JP4697380B2 - 燃料電池装置及び燃料電池の燃料供給方法 - Google Patents

燃料電池装置及び燃料電池の燃料供給方法 Download PDF

Info

Publication number
JP4697380B2
JP4697380B2 JP2003271581A JP2003271581A JP4697380B2 JP 4697380 B2 JP4697380 B2 JP 4697380B2 JP 2003271581 A JP2003271581 A JP 2003271581A JP 2003271581 A JP2003271581 A JP 2003271581A JP 4697380 B2 JP4697380 B2 JP 4697380B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel
fuel cell
concentration
mixed solution
methanol
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2003271581A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2005032610A (ja
Inventor
業 須藤
健二 香取
雅彦 田原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2003271581A priority Critical patent/JP4697380B2/ja
Priority to PCT/JP2004/009609 priority patent/WO2005004270A1/ja
Priority to US10/563,508 priority patent/US7201980B2/en
Publication of JP2005032610A publication Critical patent/JP2005032610A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4697380B2 publication Critical patent/JP4697380B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444Concentration; Density
    • H01M8/04447Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • H01M8/04194Concentration measuring cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/045Humidity; Ambient humidity; Water content of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537Electric variables
    • H01M8/04604Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04619Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04776Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791Concentration; Density
    • H01M8/04798Concentration; Density of fuel cell reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828Humidity; Water content
    • H01M8/04835Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、要求される出力モードに対して最適な発電を行うことができる燃料電池装置に関する。さらに詳しくは、燃料とされる混合溶液の濃度を要求される出力モードに応じて最適化することができる燃料電池装置および燃料電池の燃料供給方法に関する。
燃料電池は、燃料極に燃料を供給し、空気極に酸化剤とされる酸素を含む空気を供給することにより発電を行う発電装置であり、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電装置として近年注目されている。
このような燃料電池の一つとして、メタノールを直接燃料電池に供給して発電を行うダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)が知られている。DMFCによって発電を行う際には、燃料であるメタノールだけでは燃料電池のアノード反応が進行しないため、メタノールと水とが混合された混合溶液を燃料電池のアノードに供給することで発電が行われている。
従来、メタノールと水とが混合された混合溶液をDMFCに供給する供給方法としては、あらかじめメタノールと水とが適切な組成で混合された混合溶液を生成し、この混合溶液の濃度を一定に維持しながらDMFCに供給する供給方法が知られている。また、混合溶液が循環する循環系を設け、発電によってメタノールが消費された混合溶液に純粋なメタノールを補給しながら当該混合溶液を循環系に循環させるとともに、DMFCのカソードで生成された生成水を回収しながら混合溶液を適度な濃度に調整する方法も行われている。
