JP2006164872A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 １つの燃料供給装置から送給される燃料を各燃料供給口に分岐供給する方法を改良し、複数のセルそれぞれに精度よく燃料を供給する装置をコンパクトに形成した燃料電池の燃料供給装置を提供する。
【解決手段】 燃料供給装置は、燃料タンクから途中で枝分かれした燃料導入路により複数の燃料電池セル個々に燃料を供給する燃料電池の燃料供給装置であって、前記複数のセル個々に対応する複数の燃料バルブを備え、この出力側の燃料導入路は前記燃料電池セルに接続され、この入力側の燃料導入路はひとつにまとまって、ひとつの燃料ポンプと接続している構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、メタノール等の液体を燃料とする燃料電池を本体とした燃料電池システムにに関するものであり、特に複数の燃料電池セルを重ねてスタック構造をなした燃料電池本体への好適な燃料供給方法をもつ燃料電池システムに関する。

燃料電池は、基本的に電解質層を挟んで燃料極と空気極とを配置して構成され、燃料極に水素を、空気極に酸素を送給することによって電気化学的反応により直流電流を発生させる。この電気を発生させる最小単位であるセルの起電力は小さいので、燃料電池を電源とする機器が要求する電圧を得るためには複数のセルを直列接続する必要があり、複数のセルを積層したスタックの形態に構成される。一方、燃料電池から取り出すことができる電流は反応面積の拡大により達成できるが、携帯電子機器などの電源は小型化が要求されるので、限られた反応面積の中で反応を活発且つ多量に起こさせるために、各セルに燃料を円滑に送給できる構造が求められている。

前記スタックを構成する各セルに燃料を送給する方式として、スタックを構成する複数のセルを電気的には直列接続するが燃料供給では並列に接続し、スタックから排出された燃料を再び濃度調整して供給する燃料循環方式が一般に用いられている。例えば、スタックに構成された複数のセルを循環して排出されてきた燃料中にある未反応のメタノールを燃料の燃料供給流路に合流させる燃料電池システムが知られている（特許文献１参照）。

このような燃料循環方式の燃料電池では、例えば図６に示す構成であり燃料を供給するためのポンプは１つで足りる。図６において、燃料電池本体５には、注入口８と排出口１０があり、希釈タンク１１の希釈された燃料を燃料循環ポンプ１２により循環して供給している。発電により使用された分は、燃料カートリッジ１３より供給され、燃料濃度が一定になるようになっている。また、図７に示す様に、燃料電池本体５内のセパレータに形成された注入口８と排出口１０を結ぶ流路は、一般にサーペンタイン型とよばれる屈曲した流路となっている。
特開２００３−２９７４０１号公報（図４）

しかしながら、上記燃料循環方式では供給方向の下流側に至るほど燃料濃度が低下し、再供給する燃料の濃度も低下しているため、燃料濃度調整器などの補機を付設する必要がある。比較的大型の燃料電池においては、ポンプの能力を大きくすることができるので、大型のポンプや補機の付設は問題とはならないが、携帯電子機器などに対応する小型の燃料電池を構成するには不適である。ここで、携帯機器とは、例えば、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯電話機といった携帯型の電子機器の他、ノート型パソコンやデジタルカメラといった可搬型の電子機器の意である。

小型の燃料電池に適した燃料供給方式として、複数のセルに発電に寄与する量だけの燃料を精度よく供給する燃料非循環方式を構成するのが有効な手段となる。

しかし、燃料非循環方式による燃料供給においては、各セルに規定量の燃料を精度よく供給するために、セルの数と同数の燃料供給口を設け、各燃料供給口から燃料を供給する必要がある。複数の燃料供給口それぞれに燃料供給する手段として、各燃料供給口毎に燃料供給装置を設ける方法、１つの燃料供給装置から送給される燃料を各燃料供給口に燃料
導入路を分岐して供給する方法が考えられる。各燃料供給口毎に燃料供給装置を設けると、燃料供給の精度はよくなるものの燃料供給装置の体積が大きくなって小型化を指向する燃料電池には不向きなものになる課題がある。

