JP2007134213A - Fuel cell system - Google Patents

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豪 柳原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a fuel cell system to supply stable power without being affected by load changes by efficiently carrying out the removal of water produced in the vicinity of electrodes in accordance with cell characteristics. <P>SOLUTION: The fuel cell system is provided with a membrane electrode conjugant having an anode diffusion electrode, a cathode diffusion electrode, and an electrolyte film pinched between them, and a pair of separators pinching the membrane electrode conjugant and forming a fuel flow channel for making fuel pass through between one of them and the anode diffusion electrode and a gas flow channel for making gas pass through between the other and the cathode diffusion electrode. The fuel cell system is also provided with a fuel cell body supplying power to an outside load, a gas supply means for supplying gas containing oxygen at the upstream of the gas flow channel, a flow channel switching means for opening and closing the gas flow channel at its downstream, and an exhaust control means opening and closing the flow channel switching means. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device.

携帯電話、携帯型情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器など携帯用電子機器の普及が進んでいる。従来、このような携帯用電子機器は、一次電池又は二次電池によって駆動されている。特に、二次電池としては、ニッカド電池又はリチウムイオン電池が用いられ、小型で高エネルギー密度を持つ電池が開発されている。しかし、二次電池は一定量の電力使用後に充電機器を用いて一定時間の充電をおこなう必要があるため、短い充電時間で長時間連続駆動が可能な電池が要望されている。   Portable electronic devices such as cellular phones, portable information terminals, notebook personal computers, portable audio devices, and portable visual devices are spreading. Conventionally, such portable electronic devices are driven by a primary battery or a secondary battery. In particular, as the secondary battery, a nickel cadmium battery or a lithium ion battery is used, and a battery having a small size and a high energy density has been developed. However, since a secondary battery needs to be charged for a certain period of time using a charging device after using a certain amount of power, a battery that can be continuously driven for a long time with a short charging time is desired.

この要望に応えるため、充電を必要としない燃料電池が提案されている。燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的にエネルギーに変換する発電機である。このような燃料電池の例としては、パーフルオロカーボンスルフォン酸系の電解質を用いてアノード極で水素ガスを還元し、カソード極で酸素を還元して発電を行うという固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:以下、PEFCと称する。)が知られている。このようなPEFCは、出力密度が高い電池であるという特徴を有しており、その開発が進められている。   In order to meet this demand, fuel cells that do not require charging have been proposed. A fuel cell is a generator that electrochemically converts chemical energy of fuel into energy. As an example of such a fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte) is used, in which hydrogen gas is reduced at the anode electrode using a perfluorocarbon sulfonic acid-based electrolyte, and oxygen is reduced at the cathode electrode to generate power. Fuel Cell (hereinafter referred to as PEFC) is known. Such a PEFC has a feature that it is a battery with a high output density, and its development is underway.

ここで、PEFCで行われている反応式を以下に示す。
アノード:H2 → 2H++2e-
カソード:2H++2e-+(1/2)O2 → H2
このようなPEFCに燃料として用いられる水素ガスは容積エネルギー密度が低く、燃料タンクの体積を大きくする必要があることや、燃料ガス、酸化ガス(空気など)を燃料電池本体(発電部)に供給する装置、電池性能を安定にするため加湿する装置などの補機が必要であり、燃料電池システムが大型になるため、携帯電子機器用の電源としては適さない。
Here, the reaction formula performed in PEFC is shown below.
Anode: H 2 → 2H + + 2e
Cathode: 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O
Hydrogen gas used as fuel in such PEFC has a low volumetric energy density, and it is necessary to increase the volume of the fuel tank, and supply fuel gas and oxidizing gas (such as air) to the fuel cell body (power generation unit) And an auxiliary device such as a humidifying device is required to stabilize the battery performance, and the fuel cell system becomes large, so it is not suitable as a power source for portable electronic devices.

一方、燃料となるメタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行う直接型メタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell;以下、DMFCと称する。)は、上記のPEFCと比較してその出力が小さくなるという欠点があるものの、燃料の体積エネルギー密度を上げることができ、燃料電池本体の構成が簡単になるので小型化が可能となる。このため、携帯機器用電源として注目されており、幾つかの提案がなされている。   On the other hand, a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC), which generates electricity by directly extracting protons from methanol as a fuel, has a disadvantage that its output is smaller than that of the PEFC. However, the volume energy density of the fuel can be increased, and the configuration of the fuel cell main body becomes simple, so that the size can be reduced. For this reason, it attracts attention as a power source for portable devices, and some proposals have been made.

ここで、DMFCで行われている反応式を以下に示す。
アノード:CH3OH+H2O → CO2+6e-+6H+
カソード:1.5O2+6H++6e- → 3H2
上記のPEFC及びDMFCの何れの反応式が示すように、燃料電池を用いて発電することにより、カソード側では水が生成される。
Here, the reaction formula performed in DMFC is shown below.
Anode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6e + 6H +
Cathode: 1.5O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O
As shown in any of the above reaction formulas of PEFC and DMFC, water is generated on the cathode side by generating electricity using a fuel cell.

これらの反応を連続的に行なうためには、電極へ反応物質を連続的に供給すると共に、電極付近から生成物質を取り除く必要がある。上記のどちらの燃料電池の場合も、カソードでは、酸素を連続的に供給すると共に生成物質である水を取り除く必要がある。生成物質の水を取り除かないと、水が電極付近に滞留し、電極基材の細孔を閉塞してしまい、運転効率を低下させ、場合によっては反応を停止させてしまうからである。   In order to perform these reactions continuously, it is necessary to continuously supply the reactants to the electrode and to remove the product from the vicinity of the electrode. In both of the fuel cells described above, it is necessary to continuously supply oxygen and remove water as a product substance at the cathode. This is because if the product water is not removed, water stays in the vicinity of the electrode, clogs the pores of the electrode substrate, lowers the operating efficiency, and in some cases stops the reaction.

上記の生成物質である水を取り除く方法として、いくつかの方法が知られている。   Several methods are known as methods for removing the water, which is the product.

例えば、燃料電池の出力電圧とインピーダンスを測定し、出力電圧及びインピーダンスがそれぞれ予め決められた範囲から外れた時に、(1)酸素ガスの供給量を増加させて酸素ガスの流量を増やす方法、(2)より乾燥した酸素ガスを供給して湿度の低下を図る方法、(3)酸素ガスの排出部の調整弁の開度を増大させて酸素ガスの流速を増す方法、を燃料電池の運転により電極付近に生成された余剰水を素早く除去する方法としている(特許文献1参照)。   For example, when the output voltage and impedance of a fuel cell are measured and the output voltage and impedance are out of a predetermined range, respectively, (1) a method of increasing the oxygen gas flow rate to increase the flow rate of oxygen gas, 2) A method of reducing the humidity by supplying a more dry oxygen gas, and (3) a method of increasing the flow rate of the oxygen gas by increasing the opening of the regulating valve of the oxygen gas discharge section by operating the fuel cell. This is a method of quickly removing excess water generated near the electrodes (see Patent Document 1).

また、燃料電池の空気供給の下流側に供給ガスを吸引するガス吸引手段を設け、供給ガスの圧力を制御する圧力制御手段を燃料電池の上流に設ける方法がある(特許文献2参照)。   Further, there is a method in which gas suction means for sucking supply gas is provided on the downstream side of air supply of the fuel cell, and pressure control means for controlling the pressure of the supply gas is provided upstream of the fuel cell (see Patent Document 2).

