JP2005310794A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構造でスタックから発生した電圧を各負荷で要求する既に設定された電圧に分割して各々負荷に直接的に印加することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素と酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる複数の電気生成部を直列に連結するスタックと、水素を含有した燃料を前記電気生成部に供給する燃料供給源と、酸素を前記電気生成部に供給する酸素供給源と、少なくとも一つ以上の電気生成部と電気的に連結される少なくとも一つの分岐部とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくはスタックと負荷との電気的な連結構造を改善した燃料電池システムに関する。
公知の様に、燃料電池はメタノールのような炭化水素系の物質内に含まれている水素と、酸素または酸素を含んだ空気の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。
この燃料電池は使用される電解質の種類によって、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、高分子電解質型またはアルカリ型燃料電池などに分類される。これら各々の燃料電池は根本的に同じ原理によって作動されるが、使用される燃料の種類、運転温度、触媒及び電解質などが互いに異なる。
これらの中で近年開発されている高分子電解質型燃料電池（PEMFC；以下、便宜上PEMFCと言う）は他の燃料電池に比べて出力特性が優れていて、作動温度が低く、同時に速い始動及び応答特性を有し、メタノールまたはエタノールなどを改質して作られた水素を燃料として使用して自動車のような移動用電源はもちろん、住宅、公共建物のような分散用電源及び電子機器用のような小型電源など、その応用範囲が広いという長所を有する。
このようなPEMFCは基本的にシステムを構成するためにスタック、改質装置、燃料タンク、及び燃料ポンプなどを備える。スタックは燃料電池の本体を形成し、燃料ポンプは燃料タンク内の燃料を改質装置に供給する。改質装置は燃料を改質して水素ガスを発生させて、その水素ガスをスタックに供給する。したがって、このPEMFCは燃料ポンプの作動で燃料タンク内の燃料を改質装置に供給し、この改質装置で燃料を改質して水素ガスを発生させて、スタックでこの水素ガスと酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。
このような燃料電池システムにおいて電気を実質的に発生させるスタックは膜-電極アセンブリー（MEA）と、その両面に密着するセパレータからなる単位セルが数個乃至数十個積層された構造を持つ。膜-電極アセンブリーは電解質膜を間に置いてアノード電極とカソード電極が付着された構造を持つ。
そして、セパレータは通常当業系で二極式プレートと称するもので、前記各々の膜-電極アセンブリーを分離して、燃料電池の反応に必要な水素と酸素を膜-電極アセンブリーのアノード電極とカソード電極に供給する通路の役割と、各膜-電極アセンブリーのアノード電極とカソード電極を直列に接続させる伝導体の役割を同時に行う。
したがって、セパレータを通じてアノード電極には水素が供給される反面、カソード電極には酸素が供給される。この過程でアノード電極では水素の酸化反応が起こり、カソード電極では酸素の還元反応が起こって、この時に生成される電子の移動によって電気と熱、そして水分を共に得ることができる。
一方、各々の単位セルではほぼ０．５〜０．７Vの単位電圧を発生させ、これら単位セルが複数個積層されながら直列に連結されることによって、前記スタックでは前記単位電圧と単位セルの積層数の積に相応する電圧を発生させる。そして、この時に発生する電気は別途に設置されたDC-DCコンバータを通じて負荷、例えばラップトップコンピュータまたは移動通信端末機のような電子機器のCPU、ドライバーIC、各種回路素子で要求する任意の電圧に分割して前記各々の負荷に既に設定された電圧を印加する。
しかし、従来の燃料電池システムは全体的なシステムでDC-DCコンバータが占める空間が必要であるためにシステムの大きさをコンパクトに実現することができず、システムの構造が複雑になる問題点があった。また、DC-DCコンバータを駆動させるための別途の寄生電力が要求されるためにシステムの効率を減少させるという問題点があった。
本発明は上述した問題点を勘案したものであってその目的は、簡単な構造でスタックから発生した電圧を各負荷で要求する既に設定された電圧に分割して各々負荷に直接的に印加できる燃料電池システムを提供することにある。
このような目的を達成するために本発明による燃料電池システムは、水素と酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる複数の電気生成部を直列に連結するスタックと、水素を含有した燃料を前記電気生成部に供給する燃料供給源と、酸素を前記電気生成部に供給する酸素供給源と、少なくとも一つ以上の電気生成部と電気的に連結される少なくとも一つの分岐部とを含む。
本発明による燃料電池システムにおいて、前記分岐部はコネクタによって負荷と電気的に連結されるのが好ましい。この場合、前記分岐部は前記複数の電気生成部で発生する全電圧を任意の電圧に分割して負荷に印加させる連結端子を含むことができる。
