JP4824455B2 - 直接メタノール型燃料電池システム,および直接メタノール型燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

直接メタノール型燃料電池システム,および直接メタノール型燃料電池システムの運転方法 Download PDF

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Description

本発明は,燃料電池システムに係り,特に,燃料電池システムの運転中止時に起こる膜−電極アセンブリの損傷を防止して,再起動性能を高めることができる直接メタノール型燃料電池システム,および直接メタノール型燃料電池システムの運転方法に関する。
燃料電池(fuel cell)は,燃料が備えるエネルギーを化学反応によって直接電気エネルギーに変換する発電システムである。例えば,燃料電池は,水素および酸素から水が生成される反応,すなわち,水素の燃焼反応を利用して電気エネルギーを得る。
燃料電池は,用いられる電解質(electrolyte)の種類によって,燐酸型燃料電池,融炭酸塩型燃料電池,固体酸化物型燃料電池,高分子電解質膜型燃料電池,アルカリ型燃料電池などに分類される。これらの燃料電池は,基本的に同じ原理によって作動されるが,用いられる燃料の種類,運転温度,触媒,電解質などによって異なる。
その中で,高分子電解質膜型燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell;PEMFC)は,他の燃料電池に比べて,出力特性が非常に高く,作動温度が低いとともに速い始動特性および応答特性を備える。従って,高分子電解質膜型燃料電池は,ポータブル電子機器用のような移動用(transportable)電源や自動車用動力源のような輸送用電源はもちろん,住宅,公共建物の停止型(stationary)発電所のような分散用電源など,その応用範囲が広いという長所を備える。
そして,高分子電解質膜型燃料電池の一種として,液状のメタノール燃料を直接使用する直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell;DMFC)は,別途の改質装置を備える高分子電解質膜型燃料電池とは異なって,別途の改質装置を使用しないため,小型発電システムにより有効に使用される。
直接メタノール型燃料電池システムは,高分子電解質膜,高分子電解質膜の両側面に接合されるアノード電極およびカソード電極から構成される膜−電極アセンブリを具備する。また,燃料電池スタックを構成するためのセパレータ(separator)を具備することができる。燃料電池スタック(燃料電池本体)は,電気化学反応を起こす膜−電極アセンブリ(単位電池)を数十,数百個ずつ積層し,構成要素間の接触抵抗が減少するように,両端(end plate)を締結棒や空気圧などで圧着して構成される。
また,燃料電池システムは,燃料電池スタックの作動を支援および制御するための装置を具備する。このような装置は,通常,周辺装置(balance of plant)と呼ばれる。燃料電池システムの周辺装置は,燃料および酸化剤などを供給するためのリアクタント供給装置,システム制御のための制御装置,電力変換装置などを含み,温度調節装置,加湿装置,センサー,モニターニング装置などを含むことができる。
また,燃料電池システムは,バッテリ,スーパーキャパシタなど,それらの充放電制御のための制御装置を含む電気貯蔵装置と,電気エネルギーによって作動する各種電気装置を具備する。
電気装置は,送風機(blowers),ポンプまたは圧縮装置,調節装置,感知装置,動力型バルブ,電子装置または電子回路などを含む。これらの電気装置は,燃料電池システムから電力の供給を受ける前に,常用電源や電気貯蔵装置から必要な電力の供給を受けて作動する。
特許文献1には,DMFCシステムの運転中止の時,燃料電池スタックにメタノールのような液状燃料の供給を中止して,所定の時間の間,燃料電池スタックに酸化剤を供給しながら残された燃料を消尽させた後,酸化剤の供給を中止する運転方法が公知されている。
図1は,一般的な直接メタノール型燃料電池システムの運転および運転停止サイクルの増加による燃料電池スタックの出力電圧を単純化して示したグラフである。このように,従来のDMFCシステムでは,図1に図示したように,始動および停止サイクルを行うDMFCシステムの燃料電池スタックの性能(出力電圧)が運転停止の回数の増加に伴って,比較的急激に減少されるという問題点がある。
一方,従来の直接メタノール型燃料電池システム,および直接メタノール型燃料電池システムの運転方法に関する技術を記載した文献としては,下記特許文献2および特許文献3等がある。
特開2004−214004号公報 米国特許公開第6,303,244B1号明細書 特開2004−95376号公報
しかし,従来の直接メタノール型燃料電池システム(以下,DMFCシステムとする)では,運転中止時,アクティブタイプのスタックやパッシブタイプのセルペックなどのような構造を備える燃料電池本体に燃料が残留すると,アノード電極に残留する未反応燃料が,高分子電解質膜を通じてカソード電極に移動し,カソード電極側に位置する触媒層で酸素と反応し,この時に発生した一酸化炭素によって触媒層が被毒されるという問題がある。
また,アノード電極に残留する未反応燃料には,アノード電極における反応によって生成された二酸化炭素が含有される。アノード電極に残留する未反応燃料に含有される二酸化炭素は,膜−電極アセンブリに悪影響を及ぼすことがある。そして,現在多く用いられている高分子電解質膜の大分部分は,メタノールに浸される場合,非常に大きく膨脹する。よって,燃料として供給されるメタノール水溶液が,燃料電池本体に残されたまま,DMFCシステムが運転中止された場合,高分子電解質膜は,損傷を被って,再度DMFCシステムを運転した時,DMFCシステム性能が大きく低下されて,燃料電池の寿命を著しく短縮するという問題点がある。このような問題点を解決するために,従来の技術では,膜−電極アセンブリが腐食されたり,損傷されることを防止するために,燃料電池本体内に残された燃料を放出するか,消尽させる。しかしながら,この従来のDMFCシステムの運転方法では,メタノール濃度が1〜6モルの範囲であれば作動し,そうでなければ作動しないようになっている。よって,従来のDMFCシステムの運転方法では,燃料電池本体内に残留する上記範囲内の燃料によって,膜−電極アセンブリが腐食されたり,損傷されたりする可能性があるという問題点が依然として存在する。