更に、機械振動台に燃料電池を載せ、この燃料電池の端板に超音波振動子を備え、アノードガス及びカソードガスを供給するガス管にガスシリンダを取り付けそれぞれ吸入したガスを瞬時に間欠的に放出させる方法がある(特許文献3参照)。
特開平7−235324号公報 特開2002−33110号公報 特開2002−305018号公報
Furthermore, a fuel cell is mounted on a mechanical vibration table, and an end plate of the fuel cell is provided with an ultrasonic vibrator, and a gas cylinder is attached to a gas pipe for supplying anode gas and cathode gas. There is a method of releasing (see Patent Document 3).
JP 7-235324 A JP 2002-33110 A JP 2002-305018 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の従来技術においては、出力電圧が予め決めた値以下になって初めて、出力電圧を回復させる一連の動作に入るため出力電圧の変動が生じてしまうという問題がある。また、電圧計、インピーダンス計及び酸素ガス流量制御バルブとこれらの制御を行う制御部といった様な複雑で大掛かりな仕組みが必要とされるためこの仕組みを作動させるための電力損失が大きく、また燃料電池装置の小型化も困難である。   However, the conventional technique described in Patent Document 1 has a problem that the output voltage fluctuates because a series of operations for recovering the output voltage is entered only when the output voltage is equal to or lower than a predetermined value. . In addition, since a complicated and large-scale mechanism such as a voltmeter, impedance meter, oxygen gas flow rate control valve and control unit for controlling these is required, the power loss for operating this mechanism is large, and the fuel cell It is also difficult to reduce the size of the apparatus.

また、特許文献2に記載の従来技術においては、上記と同じく出力電圧が下限値を超えて初めて、出力電圧を回復させる一連の動作に入るため、出力電圧の変動が生じてしまう問題がある。また、常時ガス吸引手段が稼働され、供給ガスの圧力は常に負圧状態となっているため、本来必要な酸素も吸引されてしまい、ガス濃度低下、利用効率の低下を招く。このシステムをDMFCに当てはめた場合、アノード極側の燃料の膜透過が促進されカソード極で酸化反応することで触媒を劣化させる恐れがある。   Further, in the prior art described in Patent Document 2, there is a problem that the output voltage fluctuates because a series of operations for recovering the output voltage is started only after the output voltage exceeds the lower limit value as described above. Further, since the gas suction means is always operated and the pressure of the supply gas is always in a negative pressure state, oxygen that is originally necessary is also sucked, resulting in a decrease in gas concentration and utilization efficiency. When this system is applied to a DMFC, the membrane permeation of fuel on the anode electrode side is promoted, and the catalyst may be deteriorated by an oxidation reaction at the cathode electrode.

更に、特許文献3には、一定の運転条件下の連続運転により発生する水による電池性能の低下を押さえることのみが開示されており、電池の運転状態に応じて生成される水量に対応する排出方法は示されてない。   Furthermore, Patent Document 3 discloses only suppressing reduction in battery performance due to water generated by continuous operation under certain operating conditions, and discharge corresponding to the amount of water generated according to the operating state of the battery. The method is not shown.

本発明は、これらの問題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の運転に伴い電極近傍に生成される水の除去を電池特性に合わせて効率良く行うことで、負荷変動の影響を受けることなく安定した電力を供給できる燃料電池装置を提供することである。   The present invention has been made in view of these problems, and the object of the present invention is to efficiently remove water generated in the vicinity of the electrode along with the operation of the fuel cell according to the cell characteristics. It is an object of the present invention to provide a fuel cell device capable of supplying stable power without being affected by load fluctuations.

上記の課題は、以下の構成により解決される。   Said subject is solved by the following structures.

1. アノード拡散電極、カソード拡散電極及び該アノード拡散電極と該カソード拡散電極との間に挟持された電解質膜を有する膜電極接合体、並びに前記膜電極接合体を挟持すると共に、前記アノード拡散電極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード拡散電極との間に酸素を含むガスが通過するガス流路とを形成する一対のセパレータを備え、外部の負荷に電力を供給する燃料電池本体と、
前記ガス流路の上流において前記酸素を含むガスを供給するためのガス供給手段と、
前記ガス流路の下流において該ガス流路を開閉するための流路開閉手段と、
前記流路開閉手段を開閉する排出制御手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
1. An anode diffusion electrode, a cathode diffusion electrode, a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane sandwiched between the anode diffusion electrode and the cathode diffusion electrode, and the membrane electrode assembly, and the anode diffusion electrode A fuel cell body for supplying electric power to an external load, comprising a pair of separators forming a fuel flow path through which fuel passes and a gas flow path through which a gas containing oxygen passes between the cathode diffusion electrode ,
Gas supply means for supplying the gas containing oxygen upstream of the gas flow path;
Channel opening and closing means for opening and closing the gas channel downstream of the gas channel;
And a discharge control means for opening and closing the flow path opening and closing means.

2. 前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の大きさに基づいて定められる開閉周期で前記流路開閉手段を制御する構成を備えていることを特徴とする1に記載の燃料電池装置。   2. 2. The fuel cell device according to 1, wherein the discharge control means is configured to control the flow path opening / closing means at an opening / closing cycle determined based on at least the magnitude of the load.

3. 前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の変更に基づいて定められる開閉周期で前記流路開閉手段を制御する構成を備えていることを特徴とする1又は2に記載の燃料電池装置。   3. 3. The fuel cell device according to claim 1, wherein the discharge control unit is configured to control the flow path opening / closing unit at an opening / closing cycle determined based on at least the change of the load.

4. 前記酸素を含むガスを前記ガス流路へ供給する供給量を調整するガス流量調整手段を備え、
前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の大きさに基づいて定められる開閉周期で、また、少なくとも前記負荷の大きさに基づいて定められるガス供給量となるように、前記流路開閉手段及び前記ガス流量調整手段を制御する構成を備えていることを特徴とする1に記載の燃料電池装置。
4). A gas flow rate adjusting means for adjusting a supply amount for supplying the gas containing oxygen to the gas flow path;
The discharge control means includes at least an opening / closing cycle determined based on the magnitude of the load, and at least a gas supply amount determined based on the magnitude of the load. 2. The fuel cell device according to 1, wherein the fuel cell device has a configuration for controlling the flow rate adjusting means.

5. 前記酸素を含むガスを前記ガス流路へ供給する供給量を調整するガス流量調整手段を備え、
前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の変更に基づいて定められる開閉周期で、また、少なくとも前記負荷の変更に基づいて定められるガス供給量となるように、前記流路開閉手段及び前記ガス流量調整手段を制御する構成を備えていることを特徴とする1又は4に記載の燃料電池装置。
5. A gas flow rate adjusting means for adjusting a supply amount for supplying the gas containing oxygen to the gas flow path;
The discharge control means includes at least an opening / closing cycle determined based on a change in the load, and at least a gas supply amount determined based on the change in the load. 5. The fuel cell device according to 1 or 4, further comprising a configuration for controlling the means.

6. 第1の圧電素子をアクチュエータとし前記燃料を前記燃料流路に供給するための燃料供給手段を前記セパレータに隣接して備え、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を開いた状態では、前記第1の圧電素子は前記燃料を供給可能とする範囲の周波数Aで駆動され、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を閉じた状態では、前記第1の圧電素子は、前記周波数Aより高い周波数で駆動されることを特徴とする1乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池装置。
6). Fuel supply means for supplying the fuel to the fuel flow path using the first piezoelectric element as an actuator is provided adjacent to the separator,
In a state where the flow path opening / closing means opens the gas flow path, the first piezoelectric element is driven at a frequency A within a range in which the fuel can be supplied,
6. The device according to claim 1, wherein the first piezoelectric element is driven at a frequency higher than the frequency A in a state where the flow channel opening / closing means closes the gas flow channel. Fuel cell device.

