JP4710245B2 - 電気化学エネルギー生成装置の駆動方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電気化学エネルギー生成装置及びこの装置の駆動方法に関するものである。
リチウムイオン２次電池は、高エネルギー密度と高出力密度という二つの特性を備えていることから、完成度が高く、モバイル機器の電源として多く採用されている。しかし、近年、モバイル機器の高性能化により消費電力が増える傾向にあり、リチウムイオン２次電池の更なるエネルギー密度と出力密度の向上が求められている。
その解決策として正極／負極の電極材料の変更、電極材料の塗布方法の改善、電極材料の封入方法の改善等が挙げられ、リチウムイオン２次電池のエネルギー密度を向上させる研究が行われているが、実用化に向けてのハードルは未だ高い。現在のリチウムイオン２次電池に使用されている材料が変わらない限り、大幅なエネルギー密度の向上は期待できない。
このため、リチウムイオン２次電池よりエネルギー密度が高いバッテリーの開発が急務であり、燃料電池はその候補の一つとして有力視されている。
燃料電池はアノード極とカソード極からなり、アノード極側には燃料を供給し、カソード極側には空気又は酸素を送り込む。燃料を供給することによって酸化還元反応が起こり、燃料が持つ化学エネルギーから電気エネルギーを取り出すことができる。
世の中には多数の燃料電池が存在し、使用する電解質膜によってアルカリ系（ＡＦＣ）、リン酸系（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩系（ＭＣＦＣ）、固体酸化物系（ＳＯＦＣ）と固体高分子系に分けられる。固体高分子系の一つとして挙げられる直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、数多くある燃料電池の中でモバイル機器、電気自動車等のエネルギー源として使用される可能性が一番高い。
これは、ＤＭＦＣの燃料であるメタノール溶液のエネルギー密度が、理論的に４．８ｋＷ／ｌであり、リチウムイオン２次電池のエネルギー密度の１０倍以上であるためである。即ち、燃料としてメタノールを使用した燃料電池は、リチウムイオン２次電池のエネルギー密度を凌ぐ可能性を持っている。また、ＤＭＦＣは、原料から水素を取り出すための改質器を必要としないことから比較的シンプルな設計で作製できるメリットがあり、また他の燃料電池に比べ、３０℃〜１３０℃という低温で正常に動作するメリットがある。
ＤＭＦＣの燃料として使用されるのはメタノール水溶液であり、メタノール水溶液はアノード極側に供給される。メタノール水溶液は、アノード極側の触媒層で酸化反応を起こし、二酸化炭素に酸化される。このとき生じたプロトンは、アノード極とカソード極を隔てる電解質膜を通ってカソード極へ移動し、カソード極側で酸素と反応して水を生じる。なお、アノード極側、カソード極側及びＤＭＦＣ全体で起こる反応式をそれぞれ下記に示す。
アノード極：CH3OH + H2O → CO2 + 6e- + 6H+
カソード極：3/2O2 + 6e- + 6H+ → 3H2O
ＤＭＦＣ全体：CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O
上記の反応で生じる理論電圧は１．２３Ｖであるが、実際に発電している時の電圧は、約０．６Ｖ以下になる。電圧が低くなる理由は、ＤＭＦＣの内部抵抗によって生じる電圧降下によるものであって、ＤＭＦＣ内部では、両電極で生じる反応に従う抵抗、物質の移動に従う抵抗、プロトンが電解質膜を移動する際に生じる抵抗、更に接触抵抗などの内部抵抗が存在している。メタノールから取り出すことができるエネルギーは、発電時の電圧と、メタノールの酸化還元反応によって回路に流れた電子の量、つまり出力電流との積で表され、発電時の電圧が低くなると、メタノールから取り出すことのできるエネルギーは小さくなる。なお、メタノールの酸化還元反応によって回路に流れる電子の総量は、後述するメタノールクロスオーバーがなければ、燃料内のメタノール量に比例する。
また、ＤＭＦＣはメタノールクロスオーバーという問題を抱えている。メタノールクロスオーバーとは、アノード極側とカソード極側で生じるメタノールの濃度勾配によって起こる拡散と、プロトンの移動によって生じた水の移動に合わせてメタノールがアノード極側からカソード極側へリークする電気浸透の両方によって起こる現象のことである。
メタノールがアノード極側から電解質膜を透過してカソード極側に到達してしまうことにより、カソード極側の触媒上でメタノールの酸化反応が起きる。これにより逆起電力がカソード極側で生じてしまい、電圧を低下させる要因になる。さらに、メタノールが発電に使われず、カソード極側で消費されてしまうという問題がある。
このように、ＤＭＦＣは、内部抵抗とメタノールクロスオーバーによって生じる電圧低下、及びメタノールのクロスオーバーによる燃料消費という２つの問題があり、これらは、ＤＭＦＣの発電効率を低下させる要因になっている。
発電効率を高める方法として、ＤＭＦＣを構成する材料の特性を向上させる研究開発や、ＤＭＦＣの発電条件を最適化させる研究開発が行われている。
ＤＭＦＣを構成する材料の特性を向上させる研究では、特に、メタノールクロスオーバーを低減させる研究が盛んである。
メタノールクロスオーバーを低減させる方法としては、供給したメタノールを全てアノード極側で使い切る方法が考えられる。そうするためには、アノード極側の単位量あたりの触媒活性を向上させるか、或いは触媒担持量を増やす方法が挙げられる。しかし、現在、一般的にアノード極側の触媒層で使用されているＰｔ−Ｒｕ系の触媒活性を向上させることは難しく、未だ最適な触媒は見つかっていない。触媒担持量を増やすことで、ある程度の触媒活性を向上させることができるが、触媒を増やすことにより内部抵抗が大きくなり、結局電圧が低下する弊害もある。
また、新たな触媒の研究開発に加え、メタノールクロスオーバーが最低限に抑えられる電解質膜の研究も盛んに行われている。一般的にＤＭＦＣの電解質膜として利用されているポリパーフルオロアルキルスルホン酸系膜（例えばナフィオン（登録商標）膜）は、プロトン伝導率が高いという利点はあるが、メタノールに対しての透過性も高い。最適な触媒が見つからないと同様に、最適な電解質膜も見つからないのが現状である。
一方、文献“Journal of Power Sources, 112, (2002) 339〜352”では、ＤＭＦＣの出力密度と発電効率は、主に温度、燃料供給流量、燃料濃度によって変動することが述べられており、これらの動作環境を変更した時の燃料電池の特性について記されている。