そこで,本発明は,このような問題に鑑みてなされたもので,その目的とするところは,DMFCシステムの運転中止する時,燃料電池本体に残っている混合燃料の濃度を所望の濃度に減少させて,金属触媒の活性低下,高分子電解質膜の損傷,およびDMFCシステムの性能低下を抑制することができ,再起動性能を高めることができる直接メタノール型燃料電池システム,および直接メタノール型燃料電池システムの運転方法を提供することにある。
上記課題を解決するために,本発明の第1の観点によれば,電解質膜,前記電解質膜の両側面に配置されるアノード電極およびカソード電極から構成される少なくとも一つの膜−電極アセンブリを具備する燃料電池本体と;前記燃料電池本体から排出される未反応燃料および水を回収し,混合燃料を貯蔵する混合タンクと;前記混合タンクに,高濃度燃料を供給する燃料供給装置と;前記混合タンクに貯蔵される前記混合燃料を,前記燃料電池本体に供給する燃料注入装置と;直接メタノール型燃料電池システムを最終的に停止させるために入力される運転中止要求の信号に応答して,前記燃料供給装置を停止させ,前記混合燃料に含有される燃料の濃度が前記燃料電池本体に及ぶ悪影響を排除可能な基準濃度まで減少するまで,前記混合燃料が前記燃料電池本体の前記アノード電極側を経由して循環するように,前記燃料注入装置を作動させる制御装置と;を含み,前記燃料はメタノール水溶液であり,前記基準濃度は,前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度を,0〜0.3モルとすることを特徴とする,直接メタノール型燃料電池システムが提供される。
本発明によれば,DMFCシステムの運転中止時に,燃料供給装置を停止して,所定の期間,燃料注入装置および酸化剤供給装置を作動させ,燃料電池本体のアノードおよびカソードで,混合タンクから供給される混合燃料を酸化剤と反応させるので,混合タンク内の混合燃料の濃度を基準濃度にすることができ,アノードに残存して,膜−電極アセンブリに悪影響を及ぼす二酸化炭素を含有する未反応燃料を混合タンクに排出できる。よって,アノードに必要以上の燃料が残留しなく,カソードに未反応燃料が移動しないので,金属触媒の活性低下,膜−電極アセンブリおよび高分子電解質膜の損傷,およびDMFCシステムの性能低下を抑制することができ,再起動性能を高めることができる。
混合燃料の濃度を検出するための濃度センサーをさらに含むことができる。
混合燃料に含有される燃料の濃度が,基準濃度になるために,必要な時間間隔の間,作動するように設定されるタイマーをさらに備え,タイマーは,上記作動を終了する時,燃料注入装置の作動を停止させることができる。
タイマーは,運転中止要求の信号に応答して作動するように,制御装置によって制御されてよい。
制御装置は,運転中止要求の信号として,直接メタノール型燃料電池システムまたは外部負荷に接続されるソフトスイッチ方式の停止ボタンによる信号を受信し,受信した上記運転中止要求の信号に応答して,直接メタノール型燃料電池システムの運転中止過程を遂行することができる。
燃料電池本体は,複数の膜−電極アセンブリを電気的に直列接続するために,各々膜−電極アセンブリの両側面に配置され,流体流動のためのチャンネルを備えるセパレータをさらに具備することができる。
燃料電池本体に酸化剤を供給する酸化剤供給装置をさらに含み,制御装置は,燃料注入装置の停止時,または,燃料注入装置の停止後に,酸化剤供給装置の作動を停止させることができる。
燃料電池本体は,カソード電極に接触する大気中の空気を酸化剤として利用する構造を具備することができる。
燃料電池本体,燃料供給装置,燃料注入装置および制御装置に電気的に連結される電気貯蔵装置をさらに含むことができる。
制御装置は,燃料電池本体から発生される電気を電気貯蔵装置に充電させることができる。
燃料電池本体に接続される外部負荷を電気的に遮断し,電気貯蔵装置を燃料電池本体に電気的に接続させるスイッチング部をさらに含むことができる。
上記課題を解決するために,本発明の第2の観点によれば,燃料供給装置から供給される燃料と,燃料電池本体から排出される未反応燃料および水を混合貯蔵する混合タンク,および前記混合タンクに貯蔵される混合燃料を前記燃料電池本体に供給する燃料注入装置を具備する直接メタノール型燃料電池システムにおいて,前記直接メタノール型燃料電池システムを最終的に停止させるための運転中止要求の信号を受信する段階と;前記運転中止要求の信号に応答して,前記燃料供給装置を停止させて,前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度が前記燃料電池本体に及ぶ悪影響を排除可能な基準濃度まで減少するまで,前記混合燃料が前記燃料電池本体のアノードを経由して循環するように,前記燃料注入装置を作動させる段階と;を含み,前記燃料はメタノール水溶液であり,前記基準濃度は,前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度を,0〜0.3モルとすることを特徴とする,直接メタノール型燃料電池システムの運転方法が提供される。
燃料注入装置を作動させる段階の間において,混合燃料の濃度を検出する段階をさらに含むことができる。
運転中止要求の信号を受信する段階に,混合燃料に含有される燃料の濃度が,基準濃度になるのに必要な時間間隔の間,作動するように設定され,上記作動終了の時,燃料注入装置の作動を停止させるためのタイマーを作動させる段階をさらに含むことができる。
タイマーを作動させる段階は,運転中止要求の信号に応答して,タイマーが作動する段階を含むことができる。
運転中止要求の信号を受信する段階は,直接メタノール型燃料電池システムまたは外部負荷に接続されるソフトスイッチ方式の停止ボタンによる信号を受信する段階を含むことができる。
燃料注入装置を作動させる段階の間において,燃料電池本体から発生される電気を電気貯蔵装置に充電させる段階をさらに含むことができる。
燃料注入装置の停止時,または,燃料注入装置の停止後に,燃料電池本体に酸化剤を供給する酸化剤供給装置を停止させる段階をさらに含むことができる。
以上説明したように本発明によれば,DMFCシステムの運転中止過程によって,燃料電池本体のアノード電極に残留する混合燃料の濃度を所望の濃度以下に減少させることによって,金属触媒の活性低下と,膜−電極アセンブリおよび高分子電解質膜の損傷を抑制することができる。また,DMFCシステムの始動時,DMFCシステムの性能低下を防止するだけでなく,DMFCシステムの信頼性を高めて,燃料電池本体およびDMFCシステムの寿命を延長させることができる。
以下に添付図面を参照しながら,本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,本明細書及び図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
