WO2006028021A1 - 燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置 - Google Patents

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Go Sudo
Kenji Katori
Masahiko Tahara
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a fuel cell power generation device and a fuel cell power generation device operated by the operation method.
  • a fuel cell is a power generation element that generates power by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen or methanol with an oxidant gas such as oxygen.
  • Fuel cells are attracting attention as power generation elements that do not pollute the environment because the product generated by power generation is water. For example, attempts have been made to use them as drive power sources for driving automobiles. And
  • Fuel cells are classified into various types according to differences in electrolytes, etc., and representative ones include fuel cells using a solid polymer electrolyte as an electrolyte.
  • Solid polymer electrolyte fuel cells can be manufactured at low cost, and can be easily reduced in size, thickness, and weight, and have high output density in terms of battery performance. It is hope.
  • this solid polymer electrolyte fuel cell has been developed by reforming methanol and natural gas to produce hydrogen.
  • direct methanol fuel cells DMFCs
  • DMFCs direct methanol fuel cells
  • the DMFC has a power generation cell in which an electrolyte such as a solid polymer electrolyte is sandwiched between a force sword and an anode.
  • an electrolyte such as a solid polymer electrolyte
  • a reaction of CH OH + H 0 ⁇ CO + 6H + + 6e— occurs between the methanol and water on the anode surface.
  • a methanol aqueous solution that is mixed with high-concentration methanol and water generated by a power sword by power generation so as to have an appropriate concentration in the fuel cell power generation apparatus is prepared.
  • concentration detection a concentration sensor or a sensor cell using a capacitance method, an electrochemical oxidation method, an ultrasonic method, or a specific gravity method is used.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2003-22830 does not use a sensor for concentration detection, but performs a predetermined calculation using output current and operating time as parameters to detect the concentration of aqueous methanol solution. Then, the methanol aqueous solution is supplied to the fuel cell at the optimum fuel flow rate from the calculated concentration. In other words, the optimum operation of the fuel cell is performed at a flow rate that is not the concentration of the methanol aqueous solution, and fine control of the flow rate is required. Further, as described above, the output of the fuel cell tends to change with time, and the degree of change with time varies depending on the history of the apparatus, so that an error may occur in the calculated concentration. In addition, complex calculations must be performed to calculate the concentration.
  • the present invention supplies diluted fuel having an optimal concentration to the power generation unit without performing absolute concentration measurement of a sensor or the like, so that the load or the fuel cell power generator It is an object of the present invention to provide a method of operating a fuel cell power generator that adjusts the concentration of diluted fuel so as to maximize the output characteristics and power generation efficiency characteristics according to the installation conditions. Another object of the present invention is to provide a fuel cell power generator that is supplied with diluted fuel adjusted to an optimum concentration that can maximize output characteristics and power generation efficiency characteristics by this operation method.
  • the operation method of the fuel cell power generation device of the present invention is an operation method of a fuel cell power generation device including a power generation unit that generates power by using diluted fuel obtained by diluting the fuel to be diluted with water and air.
  • the operation method of the fuel cell power generator of the present invention can always provide the diluted fuel having the optimum concentration to the power generator of the fuel cell power generator without providing the concentration sensor or the like in the device.
  • the concentration of diluted fuel can be adjusted to maximize the output characteristics and power generation efficiency characteristics according to the load and the status of the fuel cell power generator.
  • the fuel cell power generator of the present invention uses diluted fuel obtained by diluting the fuel to be diluted with water and air.
  • the power generation unit that generates power the fuel supply unit that supplies the diluted fuel to the power generation unit at a predetermined flow rate, the voltage measurement unit that measures the output voltage of the power generation unit, and the concentration of the diluted fuel are adjusted.
  • the fuel cell device of the present invention can always supply diluted fuel having an optimal concentration to the power generation unit.
  • diluted fuel adjusted to the optimum concentration can be supplied to the power generation unit at all times. Characteristics can be supplied.
  • the operation method of the fuel cell power generation device of the present invention can always provide the diluted fuel having the optimum concentration to the power generation unit of the fuel cell power generation device without providing a concentration sensor or the like in the device. In other words, it is possible to operate without being affected by the effects of by-products or the deterioration of the sensor itself, which is a problem when adjusting the concentration using a concentration sensor. Then, the concentration of diluted fuel can be adjusted so that the output characteristics and power generation efficiency characteristics can be maximized according to the load and the state of the fuel cell power generator.
  • the fuel cell power generation device of the present invention can supply the diluted fuel always adjusted to the optimum concentration by the above-described operation method, and maximize the output characteristics and the power generation efficiency characteristics. be able to.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell power generator according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of current-voltage characteristics and current output characteristics at a constant flow rate of the fuel cell power generator of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the output voltage of the power generation unit and the flow rate to the power generation unit when the current density of the fuel cell power generation device of the present invention is constant.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a method for operating the fuel cell power generator of the present invention.
  • the operation method of the fuel cell power generation device 1 of the present invention includes a power generation unit 2 that generates power by using a methanol aqueous solution of diluted fuel obtained by diluting methanol as a diluted fuel with water and air.
  • a power generation unit 2 that generates power by using a methanol aqueous solution of diluted fuel obtained by diluting methanol as a diluted fuel with water and air.
  • the fuel flow rate of the methanol aqueous solution supplied to the power generation unit 2 is increased or decreased, the output voltage of the power generation unit 2 is measured, and the fuel concentration of the methanol aqueous solution is optimized based on the relationship between the fuel flow rate and the output voltage. It is.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a fuel cell power generation device 1 operated by the operation method of the fuel cell power generation device 1 of the present invention.
  • the fuel cell power generation device 1 has a power generation unit 2 formed of an electrolyte membrane 20 sandwiched between a pair of electrodes including an anode 21 as a negative electrode and a force sword 22 as a positive electrode, and a methanol aqueous solution used for a power generation reaction.
  • the fuel mixing unit 30, the fuel supply unit 31 that supplies the methanol aqueous solution from the fuel mixing unit 30 to the power generation unit 2, and the methanol that is the diluted fuel diluted in the fuel mixing unit 30.
  • the power generation unit 2 includes a membrane-like electrolyte membrane 20 that allows protons to permeate, an anode 21 that has a catalyst in a power generation reaction, and a force sword 22, and the electrolyte membrane 20 is sandwiched between the anode 21 and the force sword 22 and bonded together. It is formed.
  • the electrolyte membrane 20 that allows protons to permeate is formed of a material that has both permeability, oxidation resistance, and heat resistance.
  • the anode 21 and the force sword 22 are made of a metal material, a carbon material, a conductive non-woven cloth, etc. For example, when a carbon material is used, a catalyst such as platinum is supported on the porous surface of the carbon material. You may let them.
  • the power generation unit 2 includes a voltage measurement unit 23 that can measure the output voltage from the power generation unit 2, and transmits the output voltage of the power generation unit 2 measured by the voltage measurement unit 23 to the control unit 44. can do.
  • the concentration of the aqueous methanol solution is adjusted by the fuel mixing unit 30 based on the measured output voltage and the flow rate of the aqueous methanol solution from the fuel supply unit 31.
  • the power generation unit 2 is a direct methanol fuel cell power generation device that uses methanol aqueous solution as a fuel and supplies it directly to the power generation unit 2.
  • the fuel cell power generation device 1 of the present invention is It can be changed as appropriate according to the power generation capacity of the fuel cell. Further, the power generation unit 2 may be provided with a temperature measuring device for measuring the temperature of the power generation unit 2. For example, the power generation unit 2 can be controlled so as not to be overheated due to heat generation of the power generation unit 2 due to a power generation reaction.
  • the fuel mixing unit 30 is connected to the diluted fuel storage unit 32 via a pump, a valve, and the like, and is connected to the power generation unit 2 via the fuel supply unit 31. Then, the fuel mixing section 30 stores the methanol to be diluted stored in the diluted fuel storage section 32 and the water storage section 42! From the water to generate a power generation reaction in the power generation section 2. It is possible to adjust the concentration of methanol aqueous solution, which is the diluted fuel necessary for the purpose. Then, the methanol aqueous solution whose concentration has been adjusted is supplied to the power generation unit 2 via the fuel supply unit 31 and used for the power generation reaction. In the fuel mixing unit 30, the concentration can be adjusted via the output voltage of the power generation unit 2 and the flow rate control unit 44 of the methanol aqueous solution from the fuel supply unit 31 to the power generation unit 2.
  • the fuel supply unit 31 is connected to the fuel mixing unit 30 and the power generation unit 2.
  • the fuel supply unit 31 can supply the methanol aqueous solution adjusted by the fuel mixing unit 30 to the anode 21 of the power generation unit 2 at a predetermined flow rate.
  • the flow rate of the aqueous methanol solution can be appropriately changed by the control unit 44.
  • the flow rate of the aqueous methanol solution is transmitted to the control unit 44 and becomes a parameter for adjusting the concentration of the aqueous methanol solution.
  • the concentration of the aqueous methanol solution can be adjusted in the fuel mixing unit 30 via the control unit 44 based on the flow rate of the aqueous methanol solution and the output voltage at the power generation unit 2.
  • the fuel supply unit 31 may use a valve, a pump, or the like instead of the fuel supply unit 31 as long as the flow rate of the aqueous methanol solution supplied to the power generation unit 2 can be controlled. It is changed appropriately according to.
  • a filter for removing impurities from the methanol aqueous solution supplied to the power generation unit 2 may be provided.
  • the diluted fuel storage unit 32 is connected to the fuel mixing unit 30 via a pump, a valve, or the like. Methanol, which is a diluted fuel to be supplied to the fuel mixing unit 30, is stored.
  • the fuel is supplied via a valve, a pump, etc. installed between the diluted fuel storage unit 32 and the fuel mixing unit 30. A necessary amount can be supplied to the mixing unit 30.
  • the gas-liquid separation unit 33 is connected to the power generation unit 2 and the fuel mixing unit 30.
  • the gas-liquid separation unit 33 can also separate the liquid component and the gas component from the discharged fuel force discharged from the anode 21 of the power generation unit 2.
  • the liquid component is supplied to the fuel mixing unit 30 through a pump, a filter, and the like, mixed with methanol and water, and again supplied as fuel to the anodic 21 of the power generation unit 2 through the fuel supply unit 31.
  • the gas component can be discharged outside the apparatus through the exhaust part 43.
  • the air supply unit 40 is connected to the power generation unit 2 and can supply air to the power sword 22 of the power generation unit 2.
  • the air supply unit 40 is not particularly limited as long as it can supply sufficient air for power generation reaction to the power sword 22 of the power generation unit 2, but examples thereof include a fan pump. .
  • the supplied air is used in the power generation reaction in the power generation unit 2.
  • the air supplied to the power generation unit 2 may include a filter for removing impurities and impurities.
  • the cooling unit 41 is connected to the power generation unit 2, the water storage unit 42, and the exhaust unit 43.
  • the cooling unit 41 can cool the air discharged from the power sword 22 of the power generation unit 2 and separate the water contained in the air discharged from the power generation unit 2.
  • the cooling unit 41 can supply the separated water to the water storage unit 42.
  • the gas component from which water has been separated is sent to the exhaust unit 43 and discharged together with the gas component discharged from the gas-liquid separation unit 33 to the outside of the apparatus.
  • the aerodynamic force discharged from the force sword 22 is also provided with a cooling unit 41 for separating water, but is not limited to this as long as water in the air can be separated.
  • a pump or the like may be provided to supply water to the water storage unit 42.
  • the water supplied to the water storage part 42 may be provided with a filter for removing impurities and impurities.
  • the water storage unit 42 is connected to the cooling unit 41 and the fuel mixing unit 30.
  • the water storage unit 42 stores the water separated by the cooling unit 41 and is useful for adjusting the aqueous methanol solution in the fuel mixing unit 30. Can be used.
  • the water stored in the water storage unit 42 can be supplied via a valve, a pump or the like according to the concentration of the methanol aqueous solution controlled by the fuel mixing unit 30.
  • the exhaust unit 43 is connected to the gas-liquid separation unit 33 and the cooling unit 41, and has an opening for discharging gas to the outside of the apparatus.
  • the exhaust unit 43 can exhaust the gas component discharged from the gas-liquid separation unit 33 and the gas component obtained by separating water from the air discharged from the force sword 22 in the cooling unit 41 to the outside of the apparatus.
  • the gas component discharged to the outside of the apparatus may be exhausted by burning a combustible compound contained in the gas component. Thereby, for example, it is possible to prevent by-products generated by the power generation reaction from being released to the outside of the apparatus.
  • the control unit 44 is configured to optimize the concentration of the methanol aqueous solution from the output voltage of the power generation unit 2 and the fuel flow rate of the methanol aqueous solution from the fuel supply unit 31 to the power generation unit 2.
  • the storage part 32 and the water storage part 42 can be controlled. For example, when increasing the concentration of the methanol aqueous solution from the output voltage and the fuel flow rate of the methanol aqueous solution, methanol is supplied from the diluted fuel storage unit 32 to the fuel mixing unit 30 via the control unit 44, and the fuel is mixed.
  • the concentration of the aqueous methanol solution can be increased at the mixing unit 30.
  • water when reducing the concentration of the aqueous methanol solution, water can be supplied from the water storage unit 42 to the fuel mixing unit 30, and the concentration of the aqueous methanol solution can be reduced in the fuel mixing unit 30.
  • the power generation unit 2 may be provided, or the optimum concentration of the methanol aqueous solution may be controlled from the temperature of the power generation unit 2 measured by the temperature measuring device.
  • the methanol aqueous solution is adjusted to a predetermined concentration by the control unit 44 in the fuel mixing unit 30.
  • the concentration adjustment at this time is adjusted by supplying methanol and water to the fuel mixing unit 30 from the diluted fuel storage unit 32 and the water storage unit 42.
  • the methanol aqueous solution adjusted by the fuel mixing unit 30 is supplied to the anode 21 of the power generation unit 2 through the fuel supply unit 31 at a predetermined flow rate.
  • air is supplied from the air supply unit 40 to the power sword 22 of the power generation unit 2.
  • the methanol aqueous solution is supplied to the anode 21 of the power generation unit 2 and the air is supplied to the cathode 22 of the power generation unit 2, whereby a power generation reaction can be caused in the power generation unit 2.
  • This power generation reaction is performed at the anode 21 with water and methanol in the methanol aqueous solution supplied.
  • Proton (H +) that passes through the electrolyte membrane 20 moves to the force sword 22.
  • the generated electrons (e_) move from the anode 21 to the force sword 22 through the external circuit.
  • the plugs and electrons that have moved, in the force sword 22, are supplied with oxygen in the supplied air and 3/20 + 6H +
  • the electric part 2 can perform a power generation reaction by supplying an aqueous methanol solution and air.
  • the aqueous methanol solution discharged from the anode 21 of the power generation unit 2 is supplied to the gas-liquid separation unit 33.
  • the discharged methanol aqueous solution can be gas-liquid separated.
  • gaseous components such as carbon dioxide generated by the power generation reaction in the power generation unit 2 mixed in the aqueous methanol solution can be separated.
  • a methanol aqueous solution, which is a liquid component from which the gas component has been separated, is supplied to the fuel mixing unit 30.
  • the fuel mixing unit 30 adjusts the concentration to be supplied to the power generation unit 2.
  • the air discharged from the power sword 22 of the power generation unit 2 is supplied to the cooling unit 41, and the cooling unit cools the air.
  • the separated water is supplied to the water storage unit 42.
  • the water stored in the water storage unit 42 is used for adjusting the concentration of the aqueous methanol solution in the fuel mixing unit 30.
  • the gas component such as carbon dioxide separated from the methanol aqueous solution by the gas-liquid separation unit 33 and the air separated from the water by the cooling unit 41 are supplied to the exhaust unit 43 and discharged to the outside of the apparatus. .
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of current-voltage characteristics and current output characteristics of the fuel cell power generator at a constant flow rate.
  • the flow rate of methanol aqueous solution is constant, and lmol / U 0.6 mol Zl.
  • the change in current voltage characteristics and current output at each concentration of 0.4 molZl (molZl is expressed as M in the figure).
  • the fuel cell power generator is optimized so that the maximum output can be obtained with a 0.6 molZl aqueous methanol solution.
  • the air flow rate is constant.
  • the 0.6 molZl methanol solution which is the optimum concentration, has the maximum output voltage and output power at the same current density.
  • An ImolZl aqueous methanol solution with a higher concentration than the 6molZl aqueous methanol solution has a lower output voltage than the 0.6molZl aqueous methanol solution when compared at a given output current. And only output power can be obtained. This is due to the phenomenon that the methanol solution in the methanol solution supplied to the anode of the power generation section passes through the methanol power electrolyte and moves to the power sword (V, so-called crossover), and the current-voltage characteristics and current output characteristics deteriorate. It is because it ends.
  • a 0.4 molZl aqueous methanol solution having a lower concentration than the 0.6 molZl aqueous methanol solution can provide only lower output voltage and output power than the 0.6 molZl aqueous methanol solution when compared at a given output current. Absent. This is because methanol is insufficient and current-voltage characteristics and current output characteristics deteriorate. Therefore, it can be seen that in order to perform an optimal power generation reaction, it is necessary to supply a methanol aqueous solution having an optimal concentration to the power generation unit.
  • the optimal concentration of the methanol aqueous solution in the fuel cell power plant that has not yet been operated may differ from the optimal concentration of the methanol aqueous solution in the fuel cell power plant after a predetermined operating time. To do this, it is necessary to flexibly change the concentration of the aqueous methanol solution.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the output voltage of the power generation unit and the flow rate to the power generation unit under a constant current density. For example, each of lmol / U 0.6 molZl and 0.4 molZl It shows the change of output voltage with concentration. At this time, the air flow rate is constant.
  • the fuel cell power generator having the characteristics shown in FIG. 3 is configured so as to be steadily operated with a methanol aqueous solution flow rate of 20 cc Zmin. For example, as in Fig. 2, when the power generation unit is optimized at 0.6 molZl, the output voltage does not change at 20 ccZmin at 0.6 molZl.
  • the methanol solution of ImolZl which is higher than the optimal concentration, shows that the output voltage decreases as the flow rate is increased.
  • the 0.4 molZl aqueous methanol solution which is lower than the optimum concentration, it can be seen that the output voltage increases as the flow rate is increased.
  • the operation method of the fuel cell power generator of the present invention utilizes the relationship between the voltage and the flow rate in the difference in the concentration of the methanol aqueous solution. If the output voltage does not change as the flow rate of the aqueous methanol solution is increased, this indicates that the concentration of the aqueous methanol solution has been optimized. In addition, if the output voltage is reduced by increasing the flow rate of the aqueous methanol solution, It shows that the concentration of the aqueous anol solution is higher than the optimum concentration. Further, when the output voltage is increased by increasing the flow rate of the aqueous methanol solution, the concentration of the aqueous methanol solution is lower than the optimum concentration.
  • the concentration of the aqueous methanol solution is adjusted so as to reduce the concentration of the aqueous methanol solution, whereby an aqueous methanol solution having an optimal concentration can be obtained.
  • the methanol aqueous solution having the optimum concentration can be obtained by adjusting the concentration so that the concentration of the methanol aqueous solution is increased.
  • the concentration of the aqueous methanol solution can be adjusted even when the flow rate is reduced. For example, if the output voltage is reduced by reducing the flow rate of the aqueous methanol solution, the concentration of the aqueous methanol solution is lower than the optimum concentration. Therefore, by adjusting the concentration so that the concentration of the methanol aqueous solution is increased, an aqueous methanol solution with an optimal concentration can be obtained. On the other hand, when the output voltage is increased by reducing the flow rate of the aqueous methanol solution, the concentration of the aqueous methanol solution is higher than the optimum concentration. Therefore, by adjusting the concentration so as to reduce the concentration of the aqueous methanol solution, an aqueous methanol solution having an optimal concentration can be obtained.
  • the aqueous methanol solution can be optimized without using a concentration sensor or the like that measures the concentration of the aqueous methanol solution supplied to the power generation unit. Even if the current-voltage characteristics and the current output characteristics change due to deterioration of the electrolyte, etc., the concentration of the aqueous methanol solution can be adjusted so that the maximum output is obtained at that time by the output of the power generation unit.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a method for operating the fuel cell power generator of the present invention.
  • the methanol aqueous solution and the air are supplied to the power generation unit upon activation, and the power generation reaction proceeds as described above.
  • the fuel cell power generator is started, as shown in step S1, the output voltage is measured by the voltage measurement unit of the power generation unit, and the measured value is transmitted to the control unit, and the change of the output voltage is monitored by the control unit. Is done. At this time, the current density of the power generation unit is kept constant.
  • step S2 if there is no drop in the output voltage monitored by the control unit, the process returns to step S1, and the output voltage of the power generation unit continues to pass through the voltage measurement unit. Monitored at. [0046]
  • step S3 when a decrease in the output voltage of the power generation unit is confirmed by the control unit, the process of step S3 is performed. If a decrease in the output voltage of the power generation unit is observed, this indicates that the methanol aqueous solution having the optimum concentration in the power generation unit has been supplied. Therefore, it is necessary to adjust the aqueous methanol solution supplied to the power generation unit to an optimum concentration. As shown in Fig.
  • step S3 control is performed so that the fuel flow rate is increased in the fuel supply unit via the control unit.
  • step S4 the output voltage measured by the voltage measurement unit of the power generation unit is confirmed, and the output voltage monitored in step S1 is compared with the control unit. If the return of the output voltage is not confirmed by the control unit, in step S8, the control unit controls the fuel supply unit to return the fuel flow increased in step S3 to the original flow rate.
  • the fuel mixing unit is controlled through the control unit so as to reduce the concentration of the methanol aqueous solution.
  • step S5 the control unit controls the fuel supply unit so as to return the fuel flow rate increased in step S3 to the original flow rate, as in step S6.
  • the fuel mixing unit is controlled through the control unit so as to increase the concentration of the aqueous methanol solution.
  • step S6 the concentration of the methanol aqueous solution is increased, and the output voltage measured by the voltage measurement unit of the power generation unit is compared with the output voltage monitored in step S1 again by the control unit. Then, as shown in step S7, if the return of the output voltage is not confirmed by the control unit, it indicates that the concentration of the aqueous methanol solution is still low, so the flow returns to step S6 to further increase the concentration of the aqueous methanol solution.
  • the fuel supply unit is controlled via the control unit.
  • the control unit confirms that the output voltage has been restored, it indicates that the concentration of the methanol aqueous solution has reached the optimum concentration, and proceeds to step S11 to complete the concentration adjustment.
  • step S9 the concentration of the aqueous methanol solution is decreased, and the output voltage measured again by the voltage measuring unit of the power generation unit is compared with the output voltage monitored in step S1 by the control unit. Then, as shown in step S10, if the return of the output voltage is not confirmed by the control unit, it indicates that the concentration of the methanol aqueous solution is still high, so that the procedure returns to step S9 to further reduce the concentration of the methanol aqueous solution.
  • the fuel supply unit is controlled via the control unit. If the return of the output voltage is confirmed by the control unit, it indicates that the concentration of the aqueous methanol solution has become the optimum concentration, moves to step S11, and the concentration adjustment ends.
  • the adjustment of the methanol aqueous solution is not limited to the determination based on the increase in the fuel flow rate, but the output voltage increases when the fuel flow rate is decreased at a higher concentration than the optimal concentration methanol aqueous solution, The same judgment can be made by reducing the fuel flow rate within the range of the fuel flow rate that shows a tendency for the output voltage to decrease when the fuel flow rate is reduced at a lower concentration than the optimum concentration of aqueous methanol solution.
  • step S11 When power generation is continued as in step S11, the process returns to step S1, and monitoring of the output voltage measured by the voltage measurement unit of the power generation unit is continued in the control unit. On the other hand, when the operation of the fuel cell power generation device is stopped by this, the fuel supply unit is stopped via the control unit, and the operation of the device is stopped.
  • the concentration of the aqueous methanol solution necessary for maximizing the output characteristics and power generation efficiency characteristics of the fuel cell power generation device without performing a complicated calculation. Since the concentration is adjusted based on the output voltage of the power generation unit, for example, even when the output voltage decreases due to aging deterioration of the fuel cell power generation device, the same operation is performed to obtain the optimum methanol at that time.
  • the concentration of the aqueous solution can be adjusted. That is, it is possible to flexibly adjust the methanol aqueous solution to an optimal concentration more flexibly than measuring the absolute methanol aqueous solution by a sensor, calculation or the like and adjusting the concentration so that it becomes a predetermined value.
  • the control may be performed by increasing or decreasing the output voltage.
  • the control unit determines whether the output voltage increases or decreases. If the output voltage increases, return the fuel flow to the original, methanol Since the concentration of the aqueous solution is low, the fuel mixing unit is controlled via the control unit so as to increase the concentration. This is continued until the output begins to drop. On the other hand, when the output voltage decreases, the fuel flow rate is restored, and the concentration of the methanol aqueous solution is high.
  • the fuel mixing unit is controlled via the control unit so as to decrease the concentration. This is continued until the output voltage starts to rise.
  • the aqueous methanol solution can always be adjusted to the optimum concentration, and the fuel cell power generator can always be operated at the maximum output voltage.
  • the control unit may confirm the voltage value required for the load, and the concentration of the aqueous methanol solution may be adjusted so as to output the voltage corresponding to the voltage value.
  • the concentration of aqueous methanol solution is 0.6 mol / l and the flow rate is optimized at 20 ccZmin, the output voltage is lower at 0.4 molZl even at the same flow rate.
  • the concentration of the methanol aqueous solution can be reduced to control the output voltage to meet the required voltage.
  • the fuel cell power generator can be operated at an output voltage commensurate with the load, and efficient operation can be performed.
  • a table that shows the relationship between the flow rate of the aqueous methanol solution and the output voltage as shown in FIG. 3 may be provided in the control unit of the fuel cell power generator. For example, if the flow rate of the methanol aqueous solution is changed, the tendency of the change in the output voltage is compared with the table provided in the control unit, and if the output voltage decreases as the flow rate increases, the concentration of the methanol aqueous solution If the output voltage increases as the flow rate increases, the concentration of the aqueous methanol solution may be controlled to increase the concentration of the aqueous methanol solution.
  • an aqueous methanol solution having an optimal concentration can be supplied to the power generation unit at the time of measurement.
  • the table provided in the control unit may be rewritten. This facilitates the determination by the control unit.
  • the concentration of the aqueous methanol solution can be adjusted more efficiently by providing such a table.
  • concentration of the aqueous methanol solution can be adjusted so that the output characteristics and power generation efficiency characteristics can be maximized according to the load and the state of the fuel cell power generation device.
  • the fuel cell power generation device of the present invention maintains a constant power density output from the power generation unit that generates power using diluted fuel obtained by diluting the fuel to be diluted with water and air, and the power generation unit. And a fuel mixing section for adjusting the concentration of the diluted fuel by increasing or decreasing the flow rate of the diluted fuel supplied to the power generation section and measuring the output voltage of the power generation section.
  • the fuel cell power generation device of the present invention includes a power generation unit that generates power using a methanol aqueous solution that is a diluted fuel and air, and a fuel supply that supplies the methanol aqueous solution to the power generation unit at a predetermined speed.
  • a fuel mixing unit that adjusts the methanol aqueous solution to a predetermined concentration, and whether to increase or decrease the concentration of the methanol aqueous solution in the fuel mixing unit from the output voltage of the power generation unit and the flow rate of the methanol aqueous solution from the fuel supply unit. It has a control unit to judge. Then, the concentration of the aqueous methanol solution is adjusted by a control method as shown in FIG.
  • the fuel cell power generator 1 of the present invention can always supply the methanol aqueous solution with the optimum concentration to the power generator 2.
  • the diluted fuel adjusted to the optimum concentration can be supplied to the power generation unit 2 at all times. By supplying power generation efficiency characteristics wear.
  • the methanol to be diluted used in the present embodiment is not limited to this, and it is also possible to use a fuel used in a normal fuel cell.
  • a fuel used in a normal fuel cell For example, ethanol or dimethyl ether can be used.
  • a current measurement unit that can measure the output current is provided in the power generation unit, and the fuel cell power generation device of the present invention can be operated with reference to the output current. it can.

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Abstract

　センサー等の絶対的な濃度測定を行わなくても発電部に最適な濃度の希釈燃料を供給することができる燃料電池発電装置の運転方法の提供と、その運転方法により運転される燃料電池発電装置の提供を目的とする。希釈燃料の燃料流量に応じて発電部の出力電圧の変化を見ることで、センサー等の絶対的な濃度測定を行わなくても、希釈燃料を最適な濃度に常に調整することができる。また、この運転方法により、負荷や燃料電池発電装置の状況に応じて出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すことができる。

Description

明 細 書
燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池発電装置の運転方法及びその運転方法により運転される燃 料電池発電装置に関するものである。
背景技術
[0002] 燃料電池は、水素やメタノール等の燃料と酸素等の酸化剤ガスを電気化学的に反 応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、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素子として注目されており、 例えば、自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われて 、る。
[0003] 燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的な ものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分 子電解質型燃料電池は、低コストィ匕が可能で、小型化、薄型化、軽量化も容易であり 、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、電子機器の駆動電源として有 望である。この固体高分子電解質型燃料電池は、水素の他にメタノールや天然ガス を改質して水素を生成させて燃料とするものも開発されている。近年では、メタノール を燃料として直接燃料電池に供給し発電を行う直接メタノール型燃料電池 (DMFC： Direct Methanol Fuel Cell)も開発されている。
[0004] DMFCは、固体高分子電解質などの電解質を力ソード及びアノードにより挟んだ 発電セルを有している。アノードにメタノール水溶液を供給することにより、アノード表 面でメタノールと水とによって CH OH + H 0→CO +6H+ + 6e—という反応が起こ
3 2 2
る。一方、力ソードに空気を供給することにより、力ソード表面で空気中の酸素と、ァノ ードで発生した電子（e_)とプロトン（H+)によって 3Z20 +6H+ + 6e"→3H Oとい
2 2 う反応が起こる。すなわち、燃料のメタノールだけでは反応が進行しない。そのため、 メタノールと水とを混合してアノードに供給する必要がある。
[0005] このときの供給方法としては、予めメタノールと水とを適切な濃度となるように混合し 、調整されたメタノール水溶液をアノードに供給する方法があり、システムの簡便化が 図れる。しかしながら、一般に DMFCは、最大出力の得られるメタノール濃度と最大 効率の得られるメタノール濃度は異なるため、予めメタノールと水とを適切な濃度とな るように混合すると DMFCの運転状況に応じてメタノール水溶液の濃度を変更する ことができない。また、 Nafion (登録商標）に代表される固体電解質を用いた電極電解 質接合体 (MEA)を搭載する DMFCの場合、エネルギー密度を上げようとして、メタ ノール濃度を増加させると MEAの劣化速度が増加するという問題点を有している。
[0006] また、その他の供給方法としては、高濃度のメタノールと発電によって力ソードで生 成した水とにより燃料電池発電装置内で適切な濃度となるように混合し、調整された メタノール水溶液をアノードに供給する方法がある。この方法では、燃料電池発電装 置の状況に応じて適切にメタノール水溶液の濃度を変えることができる力 そのため に、メタノール水溶液の濃度を検出する必要がある。その濃度検出には、静電容量 法、電気化学的酸化法、超音波法、比重法といった方式の濃度センサーやセンサー 用のセルが用いられて 、る。
[0007] これらの濃度センサーは、メタノールと水のみで構成される場合に優れた特性を示 す力 DMFCでは、発電反応の副反応によりギ酸などの副生成物が発生する。この ような副生成物は、測定値に誤差を与える原因となり、誤差の生じた濃度により、最 適な濃度のメタノール水溶液を供給することができな 、。センサー用のセルを設置し た場合、一般に、燃料電池の出力は経時的に変化する傾向がある。したがって、初 期と運転時間経過時とでは出力が異なる。また、装置の履歴によってもこの経時変化 の度合いが異なるので、絶対的な濃度を検出し続けることは困難である。
[0008] さらに、上述のようなセンサーを用いないでメタノール水溶液の濃度を評価し、その 濃度に適した流量でメタノール水溶液を供給し、燃料電池発電装置の運転の最適化 をする方法が報告されている（例えば、特開 2003— 22830号公報参照)。この方法 は、燃料電池発電装置の出力電流と運転時間からメタノール水溶液の濃度を算出し 、算出された濃度に応じて起電部へのメタノール水溶液の流量を変化させて燃料電 池発電装置の運転を最適化する方法である。
[0009] 燃料電池発電装置の出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すためには燃料 の濃度を運転状況に応じて最適化することが望ましい。し力しながら、上述のような方 法では、燃料の濃度を最適化することが困難であった。
[0010] また、特開 2003— 22830号公報は、濃度検出のためのセンサーを用いていない ものの、出力電流と運転時間をパラメータにして所定の演算を行い、メタノール水溶 液の濃度を検出する。そして、算出された濃度から最適な燃料流量で燃料電池にメ タノール水溶液を供給する方法である。すなわち、燃料電池の最適な運転は、メタノ ール水溶液の濃度ではなぐ流量によって行われるものであり、流量の細かな制御が 必要となる。また、上述のように、燃料電池の出力は経時的に変化する傾向があり、 装置の履歴によってもこの経時変化の度合いが異なるため、算出される濃度に誤差 が生じる可能性がある。また、濃度の算出のために複雑な演算を行わなければなら ない。
[0011] そこで、本発明は、そのような従来の実状に鑑み、センサー等の絶対的な濃度測定 を行わなくても発電部に最適な濃度の希釈燃料を供給し、負荷や燃料電池発電装 置の状況に応じて出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すように、希釈燃料の 濃度を調整する燃料電池発電装置の運転方法を提供することを目的とする。また、 本発明は、この運転方法により出力特性、発電効率特性を最大限に引き出すことが できる最適な濃度に調整された希釈燃料が供給される燃料電池発電装置の提供を 目的とする。
発明の開示
[0012] 本発明の燃料電池発電装置の運転方法は、被希釈燃料を水で希釈した希釈燃料 と空気とによって発電を行う発電部を有する燃料電池発電装置の運転方法であって 、上記発電部に供給される上記希釈燃料の燃料流量を増減させる工程と、上記発電 部の出力電圧を測定する工程と、上記燃料流量及び上記出力電圧の関係から上記 希釈燃料の濃度を調整する工程とを有することを特徴とする。
[0013] 本発明の燃料電池発電装置の運転方法は、装置内に濃度センサー等を備えること なぐ常に最適な濃度の希釈燃料を燃料電池発電装置の発電部に提供することがで きる。負荷や燃料電池発電装置の状況に応じて出力特性、発電効率特性を最大限 に引き出すことができるように希釈燃料の濃度を調整することができる。
[0014] 本発明の燃料電池発電装置は、被希釈燃料を水で希釈した希釈燃料と空気とによ つて発電を行う発電部と、上記発電部に上記希釈燃料を所定の流量で供給する燃 料供給部と、上記発電部の出力電圧を測定する電圧測定部と、上記希釈燃料の濃 度を調整する燃料混合部とを有し、上記電圧測定部で測定された発電部の出力電 圧及び上記燃料供給部から上記発電部に供給される燃料の燃料流量の関係から、 上記燃料混合部で上記希釈燃料の濃度を調整することを特徴とする。
[0015] 本発明の燃料電池装置は、発電部に常に最適な濃度の希釈燃料を供給すること ができる。また、負荷や燃料電池発電装置自身の劣化等による状況の変化に対して も、発電部に常に最適な濃度に調整された希釈燃料を供給することができるため、最 大限の出力特性、発電効率特性を供給することができる。
[0016] 本発明の燃料電池発電装置の運転方法は、装置内に濃度センサー等を備えること なぐ常に最適な濃度の希釈燃料を燃料電池発電装置の発電部に提供することがで きる。すなわち、濃度センサーを用いて濃度調整する場合の問題である副生成物の 影響やセンサー自身の劣化の影響を受けずに運転することができる。そして、負荷 や燃料電池発電装置の状況に応じて出力特性、発電効率特性を最大限に引き出す ことができるように、希釈燃料の濃度を調整することができる。
[0017] また、本発明の燃料電池発電装置は、上述の運転方法により、常に最適な濃度に 調整された希釈燃料を供給することができ、出力特性、発電効率特性を最大限に引 き出すことができる。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]図 1は、本発明の燃料電池発電装置の構成図である。
[図 2]図 2は、本発明の燃料電池発電装置の一定流量での電流電圧特性及び電流 出力特性の一例を示した図である。
[図 3]図 3は、本発明の燃料電池発電装置の電流密度が一定条件における、発電部 の出力電圧と発電部への流量との関係の一例を示す図である。
[図 4]図 4は、本発明の燃料電池発電装置の運転方法を示すフロー図である。
発明を実施するための最良の形態
[0019] 以下、本発明の燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置について、 図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定 されるものではなぐ本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
[0020] 本発明の燃料電池発電装置 1の運転方法は、被希釈燃料であるメタノールを水で 希釈した希釈燃料のメタノール水溶液と空気とによって発電を行う発電部 2を有する 燃料電池発電装置 1に対し、この発電部 2に供給されるメタノール水溶液の燃料流量 を増減させ、発電部 2の出力電圧を測定し、この燃料流量と出力電圧との関係により 、メタノール水溶液の燃料濃度を最適化する方法である。
[0021] 図 1は、本発明の燃料電池発電装置 1の運転方法によって運転される燃料電池発 電装置 1の一例を示す構成図である。燃料電池発電装置 1は、負極であるアノード 2 1及び正極である力ソード 22からなる一対の電極により挟まれる電解質膜 20で形成 される発電部 2と、発電反応に利用されるメタノール水溶液を所定の濃度に調整する 燃料混合部 30と、燃料混合部 30から発電部 2にメタノール水溶液を供給する燃料供 給部 31と、燃料混合部 30で希釈される被希釈燃料であるメタノールを貯蔵する被希 釈燃料貯蔵部 32と、発電部 2から排出される排出燃料から気体成分と液体成分と〖こ 分離する気液分離部 33と発電部 2に空気を供給するための空気供給部 40と、発電 部 2から排出される空気を冷却し水とその他の物質とに分ける冷却部 41と、冷却部 4 1で分けられた水を貯蔵する水貯蔵部 42と、気液分離部 33で分離される気体成分と 冷却部 41で分けられたその他の物質を排出する排気部 43と、燃料電池発電装置 1 の各部材を制御する制御部 44を有している。各部材間には、バルブ等を設けていて もよぐこのバルブの開け閉めにより、メタノール水溶液や空気の流れを制御すること ちでさる。
[0022] 発電部 2は、プロトンを透過させる膜状の電解質膜 20、発電反応における触媒を有 するアノード 21及び力ソード 22からなり、電解質膜 20をアノード 21及び力ソード 22 により挟み、張り合わせて形成される。プロトンを透過させる電解質膜 20は、透過性と 耐酸化性と耐熱性とを兼ね備えた材質で形成される。アノード 21、力ソード 22は、金 属材料や炭素材料、導電性を有する不繊布などを用いて構成され、例えば、炭素材 料を用いる場合、炭素材料の多孔質表面に白金などの触媒を担持させてもよい。電 解質膜 20、アノード 21及び力ソード 22の大きさ及び形状は、発電部 2の大きさ及び 形状に合わせて適宜変更される。 [0023] また、発電部 2は、発電部 2からの出力電圧を測定することができる電圧測定部 23 を備え、電圧測定部 23で測定された発電部 2の出力電圧を制御部 44に伝達するこ とができる。この測定された出力電圧と燃料供給部 31からのメタノール水溶液の流量 により、燃料混合部 30でメタノール水溶液の濃度が調整される。発電部 2は、図 1〖こ 示されるように、メタノール水溶液を燃料とし、直接発電部 2に供給する直接メタノー ル型燃料電池発電装置である力 本発明の燃料電池発電装置 1は、これに限られる ものではなぐ燃料電池の発電能力に応じて適宜変更することができる。また、発電 部 2には、発電部 2の温度を測定する温度測定器を備えていてもよぐ例えば、発電 反応による発電部 2の発熱により過熱しな 、ように制御することもできる。
[0024] 燃料混合部 30は、ポンプやバルブ等を介して被希釈燃料貯蔵部 32と接続され、 燃料供給部 31を介して発電部 2と接続されている。そして、燃料混合部 30は、被希 釈燃料貯蔵部 32に貯蔵されている被希釈燃料であるメタノールと水貯蔵部 42に貯 蔵されて!、る水とから、発電部 2での発電反応のために必要な被希釈燃料であるメタ ノール水溶液の濃度を調整することができる。そして、濃度調整されたメタノール水溶 液は、燃料供給部 31を介して発電部 2に供給され、発電反応に利用される。この燃 料混合部 30では、発電部 2の出力電圧と燃料供給部 31から発電部 2へのメタノール 水溶液の流量力 制御部 44を介して濃度を調整することができる。
[0025] 燃料供給部 31は、燃料混合部 30と発電部 2に接続されている。そして、燃料供給 部 31は、燃料混合部 30で調整されたメタノール水溶液を発電部 2のアノード 21に所 定の流量で供給することができる。このメタノール水溶液の流量は、制御部 44により 適宜変更可能である。そして、このメタノール水溶液の流量は、制御部 44に伝達され 、メタノール水溶液の濃度調整のパラメータとなる。このメタノール水溶液の流量と発 電部 2での出力電圧とにより、制御部 44を介して燃料混合部 30でメタノール水溶液 の濃度を調整することができる。この燃料供給部 31は、例えば、発電部 2に供給され るメタノール水溶液の流量を制御することができれば、バルブやポンプ等を燃料供給 部 31の代わりとして利用してもよく、燃料電池発電装置 1に応じて適宜変更される。 また、発電部 2に供給されるメタノール水溶液のゴミゃ不純物を取り除くためのフィル ターを備えていてもよい。 [0026] 被希釈燃料貯蔵部 32は、ポンプやバルブ等を介して燃料混合部 30と接続されて いる。燃料混合部 30に供給する被希釈燃料であるメタノールを貯蔵している。また、 制御部 44の指令を受け、燃料混合部 30でメタノールが必要となった場合に、被希釈 燃料貯蔵部 32と燃料混合部 30との間に設置されたバルブ、ポンプ等を介して燃料 混合部 30に必要量を供給することができる。
[0027] 気液分離部 33は、発電部 2及び燃料混合部 30と接続されて ヽる。気液分離部 33 は、発電部 2のアノード 21から排出される排出燃料力も液体成分と気体成分とを分離 することができる。液体成分は、ポンプやフィルターなどを介して燃料混合部 30に供 給され、メタノールや水と混合し再び燃料として燃料供給部 31を介して発電部 2のァ ノード 21に供給することができる。また、気体成分は、排気部 43を介して装置外部に 出することができる。
[0028] 空気供給部 40は、発電部 2と接続され、発電部 2の力ソード 22に空気を供給するこ とができる。空気供給部 40は、発電部 2の力ソード 22に発電反応に十分な空気を供 給することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ファンゃポ ンプ等が挙げられる。供給された空気は、発電部 2において、発電反応に利用される 。発電部 2に供給される空気は、ゴミゃ不純物を取り除くためのフィルターを備えてい てもよい。
[0029] 冷却部 41は、発電部 2と水貯蔵部 42と排気部 43とに接続されている。冷却部 41は 、発電部 2の力ソード 22からの排出される空気を冷却し、発電部 2から排出される空 気中に含まれている水を分離させることができる。そして、冷却部 41は、分離した水 を水貯蔵部 42に供給することができる。また、水を分離した気体成分は、排気部 43 に送られ、気液分離部 33から排出される気体成分と一緒に装置外部に排出される。 本例では、力ソード 22から排出される空気力も水を分離させるために冷却部 41を備 えているが、空気中の水を分離できるものであればこれに限るものではない。また、 水貯蔵部 42に水を供給するためにポンプ等を備えていてもよい。そして、水貯蔵部 4 2に供給される水は、ゴミゃ不純物を取り除くためのフィルターを備えていてもよい。
[0030] 水貯蔵部 42は、冷却部 41と燃料混合部 30と接続されて ヽる。水貯蔵部 42は、冷 却部 41で分離された水を貯蔵し、燃料混合部 30でのメタノール水溶液の調整に利 用することができる。水貯蔵部 42で貯蔵されている水は、燃料混合部 30で制御する メタノール水溶液の濃度に応じてバルブやポンプ等を介して供給することができる。
[0031] 排気部 43は、気液分離部 33及び冷却部 41と接続され、装置外部に気体を排出す るために開口を有している。排気部 43は、気液分離部 33から排出される気体成分と 、冷却部 41で力ソード 22から排出された空気から水を分離した気体成分とを装置外 部に排出することができる。このとき、装置外部に排出される気体成分は、気体成分 中に含まれる燃焼することができる化合物を燃焼させて力 排気してもよ 、。これによ り、例えば、発電反応で発生した副生成物等を装置外部に放出することを防ぐことも できる。
[0032] 制御部 44は、発電部 2の出力電圧と燃料供給部 31から発電部 2へのメタノール水 溶液の燃料流量からメタノール水溶液の濃度を最適化するように燃料混合部 30、被 希釈燃料貯蔵部 32及び水貯蔵部 42を制御することができる。例えば、出力電圧とメ タノール水溶液の燃料流量から、メタノール水溶液の濃度を増加させようとする場合 、制御部 44を介して、被希釈燃料貯蔵部 32から燃料混合部 30にメタノールを供給 し、燃料混合部 30でメタノール水溶液の濃度を高くすることができる。例えば逆に、メ タノール水溶液の濃度を低くする場合、水貯蔵部 42から燃料混合部 30に水を供給 し、燃料混合部 30でメタノール水溶液の濃度を低くすることができる。また、発電部 2 に備えられてもよ 、温度測定器で測定された発電部 2の温度から、最適なメタノール 水溶液の濃度を制御してもよ 、。