しかしながら、あらかじめメタノールと水とを混合しておく場合には、DMFCのシステムの簡便化が図れるが、燃料自体のエネルギー密度は低下する。エネルギー密度を上げようとして、混合溶液のメタノール濃度を増加させると、DMFCを構成する発電体(MEA:Membrane and Electrode Assemblies )の劣化速度が増加する。
また、最大出力が得られるメタノール濃度と最大効率が得られるメタノール濃度とは異なることが分かっており、あらかじめメタノールと水とが混合された混合溶液を用いる方法ではメタノール濃度をDMFCの運転状況に応じて変更することができない。
一方、DMFCのカソードで生成された生成水を回収しながらメタノールと混合する方法では、一般にDMFCの最大出力が得られるメタノール濃度となるように混合溶液のメタノール濃度を維持する方法が採られており、燃料電池の負荷に対する追従は、燃料電池と二次電池とが連携することで行われていた。したがって、最大効率が得られるようにメタノール濃度を調整して発電を行う方法では最大出力が得られないうえ、燃料とされる混合溶液を燃料電池に要求される出力に応じて最適なメタノール濃度に調整することは困難であった。このように燃料電池の出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すためには、燃料とされる混合溶液の濃度を燃料電池に求められる出力の種類に応じて変更することが望ましい。
よって、本発明は、上述した実情を鑑みてなされたものであり、燃料電池に要求される出力に応じて最適な発電を行うことができる燃料電池装置を提供することを目的とする。さらに詳しくは、燃料電池の負荷の状況に応じて混合溶液の濃度を最適化して発電を行うことができる燃料電池装置および燃料電池の燃料供給方法を提供することを目的とする。
本発明にかかる燃料電池装置は、液体燃料を用いて発電を行うと共に、負荷に応じて異なる出力モードが要求される燃料電池と、互いに異なる濃度の液体燃料を生成する複数の燃料混合器を有し、前記燃料電池に要求される出力モードに応じて前記複数の燃料混合器のうちの特定の燃料混合器を選択し、前記液体燃料の濃度を最適な濃度に調整する濃度調整手段とを備えたものである。本発明にかかる燃料電池装置によれば、出力モードに応じて最適な濃度となるように液体燃料の濃度を調整して燃料電池に供給することができる。最適な濃度で燃料電池を作動させることにより、例えば、通常時には最大発電効率が得られるように濃度が調整された液体燃料を用いて発電を行い、最大出力が必要な場合にはそれに適した濃度の液体燃料を用いて発電を行うことができる。
本発明にかかる燃料電池装置においては、燃料混合器において燃料電池で発電に使用された液体燃料を再利用して液体燃料の濃度を調整することにより、発電に必要な資源を無駄なく利用することが可能となる。
本発明にかかる燃料電池装置においては、液体燃料の濃度を検出する濃度検出手段を備えていても良い。例えば、濃度検出手段を複数の燃料混合器に配置しておくことにより、燃料混合器で生成される液体燃料の濃度を精度良く検出して制御することができる。また、濃度検出手段を燃料電池と複数の燃料混合器との間に配置しておいても良く、燃料電池で消費される液体燃料の実質的な濃度をより正確に検出することもできる。
本発明にかかる燃料電池の燃料供給方法は、液体燃料を用いて発電を行うと共に、負荷に応じて異なる出力モードが要求される燃料電池の上流に、互いに異なる濃度の液体燃料を生成する複数の燃料混合器を設け、前記燃料電池に要求される出力モードを検知し、前記出力モードに応じて前記複数の燃料混合器のうちの特定の燃料混合器を選択し、前記液体燃料の濃度を最適な濃度に調整するものである。本発明にかかる燃料電池の燃料供給方法によれば、燃料電池に要求される出力モードに応じて最適な濃度の液体燃料を供給することができる。
本発明にかかる燃料電池装置によれば、燃料電池に要求される出力モードに応じて最適な濃度の燃料によって発電を行うことができ、燃料電池の出力に対して効率良く発電を行うことができる。さらに、本発明にかかる燃料電池装置によれば、要求される出力モードの切替に応じて燃料の濃度を最適な濃度に素早く切り替えることができる。これにより、燃料電池の発電を継続して行いながら、要求される出力モードに応じて燃料の濃度を最適な濃度に素早く切り替えることができる。よって、発電効率が良好な状態で常時発電を行うことができる。
以下、本発明にかかる燃料電池装置及び燃料電池の燃料供給方法について説明する。まず、図1及び図2を参照しながら本発明を創作するに至った本件発明者等の着眼点について説明する。
図1は、本件発明者等がDMFCによって発電を行った際のメタノール濃度と燃料電池特性との関係を示すグラフである。図1の横軸は電流密度であり、左縦軸はDMFCを構成する発電セルのセル電圧を示す。また、右縦軸は、DMFCの電力密度を示す。燃料とされる混合溶液のメタノール濃度を1.0,0.6,0.4mol/Lの3条件とり、それぞれのメタノール濃度について電流密度に対するセル電圧及び電力密度の関係を調べた。以下、メタノール濃度の各条件(1.0,0.6,0.4mol/L)をそれぞれA,B,C条件と称す。
