JP4204526B2

JP4204526B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4204526B2
Application number: JP2004224571A
Authority: JP
Inventors: 浩揮株本; 武史南浦
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: US20060024536A1; JP2006048956A; CN1738088A; KR20060048897A; CN100373676C; KR100671386B1

Description

本発明は、燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、燃料電池に供給される燃料の状態を検知する技術に関する。

燃料電池は、燃料および酸化剤から電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ない直接発電が挙げられる。このため、燃料電池は、小規模でも高い発電効率が期待できる。また、窒化化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が向上する。このように、燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用でき、環境に優しい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギー供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

特に近年、燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell:ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノールを改質することなく、アノードへ直接供給し、メタノールと酸素との電気化学反応により電力を得る。メタノールは水素に比べて、単位体積当たりのエネルギーが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器などの電源への利用が期待されている。

ＤＭＦＣのアノードへ供給されるメタノール水溶液の濃度が高すぎると、ＤＭＦＣ内部の固体高分子膜の劣化が促進され、信頼性が低下したり、アノードに供給されたメタノール水溶液の一部が発電に消費されず電解質膜を通してカソードに透過する、いわゆるクロスリークが発生する。一方、メタノール水溶液の濃度が低すぎると、ＤＭＦＣから充分な出力を取り出すことができない。このため、ＤＭＦＣのアノードへ供給されるメタノール水溶液の濃度は、0.5〜4mol/L望ましくは0.8〜1.5mol/Lに調整した方が良く、この濃度域の幅を小さくすることが、ＤＭＦＣを安定して運転させることにつながることが分かっている。

しかしながら、ＤＭＦＣを有するシステムの場合、ＤＭＦＣを長時間に渡って運転させ、かつ、システムの小型・軽量化を図るため、一般的には、20mol/L以上の高濃度メタノールタンクを備え、ＤＭＦＣのアノードへ供給する前に濃度を薄く調整して供給する方式が取られている。そこで、メタノール水溶液の濃度をシステム内部で0.5〜1.5mol/Lに調整するために、光学式、超音波式、あるいは比重による方式など種々のメタノール水溶液濃度センサを用いて、メタノール水溶液の濃度を測定することが行われている。

たとえば、特許文献１は、メタノール水溶液の循環経路上で二酸化炭素ガスの存在量が比較的少ない場所にメタノールセンサを設置する技術を開示する。
特開２００４−０９５３７６号公報

しかしながら、従来のように、メタノール水溶液濃度センサを用いてアノードに供給されるメタノール水溶液の濃度を検出する場合には、以下に述べるような課題が生じる。

すなわち、燃料電池システム内にメタノール水溶液濃度センサを設置すると、システムの小型化が困難となる。また、メタノール水溶液濃度センサの稼働により電力が消費されるので、余分な電力が必要となる。さらに、メタノール水溶液濃度センサの費用が必要になるので、コスト増につながる。

この他、従来のメタノール水溶液濃度センサは、メタノール燃料電池動作時の温度変化、負荷変動、副生成物の発生などの外的要因による影響を受けやすいため、得られる濃度が必ずしも正確ではない場合がある。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池に供給される燃料の濃度を適切に評価する技術の提供にある。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックに供給される燃料の一部が流入するセンサ用アノードと、燃料の一部が流入するセンサ用カソードと、センサ用アノードとセンサ用カソードとの間に介在する電解質膜と、センサ用アノードとセンサ用カソードとの間に電位差を与える外部電源と、燃料の一部が電気分解することによって生じる電流を測定する電流測定手段と、を有する燃料濃度センサを備えたことを特徴とする。これによれば、燃料電池スタックに供給される燃料の濃度を外的要因を最小限に抑えて評価することができる。

上記構成において、燃料濃度センサが、燃料電池スタックに組み込まれる。これによれば、燃料電池システムをコンパクトな構成にまとめることができる。

上記構成において、燃料濃度センサの電極面積が燃料電池スタックを構成するセルの電極面積より小さくてもよい。これによれば、燃料濃度センサで消費される燃料の量を抑制することができる。