一方、１つの燃料供給装置から送給される燃料を各燃料供給口に分岐供給する方法では、単に燃料導入路を分岐するだけでは、燃料供給量の精度が得られない課題がある。

本発明が目的とするところは、１つの燃料供給装置から送給される燃料を各燃料供給口に分岐供給する方法を改良し、複数のセルそれぞれに精度よく燃料を供給する装置をコンパクトに形成した燃料電池の燃料供給装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、複数の燃料電池セルを積層してスタックを構成した燃料電池本体と、前記燃料電池本体に燃料を供給する燃料供給装置からなる燃料電池システムにおいて、前記燃料供給装置は、燃料タンクから途中で枝分かれした燃料導入路により前記複数の燃料電池セル個々に燃料を供給する燃料電池の燃料供給装置であって、前記複数のセル個々に対応する複数の燃料バルブを備え、前記燃料バルブの出力側の燃料導入路は前記燃料電池セルに接続され、燃料バルブの入力側の燃料導入路はひとつにまとまって、ひとつの燃料ポンプと接続している構成を有するものである。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ポンプはポンプ駆動回路によりパルス駆動され、かつ吐出される燃料もパルス的な間欠流をなすとともに、パルス数によって総流量をコントロールし、前記各燃料バルブは、前記燃料ポンプの作動時に、ひとつのバルブだけが開であり、残り全てのバルブは閉であって、前記燃料バルブが開の間に作動するポンプのパルス数によって、燃料電池セルに送り込まれる燃料の量がコントロールされる構成を有するものである。

さらに、請求項３記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ポンプは圧電力で駆動される圧電型燃料ポンプであるものである。

そして、請求項４記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料バルブは燃料バルブ駆動回路によって、電磁力で開閉するように駆動される電磁型燃料バルブであるものである。

最後に、請求項５記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料バルブは、燃料電池セルを構成するセパレータ内に埋め込まれているものである。

本発明の請求項１記載の発明によれば、ひとつの燃料ポンプで各燃料電池セルごとに正確に適量を供給することができる。

本発明の請求項２記載の発明によれば、各セルに供給される燃料の量はそのセルの燃料バルブが開いている間の燃料ポンプの駆動パルス数で決まる。このため、パルス数が同じであればそれぞれのセルへ供給される燃料の量は同じになり燃料電池システム全体が簡単な構成で制御可能である。

本発明の請求項３記載の発明によれば、小型の燃料ポンプを使用することができるので、燃料電池システム全体を小型化できる。

本発明の請求項４記載の発明によれば、燃料バルブの作動をさらに正確に出来るので、
燃料供給をさらに正確に適量を供給することができる。

本発明の請求項５記載の発明によれば、セパレータの未使用部分を使用することができるので、燃料電池システム全体を小型化できる。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムが示されている。

本実施の形態に係る燃料電池システムは、同図に示すように、燃料電池セル３１、３２、３３、３４が積み重なって燃料電池本体５を成し、燃料電池セル３１、３２、３３、３４それぞれにバルブ１、２、３、４が燃料電池本体５内に設けられている。

バルブ１、２、３、４の出力側燃料通路は、燃料電池セル３１、３２、３３、３４の各セルの燃料流路の入力側へ接続され、バルブ１、２、３、４の入力側燃料通路はひとつにまとまって注入口８につながっている。

同様に、燃料電池セル３１、３２、３３、３４の各セルの燃料流路の出力側もひとつにまとまって排出口１０につながっている。

注入口８は更に、ポンプ駆動回路３７で駆動する燃料ポンプ３５の出力側燃料通路につながれ、燃料ポンプ３５の入力側燃料通路は燃料カートリッジ１３につながっている。

バルブ１、２、３、４は電磁力で作動し制御ラインはバルブ駆動回路３６につながっている。

図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、スタック５の中の配置を模式的に示した断面図である。
（ａ）は、スタック５を上方から見たＡ‐Ａ線断面図であり、（ｂ）は、一側面から見たＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は、他の側面から見たＣ−Ｃ線断面図である。
セルは燃料極板６と反応触媒を付与した電解質膜、空気極板で構成されるが、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）では簡略して燃料極板６のみを示している。燃料極板６には燃料が流れる燃料流路７が設けられておりこの一端がバルブ１の出力端に接続される。

バルブ１，２，３，４は図２（ｂ）に示すようにスタックの中に組み込まれている。バルブ１，２，３，４の入力端はスタック内に設けられた流路を経てひとつにまとまり注入口８をなす。この注入口８は燃料ポンプへ接続される。

本実施の形態によれば、ひとつの燃料ポンプ３５であっても、バルブ１，２，３，４により、燃料電池セル３１、３２、３３、３４の各セルごとに、正確に適量を供給することができる。

また、バルブ１，２，３，４が、それぞれセパレータの未使用部分を使用しているため、燃料電池システム全体を小型化できる。

本実施の形態においては、燃料電池セルに送り込まれる燃料の量をコントロールするには、バルブ１，２，３，４で行うが、バルブ駆動回路３６によるバルブ１，２，３，４の駆動の仕方は、従来公知のどの方法を使っても構わない。その中でも、燃料ポンプ３５が、ポンプ駆動回路３７によりパルス駆動され、かつ吐出される燃料もパルス的な間欠流を
なすとともに、パルス数によって総流量をコントロールしている場合には、バルブ１，２，３，４は、燃料ポンプ３５の作動時に、ひとつのバルブだけ、例えばバルブ１が開であり、残り全てのバルブ、つまりバルブ２，３，４を閉にする。こうすると、バルブ１が開の間に作動する燃料ポンプ３５のパルス数によって、燃料電池セル３１に送りこまれる燃料の量がコントロールされる。同様に、バルブ２が開の時は燃料電池セル３２が、バルブ３が開の時は燃料電池セル３３が、そしてバルブ４が開の時は燃料電池セル３４がそれぞれ送りこまれる燃料の量がコントロールされる。

図３は、このときの燃料ポンプとバルブの駆動の関係をタイムチャートで示したものである。

ポンプ３５を駆動するパルス信号４１、とバルブ１，２，３，４の制御信号４１，４２，４３，４４、４５は図のようになりこれによって各セル３１、３２，３３，３４に流れる燃料は４６，４７，４８，４９のようになる。

各セルに必要な燃料の量を微調整するには各バルブを開いている時間を調整することで流量調整が可能になる。

以下本実施の形態における好ましいポンプの形態について説明する。

図６の従来例では２つのギアを回転させるいわゆるギアポンプで燃料を供給しているがこのタイプのポンプではモータの回転数を制御すれば一定量の燃料を連続して供給することができる。本発明においては上記で説明したようにパルス駆動でパルス数に応じた燃料供給ができることが望ましくそのためには燃料ポンプは圧電ポンプを使うことが望ましい。

圧電ポンプはパルスレートがポンプの機械共振周波数より低いところで使えばパルス１つでの燃料供給量はほぼ一定とみなすことができる。

以下本実施の形態における好ましいバルブの形態について、４つの実施の形態を挙げて説明する。

図４の（ａ），（ｂ）は電磁力を利用したダイアフラム型バルブの構成を示しており、（ａ）は可動コイル式バルブタイプであり、（ｂ）は可動磁石式バルブタイプである。図４（ａ）において、バルブ２１内には、固定磁石２２と可動コイル２３があり、可動コイル２３は、スイッチ２４を介して、直流電源につながっている。図４（ｂ）においては、バルブ２１内には、固定コイル２６と可動磁石２７があり、固定コイル２６は、スイッチ２４を介して、直流電源につながっている。どちらもダイアフラム２８が燃料入り口２９と燃料出口３０との間を遮断する。

図５の（ａ）（ｂ）は電磁力を利用したピストン型バルブの構成の別の方式を示している。（ａ）は可動コイル式バルブタイプであり、（ｂ）は可動磁石式バルブタイプである。図５（ａ）においても、バルブ２１内には、固定磁石２２と可動コイル２３があり、可動コイル２３は、スイッチ２４を介して、直流電源につながっている。図４（ｂ）においても、バルブ２１内には、固定コイル２６と可動磁石２７があり、固定コイル２６は、スイッチ２４を介して、直流電源につながっている。これらの場合は、どちらもピストン３８が燃料入り口２９と燃料出口３０との間を遮断する。

以上述べた述べた燃料バルブを使用することにより、燃料バルブの作動をさらに正確に出来るので、燃料供給をさらに正確に適量を供給することができる。

本発明の燃料電池システムは、ノートパソコン等の携帯電子機器の電源システムとして有用である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの一例を示すブロック図 （ａ）スタック５を上方から見たＡ‐Ａ線断面図（ｂ）一側面から見たＢ−Ｂ線断面図（ｃ）他の側面から見たＣ−Ｃ線断面図 燃料ポンプとバルブの駆動の関係を示すタイムチャート （ａ）可動コイル式ダイアフラム型バルブの構成を示す図（ｂ）可動磁石式ダイアフラム型バルブの構成を示す図 （ａ）可動コイル式ピストン型バルブの構成を示す図（ｂ）可動磁石式ピストン型バルブの構成を示す図 従来の燃料電池システムの構成を示す図 従来のセパレータ上に形成された流路の構成を示す図

符号の説明

１，２，３，４ バルブ
５ 燃料電池本体
７ 燃料流路
８ 注入口
１０ 排出口
１１ 希釈タンク
１２ 燃料循環ポンプ
１３ 燃料カートリッジ
２１ 燃料バルブ
２２ 固定磁石
２３ 可動コイル
２４ スイッチ
２５ 直流電源
２６ 固定コイル
２７ 可動磁石
２８ ダイアフラム
２９ 燃料入り口
３０ 燃料出口
３１，３２，３３，３４ 燃料電池セル
３５ 燃料ポンプ
３６ バルブ駆動回路
３７ ポンプ駆動回路
３８ ピストン
４１ ポンプ駆動信号
４２、２３，４４，４５ バルブ駆動信号
４６，４７，４８，４９ 燃料流量

Claims (5)

1. 複数の燃料電池セルを積層してスタックを構成した燃料電池本体と、前記燃料電池本体に燃料を供給する燃料供給装置からなる燃料電池システムにおいて、
   前記燃料供給装置は、燃料タンクから途中で枝分かれした燃料導入路により前記複数の燃料電池セル個々に燃料を供給する燃料電池の燃料供給装置であって、
   前記複数のセル個々に対応する複数の燃料バルブを備え、前記燃料バルブの出力側の燃料導入路は前記燃料電池セルに接続され、燃料バルブの入力側の燃料導入路はひとつにまとまって、ひとつの燃料ポンプと接続していることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料ポンプはポンプ駆動回路によりパルス駆動され、かつ吐出される燃料もパルス的な間欠流をなすとともに、パルス数によって総流量をコントロールし、前記各燃料バルブは、前記燃料ポンプの作動時に、ひとつのバルブだけが開であり、残り全てのバルブは閉であって、前記燃料バルブが開の間に作動するポンプのパルス数によって、燃料電池セルに送り込まれる燃料の量がコントロールされる請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料ポンプは、圧電力で駆動される圧電型燃料ポンプである請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料バルブは、燃料バルブ駆動回路によって電磁力で開閉するように駆動される電磁型燃料バルブである請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料バルブは、前記燃料電池セルを構成するセパレータ内に埋め込まれている請求項１記載の燃料電池システム。