図1によれば、セル電圧は、電流密度が増大するとともに低下する傾向にあり、各条件A、B、Cで同様であった。また、電力密度は電流密度を増大させるとともに増大するが、電流密度に対して電力密度が増大する割合は、電流密度の値が大きいほど小さくなる傾向にあった。また、電力密度は、電流密度の特定の値で最大値を取る傾向にあった。なお、条件Aの場合の電力密度は、本評価の電流密度の範囲内で極大値を取らなかったが、電流密度が増大するとともに電力密度が増加する割合は小さくなる傾向にあった。
図2は、図1に示したDMFCのセル電圧及び電力密度が示す特性曲線より得られた最大出力密度と一定のセル電圧における出力密度の関係を示すグラフである。なお、図2は、パラメータとして最高出力、450mV出力、500mV出力、400mV出力の4水準とり、メタノール濃度に対する出力密度をグラフに示している。
本評価で用いた発電セルの場合、出力密度が40〜70mW/cm付近で発電セルを運転する際には、メタノール濃度を0.6mol/L付近に調整することでメタノール濃度が1.0,0.4mol/Lの場合に比べて同じセル電圧において高い出力密度を得られることが分かる。すなわち、発電セルに要求される出力密度に対して最も効率良くその出力密度を得ることができる最適なメタノール濃度が存在することがわかる。また、40〜70mW/cm付近の出力密度においてはセル電圧が450〜500mVとなり、発電セルに接続される負荷が比較的小さい場合や二次電池に充電する際に好適とされる。すなわち、要求される出力に応じて最適なメタノール濃度で発電を行うことにより、発電効率を高くすることが出来る。また、発電セルに要求される負荷が大きい場合には、メタノール濃度を1mol/L付近に調整することで90mW/cm以上の出力を得ることが出来る。このように、DMFCに要求される出力モードに応じて最適なメタノール濃度が存在する傾向があり、要求された出力モードに応じて燃料の濃度を調整することが効率良く発電を行う場合には重要であることが分かる。なお、本明細書中の出力モードとは、出力電圧又は出力電力の如き発電セルの定性的な特性と、各特性における最大値や特定の数値範囲の如き具体的な条件を含む負荷からの要求である。
次に、本発明にかかる燃料電池装置の一例について説明する。図3は、本例にかかる燃料電池装置の構成図である。本発明にかかる燃料電池装置は上述した本件発明の基本的な思想に基づいて構成されており、燃料とされる混合溶液のメタノール濃度を燃料電池に要求される出力モードに応じて調整できる機構を備える。なお、本例の燃料電池装置1は、ダイレクトメタノール型燃料電池であるが、燃料はメタノールに限定されず、液体燃料を用いて発電を行う燃料電池であれば如何なるものでも良いことは勿論である。
燃料電池装置1は、メタノールタンク2、混合器3a,3b、バルブ11,12,13,14,15,16,17,18、ポンプ21,22、フィルタ4,8,9、冷却器5、セルスタック6、冷却器ドレイン7、ブロア41、及びこれら各部を繋いで流体の流路を形成する配管から構成される。
ここで、先ず、混合溶液がセルスタック6に供給されるまでの燃料電池装置1の動作について説明する。ポンプ21は、バルブ11が開かれた状態でメタノールタンク2からメタノールを吸い上げ、混合器3a,3bにメタノールを供給する。混合器3a,3bにはそれぞれ濃度センサ31,32が設けられており、混合溶液のメタノール濃度をモニターする。後述するようにセルスタック6の空気極側の排出口から水分を含むガスが排出されることから、このガスから分離された水分を混合器3a,3bに供給することで混合溶液のメタノール濃度を調整することができる。また、別途水分を混合器3a,3bに供給することもできる。さらに、濃度センサ31,32でメタノール濃度をモニターすることにより、精度良く混合溶液の濃度制御を行うことが可能となる。
混合器3a,3bはそれぞれ異なる濃度となるように調整された混合溶液を生成し、セルスタック6に対して、所要のメタノール濃度を有する混合溶液を供給する。ここで、所要のメタノール濃度とは、セルスタック6に要求される出力モードに対して最適なメタノール濃度であり、例えば、上述した評価で用いられた発電セルによってセルスタック6が構成されている場合、混合器3aは0.6mol/Lのメタノール濃度となるように調整された混合溶液を生成する。また、混合器3bは、1mol/Lのメタノール濃度となるように濃度が調整された混合溶液を生成する。セルスタック6に要求される出力密度が70mW/cm付近である場合、混合器3aから0.6mol/Lの混合溶液をセルスタック6に供給する。また、セルスタック6に要求される出力密度が90mW/cm以上である場合には、混合器3bから1mol/Lの混合溶液をセルスタック6に供給する。すなわち、セルスタック6に要求される出力密度に応じて、セルスタック6に混合溶液を供給する混合器3a,3bを切り換えることにより、スタックセル56に要求される出力モードに応じて調整された最適なメタノール濃度を有する混合溶液を素早く供給することができる。
また、混合器3a,3bとセルスタック6を繋ぐ流路にはバルブ13、フィルタ4、バルブ14、冷却器5が設けられており、バルブ13,14が開かれた状態で流路が確保される。混合器3a,3bから供給される混合溶液は、フィルタ14で不純物が除去された後、冷却器5で温度が下げられてセルスタック6に供給される。