また、本発明による燃料電池システムは、本システム全体を覆いながら前記分岐部を装着するパッケージング部を含むことができる。
そして本発明による燃料電池システムにおいて、前記燃料供給源は燃料を保存する燃料タンクと、前記燃料タンクに連結設置される燃料ポンプを含み、前記酸素供給源は空気を吸入する空気ポンプを含むことができる。
また、本発明による燃料電池システムは、前記スタックと燃料供給源との間に、前記燃料供給源から供給された燃料を改質して水素ガスを発生させる改質装置が配置されて、前記燃料供給源とスタックに連結設置できる。
本発明による燃料電池システムによれば、スタックから発生する電気を分岐部を通じて各負荷で要求する電圧に分割して各負荷に直接的に印加することができる構造を持つので、従来のようなDC-DCコンバータが必要でなくなって全体的なシステムの構造及び制御プロセスを簡単に実現することができる効果がある。
また、従来のようなDC-DCコンバータを駆動させるための寄生電力を減らしてシステムの効率をさらに向上させることができる効果がある。
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は多様で相異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施例に限定されない。
図１は本発明の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。
図１に示すように、本システム１００は水素を含有した燃料を改質して水素を発生させて、この水素と酸素を反応させて電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池（PEMFC）方式を採用する。
本発明による燃料電池システム１００における電気を生成するための燃料とは、メタノール、エタノールまたは天然ガスのように水素を含有した燃料を意味する。
そして本システム１００は前記水素と反応する酸素を別途の保存手段に保存された純粋な酸素ガスを使用したり、酸素を含有した空気をそのまま使用することができるが、本実施例で空気を使用することを例として説明する。
燃料電池システム１００は基本的に水素を含有した燃料を改質して水素を発生させる改質装置２０と、前記水素と酸素の化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を生産し内はスタック１０と、前記液状の燃料を改質装置２０に供給する燃料供給源３０と、酸素をスタック１０に供給する酸素供給源４０を含んで構成される。
代案として、本発明による燃料電池システム１００は液状の燃料を直接スタック１０に供給して電気を生産し出す直接酸化型燃料電池方式を採用することもできる。このような直接酸化型燃料方式の燃料電池は前記のような高分子電解質型燃料電池とは異なって、図１に示した改質装置２０が排除された構造を持つ。しかし、以下では高分子電解質型燃料電池方式を採用した燃料電池システム１００を例に挙げて説明するが、本発明が必ずこれに限られるわけではない。
前述した改質装置２０は熱エネルギーによる化学触媒反応によって液状の燃料から水素を発生させるだけでなく、前記水素に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる通常の改質装置の構造を持つ。詳しくは、前記改質装置２０は水蒸気改質、部分酸化または自熱反応などの触媒反応によって前記燃料から水素ガスを発生させる。そして前記改質装置２０は水素ガス転換方法、選択的酸化方法などのような触媒反応または分離膜を利用した水素の精製などのような方法で改質ガスから一酸化炭素の濃度を低減させる。
前記燃料供給源３０は液状の燃料を保存する燃料タンク３１と、燃料タンク３１に連結設置される燃料ポンプ３３を含む。この時、前記燃料タンク３１と改質装置２０は第１供給ライン８１によって連結できる。
そして前記酸素供給源４０は所定のポンピング力で空気を吸入する空気ポンプ４１を含むことができる。この時、前記空気ポンプ４１とスタック１０は第２供給ライン８２によって連結できる。
図２は図１に示したスタック構造を示した分解斜視図である。
図１及び図２に示すように、本システム１００に適用されるスタック１０は改質装置２０によって生成された水素と空気中に含まれている酸素の酸化/還元反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部１１を含む。
各々の電気生成部１１は膜-電極アセンブリー１２を中心に置いてその両面にセパレータ１６を配置して電気を発生させる最少単位のセルを形成し、この単位セルが複数個備えられて本実施例のような積層構造のスタック１０を形成する。そしてスタック１０の最外郭には前記複数の電気生成部１１を密着させる別途の加圧プレート１３を設置することもできる。
しかし、本実実例によるスタック１０は前記加圧プレート１３を排除して、電気生成部１１の最外郭に位置するセパレータ１６が前記加圧プレートの役割をするように構成することもできる。また、加圧プレート１３が複数の電気生成部１１を密着させる機能の他に、次に説明するセパレータ１６の固有な機能を有するように構成することもできる。
膜-電極アセンブリー１２は両面にアノード電極とカソード電極を備えて、二つの電極の間に電解質膜を備えた構造からなっている。