(第1実施形態)
図2は,本発明の第1実施形態に係るDMFCシステムを示すブロック図である。図2を参照すると,本実施形態のDMFCシステム100は,燃料電池本体110,混合タンク120,燃料供給装置130,燃料注入装置140,酸化剤供給装置150および制御装置160を含む。
各構成要素をより具体的に説明すると,燃料電池本体110は,アノード110aに供給される燃料と,カソード110bに供給される酸化剤とを電気化学的に反応させて,電気と熱を発生させる。燃料電池本体110は,アノード110aおよびカソード110bとともに,これらのアノード110aとカソード110bを電気的に分離して燃料から得たプロトン(proton)をアノード110aからカソード110bに選択的に透過させるイオン交換膜(高分子電解質膜)を具備する。また,燃料電池本体110は,アノード110aへ燃料を流入するためのアノード流入口と,アノード110aからの未反応燃料および二酸化炭素などの反応生成物を排出するためのアノード排出口を具備し,カソード110bへ酸化剤を流入するためのカソード流入口と,カソード110bからの未反応酸化剤および水などの反応生成物を排出するためのカソード排出口を具備する。
混合タンク120は,燃料電池本体110のアノード110aに混合燃料を供給する。また,混合タンク120は,燃料供給装置130から高濃度燃料を供給されて貯蔵し,燃料電池本体110のアノード排出口とカソード排出口を通じて排出される流体から未反応燃料および水を回収して貯蔵する。この場合,混合タンク120は,燃料電池本体110から排出される流体の熱エネルギーを除去するため,熱交換装置121に結合され,排出される流体の中で,不要なガスなどを排出するための排気口を具備することが好ましい。混合タンク120としては,既存の多様な形状および構造を備えるリサイクリング装置が容易に利用される。
上述した混合燃料は,アノード110aに供給される燃料の中で,イオン交換膜を通じてカソード110bに供給する所定量の燃料に,カソード110bでの燃料酸化による性能損失を考慮して,適切に設定された燃料量を備える。通常,混合燃料の濃度は,メタノール水溶液の場合,例えば,0.5モル〜6モルの範囲で設定される。つまり,混合タンク120の混合燃料は,燃料供給装置130から供給される高濃度燃料と,燃料電池本体110から排出される未反応燃料および水とを含み,これらを混合タンク120で混ぜることによって,上記範囲内の所定の濃度となる。
燃料供給装置130は,混合タンク120に高濃度の燃料を供給する。燃料供給装置130は,燃料を貯蔵するための手段と,混合タンク120に供給される燃料の供給量を制御するための手段を具備する。燃料を貯蔵する手段は,燃料タンクで具現することができる。燃料供給量を制御する手段は,ポンプ,圧縮装置または動力型バルブによって具現されてもよい。高濃度燃料は,メタノール燃料の場合,例えば,6モル以上の濃度を備えるメタノール水溶液や,純粋メタノールを含む。
燃料注入装置140は,混合タンク120に貯蔵される混合燃料を燃料電池本体110のアノード110aに供給する。燃料注入装置140は,混合燃料の供給量を制御する。また,燃料注入装置140は,DMFCシステム100の運転中止時,混合燃料をアノード110aを経由して循環させるように作用する。燃料注入装置140は,ポンプや圧縮装置によって具現されてもよい。
酸化剤供給装置150は,酸化剤を燃料電池本体110のカソード110bに供給する。酸化剤としては,酸素を含む空気や,純粋酸素などのようにカソード110bにおいてプロトンを適切に還元させ,反応生成物として人体や環境に有害な物質を発生させない材料を利用することが好ましい。酸化剤供給装置150は,空気ポンプや送風装置によって具現されてもよい。
制御装置160は,DMFCシステム100の運転中止要求信号を受信する時,混合タンク120に高濃度燃料が供給されないように,燃料供給装置130の作動を停止させ,燃料電池本体110に所定量の酸化剤が供給されるように酸化剤供給装置150の作動を制御する。その後,制御装置160は,燃料注入装置140の作動を制御して,混合タンク120に貯蔵される混合燃料が燃料電池本体110のアノード110aを経由して循環するように制御する。ここで,混合燃料をアノード110aを経由して循環させるということは,燃料供給装置130からの高濃度燃料の供給が停止された混合タンク120内の混合燃料を,混合燃料の濃度が基準濃度になるまで,燃料注入装置140がアノード110aに供給することである。
この場合,制御装置160は,混合燃料の濃度を検出する濃度センサー162を通じて,混合燃料の濃度を感知し,アノード110aに供給される混合燃料の濃度が基準濃度,例えば,メタノール水溶液の場合,例えば,0〜0.3モルになるまで燃料注入装置140の作動を制御する。制御装置160は,フリップフロップを利用する簡単な論理回路や,システム制御のための高性能マイクロプロセッサーの一部機能部によって具現されてもよい。
つまり,制御装置160がDMFCシステム100の運転中止要求信号を受信すると,燃料供給装置130の作動を停止するので,混合タンク120には,高濃度燃料は供給されない。DMFCシステム100の運転中止時の混合タンク120の混合燃料濃度が基準濃度より高い場合,燃料注入装置140がその混合燃料をアノード110aへ供給し,カソード110bに供給される酸化剤供給装置150からの酸化剤と,アノード110aの混合燃料とを燃料電池本体110で反応させる。この反応によって,混合タンク120内の混合燃料の燃料量は減少し,さらに,この反応で生じた水が,混合タンク120に排出されるので,反応で生じた水によって,混合タンク120内の混合燃料の濃度は希釈される。そして,混合燃料の濃度は,濃度センサー162によって感知されるので,希釈された混合燃料の濃度が,例えば,0.3モル以下になると,制御装置160は,燃料注入装置140および酸化剤供給装置150の作動を停止する。よって,DMFCシステム100の運転中止時に,アノード110aに高濃度の燃料が残留せず,必要最低限の所定量の燃料(例えば,0.3モル以下の燃料)が残る。そして,アノード110aには,膜−電極アセンブリおよびカソード110bの触媒層に悪影響を及ぼす未反応燃料が排出されて残存しない。従って,本発明の実施形態によれば,DMFCシステム100の運転中止過程において,アノード110aに残る燃料を所望の濃度まで低減でき,未反応燃料を排出できるので,カソード110bの触媒層の金属触媒の活性低下と,高分子電解質膜および膜−電極アセンブリの損傷を抑制することができる。
燃料電池本体110のアノード110aに残留する混合燃料の濃度を基準濃度(メタノール水溶液の場合,例えば,0.3モル以下)に制限する理由は,金属触媒の活性低下と高分子電解質膜の損傷のように燃料電池本体に及ぶ悪影響を排除して,運転停止時間が長くなることを防止し,所定量の残っている燃料によって,再始動時間を短縮させるためである。
DMFCシステム100の運転方法に関して,段階的に説明する。図3は,本発明の第1実施形態に係るDMFCシステムの運転方法を示す手順図である。図3を参照すると,DMFCシステム100の制御装置160は,まず,DMFCシステム100の運転停止のための運転中止要求信号を受信する(S10)。次に,制御装置160は,燃料供給装置130を停止させる(S12)。そして制御装置160は,混合タンク120に貯蔵される混合燃料を燃料電池本体110のアノード110aを経由して循環するように,燃料注入装置140および酸化剤供給装置150を制御する(S14)。
次に,制御装置160は,濃度センサー162によって検出される混合燃料の濃度を感知する(S16)。そして,制御装置160は,感知した混合燃料の濃度が0.3モル以下にあるかを判断する(S18)。上記判断の結果,感知した混合燃料の濃度が0.3モル以下でなかったなら,制御装置160は,混合燃料の濃度を所定の時間の間隔で感知し,その結果,感知した混合燃料の濃度が,例えば,0.3モル以下となるかについて持続的に判断する。もしも,感知した混合燃料の濃度が,例えば,0.3モル以下にならず,一定の時間が経過すれば,制御装置160は,システム警報を発生させることができる。
次に,上記判断の結果,感知した混合燃料の濃度が0.3モル以下となれば,制御装置160は,燃料注入装置140を停止させる(S20)。そして,制御装置160は,酸化剤供給装置150を停止させる(S22)。この時,酸化剤供給装置150は,燃料注入装置140とともに,停止されてもよい。
図4は,本発明の第1実施形態に係るDMFCシステムの運転方法による燃料電池本体の性能変化を示すグラフである。図4から分かるように,約500回以上の運転/運転停止サイクルが繰り返される間,破線で示す比較例のDMFCシステムの燃料電池本体の出力電圧は,運転/運転停止回数が増加するのに伴って,約7.6v〜4.6vまで比較的急激に減少した。一方,本実施形態に係るDMFCシステム100の燃料電池本体の出力電圧は,運転/運転停止回数が増加するに伴って,約7.6v〜7.0vまでしか減少せず,比較例のDMFCシステムの燃料電池本体の出力電圧に比べて,出力電圧の減少幅を抑制することができた。
このように,DMFCシステム,およびDMFCシステムの運転方法によると,DMFCシステムの運転停止時,アノードに残留する燃料の濃度を簡単な作用によって,所望の濃度に減少させることにより,運転停止状態で電極触媒の活性低下,および膜−電極アセンブリおよび高分子電解質膜の損傷を防止するだけでなく,再始動時におけるDMFCシステムの性能低下を防止することができるということが分かる。
(第2実施形態)
図5は,本発明の第2実施形態に係るDMFCシステムを示すブロック図である。図5を参照すると,本実施形態のDMFCシステム100aは,燃料電池本体110,混合タンク120a,燃料供給装置130a,燃料注入装置140,酸化剤供給装置150,制御装置160a,タイマー166,スイッチング部168,停止ボタン164および電気貯蔵装置170を含む。
本実施形態のDMFCシステム100aは,上述した第1実施形態のDMFCシステム100と実質的に非常に類似する。ただし,本実施形態のDMFCシステム100aは,別途の濃度センサーを利用して混合燃料の濃度を測定せず,充分な時間の間,混合燃料を内部循環させて,混合燃料の濃度を所望の基準濃度以下に減少させることを主な特徴とする。
ちなみに,以下の説明では,本実施形態のDMFCシステム100aにおいて,第1実施形態のDMFCシステム100の構成要素と実質的に同じか,もしくは類似する構成要素に対する説明は,重複を避けるためになるべく略する。
各構成要素をより具体的に説明すると,混合タンク120aは,燃料電池本体110から排出されて,熱交換装置121と第1トラック122および第2トラック124によって分離されて回収される未反応燃料と水を貯蔵する。また,混合タンク120aは,燃料供給装置130aの燃料ポンプ134を通じて,燃料タンク132に貯蔵される高濃度燃料を供給されて貯蔵する。
熱交換装置121は,燃料電池本体110から排出される流体の熱エネルギーを除去できる既存の多様な手段によって具現されてもよい。例えば,熱交換装置121は,水蒸気などの流体が通過する際,配管の温度を下げて水蒸気が水に変換することができるように作用するファンや,冷却装置によって具現されてもよい。
第1トラック122は,カソード排出口から排出されるカソード排出物(cathode outlet stream)の中で,クロスオーバーされた液状燃料や,反応生成物である水から空気など不必要な気体成分を分離させる。そして,第2トラック124は,アノード排出口から排出されるアノード排出物(anode outlet stream)の中で,未反応燃料から二酸化炭素などの不必要な気体成分を分離させる。
制御装置160aは,停止ボタン164から信号を受信し,受信した信号を運転中止要求信号として認識した後,既に貯蔵された運転停止ルーチンによって,一連の過程を遂行する。制御装置160aは,混合タンク120aに高濃度燃料が供給されないように,燃料供給装置130aの作動を停止させる。また,制御装置160aは,タイマー166を作動させる。そして,制御装置160aは,スイッチング部168を制御して,燃料電池本体110で生産される電気を利用して,電気貯蔵装置170を充電させる。
停止ボタン164は,自動的操作または人為的操作によって作動し,DMFCシステム100aを運転停止させるための信号を発生させる。停止ボタン164は,DMFCシステム100aに搭載されるか,DMFCシステム100aの電気を利用する外部負荷または応用装置(図示せず)に連結される。
運転停止ルーチンの遂行のために,停止ボタン164は,その作動の時,DMFCシステム100aを完全に停止させず,制御装置160aが認識することができる所定の信号を発生させるソフトスイッチ方式によって,具現されることが好ましい。
タイマー166は,DMFCシステム100aの運転中止時,混合タンク120aから燃料電池本体110のアノード110aを経由して循環する混合燃料の濃度が,基準濃度にまで減少されるのに必要で充分な時間間隔の間,作動するように設定される。また,タイマー166は,作動終了の時,燃料注入装置140の作動を停止させる。