続いて、空気がセルスタックに取り込まれるまでの燃料電池装置の動作について説明する。セルスタックの空気取り入れ口までの流路には、ブロア41、フィルタ9、バルブ8が設けられており、ブロア41で取り込まれた空気はフィルタ9で不純物が除去された後、バルブ8を介してセルスタック6に供給される。
さらに続いて、セルスタックの燃料極側から発電後の混合溶液が排出される際の燃料電池装置1の動作について説明する。セルスタック6は発電に使用された混合溶液を混合器3bに送る。この混合溶液は、混合器3bからセルスタック6に供給される混合溶液の生成に再利用される。混合器3bに設けられた濃度センサ32は混合器3b内の混合溶液のメタノール濃度をモニターしており、混合器3bは混合器3b内の混合溶液のメタノール濃度が所定の値となるように混合器3bに流入する水分や燃料の流入量を調整することができる。
続いて、セルスタック6の酸素極側から空気を排出する際の燃料電池装置1の動作について説明する。セルスタック6は酸素極側の排出口から発電後の空気を排出し、バルブ15が開かれた状態で確保された流路を介して冷却器ドレイン7に空気を送る。冷却器ドレイン7は、空気に含まれる水分を再度混合器3a,3bにおける混合溶液の濃度調整に利用するために分離して、バルブ16を介してフィルタ8に送る。冷却器ドレイン7は、水分が分離されたあとの空気を排気する。フィルタ8は、冷却器ドレインで分離された水分から不純物を除去した後、ポンプ22及びバルブ17を介して混合器3a,3bに供給する。ここで、セルスタック6から混合器3a,3bに至る空気及び水分の流動はポンプ22駆動力によって行われる。
このように順次燃料電池装置1の動作について説明したが、本例にかかる燃料電池装置1によれば、混合器3a,3bはそれぞれ所定のメタノール濃度に調整された混合溶液をセルスタック6に供給し、セルスタック6から排出される混合溶液やガスに含まれる燃料や水分を再利用することができる。また、セルスタック6に要求される出力モードが頻繁に変更される場合でも、混合溶液をセルスタック6に供給する混合器を切り替えることで要求された出力モードに対して最適な混合溶液をセルスタックに供給することができる。また、セルスタック6に対して最大効率運転と最大出力運転が頻繁に変更されるような場合には、混合溶液のメタノール濃度を調整するためにメタノールや水を随時追加することとなり、混合溶液が流動する循環系でオーバーフローが発生する可能性がある。しかし、本例の燃料電池装置1を構成する循環系によれば、混合器3a,3bの容積を必要以上に大きくすることなく、オーバーフローを低減することもできる。
次に、本発明にかかる燃料電池装置の別の例について説明する。図4は、本例にかかる燃料電池装置の構成図である。DMFCとされる燃料電池装置100を流動する空気及び燃料の流れを説明しながら、燃料電池装置100の動作について説明する。
燃料電池装置100は、燃料電池101、燃料電池101の燃料極に燃料を供給する燃料極側供給配管系50、燃料電池101に酸化剤とされる空気を供給する空気極側供給配管系60、燃料電池101の燃料極側から発電による生成物を排出する燃料極側排出配管系70、燃料電池の空気極側から排気する空気極側排出配管系80を備える。また、燃料電池101に接続されるDC−DCコンバータ113と、DC−DCコンバータ113に接続される負荷114は燃料電池101から電力を取り出す。制御コントローラ112は、燃料電池装置100を構成する各装置の駆動を制御する。
燃料電池101は、電解質膜を空気極及び燃料極で挟み込んだ発電セルが積層されたスタック構造を備える。この電解質膜は、ダイレクトメタノール型燃料電池に広く用いられている固体高分子型電解質膜とされ、例えばフッ素樹脂系のイオン導電膜を用いることができる。
燃料極側供給配管系50は、メタノールタンク104、メタノールタンク104からメタノールを吸い上げるメタノール供給ポンプ105、メタノール供給ポンプ105から供給されたメタノールと水分とを混合した混合溶液を生成する燃料混合器106、燃料混合器106から混合溶液を受け取って燃料電池101に供給する混合溶液循環ポンプ103、及び燃料電池101と混合溶液循環ポンプ103との間の流路の設けられる濃度センサ115から構成される。
空気極側供給配管系60は、燃料電池装置100の外部から空気を取り込むための配管61、空気を燃料電池101に供給する空気供給ポンプ102から構成される。
燃料極側排出配管系70は、燃料電池101から排出される混合溶液に含まれる二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去器116、二酸化炭素が除去された排気を燃料電池装置100の外部に排出する処理装置110から構成される。
空気極側排出配管系80は、燃料電池101から排出される排気から水分を分離する気液分離器108、分離された水分を貯蔵する水分貯蔵器109、水分貯蔵器109から燃料混合器106への流路に設けられる電磁バルブ111、気液分離器108で水分が分離された排気を燃料電池装置101の外部に排出する処理装置110から構成される。なお、処理装置110は、燃料極側排出配管系70と空気極側排出配管系80の両方に含まれる。
続いて、本例の燃料電池装置100の動作について説明する。先ず、燃料とされる混合溶液を燃料電池装置100に循環させる際の動作について説明する。