この論文では、温度を４０℃、６０℃、８０℃、燃料供給流量を０．１５ｍｌ／ｍｉｎ、０．５ｍｌ／ｍｉｎ、５ｍｌ／ｍｉｎ、燃料濃度を２ｍｏｌ／ｌ、１ｍｏｌ／ｌ、０．５ｍｏｌ／ｌの値に設定し、異なった運転条件における燃料電池の特性データの収集が行われており、燃料電池を８０℃で動作させ、燃料濃度を最小の０．５ｍｏｌ／ｌ、燃料供給流量を最高の５ｍｌ／ｍｉｎに設定した運転条件によって、最高の出力密度が得られることが示されている。この運転条件で燃料電池を発電させると出力が高いものの、メタノールクロスオーバーが増加してしまうため、発電効率が悪くなることが述べられている。また、同じ出力を得る場合であっても、運転条件によっては発電効率が大きく変化することが述べられている。
そこで、温度、燃料供給流量、燃料濃度などのパラメータを細かく変えて燃料電池特性を測定し、予め発電効率が高くなる運転条件を求めてデータベースを作成し、そのデータベースを基に制御を行う方法が考えられる。
また、運転条件を最適化させる方法として、燃料の濃度に応じて、燃料タンクから供給される燃料の量を制御する燃料流量制御手段を利用して、燃料電池の性能を向上させる方法が提案されている（例えば、後記の特許文献１参照。）。この際、ＤＭＦＣの内部モデルを数式化することにより、発電条件を定式化し、運転条件が得られている。
特開２００３−２２８３０号公報（９頁１６欄２６行目〜１１頁２０欄３５行目、図８〜図１２）
しかしながら、上述したような、データベースを作成し、そのデータベースを基に制御を行う方法では、ＤＭＦＣの発電効率に対して影響を及ぼすパラメータが多すぎるため、測定に時間が掛かってしまう欠点が存在する。また、測定データが膨大になるため、制御プログラムのサイズも大きくなってしまう欠点が存在する。
また、アノード極で起こるＣＯ被毒、カソード極で起こる溢汪（フラッディング）、電解質膜の劣化などにより、燃料電池の内部特性が変化することが知られており、上記の特許文献１のような方法では、事前に測定したデータ又は物理モデルによって作成した数式に基づいて運転条件を決定するため、長時間使用するような実使用環境下において、発電効率が常に高い運転条件でＤＭＦＣを発電させることはできない。
以上のように、従来例による燃料電池制御方法では、燃料電池の内部特性の変化が考慮されておらず、実際の燃料電池の駆動時において、数式によって算出された通りの発電効率が得られるとは限らない。実際にＤＭＦＣを利用して発電を行う場合は、数ヶ月から１年以上使用することが想定され、その間、燃料電池の内部特性が変化しないことはない。即ち、ＤＭＦＣの発電効率を最大にする運転条件は、刻々と変化する。
従って、一定の運転条件でＤＭＦＣを発電させるような、従来例による燃料電池制御方法では、常にＤＭＦＣの発電効率を最大にすることはできず、メタノールから効率よくエネルギーを取り出すことができない。エネルギー密度の高いメタノールを利用しても、その利点を活かすことができない。このため、従来の制御技術を利用したＤＭＦＣでは、リチウムイオン２次電池のエネルギー密度と同程度、若しくは、それ以下のエネルギー密度しか得ることができない。
本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、燃料電池等の電気化学デバイスの内部特性の変化に対応して、常に高いエネルギー密度を得ることができる電気化学エネルギー生成装置、及びこの装置の駆動方法を提供することにある。
即ち、本発明は、電気化学エネルギーを生成する電気化学デバイスと、
前記電気化学デバイスの運転状態を測定する測定部と、
前記電気化学デバイスの運転条件を調整する調整部と、
前記測定部及び前記調整部に接続され、前記運転条件を制御する制御部と
を有し、前記電気化学デバイスの運転中に、前記測定部で得られた測定値に基づいて前記制御部によって前記調整部を制御し、前記調整部を介して前記運転条件を調整するように構成した、電気化学エネルギー生成装置に係るものである。
また、電気化学デバイスの運転状態を測定する測定部と、
前記電気化学デバイスの運転条件を調整する調整部と、
前記測定部及び調整部に接続され、前記運転条件を制御する制御部と
を用いて前記電気化学デバイスを駆動する方法であって、
前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、前記測定部で得られた測定値を前記制御部に入力し、前記電気化学デバイスの運転中に、前記測定値に基づいて前記制御部によって前記調整部を制御する、電気化学エネルギー生成装置の駆動方法に係るものである。
本発明によれば、前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、前記測定部で得られた測定値を前記制御部に入力し、前記電気化学デバイスの運転中に、前記測定値に基づいて前記制御部によって前記調整部を制御するので、電気化学エネルギー生成効率を実測値として得ることができ、前記電気化学デバイスの内部特性の変化に対応して前記運転条件を調整することができ、常に高いエネルギー密度を得ることができる。
本発明において、前記測定部が、前記電気化学デバイスの出力電流を測定する電流測定手段と、前記電気化学デバイスの出力電圧を測定する電圧測定手段と、前記電気化学デバイスに供給される原料に対して前記電気化学デバイスから排出される原料の濃度を測定する原料濃度測定手段とを有し、これらの測定手段で得られたデータが前記運転中に前記制御部に入力されることが好ましい。
また、前記制御部が、前記データから電気化学エネルギー生成効率を算出し、この算出値に基づいて前記調整部を制御することが好ましい。
また、前記調整部が、前記電気化学デバイスの温度調整を行う温度調整手段と、前記電気化学デバイスに供給する原料の流量又は／及び圧力を調整する流量／圧力調整手段と、前記電気化学デバイスに供給する他の原料の流量又は／及び圧力を調整する流量／圧力調整手段と、前記電気化学デバイスに供給する原料の濃度を調整する濃度調整手段とのうち少なくとも１つからなることが好ましい。
さらに、前記電気化学デバイスが、対向電極間にプロトン伝導体が挟持されてなることが好ましく、具体的には、燃料電池として構成されているのが望ましい。
本発明の電気化学エネルギー生成装置の駆動方法において、前記測定及び前記制御の工程を前記電気化学デバイスの運転中に繰り返して（例えば、２分間隔で）行うことが望ましい。これによって、前記電気化学デバイスの使用時において、前記電気化学デバイスの内部特性が刻々と変化しても、これに対応しながら、常に前記電気化学エネルギー生成効率が最大となるような前記運転条件に制御することができ、常に高いエネルギー密度を得ることができる。
