電池発電システム。