メタノール供給ポンプ105は、メタノールタンク104からメタノールを吸い上げて燃料混合器106に供給する。混合溶液循環ポンプ103は、メタノールと水分とを混合して混合溶液を生成する燃料混合器106から燃料電池101に混合溶液を供給する。燃料混合器106は混合溶液のメタノール濃度を調整することでき、負荷114に応じて最適なメタノール濃度となるように混合溶液の濃度を調整する。また、濃度センサ115で検出されたメタノール濃度に関する情報は制御コントローラに通知され、燃料混合器106が混合溶液のメタノール濃度を調整する際に参照される。さらに、濃度センサ115は、燃料電池101の直前、即ち燃料混合器106と燃料電池101との間に配置されていることから、濃度が変動した場合でも燃料電池101で消費される混合溶液の実質的なメタノール濃度を検出することができ、出力モードに応じて精度良く濃度が調整された混合溶液を用いて発電を行うことができる。
燃料電池101で消費された混合溶液は二酸化炭素除去器を兼ねた燃料混合器106に循環され、再度混合溶液循環ポンプ103によって燃料電池101に供給される。二酸化炭素除去器を兼ねた燃料混合器106は、燃料電池101によって排出された混合液体から二酸化炭素を分離して処理装置110に送り、処理装置110は二酸化炭素を大気に排出する。メタノールの如き液体燃料を用いた燃料電池装置においては、混合溶液そのものが燃料電池の冷却媒体であり、燃料電池装置100は別途冷却流路を必要としない。したがって、別途冷却水を燃料電池システム100に流動させることなく燃料電池101の温度上昇を抑制することもできる。また、本例の燃料電池装置100の如き液体燃料を用いた燃料電池装置は、混合溶液自身が非圧縮性を有することから水素ガスの如き気体の燃料を用いる場合に比べて背圧弁が不要となる利点を有する。
燃料電池101は発電に使用した混合溶液を二酸化炭素除去器に送り、二酸化炭素除去器116で二酸化炭素が除去された混合溶液は燃料混合器106で再度所定のメタノール濃度を有する混合溶液を生成するために利用される。また、発電に使用された混合溶液が水分を含んでいる場合には、この水分も燃料混合器106によってメタノールと混合されて燃料電池102の発電に再利用される。したがって、燃料電池101から排出された排出流体に含まれるメタノールや水分を再利用することにより、メタノールの如き燃料や水分を効率良く利用して発電を行うことができる。なお、燃料極側供給配管系50、及び燃料極側排出配管系70においては、燃料水溶液循環ポンプ103で発生する駆動力によって混合溶液を流動させることができる。
続いて、空気極側供給配管系60、及び空気極側排出配管系80に空気を循環させる際の燃料電池装置100の動作について説明する。
空気供給ポンプ102は、酸化剤である空気を配管61を介して大気から取り込み、燃料電池101に供給する。燃料電池101で発電に用いられた空気は気液分離器108によって水分と分離され、処理装置110を介して大気に排出される。燃料電池101から排出された空気から分離された水分は水分貯蔵器109に貯蔵された後、燃料混合器106に送られて混合溶液を生成するために利用される。また、水分貯蔵器109と燃料混合器106との間に設けられる電磁バルブ111は、水分貯蔵器109から燃料混合器106へ供給される水の供給量を調整する。電磁バルブ111は、濃度センサ115が検出したメタノール濃度及び負荷114に応じて制御コントローラ112によって制御される場合もある。さらに電磁バルブ111の開閉を燃料混合器106と連動して行うこともできる。
また、負荷114が変化した場合には、負荷114の変化に関する情報が制御コントローラ112に通知される。制御コントローラ112は、負荷114に応じて燃料電池101が最適な発電を行うことができるように燃料混合器106を制御し、負荷114に対して最適なメタノール濃度を有する混合溶液が燃料電池の発電状況に応じて自在に生成され、燃料電池に供給されることになる。
燃料電池101から排出される空気は、気液分離器41に送られる。気液分離器41は、この空気に含まれる水分は分離され、分離した水分が水分貯蔵器42に送られる。水分貯蔵器42に貯蔵された水分は、その流量が電磁バルブ111で調節されながら燃料混合器106に送られ、燃料電池101の発電に再利用される。また、気液分離器108は、水分が分離された空気を処理装置110に送り、処理装置110はこの排気を燃料電池装置100の外部に排出する。気液分離器108、水分貯蔵器109、及び燃料混合器106は、残留する水分が凍結しないようにヒータが設けられていても良い。また、凍結した水分によってこれら装置が破損しないように、気液分離器108、水分貯蔵器109、及び燃料混合器106に余分なスペースを設けておいても良い。さらにまた、燃料電池装置100を構成する配管を弾性を有する材料で形成することにより、これら配管が水分の凍結によって破損することを防止することも可能である。
燃料電池の特性を示すグラフであり、電流密度に対するセル電圧及び電力密度の関係を示すグラフである。 メタノール濃度に対する出力密度の関係を示すグラフである。 本発明にかかる燃料電池装置の一例を示す構成図である。 本発明にかかる燃料電池装置の一例を示す構成図である。
符号の説明
1 燃料電池装置
2 メタノールタンク
3a,3b 混合器
5 冷却器
6 セルスタック
7 冷却器ドレイン
31,32 濃度センサ

