JP4167602B2

JP4167602B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP4167602B2
Application number: JP2004023463A
Authority: JP
Inventors: 裕輔佐藤; 英一坂上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: JP2005216730A

Description

本発明は、燃料電池装置に係り、さらに詳細には、燃料電池において発生した液体、気体の流量を検出する流体検出手段を備えてなる燃料電池装置に関する。

燃料電池の一例としてのダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）は、メタノール酸化電極触媒を担持した燃料極と酸素還元電極触媒を担持した空気極との間に固体高分子電解質膜を挟み込んだ構成である。

前記構成において、前記燃料極（アノード）に対する燃料の送給量が不足すると、燃料不足となって所定の発電量が得られなくなる。また場合によってはスタック構成における一部のセルに転極現象（アノードが正の電位に移行すること）が生じ、前記セルがダメージを受けることがある。逆に、アノードに対する燃料の供給量が多すぎる場合は、送液のためにポンプの駆動に必要以上の電力を消費することになると共に、メタノールのクロスオーバーが多くなり、発電効率が悪くなる。

また、空気極（カソード）に対する空気の送気量が少ない場合には、酸素不足になり所定の発電量が得られなくなる。逆に、カソードに対する空気の送気量が多い場合には、送気のためにポンプの駆動に必要以上の電力を消費することになると共に、カソードに存在する水の蒸発する量が増加し、燃料電池の温度が低下したり、水蒸気を凝縮させるための冷却器が大きくなる。

したがって、燃料電池におけるアノードに対する燃料の送液量及びカソードに対する空気の送気量を、一定の適正範囲に制御する必要があるものである。

本発明に関係すると思われる特許文献としては、次の特許文献１がある。
特開２００１−２５６９８８号公報

前記特許文献１に記載の燃料電池装置の構成は、燃料電池におけるアノードと水素供給源との間及びカソードと酸素供給源との間にそれぞれ流量制御バルブを備え、かつ前記アノードの排出側及びカソードの排出側に、流量計、圧力計、温度計及びガス圧制御バルブをそれぞれ備えた構成である。

したがって、アノード及びカソードから排出される排ガスの流量を個別に計測することができるものの、液体と気体が混合して排出される場合には液体量と気体量とを個別に計測することは難しいものである。また、特許文献１に記載の構成にあっては構成が複雑であり、小型化を図る上において問題がある。

本発明は、前述したごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、燃料が供給されるアノードと酸化剤が供給されるカソードとの間に電解質膜を挟み込んでなる燃料電池と、この燃料電池から排出される気液二層流が流れる流出路と、この流出路内を流れる前記気液二層流のスラグ流における少なくともメニスカスの液相又は気相を検出するための流体検出手段とを備え、前記流出路は、燃料電池におけるカソード出口に接続したカソード流出路であることを特徴とするものである。

また、燃料が供給されるアノードと酸化剤が供給されるカソードとの間に電解質膜を挟み込んでなる燃料電池と、この燃料電池から排出される気液二層流が流れる流出路と、この流出路内を流れる前記気液二層流のスラグ流における少なくともメニスカスの液相又は気相を検出するための流体検出手段とを備え、前記流出路は、燃料電池におけるアノード出口に接続したアノード流出路とカソード出口に接続したカソード流出路とが合流した合流路であることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記流出路の少なくとも一部に透明部を備えていることを特徴とするものである。

また、本発明は、燃料が供給されるアノードと酸化剤が供給されるカソードとの間に電解質膜を挟み込んでなる燃料電池と、この燃料電池から排出される気液二層流が流れる流出路とを備え、前記流出路内を流れる前記気液二層流のスラグ流におけるメニスカスの液相及び気相を目視可能なように、前記流出路の少なくとも一部に透明部を備え、かつ前記燃料電池を内装した筐体の一部に、前記流出路を目視可能の透明部分を備えていることを特徴とするものである。

