JP2007335381A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造によりスタックの温度上昇を抑制することができ、また小型化を図ることが可能となる燃料電池を提供する。
【解決手段】複数の燃料電池セル１を接続して構成された燃料電池スタック２と、スタックの出力電力を負荷系統に供給する給電回路３と、を備えた燃料電池であって、前記燃料電池セル、燃料電池スタック、または給電回路のいずれかにＰＴＣ素子４を有し、
異常な温度上昇の原因となる過電流が燃料電池スタックから流れた際、この過電流によりＰＴＣ素子の抵抗を増大させて過電流を遮断し、温度上昇を抑制する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

燃料電池は燃料を化学反応させて得られる化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため、高い発電効率を得ることができ、体積当たり・重量当たりのエネルギー量を従来の電池に比べて、数倍から十倍近く高めることができる。
このような燃料電池は、自動車等の車両への搭載や家庭用の熱電併給装置への用途の他、携帯可能な電子機器への応用等幅広い研究が行なわれている。
燃料電池においては、一般的につぎのような概略構成を有している。
例えば、図８に示されるように、単セル１の積層体からなるスタック２と、スタック２の出力電力を外部負荷系統に供給する給電回路３から構成される。
スタック２には、アノード燃料として水素・メタノールなどが、カソード燃料として酸素・空気などが供給される。

このような燃料電池では、外部負荷の必要に応じて出力電力を増減させて発電を行うが、このとき、電気エネルギーに変換されなかったエネルギーが熱として放出される。
係る要因によりスタックの温度が異常に上昇した場合、つぎの１）〜３）のような問題が生じる。すなわち、
１）スタックの構成部材が熱膨張し、圧迫されて、破損または燃料リークの原因となる。
２）構成部材が腐食溶解し、これにより発生した不純物が電解質や触媒層に混入すると、発電特性が低下する。
３）特に固体高分子型電解質を使用する場合は、電解質の融解・蒸発により電解質膜が破損する。
等の問題が生じる。そのため、スタックの温度調整を行うことが重要な問題であった。

このようなことから、従来の燃料電池装置では、スタックの温度上昇を防止するため、例えば特許文献１のように冷却媒体を通じた冷却板を使用した燃料電池や、あるいは特許文献２のように冷却水循環系を構成した燃料電池が提案されている。
また、低温起動時の暖機時間を短縮する際における燃料電池の温度調整を行う方法として、つぎのような方法が知られている。
例えば、特許文献３、４のように予め温度を調整したガスを供給することによりスタックの温度を調整する方法や、あるいは特許文献５のようにスタックを外部短絡して発電し、発生した熱量により温度調整を行う方法が知られている。
特開平９−８２３４２号公報 特開２００２−４２８４６号公報 特開２０００−３１５５１４号公報 特開２００３−１５１５９８号公報 特開２００３−１０９６３６号公報

しかしながら、上記従来例の特許文献１、２のスタックの温度上昇を抑制する燃料電池では、燃料流をスタックに供給する燃料流路とは別に、冷却媒体を冷却板に供給する流路や、冷却水循環系を設けるための余分なスペースが必要となる。そのため、燃料電池の小型化を図る上で不利であった。
さらに、熱交換器への給電を制御する制御手段等を設ける必要があることから、燃料電池の構造が複雑化するという課題を有するものであった。
また、上記従来例の特許文献３、４、５のものは、いずれも低温起動時の暖機時間を短縮するものであり、スタックの温度上昇の抑制に適用することは困難である。