タイマー166は,停止ボタン164または制御装置160aによる運転中止要求信号に応答して作動する既存の多様なタイマーによって,具現されてもよい。また,タイマー166は,制御装置160aの一部機能部として,マイクロプロセッサーチップのクロックを基に遅延時間をカウントする方式のタイマーによって,具現されてもよい。
スイッチング部168は,DMFCシステム100aの運転中止時,制御装置160aの制御信号に応答して,燃料電池本体110で発電される電気を電気貯蔵装置170に充電するように,燃料電池本体110と電気貯蔵装置170とを電気的に接続させる。またスイッチング部168は,電気貯蔵装置170に貯蔵された容量が低い時,DMFCシステム100aの運転中止時に生産される電気を,電気貯蔵装置170にすべて充電することができる。また,DMFCシステム100aの運転中止時,スイッチング部168は,燃料電池本体110と外部負荷との電気的な接続を遮断させる。
一方,制御装置160aは,電気貯蔵装置170が過充電されないように制御する。制御装置160aは,例えば,電気貯蔵装置170が二次電池の場合,SOC(State Of Charge)100%まで充電されるように,スイッチング部168を制御することが好ましい。また,制御装置160aは,電気貯蔵装置170を充電した後に,残る電気は,燃料ポンプ134などの周辺装置によって効果的に消耗させることが好ましい。
電気貯蔵装置170は,電気エネルギーを再充電して使用することができる二次電池,スーパーキャパシタなどを含む。電気貯蔵装置170は,DMFCシステム100aの作動時,燃料供給装置130a,燃料注入装置140,酸化剤供給装置150,制御装置160aなどの周辺装置に電力を供給するため,各々と連結される。また,電気貯蔵装置170は,燃料電池本体110に電気的に接続されて,DMFCシステム100aの運転停止時,燃料電池本体110で生産される電気エネルギーによって充電される。
一方,制御装置160aは,タイマー166によって燃料供給装置130aの停止,燃料注入装置140の所定の時間の駆動,および酸化剤供給装置150の所定の時間の駆動を制御することができる。この場合,タイマー166は,作動とともに燃料供給装置130aの作動を停止させ,タイマー166の停止とともに燃料注入装置140および酸化剤供給装置150の作動を停止させるためのスイッチ接点を具備するか,または,上述したスイッチング部168とは,異なるまた別のスイッチング部に接続されてもよい。
図6は,本発明の第2実施形態に係るDMFCシステムの運転方法を示す手順図である。図6を参照すると,本実施形態のDMFCシステム100aの制御装置160aは,まず,DMFCシステム100aの運転中止要求信号を受信する(S30)。次に,制御装置160aは,タイマー166を作動させる(S32)。また,制御装置160aは,燃料供給装置130aを停止させる(S34)。そして制御装置160aは,混合タンク120aに貯蔵される混合燃料が,燃料電池本体110のアノード110aを経由して循環するように,燃料注入装置140および酸化剤供給装置150を制御する(S36)。
次に,制御装置160aは,燃料電池本体110から外部負荷を電気的に遮断させる(S38)。そして,制御装置160aは,燃料電池本体110に電気貯蔵装置170を電気的に接続した後,DMFCシステム100aの運転中止時に,燃料電池本体110から生産される電気エネルギーを利用して電気貯蔵装置170を充電する(S40)。
次に,タイマー166で設定された時間が経過した後,タイマー166の作動が停止すると,これに対応して,燃料注入装置140を停止する(S42)。そして,制御装置160aは,酸化剤供給装置150を停止する(S44)。この時,酸化剤供給装置150は,燃料注入装置140とともに,停止されてもよい。
上記構成によると,DMFCシステム100aの運転中止時,タイマー166を利用して所定の時間,混合燃料をアノード110aを経由して循環させる方法によって,アノード110aに残留する燃料の濃度を低減できるので,DMFCシステム100aの運転中止時において,金属触媒の活性低下および膜−電極アセンブリおよび高分子電解質膜の損傷を防止するだけでなく,再起動時に要求される電気エネルギーを電気貯蔵装置170に効果的に貯蔵することができる。従って,DMFCシステム100aの運転停止時に電気貯蔵装置170に貯蔵される電気エネルギーによって,より迅速に再起動を行うことができる。
図7は,本発明の実施形態に係るDMFCシステムに用いる燃料電池本体を概略的に示す図面である。図7を参照すると,本実施形態の燃料電池本体110’は,高分子電解質膜111,高分子電解質膜111の両側面に配置されるアノード電極およびカソード電極から構成される複数の膜−電極アセンブリ(Membrane−Electrode Assembrly;MEA)と,複数の膜−電極アセンブリを直列接続させて,アノード電極およびカソード電極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給するセパレータとを具備する。セパレータは,膜−電極アセンブリを間において,膜−電極アセンブリの両側面に配置される。また,燃料電池本体110’は,高分子電解質膜111とセパレータとの間に配置されるガスケット114,膜−電極アセンブリおよびセパレータの積層構造に,所定の締結圧を提供するための1対のエンドプレート116,および1対のエンドプレート116を締結するための締結手段117を具備する。
各構成要素を具体的に説明すると,膜−電極アセンブリは,燃料と酸化剤の酸化反応および還元反応を誘導して,電気エネルギーを発生させる。アノード電極は,燃料を酸化反応によって電子と水素イオンに変換させる触媒層112aと,燃料と二酸化炭素の円滑な移動と電子の移動のための拡散層112bとを具備する。
カソード電極は,酸化剤,例えば,空気中の酸素を還元反応によって電子と酸素イオンに変換させる触媒層113aと,空気の円滑な移動と生成される水の円滑な排出のための拡散層113bとを具備する。そして,高分子電解質膜111は,その厚さが50〜200μmである固体ポリマー電解質であり,アノード電極の触媒層112aで生成される水素イオンをカソード電極の触媒層113aに移動させるイオン交換機能を備える。一方,アノード電極の拡散層112bおよびカソード電極の拡散層113bは,その表面にコーティングされており,アノード電極の触媒層112a,カソード電極の触媒層113aに燃料または酸化剤を分配供給するための微細気孔層112c,微細気孔層113cをさらに具備することができる。微細気孔層112cは,アノード電極の拡散層112bの表面にコーティングされ,微細気孔層113cは,カソード電極の拡散層113bの表面にコーティングされる。より具体的に説明すると,一つの膜−電極アセンブリにおいて,高分子電解質膜111を間において,アノード電極の触媒層112a,カソード電極の触媒層113a,アノード電極の微細気孔層112c,カソード電極の微細気孔層113c,アノード電極の拡散層112b,カソード電極の拡散層113bの順に積層配置される。
高分子電解質膜111は,水素イオン伝導性に優れるパーフルオライド系高分子,ベンズイミダゾール系高分子,ポリイミド系高分子,ポリエーテルイミド系高分子,ポリフェニレンスルフィド系高分子,ポリスルホン系高分子,ポリエーテルスルホン系高分子,ポリエーテルケトン系高分子,ポリエーテル−エーテルケトン系高分子,およびポリフェニルキノキサリン系高分子などからなるグループから選択される1種以上の水素イオン伝導性高分子を含むことが好ましい。また,ポリ(パーフルオロスルホン酸),ポリ(パーフルオロカルボキシル酸),スルホン酸基を含むテトラフルオロエチレンとフルオロビニルエテールの共重合体,脱フッ素化されたポリエーテルケトン硫化物,アリールケトン,ポリ(2,2’−(m−フェニレン)−5,5’−ビベンズイミダゾール)(poly(2,2’−(m−phenylene)−5,5’−bibenzimidazole))およびポリ(2,5−ベンズイミダゾール)などからなるグループから選択される1種以上の水素イオン伝導性高分子を含むことがさらに好ましい。
触媒層112a,触媒層113aは,白金,ルテニウム,オスミウム,白金−ルテニウム合金,白金−オスミウム合金,白金−パラジウム合金,および白金−M合金(Mは,Ga,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,CuおよびZnなどからなるグループから選択される1種以上の遷移金属からなる)などからなるグループから選択される1種以上の金属触媒を含むことが好ましい。
また触媒層112a,触媒層113aは,担持体に担持される白金,ルテニウム,オスミウム,白金−ルテニウム合金,白金−オスミウム合金,白金−パラジウム合金および白金−M合金(Mは,Ga,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,CuおよびZnなどからなるグループから選択される1種以上の遷移金属からなる)などからなるグループから選択される1種以上の金属触媒を含むこともできる。担持体は,伝導性を備える物質であれば,いずれでも良いが,炭素担持体であることが好ましい。
拡散層112b,拡散層113bは,燃料,水,空気などの分散を均一にさせる燃料分散作用と,生産される電気を集める集電作用,および触媒層112a,触媒層113aが流体によって消失されることを防止する保護作用をする。拡散層112b,拡散層113bは,炭素布(carbon cloth),炭素紙(carbon paper)などのような炭素素材などによって,具現されてもよい。
微細気孔層112c,微細気孔層113cは,黒鉛,炭素ナノチューブ(CNT),フラーレン(C60),活性炭素,バルカン(Vulcan),ケチェンブラック(ketchen black),カーボンブラックおよび炭素ナノホン(carbon nano horn)などからなるグループから選択される1種以上の炭素物質を含むことが好ましく,ポリ(パーフルオロスルホン酸),ポリ(テトラフルオロエチレン)およびフッ素化されたエチレン−プロピレンなどからなるグループから選択される1種以上のバインダーをさらに含むことができる。
セパレータは,隣接する膜−電極アセンブリを電気的に直列接続させる伝導体の機能を備え,膜−電極アセンブリの酸化反応および還元反応に必要な燃料と酸化剤とを,アノード電極とカソード電極とに供給する通路の機能も備える。そして,セパレータは,アノード側モノープレート115aと,カソード側モノープレート115b,およびこれらのアノード側モノープレート115aとカソード側モノープレート115bが接合される少なくとも一つのバイポーラープレート115を含む。
ガスケット114,エンドプレート116および締結手段117は,膜−電極アセンブリとセパレータの積層構造を気密にするように結合するための手段で,既存の多様な材質,形状および構造の手段を利用することができる。ガスケッド114は,各々の膜−電極アセンブリの上下最外側に配置され,エンドプレート116は,直列で接続される各々最外側の膜−電極アセンブリの外側面に配置される。そして,締結手段117は,エンドプレート116の外側面に配置される。
(第3実施形態)
図8は,本発明の第3実施形態に係るDMFCシステムを示すブロック図である。図8を参照すると,本実施形態のDMFCシステム200は,燃料電池本体210,混合タンク220,燃料供給装置230,燃料注入装置240および制御装置250を含む。
本実施形態のDMFCシステム200は,上述した第1実施形態および第2実施形態のDMFCシステムとは異なって,ポンプやファンなどの酸化剤供給装置を使わず,燃料電池本体210のカソード210bに,空気または酸化剤を供給する構造を具備する。
具体的に説明すると,本実施形態の燃料電池本体210のアノード210aには,燃料注入装置240を通じて,混合タンク220に貯蔵される混合燃料が供給され,アノード210aから濃度が希釈された燃料水溶液が混合タンク220へ排出される。混合タンク220では燃料供給装置230から希釈された燃料水溶液より高い濃度を持つ高濃度の混合燃料が供給される。アノード210aの流入口および排出口は,混合タンク220に連結され,DMFCシステム200の運転中止時,混合タンク220に貯蔵される混合燃料がアノード210aを経由して循環することができるように構成される。
そして,カソード210bは,大気中の空気がカソード電極に円滑に接触して,カソード電極から生成された水を円滑に排出することができる構造を具備する。上記構成によって,燃料電池本体210は,アノード210aに供給される燃料とカソード210bに流入される酸化剤とを電気化学的に反応させて,電気と熱を発生させる。
燃料供給装置230,燃料注入装置240および制御装置250は,上述した第1実施形態または第2実施形態の燃料供給装置および燃料注入装置と実質的に同じである。ただし,制御装置250は,DMFCシステム200の運転中止要求信号の受信時,濃度センサー252を通じて,混合燃料の濃度を感知し,これを基に燃料供給装置230の作動を停止させる。その後,制御装置250は,所定時間の間,混合燃料をアノード210aに循環させて,最終的にアノード210aに残留する混合燃料の濃度が基準濃度,例えば,メタノール水溶液の場合,例えば,0〜0.3モルになるように,燃料注入装置240の作動をオン制御する。濃度センサー252は,アノード排出口側のマニホールドに挿入設置されることが好ましい。
図9は,本発明の第3実施形態に係るDMFCシステムに用いる燃料電池本体を概略的に示す図面である。図9を参照すると,本実施形態の燃料電池本体210’は,高分子電解質膜211,触媒層212aおよび拡散層212bを具備するアノード電極,触媒層213aおよび拡散層213bを具備するカソード電極,アノード集電体214,カソード集電体215,ミドルプレート216,ガスケット217,エンドプレート218,および配線219を含む。また燃料電池本体210’は,配線219によって電気的に直列接続される4個の膜−電極アセンブリを具備する。より具体的に説明すると,一つの膜−電極アセンブリにおいて,高分子電解質膜211を間において,アノード電極の触媒層212a,カソード電極の触媒層213a,アノード電極の拡散層212b,カソード電極の拡散層213bの順に積層配置される。
具体的に説明すると,ミドルプレート216は,燃料の流入と流出のための流入口および流出口,燃料の流動のためのマニホールド,および燃料の分配供給のための複数のホールを具備する。高分子電解質膜211と,高分子電解質膜211の両側面に位置するアノード電極およびカソード電極から構成される膜−電極アセンブリがミドルプレート216の両側面に位置する。
アノード集電体214は,ミドルプレート216と各々膜−電極アセンブリとの間に位置し,ミドルプレート216のホールを通じて,供給される燃料の流動をガイドするチャンネルを具備する。
カソード集電体215は,一つの膜−電極アセンブリを間に置いて,アノード集電体214と対向して,一つの膜−電極アセンブリ上に位置して,触媒層213a,拡散層213bを露出させる開口部215aを具備する。この開口部215aによって,カソード電極(カソード210b)は,大気中の空気と接触することができる。
1対のエンドプレート218は,ミドルプレート216および各々膜−電極アセンブリを間に置いて対向する一対のカソード集電体215の各々の面上に位置する。1対のエンドプレート218は,所定の締結圧を供給する締結手段によって結合される。配線219は,燃料電池本体210’の外部で,各膜−電極アセンブリのアノード集電体214とカソード集電体215とを電気的に直列接続させる。
図10Aは,本発明の実施形態に係るDMFCシステムに用いる濃度センサーを示す斜視図である。そして,図10Bは,図10Aに図示した濃度センサーのモル濃度および温度による膨脹係数の差を示すグラフである。図10Aを参照すると,本実施形態の濃度センサー252は,基板252bと,基板252bの一面上に付着される圧力フィルム252aとから構成される。圧力フィルム252aは,濃度センサー252が配置される部分(例えば,アノード210aの所定の部分)の燃料のモル濃度に応じて,その体積が異なるようになる。ここで,濃度センサー252を参照して,本発明の実施形態の濃度センサーについて説明したが,本発明の第1実施形態の濃度センサー162にも,上記構造の濃度センサーを適用できる。
濃度センサー252では,燃料,例えば,メタノールの濃度によって体積が変化するイオン伝導高分子樹脂,または複合樹脂によって,具現されてもよい。例えば,DMFCシステム200の濃度センサー252に用いるのに適する圧力フィルム252aとしては,過フッ素化イオン交換樹脂(perfluorinated ion exchage resin),例えば,デュポン(Dupont社)のナピオン(登録商標)がある。
本実施形態では,濃度センサー252の圧力フィルム252aをナピオン115で製造して,26℃と46℃の雰囲気下で,メタノール溶液のモル濃度による膨脹係数変化を観察した。図10Bから分かるように,製造された濃度センサー252の膨脹係数は,同一温度では,モル濃度に比例して増加する。また,濃度センサー252の膨脹係数は,1モル(1M)と3モル(3M)の間では,26℃の場合より,46℃の場合がやや高くなる。従って,圧力フィルム252aのモル濃度に対する膨張係数変化によって,燃料のモル濃度を感知することができる。
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された範疇内において,各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
一般的な直接メタノール型燃料電池システムの運転,および運転停止サイクルの増加による燃料電池スタックの出力電圧を単純化して示すグラフである。 本発明の第1実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第1実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムの運転方法を示す手順図である。 本発明の第1実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムの運転方法による燃料電池本体の性能変化を示すグラフである。 本発明の第2実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第2実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムの運転方法を示す手順図である。 本発明の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムに用いる燃料電池本体を概略的に示す図面である。 本発明の第3実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第3実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムに用いる燃料電池本体を概略的に示す図面である。 本発明の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムに用いる濃度センサーを示す斜視図である。 図10Aに図示した濃度センサーのモル濃度および温度による膨脹係数の差を示すグラフである。
符号の説明
100 DMFCシステム
110 燃料電池本体
120 混合タンク
130 燃料供給装置
140 燃料注入装置
150 酸化剤供給装置
160 制御装置
110a アノード
110b カソード

Claims (14)

  1. 電解質膜,前記電解質膜の両側面に配置されるアノード電極およびカソード電極から構成される少なくとも一つの膜−電極アセンブリを具備する燃料電池本体と;
    前記燃料電池本体から排出される未反応燃料および水を回収し,混合燃料を貯蔵する混合タンクと;