Claims (6)

  1. 液体燃料を用いて発電を行うと共に、負荷に応じて異なる出力モードが要求される燃料電池と、
    互いに異なる濃度の液体燃料を生成する複数の燃料混合器を有し、前記燃料電池に要求される出力モードに応じて前記複数の燃料混合器のうちの特定の燃料混合器を選択し、前記液体燃料の濃度を最適な濃度に調整する濃度調整手
    とを備えた燃料電池装置。
  2. 前記濃度調整手段は、前記燃料電池で発電に使用された液体燃料を再利用して前記液体燃料の濃度を調整する、請求項1記載の燃料電池装置。
  3. 前記液体燃料の濃度を検出する濃度検出手段を備える請求項1に記載の燃料電池装置。
  4. 前記濃度検出手段は、前記複数の燃料混合器にそれぞれ配置される、請求項3に記載の燃料電池装置。
  5. 前記濃度検出手段は、前記燃料電池と前記複数の燃料混合器との間に配置される、請求項3に記載の燃料電池装置。
  6. 液体燃料を用いて発電を行うと共に、負荷に応じて異なる出力モードが要求される燃料電池の上流に、互いに異なる濃度の液体燃料を生成する複数の燃料混合器を設け、
    記燃料電池に要求される出力モードを検知し、
    前記出力モードに応じて前記複数の燃料混合器のうちの特定の燃料混合器を選択し、前記液体燃料の濃度を最適な濃度に調整する
    料電池の燃料供給方法。
JP2003271581A 2003-07-07 2003-07-07 燃料電池装置及び燃料電池の燃料供給方法 Expired - Fee Related JP4697380B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003271581A JP4697380B2 (ja) 2003-07-07 2003-07-07 燃料電池装置及び燃料電池の燃料供給方法
PCT/JP2004/009609 WO2005004270A1 (ja) 2003-07-07 2004-06-30 燃料電池装置及び燃料電池の燃料供給方法
US10/563,508 US7201980B2 (en) 2003-07-07 2004-06-30 Fuel cell apparatus and method for feeding a fuel for fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003271581A JP4697380B2 (ja) 2003-07-07 2003-07-07 燃料電池装置及び燃料電池の燃料供給方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005032610A JP2005032610A (ja) 2005-02-03
JP4697380B2 true JP4697380B2 (ja) 2011-06-08