上記構成において、センサ用アノードおよび前記センサ用カソードは、前記セルを構成する発電用アノードおよび発電用カソードに含まれる触媒の量よりも少ない触媒を含んでもよい。これによれば、燃料濃度センサで消費される燃料の量を抑制することができる。

上記構成において、燃料電池スタックに供給される燃料を貯留する燃料貯留手段と、燃料貯留手段に燃料を補給する燃料補給手段と、燃料貯留手段から燃料電池の発電用アノードに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池の発電用カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、燃料補給手段による燃料の補給を調節する制御部と、を備え、制御部は、電流測定手段により測定された電流値が基準値を下回った場合に、燃料を燃料貯留手段に補給してもよい。これによれば、燃料電池の発電状態を適切に維持することができる。上述の構成において、燃料がメタノール水溶液であってもよい。

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、燃料電池に供給される燃料の濃度を適切に評価することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０、タンク１３０、燃料用ポンプ１４０、酸化剤用ポンプ１５０、燃料格納部１６０、高濃度燃料補給ポンプ１７０および制御部１８０を備える。

燃料電池スタック２０は、メタノール溶液および空気を用いて電気化学反応により電力を発生する。図２は、本実施形態に用いられる燃料電池スタック２０の構成を示す。燃料電池スタック２０は、絶縁体２１を介して燃料濃度センサ２２および発電用スタック２３が構成される。燃料濃度センサ２２の外側には、端板２４が設置され、発電用スタック２３の外側には、絶縁体２５を介して端板２６が設置される。端板２４および端板２６は、燃料濃度センサ部分２２、絶縁体２１、発電用スタック２３および絶縁体２５からなる積層体を締め付ける。このように、燃料濃度センサ２２を燃料電池スタック２０に組み込むことにより、燃料電池システムをコンパクトな構成にまとめることができる。

発電用スタック２３は、集電体２７および集電体２８の間に交互に積層された発電用膜電極接合体（以下、発電用ＭＥＡという）３０およびバイポーラプレート３２を備える。発電用ＭＥＡ３０と一対のバイポーラプレート３２により、セル３３が構成される。

図３は、セル３３の構成を示す。また、図４は、発電用ＭＥＡ３０の断面図を示す。発電用ＭＥＡ３０は、電解質膜３１、アノード３４およびカソード３５を有する。電解質膜３１は、たとえば、Nafion115で形成される。電解質膜３１には、燃料入口マニホールド４０ａ、燃料出口マニホールド４２ａ、酸化剤入口マニホールド４４ａおよび酸化剤出口マニホールド４６ａが設けられている。

アノード３４は、電解質膜３１の一方の面に設けられる。アノード３４は、電解質膜３１に接する触媒層３６と、触媒層３６の上に設けられた燃料拡散層３７を含む。触媒層３６には、たとえば白金−ルテニウム合金担持触媒が用いられる。

一方、カソード３５は、電解質膜３１の他方の面に設けられる。カソード３５は、電解質膜３１に接する触媒層３８と、触媒層３８の上に設けられた酸化剤拡散層３９を含む。触媒層３８には、たとえば白金担持触媒が用いられる。

バイポーラプレート３２には、発電用ＭＥＡ３０のアノード３４に面する側に、燃料流路５０を備え、発電用ＭＥＡ３０のカソード３５に面する側に、酸化剤流路５２を備える。図３では、発電用ＭＥＡ３０のアノード３４に接するバイポーラプレート３２の酸化剤流路を省略し、発電用ＭＥＡ３０のカソード３５に接するバイポーラプレート３２の燃料流路を省略した。各バイポーラプレート３２には、燃料入口マニホールド４０ｂ、燃料出口マニホールド４２ｂ、酸化剤入口マニホールド４４ｂおよび酸化剤出口マニホールド４６ｂが設けられている。燃料流路５０は、燃料入口マニホールド４０ｂと燃料出口マニホールド４２ｂとの間を連通する。また、酸化剤流路５２は、酸化剤入口マニホールド４４ｂと酸化剤出口マニホールド４６ｂとの間を連通する。