7. 前記ガス流路内の液体を回収するための液回収手段を備え、
前記液回収手段は、前記流路開閉手段が前記ガス流路を閉じている状態では停止していることを特徴とする1乃至6のいずれか1項に記載の燃料電池装置。
7). A liquid recovery means for recovering the liquid in the gas flow path;
The fuel cell apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the liquid recovery means is stopped when the flow path opening / closing means closes the gas flow path.

8. 第2の圧電素子をアクチュエータとし前記ガス流路内の液体を回収するための液回収手段を前記セパレータに隣接して備え、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を開いた状態では、前記第2の圧電素子は前記ガス流路内の液体を回収可能とする範囲の周波数Bで駆動され、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を閉じた状態では、前記第2の圧電素子は、前記周波数Bより高い周波数で駆動されることを特徴とする1乃至6のいずれか1項に記載の燃料電池装置。
8). A liquid recovery means for recovering the liquid in the gas flow path using the second piezoelectric element as an actuator is provided adjacent to the separator,
In a state where the flow path opening / closing means opens the gas flow path, the second piezoelectric element is driven at a frequency B in a range in which the liquid in the gas flow path can be collected,
7. The device according to claim 1, wherein the second piezoelectric element is driven at a frequency higher than the frequency B in a state where the flow channel opening / closing means closes the gas flow channel. Fuel cell device.

請求項1に記載の発明によれば、ガス供給手段がガスを供給しているガス流路で、排出制御手段が流路開閉手段でもってガス流路を閉じてガス流路内のガスの圧力を大きくすることでカソード拡散電極内にガスを送り込み、この後、ガス流路を開いてガス流路内のガスの圧力を小さくすることでカソード拡散電極内のガスをガス流路内に噴出させて、このガス噴出に伴ってカソード拡散電極近傍に生成される水をガス流路内に排出させることが出来る。また、排出制御手段が制御する上記の流路開閉手段の開閉動作を負荷の大きさが変わる時期に合わせ、また負荷の大きさに応じた周期に設定することを可能とすることができる。よって、カソード拡散電極近傍に負荷の大きさに応じて生成量が変わる水を負荷の大きさに応じて、また負荷の大きさの変化に遅れることなく除去することを可能とすることができる。   According to the first aspect of the present invention, the gas supply means supplies the gas, and the discharge control means closes the gas flow path using the flow path opening / closing means so that the pressure of the gas in the gas flow path The gas is sent into the cathode diffusion electrode by increasing the gas flow rate, and then the gas in the cathode diffusion electrode is jetted into the gas flow channel by opening the gas flow channel and reducing the gas pressure in the gas flow channel. Thus, the water generated in the vicinity of the cathode diffusion electrode with the gas ejection can be discharged into the gas flow path. Further, the opening / closing operation of the flow path opening / closing means controlled by the discharge control means can be set in accordance with the time when the magnitude of the load changes, and at a period corresponding to the magnitude of the load. Therefore, it is possible to remove the water whose amount of generation changes in the vicinity of the cathode diffusion electrode according to the size of the load according to the size of the load and without delaying the change in the size of the load.

従って、燃料電池の運転に伴い電極近傍に生成される水の除去を電池特性に合わせて効率良く行うことが出来、負荷変動の影響を受けることなく安定した電力を供給できる燃料電池装置を提供することが出来る。   Accordingly, there is provided a fuel cell device that can efficiently remove water generated in the vicinity of an electrode in accordance with the operation of the fuel cell in accordance with battery characteristics and can supply stable power without being affected by load fluctuations. I can do it.

本発明に係わる実施形態の一例の燃料電池装置の構成を図1に示す。図1(A)に示す燃料電池装置Aは、燃料電池として直接型メタノール(DMFC)燃料電池を採用しており、この燃料電池1に燃料液供給部Fから燃料液を供給して発電させることができる。また、図1(B)は、燃料電池1の内部構造を拡大して模式的に示す図である。   FIG. 1 shows the configuration of an example fuel cell apparatus according to an embodiment of the present invention. A fuel cell apparatus A shown in FIG. 1A employs a direct methanol (DMFC) fuel cell as a fuel cell. The fuel cell 1 is supplied with fuel liquid from a fuel liquid supply section F to generate power. Can do. FIG. 1B is a diagram schematically showing an enlarged internal structure of the fuel cell 1.

燃料電池1は、図1(B)に示す様に電解質膜11の両面にアノード拡散電極(以下、アノードと称する。)12とカソード拡散電極(以下、カソードと称する。)13を接合したMEA(Membrane Electrode Assembly)構造のもので、アノード12にはセパレータA14を貼り合わせて燃料流路140が形成され、カソード13にもセパレータB15を貼り合わせてガス流路である空気流路150が形成されている。   As shown in FIG. 1 (B), the fuel cell 1 includes an MEA (an anode diffusion electrode (hereinafter referred to as an anode) 12 and a cathode diffusion electrode (hereinafter referred to as a cathode) 13 bonded to both surfaces of an electrolyte membrane 11. The fuel passage 140 is formed by bonding the separator A14 to the anode 12 and the separator B15 is also bonded to the cathode 13 to form the air flow path 150 that is a gas flow path. Yes.

ここでは、アノード12は電解質膜11に接する触媒層(例えば白金黒或いは白金合金
をカーボンブラックに担持させたもの)とこれに積層されたカーボンペーパ等の拡散電極からなり、カソード13も電解質膜11に接する触媒層とこれに積層された同様の拡散電極からなっている。
Here, the anode 12 is composed of a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane 11 (for example, platinum black or a platinum alloy supported on carbon black) and a diffusion electrode such as carbon paper laminated thereon, and the cathode 13 is also composed of the electrolyte membrane 11. And a similar diffusion electrode laminated on the catalyst layer.

セパレータA14は、燃料液供給口141及び余剰燃料液回収口142に通じる燃料流路140を有しており、燃料液供給部Fから燃料供給口141に供給される燃料液を燃料流路140に通すことでアノード12の全体に分散供給する機能を有している。   The separator A14 has a fuel flow path 140 that leads to the fuel liquid supply port 141 and the surplus fuel liquid recovery port 142, and the fuel liquid supplied from the fuel liquid supply unit F to the fuel supply port 141 is supplied to the fuel flow path 140. It has the function of being distributed and supplied to the entire anode 12 by passing through.