本発明は、上記課題に鑑み、簡易な構造によりスタックの温度上昇を抑制することができ、また小型化を図ることが可能となる燃料電池を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成した燃料電池を提供するものである。
本発明の燃料電池は、複数の燃料電池セルを接続して構成された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの出力電力を負荷系統に供給する給電回路と、を備えた燃料電池であって、
前記燃料電池セル、前記燃料電池スタック、または前記給電回路のいずれかに、ＰＴＣ素子を有することを特徴とする。
なお、ここで、ＰＴＣ素子とは正の温度係数を持つ素子であるＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子を意味している。
また、本発明の燃料電池は、前記燃料電池スタックが、前記複数の燃料電池セルを積層し、直列に接続されて構成されると共に、
前記ＰＴＣ素子が、前記給電回路に直列に接続されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記燃料電池スタックが、前記複数の燃料電池セルを積層して直列に接続されたスタックがさらに並列に接続され、または前記複数の燃料電池セルが並列に接続されて構成されると共に、
前記ＰＴＣ素子が、前記給電回路に直列に接続されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記燃料電池スタックが、前記複数の燃料電池セルを積層して直列に接続されたスタックがさらに並列に接続され、または前記複数の燃料電池セルが並列に接続されて構成されると共に、
前記ＰＴＣ素子が、前記スタックに個別に接続されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記燃料電池スタックが、前記複数の燃料電池セルが積層して直列に接続され、または前記複数の燃料電池セルが並列に接続されて構成されると共に、
前記ＰＴＣ素子が、前記燃料電池スタックあるいは前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルに、近接あるいは接触して配置されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記燃料電池スタックが、前記複数の燃料電池セルが積層して直列に接続され、または前記複数の燃料電池セルが並列に接続されて構成されると共に、
前記ＰＴＣ素子が、前記燃料電池スタック内に配置され、該燃料電池スタックを構成する燃料電池セルと直列に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構造によりスタックの温度上昇を抑制することができ、また小型化を図ることが可能となる燃料電池を実現することができる。

本発明においては、以上の構成により、異常な温度上昇の原因となる過電流が燃料電池スタックから流れた場合、この過電流によりＰＴＣ素子の抵抗が増大することにより過電流を遮断し、これによって温度上昇を抑制することができる。
その際、本発明の実施の形態においては、例えば、つぎのような構成を採ることができる。
即ち、燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの出力電力を負荷系統に供給する給電回路からなる電気回路上に、ＰＴＣ素子を直列に接続した構成を採ることができる。
これにより、燃料電池スタックから出力される電流は、ＰＴＣ素子を経由して外部負荷系統に供給される。
従って、通常発電時においては、素子抵抗は増大せず、給電回路の一部として機能する。
しかし、一旦、異常な温度上昇の原因となる過電流が燃料電池スタックから出力された場合には、前記過電流によりＰＴＣ素子の温度が上昇し、これによりＰＴＣ素子の抵抗が増大して、過電流を遮断し、実質的に温度上昇を抑制することが可能となる。
また、ＰＴＣ素子を、燃料電池スタックあるいは燃料電池スタックを構成する単セルに、近接あるいは接触して配置する構成を採ることで、スタックあるいは単セルの発熱がＰＴＣ素子に伝達されて高抵抗化するため、それ以上の温度上昇を抑制することができる。
すなわち、何らかの不良により燃料電池スタックあるいは単セルの内部抵抗が増大し、過電流以下の電流値において電圧低下が生じて、スタックあるいは単セルの温度が上昇した場合においても、上記高抵抗化によってそれ以上の温度上昇を抑制することができる。
また、ＰＴＣ素子を燃料電池スタック内部に配置することにより、より効率的に、発電部における発熱をＰＴＣ素子に伝達することができる。

尚、本発明は、燃料電池の劣化・損傷に至る温度上昇を回避することを目的としており、上記した過電流とは、係る状況に至るスタックの過剰な出力電流を総称するものである。従って、過電流の値は、特にその範囲を限定されるものではない。
一般的には、スタックの出力電流が増加し、出力電圧が急速に低下して０Ｖとなり、発電の限界に至る前に出力電流を抑制すれば、電圧低下に伴う発熱を未然に回避することができる。
したがって、スタックを外部短絡したときに発生する外部短絡電流がスタックから出力される前に、ＰＴＣ素子が電流を遮断するよう、ＰＴＣ素子が高抵抗化する電流値を設定することが好ましい。
以上のように構成した燃料電池によれば、簡易なシステムにより、スタックの異常な温度上昇を回避することができ、また小型化を図ることが可能となる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した燃料電池について説明する。
図１に、本実施例における単セルを積層して直列に接続してなるスタックによる燃料電池の構成例を示す。
図１において、１は、単セル、２はスタック、３は給電回路、４はＰＴＣ素子である。
本実施例の燃料電池は、単セル１を積層し、直列に接続してなるスタック２と、スタック２の出力を外部負荷系統へ供給する給電回路３と、給電回路３上に直列に接続されたＰＴＣ素子４によって構成される。

