JP2008071743A - 燃料電池、および燃料電池の運転方法 - Google Patents

燃料電池、および燃料電池の運転方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料電池スタックにおいて必要な適正レベルの燃料を供給しつつ、バッファの乾燥を防止することが可能な燃料電池、および燃料電池の運転方法を提供する。
【解決手段】燃料電池スタックと、バッファと、アクチュエータとを備える燃料電池において、バッファの特定物理量の値によって、アクチュエータの動作を制御する制御回路部を備える燃料電池が提供される。
【選択図】図2

Description

本発明は、燃料電池、および燃料電池の運転方法に係り、さらに詳細には、アクチュエータ制御手段を備える燃料電池およびその運転方法に関する。
燃料電池システムは、メタノールのような燃料を利用して電気エネルギーを発生させるエネルギー発生装置である。燃料電池システムは、燃料のうち、水素と空気中の酸素とが反応して電気エネルギーを発生させる燃料電池(発電部)と、燃料電池に燃料を供給するカートリッジ、すなわち燃料タンクとを備える。
図1は、従来の技術に係る燃料電池システムSS1の構成を示す図面である。
図1を参照すると、燃料電池10は、燃料電池スタック10A、バッファ10B、アクチュエータ10Cを備える。燃料電池スタック10Aは、電気が発生する部分であって、複数の単位電池を含む。アクチュエータ10Cは、カートリッジ12からバッファ10Bに燃料を伝達する役割を果たす。アクチュエータ10Cに燃料を供給するカートリッジ12を燃料電池システムSS1の1次燃料保存所とすれば、バッファ10Bは、2次燃料保存所である。バッファ10Bは、アクチュエータ10Cから供給される燃料を保存し、燃料電池スタック10Aで必要とする燃料量を供給する。燃料電池システムSS1を電源として使用する負荷の瞬間使用量は変わるため、燃料電池スタック10Aで消耗される燃料量も毎瞬間変わる。バッファ10Bは、毎瞬間変わる燃料電池スタック10Aの燃料消耗量に合わせて、必要な燃料を燃料電池スタック10Aに供給するためのものである。
一方、燃料電池スタック10Aで消耗される燃料量がアクチュエータ10Cからバッファ10Bに供給される燃料量より多いこともある。言い換えれば、バッファ10Bから流出される燃料量がバッファ10Bに流入される燃料量より多いこともある。バッファ10Bは、2次燃料保存所として使われるため、バッファ10Bから流出される燃料量がバッファ10Bに流入される燃料量より多い場合が1回や2回ほど発生するとしても、問題とはならない。
しかし、上記の場合が持続的に発生する場合、バッファ10Bが2次燃料保存所としても、燃料電池スタック10Aに必要なだけの燃料がバッファ10Bから供給され難くなりうる。また、バッファ10Bの一部領域で燃料が完全に枯渇するドライ現象が現れうる。
一方、燃料電池スタック10Aで消耗される燃料量がバッファ10Bに流入される燃料量より少ない場合もありうる。このような場合が持続的でなければ、バッファ10Bは、燃料保存能力を有しているため、問題とはならない。
上記の場合が持続的な時にも、バッファ10Bが燃料で完全に充填されるまでは、大きく問題とはならない。しかし、バッファ10Bが燃料に完全に充填された後には、アクチュエータ10Cからバッファ10Bに流入される燃料量は、そのまま燃料電池スタック10Aに供給される。これは、すなわち、燃料電池スタック10Aに燃料が過剰供給される結果を招く。
燃料電池システムSS1がオフ状態である時にも、燃料電池スタック10Aに残っている燃料は反応し続ける。このような結果は、燃料電池スタック10Aの機能低下を招く。また、燃料電池スタック10Aに燃料が過剰供給された状態で燃料電池システムSS1がオフになった場合は、燃料電池スタック10Aの機能は、さらに低下してしまう。以後、燃料電池スタック10Aでの燃料使用効率は、低くなりうる。
特開2006−第059778号公報
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、燃料電池スタックにおいて必要な適正レベルの燃料を供給しつつ、バッファの乾燥を防止することが可能な、新規かつ改良された燃料電池、および燃料電池の運転方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の第1の観点によれば、燃料電池スタックと、バッファと、アクチュエータとを備える燃料電池において、上記バッファの特定物理量の値によって、上記アクチュエータの動作を制御する制御回路部を備える燃料電池が提供される。
また、上記燃料電池スタックは、モノポーラスタックとバイポーラスタックとのうちいずれか一つであるとしてもよい。
また、上記特定物理量は、抵抗の値であるとしてもよい。
また、上記バッファは、上記燃料電池の位置に関係なく燃料を上記バッファの全領域に均一に保存しうる燃料保存媒体を備えるとしてもよい。
また、上記バッファは、板型、箱型および円筒形のうちいずれか一つの形態であるとしてもよい。
