JP2009054546A - 燃料電池装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】最適な燃料濃度を設定し、安定した運転および出力電力を向上を図ることが可能な燃料電池装置の駆動方法を提供する。
【解決手段】燃料電池装置の駆動方法であって、濃度検出部３１により検出された燃料濃度と予め決められた所望の燃料濃度との差から燃料不足量を算出し、温度検出部１８によって検出された起電部１２の温度と、制御部１６により測定された起電部の負荷電流とに基づいて起電部の発電効率を求める。起電部の出力と求められた発電効率とから、起電部により発電で消費される燃料の消費量を算出し、算出された燃料不足量と算出された燃料の消費量との合計に相当する燃料を、供給部により混合タンク２８に補充し、起電部に供給される燃料の濃度を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子機器等に電流を供給する燃料電池装置の駆動方法に関する。

現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣと称する）、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。

通常、ＤＭＦＣは、メタノールが収容された燃料タンク、メタノールを起電部に圧送する送液ポンプ、および起電部に空気を供給する送気ポンプ等を備えている。起電部はそれぞれアノードおよびカソードを有した複数の単セルを積層したセルスタックを備え、アノード側にメタノールを、カソード側に空気を供給することにより、化学反応によって発電を行う。発電に伴う反応生成物として、起電部のアノード側には未反応のメタノールおよび炭酸ガスが発生し、カソード側には水が発生する。反応生成物である水は蒸気となって排気される。

上記構成の燃料電池は、排気ガスがクリーンな電池として開発されているが、システム異常が生じた場合には、未反応のメタノールや過度の二酸化炭素、あるいは、中間生成物の蟻酸やホルムアルデヒド等が排気される可能性も考えられる。そのため、燃料電池では、安定した運転を行うため、その発電電力、セルスタックの温度を計測しながら、最適な濃度に制御された燃料を起電部に供給する必要がある。

例えば、特許文献１に開示された燃料電池システムは、ＤＭＦＣ発電部の温度上昇に伴い、メタノール水溶液濃度及び、発電部の電圧を低下させる濃度・電圧制御機構を備えている。そして、設定した濃度に対して不足するメタノールを供給することに加えて、過去の所定時間の間に消費されたメタノール量をスタックの出力および一定の燃料消費係数から推定して、補充するメタノール量を補正する方法が提案されている。
特開２００６−２８６２３９号公報

しかし、一般的にＤＭＦＣの発電効率は、スタック温度や負荷電流の変化に対して一定でなく、ある温度や負荷電流で極大値をとり、そこから離れるほど効率が低下する特性を示す。そのため、ＤＭＦＣシステムの起動時や、周囲環境の変動、電子機器の消費電力の変動等によりＤＭＦＣシステムの状態、特にスタック温度と負荷電流が変動すると、従来の燃料消費係数一定、つまり発電効率を一定とみなす濃度制御ではアノードを循環するメタノール水溶液の濃度が不安定になり、ＤＭＦＣシステムの安定性に影響を与える。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、最適な量の燃料を補充して適切な燃料濃度を設定し、安定した運転および出力電力を向上を図ることが可能な燃料電池装置の駆動方法を提供することにある。

上記課題を達成するため、この発明の態様に係る燃料電池装置の駆動方法は、アノードおよびカソードを有し、アノードに供給された燃料およびカソードに供給された空気の化学反応により発電する起電部と、接続される電子機機器の負荷電流に応じて前記起電部から前記電子機器に出力する制御部と、前記アノードに供給される燃料が収容された混合タンクと、前記混合タンクから供給された燃料を前記起電部のアノード側を通して流す燃料流路と、前記カソードを通して空気を流す空気流路と、前記混合タンクに補充される燃料を収容した補充容器と、前記補充容器の燃料を前記混合タンクに供給する燃料供給部と、前記混合タンクと前記起電部との間で前記燃料流路に設けられ、前記燃料流路を流れる燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度検出部と、前記起電部の温度を検出する温度検出部と、を備えた燃料電池装置の駆動方法であって、
前記濃度検出部により検出された燃料濃度と予め決められた所望の燃料濃度との差から燃料不足量を算出し、前記温度検出部によって検出された前記起電部の温度と、前記制御部により測定された前記負荷電流とに基づいて前記起電部の発電効率を求め、前記起電部の出力と前記求められた発電効率とから、前記起電部により発電で消費される燃料の消費量を算出し、前記算出された燃料不足量と前記算出された燃料の消費量との合計に相当する燃料を、前記供給部により前記混合タンクに補充し、前記起電部に供給される燃料の濃度を制御する。

上記構成によれば、最適な量の燃料を補充して適切な燃料濃度を設定し、安定した運転および出力電力の向上を図ることが可能な燃料電池装置の駆動方法を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池装置を概略的に示している。図１に示すように、燃料電池装置１０は、メタノールを液体燃料としたＤＭＦＣとして構成されている。燃料電池装置１０は、起電部を構成したセルスタック１２、燃料タンク１４、およびセルスタックに燃料および空気を供給する循環系２０、燃料電池装置全体の動作を制御する電池制御部１６を備えている。電池制御部１６はマイコン（ＣＰＵ）等を有し、セルスタック１２に電気的に接続されている。そして、電池制御部１６は、セルスタック１２で発生した電力をノートＰＣ、携帯電話機等の電子機器１７に供給する。電池制御部１６は、同時、セルスタック１２の出力電力および電子機器１７からセルスタック１２への負荷電流を測定している。

燃料タンク１４は密閉構造を有し、その内部には液体燃料として高濃度のメタノールが収容されている。燃料タンク１４は、燃料電池装置１０に対して脱着自在な燃料カートリッジとして形成してもよい。

循環系２０は、燃料タンク１４の燃料供給口から供給された燃料をセルスタック１２を通して流すアノード流路（燃料流路）２２、およびセルスタック１２を通して空気を含む気体を流通させるカソード流路（気体流路）２４、アノード流路内およびカソード流路に設けられた複数の補機を有している。アノード流路２２およびカソード流路２４は、それぞれ配管等によって形成されている。

セルスタック１２の複数の単セルを積層して構成されている。図２は各単セルの発電反応を模式的に示している。各単セル１４０は、それぞれ触媒層とカーボンペーパとで構成されたほぼ矩形板状のカソード（空気極）６６およびアノード（燃料極）６７、これらカソード、アノード間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜１４４とを一体化した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。高分子電解質膜１４４は、アノード６７およびカソード６６よりも大きな面積に形成されている。

供給された燃料および空気は、アノード６７とカソード６６との間に設けられた電解質膜１４４で化学反応し、これにより、アノードとカソードとの間に電力が発生する。セルスタック１２で発生した電力は、電池制御部１６を介して電子機器１７に供給される。

図１に示すように、セルスタック１２には、セルスタックの温度を検出する温度センサ１８が取り付けられている。この温度センサ１８は電池制御部１６に電気的に接続され、検出したセルスタック１２の温度を電池制御部１６に出力する。

図１に示すように、アノード流路２２には、燃料供給部として機能する燃料ポンプ２６が接続されている。この燃料ポンプ２６は、燃料タンク１４の燃料供給口に配管接続されている。燃料ポンプ２６は電池制御部１６により駆動電圧あるいは回転数が制御され、アノード流路２２および後述の混合タンク２８に供給する高濃度燃料の流量を調整する。

アノード流路２２には、燃料の濃度を調整する混合タンク２８が配設され、燃料ポンプの出力部に配管を介して接続されている。アノード流路２２において、混合タンクとセルスタック１２との間には送液ポンプ３０が設けられ、混合タンク２８の出力部に接続されている。送液ポンプ３０の出力部はアノード流路２２を介してセルスタック１２のアノード６７に接続されている。これにより、送液ポンプ３０は、混合タンク２８から供給されたメタノール水溶液をアノード６７に供給する。

アノード流路２２において、混合タンク２８と送液ポンプ３０との間には濃度センサ３１が設けられている。濃度センサ３１は、混合タンク２８からセルスタック１２に供給される液体燃料の濃度を検出し、検出したデータを電池制御部１６に出力する。

セルスタック１２のアノード６７の出力部はアノード流路２２を通して混合タンク２８の入力部に接続されている。セルスタック１２の出力部と混合タンク２８との間でアノード流路２２には気液分離器３２が設けられている。アノード６７から排出される排出流体、つまり化学反応に用いられなかった未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む気液２相流は、気液分離器３２に送られ、ここで、二酸化炭素が分離される。分離されたメタノール水溶液はアノード流路２２を通して混合タンク２８に戻され、再度、アノード６７へ供給される。気液分離器３２により分離された二酸化炭素は、図示しない浄化フィルタを通して外気に排気される。

一方、カソード流路２４の吸気口２４ａおよび排気口２４ｂは、それぞれ大気に連通している。カソード流路２４に設けられた補機は、セルスタック１２の上流側でカソード流路２４の吸気口２４ａ近傍に設けられたエアフィルタ４０、セルスタック１２とエアフィルタとの間でカソード流路に接続された送気ポンプ４２、セルスタック１２の下流側でセルスタックと排気口２４ｂとの間に設けられた排気フィルタ４４を含んでいる。

送気ポンプ４２を作動させることにより、吸気口２４ａから空気がカソード流路２４に給気される。給気された空気は、エアフィルタ４０を通過した後、送気ポンプからセルスタック１２のカソード６６に給気され、ここで、空気中の酸素が発電に利用される。カソード６６から排出された空気は、カソード流路２４および排気フィルタ４４を通り、排気口２４ｂから大気に排出される。

エアフィルタ４０は、カソード流路２４に吸い込まれた空気中のゴミ、および二酸化炭素、蟻酸、燃料ガス、蟻酸メチル、ホルムアルデヒド等の不純物、有害物質等を捕獲し除去する。排気フィルタ４４は、カソード流路２４から外部へ排気される気体中の副生成物を無害化するとともに、排気中の含まれている燃料ガス等を捕獲する。

上記のように構成された燃料電池装置１０を電子機器１７の電源として動作させる場合、電池制御部１６の制御の下、燃料ポンプ２６、送液ポンプ３０および送気ポンプ４２を作動させるとともに、各開閉弁を開放する。燃料ポンプ２６により、燃料タンク１４から混合タンク２８へメタノールが供給され、混合タンク内で水と混合され所望濃度のメタノール水溶液が形成される。また、送液ポンプ３０により、混合タンク２８内のメタノール水溶液がアノード流路２２を通してセルスタック１２のアノード６７に供給される。

送気ポンプ８０により、カソード流路２４の吸気口２４ａからカソード流路内に外気、つまり、空気が吸い込まれる。この空気はエアフィルタ４０を通り、ここで、空気中のゴミ、不純物が除去される。エアフィルタ４０を通過した後、空気はセルスタック１２のカソード６６へ供給される。

セルスタック１２に供給されたメタノールおよび空気は、アノード６７とカソード６６との間に設けられた電解質膜１４４で電気化学反応し、これにより、アノード６７とカソード６６との間に電力が発生する。セルスタック１２で発生した電力は、電池制御部１６を介して電子機器１７へ供給される。

電気化学反応に伴い、セルスタック１２には反応生成物として、アノード６７側に二酸化炭素、カソード６６側に水が生成される。アノード６７側に生じた二酸化炭素および化学反応に供されなかった未反応メタノール水溶液はアノード流路２２を通して気液分離器３２に送られ、ここで、二酸化炭素とメタノール水溶液とに分離される。分離されたメタノール水溶液は、気液分離器３２からアノード流路２２を通して混合タンク２８へ回収され、再度、発電に用いられる。分離された二酸化炭素は、気液分離器３２から大気に排出される。

セルスタック１２のカソード６６側に生じた水は、その大部分が水蒸気となり空気とともにカソード流路２４に排出される。排出された空気および水蒸気を含む気体は、排気フィルタ８２に送られ、ここで、ゴミ、不純物が除去された後、カソード流路２４の排気口２４ｂから外部に排気される。

上述した発電動作の間、電池制御部１６は、温度センサ１８によって検出されたセルスタック１２の温度および電子機器１７の負荷電流に応じて、燃料電池装置の発電効率を算出し、この発電効率に応じて、メタノールの補充量を制御することにより、アノード６７に供給する燃料の濃度の最適化および発電動作の最適化を図っている。