Family

ID=33562661

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003271581A Expired - Fee Related JP4697380B2 (ja) 2003-07-07 2003-07-07 燃料電池装置及び燃料電池の燃料供給方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7201980B2 (ja)
JP (1) JP4697380B2 (ja)
WO (1) WO2005004270A1 (ja)

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4529373B2 (ja) 2003-04-28 2010-08-25 ソニー株式会社 燃料電池および燃料電池の運転方法
JP4665381B2 (ja) * 2003-07-07 2011-04-06 ソニー株式会社 燃料電池システム及び電気機器
US7175934B2 (en) 2004-05-11 2007-02-13 Mti Microfuel Cells Inc. Single pump fuel cell system
DE102004056952A1 (de) * 2004-11-25 2006-06-08 Nucellsys Gmbh Brennstoffzellensystem mit Flüssigkeitsabscheider
JP4882240B2 (ja) * 2005-02-23 2012-02-22 富士通株式会社 燃料電池
JP5057278B2 (ja) * 2005-05-10 2012-10-24 日本電気株式会社 固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池の起動方法
JP4984019B2 (ja) * 2005-05-11 2012-07-25 日本電気株式会社 固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池の運転方法
EP1760816A3 (en) * 2005-08-31 2010-05-05 Samsung SDI Co., Ltd. Method and apparatus for water management in direct methanol fuel cell system using heat exchanger
JP2007080645A (ja) * 2005-09-14 2007-03-29 Hitachi Ltd 燃料電池を用いた電源装置を搭載した電子機器
JP4870980B2 (ja) 2005-12-14 2012-02-08 株式会社東芝 燃料電池システム及びその制御方法
JP2008310996A (ja) 2007-06-12 2008-12-25 Toshiba Corp 燃料電池システム及びその制御方法
TWI344719B (en) * 2007-09-11 2011-07-01 Iner Aec Executive Yuan Fuel supplying and controlling method and fuel cell apparatus using the same
DE102007062165A1 (de) * 2007-12-21 2009-06-25 Sabik Informationssysteme Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Brennstoffzelle
DK2291880T3 (da) 2008-04-24 2014-05-05 Ird Fuel Cells As Metode og system til at bestemme og styre methanolkoncentration i DMFC baseret på impedansmålinger
KR100993467B1 (ko) 2008-06-17 2010-11-09 삼성에스디아이 주식회사 직접 메탄올형 연료전지 스택 및 직접 메탄올형 연료전지시스템
WO2010058811A1 (ja) * 2008-11-21 2010-05-27 株式会社日立製作所 燃料電池
JP2010225470A (ja) * 2009-03-24 2010-10-07 Daihatsu Motor Co Ltd 燃料電池システム
CN202550031U (zh) * 2010-09-16 2012-11-21 流体公司 具有渐进析氧电极/燃料电极的电化学电池系统
JP6021630B2 (ja) * 2012-12-19 2016-11-09 ダイハツ工業株式会社 燃料電池システム