図５は、燃料濃度センサ２２の構成を示す。また、図６は、燃料濃度センサ２２が有するセンサ用ＭＥＡ６０の断面図を示す。

燃料濃度センサ２２は、絶縁体２１によって発電用スタック２３から絶縁され、センサ用ＭＥＡ６０の両側に燃料プレート６２、６３を狭持した構成を備える。

燃料プレート６２はセンサ用ＭＥＡ６０のアノード側に設けられる。燃料プレート６２には、燃料流路６４が設けられている。さらに、燃料プレート６２には、燃料入口マニホールド４０ｃ、燃料出口マニホールド４２ｃ、酸化剤入口マニホールド４４ｃおよび酸化剤出口マニホールド４６ｃが設けられており、燃料流路６４は、燃料入口マニホールド４０ｃと燃料出口マニホールド４２ｃとの間を連通する。

一方、燃料プレート６３はセンサ用ＭＥＡ６０のカソード側に設けられる。燃料プレート６３には、燃料流路６５が設けられている。さらに、燃料プレート６３には、燃料入口マニホールド４０ｄ、燃料出口マニホールド４２ｄ、酸化剤入口マニホールド４４ｄおよび酸化剤出口マニホールド４６ｄが設けられており、燃料流路６５は、燃料入口マニホールド４０ｄと燃料出口マニホールド４２ｄとの間を連通する。これにより、燃料流路６４および燃料流路６５には、燃料電池スタック２０に供給される燃料の一部が流入する。

なお、燃料プレート６２、６３にそれぞれ形成される燃料流路６４、６５は、セル３３に設けられる燃料流路と同様な経路であることが望ましい。これによれば、燃料濃度センサ２２とセル３３とで、燃料の分配を同様な条件にすることができる。

センサ用ＭＥＡ６０は、センサ用電解質膜７０と、センサ用電解質膜７０の一方の面に当接するアノード７２と、センサ用電解質膜７０の他方の面に当接するカソード７４と、を備える。

センサ用電解質膜７０は、たとえば、Nafion115で形成される。センサ用電解質膜７０には、燃料入口マニホールド４０ｅ、燃料出口マニホールド４２ｅ、酸化剤入口マニホールド４４ｅおよび酸化剤出口マニホールド４６ｅが設けられている。

アノード７２は、センサ用電解質膜７０の一方の面に設けられる。アノード７２は、センサ用電解質膜７０に接する触媒層７５と、触媒層７５の上に設けられた燃料拡散層７６を含む。触媒層７５には、たとえば白金−ルテニウム合金担持触媒が用いられる。

一方、カソード７４は、センサ用電解質膜７０の他方の面に設けられる。カソード７４は、センサ用電解質膜７０に接する触媒層７７と、触媒層７７の上に設けられた燃料拡散層７８を含む。触媒層７７には、たとえば白金担持触媒が用いられる。

触媒層７５および触媒層７７は、上述した発電用ＭＥＡ３０の触媒層３６および触媒層３８より面積が小さいことが望ましい。これによれば、燃料濃度センサ２２の電極面積をセル３３の電極面積より小さくすることができるので、燃料濃度センサ２２における燃料の消費を抑制し、省エネルギーを図ることができる。なお、センサ用ＭＥＡ６０の触媒層７５および触媒層７７に含まれる触媒の量を発電用ＭＥＡ３０の触媒層３６および触媒層３８に含まれる触媒の量よりも少なくすることによっても、燃料濃度センサ２２における燃料の消費を抑制することが可能である。

アノード７２とカソード７４との間には、外部電源８０からメタノールの電解電圧以上の電位差（たとえば、０．５Ｖ）が与えられる。電流計８２は、この電位差によりメタノールが電気分解を起こすことによって生じる電流を計測する。電流計８２で計測された電流値は、制御部１８０に送信される。外部電源８０で与えられる電位差が一定であれば、燃料が電気分解することによって生じる電流は燃料の濃度に比例するので、電流計８２で電流値をモニターすることにより燃料の濃度を適切に評価することができる。また、燃料の電気分解は燃料の濃度が直接の要因であるため、外的要因の影響を受けにくくすることができる。

図１に戻り、タンク１３０は、燃料電池スタック２０に供給されるメタノール水溶液を貯留する。タンク１３０に貯留されたメタノール水溶液は、0.5〜1.5mol/Lに調整された後、燃料用ポンプ１４０により燃料電池スタック２０に組み込まれた燃料濃度センサ２２のアノード７２およびセル３３のアノード３４に供給される。燃料電池スタック２０での反応後に残った未反応の燃料は、タンク１３０に回収される。このように、燃料電池スタック２０に供給されるメタノール水溶液は、燃料電池スタック２０とタンク１３０とを含む循環系を流通する。一方、酸化剤用ポンプ１５０は外部から空気を取り込み、セル３３のカソード３５に供給する。メタノールと空気の反応により生じた水などの生成物は、タンク１３０に回収される。

燃料格納部１６０は、タンク１３０に貯留されたメタノール水溶液よりも濃度が高い高濃度のメタノール水溶液を貯蔵する。たとえば、タンク１３０内のメタノール水溶液の濃度が、1mol/Lのとき、燃料格納部１６０内の高濃度のメタノール水溶液の濃度を22mol/Lとすることができる。高濃度燃料補給ポンプ１７０は、後述する制御部１８０の指示に基づいて、所定量の高濃度のメタノール水溶液を燃料格納部１６０からタンク１３０に供給する。

制御部１８０は、電流計８２から送られる電流値に基づいて、高濃度燃料補給ポンプ１７０の動作を制御し、タンク１３０に供給される高濃度のメタノール水溶液の量を調節する。

図７は、燃料電池システム１０によるメタノール水溶液の管理動作を示すフローチャートである。まず、電流計８２により、メタノール水溶液が電気分解することにより発生した電流が計測される（Ｓ１０）。計測された電流値は制御部１８０に送信される（Ｓ２０）。制御部１８０は、送信された電流値が所定の基準値以上か否かを判定する（Ｓ３０）。電流値が所定の基準値以上であれば、ここでの処理を終える。一方、電流値が所定の基準値を下回っている場合には、制御部１８０は、高濃度燃料補給ポンプ１７０を用いて、タンク１３０に高濃度のメタノール水溶液を補給する（Ｓ４０）。このように、燃料電池スタック２０に供給される燃料の濃度が電気分解したときの電流値に基づいて、燃料の濃度を評価することにより、外的要因を最小限の抑えることができるので、燃料の濃度をより正確に見積もることができる。また、得られた電流値に応じて燃料の補給を行うことにより、燃料電池の発電状態を適切に維持することができる。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

例えば、上述の各実施の形態では、燃料濃度センサ２２が燃料電池スタック２０に組み込まれているが、燃料濃度センサ２２を燃料電池スタック２０とは別構成とし、燃料電池スタック２０に燃料を供給する配管に燃料濃度センサ２２を設けることも可能である。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。本実施形態に用いられる燃料電池スタックの構成を示す図である。セルの構成を示す図である。発電用ＭＥＡの断面図である。燃料濃度センサの構成を示す図である。燃料濃度センサが有するセンサ用ＭＥＡの断面図である。燃料電池システムによるメタノール水溶液の管理動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池システム、２０燃料電池スタック、２２燃料濃度センサ、３３セル、１３０タンク、１４０燃料用ポンプ、１５０酸化剤用ポンプ、１６０燃料格納部、１７０高濃度燃料補給ポンプ、１８０制御部。