セパレータB15は、空気流路150を有しており、その上流には空気供給口152が、下流に排出口151が設けられ、ガス供給手段である空気ポンプAPから供給される空気を空気供給口152に供給することでカソード13の全体に分散供給する機能を有している。更に、セパレータB15は、空気に含まれる酸素とアノード12側から供給されるプロトンとの、触媒の存在下での、電気化学反応によりカソード13近傍で生成される水、アノード12側から電解質膜11を通過してカソード13側へ移動してくることがある液及び供給される空気のうち反応しなかったガスを、空気流路150を通じてカソード13の全体から回収する機能も有しており、これらの回収されたガスや液は空気流路150の下流に位置する排出口151からセパレータB15の外に排出される。   The separator B15 has an air flow path 150. An air supply port 152 is provided upstream of the separator B15, and a discharge port 151 is provided downstream. The air supply port supplies air supplied from an air pump AP serving as gas supply means. By supplying to 152, it has the function to distribute and supply to the whole cathode 13. Further, the separator B15 is water generated in the vicinity of the cathode 13 by an electrochemical reaction in the presence of a catalyst between oxygen contained in air and protons supplied from the anode 12 side, and the electrolyte membrane 11 from the anode 12 side. The liquid that may move to the cathode 13 side through the gas and the unreacted gas in the supplied air also have a function of recovering from the entire cathode 13 through the air flow path 150. The recovered gas or liquid is discharged out of the separator B15 from the discharge port 151 located downstream of the air flow path 150.

空気ポンプAPは、セパレータB15外の空気を吸入し、空気供給口152に供給するように設けられており、空気の吸入、送出可能なものであれば特に限定されない。   The air pump AP is provided so as to suck air outside the separator B15 and supply it to the air supply port 152, and is not particularly limited as long as it can suck and send air.

燃料液供給部Fは、高濃度燃料液(本例では、略100%濃度のメタノール)を収容す
る燃料液容器C1に接続された高濃度燃料液供給路L1、及び希釈液(本例では水又は水を主成分とする液)を収容する容器C2に接続された希釈液供給路L2を含んでいる。
The fuel liquid supply unit F includes a high-concentration fuel liquid supply path L1 connected to a fuel liquid container C1 that contains a high-concentration fuel liquid (in this example, approximately 100% concentration methanol), and a diluent (in this example, water Or a diluent supply path L2 connected to a container C2 containing a liquid mainly composed of water.

高濃度燃料液供給路L1には、その途中に、燃料液容器C1の高濃度燃料液を送り出すためのポンプMP1を接続してあり、希釈液供給路L2には、その途中に、容器C2内の希釈液を送りだすポンプMP2を接続してある。   A pump MP1 for sending out the high-concentration fuel liquid in the fuel liquid container C1 is connected to the high-concentration fuel liquid supply path L1, and the dilute-liquid supply path L2 is connected to the inside of the container C2 in the middle. A pump MP2 for feeding out the diluted solution is connected.

供給路L1、L2は合流部L3で合流しており、この合流部L3から気液分離器F2を介して燃料流路14の燃料供給口141に接続されている。   The supply paths L1 and L2 merge at a junction L3, and the junction L3 is connected to the fuel supply port 141 of the fuel channel 14 via a gas-liquid separator F2.

気液分離器F2は、希釈混合により発生するガスがセパレータA14に供給されるのを防止するためとアノード12側で発生するガスが燃料供給口141から混合流路L4の方へ入り込むことを防止するためのもので、ここで気液を分離して外部へ放出する。   The gas-liquid separator F2 prevents gas generated by dilution mixing from being supplied to the separator A14 and prevents gas generated on the anode 12 side from entering the mixing channel L4 from the fuel supply port 141. The gas-liquid is separated here and released to the outside.

燃料電池1のセパレータA14の余剰燃料液回収口142は、液回収路L5で希釈液収容容器C2に連通している。液回収路L5は、アノード12側で使用され、メタノール濃度が低下した余剰の燃料液等の液体を容器C2へ導くものである。   The surplus fuel liquid recovery port 142 of the separator A14 of the fuel cell 1 communicates with the diluent storage container C2 through the liquid recovery path L5. The liquid recovery path L5 is used on the anode 12 side, and guides excess liquid such as fuel liquid having a reduced methanol concentration to the container C2.

また、余剰燃料液回収口142と希釈液収容容器C2との間に、余剰燃料液回収口142から流出してくる液体からガスを分離して外部へ放出する気液分離器F1が接続されている。   Further, a gas-liquid separator F1 for separating gas from the liquid flowing out from the surplus fuel liquid recovery port 142 and releasing it to the outside is connected between the surplus fuel liquid recovery port 142 and the diluent storage container C2. Yes.

燃料電池1のセパレータB15の排出口151は、これに通じる流路を開閉できる流路開閉手段であるバルブB1と気液分離器F3を介して液回収路L6にて希釈液収容容器C2へ接続されており、その途中に液回収手段であるポンプMP3が接続されている。気液分離器F3は排出口151から排出され液体及びガスのうちガスを分離放出するためのものである。バルブB1に関しては、以降で説明する。   The discharge port 151 of the separator B15 of the fuel cell 1 is connected to the diluent storage container C2 in the liquid recovery path L6 via the valve B1 which is a flow path opening / closing means capable of opening and closing the flow path leading to the separator B3 and the gas-liquid separator F3. The pump MP3 which is a liquid recovery means is connected in the middle. The gas-liquid separator F3 is for separating and discharging the gas out of the liquid and the gas discharged from the discharge port 151. The valve B1 will be described later.

図1の燃料電池装置Aは、ポンプMP1、MP2、MP3と空気ポンプAP及びバルブB1の駆動回路及びこれら駆動回路を制御する制御部2を含んでいる。制御部2の指示のもとにポンプ駆動回路が各ポンプを駆動することで、ポンプMP1により燃料液容器C1から高濃度燃料液を合流部L3へ送るとともに、ポンプMP2により希釈液収容容器C2から希釈用液を合流部L3へ送り、これら液体を引き続き混合流路L4において混合し、得られる希釈された燃料液(例えば約3%のメタノール水溶液)を燃料電池1に供給し、発電に供し、負荷LDに電力が供給される。   The fuel cell apparatus A of FIG. 1 includes pumps MP1, MP2, and MP3, an air pump AP, a drive circuit for the valve B1, and a control unit 2 that controls these drive circuits. The pump drive circuit drives each pump under the instruction of the control unit 2 so that the high-concentration fuel liquid is sent from the fuel liquid container C1 to the merging part L3 by the pump MP1 and from the diluent storage container C2 by the pump MP2. The diluting liquid is sent to the merging portion L3, these liquids are subsequently mixed in the mixing flow path L4, and the obtained diluted fuel liquid (for example, about 3% methanol aqueous solution) is supplied to the fuel cell 1 for power generation, Electric power is supplied to the load LD.

燃料電池1における電気化学反応によりカソード13側に生成される水や、アノード1
2側から電解質膜11を通過してカソード13側へ到来することがある液体は、ポンプM
P3が駆動されることでセパレータB15から希釈液収容容器C2へ回収される。なお、燃料電池装置Aの使用開始当初には、希釈液収容容器C2に初期水を収容しておけばよい。更に、制御部2は、負荷LDからの負荷の変更時期と大きさを受けて、予め設定されている制御手順に従いバルブB1及びポンプAPを制御する排出制御手段である排出制御部2aを含んでいる。この排出制御部2aは、例えばプログラムで制御されるマイクロコンピュータ等で構成しても良い。
The water produced on the cathode 13 side by the electrochemical reaction in the fuel cell 1 and the anode 1
The liquid that may pass through the electrolyte membrane 11 from the second side and arrive at the cathode 13 side is the pump M
By driving P3, it is recovered from the separator B15 to the diluent container C2. At the beginning of use of the fuel cell device A, initial water may be stored in the diluent storage container C2. Further, the control unit 2 includes a discharge control unit 2a that is a discharge control unit that controls the valve B1 and the pump AP in accordance with a preset control procedure in response to the load change timing and magnitude from the load LD. Yes. The discharge control unit 2a may be constituted by, for example, a microcomputer controlled by a program.

ここで、バルブB1に関して説明する。バルブB1は排出口151に通じる流路を排出制御部2aからの指示により瞬時に閉じたり開いたりすることができる機能を有するものであれば良く、本実施形態では電磁弁を用いている。燃料電池装置Aにおいて、バルブB1を開いた状態で運転を継続すると、燃料や酸素である反応物質が十分に供給され、且つ負荷状態に変化がないにもかかわらず出力電圧が低下してしまう。これは、電気化学反応によりカソード13近傍で生成される水が、カソード13近傍に滞留し、カソード13の電極基材の細孔(拡散層)を閉塞してしまうため電気化学反応が次第に困難になっていくためである。従って、燃料電池装置Aを連続運転する場合において出力電圧を安定させるためには、この電極基材の細孔を閉塞する水を取り除く必要がある。   Here, the valve B1 will be described. The valve B1 only needs to have a function capable of instantaneously closing or opening the flow path leading to the discharge port 151 according to an instruction from the discharge control unit 2a. In this embodiment, an electromagnetic valve is used. In the fuel cell device A, when the operation is continued with the valve B1 opened, the reactants such as fuel and oxygen are sufficiently supplied, and the output voltage is lowered although there is no change in the load state. This is because water generated in the vicinity of the cathode 13 by the electrochemical reaction stays in the vicinity of the cathode 13 and closes the pores (diffusion layer) of the electrode base material of the cathode 13, so that the electrochemical reaction becomes increasingly difficult. It is to become. Therefore, in order to stabilize the output voltage when the fuel cell apparatus A is continuously operated, it is necessary to remove water that closes the pores of the electrode base material.

発明者の実験により運転を継続して出力電圧が低下した燃料電池装置Aにおいて、バルブB1を一旦閉じた状態にした後開くと、バルブB1より水が吐出されるとともに今まで低下していた出力電圧が一時的に回復することが分かった。   In the fuel cell apparatus A in which the output voltage is lowered by continuing the operation by the inventor's experiment, when the valve B1 is once closed and then opened, water is discharged from the valve B1 and the output which has been reduced so far. It was found that the voltage recovered temporarily.

これは、空気ポンプAPにより空気がセパレータB15の空気流路150に圧を持って供給されていることから、バルブB1が瞬時に閉じられることで空気流路150内の空気圧が急激に増加する。この空気圧によって、カソード13の電極基材の細孔に空気が押し込まれ、この後バルブB1が瞬時に開かれることによりこれまで増加していた空気圧が一気に下がることで細孔に押し込まれていた空気が水を伴って空気流路150内に排出されて、最終的に空気流路150の下流に位置する排出口151より勢いよく排出されるためと考えられる。   This is because air is supplied with pressure to the air flow path 150 of the separator B15 by the air pump AP, and the air pressure in the air flow path 150 increases abruptly when the valve B1 is instantaneously closed. Air is pushed into the pores of the electrode base material of the cathode 13 by this air pressure, and thereafter, the air that has been pushed up to the pores by instantaneously opening the valve B1 is lowered at once. This is considered to be because the water is discharged into the air flow path 150 together with water and finally discharged from the discharge port 151 located downstream of the air flow path 150.

発明者はこの現象に着目して、燃料電池装置Aを運転する際に、バルブB1の間欠的な開閉を継続して行う方法を適用することで、継続的に生成され且つ電極基材の細孔を閉塞する水を間欠的且つ継続して取り除くことで出力電圧の低下が生じないようにした。   The inventor pays attention to this phenomenon and applies a method of continuously opening and closing the valve B1 when operating the fuel cell device A, so that it is continuously generated and the electrode base material is thinned. The output voltage was prevented from decreasing by removing the water blocking the holes intermittently and continuously.

図2は、バルブB1の開閉及び空気流路150内の圧力と時間との関係を模式的に示した図である。図2(A)が示す様にバルブB1がT1で閉じられると、空気ポンプAPから供給される空気圧により、図2(B)に示す様に空気流路150内の圧力Pは上昇して行き、これに並行して、カソード13の電極基材の細孔を閉塞していた水が細孔に押し込められて行く。この時、空気流路150内の圧力Pは、バルブB1を閉じない状態での圧力より高くする必要があるが、高すぎると電解質膜11が劣化することで燃料電池装置の寿命低下となることが懸念されるため、空気ポンプAPの能力、空気流路150の容量及びその構造等からバルブB1の閉じる期間Ta(=T2−T1)を設定することで適宜決めればよい。尚、本実施形態においては、この期間Taは1秒としている。   FIG. 2 is a diagram schematically showing the relationship between the opening and closing of the valve B1 and the pressure in the air flow path 150 and time. As shown in FIG. 2A, when the valve B1 is closed at T1, the pressure P in the air flow path 150 increases due to the air pressure supplied from the air pump AP as shown in FIG. In parallel with this, water that has blocked the pores of the electrode base material of the cathode 13 is pushed into the pores. At this time, the pressure P in the air flow path 150 needs to be higher than the pressure in a state where the valve B1 is not closed. However, if the pressure P is too high, the life of the fuel cell device may be reduced due to deterioration of the electrolyte membrane 11. Therefore, it may be appropriately determined by setting the closing period Ta (= T2−T1) of the valve B1 from the capacity of the air pump AP, the capacity of the air flow path 150, the structure thereof, and the like. In the present embodiment, this period Ta is 1 second.

空気流路150内の圧力が適当な値に上昇した時点T2で、バルブB1を急激に開くと、空気圧が一気に下がることで細孔に押し込まれていた空気が水を伴って空気流路150に排出されて、最終的に排出口151から排出される。   When the valve B1 is suddenly opened at the time T2 when the pressure in the air flow path 150 rises to an appropriate value, the air that has been pushed into the pores due to a sudden drop in air pressure enters the air flow path 150 with water. It is discharged and finally discharged from the discharge port 151.

また、図3は、燃料電池装置Aが発生する電流密度とカソード13近傍で生成される水量との関係を模式的に示した図である。この図3に示される様に、燃料電池装置Aの発電量が大きくなるにつれて生成される水の量が多くなる。よって、燃料電池装置Aが電力を供給する負荷が大きくなるとより多くの水が生成され、より短時間にカソード13の電極基材の細孔を閉塞してしまい、出力電圧の低下を招くことになる。   FIG. 3 is a diagram schematically showing the relationship between the current density generated by the fuel cell device A and the amount of water generated in the vicinity of the cathode 13. As shown in FIG. 3, the amount of water generated increases as the power generation amount of the fuel cell device A increases. Therefore, when the load to which the fuel cell device A supplies power increases, more water is generated, and the pores of the electrode base material of the cathode 13 are blocked in a shorter time, leading to a decrease in output voltage. Become.

これに対応するために、図2(A)で示したバルブB1の開閉周期Tc(=T3−T1)を図4の実線4−1で示すように、負荷が大きくなる場合は開閉周期Tcを短く、負荷が小さくなる場合は開閉周期Tcを長くするといった、負荷の大きさに応じて変化させれば良い。従って、例えば負荷が大きくなるに従いバルブB1の開閉周期Tcを短くし、負荷が大きくなるに従い生成される量が増加する水を効率良く空気流路150の外に排出することで、出力電圧が低下することなく安定した電力を供給することが出来る。この開閉周期Tcは、上記のバルブB1を閉じる期間Ta、燃料電池の容量、負荷の大きさ及び負荷の変動幅等により適宜決めればよい。尚、本実施形態においては、開閉周期Tcの可変範囲は1.5秒から10秒としている。また、負荷の大きさに対応してバルブB1の開閉周期Tcを決める場合、燃料電池装置Aが電力を供給する対象の負荷の変化に応じて、連続的に開閉周期を変えるようにしても良いし、負荷の大きさをいくつかに分類して離散的に開閉周期を変えるようにしても良い。負荷の大きさを3つに分類し、バルブB1の開閉周期Tcを3段階とした例を図4に破線4−2にて示している。   In order to cope with this, the opening / closing cycle Tc (= T3-T1) of the valve B1 shown in FIG. 2A is indicated by the solid line 4-1 in FIG. When the load is short and the load is small, the open / close cycle Tc may be increased according to the load. Therefore, for example, the opening / closing cycle Tc of the valve B1 is shortened as the load increases, and the output voltage decreases by efficiently discharging water whose amount generated as the load increases to the outside of the air flow path 150. Stable power can be supplied without doing so. The opening / closing cycle Tc may be determined as appropriate according to the period Ta during which the valve B1 is closed, the capacity of the fuel cell, the magnitude of the load, the fluctuation range of the load, and the like. In the present embodiment, the variable range of the opening / closing cycle Tc is 1.5 seconds to 10 seconds. Further, when the opening / closing cycle Tc of the valve B1 is determined according to the magnitude of the load, the opening / closing cycle may be continuously changed according to the change in the load to which the fuel cell device A supplies power. However, the magnitude of the load may be classified into several, and the switching cycle may be changed discretely. An example in which the magnitude of the load is classified into three and the opening / closing cycle Tc of the valve B1 is set in three stages is shown by a broken line 4-2 in FIG.

ここで制御部2は、燃料電池装置Aが電力を供給する負荷から受ける変更負荷の変更時期と大きさに基づいてバルブB1を制御する排出制御部2aを有している。この排出制御部2aは、例えばマイクロコンピュータを用いて、負荷より負荷が変化する時期と変化後の負荷の大きさを得ると、予め実験等で得ている燃料電池1が持つ特性より、予め決めたおいたバルブB1を閉じる期間Taと負荷の大きさより算出又は参照テーブル等により開閉周期Tcを求め、この閉じる期間Ta及び開閉周期Tcに従ってバルブB1の開閉制御を行うように構成されている。   Here, the control unit 2 includes a discharge control unit 2a that controls the valve B1 based on the change timing and magnitude of the change load received from the load that the fuel cell apparatus A supplies power. When the discharge control unit 2a uses a microcomputer, for example, to obtain the time when the load changes from the load and the magnitude of the load after the change, the discharge control unit 2a determines in advance from the characteristics of the fuel cell 1 obtained in advance through experiments or the like. An opening / closing cycle Tc is calculated from a closing period Ta and the magnitude of the load, or a reference table or the like, and the opening / closing control of the valve B1 is performed according to the closing period Ta and the opening / closing cycle Tc.

例えば特許文献1で示した様な燃料電池では、出力電圧に注目した場合図5の破線が示す様に、時期Tfで負荷の変動、例えば負荷が大きくなることでカソード近傍で生成される水の増加により出力電圧が低下して行き、出力電圧値が一定量低下した出力電圧値Vcに達したことを例えば燃料電池の出力に設けた電圧計等により検知した時点Tsより初めて生成される水の排出を開始していたため、出力電圧が変動することになる。   For example, in the fuel cell as shown in Patent Document 1, when attention is paid to the output voltage, as shown by the broken line in FIG. 5, the fluctuation of the load at the time Tf, for example, the water generated in the vicinity of the cathode when the load becomes large is shown. The output voltage decreases due to the increase, and the water generated for the first time from the time Ts when the output voltage value reaches the output voltage value Vc, which is reduced by a certain amount, is detected by, for example, a voltmeter provided at the output of the fuel cell. Since the discharge has started, the output voltage fluctuates.

本実施形態においては、この排出制御部2aにより負荷が変動する時期Tfに合わせて、負荷の大きさにより生成される水の量を考慮した水の排出制御が開始されることになり、図5の実線が示す様に負荷変動による出力電圧の変動を生じることなく安定した電力を供給することが出来る。   In the present embodiment, the discharge control in consideration of the amount of water generated according to the magnitude of the load is started in accordance with the time Tf when the load fluctuates by the discharge control unit 2a. As indicated by the solid line, stable power can be supplied without causing output voltage fluctuations due to load fluctuations.

上記で説明したカソード13の電極基材の細孔を閉塞していた水の除去方法は、図6(A)に示すように空気供給ポンプAPから供給される空気量は一定として、バルブB1の開閉周期を制御しているが、図6(B)や(C)の様に排出制御部2aにバルブB1の開閉の制御にガス流量調整手段として空気ポンプAPの流量制御を加えることは、制御対象が増えるものの、バルブB1の開閉周期の可変幅を比較的狭くすることができ、またガス流路調整の幅も広くする必要がない。従って、バルブB1や空気ポンプAPの制御を容易とすることができ、また空気流路150内の圧力を低く抑えることで電解質膜11の劣化が抑えられることなるので好ましい。   In the method for removing water that has blocked the pores of the electrode base material of the cathode 13 described above, the amount of air supplied from the air supply pump AP is constant as shown in FIG. Although the opening / closing cycle is controlled, the flow control of the air pump AP as a gas flow rate adjusting means is added to the control of the opening / closing of the valve B1 in the discharge control unit 2a as shown in FIGS. 6B and 6C. Although the number of objects increases, the variable width of the opening / closing cycle of the valve B1 can be made relatively narrow, and the width of the gas flow path adjustment need not be widened. Therefore, control of the valve B1 and the air pump AP can be facilitated, and deterioration of the electrolyte membrane 11 is preferably suppressed by suppressing the pressure in the air flow path 150 to be low.

図6(B)に示す制御例では負荷の範囲を3つに分類し、それに応じて空気流量を3段階可変とし、バルブB1の開閉周期は、3分割された負荷の範囲内での負荷の変化量に応じて連続的に可変させる方法としている。   In the control example shown in FIG. 6 (B), the load range is classified into three, the air flow rate is made variable in three stages accordingly, and the opening / closing cycle of the valve B1 is the load range within the three divided load ranges. This is a method of continuously varying according to the amount of change.

また、図6(C)に示す制御例では上記と同様に負荷の範囲を3分類し、それに応じてバルブB1の開閉周期を3段階可変とし、空気流量は3分割された負荷範囲内での負荷の変化量に応じて連続的に可変させる方法としている。いずれの方法を用いてもカソード13の電極基材の細孔を閉塞していた水を除去する効果は同等であることから燃料電池装置1や負荷LDの特性に応じて上記の組み合わせ、負荷範囲の分割数、連続可変とするか離散的可変とするか等を適宜選択すればよい。   In addition, in the control example shown in FIG. 6C, the load ranges are classified into three categories as described above, and the opening / closing cycle of the valve B1 is made variable in three stages accordingly, and the air flow rate is within the load range divided into three. This is a method of continuously varying the load according to the amount of change in load. Even if any method is used, the effect of removing the water blocking the pores of the electrode base material of the cathode 13 is the same, so the combination and load range described above according to the characteristics of the fuel cell device 1 and the load LD. What is necessary is just to select suitably the division | segmentation number of this, whether it shall be continuously variable or discretely variable.

尚、閉塞した水を取り除く方法として、ガス流量を大幅に増やすことが考えられるが、上記で説明した電解質膜の劣化に加えて、空気の供給圧を増加させるための空気ポンプの容量の増加、セパレータ等の燃料電池本体の機械的強度の増加による装置の大型化等の問題が生じることから好ましくない。   As a method for removing the clogged water, it is conceivable to greatly increase the gas flow rate, but in addition to the deterioration of the electrolyte membrane described above, an increase in the capacity of the air pump for increasing the air supply pressure, This is not preferable because problems such as an increase in the size of the apparatus due to an increase in the mechanical strength of the fuel cell body such as a separator occur.

また、燃料供給部FにおけるポンプMP1、ポンプMP2、カソード側のポンプMP3は、送液可能なものであればよく、例えば圧電素子で駆動するダイヤフラム式のマイクロポンプ(特開2001−322099号公報)を用いることが出来る。この圧電素子を用いたマイクロポンプを利用する場合、このポンプを燃料電池のセパレータに近い外壁等に設けるのが好ましい。   Further, the pump MP1, the pump MP2, and the cathode-side pump MP3 in the fuel supply unit F are only required to be able to send liquids. For example, a diaphragm type micro pump driven by a piezoelectric element (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-322099) Can be used. When a micropump using this piezoelectric element is used, it is preferable to provide this pump on the outer wall or the like near the separator of the fuel cell.

これらのポンプは、バルブB1が開いている状態では、通常の燃料や希釈液の送液や液の回収をおこなうポンプとして機能させて燃料電池装置Aの電力供給を安定して行い、バルブB1が閉じている状態では、高周波振動源として機能させて、カソードの電極基材の細孔を閉塞している水の除去を空気流路150内の加圧に加えてこれらの圧電素子による高周波振動を燃料電池本体1、特にセパレータB15に加えることでより効果的におこなうことが出来る。これらマイクロポンプの圧電素子に印加する周波数は、ポンプとして機能させる場合は、例えば3kHzから10kHz程度の範囲、高周波振動源として機能させる場合は、20kHz以上とするのが好ましい。   In the state where the valve B1 is open, these pumps function as a pump for feeding normal fuel or diluent and collecting the liquid to stably supply power to the fuel cell device A. In the closed state, it functions as a high-frequency vibration source, and the removal of water blocking the pores of the cathode electrode substrate is applied to the pressurization in the air flow path 150 to cause high-frequency vibrations by these piezoelectric elements. This can be done more effectively by adding it to the fuel cell main body 1, particularly the separator B15. The frequency applied to the piezoelectric elements of these micropumps is preferably set to, for example, a range of about 3 kHz to 10 kHz when functioning as a pump, and 20 kHz or more when functioning as a high frequency vibration source.

また、本実施形態による生成水の除去方法によれば、排出口151から水が排出されるのはバルブB1が開いた直後のしばらくの間であることから、排出される液体を回収するポンプMP3は連続的に運転する必要はなく、バルブB1が開いている期間内に運転すれば良い。こうすることで、ポンプMP3の稼働時間を少なくすることで燃料電池装置Aの消費電力を押さえることが出来る。   Further, according to the method for removing generated water according to the present embodiment, since the water is discharged from the discharge port 151 for a while immediately after the opening of the valve B1, the pump MP3 for recovering the discharged liquid. Does not need to be operated continuously, and may be operated within a period during which the valve B1 is open. By doing so, the power consumption of the fuel cell device A can be suppressed by reducing the operation time of the pump MP3.

(実施例1)
図1に示す構成と同じ燃料電池装置Aを、当初の負荷を50mA/cm2の一定負荷の下で、燃料及び希釈液の供給ポンプであるポンプMP1及びポンプMP2は一定の燃料を供給し続け、この間の空気ポンプAPからの空気供給も一定で供給する状態とし連続運転した。この時、バルブB1の閉じる期間Taを1秒、開閉周期Tcを6秒とした。この燃料電池装置が安定して電力を供給している状態で、図7で示す時間P1にて負荷を100mA/cm2に増加させた。燃料電池装置Aは、負荷より負荷の変更時期と大きさを制御部2の排出制御部2aが受けて予め設定された負荷の大きさとバルブB1の開閉周期Tcとの関係より、バルブB1の開閉周期Tcを当初の6秒より3秒に変更した。この結果の出力電圧の変化を図7の実線で示す。この結果が示すように燃料電池装置Aは、負荷が変化したにもかかわらず出力電圧の変動が生じることなくほぼ一定に保たれていた。
Example 1
In the same fuel cell apparatus A as shown in FIG. 1, the pump MP1 and the pump MP2, which are fuel and diluent supply pumps, continue to supply constant fuel under an initial load of 50 mA / cm 2. During this time, the air supply from the air pump AP was also kept constant, and the operation was continued. At this time, the closing period Ta of the valve B1 was 1 second, and the opening / closing cycle Tc was 6 seconds. With the fuel cell device stably supplying power, the load was increased to 100 mA / cm 2 at time P1 shown in FIG. The fuel cell apparatus A receives the change timing and magnitude of the load from the load by the discharge control section 2a of the control section 2, and opens / closes the valve B1 based on the relationship between the preset load magnitude and the opening / closing cycle Tc of the valve B1. The period Tc was changed from the initial 6 seconds to 3 seconds. The resulting change in output voltage is shown by the solid line in FIG. As shown by this result, the fuel cell apparatus A was kept almost constant without fluctuation of the output voltage despite the change in the load.

参考例として、同じ燃料電池装置Aを用いて、負荷を50mA/cm2から100mA/cm2に切り替えたにもかかわらず、負荷の情報(負荷の変更時期と大きさ)が排出制御部2aが受けられないようにし、バルブB1の開閉周期Tcは当初の6秒に維持された状態で運転を続け、約7分経過後のP2の時点にて負荷が切り替わった情報を排出制御部2aが受けて場合の出力電圧の変化を図7の破線で示す。この結果が示すように、負荷が増加した時点P1で、出力電圧が低下し始め、負荷が切り替わった情報を受けた時点P2で出力電圧が回復を開始し、回復後安定した状態となっていることが分かる。 As a reference example, using the same fuel cell device A, even though the load was switched from 50 mA / cm 2 to 100 mA / cm 2, the load information (changing the timing and magnitude of the load) is discharge control unit 2a The discharge control unit 2a receives the information that the load is switched at the time point P2 after about 7 minutes, and the operation is continued with the opening / closing cycle Tc of the valve B1 being initially maintained at 6 seconds. The change in the output voltage is shown by the broken line in FIG. As shown in this result, the output voltage starts to decrease at the time point P1 when the load increases, and the output voltage starts to recover at the time point P2 when the information that the load is switched is received, and is in a stable state after the recovery. I understand that.

従って、負荷変動に対して、負荷が変化する時期と変化後の負荷の大きさを排出制御部2aが受けてバルブB1の開閉周期Tcを制御することで、燃料電池装置Aは安定した電力を供給できることが確認できた。   Therefore, the discharge control unit 2a receives the time when the load changes and the magnitude of the changed load in response to the load fluctuation, and controls the opening / closing cycle Tc of the valve B1, so that the fuel cell device A can supply stable power. It was confirmed that it could be supplied.

燃料電池装置の一例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an example of a fuel cell apparatus. バルブ開閉と空気流路内の圧力との関係を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the relationship between valve opening and closing and the pressure in an air flow path. 燃料電池装置が発生する電流密度とカソード近傍で生成される水量との関係を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the relationship between the current density which a fuel cell apparatus generate | occur | produces, and the amount of water produced | generated in the cathode vicinity. 負荷の大きさとバルブB1の開閉周期との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the magnitude | size of load, and the opening-and-closing period of valve | bulb B1. 燃料電池装置の出力電圧の安定に関する例を説明する図である。It is a figure explaining the example regarding stability of the output voltage of a fuel cell apparatus. 本実施形態で示すカソード近傍に生成された水の除去方法の例を説明する図である。It is a figure explaining the example of the removal method of the water produced | generated in the cathode vicinity shown in this embodiment. 実施例における燃料電池装置の出力電圧の状態を示す図である。It is a figure which shows the state of the output voltage of the fuel cell apparatus in an Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池
2 制御部
2a 排出制御部
11 電解質膜
12 アノード拡散電極(アノード)
13 カソード拡散電極(カソード)
14 セパレータA(燃料流路を形成している)
15 セパレータB(ガス流路を形成している)
140 燃料流路
141 燃料液供給口
142 余剰燃料液回収口
150 ガス流路
151 排出口
152 空気供給口
A 燃料電池装置
B1 バルブ
C1 燃料液容器
C2 希釈液収容容器
MP1、MP2、MP3 マイクロポンプ
AP 空気ポンプ
F 燃料液供給部
F1、F2、F3 気液分離器
L1 燃料液供給路
L2 希釈液供給路
L3 合流部
L4 混合流路
L5、L6 液回収路
LD 負荷
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Control part 2a Emission control part 11 Electrolyte membrane 12 Anode diffusion electrode (anode)
13 Cathode diffusion electrode (cathode)
14 Separator A (forms fuel flow path)
15 Separator B (forms gas flow path)
140 Fuel flow path 141 Fuel liquid supply port 142 Excess fuel liquid recovery port 150 Gas flow path 151 Discharge port 152 Air supply port A Fuel cell device B1 Valve C1 Fuel liquid container C2 Diluent container MP1, MP2, MP3 Micropump AP Air Pump F Fuel liquid supply section F1, F2, F3 Gas-liquid separator L1 Fuel liquid supply path L2 Diluent supply path L3 Merging section L4 Mixing flow path L5, L6 Liquid recovery path LD Load

Claims (8)

アノード拡散電極、カソード拡散電極及び該アノード拡散電極と該カソード拡散電極との間に挟持された電解質膜を有する膜電極接合体、並びに前記膜電極接合体を挟持すると共に、前記アノード拡散電極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード拡散電極との間に酸素を含むガスが通過するガス流路とを形成する一対のセパレータを備え、外部の負荷に電力を供給する燃料電池本体と、
前記ガス流路の上流において前記酸素を含むガスを供給するためのガス供給手段と、
前記ガス流路の下流において該ガス流路を開閉するための流路開閉手段と、
前記流路開閉手段を開閉する排出制御手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
An anode diffusion electrode, a cathode diffusion electrode, a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane sandwiched between the anode diffusion electrode and the cathode diffusion electrode, and the membrane electrode assembly, and the anode diffusion electrode A fuel cell body for supplying electric power to an external load, comprising a pair of separators forming a fuel flow path through which fuel passes and a gas flow path through which a gas containing oxygen passes between the cathode diffusion electrode ,
Gas supply means for supplying the gas containing oxygen upstream of the gas flow path;
Channel opening and closing means for opening and closing the gas channel downstream of the gas channel;
And a discharge control means for opening and closing the flow path opening and closing means.
前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の大きさに基づいて定められる開閉周期で前記流路開閉手段を制御する構成を備えていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。 The fuel cell apparatus according to claim 1, wherein the discharge control means is configured to control the flow path opening / closing means at an opening / closing cycle determined based on at least the size of the load. 前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の変更に基づいて定められる開閉周期で前記流路開閉手段を制御する構成を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池装置。 3. The fuel cell device according to claim 1, wherein the discharge control means is configured to control the flow path opening / closing means at least with an opening / closing cycle determined based on a change in the load. 4. 前記酸素を含むガスを前記ガス流路へ供給する供給量を調整するガス流量調整手段を備え、
前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の大きさに基づいて定められる開閉周期で、また、少なくとも前記負荷の大きさに基づいて定められるガス供給量となるように、前記流路開閉手段及び前記ガス流量調整手段を制御する構成を備えていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。
A gas flow rate adjusting means for adjusting a supply amount for supplying the gas containing oxygen to the gas flow path;
The discharge control means includes at least an opening / closing cycle determined based on the magnitude of the load, and at least a gas supply amount determined based on the magnitude of the load. 2. The fuel cell device according to claim 1, further comprising a configuration for controlling the flow rate adjusting means.
前記酸素を含むガスを前記ガス流路へ供給する供給量を調整するガス流量調整手段を備え、
前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の変更に基づいて定められる開閉周期で、また、少なくとも前記負荷の変更に基づいて定められるガス供給量となるように、前記流路開閉手段及び前記ガス流量調整手段を制御する構成を備えていることを特徴とする請求項1又は4に記載の燃料電池装置。
A gas flow rate adjusting means for adjusting a supply amount for supplying the gas containing oxygen to the gas flow path;
The discharge control means includes at least an opening / closing cycle determined based on a change in the load, and at least a gas supply amount determined based on the change in the load. 5. The fuel cell device according to claim 1, further comprising a configuration for controlling the means.
第1の圧電素子をアクチュエータとし前記燃料を前記燃料流路に供給するための燃料供給手段を前記セパレータに隣接して備え、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を開いた状態では、前記第1の圧電素子は前記燃料を供給可能とする範囲の周波数Aで駆動され、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を閉じた状態では、前記第1の圧電素子は、前記周波数Aより高い周波数で駆動されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池装置。
Fuel supply means for supplying the fuel to the fuel flow path using the first piezoelectric element as an actuator is provided adjacent to the separator,
In a state where the flow path opening / closing means opens the gas flow path, the first piezoelectric element is driven at a frequency A within a range in which the fuel can be supplied,
6. The device according to claim 1, wherein the first piezoelectric element is driven at a frequency higher than the frequency A in a state in which the flow path opening / closing means closes the gas flow path. The fuel cell device according to the description.
前記ガス流路内の液体を回収するための液回収手段を備え、
前記液回収手段は、前記流路開閉手段が前記ガス流路を閉じている状態では停止していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の燃料電池装置。
A liquid recovery means for recovering the liquid in the gas flow path;
The fuel cell apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the liquid recovery means is stopped when the flow path opening / closing means closes the gas flow path.
第2の圧電素子をアクチュエータとし前記ガス流路内の液体を回収するための液回収手段を前記セパレータに隣接して備え、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を開いた状態では、前記第2の圧電素子は前記ガス流路内の液体を回収可能とする範囲の周波数Bで駆動され、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を閉じた状態では、前記第2の圧電素子は、前記周波数Bより高い周波数で駆動されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の燃料電池装置。
A liquid recovery means for recovering the liquid in the gas flow path using the second piezoelectric element as an actuator is provided adjacent to the separator,
In a state where the flow path opening / closing means opens the gas flow path, the second piezoelectric element is driven at a frequency B in a range in which the liquid in the gas flow path can be collected,
7. The device according to claim 1, wherein the second piezoelectric element is driven at a frequency higher than the frequency B in a state where the flow channel opening / closing means closes the gas flow channel. The fuel cell device according to the description.
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