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020086193A1 (en) * 2000-11-22 2002-07-04 Acker William P. Apparatus and methods for sensor-less optimization of methanol concentration in a direct methanol fuel cell system
JP2003022830A (ja) * 2001-05-02 2003-01-24 Toshiba Corp 燃料電池発電装置、燃料電池発電装置の運転方法及び組電池
JP2003297401A (ja) * 2002-03-29 2003-10-17 Toshiba Corp 直接型液体燃料燃料電池発電装置およびその制御方法
JP2003331885A (ja) * 2002-05-17 2003-11-21 Daihatsu Motor Co Ltd 燃料電池装置
JP2004164954A (ja) * 2002-11-12 2004-06-10 Seiko Epson Corp 燃料電池システムおよび燃料電池システムを備える機器、発電ユニット、移動体、玩具

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6686081B2 (en) * 2001-05-15 2004-02-03 Mti Microfuel Cells, Inc. Methods and apparatuses for a pressure driven fuel cell system
JP2003132924A (ja) * 2001-10-30 2003-05-09 Yuasa Corp 直接メタノール形燃料電池システム
JP4028732B2 (ja) 2002-01-21 2007-12-26 株式会社水素エネルギー研究所 発電方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020086193A1 (en) * 2000-11-22 2002-07-04 Acker William P. Apparatus and methods for sensor-less optimization of methanol concentration in a direct methanol fuel cell system
JP2003022830A (ja) * 2001-05-02 2003-01-24 Toshiba Corp 燃料電池発電装置、燃料電池発電装置の運転方法及び組電池
JP2003297401A (ja) * 2002-03-29 2003-10-17 Toshiba Corp 直接型液体燃料燃料電池発電装置およびその制御方法
JP2003331885A (ja) * 2002-05-17 2003-11-21 Daihatsu Motor Co Ltd 燃料電池装置
JP2004164954A (ja) * 2002-11-12 2004-06-10 Seiko Epson Corp 燃料電池システムおよび燃料電池システムを備える機器、発電ユニット、移動体、玩具

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005032610A (ja) 2005-02-03
US20060159968A1 (en) 2006-07-20
WO2005004270A1 (ja) 2005-01-13
US7201980B2 (en) 2007-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4697380B2 (ja) 燃料電池装置及び燃料電池の燃料供給方法
US7192667B2 (en) Device and method for controlling fuel cell system
US8268501B2 (en) Fuel cell system, control method therefor, and movable body
US7622209B2 (en) Fuel cell system and fuel cell starting method
JP2007035509A (ja) 燃料電池システム
JP2005183354A (ja) 燃料電池システム
US20120077102A1 (en) Method of shutting down fuel cell system
EP1473789A2 (en) Device and method for controlling fuel cell system
US20070218323A1 (en) Methods of Operating Fuel Cell Power Generators, and Fuel Cell Power Generators
US7588844B2 (en) Method of starting up operation of fuel cell at low temperature
JP2008257989A (ja) 燃料電池システムおよびその制御方法
JP2005158553A (ja) 燃料電池システム
JP2009016057A (ja) 燃料電池装置およびその駆動方法
JP6307536B2 (ja) 燃料電池システムの低温起動方法
US20040121218A1 (en) Fuel cell water management
CN104051761B (zh) 防止水引起的损坏的燃料电池系统
JP2006092801A (ja) 燃料電池システム
JP2020024785A (ja) 燃料電池システム
JP7035982B2 (ja) 燃料電池システム
JP2021174671A (ja) 燃料電池システム
JP4742495B2 (ja) 燃料電池システム
JP2007018837A (ja) 燃料電池の水素ガス希釈装置
JP2000357527A (ja) 燃料電池システム
JP2005044748A (ja) 燃料電池システム
JP4977942B2 (ja) 燃料電池システム、及び燃料電池の発電方法

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20050607

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20050805

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060516

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100216

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100412

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110202

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110215

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees