JP2005317437A - 燃料電池システムおよび装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反応効率を高めることができ、かつ小型化や省電力化を促進できる燃料電池システムおよび装置を提供すること。
【解決手段】燃料電池１のアノード電極３側のメタノール濃度を調整するために供給するメタノール水溶液の供給制御手段１０５は、燃料電池１に接続された外部負荷１０８に流れる電流値に基づいて供給制御を行う。この電流値は、アノード電極３側で消費されたメタノールの量に応じて定率発生する電子の流れであり、消費されたメタノール量を反映している。従って、この電流値に基づいて適正なメタノール水溶液の供給を行うので、アノード電極３側で所定範囲内のメタノール濃度が得ることができる。また、電流値の計測は、もともと存在する構成要素を流用するだけででき、濃度センサ等用意する必要がなく、燃料電池システム１００の構成を小型で省電力にできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、メタノールを直接供給することにより電気エネルギを得る燃料電池システムおよび装置に関する。

燃料電池は、外部から燃料と酸素とを連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギを取り出すものである。燃料電池は、他の発電方式に比べて高効率で二酸化炭素の排出量が少ないため、環境問題が顕著になっている近年注目されている。
例えば高分子電解質形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)は、低い温度で動作が可能で起動時間が短く、小型化も可能である。この高分子電解質形燃料電池は、高分子固体電解質膜を燃料側電極と空気側電極とで挟んだ構造のＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)を備え、燃料側電極にメタノールや改質した水素などの燃料を供給し、空気側電極に空気（酸素）を供給することにより、電極内で電気化学的反応が起こり、電力が発生する（例えば特許文献１）。
この高分子電解質形燃料電池のうち、特に直接メタノール形燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell, DMFC）は、燃料電池に直接メタノールを燃料として供給し電気エネルギを得るため、水素を供給するＰＥＦＣとは異なり水素を収納する容器や、燃料を改質して水素を取り出す改質器などが不要となる。このため、直接メタノール形燃料電池は、小型化が要求されている携帯電話やノートパソコン等の携帯機器用の携帯電源として従来型の一次電池や二次電池に取って代わるものとして注目されている。

特開平８−１６２１３２号公報

直接メタノール形燃料電池では、燃料としてメタノール水溶液をアノード電極側の反応室に供給すると、アノード電極側の触媒部分ではメタノールと水とが反応して二酸化炭素、プロトン、および電子が生じる。この場合、アノード電極側でのメタノール水溶液のメタノールの濃度には適正な所定範囲がある。一般的には、３〜５％または１mol/l〜８mol/lの範囲内である。そして、メタノール濃度が低い方向へずれると、メタノールが不足して反応効率が低下する。逆にメタノール濃度が高くなっても、高分子固体電解質膜をメタノールが透過する現象（クロスオーバ現象）が発生し、反応効率が低下する。
ところで、メタノールと水との反応が進むとそれぞれ等molだけ消費されるので、メタノール水溶液が減少するに伴ってメタノールの濃度も変化してしまい、メタノールの濃度が低くなって反応効率が低下する。
そこで、従来では、予め予備室等で適正な濃度に調製されたメタノール水溶液を、アノード電極側のメタノール水溶液に常に供給して循環させるシステムなどが提案されている。また、予備室等での濃度調製には、予備室等での濃度の監視が必要で、別途濃度センサなどが用いられる。

しかしながら、このようなシステムでは以下の問題がある。
アノード電極側でのメタノールの濃度が所定範囲外となったメタノール水溶液に対して、適正な濃度のメタノール水溶液を供給して循環させたとしても、それらが混合した時点でどうしても濃度がずれるという問題がある。
この現象を防ぐには、循環の速度をメタノールの消費速度等を考慮して精密に制御しなければならない。また、供給するメタノールの濃度の監視用に別途濃度センサも設けなければならない。従って、それに付随する部材や電力も必要となり、装置の小型化や省電力化が難しくなる。これらの点は、特に携帯用機器等に応用する場合は問題となる。

本発明の目的は、反応効率を高めることができ、かつ小型化や省電力化を促進できる燃料電池システムおよび装置を提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、プロトン伝導性を有する高分子固体電解質膜と、この高分子固体電解質膜の両側にそれぞれ設けられるアノード電極およびカソード電極とを備える燃料電池と、前記アノード電極側にメタノールを供給するメタノール供給手段と、前記アノード電極側に水を供給する水供給手段と、前記燃料電池に接続された外部負荷に流れる電流を検出する電流計測手段と、前記アノード電極側のメタノール濃度が所定範囲内となるように前記メタノール供給手段および前記水供給手段を制御する供給制御手段とを備え、前記供給制御手段は、前記電流計測手段の結果に基づいて前記メタノール供給手段および前記水供給手段を制御することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池のアノード電極側のメタノール濃度を調整するための供給制御手段は、燃料電池に接続された外部負荷に流れる電流値に基づいて供給制御を行う。この電流値は、アノード電極側で消費されたメタノールの量に応じて定率発生する電子の流れであり、消費されたメタノール量を反映している。従って、この電流値に基づいた適正なメタノールの量を供給するので、これによりアノード電極側では常に所定範囲内のメタノール濃度が得られるため、アノード電極側では、メタノールと水との反応が進んでも、メタノール水溶液中のメタノール濃度が低下したりせず、反応効率の低下が防止されて、反応効率が良好となる。
また、必要な時に必要な量のメタノールを供給する供給制御なので、メタノール水溶液を常に循環させる必要もなく、小型化や省電力化が図れる。
さらに、電流値の計測は、もともと存在する構成要素（ＭＥＡ）を流用して行うので、濃度センサ等の部品を別途用意する必要もなく、燃料電池システムの構成が簡単になり、小型化も可能となる。

なお、燃料の供給制御手段がメタノール水溶液のメタノール濃度を調整する際には、アノード電極側にメタノールおよび水を予め混合したメタノール水溶液を供給する場合はもちろん、メタノールおよび水をそれぞれ別々にアノード電極側に供給する場合や、水供給手段からの水の供給を行わず、補充に必要な量のメタノールを供給する場合も含まれる。
つまり、燃料電池システムがメタノール供給手段および水供給手段を別々に備えているので、これらの供給量の割合を変更することでアノード電極側に必要なメタノール、水、または任意の濃度のメタノール水溶液が供給可能となる。よって、アノード電極側のメタノール濃度の制御が柔軟になり、燃料電池システムの様々な構成や使用条件などに対応可能となる。

本発明の燃料電池システムでは、前記供給制御手段は、前記外部負荷に流れる電流値が所定値以下であるとき、前記メタノール供給手段および前記水供給手段を制御して前記アノード電極側にメタノールまたはメタノール水溶液を供給する制御を行うことが好ましい。
この発明では、供給制御手段が、燃料電池に接続された外部負荷に流れる電流値が所定値以下である時にメタノールまたはメタノール水溶液の供給を行うので、アノード電極側のメタノール濃度が適正範囲外に低下せず、良好な反応効率が維持される。
なお、アノード電極側に必要な量のメタノールを供給する場合には、アノード電極側に水を供給しないように水供給手段を制御すればよい。

本発明の燃料電池システムでは、供給制御手段は、所定時間毎に水供給手段からの水をアノード電極側に供給してアノード電極側の液体を水と入れ替える液体交換指令を出力することが望ましい。
アノード電極側に必要量のメタノールまたはメタノール水溶液を供給してアノード電極側のメタノール濃度を保持すると、メタノール水溶液の循環はないか、またはあってもわずかとなるので、長期間の使用に伴ってアノード電極側のメタノール水溶液に蟻酸、ホルムアルデヒド、一酸化炭素などの副生成物が蓄積され、これら副生成物がメタノールと水との反応を阻害する。
これに対して本発明によれば、供給制御手段が所定時間毎に液体交換指令を出力するので、アノード電極側の副生成物が所定時間毎にメタノール水溶液とともに排出され、メタノールと水の反応効率の低下が確実に防止される。

本発明の装置は、前述の燃料電池システムを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、装置が前述の燃料電池システムを備えているので、前述の効果と同様の効果を奏することができ、メタノールと水との反応効率が向上する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には本実施形態に係る燃料電池システム１００の概念構成図が示されている。
この図１において、燃料電池システム１００で使用する燃料電池１は、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）である。図１では、燃料電池１は簡略化して示され、主な構成要素のみが示されている。また、燃料電池システム１００は、本発明の装置としての携帯電話やノートパソコンなどの携帯機器に搭載されている。