本発明の電気化学エネルギー生成装置の駆動方法では、前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、得られたデータを前記制御部に入力し、前記制御部にて前記データを基に第１の電気化学エネルギー生成効率（例えば後述の発電効率E1）を算出した後、
前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を任意に変更し、この状態で前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、得られたデータを前記制御部に入力し、前記制御部にて第２の電気化学エネルギー生成効率（例えば後述の発電効率E2）を算出し、
前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を更に任意に変更し、この状態で更に前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、得られたデータを前記制御部に入力し、前記制御部にて第３の電気化学エネルギー生成効率（例えば後述の発電効率E3）を算出し、
前記第１の電気化学エネルギー生成効率を基準として、前記第２の電気化学エネルギー生成効率と前記第３の電気化学エネルギー生成効率とを比較し、最適な前記電気化学デバイスの運転条件を決定することが好ましい。
また、前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を、前記第２及び第３の電気化学エネルギー生成効率のうち大きい方の値が得られたときの運転条件に調整し、この状態で前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、得られたデータを前記制御部に入力し、前記制御部にて第４の電気化学エネルギー生成効率（例えば後述の発電効率E4）を算出し、
前記第１の電気化学エネルギー生成効率と前記第４の電気化学エネルギー生成効率とを比較し、前記第１の電気化学エネルギー生成効率が大きい場合は、前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を、前記第１の電気化学エネルギー生成効率が得られたときの運転条件に調整し、この運転条件を前記最適な運転条件とすることも好ましい。
さらに、前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を、前記第２及び第３の電気化学エネルギー生成効率のうち大きい方の値が得られたときの運転条件に調整し、この状態で前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、得られたデータを前記制御部に入力し、前記制御部にて第４の電気化学エネルギー生成効率（例えば後述の発電効率E4）を算出し、
前記第１の電気化学エネルギー生成効率と前記第４の電気化学エネルギー生成効率とを比較し、前記第４の電気化学エネルギー生成効率が大きい場合は、前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を更に任意に変更し、この状態で前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、得られたデータを前記制御部に入力し、前記制御部にて第５の電気化学エネルギー生成効率（例えば後述の発電効率E5）を算出し、
前記第４の電気化学エネルギー生成効率と前記第５の電気化学エネルギー生成効率とを比較し、前記第４の電気化学エネルギー生成効率が大きい場合は、前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を、前記第４の電気化学エネルギー生成効率が得られたときの運転条件に調整し、この運転条件を前記最適な運転条件とすることも好ましい。
本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置の駆動方法によれば、前記電気化学デバイスの運転中に前記運転条件を変化させ、前記電気化学エネルギー生成効率を実際に測定することによって前記最適な運転条件を見つけ出し、その運転条件で前記電気化学デバイスを運転するので、前記電気化学デバイスの内部特性が変化しても、これに対応しながら常に前記電気化学エネルギー生成効率を最大にすることができる。
以下に、前記電気化学デバイスが燃料電池（例えば直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ））として構成された場合の、本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置の駆動方法の中心となる概念について説明する。
ＤＭＦＣの発電効率を求めたい場合、電圧効率と燃料効率を算出する必要がある。下記式（１）は、燃料効率ηfuelを算出するものである。なお、下記式（１）において、Icellは運転中のＤＭＦＣから流れる電流、Icross-overはメタノールクロスオーバーによって消費する電流を意味する。
ηfuel=Icell/(Icross-over+Icell)…式（１）
下記式（２）は、電圧効率ηvoltageを算出する式であり、ＤＭＦＣの運転中に測定する測定電圧Vmeasuredを理論電圧Vtheoreticalで割ることによって求めることができる。なお、ＤＭＦＣの場合、理論電圧Vtheoreticalの値は１．２３Ｖである。
ηvoltage=Vmeasured/Vtheoretical…式（２）
そして、燃料電池の発電効率を算出したい場合は、上記式（１）と式（２）の積を取る。下記式（３）がＤＭＦＣの発電効率ηtotalを算出する式である。
ηtotal=Vmeasured/Vtheoretical×Icell/(Icross-over+Icell)…式（３）
ここで、一定の出力が得られるようにＤＭＦＣを運転させる場合を考えると、上記式（３）における(Vmeasured/Vtheoretical)×Icellの部分は変化しない。従って、この部分は、定数Kとして置き換えることができ、下記式（４）が、ＤＭＦＣの運転条件の最適化を行う際に必要となる式になる。
ηtotal=K/(Icross-over+Icell)…式（４）
上記式（４）から分かるように、(Icross-over+Icell)とηtotalの関係は反比例することから、(Icross-over+Icell)の値が最小であれば、ηtotalの値が最大になる。つまり、メタノールクロスオーバー電流と回路に流れる電流を最小に抑えることにより、ＤＭＦＣの発電効率を最大にすることができる。
さらに詳細に上記式（４）を説明するために、燃料電池の特性について説明する。図５（ａ）は、温度変化による電流／電圧特性と電流／出力特性を表した図である。例えば、３０℃、５０℃、７０℃で運転しているＤＭＦＣを比較した場合、高い電圧と出力が得られるのは高温で運転させた時である。換言すれば、同じ出力を得る場合、高温で運転しているＤＭＦＣは低温で運転しているＤＭＦＣに比べ、低い電流を回路に流すことでその出力を得ることができる。つまり、高温でＤＭＦＣを運転させることによって、上記式（４）のIcellの値を小さくできる。
一方、図５（ｂ）の温度変化による電流／メタノールクロスオーバー特性が示すように、明らかに高温で運転しているＤＭＦＣの方がメタノールクロスオーバー電流が多い。その理由としては、温度の上昇は触媒に影響を与え、触媒反応が活発になり、メタノールクロスオーバーを推進してしまうからである。その結果、アノード極側からカソード極側へ透過するメタノールの量が増加してしまうことから、上記式（４）のIcross-overの値は大きくなる。
従って、図５（ａ）及び（ｂ）に示す燃料電池の特性から明らかなように、ＤＭＦＣの発電効率を決定するIcross-overとIcellは、温度のような運転条件の変化によって大きく変化し、発電効率に影響を及ぼすことが分かる。
また、温度が高くなるにつれて、Icellは小さくなるが、Icross-overは大きくなり、逆に、温度が低くなるにつれて、Icross-overは小さくなるが、Icellは大きくなる。このことは、燃料電池にとって、発電効率を最大にする温度が存在することを意味する。
しかしながら、燃料電池の発電効率を最大にする温度は、燃料電池の内部特性に依存し、また燃料電池の内部特性は経時変化することから、燃料電池の発電効率を最大にする温度は燃料電池の使用に伴って刻々と変化する。従って、発電効率を最大にする温度を、予め測定しておくだけでは不十分であり、発電効率を最大にする温度を発電中に見つけ出すことが重要になる。
ここで、前記運転条件として温度を例に挙げて説明したが、上述したことは他の運転条件、例えば、燃料供給流量、空気供給流量、燃料濃度などに対しても、同様に当てはまる。
次に、発電効率の測定方法について説明する。上記式（４）に含まれるIcellの測定方法は、従来公知の方法を用いることができる。
上記式（４）に含まれるIcross-overの測定方法はどのような方法であっても良いが、以下に直接的に測定する方法と、間接的に測定する方法を説明する。
直接的に測定する方法としては、メタノール濃度を測定し、この測定値を用いてメタノールクロスオーバーによって消費する電流を算出する方法がある。
具体的には、燃料電池に供給するメタノール水溶液の濃度と、燃料電池から排出されるメタノール水溶液の濃度を測定し、その測定値の差から１秒間に燃料電池で消費されたメタノール量Ctotalを算出する。また、燃料電池の出力電流Icellから、燃料電池の発電に使用されたメタノール量Ccell（Ccell=Icell/6F（ＦはFaraday定数））を算出する。メタノールクロスオーバーがなければ、この燃料電池の発電に使用されたメタノール量と、上述の燃料電池で消費されたメタノール量は同じになる。実際には、メタノールクロスオーバーがあるため、燃料電池で消費されたメタノール量は、燃料電池の発電に使用されたメタノール量より大きくなり、その差が、メタノールクロスオーバー量Ccross-over（Ccross-over=Icross-over/6F）になる。このように、メタノールクロスオーバー量から、メタノールクロスオーバー電流に変換することは容易である。
次に、メタノールクロスオーバー電流Icross-overを、セル電圧を用いて間接的に測定する方法を説明する。ＤＭＦＣ全体のセル電圧Vcellは、下記式（５）のように表される。なお、下記式（５）において、Ecellは平衡電圧、ηanはアノードの活性化過電圧、ηcatはカソードの活性化過電圧、ηohmicは抵抗過電圧、ηcross-overはクロスオーバー過電圧を表している。
Vcell=Ecell−ηan−ηcat−ηohmic−ηcross-over…式（５）
動作しているＤＭＦＣのセル電圧には、多くの情報が含まれているため、この値から、メタノールクロスオーバー電流を算出することは困難である。しかし、ＤＭＦＣに電流が流れていない場合、上記式（５）に含まれているηan、ηcat、ηohmicが存在しなくなることから、上記式（５）は以下のように書き換えることができる。
Vcell=Ecell−ηcross-over…式（６）
つまり、ＤＭＦＣの発電を停止した時のセル電圧には、平衡電圧とクロスオーバー過電圧のみの情報が含まれている。平衡電圧が一定であると考えれば、発電を停止した時のセル電圧は、クロスオーバー過電圧、即ち、クロスオーバー電流の関数になることが分かる。
従って、予め発電を停止した時のセル電圧とクロスオーバー電流の関係を測定しておけば、発電中に短時間、例えば１秒、発電を停止してセル電圧を測定することにより、クロスオーバー電流を間接的に測定できることになる。
ここで、燃料としてメタノール水溶液を用いたＤＭＦＣについて説明したが、燃料がどのようなものであったとしても本発明の技術を適用できることは言うまでもない。また、クロスオーバー電流が十分に小さいときは、燃料電池からの出力電流Icellのみを測定することにより発電効率を算出しても良い。
以下に、本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置の構成を図面を参照して説明する。
図１は、本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置の一例の模式図である。本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置１は、電気化学エネルギーを生成する前記電気化学デバイスとしての燃料電池（ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly））２と、燃料電池２の運転状態を測定する前記測定部と、燃料電池２の運転条件を調整する前記調整部と、前記測定部及び前記調整部に接続され、前記運転条件を制御する制御部１１とを有する。そして、燃料電池２の運転中に、前記測定部で得られた測定値に基づいて制御部１１によって前記調整部を制御し、前記調整部を介して前記運転条件を調整する。
前記測定部は、燃料電池２の出力電流を測定する電流測定手段１２と、燃料電池２の出力電圧を測定する電圧測定手段１３と、燃料電池２に供給される燃料に対して燃料電池２から排出される燃料の濃度を測定するクロスオーバー原料（燃料）濃度測定手段１４とを有し、これらの測定手段で得られたデータが前記運転中に通信ライン２１を介して制御部１１に入力される。原料濃度測定手段１４としては、例えばメタノール濃度センサー等を用いることができる。
制御部１１は、前記データから電気化学エネルギー生成効率（発電効率）を算出し、この算出値に基づいて前記調整部を制御する。例えば、制御部１１はマイクロコンピュータ等を用いることができ、図示省略したが、前記測定部から入力された前記測定値から発電効率を算出する演算部、前記測定値及び前記発電効率などを記憶する記憶部（メモリー）、このメモリーからのデータを相互比較する比較演算部、前記測定部からの前記データを入力したり或いは前記調整部に対して調整用の信号を出力する信号入出力部などを備える。また、前記測定部からの前記データは、例えば点線で示す通信ライン２１を介して制御部１１に送信することができ、前記調整部への前記出力信号は一点鎖線で示す通信ライン２２を介して前記調整部へ送信することができる。
前記調整部は、燃料電池２の温度調整を行う温度調整手段１５と、燃料電池２に供給する燃料の流量又は／及び圧力を調整する流量／圧力調整手段１６と、燃料電池２に供給する他の原料（酸素）の流量又は／及び圧力を調整する流量／圧力調整手段１７と、燃料電池２に供給する燃料の濃度を調整する濃度調整手段１８とのうち少なくとも１つからなる。例えば、流量／圧力調整手段１６によって燃料の供給流量を調整する場合、制御部１１からの信号に従って、図示省略した調整バルブを開閉することにより前記調整を行うことができる。また、濃度調整手段１８は、図示省略したが、メタノール等の原料、水の各添加量を制御する手段を備える。さらに、前記原料（燃料）としてメタノール等の液体原料を用いる場合は、流量／圧力調整手段１６によって流量を調整すればよく、前記原料（燃料）として水素ガス等の気体を用いる場合は、流量／圧力調整手段１６によって圧力調整を行えばよい。
外部回路１９は、モバイル機器（携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant：個人用の携帯情報機器）など）を表し、燃料電池２から発電されるエネルギーを元に動作する。
燃料電池２は、図２に示すように、プロトン伝導体３を中心とし、その両側に触媒層（アノード触媒層４とカソード触媒層５）付きの電極基材（アノード集電体６とカソード集電体７）が配置され、ＭＥＡ（膜電極接合体構造）８を構成し、このＭＥＡ８をセパレータ７０が挟んでいる。このＭＥＡ８に用いるプロトン伝導体３は、パーフルオロスルホン酸樹脂（例えばデュポン社製のナフィオン（登録商標））等を用いることができる。
電極基材６、７はカーボンクロス、カーボンペーパー又はカーボンシートから構成され、撥水化のためにＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）処理が行われている。触媒層４、５には、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）等を使用することができる。
燃料電池の燃料９としては、水素、メタノール等のアルコール、炭化水素などを用いることができる。
使用時には、アノード極４側にはメタノール水溶液等の燃料９が供給され、触媒反応によって燃料からプロトンが発生し、このプロトンはプロトン伝導体３を通ってカソード極５側へ移動し、そこでカソード極５側に供給される酸素（空気）１０と反応し、これにより所望の起電力が取り出される。
メタノール水溶液等の燃料９は、燃料電池２に供給される前にタンク２０に貯蔵され、濃度調整手段１８によって所望の濃度に調整された後、燃料電池２のアノード極４側に供給される。
次に、図１に示すような本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置の駆動方法について説明する。なお、前記電気化学デバイスとしての燃料電池２の発電効率は、温度、燃料供給流量、燃料濃度、空気（酸素）の供給圧力などに依存するが、図３では温度調整によって発電効率を最大にする方法、図４では燃料電池２に供給する燃料（例えばメタノール水溶液）の流量を調整することによって発電効率を最大にする方法を例に挙げて説明する。
まず、図３を参照して、前記電気化学デバイスとしての燃料電池２の発電効率を、温度調整によって最大にする方法を説明する。
まず、図３のステップ２３に示すように、本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置１の運転中において、温度調整手段１５によって本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置１の温度Tを測定し、この測定値を通信ライン２２を介して制御部１１に送信する。次に、ステップ２４に示すように、燃料電池２の出力電流を測定する電流測定手段１２によって前記出力電流を測定し、また燃料電池２に供給される燃料に対して燃料電池２から排出される燃料の濃度を測定する原料（燃料）濃度測定手段１４によってメタノールクロスオーバー量、即ちメタノールクロスオーバー電流を測定し、これらの測定値を通信ライン２１を介して制御部１１に送信する。そして、ステップ２５に示すように、制御部１１にて、ステップ２４で得られた測定値を上記の式（４）に当てはめて、発電効率E1を算出する。
次に、ステップ２６に示すように、温度調整手段１５によって電気化学エネルギー生成装置１の温度を、ステップ２３で測定した温度Tに任意の温度（ΔT）を加算した値（T＋ΔT）まで調整する。温度調整後、ステップ２７に示すように、電流測定手段１２によって前記出力電流を測定し、また原料濃度測定手段１４によってメタノールクロスオーバー量、即ちメタノールクロスオーバー電流を測定し、これらの測定値を通信ライン２１を介して制御部１１に送信する。そして、ステップ２８に示すように、制御部１１にて、ステップ２７で得られた測定値を上記の式（４）に当てはめて、発電効率E2を算出する。
次に、ステップ２９に示すように、温度調整手段１５によって電気化学エネルギー生成装置１の温度を、ステップ２３で測定した温度Tに任意の温度（ΔT）を引いた値（T−ΔT）まで調整する。温度調整後、ステップ３０に示すように、電流測定手段１２によって前記出力電流を測定し、また原料濃度測定手段１４によってメタノールクロスオーバー量、即ちメタノールクロスオーバー電流を測定し、これらの測定値を通信ライン２１を介して制御部１１に送信する。そして、ステップ３１に示すように、制御部１１にて、ステップ３０で得られた測定値を上記の式（４）に当てはめて、発電効率E3を算出する。
次に、ステップ３２に示すように、上記のようにして算出された発電効率E2とE3とを比較する。発電効率E2が発電効率E3より大きかった場合は、ステップ３３に示すように、電気化学エネルギー生成装置１の温度を、ステップ２３で測定した温度Tに任意の温度（ΔT）を加算した値（T＋ΔT）まで調整する。また、発電効率E3が発電効率E2より大きかった場合は、ステップ３４に示すように、電気化学エネルギー生成装置１の温度を、ステップ２３で測定した温度Tに任意の温度（ΔT）を引いた値（T−ΔT）まで調整する。
そして、ステップ３５に示すように、電流測定手段１２によって前記出力電流を測定し、また原料濃度測定手段１４によってメタノールクロスオーバー量、即ちメタノールクロスオーバー電流を測定し、これらの測定値を通信ライン２１を介して制御部１１に送信する。次いで、ステップ３６に示すように、制御部１１にて、ステップ３５で得られた測定値を上記の式（４）に当てはめて、発電効率E4を算出する。
次に、ステップ３７に示すように、発電効率E1と発電効率E4とを比較する。発電効率E1の方が大きい場合は、発電効率E1を測定した時の温度Tが最大の発電効率を得ることができる運転条件となるので、ステップ３８に示すように、制御部１１から温度調整用の出力信号を送信し、温度調整手段１５によって電気化学エネルギー生成装置１の温度を温度Tに調整する。以上のようにして、前記調整及び前記制御を完了する（ステップ３９）。
また、ステップ３７で、発電効率E1より発電効率E4の方が大きい場合は、ステップ４０に示すように、電気化学エネルギー生成装置１の温度を更に調整する。このとき、ステップ３２で発電効率E2とE3とを比較した結果、ステップ３３に進み、電気化学エネルギー生成装置１の温度を、ステップ２３で測定した温度Tに任意の温度（ΔT）を加算した値（T＋ΔT）まで調整した場合は、温度（T＋ΔT）に更にΔT加算した値（T＋ΔT＋ΔT）まで調整する。また、ステップ３４に進み、電気化学エネルギー生成装置１の温度を、ステップ２３で測定した温度Tに任意の温度（ΔT）を引いた値（T−ΔT）まで調整した場合は、温度（T−ΔT）から更にΔT引いた値（T−ΔT−ΔT）まで調整する。
温度調整後、ステップ４１に示すように、電流測定手段１２によって前記出力電流を測定し、また原料濃度測定手段１４によってメタノールクロスオーバー量、即ちメタノールクロスオーバー電流を測定し、これらの測定値を通信ライン２１を介して制御部１１に送信する。次いで、ステップ４２に示すように、制御部１１にて、ステップ４１で得られた測定値を上記の式（４）に当てはめて、発電効率E5を算出する。
次いで、ステップ４３に示すように、発電効率E4と発電効率E5とを比較する。発電効率E4の方が大きい場合は、発電効率E4を測定した時の温度（T＋ΔT）又は（T−ΔT）が最大の発電効率を得ることができる運転条件となるので、ステップ４４に示すように、制御部１１から温度調整用の出力信号を送信し、温度調整手段１５によって電気化学エネルギー生成装置１の温度を、温度（T＋ΔT）又は（T−ΔT）に調整する。以上のようにして、前記調整及び前記制御を完了する（ステップ４５）。
一方、発電効率E4より発電効率E5の方が大きかった場合は、前記運転条件を引き続き制御する必要があるため、ステップ４０以降の工程を更に繰り返し、最大の発電効率が得られるまで行う。
また、本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置の駆動方法は、図３中に点線で示すように、電圧値、電流値などに変更が生じた時のみに前記調整及び前記制御が行われるのではなく、一定間隔（例えば２分間隔）で前記調整及び前記制御を行うのが望ましい。これにより、前記電気化学デバイス（例えば燃料電池）の内部特性が変化しても、これに対応しながら常に発電効率を最大にすることができる。
本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置及びこの装置の駆動方法によれば、燃料電池２の運転中に前記運転条件を変化させ、発電効率を実際に測定することによって前記最適な運転条件を見つけ出し、その運転条件で燃料電池２を運転するので、燃料電池２の内部特性が変化しても、これに対応しながら常に発電効率を最大にすることができ、発電効率から取り出すことができるエネルギーを常時最大にすることができる。その結果、モバイル機器等の外部回路１９の使用時間を増やすことが可能になる。
次に、図４を参照して、前記電気化学デバイスとしての燃料電池２の発電効率を、燃料であるメタノール水溶液の流量調整によって最大にする方法を説明する。
まず、図４のステップ４６に示すように、本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置１の運転中において、燃料の流量／圧力調整手段１６によって本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置１のメタノール水溶液供給流量Qを測定し、この測定値を通信ライン２２を介して制御部１１に送信する。次に、ステップ４７に示すように、燃料電池２の出力電流を測定する電流測定手段１２によって前記出力電流を測定し、また燃料電池２に供給される燃料に対して燃料電池２から排出される燃料の濃度を測定する原料（燃料）濃度測定手段１４によってメタノールクロスオーバー量、即ちメタノールクロスオーバー電流を測定し、これらの測定値を通信ライン２１を介して制御部１１に送信する。そして、ステップ４８に示すように、制御部１１にて、ステップ４７で得られた測定値を上記の式（４）に当てはめて、発電効率E1を算出する。
次に、ステップ４９に示すように、流量／圧力調整手段１６によってメタノール水溶液供給流量を、ステップ４６で測定した流量Qに任意の流量（ΔQ）を加算した値（Q＋ΔQ）まで調整する。流量調整後、ステップ５０に示すように、電流測定手段１２によって前記出力電流を測定し、また原料濃度測定手段１４によってメタノールクロスオーバー量、即ちメタノールクロスオーバー電流を測定し、これらの測定値を通信ライン２１を介して制御部１１に送信する。そして、ステップ５１に示すように、制御部１１にて、ステップ５０で得られた測定値を上記の式（４）に当てはめて、発電効率E2を算出する。
次に、ステップ５２に示すように、流量／圧力調整手段１６によってメタノール水溶液供給流量を、ステップ４６で測定した流量Qに任意の流量（ΔQ）を引いた値（Q−ΔQ）まで調整する。流量調整後、ステップ５３に示すように、電流測定手段１２によって前記出力電流を測定し、また原料濃度測定手段１４によってメタノールクロスオーバー量、即ちメタノールクロスオーバー電流を測定し、これらの測定値を通信ライン２１を介して制御部１１に送信する。そして、ステップ５４に示すように、制御部１１にて、ステップ５３で得られた測定値を上記の式（４）に当てはめて、発電効率E3を算出する。
次に、ステップ５５に示すように、上記のようにして算出された発電効率E2とE3とを比較する。発電効率E2が発電効率E3より大きかった場合は、ステップ５６に示すように、メタノール水溶液供給流量を、ステップ４６で測定した流量Qに任意の流量（ΔQ）を加算した値（Q＋ΔQ）まで調整する。また、発電効率E3が発電効率E2より大きかった場合は、ステップ５７に示すように、メタノール水溶液供給流量を、ステップ４６で測定した流量Qに任意の流量（ΔQ）を引いた値（Q−ΔQ）まで調整する。
そして、ステップ５８に示すように、電流測定手段１２によって前記出力電流を測定し、また原料濃度測定手段１４によってメタノールクロスオーバー量、即ちメタノールクロスオーバー電流を測定し、これらの測定値を通信ライン２１を介して制御部１１に送信する。次いで、ステップ５９に示すように、制御部１１にて、ステップ５８で得られた測定値を上記の式（４）に当てはめて、発電効率E4を算出する。
次に、ステップ６０に示すように、発電効率E1と発電効率E4とを比較する。発電効率E1の方が大きい場合は、発電効率E1を測定した時の流量Qが最大の発電効率を得ることができる運転条件となるので、ステップ６１に示すように、制御部１１から流量調整用の出力信号を送信し、流量／圧力調整手段１６によってメタノール水溶液供給流量を流量Qに調整する。以上のようにして、前記調整及び前記制御を完了する（ステップ６２）。
また、ステップ６０で、発電効率E1より発電効率E4の方が大きい場合は、ステップ６３に示すように、メタノール水溶液供給流量を更に調整する。このとき、ステップ５５で発電効率E2とE3とを比較した結果、ステップ５６に進み、メタノール水溶液供給流量を、ステップ４６で測定した流量Qに任意の流量（ΔQ）を加算した値（Q＋ΔQ）まで調整した場合は、流量（Q＋ΔQ）に更にΔQ加算した値（Q＋ΔQ＋ΔQ）まで調整する。また、ステップ５７に進み、メタノール水溶液供給流量を、ステップ４６で測定した流量Qに任意の流量（ΔQ）を引いた値（Q−ΔQ）まで調整した場合は、流量（Q−ΔQ）から更にΔT引いた値（Q−ΔQ−ΔQ）まで調整する。
流量調整後、ステップ６４に示すように、電流測定手段１２によって前記出力電流を測定し、また原料濃度測定手段１４によってメタノールクロスオーバー量、即ちメタノールクロスオーバー電流を測定し、これらの測定値を通信ライン２１を介して制御部１１に送信する。次いで、ステップ６５に示すように、制御部１１にて、ステップ６４で得られた測定値を上記の式（４）に当てはめて、発電効率E5を算出する。
次いで、ステップ６６に示すように、発電効率E4と発電効率E5とを比較する。発電効率E4の方が大きい場合は、発電効率E4を測定した時の流量（Q＋ΔQ）又は（Q−ΔQ）が最大の発電効率を得ることができる運転条件となるので、ステップ６７に示すように、制御部１１から流量調整用の出力信号を送信し、流量／圧力調整手段１６によってメタノール水溶液供給流量を、流量（Q＋ΔQ）又は（Q−ΔQ）に調整する。以上のようにして、前記調整及び前記制御を完了する（ステップ６８）。
一方、発電効率E4より発電効率E5の方が大きかった場合は、前記運転条件を引き続き制御する必要があるため、ステップ６３以降の工程を更に繰り返し、最大の発電効率が得られるまで行う。
また、本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置の駆動方法は、図４中に点線で示すように、電圧値、電流値などに変更が生じた時のみに前記調整及び前記制御が行われるのではなく、一定間隔（例えば２分間隔）で前記調整及び前記制御を行うのが望ましい。これにより、前記電気化学デバイス（例えば燃料電池）の内部特性が変化しても、これに対応しながら常に発電効率を最大にすることができる。
本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置及びこの装置の駆動方法によれば、燃料電池２の運転中に前記運転条件を変化させ、発電効率を実際に測定することによって前記最適な運転条件を見つけ出し、その運転条件で燃料電池２を運転するので、燃料電池２の内部特性が変化しても、これに対応しながら常に発電効率を最大にすることができ、発電効率から取り出すことができるエネルギーを常時最大にすることができる。その結果、モバイル機器等の外部回路１９の使用時間を増やすことが可能になる。
以上、本発明を実施の形態について説明したが、上述の例は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能である。
例えば、本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置において、前記電気化学デバイスの形状、材質等は適宜選択可能である。また、本発明に基づく装置を構成する前記制御部、前記測定部、前記調整部、前記電気化学デバイス等の設置位置なども特に限定されない。
また、図３では温度調整によって発電効率を最大にする方法、図４では前記燃料電池に供給する燃料（例えばメタノール水溶液）の流量を調整することによって発電効率を最大にする方法を例に挙げて説明したが、本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置の駆動方法では、これらの調整に限らず燃料濃度、空気（酸素）の供給圧力などを調整してもよい。また、温度、原料流量／圧力、原料濃度、他の原料流量／圧力の調整はそれぞれ、独立して前記制御部によって制御されても良く、或いは連動して制御されていてもよい。
本発明の実施の形態による、本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置の構成を示す模式図である。 同、本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置を構成する燃料電池の概略断面図である。 同、本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置の駆動方法の一例のフローチャートである。 同、本発明に基づく電気化学エネルギー生成装置の駆動方法の他の例のフローチャートである。 燃料電池特性を示すグラフである。（ａ）は燃料電池の出力電流／出力電圧特性、及び出力電流／出力特性を示すグラフである。（ｂ）は出力電流／メタノールクロスオーバー特性を示すグラフである。