また、本発明は、燃料が供給されるアノードと酸化剤が供給されるカソードとの間に電解質膜を挟み込んでなる燃料電池と、この燃料電池から排出される気液二層流が流れる流出路とを備え、前記流出路内を流れる気液二層流のスラグ流におけるメニスカスの液相及び気相を目視可能なように、前記流出路の一部を、前記燃料電池を内装した筐体の外部に配置すると共に前記流出路の少なくとも一部に透明部を備えていることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記流出路は、燃料電池におけるアノード出口に接続したアノード流出路であることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記流出路は、燃料電池におけるカソード出口に接続したカソード流出路であることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記流出路は、燃料電池におけるアノード出口に接続したアノード流出路とカソード出口に接続したカソード流出路とが合流した合流路であることを特徴とするものである。

また、燃料が供給されるアノードと酸化剤が供給されるカソードとの間に電解質膜を挟み込んでなる燃料電池と、この燃料電池から排出される気液二層流が流れる流出路と、この流出路内を流れる前記気液二層流のスラグ流における少なくともメニスカスの液相又は気相を検出するための流体検出手段と、前記流出路の断面積と、前記流体検出手段によって検出した液相又は気相の時間間隔と、前記流出路内の流体の流速とに基いて液体流量又は気体流量の少なくとも一方の流量を演算する演算手段と、を備え、前記流出路は、燃料電池におけるカソード出口に接続したカソード流出路又は燃料電池におけるアノード出口に接続したアノード流出路とカソード出口に接続したカソード流出路とが合流した合流路であることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記燃料電池装置において、前記演算手段によって演算した液体流量と前記燃料電池の正常時の所定の発電時における液体流量とを対比して燃料又は酸化剤の供給量を制御する供給量制御手段と、を備えていることを特徴とするものである。

本発明によれば、燃料電池に接続した流出路内の流体の流れは気液二層流のスラグ流であって、このスラグ流においてのメニスカスの液層及び気相を検出することができるので、燃料電池の排出側における液体、気体を簡易な構成でもって検出することができ、全体的構成の小型化を図ることができるものである。

図１を参照するに、本発明の実施形態に係る燃料電池装置１は、筐体３を備えており、この筐体３内には、断熱材５を介して燃料電池７が配置してあると共に燃料タンク９が配置してある。前記燃料電池７は、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を挟み込んだ構成の単セルを複数枚重ねたスタック構成であり、前記燃料タンク９は、燃料としてのメタノールを貯留しているものである。

前記燃料タンク９は、ポンプ及び流量制御弁（共に図示省略）を介して混合タンク１１と接続してある。この混合タンク１１は、メタノール水溶液を貯留するものであって、マニフォールド１３を介して前記燃料電池７及びポンプ１５に接続してある。また、上記混合タンク１１には、前記筐体３の外部へ開口した開口部１１Ａが設けてあり、この開口部１１Ａには、混合タンク１１内の気体と液体を分離するための気液分離膜が備えられていると共に開閉弁（図示省略）が設けられている。

前記ポンプ１５の吸引側には、前記マニフォールド１３を介して前記燃料電池７のアノード側及びカソード側の流出路１７が接続してあり、当該ポンプ１５の吐出側は、前記マニフォールド１３を介して前記混合タンク１１に接続してある。なお、前記流出路１７の構成としては、燃料電池７のアノード側に接続した流出路とカソード側に接続した流出路を個別に前記ポンプ１５の吸引側に接続する構成とすることも可能であり、また、アノード側に接続した流出路とカソード側に接続した流出路とを合流した構成の合流路とすることも可能である。

上記構成により、前記ポンプ１５を駆動すると、燃料電池７におけるアノード側出口及びカソード側出口が流出路１７を介して吸引され負圧となるので、前記混合タンク１１内の燃料（メタノール水溶液）が燃料電池７のアノード側に吸引されると共に、燃料電池７のカソード側には酸化剤の一例としての空気が吸引されることになる。

この際、燃料電池のアノードに対する燃料の送液量は、前記混合タンク１１と燃料電池７との間に介在した流量制御弁（図示省略）によって制御され、またカソードに対する空気の送気量は、燃料電池の空気吸引口（図示省略）に備えた流量制御弁によって制御されるものである。すなわち、供給量制御手段によって上記各流量制御弁の制御を行うことにより、燃料及び酸化剤の供給量を制御することができるものである。

前述のごとく、燃料電池７のアノード側へ燃料が供給され、カソード側へ酸化剤として空気が供給されると、電気化学反応により発電が行われる。そして、この際に発生した気体、液体は前記ポンプ１５によって前記混合タンク１１へ還流され、気体は混合タンク１１の開口部１１Ａから筐体３の外部へ排出される。

ところで、ＤＭＦＣにおいてのアノード側及びカソード側においては、次のアノード反応、カソード反応を生じる（図２参照）。
（アノード反応）
CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e⁻ （１）
（カソード反応）
3／2 O₂+6H⁺+6e⁻→3 H₂O （２）
（カソードにおけるクロスオーバーしたメタノールの燃焼反応）
CH₃OH+3／2 O₂→CO₂+2H₂O （３）
前記アノード反応で消費される単位時間当りのメタノールの量（Ｑ_MeOH）、水の量（Ｑ_H2O）及びCO₂の発生量は（Ｑ_CO2）は、次のように示される。なお、Ｆはファラデー定数、Ｉ_OPは電流密度、Ｉ_C.O.はメタノールのクロスオーバーをプロトン電流に換算した電流密度、ｎ_dはプロトン一つ当りに運ばれる水分子の数、αは透過及び拡散による水の移動量を示す。

また、カソード反応によって消費される酸素の量（Ｑ_O2）、発生する水の量（Ｑ_H2O）及びCO₂の量（Ｑ_CO2）は次のように示される。

ところで、気液二層流は、ある条件で液相がメニスカスを形成して、液相と気相とが分離して流れるスラグ流を形成するものである。本実施形態に係る前記燃料電池装置１においての前記流出路１７は、前記燃料電池７から排出（流出）される液体がメニスカスを形成し、前記燃料電池７から排出される気体と液体が分離してスラグ流を形成する管径に設けてある。

前記燃料電池７においての発電量が一定である場合には、燃料電池７から排出される気体及び液体の量は常にほぼ一定である。したがって、前記流出路１７内を流れる液体の流速を検出し、液相であるメニスカスの移動を検出することにより、流出路１７内を単位時間当りに流れる気体、液体の流量を検出することができる。

換言すれば、前記流出路１７内の単位時間当りの気体、液体の流量を検出することにより、前記燃料電池７の発電量が適正であるか否か検知できることになる。また、流出路１７内のメニスカスの移動を目視により確認することにより、燃料電池７が適正な発電状態にあるか否かをも確認することができるものである。

そこで、前記流出路１７内の液相であるメニスカス１９の移動を目視により確認する構成としては、図１に概略的に示すように、流出路１７の一部を前記筐体３の外部に露出するように配置すると共に露出部の少なくとも一部に透明部を備えた構成とすることができる。

また、前記流出路１７内のメニスカス１９の移動を目視により確認する構成としては、前記筐体３の一部に覗き窓のごとく内部を目視可能な透明部分を備え、この透明部分に対応して前記流出路１７の少なくとも一部に透明部を備えた構成とすることも可能である。

上記構成により、前記流出路１７内を流れるメニスカス１９を目視することができ、燃料電池７の動作状態を確認することができる。この場合、前記メニスカス１９の流速、間隔等により経験的に燃料電池７の動作異常を知ることが可能である。

前記流出路１７内の流体の流れを検出する構成として、図３に示すように、アノード２１とカソード２３との間に固体高分子電解質膜２５を挟み込んだ構成の前記燃料電池７の流出路として、アノード２１の出口に接続したアノード接続路２７を採用し、このアノード接続路２７内を流れる液相としてのメニスカス１９を検出することにより、メニスカス１９間の気体をも検出することができる。