ここで、アノード電極はセパレータ１６を通じて改質ガスの供給を受ける部分であって、改質ガスを電子と水素イオンに分離する触媒層と、電子と改質ガスの円滑な移動のための気体拡散層（GDL）で構成される。
カソード電極はセパレータ１８を通じて空気の供給を受ける部分であって、アノード電極側から受けた電子、水素イオン及び空気中の酸素を反応させて水を生成する触媒層と、酸素の円滑な移動のための気体拡散層で構成される。
そして、電解質膜はアノード電極の触媒層で生成された水素イオンをカソード電極の触媒層に移動させるイオン交換を可能にする。
セパレータ１６は膜-電極アセンブリー１２の酸化/還元反応に必要な水素ガスと空気をアノード電極とカソード電極に供給する通路の機能を有し、各々の電気生成部１１で発生する電流を直列に接続させる伝導体の機能も有する。より具体的に、セパレータ１６は膜-電極アセンブリー１２のアノード電極に密着される面にアノード電極に水素ガスを供給するための水素通路を形成し、膜-電極アセンブリー１２のカソード電極に密着される面にカソード電極に空気を供給するための空気通路を形成する流路チャンネル１７を備えている。
そして前記加圧プレート１３には水素ガスをセパレータ１６の水素通路に供給するための第１注入部１３aと、空気をセパレータ１６の空気通路に供給するための第２注入部１３bと、膜-電極アセンブリー１２のアノード電極で反応して残った水素ガスを排出させるための第１排出部１３cと、膜-電極アセンブリー１２のカソード電極で水素と酸素の結合反応によって生成された水分と水素と反応して残った空気を排出させるための第２排出部１３dを形成している。ここで、第１注入部１３aは第３供給ライン８３を通じて改質装置２０と連結設置することができる。そして第２注入部１３bは前述した第２供給ライン８２を通じて空気ポンプ４１と連結設置できる。
図１に示すように、前記のような構造を持つ燃料電池システム１００を作用する時、各々の電気生成部１１ではほぼ０．５〜０．７Vの単位電圧を発生させて、これら複数の電気生成部１１が積層されて直列に連結されることによって、前記スタック１０では前記単位電圧と電気生成部１１の積層数の積に相応する全電圧を発生させる。
その結果、本発明の実施例による燃料電池システム１００はDC-DCコンバータを通じてスタック１０から発生する全電圧を複数の負荷で各々要求する任意の電圧に分割して前記各々の負荷に既に設定された電圧を印加する従来とは異なって、少なくとも一つ以上の電気生成部１１を前記各々の負荷と電気的に連結して前記各々の負荷に既に設定された電圧を直接的に印加する構造を持つ。
このために前記燃料電池システム１００は少なくとも一つ以上の電気生成部１１と電気的に連結されて前記各々の負荷で要求する任意の電圧が印加できる少なくとも一つの分岐部５０を含んでいる。
図３は図１に示した分岐部と本発明の燃料電池システムを採用する電子機器の結合構造を示した概略図であり、図４は本発明の実施例による燃料電池システムの外観構造を示した斜視図である。
図３及び図４に示すように、本発明の実施例による前記分岐部５０は複数の電気生成部１１で発生する全電圧を複数の負荷Lで要求する任意の電圧に分割して前記各々の負荷Lに既に設定された電圧を直接的に印加することができる連結端子５１を含んでいる。ここで、前記負荷Lは本システム１００を採用する小型電子機器９０、例えば、ノートブックコンピュータ、移動通信端末機器のような携帯用電子機器のCPU、ドライバーICまたは前記電子機器９０を駆動させるための各種回路素子含む。
好ましくは、前記連結端子５１は複数の電気生成部１１のうちの少なくとも一つ以上の電気生成部１１と電気的に各々連結される複数の端子ピンPを備えている。より具体的に、前記連結端子５１は各々の端子ピンPと、一つまたは二つ以上の電気生成部１１が電気的に連結されて単一の電気生成部１１で発生する単位電圧または二つ以上の電気生成部１１で発生する各々の単位電圧を組合わせた任意の電圧を、これに相応する電圧を要求する負荷Lに印加するように構成できる。
例えば、前記連結端子５１の端子ピンPが第１，２，３．．．N端子ピンを備え、前記負荷Lが第１，２，３．．．N負荷を備えて各々の電気生成部１１で発生する電圧が０．６Vで、第１負荷で要求する電圧が２.４Vである場合、連結端子５１の第１端子ピンが４ヶ所の電気生成部１１と電気的に連結されて、第１端子ピンが第１負荷に接続される方式で第２，３．．．．N端子ピンを通じて複数の電気生成部１１で発生する全電圧を第２，３．．．．N負荷の各々で要求する任意の電圧に分割して各々の第２，３．．．．N負荷に既に設定された電圧を印加することができる。
そして、前記連結端子５１は本システム１００の全体を覆うパッケージング部６０に装着されて外部に引き出された構造を持ち、電子機器９０の外観ケースに装着される別途のコネクタ７０に雄雌結合する方式で前記各々の負荷Lと電気的に連結できる。
前記のように構成された本発明の実施例による燃料電池システムの動作を詳細に説明する。
まず、本システム１００のパッケージング部６０を通常の携帯用電子機器９０の外観ケースに装着する。この時、パッケージング部６０から引き出された分岐部５０の連結端子５１はパッケージング部６０が電子機器９０の外観ケースに装着される時、前記外観ケースのコネクタ７０に自然に接続される。従って、本システム１００の連結端子５１と電子機器９０の負荷Lはコネクタ７０を通じて連結された状態となる。