電池制御部１６は、データベースとして、セルスタック１２の温度、負荷電流、および発電効率の関係を示すデータを予め格納している。図３は、セルスタック１２の特性から導き出したスタック温度、負荷電流と発電効率の関係を示すものであり、負荷電流が０．５Ａ、１Ａ、２Ａ、３Ａの時のセルスタック温度と発電効率との関係をそれぞれ示す複数の特性線ａ、ｂ、ｃ、ｄを示している。燃料電池装置の発電効率は、セルスタック温度や負荷電流の変化に対して一定でなく、ある温度や負荷電流で極大値をとり、そこから離れるほど効率が低下する特性を示している。電池制御部１６は、図示しないメモリを有し、このメモリにこれらの特性を基準データとして格納している。また、電池制御部１６は、セルスタック１２の特性に応じた、最適な燃料濃度値を基準値として格納している。

なお、図４に示すように、セルスタック温度と発電効率との関係は、ある関数に基づく変化（３）のほか、段階的な変化（１）、あるいは、線形的な変化（２）により近似してもよい。

以下、燃料電池装置の発電動作において、供給燃料の濃度を最適化する調整方法について詳細に説明する。すなわち、電池制御部１６は、セルスタック温度、負荷電流から燃料電池装置の発電効率を求め、求めた発電効率とスタック出力から、発電で消費されるメタノール量の推定値を算出する。

図５に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、電池制御部１６は、濃度センサ３１により燃料濃度、つまり、メタノール水溶液のメタノール濃度を検出し（ＳＴ１）、検出された燃料濃度と予め決められた所望の燃料濃度との差から燃料不足量Ｍ１を算出する（ＳＴ２）。また、電池制御部１６は、温度センサ１８によりセルスタック１２の温度を検出するとともに、燃料電池装置１０から電力を供給している電子機器１７の負荷電流を測定する（ＳＴ３）。電池制御部１６は、検出されたセルスタック１２の温度および測定された負荷電流と、予め格納されている図３に示す基準データに基づいて、セルスタック１２の発電効率η（％）を求める（ＳＴ４）。

続いて、電池制御部１６は、セルスタック１２の出力を測定し、測定された出力と、求められた発電効率ηとから、セルスタック１２により発電で消費されるメタノールの消費量Ｍ２を算出する（ＳＴ６）。更に、電池制御部１６は、算出された燃料不足量Ｍ１と算出された燃料の消費量Ｍ２との合計（Ｍ１＋Ｍ２）に相当する燃料（メタノール）を、メタノール補充量として算出する（ＳＴ７）。

電池制御部１６は、算出されたメタノール補充量がゼロよりも小さいか否か判断し（ＳＴ８）、ゼロよりも小さい場合、負のメタノール補充量を充填することはできないため、メタノール補充量をゼロとして燃料ポンプ２６を制御する（ＳＴ９）。すなわち、メタノールの補充は行わない。また、ＳＴ８において、算出されたメタノール補充量がゼロよりも大きい場合、電池制御部１６は、燃料ポンプ２６の回転数あるいは駆動電圧を制御することにより、算出されたメタノール補充量に相当するメタノールを燃料タンク１４から混合タンク２８に供給する。これにより、セルスタック１２に供給するメタノール水溶液の濃度を発電に最適な所望の濃度に維持する。

上述した燃料の濃度制御において、セルスタック１２への負荷電流およびセルスタックの出力値は、所定期間の平均値を用いる。この所定期間は、前記濃度制御の制御周期、例えば１秒、よりも長く、メタノール水溶液がアノード流路２２を循環するのに要する時間（例えば、アノード流路２２の容積「ｍｌ」／メタノール水溶液の流量「ｍｌ／ｍｉｎ」）よりも短く設定されている。