燃料電池１は、高分子固体電解質膜２と、この高分子固体電解質膜２の両面に一体的に形成されるアノード電極３およびカソード電極４と、アノード電極３側に配置される燃料拡散層５と、カソード電極４側に配置される空気拡散層６と、これら燃料拡散層５および空気拡散層６の外側にそれぞれ設けられるとともに、アノード電極３およびカソード電極４の間に発生した電気エネルギを取り出す集電体７，８とを備えている。集電体７，８には、後述する電流計測手段１０６を介して外部負荷１０８が接続されている。

アノード電極３側には、燃料としてメタノール(CH₃OH)水溶液が供給される。燃料は、燃料拡散層５と集電体７とを含んで構成される反応室としての燃料室３１に供給される。一方、空気（Ｏ_２）は、カソード電極４側の空気拡散層６と集電体８とを含んで構成される反応室としての空気室４１に供給される。

高分子固体電解質膜２の両面には、外縁から所定幅寸法を隔てた所定範囲内に略矩形状のアノード電極３およびカソード電極４が一体的に形成されている。高分子固体電解質膜２は、プロトン伝導性高分子で構成される高分子固体電解質樹脂が、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(Poly Tetra Fluoro Ethylene, PTFE)フィルムの多孔空隙部に含浸されることにより構成されている。高分子固体電解質樹脂としては、例えばナフィオン膜（デュポン社商標）等のパーフルオロスルホン酸系ポリマー、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマーなどが採用できる。また場合によってはこの高分子固体電解質樹脂に、電子導電性の生じない範囲で白金などの触媒やカーボン粉末、各種セラミックス粉末などを加えてもよい。

なお、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムは、ＰＴＦＥの塊を延伸多孔化して得られる、多数の微小結節とそれらの微小結節から延出して微小結節相互を三次元的に連結する微細繊維とからなる構造を有する多孔質ＰＴＦＥフィルムであり、このフィルムには、厚み方向に貫通する多数の孔が形成される。本実施形態においてこの延伸多孔質ＰＴＦＥフィルムの膜厚は、１〜１００μｍ、好ましくは３〜３０μｍで、孔径は０．０５〜５μｍ、好ましくは０．５〜２μｍで、空隙率は６０％〜９８％、好ましくは８０〜９２％である。膜厚が薄すぎると短絡やクロスオーバ現象が発生しやすくなる。また孔径が小さすぎると高分子固体電解質樹脂の含浸が困難となり、大きすぎると高分子固体電解質樹脂の保持力が弱くなり、また補強効果も弱くなる。そして、空隙率が小さすぎると高分子固体電解質膜としての抵抗が大きくなり、大きすぎると一般にＰＴＦＥ自体の強度が弱くなり補強効果が得られない。

アノード電極３およびカソード電極４は、メタノールの分解のための触媒を担持したカーボン触媒電極膜から構成される。ここで、触媒としては、例えば白金等が採用できる。なお、アノード電極３側では、メタノールと触媒との反応により発生する中間生成物である一酸化炭素ＣＯの被毒を防止するため、少なくともアノード電極３側の触媒には、白金およびルテニウムの合金等を採用することがより好ましい。
ここで、高分子固体電解質膜２、アノード電極３、およびカソード電極４は、一体的に形成されて膜電極接合体２０が構成されている。

燃料拡散層５および空気拡散層６は、メッシュの金属フォーム（例えばスチールウール等）からなる多孔性膜であり、供給される燃料および酸素をそれぞれ拡散してアノード電極３およびカソード電極４に導く。なお、これら燃料拡散層５および空気拡散層６は、それぞれ、アルミニウム、ステンレス鋼等であってもよく、またスポンジチタン等の多孔性金属材料、カーボンペーパ紙にカーボンを担持したものやカーボンクロス等であってもよい。

このような燃料電池１を稼動するにあたっては、メタノール水溶液の供給手段を含んだ燃料電池システム１００を構築する必要がある。
図１に示した燃料電池システム１００は、前述の燃料電池１と、燃料室３１に供給されるメタノールを収納するメタノールタンク１０１と、メタノールを所定の濃度に希釈し、燃料室３１での反応に供するための水としての純水を収納する純水タンク１０２と、メタノールおよび純水を混合するミキサ１０３と、ミキサ１０３で混合されたメタノール水溶液を燃料室３１に送液するポンプ１０４と、メタノールおよび純水の供給動作を制御する供給制御手段１０５と、外部負荷１０８に流れる電流を計測する電流計測手段１０６と、燃料室３１から排出される廃液を収納する廃液タンク１０７とを備えている。

メタノールタンク１０１および純水タンク１０２は、燃料室３１への流路が開閉可能なバルブ１０１Ａ，１０２Ａを備えている。これらのバルブ１０１Ａ，１０２Ａは、供給制御手段１０５に電気的に接続されており、供給制御手段１０５からの指令によりそれぞれ個別に開閉可能となっており、その開度も調整可能となっている。
ミキサ１０３はメタノールタンク１０１からのメタノールと、純水タンク１０２からの純水とを混合し、メタノールが均一に分散されたメタノール水溶液を作成する混合手段となっている。なお、メタノールのみ、または純水のみを燃料室３１に供給する場合には、ミキサ１０３は一種類の液体を通過させるのみとなる。
ポンプ１０４は、ミキサ１０３を単に通過したメタノール、純水、またはミキサ１０３で混合されたメタノール水溶液を燃料室３１に送液する。このポンプ１０４は、供給制御手段１０５に電気的に接続されており、供給制御手段１０５からの送液指令信号によりＯＮ，ＯＦＦが制御される。

ここで、本実施形態ではメタノールタンク１０１、バルブ１０１Ａ、およびポンプ１０４を含んで本発明のメタノール供給手段が構成されており、また純水タンク１０２、バルブ１０２Ａ、およびポンプ１０４を含んで本発明の水供給手段が構成されている。
なお、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２は、一体のケースの内部が仕切られて形成されている構成であることが好ましく、例えばいわゆるカートリッジ方式で、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２が同時に簡単に交換可能な構造であることが望ましい。

供給制御手段１０５は、燃料電池１と外部負荷１０８の間にある電流計測手段１０６からの電流値を示す信号が所定値Ｍ以下になると、燃料室３１内で消費されているメタノール量を計算して、メタノール供給手段および水供給手段を制御する。
ここで、電流値の所定値Ｍは、燃料室３１内でのメタノールと触媒との反応効率が良好となり、かつ高分子固体電解質膜２のクロスオーバが確実に防止されるメタノールの濃度範囲に対応して設定されることが好ましく、燃料電池１の容量、高分子固体電解質膜２の材質、性能などを勘案して適宜設定される。適切なメタノールの濃度は、例えば３％〜５％または１mol/l〜８mol/lの範囲内である。
また、供給制御手段１０５は、所定時間ｔ１毎に燃料室３１内のメタノール水溶液を純水と交換するために、液体交換用タイマ（図示せず）を内蔵している。所定時間ｔ１は、燃料室３１内でメタノールと水との反応により生成される、例えば蟻酸、ホルムアルデヒド、一酸化炭素等の副生成物が蓄積することにより反応効率が所定値以上低下しないように設定されることが好ましく、燃料電池１や燃料室３１の容量、負荷、使用時間、廃液タンク１０７の容量等を勘案して適宜設定され、例えば１０分〜１時間の間などに設定される。

電流計測手段１０６は、外部負荷１０８に流れる電流を計測するものである。
図２に、燃料電池１の＋極（カソード電極）側に、シャント抵抗１０９を直列にして外部負荷１０８に接続した例を示した。
外部負荷１０８の駆動時にシャント抵抗１０９の両端の電位降下量（電位差）を測定し、V／Rを電流値として出力する。この電流への変換は、電流計測手段１０６中で行ってもよいし、電位差を出力して、供給制御手段１０５で電流値への変換処理を行ってもよい。
シャント抵抗１０９の大きさは、１Ω以下が好ましく、０．０１〜０．０５Ωが好ましい。

廃液タンク１０７は、燃料室３１から排出された廃液を収納する。この廃液タンク１０７は、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２とは別に設けられて個別に交換可能に設けられていてもよい。また、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２に一体的に形成されていてもよい。この場合には、予めメタノールタンク１０１および純水タンク１０２を使い切って交換する際に、廃液タンク１０７も同時に交換可能となるので、交換操作が簡便となり取扱性が向上する。

次に、このような燃料電池システム１００の動作について説明する。
図３は、燃料電池システム１００の動作を示すフローチャートである。この図３に示されるように、まず、燃料電池システム１００の起動時には、ステップＳ１において、供給制御手段１０５から出力される初期メタノール水溶液供給指令により、燃料室３１にメタノール水溶液を充満させる。この指令信号により、バルブ１０１Ａ，１０２Ａが開き、メタノールおよび純水がそれぞれ送液される。このとき、バルブ１０１Ａ，１０２Ａの開度は、メタノール水溶液の濃度が適正な値となるように、あらかじめ設定されている。メタノールおよび純水は、ミキサ１０３によって均一に混合され、ポンプ１０４で燃料室３１に供給される。ここで、メタノール水溶液は、循環させずに供給されるだけである。