Claims

燃料電池スタックに供給される燃料の一部が流入するセンサ用アノードと、
前記燃料の一部が流入するセンサ用カソードと、
前記センサ用アノードとセンサ用カソードとの間に介在する電解質膜と、
前記センサ用アノードとセンサ用カソードとの間に電位差を与える外部電源と、
前記燃料の一部が電気分解することによって生じる電流を測定する電流測定手段と、
を有する燃料濃度センサを、前記燃料電池スタックを構成する発電用セルの積層方向の前記燃料電池スタックの端部に、前記発電用セルと絶縁されて、組み込まれ、
前記燃料濃度センサの電極面積が前記燃料電池スタックを構成するセルの電極面積より小さく、
前記発電用セルは、発電用ＭＥＡと、発電用ＭＥＡの両面側に配置するバイポーラプレートとから構成され、
前記燃料濃度センサは、センサ用アノードとセンサ用カソードを両面に配置するセンサ用ＭＥＡと、センサ用ＭＥＡの両面側に配置する燃料プレートとから構成され、
発電用ＭＥＡ、バイポーラプレート、センサ用ＭＥＡ及び燃料プレートは、それぞれ四隅のうちの対角線上の二隅に燃料入口マニホールド、燃料出口マニホールドを配置し、他の二隅に酸化剤入口マニホールド、酸化剤出口マニホールドを配置して、前記発電用セルの積層体と前記燃料濃度センサのマニホールドが共通し、
さらに、センサ用ＭＥＡの両面側に位置する各燃料プレートは、燃料入口マニホールドと燃料出口マニホールドとを連通する燃料流路を設けて、燃料をセンサ用アノードとセンサ用カソードに供給することを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池スタックに供給される燃料の一部が流入するセンサ用アノードと、
前記燃料の一部が流入するセンサ用カソードと、
前記センサ用アノードとセンサ用カソードとの間に介在する電解質膜と、
前記センサ用アノードとセンサ用カソードとの間に電位差を与える外部電源と、
前記燃料の一部が電気分解することによって生じる電流を測定する電流測定手段と、
を有する燃料濃度センサを、前記燃料電池スタックを構成する発電用セルの積層方向の前記燃料電池スタックの端部に、前記発電用セルと絶縁されて、組み込まれ、
前記センサ用アノードおよび前記センサ用カソードは、前記セルを構成する発電用アノードおよび発電用カソードに含まれる触媒の量よりも少ない触媒を含み、
前記発電用セルは、発電用ＭＥＡと、発電用ＭＥＡの両面側に配置するバイポーラプレートとから構成され、
前記燃料濃度センサは、センサ用アノードとセンサ用カソードを両面に配置するセンサ用ＭＥＡと、センサ用ＭＥＡの両面側に配置する燃料プレートとから構成され、
発電用ＭＥＡ、バイポーラプレート、センサ用ＭＥＡ及び燃料プレートは、それぞれ四隅のうちの対角線上のニ隅に燃料入口マニホールド、燃料出口マニホールドを配置し、他の二隅に酸化剤入口マニホールド、酸化剤出口マニホールドを配置して、前記発電用セルの積層体と前記燃料濃度センサのマニホールドが共通し、
さらに、センサ用ＭＥＡの両面側に位置する各燃料プレートは、燃料入口マニホールドと燃料出口マニホールドとを連通する燃料流路を設けて、燃料をセンサ用アノードとセンサ用カソードに供給することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池スタックに供給される燃料を貯留する燃料貯留手段と、
前記燃料貯留手段に燃料を補給する燃料補給手段と、
前記燃料貯留手段から前記燃料電池の発電用アノードに前記燃料を供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池の発電用カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料補給手段による前記燃料の補給を調節する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電流測定手段により測定された電流値が基準値を下回った場合に、前記燃料を前記燃料貯留手段に補給することを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料がメタノール水溶液であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。