上記のように構成された燃料電池装置によれば、セルスタック温度、負荷電流に基づいて発電効率を求め、求めた発電効率とスタック出力から発電で消費されるメタノール量の推定値を算出し、メタノール補充量を補正することで、最適な量のメタノールを補充することができる。従って、燃料電池装置の運転状況、周囲環境の変動、電子機器の消費電力の変動等に応じて、燃料の消費量を正確に算出し、その消費量に相当した量のメタノールを補充することにより、メタノール水溶液の濃度を最適な濃度に安定させ、燃料電池装置の発電動作を安定させることができる。
以上のことから、最適な量の燃料を補充して適切な燃料濃度を設定し、安定した運転および出力電力の向上を図ることが可能な燃料電池装置の駆動方法が得られる。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
燃料電池装置は、電子機器に外部接続する構成に限らず、電子機器内に内蔵されていてもよい。使用する燃料は、メタノールに限らず、アルコール、炭化水素系燃料等を用いてもよい。また、燃料を供給する供給部は、燃料ポンプに限らず、噴射ノズル等の他の機器を用いてもよい。例えば、噴射ノズルを用いた場合、算出された燃料補充量に応じて、噴射回数を制御することにより、所望の燃料濃度を得ることができる。

図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池装置を概略的に示す図。 図２は、前記燃料電池装置のセルスタックを構成する単セルを概略的に示す図。 図３は、燃料電池装置におけるセルスタック温度と、セルスタックへの負荷電流と、発電効率との関係を示す図。 図４は、燃料電池装置におけるセルスタック温度と、セルスタックへの負荷電流と、発電効率との関係を示す図。 図５は、前記燃料電池装置における燃料濃度の最適化動作を示すフローチャート。

符号の説明

１０…燃料電池装置、１２…セルスタック、１４…燃料タンク、１６…電池制御部、
１８…温度センサ、２０…循環系、２２…アノード流路、２４…カソード流路、
２６…燃料ポンプ、３０…送液ポンプ、３１…混合タンク、６６…カソード（空気極）、
６７…アノード（燃料極）

Claims (6)

1. アノードおよびカソードを有し、アノードに供給された燃料およびカソードに供給された空気の化学反応により発電する起電部と、
   接続される電子機機器の負荷電流に応じて前記起電部から前記電子機器に出力する制御部と、
   前記アノードに供給される燃料が収容された混合タンクと、
   前記混合タンクから供給された燃料を前記起電部のアノード側を通して流す燃料流路と、
   前記カソードを通して空気を流す空気流路と、
   前記混合タンクに補充される燃料を収容した補充容器と、
   前記補充容器の燃料を前記混合タンクに供給する燃料供給部と、
   前記混合タンクと前記起電部との間で前記燃料流路に設けられ、前記燃料流路を流れる燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度検出部と、
   前記起電部の温度を検出する温度検出部と、を備えた燃料電池装置の駆動方法であって、
   前記濃度検出部により検出された燃料濃度と予め決められた所望の燃料濃度との差から燃料不足量を算出し、
   前記温度検出部によって検出された前記起電部の温度と、前記制御部により測定された前記負荷電流とに基づいて前記起電部の発電効率を求め、
   前記起電部の出力と前記求められた発電効率とから、前記起電部により発電で消費される燃料の消費量を算出し、
   前記算出された燃料不足量と前記算出された燃料の消費量との合計に相当する燃料を、前記供給部により前記混合タンクに補充し、前記起電部に供給される燃料の濃度を制御する燃料電池装置の駆動方法。
2. 予め保存された起電部の温度、負荷電流、および発電効率の関係を示すデータに基づいて、前記発電効率を算出する請求項１に記載の燃料電池装置の駆動方法。
3. 前記電子機器の負荷電流および前記起電部の出力は、所定期間の平均値を用い、前記所定期間は、前記燃料の濃度の制御周期よりも長く、前記燃料が前記燃料流路を循環するのに要する時間よりも短い請求項１に記載の燃料電池装置の駆動方法。
4. 前記供給部は、燃料ポンプを含み、前記算出された燃料不足量と前記算出された燃料の消費量との合計に応じて、前記燃料ポンプを駆動する請求項１に記載の燃料電池装置の駆動方法。
5. 前記算出された燃料不足量と前記算出された燃料の消費量との合計がゼロよりも小さい場合、これらの合計がゼロとして前記供給部を制御する請求項１に記載の燃料電池装置の駆動方法。
6. 前記燃料として、メタノール、アルコール、炭化水素系燃料のいずれか１つを用いる請求項１に記載の燃料電池装置の駆動方法。

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