[0033] メタノール水溶液は、燃料混合部 30で制御部 44によって所定の濃度のメタノール 水溶液を調整される。このときの濃度調整は、被希釈燃料貯蔵部 32及び水貯蔵部 4 2からメタノールと水を燃料混合部 30に供給することにより調整される。そして、燃料 混合部 30で調整されたメタノール水溶液は、燃料供給部 31を介して所定の流量で 発電部 2のアノード 21に供給される。一方、空気は、空気供給部 40から発電部 2の力 ソード 22に供給される。
[0034] このように、発電部 2のアノード 21にメタノール水溶液が供給され、発電部 2のカソ ード 22に空気が供給されることにより発電部 2で発電反応を起こすことができる。この 発電反応は、アノード 21において、供給されるメタノール水溶液中の水とメタノール によって CH OH + H 0→CO +6H+ + 6e—という反応が起こる。この反応で発生
3 2 2
するプロトン (H+)は、電解質膜 20を透過し力ソード 22に移動する。また、発生した 電子 (e_)は、アノード 21から外部回路を通り力ソード 22に移動する。移動してきたプ 口トンと電子は、力ソード 22において、供給される空気中の酸素と、 3/20 +6H+
2
+ 6e"→3H Oという反応を起こす。したがって、本発明の燃料電池発電装置 1の発
2
電部 2は、メタノール水溶液と空気を供給することにより発電反応を行うことができる。
[0035] 発電部 2のアノード 21から排出されるメタノール水溶液は、気液分離部 33に供給さ れる。気液分離部 33では、排出されたメタノール水溶液の気液分離を行うことができ る。これにより、メタノール水溶液に混入している発電部 2での発電反応により発生す る二酸化炭素などの気体成分を分離することができる。気体成分を分離した液体成 分であるメタノール水溶液は、燃料混合部 30に供給される。そして、燃料混合部 30 において発電部 2に供給する濃度に調整される。
[0036] 一方、発電部 2の力ソード 22から排出される空気は、冷却部 41に供給され、冷却部 において、空気が冷却される。これにより、空気に混入している発電部 2での発電反 応により発生した水を分離することができる。分離された水は、水貯蔵部 42に供給さ れる。水貯蔵部 42に貯蔵される水は、燃料混合部 30でのメタノール水溶液の濃度 調整に利用される。そして、気液分離部 33でメタノール水溶液から分離された二酸 化炭素などの気体成分と、冷却部 41で水を分離した空気は、ともに排気部 43に供 給され、装置外部に排出される。
[0037] 図 2は、燃料電池発電装置の一定流量での電流電圧特性及び電流出力特性の一 例を示した図であり、例えば、メタノール水溶液の流量を一定にし、 lmol/U 0. 6m olZl、 0. 4molZlの各濃度 (molZlは図中では Mと表記する）における電流電圧特 性及び電流出力の変化を示している。この図 2においては、 0. 6molZlのメタノール 水溶液で最大出力が得られるように最適化された燃料電池発電装置である。このとき 、空気流量は一定である。図 2に示されるように、最適な濃度である 0. 6molZlのメタ ノール水溶液は、同じ電流密度において出力電圧及び出力電力が最大となっている 。 0. 6molZlのメタノール水溶液よりも高い濃度の ImolZlのメタノール水溶液は、 所定の出力電流で比較した場合、 0. 6molZlのメタノール水溶液より低い出力電圧 及び出力電力しか得られない。これは、発電部のアノードに供給されたメタノール水 溶液のメタノール力 電解質を透過し力ソードに移動する現象 (V、わゆるクロスオーバ 一）が起こり、電流電圧特性及び電流出力特性が低下してしまうためである。
[0038] 一方、 0. 6molZlのメタノール水溶液よりも低い濃度の 0. 4molZlのメタノール水 溶液は、所定の出力電流で比較した場合、 0. 6molZlのメタノール水溶液より低い 出力電圧及び出力電力しか得られない。これは、メタノールが不足し、電流電圧特性 及び電流出力特性が低下してしまうためである。したがって、最適な発電反応を行う ためには、メタノール水溶液をその発電部に対して最適な濃度を有するメタノール水 溶液を供給する必要があることがわかる。
[0039] また、発電部の電流電圧特性及び電流出力特性は、例えば、電解質の経時劣化 等により変化する。したがって、まだ運転していない燃料電池発電装置のメタノール 水溶液の最適な濃度と、所定の運転時間を経過した燃料電池発電装置のメタノール 水溶液の最適な濃度とは異なる場合があり、常に最適な運転を行うには、メタノール 水溶液の濃度を柔軟に変える必要がある。
[0040] 図 3は、電流密度が一定条件における、発電部の出力電圧と発電部への流量との 関係の一例を示す図であり、例えば、 lmol/U 0. 6molZl、 0. 4molZlの各濃度 における出力電圧の変化を示している。このとき、空気流量は一定である。そして、こ の図 3に示されるような特性を示す燃料電池発電装置は、メタノール水溶液の流量を 20ccZminの流量で定常的に運転されるように構成されている。例えば、図 2と同様 に、発電部が 0. 6molZlで最適化されている場合、 0. 6molZlでは、 20ccZminを 境に出力電圧が変化していないことがわかる。また、最適な濃度より高い濃度である ImolZlのメタノール水溶液では、流量を多くするにしたがって、出力電圧が低下す ることがわ力る。逆に、最適な濃度より低い濃度である 0. 4molZlのメタノール水溶 液では、流量を多くするにしたがって出力電圧が高くなつていることがわかる。
[0041] 本発明の燃料電池発電装置の運転方法は、メタノール水溶液の濃度の違いにお ける電圧と流量の関係を利用する。メタノール水溶液の流量を増加させて出力電圧 の変化が見られな 、場合、そのメタノール水溶液の濃度は最適化されて 、ることを示 す。また、メタノール水溶液の流量を増カロさせて出力電圧が低下した場合、そのメタ ノール水溶液の濃度は最適な濃度より高いことを示している。さらに、メタノール水溶 液の流量を増カロさせて出力電圧が増加した場合、そのメタノール水溶液の濃度は最 適な濃度より低 、ことを示して 、る。
[0042] すなわち、メタノール水溶液の流量を増加させて出力電圧が低下した場合、メタノ ール水溶液の濃度を低下させるように濃度調整を行うことで、最適な濃度のメタノー ル水溶液とすることができる。また、メタノール水溶液の流量を増加させて出力電圧 が増加した場合、メタノール水溶液の濃度を増カロさせるように濃度調整を行うことで、 最適な濃度のメタノール水溶液とすることができる。
[0043] さらに、流速を低下させてもメタノール水溶液の濃度調整を行うことができる。例え ば、メタノール水溶液の流量を低下させて出力電圧が低下した場合、そのメタノール 水溶液の濃度は、最適な濃度よりも低いことを示している。そのため、メタノール水溶 液の濃度を増加するように濃度調整を行うことで、最適な濃度のメタノール水溶液と することができる。一方、メタノール水溶液の流量を低下させて出力電圧が増加した 場合、そのメタノール水溶液の濃度は、最適な濃度よりも高いことを示している。その ため、メタノール水溶液の濃度を低下させるように濃度調整を行うことで、最適な濃度 のメタノール水溶液とすることができる。
[0044] このように、発電部に供給されるメタノール水溶液の濃度を測定する濃度センサー 等を用いずにメタノール水溶液を最適化することができる。また、電解質の劣化等に よって電流電圧特性及び電流出力特性が変化したとしても、発電部の出力によりそ の時点で最大出力となるようにメタノール水溶液の濃度調整を行うことができる。
[0045] 図 4は、本発明の燃料電池発電装置の運転方法を示すフロー図である。本発明の 運転方法で運転される燃料電池発電装置は、起動により発電部にメタノール水溶液 と空気が供給され、上述のように発電反応が進行する。この燃料電池発電装置が起 動すると、ステップ S1に示されるように、発電部の電圧測定部で出力電圧が測定され 、その測定値を制御部に伝達し、制御部によって出力電圧の変化が監視される。こ のとき、発電部の電流密度は一定に保たれている。次に、ステップ S2に示されるよう に、制御部にて監視されている出力電圧の低下が見られなければ、ステップ S1に戻 り、ひきつづき発電部の出力電圧が電圧測定部を介して制御部で監視される。 [0046] ステップ S2にお 、て、発電部の出力電圧の低下が制御部で確認されたとき、ステツ プ S3の処理を行う。発電部の出力電圧の低下が見られた場合、その発電部におけ る最適な濃度のメタノール水溶液が供給されて 、な 、ことを示して 、る。したがって、 発電部に供給されるメタノール水溶液を最適な濃度に調整する必要がある。図 3に 示されるように、メタノール水溶液の濃度が最適な濃度よりも高い場合、メタノール水 溶液の流量を増カロさせると、出力電圧が低下する。一方、メタノール水溶液の濃度が 最適な濃度よりも低い場合、メタノール水溶液の流量を増加させると、出力電圧が増 加する。これを利用して、メタノール水溶液の流量を増加させることで、最適なメタノ ール水溶液の濃度と比べて発電部に供給されるメタノール水溶液の濃度の高低を判 断することができる。
[0047] ステップ S3では、制御部を介して燃料供給部で燃料流量を増加させるように制御 する。ここで、ステップ S4に示されるように、発電部の電圧測定部で測定された出力 電圧を確認し、ステップ S1で監視された出力電圧と制御部で比較する。制御部で出 力電圧の復帰が確認されない場合、ステップ S8で、ステップ S3で増カ卩させた燃料流 量を元の流量に戻すように制御部で燃料供給部を制御し、ステップ S9のように、メタ ノール水溶液の濃度を減少させるように制御部を介して燃料混合部を制御する。一 方、制御部で出力電圧の復帰が確認された場合、ステップ S5で、ステップ S3で増加 させた燃料流量を元の流量に戻すように制御部で燃料供給部を制御し、ステップ S6 のように、メタノール水溶液の濃度を増加させるように制御部を介して燃料混合部を 制御する。