符号の説明
１…電気化学エネルギー生成装置、２…燃料電池、３…プロトン伝導体、
４…アノード触媒層、５…カソード触媒層、６…アノード集電体、７…カソード集電体、８…ＭＥＡ、９…燃料、１０…酸素（空気）、１１…制御部、１２…電流測定手段、
１３…電圧測定手段、１４…原料濃度測定手段、１５…温度調整手段、
１６…原料の流量／圧力調整手段、１７…他の原料の流量／圧力調整手段、
１８…濃度調整手段、１９…外部回路、２０…タンク、２１、２２…、通信ライン

Claims (9)

  1. 電気化学デバイスの運転状態を測定する測定部と、
    前記電気化学デバイスの運転条件を調整する調整部と、
    前記測定部及び調整部に接続され、前記運転条件を制御する制御部と
    を用いて前記電気化学デバイスを駆動するに際し、
    前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、前記測定部で得られた測定値を前記制御部に入力し、前記電気化学デバイスの運転中に、前記測定値に基づいて前記制御部によって前記調整部を制御する、電気化学エネルギー生成装置の駆動方法であって、
    前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、得られたデータを前記制御部に入力し、前記制御部にて前記データを基に第１の電気化学エネルギー生成効率を算出した後、
    前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を任意に変更し、この状態で前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、得られたデータを前記制御部に入力し、前記制御部にて第２の電気化学エネルギー生成効率を算出し、
    前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を更に任意に変更し、この状態で更に前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、得られたデータを前記制御部に入力し、前記制御部にて第３の電気化学エネルギー生成効率を算出し、
    前記第１の電気化学エネルギー生成効率を基準として、前記第２の電気化学エネルギー生成効率と前記第３の電気化学エネルギー生成効率とを比較し、最適な前記電気化学デバイスの運転条件を決定する、電気化学エネルギー生成装置の駆動方法。
  2. 前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を、前記第２及び第３の電気化学エネルギー生成効率のうち大きい方の値が得られたときの運転条件に調整し、この状態で前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、得られたデータを前記制御部に入力し、前記制御部にて第４の電気化学エネルギー生成効率を算出し、
    前記第１の電気化学エネルギー生成効率と前記第４の電気化学エネルギー生成効率とを比較し、前記第１の電気化学エネルギー生成効率が大きい場合は、前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を、前記第１の電気化学エネルギー生成効率が得られたときの運転条件に調整し、この運転条件を前記最適な運転条件とする、請求項１に記載した電気化学エネルギー生成装置の駆動方法。
  3. 前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を、前記第２及び第３の電気化学エネルギー生成効率のうち大きい方の値が得られたときの運転条件に調整し、この状態で前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、得られたデータを前記制御部に入力し、前記制御部にて第４の電気化学エネルギー生成効率を算出し、
    前記第１の電気化学エネルギー生成効率と前記第４の電気化学エネルギー生成効率とを比較し、前記第４の電気化学エネルギー生成効率が大きい場合は、前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を更に任意に変更し、この状態で前記測定部によって前記電気化学デバイスの運転状態を測定し、得られたデータを前記制御部に入力し、前記制御部にて第５の電気化学エネルギー生成効率を算出し、
    前記第４の電気化学エネルギー生成効率と前記第５の電気化学エネルギー生成効率とを比較し、前記第４の電気化学エネルギー生成効率が大きい場合は、前記調整部によって前記電気化学デバイスの運転条件を、前記第４の電気化学エネルギー生成効率が得られたときの運転条件に調整し、この運転条件を前記最適な運転条件とする、請求項１に記載した電気化学エネルギー生成装置の駆動方法。
  4. 前記測定及び前記制御の工程を前記電気化学デバイスの運転中に繰り返して行う、請求項１に記載した電気化学エネルギー生成装置の駆動方法。
  5. 前記測定部を、前記電気化学デバイスの出力電流を測定する電流測定手段と、前記電気化学デバイスの出力電圧を測定する電圧測定手段と、前記電気化学デバイスに供給される原料に対して前記電気化学デバイスから排出される原料の濃度を測定する濃度測定手段とから構成し、これらの測定手段で得られたデータを前記運転中に前記制御部に入力する、請求項１に記載した電気化学エネルギー生成装置の駆動方法。
  6. 前記制御部が、前記データから電気化学エネルギー生成効率を算出し、この算出値に基づいて前記調整部を制御する、請求項５に記載した電気化学エネルギー生成装置の駆動方法。
  7. 前記調整部を、前記電気化学デバイスの温度調整を行う温度調整手段と、前記電気化学デバイスに供給する原料の流量又は／及び圧力を調整する流量／圧力調整手段と、前記電気化学デバイスに供給する他の原料の流量又は／及び圧力を調整する流量／圧力調整手段と、前記電気化学デバイスに供給する原料の濃度を調整する濃度調整手段とのうち少なくとも１つからなるように構成する、請求項１に記載した電気化学エネルギー生成装置の駆動方法。
  8. 前記電気化学デバイスが、対向電極間にプロトン伝導体が挟持されてなる、請求項１に記載した電気化学エネルギー生成装置の駆動方法。
  9. 前記電気化学デバイスを燃料電池として構成する、請求項８に記載した電気化学エネルギー生成装置の駆動方法。
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