すなわち、前記アノード接続路２７内を流れるメニスカス１９を検出するために、流体検出手段として、図３に示すように、前記アノード接続路２７の上流側と下流側に、それぞれ対をなすセンサ２９Ａ，２９Ｂを配置する。前記アノード接続路２７が透明であるときには、前記センサ２９Ａ，２９Ｂとして光学センサを採用することができる。また、前記センサ２９Ａ，２９Ｂとしては、前記アノード接続路２７内に一対の電極を配置し、電極間の抵抗率の変化によりメニスカス１９を検出する構成とすることもできる。さらには、例えばＣＣＤカメラによって所定時間毎にメニスカス１９を撮像する構成など、種々の構成を採用することができる。

ここで、前記各センサ２９Ａ，２９Ｂの距離をＬとし、前記各センサ２９Ａ，２９Ｂの検出信号のずれをΔｔ、液体としてのメニスカス１９が存在している時間をｔ₁、メニスカス１９を検出する時間間隔をｔ_p、前記アノード接続路２７の配管の断面積をＳ、アノード接続路２７内の流体の流速をＶ、液体流量Ｑ_liq、気体流量をＱ_gasとすると、流速Ｖ、液体流量Ｑ_liq、気体流量Ｑ_gasは次のように表され、演算手段によって演算することができる。この際、前記各センサ２９Ａ，２９Ｂの距離Ｌは、センサ間に存在するメニスカスの数が１以下になるように近接して設置する。

すなわち、アノード２１に接続したアノード接続路２７内における単位時間当りの液体の流量及び気体（CO₂）の流量を検知することができるものである。ここで、アノード２１から流出する気体は、前記式（１）の反応において発生したCO₂であり、このCO₂の発生量と電流密度Ｉ_opとの間には、前記式（６）に示す関係にあるので、アノード接続路２７内の単位時間当りのCO₂の流量を検出することにより、前記燃料電池７の発電電流を推定することができるものである。

また、アノード２１においてのCO₂の発生量と電流密度Ｉ_opとの間には、前記式（６）に示す関係にあるから、前記燃料電池７の発電による電流Ｉ_opを別途、電流計等の電流手段により検出し、式（６）により算出されるＱ_co2をＱ_gasと仮定することにより、センサ２９Ａ一つのみで、式（１０）よりＶを求め、アノード接続路２７内の液体流量Ｑ_liqを次式によって求めることができる。

したがって、燃料電池７が正常時における所定の発電時における液体の流量と前記流体検出手段による検出値に基づき演算した上記液体流量Ｑ_liqとを比較手段において対比することにより、前記燃料電池７の発電状態の異常の有無を知ることができるものである。

前記燃料電池７においての、メタノールのクロスオーバー量や、アノード２１において消費される水の量を示す前記式（５）のαの値は、電流量やＭＥＡ（膜・電極接合体）の構造、スタック温度等の運転条件によって変化する。したがって、運転条件を決めたときのアノード、カソードの出口流量と、アノード、カソードの入口流量との関係を予め実験により求めておくことにより、出口流量により入口流量を求めることができるものである。

すなわち、燃料電池７におけるアノード、カソードの出口流量を検出する構成であっても、上記アノード、カソードの入口側の燃料、空気の流量を知ることができる。したがって、流体検出手段による検出値等に基づいて、出口流量として液体流量又は気体流量を演算手段によって演算し、この演算した液体流量と前記燃料電池の正常時における所定の発電時における液体の流量とを比較手段において対比して、供給量制御手段の制御の下に前記流量制御弁を制御することにより、入口側の燃料又は酸化剤の流量を常に適正流量に制御することができるものである。

図４は、燃料電池７の流出路として、カソード２３の出口に接続したカソード接続路３１内を流れるメニスカス１９を検出するように、上記カソード接続路３１に対応して対をなすセンサ２９Ａ，２９Ｂをそれぞれ配置した構成を示すものである。この構成によれば、燃料電池７におけるカソード２３から流出される液体流量、気体流量を前述同様に検出することができるものである。

図５は、燃料電池７の流出路としてのアノード接続路２７に第１のセンサセットとして前記対をなすセンサ２９Ａ，２９Ｂをそれぞれ配置し、かつアノード接続路２７とカソード接続路３１とが合流した合流路３３に、第２のセンサセットとして前記対をなすセンサ２９Ａ，２９Ｂに準じた対をなすセンサ３５Ａ，３５Ｂをそれぞれ配置した構成である。

上記構成によれば、アノード接続路２７内における液体、気体の単位時間当りの流量を検出することができると共に、合流路３３内における液体、気体の単位時間当りの流量を検出することができる。そして、前記合流路３３内の液体、気体の流量からアノード接続路２７内の液体、気体の流量を減算することにより、前記アノード接続路３１内の液体、気体の流量を知ることができるものである。

したがって、上記構成によれば、カソード接続路３１内にメニスカス１９を有するスラグ流が形成され難い場合であっても、カソード接続路３１内を流れる液体、気体の流量を正確に求めることができるものである。

以上のごとき説明より理解されるように、燃料電池７における流出路としてのアノード接続路２７、カソード接続路３１から流出（排出）される液体、気体の単位時間当りの流量を検出することができ、この液体、気体の流量に基いて、燃料電池７におけるアノード２１、カソード２３に対する燃料、空気の流入量を換算することができる。したがって、流入量と流出量との関係が適正であるか否かを知ることができ、燃料電池７の動作状態が正常であるか否かを知ることができるものである。また、前記構成により、全体的構成の小型化を図ることができるものである。

アノード、カソード流路における圧力損失は、燃料電池電極反応等により発生する気体や液体の量、流体の物性により変化する。電極反応により発生する気体や液体は、電流密度等により変化する。また、圧力損失に影響を及ぼす流体の粘度は温度等により変化する。従って、圧力損失は、電流密度、温度、供給流量、流体組成に依存する。よって、予め、電流密度、温度、供給流量、組成と圧力損失の関係を求めておくことにより、圧力損失から供給流量を算出することが可能になる。

供給流量＝ｆ（電流密度、温度、圧力損失、組成）

よって、図６に示すように、アノード流路入り口と出口の圧力損失ΔPa、カソード流路の入り口と出口の圧力損失ΔPcを測定手段によって測定することにより、供給流量を算出し、供給流量を一定に保つ制御をかけることによっても、燃料電池の発電特性を安定に保つことが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池装置の全体的構成を概略的に示した説明図である。燃料電池におけるアノード、カソードでの反応を示す説明図である。燃料電池におけるアノードに接続したアノード接続路に流体検出用のセンサを配置した構成を示す説明図である。燃料電池におけるカソードに接続したカソード接続路に流体検出用のセンサを配置した構成を示す説明図である。燃料電池におけるカソードに接続したカソード接続路とアノードに接続したアノード接続路とを合流した合流路と前記アノード接続路とに、流体検出用のセンサをそれぞれ配置した構成を示す説明図である。圧力損失の測定を行うための構成を概略的に示した説明図である。

符号の説明

１…燃料電池装置
３…筐体
７…燃料電池
９…燃料タンク
１１…混合タンク
１５…ポンプ
１７…流出路
１９…メニスカス
２１…アノード
２３…カソード
２５…固体高分子電解質膜
２７…アノード接続路
２９Ａ，Ｂ…センサ
３１…カソード接続路
３３…合流路
３５Ａ，Ｂ…センサ