[0048] ステップ S6に示されるように、メタノール水溶液の濃度を増加させ、再び発電部の 電圧測定部で測定された出力電圧とステップ S1で監視された出力電圧とを制御部 で比較する。そして、ステップ S7〖こ示されるよう〖こ、出力電圧の復帰が制御部で確認 されない場合、メタノール水溶液の濃度が未だ低いことを示すため、ステップ S6に戻 り、メタノール水溶液の濃度をさらに増加させるように制御部を介して燃料供給部を 制御する。そして、制御部で出力電圧の復帰が確認された場合、メタノール水溶液の 濃度が最適な濃度となったことを示し、ステップ S 11に移行し、濃度調整が終了する [0049] ステップ S9では、メタノール水溶液の濃度を減少させ、再び発電部の電圧測定部 で測定された出力電圧とステップ S1で監視された出力電圧とを制御部で比較する。 そして、ステップ S10に示されるように、出力電圧の復帰が制御部で確認されない場 合、メタノール水溶液の濃度が未だ高いことを示すため、ステップ S9に戻り、メタノー ル水溶液の濃度をさらに減少させるように制御部を介して燃料供給部を制御する。そ して、制御部で出力電圧の復帰が確認された場合、メタノール水溶液の濃度が最適 な濃度となったことを示し、ステップ S11に移動し、濃度調整が終了する。
[0050] このようなメタノール水溶液の調整は、燃料流量の増加によって判断するだけに限 らず、最適な濃度のメタノール水溶液より高 ヽ濃度で燃料流量を減少させた場合に 出力電圧が増加し、最適な濃度のメタノール水溶液より低 ヽ濃度で燃料流量を減少 させた場合に出力電圧が減少する傾向を示す燃料流量の範囲内で、燃料流量を減 少させても同様に判断することができる。
[0051] そして、ステップ S11のように、引き続き発電を行う場合は、ステップ S1に戻り、引き 続き発電部の電圧測定部で測定される出力電圧の監視が制御部で続けられる。一 方、これで燃料電池発電装置の運転を停止する場合、制御部を介して燃料供給部 が停止し、装置の運転が停止する。
[0052] これにより、センサーや複雑な演算を行うことなぐ燃料電池発電装置の出力特性、 発電効率特性を最大限に引き出すために必要な最適なメタノール水溶液の濃度を 調整することができる。この濃度の調整は、発電部の出力電圧によって行われるもの であるため、例えば、燃料電池発電装置の経時劣化により出力電圧が低下した場合 であっても、同様の操作によりその時点で最適なメタノール水溶液の濃度に調整する ことができる。すなわち、センサーや演算等により絶対的なメタノール水溶液を測定し 、所定の値になるように濃度の調整を行うよりも、柔軟に最適な濃度にメタノール水溶 液を調整することができる。
[0053] また、図 4では、出力電圧がステップ S1で監視された出力電圧に復帰したかどうか により制御を行っている力 例えば、出力電圧の増減により制御を行ってもよい。この 場合、例えば、出力電圧が減少し、燃料流量を増加させたとき、出力電圧の増減を 制御部により判断する。出力電圧が増加した場合、燃料流量を元に戻し、メタノール 水溶液の濃度が薄いため、濃度を増加させるように制御部を介して燃料混合部を制 御する。これを出力が下がり始めるまで続ける。一方、出力電圧が減少した場合、燃 料流量を元に戻し、メタノール水溶液の濃度が濃いため、濃度を減少させるように制 御部を介して燃料混合部を制御する。これを出力電圧が上がり始めるまで続ける。こ れにより、常に最適な濃度にメタノール水溶液を調整することができ、常に最大の出 力電圧で燃料電池発電装置を運転することができる。
[0054] さらに、これを応用して、燃料電池発電装置に接続されている負荷力 要求される 電圧が燃料電池発電装置の最大出力電圧よりも低い場合、それに合わせて発電を 行った方が効率的である。したがって、この場合、例えば、負荷の要求される電圧値 を制御部が確認し、その電圧値に見合った電圧で出力するようにメタノール水溶液 の濃度を調整してもよい。図 3に示されるように、メタノール水溶液の濃度 0. 6mol/l で、流量 20ccZminで最適化されている場合、同じ流量でも 0. 4molZlの方が出 力電圧が低い。このように、負荷から要求される電圧が低い場合、メタノール水溶液 の濃度を減少させて要求される電圧に見合う出力電圧を発生させるように制御するこ ともできる。このようにメタノール水溶液の濃度を調整することで、負荷に見合う出力 電圧で燃料電池発電装置を運転することができ、効率的な運転を行うことができる。
[0055] また、図 3に示されるようなメタノール水溶液の流量と出力電圧との関係を示すよう なテーブルを燃料電池発電装置の制御部に備えてもよい。例えば、メタノール水溶 液の流量を変化させ、その出力電圧の変化の傾向と、制御部に備えられたテーブル とを比較し、流量の増加に伴って出力電圧が低下した場合は、メタノール水溶液の 濃度を減少させ、流量の増加に伴って出力電圧が増加した場合は、メタノール水溶 液の濃度を増カロさせるようにメタノール水溶液の濃度を制御してもよ 、。これにより、 測定時点の発電部にぉ 、て、最適な濃度のメタノール水溶液を供給することができ る。また、発電部の経時劣化等により出力電圧が変化する場合があるため、制御部 に備えられたテーブルは、書き変えるようにしてもよい。これにより、制御部による判断 が容易となる。また、上述のように、負荷の要求する出力電圧に対して効率的な運転 を行う場合、このようなテーブルを備える方がより効率的にメタノール水溶液の濃度調 整を行うことができる。 [0056] このように、本発明の燃料電池発電装置の運転方法により、装置内に濃度センサ 一を備えることなぐ常に最適な濃度のメタノール水溶液を燃料電池発電装置の発電 部に提供することができる。すなわち、濃度センサーを用いて濃度調整する場合の問 題である副生成物の影響やセンサー自身の劣化の影響を受けずに運転することが できる。そして、負荷や燃料電池発電装置の状況に応じて出力特性、発電効率特性 を最大限に引き出すことができるように、メタノール水溶液の濃度を調整することがで きる。
[0057] さらに、本発明の燃料電池発電装置は、被希釈燃料を水で希釈した希釈燃料と空 気とによって発電を行う発電部と、上記発電部から出力される電流密度を一定に保 つとともに上記発電部に供給される希釈燃料の燃料流量を増減させ、上記発電部の 出力電圧を測定とをすることにより、上記希釈燃料の濃度を調整する燃料混合部とを 有している。
[0058] 本発明の燃料電池発電装置は、図 1で説明したように、希釈燃料であるメタノール 水溶液と空気とにより発電する発電部と、メタノール水溶液を所定の速度で発電部に 供給する燃料供給部と、メタノール水溶液を所定の濃度に調整する燃料混合部と、 発電部の出力電圧と燃料供給部からのメタノール水溶液の流量から燃料混合部でメ タノール水溶液の濃度を増加させるか減少させるかを判断する制御部等を有してい る。そして、図 4に示されるような制御方法によりメタノール水溶液の濃度が調整され る。
[0059] 制御部によって発電部の出力電圧の低下が見られたとき、図 4に示されるように、メ タノール水溶液の流量を増加し、発電部からの出力電圧の変化を確認する。出力電 圧が増加した場合、メタノール水溶液の濃度を増カロさせるように制御し、出力電圧が 低下した場合、メタノール水溶液の濃度を減少させるように制御することで、発電部 に最適な濃度のメタノール水溶液を提供することができる。
[0060] したがって、本発明の燃料電池発電装置 1は、発電部 2に常に最適な濃度のメタノ ール水溶液を供給することができる。また、負荷や燃料電池発電装置 1自身の劣化 等による状況の変化に対しても、発電部 2に常に最適な濃度に調整された希釈燃料 を供給することができるため、最大限の出力特性、発電効率特性を供給することがで きる。
以上、本発明の燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置に関する 実施の形態である。本実施の形態で使用している被希釈燃料のメタノールは、これに 限られるものではなぐ通常の燃料電池で使用されて ヽる燃料を利用することもでき る。例えば、エタノールゃジメチルエーテルなどを使用することもできる。また、出力電 圧を見て運転を行っているが、発電部に出力電流を測定することができる電流測定 部等を設け、出力電流を見て本発明の燃料電池発電装置を運転することもできる。

Claims

請求の範囲
[1] 被希釈燃料を水で希釈した希釈燃料と空気とによって発電を行う発電部を有する 燃料電池発電装置の運転方法であって、
上記発電部に供給される上記希釈燃料の燃料流量を増減させる工程と、 上記発電部の出力電圧を測定する工程と、
上記燃料流量及び上記出力電圧の関係から上記希釈燃料の濃度を調整する工程 とを有する
ことを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
[2] 上記希釈燃料の濃度は、上記発電部から出力される電流密度を一定に保つととも に上記希釈燃料の燃料流量を増加させて上記発電部の出力電圧が増カロした場合、 上記希釈燃料の濃度を増加させ、
上記発電部から出力される電流密度を一定に保つとともに上記希釈燃料の燃料流 量を増加させて上記発電部の出力電圧が減少した場合、上記希釈燃料の濃度を減 少させることを特徴とする請求項 1記載の燃料電池発電装置の運転方法。
[3] 上記希釈燃料の濃度は、予め上記希釈燃料の複数の濃度毎に上記燃料流量に おける上記出力電圧を測定した測定値カゝら調整されることを特徴とする請求項 1記載 の燃料電池発電装置の運転方法。
[4] 被希釈燃料を水で希釈した希釈燃料と空気とによって発電を行う発電部と、
上記発電部に上記希釈燃料を所定の流量で供給する燃料供給部と、 上記発電部の出力電圧を測定する電圧測定部と、
上記希釈燃料の濃度を調整する燃料混合部とを有し、
上記電圧測定部で測定された発電部の出力電圧及び上記燃料供給部から上記発 電部に供給される燃料の燃料流量の関係から、上記燃料混合部で上記希釈燃料の 濃度を調整することを特徴とする燃料電池発電装置。
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