つぎに、本実施例におけるスタック電流について説明する。
図２に、本実施例の過電流を出力した際におけるスタック電流の経時変化を説明するための図を示す。
この図２は、図１に示す本実施例の燃料電池と、図８に示す従来例の燃料電池との出力電流値の経時変化を比較したものである。
即ち、図１及び図８の燃料電池における給電回路上の端子ａと端子ｂ及び端子ｃと端子ｄをそれぞれ短絡してスタックを無負荷の状態とし、スタック２の外部短絡電流を過電流としてスタック２から出力させたときの、出力電流値の経時変化を示したものである。
図中の時間−電流曲線２１は、図１に示した燃料電池に対応し、時間−電流曲線２２は、図８に示した燃料電池に、それぞれ対応する。
この図から明らかなように、給電回路３にＰＴＣ素子４を設置することにより、短絡直後から出力電流が微量に抑えられている。
これは、短絡直後に発生した過電流によりＰＴＣ素子４が高抵抗化し、速やかに過電流が遮断されたためであり、また、その後も回路に流れる微量な電流によって、ＰＴＣ素子４が高抵抗状態で維持されるためである。

つぎに、本実施例におけるスタックの温度上昇の抑制について説明する。
図３に、本実施例の過電流を出力した際におけるスタック温度の経時変化を説明するための図を示す。
この図３は、図２に示した出力電流の経時変化に対応する、スタック温度の経時変化を示したものである。
図中の時間−温度曲線３１は、図１に示した燃料電池に対応し、時間−温度曲線３２は、図８に示した燃料電池にそれぞれ対応する。
この図から明らかなように、給電回路３にＰＴＣ素子４を設置することにより、スタック２の温度上昇が大幅に抑制されている。これは、前述したように過電流が遮断されたためである。
このように、本実施例の燃料電池によれば、給電回路３にＰＴＣ素子４を設置することによって、スタック２から出力される過電流が遮断され、温度上昇を抑制することが可能となる。

尚、上述した実施例では、市販のＰＴＣ素子（タイコエレクトロニクス レイケム株式会社製）を使用した。
また、スタックあるいは単セルには、固体高分子型の燃料電池を使用し、アノード燃料として一定圧力の純水素ガスを、カソード燃料として一定圧力の空気を、それぞれスタック内に導入して評価を行った。
また、スタック温度の測定は、単セルの積層方向に対し、中央部に位置する単セルの表面温度を検出した。

［実施例２］
実施例２においては、単セル１を積層し、直列に接続してなるスタック２を、さらに並列に接続した燃料電池の構成例について、説明する。
図４に、本実施例の燃料電池の構成を示す。
本実施例では、給電回路３上の外部負荷寄りの箇所に、ＰＴＣ素子４が直列に接続され、各々のスタックから出力された電流が、ＰＴＣ素子４を接続した回路に集約するように構成される。
本実施例においては、いずれかのスタックから過電流が出力された場合、ＰＴＣ素子４を通過する電流値が増加してＰＴＣ素子４が高抵抗化し、これを遮断することができる。

［実施例３］
実施例３においては、単セル１を積層し、直列に接続してなるスタック２を、さらに並列に接続した構成を備え、各々のスタックについて、ＰＴＣ素子４を個別に接続した燃料電池の構成例について、説明する。
図５に、本実施例の燃料電池の構成を示す。
本実施例においては、いずれのスタックから過電流が出力された場合においても、これを精度よく遮断することができる。

なお、上記実施例１乃至実施例３の燃料電池において、スタック内における単セルの配置は、特に限定されるものではない。例えば、平面配置した単セルを直列に接続したスタックを用いた場合にも、同様の効果が期待できる。
また、上記実施例２または実施例３の燃料電池において、スタックを並列に接続した構成ではなく、単セルを並列に接続した構成であっても、同様の効果が期待できる。