燃料室３１では、メタノール水溶液がアノード電極３の触媒によって下記の式(１)の酸化反応を生じ、この反応により二酸化炭素ＣＯ_２とプロトンＨ^＋と電子ｅ⁻とを生成する。
ここで、メタノール１個に対して電子は６個発生するので、消費されているメタノール量は、電流計測手段１０６で計測された電流値から換算できる。また、反応が進むにつれてメタノールと水は消費され、水溶液が減少するとともに水溶液のメタノール濃度も変化する。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …(１)
プロトンＨ^＋は、高分子固体電解質膜２を透過してカソード電極４側に移動することにより、集電体７，８の両端に電圧が生じる。プロトンＨ^＋がカソード電極４側に到達すると、外部負荷を通って仕事をした後にカソード電極４に到達した電子ｅ⁻とがカソード電極４の触媒によって空気室４１内の空気中の酸素Ｏ_２と反応して式(２)の還元反応が生じる。
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …(２)
アノード電極３側で生成された二酸化炭素ＣＯ_２は、外部に排出される。また、カソード電極４側で生成された水は、水蒸気として排出される。

図３のステップＳ２において、供給制御手段１０５は、内蔵される液体交換用タイマで所定時間ｔ１を経過したか否かを判断する。所定時間ｔ１を経過していない場合には、ステップＳ３に進み、電流計測手段１０６で電流値を計測する。電流計測手段１０６は、外部負荷１０８に流れる電流値を計測し、その検出信号を供給制御手段１０５に出力する。
供給制御手段１０５は、図３のステップＳ４において、電流計測手段１０６からの検出信号に基づく電流値が所定値Ｍ以上であるか否かを判断する。電流量が所定値Ｍ以上の場合には、アノード電極側のメタノール水溶液の濃度も所定範囲以下でないのでステップＳ２に戻る。

一方、ステップＳ４において、電流値が所定値Ｍより小さい場合には、アノード電極側のメタノール水溶液の濃度も所定範囲以下になったことを示すので、ステップＳ５に進み、供給制御手段１０５は、バルブ１０１Ａおよびポンプ１０４にメタノール供給指令を出力する。このメタノール供給指令により、バルブ１０１Ａが開き、ポンプ１０４が駆動し、メタノールタンク１０１からメタノールがミキサ１０３およびポンプ１０４を介して燃料室３１に供給される。供給制御手段１０５は、ステップＳ６およびステップＳ７で外部負荷１０８に流れる電流値を監視し、電流値が所定値Ｍ以上になったときに、ステップＳ８に進みメタノール供給停止指令を出力することで、バルブ１０１Ａを閉じ、ポンプ１０４を停止してステップＳ２に戻る。この動作により、燃料室３１へのメタノールの供給が停止し、燃料室３１内のメタノール水溶液のメタノール濃度は、適正な範囲内に維持される。

ここで、本実施形態では、燃料室３１内のメタノール水溶液を循環させていないため、メタノールと水とを長時間反応させると、蟻酸、ホルムアルデヒド、一酸化炭素などの中間生成物が蓄積する。
そこでステップＳ２において、所定時間ｔ１が経過したと判断された場合には、ステップＳ９に進み、供給制御手段１０５は液体交換指令信号をバルブ１０２Ａおよびポンプ１０４に出力する。この液体交換指令信号により、純水タンク１０２から純水がミキサ１０３およびポンプ１０４を介して燃料室３１に供給される。燃料室３１に充填されているメタノール水溶液および微量の中間生成物は、純水に押し出されて排出され、廃液として廃液タンク１０７に収納される。
所定量の純水の供給が終了すると、供給制御手段１０５はステップＳ１０において、内蔵された液体交換用タイマをリセットし、ステップＳ３に進む。

以上のサイクルを繰り返すことにより、燃料室３１に必要なメタノールおよび／または純水を供給し、燃料室３１内のメタノール濃度を適正範囲内に維持する。また、メタノールタンク１０１内のメタノールおよび純水タンク１０２内の純水がなくなった場合には、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２にそれぞれメタノールおよび純水を追加するか、またはメタノールタンク１０１および純水タンク１０２ごと交換すればよい。同様に、廃液タンク１０７に所定量以上の廃液が収納された場合には、廃液タンク１０７内の廃液を廃棄するか、または廃液タンク１０７ごと交換すればよい。

このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）燃料電池１のアノード電極３側のメタノール濃度を調整するための供給制御手段１０５は、燃料電池１に接続された外部負荷１０８に流れる電流値に基づいて供給制御を行う。この電流値は、アノード電極３側で消費されたメタノールの量に応じて定率発生する電子の流れであり、消費されたメタノール量を反映している。従って、この電流値に基づいた適正なメタノールの量を供給でき、これによりアノード電極３側では常に所定範囲内のメタノール濃度が得られるため、アノード電極３側では、メタノールと水との反応が進んでも、メタノール水溶液中のメタノール濃度が低下したりせず、反応効率の低下が防止されて、反応効率を良好にできる。
また、必要な時に必要な量のメタノールを供給する供給制御なので、メタノール水溶液を常に循環させる必要もなく、小型化や省電力化を図かることができる。
さらに、電流値の計測は、もともと存在する構成要素（ＭＥＡ）を流用して行うので、濃度センサ等の部品を別途用意する必要もなく、燃料電池システム１００の構成が簡単になり、小型化も可能にできる。

（２）供給制御手段１０５が、燃料電池１に接続された外部負荷１０８に流れる電流値が所定値Ｍ以下である時にメタノールまたはメタノール水溶液の供給を行うので、アノード電極３側のメタノール濃度が適正範囲外に低下せず、良好な反応効率を維持できる。これにより、長時間にわたって燃料電池システム１００を使用した場合でも、良好な反応効率を維持できる。

（３）供給制御手段１０５が所定時間毎に液体交換指令を出力するので、メタノールと水との反応の途中で生成された副生成物を排除でき、反応効率を長時間にわたって維持できる。

（４）本実施形態の燃料電池１または燃料電池システム１００は、小型化や省電力化を促進できるので、例えば携帯電話やノートパソコンなどの携帯機器、車、その他任意の装置に適用できる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、電流計測手段１０６にシャント抵抗１０９を利用していたが、本発明では、ＯＰ１１０（Operational Amplifiers）を用いる方法であってもよい。
図４に接続例を示した。外部負荷１０８の−側電極（通常グランド）からＩ−Ｖ変換抵抗Ｒ１１１とＯＰ１１０とを接続し、出力電圧Ｖを測定する。電流値ｉは、Ｖ／Ｒとして求められる。

その他の電流を計測する方法としては、外部負荷１０８の両極間の電圧Ｖ（図５に図示）を測定して、電圧から電流を推測する方法であってもよい。燃料電池１のＶ−Ｉ特性は既知であるので、駆動時の外部負荷１０８も既知の場合、最適な電流値に対する最適な電圧値Ｖcal（計算された最適値）の値は予測できる。燃料電池１の状態が適正かどうかは、実際に計測される電圧ＶとＶcalを比較することで知ることができ、それらから電流値が換算できる。

水供給手段は、純水タンクに収納された純水のみを使用するものに限らない。つまり、例えば燃料電池のカソード側では反応により純水が生成されるので、これを再利用してもよい。カソード電極側の空気室と純水タンクとを接続して、空気室で水蒸気の状態で生成される純水を回収して純水タンクに戻し、燃料室に供給する純水として再利用すればよい。このような構成によれば、より純水タンクに収納する純水をより少なくすることができ、また反対に、所定量の純水でより長時間稼働でき、燃料電池システムの寿命が長くなる。

アノード電極側で反応が終わった液体は、殆どが水であるので、この液体を廃液タンクに収納せず純水タンクに戻してもよい。この場合には、反応が終わった液体には若干の副生成物や未反応のメタノールなどが含まれているが、ごく微量であるので、これらの副生成物等による燃料室での反応効率に悪影響がない範囲であれば純水のリサイクルを可能にできる。これにより、純水タンクの全体の容量をさらに小さくすることができ、燃料電池システムの寿命をより長くできる。

供給制御手段は、アノード電極側燃料室にメタノールの原液を供給する制御を行うものに限らず、例えばアノード電極側燃料室に所定濃度のメタノール水溶液を供給してアノード電極側燃料室内のメタノール水溶液の濃度を所定範囲内に維持する制御を行うように構成してもよい。この場合には、メタノールが予め水にある程度分散されているため、燃料室内でメタノールがより均一に分散し易く、アノード電極での反応が良好となる。

また、アノード電極側燃料室に供給するメタノール水溶液は、一定濃度のものに限らず、例えば燃料電池システムを、メタノール水溶液の濃度を調節可能に構成して、アノード電極側燃料室内の所定範囲内から外れたメタノール濃度を修正できる濃度のメタノール水溶液を供給してもよい。この場合には、メタノールタンクのバルブおよび純水タンクのバルブを開度調整可能にし、供給制御手段によってこれらのバルブの開度をそれぞれ調整すればよい。

さらに、供給制御手段は、計測された電流値が所定値より小さくなった場合にメタノールまたはメタノール水溶液を供給する制御を行うほか、例えば電流値が所定値以上となった場合には、水のみを供給して希釈する制御を行ってもよい。

供給制御手段は、計測された電流値が予め設定された所定値より小さい場合にメタノールを供給する下限値としての設定値のみを有するものに限らず、例えば電流値の設定値を上限値および下限値を有する所定範囲とし、計測される電流値がこの所定範囲内となるようにメタノール原液またはメタノール水溶液の供給量を制御してもよい。この場合には、例えば電流値が所定範囲の下限値以下となったときにメタノールの供給を開始し、所定範囲の上限値以上となったときにメタノールの供給を停止すればよい。このような制御によれば、電流値の設定に幅があるので、メタノール供給の頻度が少なくなり、制御が安定する。

さらに、供給制御手段は、メタノールを供給している間電流値を監視し、電流値が所定値以上となったときに供給を停止する、いわゆるフィードバック制御を行うものに限らず、例えば電流値が所定値より小さくなった場合には、予め設定された所定量のメタノールまたはメタノール水溶液を供給するフィードフォワード制御を行ってもよい。この場合には、メタノールの供給中に電流値を監視する必要がないので、供給制御手段による制御がより簡単になる。

電流計測手段による電流値の検出は、常時行うものに限らず、例えば所定時間毎に検出してもよい。この場合には、常に電流値の検出を行う場合に比べて検出のために消費される電力を削減でき、燃料電池システムの省電力化を促進できる。

アノード電極側燃料室のメタノール量検出手段としては電流計測手段を用いて、別途ミキサ内の濃度を監視するのには、例えばメタノール濃度検出手段である濃度センサなどを用い、システムとして複数の検出手段を組み合わせて構成してもよい。この場合には、複数の検出信号から複合的にメタノールの量を検知できるので、より正確なメタノール量の制御を行える。

本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

本発明の実施形態にかかる燃料電池システムを示す概念構成図。 電流計測手段を表す概念図。 燃料電池システムの動作を表すフローチャート図。 電流計測手段を表す概念図。 電流計測手段を表す概念図。

符号の説明

１…燃料電池、２…高分子固体電解質膜、３…アノード電極、４…カソード電極、５…燃料拡散層、６…空気拡散層、７，８…集電体、３１…燃料室、４１…空気室、１００…燃料電池システム、１０１…メタノールタンク（メタノール供給手段）、１０１Ａ，１０２Ａ…バルブ、１０２…純水タンク（水供給手段）、１０３…ミキサ、１０４…ポンプ、１０５…供給制御手段、１０６…電流計測手段、１０８…外部負荷。

Claims (4)

1. プロトン伝導性を有する高分子固体電解質膜と、この高分子固体電解質膜の両側にそれぞれ設けられるアノード電極およびカソード電極とを備える燃料電池と、
   前記アノード電極側にメタノールを供給するメタノール供給手段と、
   前記アノード電極側に水を供給する水供給手段と、
   前記燃料電池に接続された外部負荷に流れる電流を検出する電流計測手段と、
   前記アノード電極側のメタノール濃度が所定範囲内となるように前記メタノール供給手段および前記水供給手段を制御する供給制御手段とを備え、
   前記供給制御手段は、前記電流計測手段の結果に基づいて前記メタノール供給手段および前記水供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記供給制御手段は、前記外部負荷に流れる電流値が所定値以下であるとき、前記メタノール供給手段および前記水供給手段を制御して前記アノード電極側にメタノールまたはメタノール水溶液を供給する制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記供給制御手段は、所定時間毎に前記水供給手段からの水を前記アノード電極側に供給して前記アノード電極側の液体を水と入れ替える液体交換指令を出力することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムを備えたことを特徴とする装置。
   

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