Claims

燃料が供給されるアノードと酸化剤が供給されるカソードとの間に電解質膜を挟み込んでなる燃料電池と、
この燃料電池から排出される気液二層流が流れる流出路と、
この流出路内を流れる前記気液二層流のスラグ流における少なくともメニスカスの液相又は気相を検出するための流体検出手段とを備え、前記流出路は、燃料電池におけるカソード出口に接続したカソード流出路であることを特徴とする燃料電池装置。
燃料が供給されるアノードと酸化剤が供給されるカソードとの間に電解質膜を挟み込んでなる燃料電池と、
この燃料電池から排出される気液二層流が流れる流出路と、
この流出路内を流れる前記気液二層流のスラグ流における少なくともメニスカスの液相又は気相を検出するための流体検出手段とを備え、前記流出路は、燃料電池におけるアノード出口に接続したアノード流出路とカソード出口に接続したカソード流出路とが合流した合流路であることを特徴とする燃料電池装置。
請求項１又は２に記載の燃料電池装置において、前記流出路の少なくとも一部に透明部を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
燃料が供給されるアノードと酸化剤が供給されるカソードとの間に電解質膜を挟み込んでなる燃料電池と、
この燃料電池から排出される気液二層流が流れる流出路とを備え、
前記流出路内を流れる前記気液二層流のスラグ流におけるメニスカスの液相及び気相を目視可能なように、前記流出路の少なくとも一部に透明部を備え、かつ前記燃料電池を内装した筐体の一部に、前記流出路を目視可能の透明部分を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
燃料が供給されるアノードと酸化剤が供給されるカソードとの間に電解質膜を挟み込んでなる燃料電池と、
この燃料電池から排出される気液二層流が流れる流出路とを備え、
前記流出路内を流れる気液二層流のスラグ流におけるメニスカスの液相及び気相を目視可能なように、前記流出路の一部を、前記燃料電池を内装した筐体の外部に配置すると共に前記流出路の少なくとも一部に透明部を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
請求項４又は５に記載の燃料電池装置において、前記流出路は、燃料電池におけるアノード出口に接続したアノード流出路であることを特徴とする燃料電池装置。
請求項４又は５に記載の燃料電池装置において、前記流出路は、燃料電池におけるカソード出口に接続したカソード流出路であることを特徴とする燃料電池装置。
請求項４又は５に記載の燃料電池装置において、前記流出路は、燃料電池におけるアノード出口に接続したアノード流出路とカソード出口に接続したカソード流出路とが合流した合流路であることを特徴とする燃料電池装置。
燃料が供給されるアノードと酸化剤が供給されるカソードとの間に電解質膜を挟み込んでなる燃料電池と、
この燃料電池から排出される気液二層流が流れる流出路と、
この流出路内を流れる前記気液二層流のスラグ流における少なくともメニスカスの液相又は気相を検出するための流体検出手段と、
前記流出路の断面積と、前記流体検出手段によって検出した液相又は気相の時間間隔と、前記流出路内の流体の流速とに基いて液体流量又は気体流量の少なくとも一方の流量を演算する演算手段と、を備え、前記流出路は、燃料電池におけるカソード出口に接続したカソード流出路又は燃料電池におけるアノード出口に接続したアノード流出路とカソード出口に接続したカソード流出路とが合流した合流路であることを特徴とする燃料電池装置。
請求項９に記載の燃料電池装置において、前記演算手段によって演算した液体流量と前記燃料電池の正常時の所定の発電時における液体流量とを対比して燃料又は酸化剤の供給量を制御する供給量制御手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
燃料が供給されるアノードと酸化剤が供給されるカソードとの間に電解質膜を挟み込んでなる燃料電池と、
この燃料電池から排出される気液二層流が流れる流出路と、
この流出路内を流れる前記気液二層流のスラグ流における少なくともメニスカスの液相又は気相を検出するための複数の流体検出手段とを備え、前記各流体検出手段の距離は、各流体検出手段の間に存在するメニスカスの数が１以下になるように近接して設置してあることを特徴とする燃料電池装置。