［実施例４］
実施例４においては、単セル１を積層し、直列に接続してなるスタック２の側面に、ＰＴＣ素子４を配置した燃料電池の構成例について、説明する。
図６に、本実施例の燃料電池の構成を示す。
本実施例においては、スタック２から過電流が出力された場合には、これを遮断すると共に、過電流以下の電流値において、スタック２あるいはスタック２を構成する単セル１の温度が上昇した場合においても、温度上昇を抑制することができる。
即ち、過電流以下の電流値において、スタック２あるいはスタック２を構成する単セル１の温度が上昇した場合においても、ＰＴＣ素子４が高抵抗化するため、速やかにスタック２の出力電流を低下させ、それ以上の温度上昇を抑制することができる。

［実施例５］
実施例５においては、単セル１を積層し、直列に接続してなるスタック２において、単セル１によりＰＴＣ素子４を挟持して配置した燃料電池の構成例について、説明する。
図７に、本実施例の燃料電池の構成を示す。
本実施例によれば、ＰＴＣ素子４は、単セル１との接触面において、前記単セル１と直列に接続しており、これにより、スタック２から過電流が出力された場合には、これを遮断すると共に、単セル１からの発熱を効率的にＰＴＣ素子４に伝達することができる。

なお、上記実施例４または実施例５の燃料電池において、スタック内における単セルの配置や接続方法は、特に限定されるものではない。例えば、単セルを並列に接続してなるスタックを用いても、同様の効果が期待できる。
また、ＰＴＣ素子の配置個所は、スタックあるいは単セルの温度が効率的に伝達される配置であれば、特に限定されるものではない。

本発明の実施例１における単セルを積層して直列に接続してなるスタックによる燃料電池の構成例を示す図。 本発明の実施例１の過電流を出力した際におけるスタック電流の経時変化を説明するための図。 本発明の実施例１の過電流を出力した際におけるスタック温度の経時変化を説明するための図。 本発明の実施例２における単セルを積層し、直列に接続してなるスタックを、さらに並列に接続した燃料電池の構成例を示す図。 本発明の実施例３における単セルを積層し、直列に接続してなるスタックを、さらに並列に接続した構成を備え、各々のスタックについて、ＰＴＣ素子を個別に接続した燃料電池の構成例を示す図。 本発明の実施例４における単セルを積層し、直列に接続してなるスタックの側面に、ＰＴＣ素子を配置した燃料電池の構成例を示す図。 単セルを積層し、直列に接続してなるスタックにおいて、単セルによりＰＴＣ素子を挟持して配置した燃料電池の構成例を示す図。 従来例における燃料電池の一般的な構成を示す図。

符号の説明

１：単セル
２ :スタック
３ :給電回路
４：ＰＴＣ素子
２１：図１に示した本実施例の燃料電池における電流の経時変化
２２：図８に示した従来例の燃料電池における電流の経時変化
３１： 図１に示した本実施例の燃料電池における温度の経時変化
３２： 図８に示した従来例の燃料電池における温度の経時変化

Claims (6)

1. 複数の燃料電池セルを備えた燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの出力電力を負荷系統に供給する給電回路と、を備えた燃料電池であって、
   前記燃料電池セル、前記燃料電池スタック、または前記給電回路のいずれかに、ＰＴＣ素子を有することを特徴とする燃料電池。
2. 前記燃料電池スタックは、前記複数の燃料電池セルを積層し、直列に接続されて構成されると共に、
   前記ＰＴＣ素子が、前記給電回路に直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記燃料電池スタックは、前記複数の燃料電池セルを積層して直列に接続されたスタックがさらに並列に接続され、または前記複数の燃料電池セルが並列に接続されて構成されると共に、
   前記ＰＴＣ素子が、前記給電回路に直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記燃料電池スタックは、前記複数の燃料電池セルを積層して直列に接続されたスタックがさらに並列に接続され、または前記複数の燃料電池セルが並列に接続されて構成されると共に、
   前記ＰＴＣ素子が、前記スタックに個別に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記燃料電池スタックは、前記複数の燃料電池セルが積層して直列に接続され、または前記複数の燃料電池セルが並列に接続されて構成されると共に、
   前記ＰＴＣ素子が、前記燃料電池スタックあるいは前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルに、近接あるいは接触して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記燃料電池スタックは、前記複数の燃料電池セルが積層して直列に接続され、または前記複数の燃料電池セルが並列に接続されて構成されると共に、
   前記ＰＴＣ素子が、前記燃料電池スタック内に配置され、該燃料電池スタックを構成する燃料電池セルと直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

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