このように本システム１００を前記電子機器９０に装着した状態で、燃料ポンプ３３を稼動して燃料タンク３１に保存された液状の燃料を第１供給ライン８１を通じて改質装置２０に供給する。その結果、改質装置２０は一例として熱エネルギーによる水蒸気改質（SR）触媒反応によって前記燃料から水素ガスを発生させ、水性ガス転換（WGS）触媒反応または選択的酸化（PROX）触媒反応によって前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる。
次いで、前記のように一酸化炭素の濃度が低減された水素ガスを第３供給ライン８３を通じてスタック１０の第１注入部１３aに供給する。その結果、前記水素ガスはセパレータ１６の水素通路を通じて膜-電極アセンブリー１２のアノード電極に供給される。
これと同時に、空気ポンプ４１を稼動して空気を第２供給ライン８２を通じてスタック１０の第２注入部１３bに供給する。その結果、空気はセパレータ１６の空気通路を通じて膜-電極アセンブリー１２のカソード電極に供給される。
したがって、アノード電極では酸化反応によって水素ガスを電子とプロトン（水素イオン）に分解する。そしてプロトンが電解質膜を通じてカソード電極に移動し、電子は電解質膜を通じて移動されず、セパレータ１６を通じて隣接する膜-電極アセンブリー１２のカソード電極に移動するが、この時、電子の流れで電流を発生させる。また、カソード電極では前記移動したプロトン及び電子と酸素の還元反応によって水分を生成する。
前記のような一連の動作を通じて各々の電気生成部１１ではほぼ０．５〜０．７Vの単位電圧を有する電気を発生させて、これら電気生成部１１が複数積層されて直列に連結されることによって、前記スタック１０では前記単位電圧と電気生成部１１の積層数の積に相応する電圧を有する電気を発生させる。
したがって、連結端子５１の各端子ピンPが電子機器９０の各負荷Lで要求する電圧を出力するように複数の電気生成部１１のうちの一つまたは二つ以上の電気生成部１１と電気的に連結されて、前記連結端子５１と電子機器９０の各負荷Lがコネクタ７０を通じて連結されているので、前記複数の端子ピンPが複数の電気生成部１１で発生する全電圧を複数の負荷Lの各々で要求する任意の電圧に分割して各々の負荷Lに既に設定された電圧を印加する。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができ、これも本発明の範囲に属する。
本発明の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。 図１に示したスタックの構造を示した分解斜視図である。 図１に示した分岐部と本発明の燃料電池システムを採用する電子機器の結合構造を示した概略図である。 本発明の実施例による燃料電池システムの外観構造を示した斜視図である。
符号の説明
１０ スタック
１１ 電気生成部
１２ 膜-電極アセンブリー
１３ 加圧プレート
１３a 第１注入部
１３b 第２注入部
１３c 第１排出部
１３d 第２排出部
１６、１８ セパレータ
２０ 改質装置
３０ 燃料供給源
３１ 燃料タンク
３３ 燃料ポンプ
４０ 酸素供給源
４１ 空気ポンプ
５０ 分岐部
５１ 連結端子
６０ パッケージング部
７０ コネクタ
８１ 第１供給ライン
８３ 第３供給ライン
９０ 電子機器
１００ 燃料電池システム
L 負荷
P 端子ピン

Claims (9)

  1. 水素と酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる複数の電気生成部を直列に連結するスタックと、
    水素を含有した燃料を前記電気生成部に供給する燃料供給源と、
    酸素を前記電気生成部に供給する酸素供給源と、
    少なくとも一つ以上の電気生成部と電気的に連結される少なくとも一つの分岐部を含む燃料電池システム。
  2. 前記分岐部はコネクタによって負荷と電気的に連結される、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記分岐部は前記複数の電気生成部で発生する全電圧を任意の電圧に分割して負荷に印加させる連結端子を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池システム全体を覆いながら前記分岐部を装着するパッケージング部を含む、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料供給源は燃料を保存する燃料タンク及び、前記燃料タンクに連結設置される燃料ポンプを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 前記酸素供給源は空気を吸入する空気ポンプを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  7. 前記スタックと燃料供給源との間に、前記燃料供給源から供給を受けた燃料を改質して水素ガスを発生させる改質装置が配置されて前記燃料供給源とスタックに連結設置される、請求項１に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池システムは高分子電解質形燃料電池方式からなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料電池システムが、直接酸化型燃料電池方式からなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
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