    前記混合タンクに,高濃度燃料を供給する燃料供給装置と;
    前記混合タンクに貯蔵される前記混合燃料を,前記燃料電池本体に供給する燃料注入装置と;
    直接メタノール型燃料電池システムを最終的に停止させるために入力される運転中止要求の信号に応答して,前記燃料供給装置を停止させ,前記混合燃料に含有される燃料の濃度が前記燃料電池本体に及ぶ悪影響を排除可能な基準濃度まで減少するまで,前記混合燃料が前記燃料電池本体の前記アノード電極側を経由して循環するように,前記燃料注入装置を作動させる制御装置と;
    を含み,
    前記燃料はメタノール水溶液であり,前記基準濃度は,前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度を,0〜0.3モルとし,
    前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度が,前記基準濃度になるために必要な時間の間,作動するように設定されるタイマーをさらに備え,
    前記タイマーは,前記作動を終了する時,前記燃料注入装置の作動を停止させ,
    前記タイマーは,前記運転中止要求の信号に応答して作動するように,前記制御装置により制御されることを特徴とする,直接メタノール型燃料電池システム。
  2. 前記混合燃料の濃度を検出するための濃度センサーをさらに含むことを特徴とする,請求項1に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
  3. 前記制御装置は,前記運転中止要求の信号として,前記直接メタノール型燃料電池システムまたは外部負荷に接続されるソフトスイッチ方式の停止ボタンによる信号を受信し,受信した前記運転中止要求の信号に応答して,前記直接メタノール型燃料電池システムの運転中止過程を遂行することを特徴とする,請求項1または2に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池本体は,複数の前記膜−電極アセンブリを電気的に直列接続するために,各々前記膜−電極アセンブリの両側面に配置され,流体流動のためのチャンネルを備えるセパレータをさらに具備することを特徴とする,請求項1〜3のいずれか1項に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池本体に酸化剤を供給する酸化剤供給装置をさらに含み,
    前記制御装置は,前記燃料注入装置の停止時,または,前記燃料注入装置の停止後に,前記酸化剤供給装置の作動を停止させることを特徴とする,請求項1〜4のいずれか1項に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池本体は,前記カソード電極に接触する大気中の空気を酸化剤として利用する構造を具備することを特徴とする,請求項1〜4のいずれか1項に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池本体,前記燃料供給装置,前記燃料注入装置および前記制御装置に電気的に連結される電気貯蔵装置をさらに含むことを特徴とする,請求項1〜6のいずれか1項に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
  8. 前記制御装置は,前記燃料電池本体から発生される電気を前記電気貯蔵装置に充電させることを特徴とする,請求項7に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
  9. 前記燃料電池本体に接続される外部負荷を電気的に遮断し,前記電気貯蔵装置を前記燃料電池本体に電気的に接続させるスイッチング部をさらに含むことを特徴とする,請求項7または8に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
  10. 燃料供給装置から供給される燃料と,燃料電池本体から排出される未反応燃料および水を混合貯蔵する混合タンク,および前記混合タンクに貯蔵される混合燃料を前記燃料電池本体に供給する燃料注入装置を具備する直接メタノール型燃料電池システムにおいて,
    前記直接メタノール型燃料電池システムを最終的に停止させるための運転中止要求の信号を受信する段階と;
    前記運転中止要求の信号に応答して,前記燃料供給装置を停止させて,前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度が前記燃料電池本体に及ぶ悪影響を排除可能な基準濃度まで減少するまで,前記混合燃料が前記燃料電池本体のアノードを経由して循環するように,前記燃料注入装置を作動させる段階と;
    を含み,
    前記燃料はメタノール水溶液であり,前記基準濃度は,前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度を,0〜0.3モルとし,
    前記運転中止要求の信号を受信する段階に,前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度が,前記基準濃度になるのに必要な時間間隔の間,作動するように設定され,前記作動終了の時,前記燃料注入装置の作動を停止させるためのタイマーを作動させる段階をさらに含み,
    前記タイマーを作動させる段階は,前記運転中止要求の信号に応答して,前記タイマーが作動する段階を含むことを特徴とする,直接メタノール型燃料電池システムの運転方法。
  11. 前記燃料注入装置を作動させる段階の間において,前記混合燃料の濃度を検出する段階をさらに含むことを特徴とする,請求項10に記載の直接メタノール型燃料電池システムの運転方法。
  12. 前記運転中止要求の信号を受信する段階は,前記直接メタノール型燃料電池システムまたは外部負荷に接続されるソフトスイッチ方式の停止ボタンによる信号を受信する段階を含むことを特徴とする,請求項10または11に記載の直接メタノール型燃料電池システムの運転方法。
  13. 前記燃料注入装置を作動させる段階の間において,前記燃料電池本体から発生される電気を電気貯蔵装置に充電させる段階をさらに含むことを特徴とする,請求項10〜12のいずれか1項に記載の直接メタノール型燃料電池システムの運転方法。
  14. 前記燃料注入装置の停止時,または,前記燃料注入装置の停止後に,前記燃料電池本体に酸化剤を供給する酸化剤供給装置を停止させる段階をさらに含むことを特徴とする,請求項10〜13のいずれか1項に記載の直接メタノール型燃料電池システムの運転方法。
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