また、上記目的を達成するために、本発明の第2の観点によれば、燃料電池スタックと、バッファと、アクチュエータとを備える燃料電池の運転方法において、上記バッファの特定物理量を測定する第1ステップと、上記測定された特定物理量と、上記特定物理量の基準値とを比較する第2ステップと、上記比較結果によって、上記アクチュエータをオン/オフする第3ステップとを有する燃料電池の運転方法が提供される。
また、上記燃料電池は、上記アクチュエータの動作を制御する制御回路部をさらに備え、
上記第1ステップにおける上記特定物理量の測定は、上記制御回路部により行われるとしてもよい。
また、上記燃料電池は、上記アクチュエータの動作を制御する制御回路部をさらに備え、
上記第2ステップにおける上記比較は、上記制御回路部により行われるとしてもよい。
また、上記燃料電池は、上記アクチュエータの動作を制御する制御回路部をさらに備え、
上記第3ステップにおける上記アクチュエータのオン/オフは、上記制御回路部により行われるとしてもよい。
また、上記第3ステップにおける上記アクチュエータのオン/オフは、上記制御回路部により行われるとしてもよい。
また、上記特定物理量は、抵抗の値および電流の値のうちいずれか一つであるとしてもよい。
また、上記特定物理量の基準値は、一定量の燃料が充填された上記バッファの上記特定物理量であるとしてもよい。
また、上記第3ステップは、上記特定物理量が上記特定物理量の基準値より大きいとき、上記アクチュエータを所定時間稼動させるステップを有するとしてもよい。
また、上記第3ステップは、上記特定物理量が上記特定物理量の基準値以下であるとき、上記アクチュエータの動作を所定時間停止させるステップを有するとしてもよい。
また、上記アクチュエータを上記所定時間稼動させながら、上記第1ステップおよび第2ステップを反復するとしてもよい。
また、上記アクチュエータを上記所定時間停止させながら、上記第1ステップおよび第2ステップを反復するとしてもよい。
また、上記第2ステップにおける上記比較は、上記制御回路部により行われるとしてもよい。
また、上記第3ステップにおける上記アクチュエータのオン/オフは、上記制御回路部により行われるとしてもよい。
また、上記第3ステップは、上記特定物理量が上記特定物理量の基準値以下であるとき、上記アクチュエータの動作を所定時間停止させるステップを有するとしてもよい。
本発明によれば、電池スタックにおいて必要な適正レベルの燃料を供給しつつ、バッファの乾燥を防止することができる。
具体的には、本発明に係る燃料電池は、バッファの抵抗を測定し、測定された抵抗を基準抵抗と比較してアクチュエータの動作を制御する制御回路部を備える。
したがって、本発明は、上記基準抵抗を適切に設定することによって、上記バッファから燃料電池スタックに供給される燃料量を所定範囲で一定に制御することができる。そして、燃料電池を停止させる場合、上記バッファに残る燃料量を一定の範囲に減らせるように燃料電池を運転することができる。
このように、本発明に係る燃料電池は、上記バッファから燃料電池スタックに供給される燃料量を所定範囲で一定に制御することができるので、燃料電池の出力を所定範囲で安定的に維持でき、また、燃料ドライ現象と、燃料が燃料電池スタックに過度に供給されることとを防止することができる。
また、燃料電池がオフ状態であるとき、上記バッファに残る燃料量を一定の範囲に減らすことが可能であるため、燃料電池がオフになった状態で、燃料電池に残った燃料の反応に起因した副作用である燃料電池スタックの機能低下の発生を低減し、燃料使用効率を向上させることができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
(本発明に係る実施形態)
まず、本発明の実施形態に係る燃料電池について説明する。
図2を参照すると、本発明の実施形態に係る燃料電池システムSS2は、燃料電池20とカートリッジ30とを備える。燃料電池20は、燃料を利用して電気エネルギーを発生させる。カートリッジ30は、燃料電池20に供給される燃料が保存されている。カートリッジ30から燃料電池20への燃料の供給は、カートリッジ30が燃料電池20に装着され、弁(図示せず)を通じて行われる。
燃料電池20は、複数の単位セルを備え、例えば、複数の単位セルがモノポーラスタックあるいはバイポーラスタックで積層されている燃料電池スタック20Aを備える。ここで、モノポーラスタックは、一つのメンブレインに上記複数の単位セルが配置されるものであり、また、バイポーラスタックは、複数の単位セルが垂直に配置されるものである。
また、燃料電池20は、バッファ20B(あるいは、2次燃料保存所)と、アクチュエータ20Cと、制御回路部20Dとを備える。ここで、カートリッジ30は、第1燃料保存所として捉えることができる。
アクチュエータ20Cは、制御回路部20Dの制御によってカートリッジ30の燃料をバッファ20Bに伝達または遮断する。バッファ20Bは、アクチュエータ20Cから伝えられた燃料を保存し、燃料電池スタック20Aで消耗される燃料量だけ燃料電池スタック20Aに適正燃料を供給する。制御回路部20Dは、ロジック回路であって、アクチュエータ20Cの動作を制御する。制御回路部20Dは、アクチュエータ20Cを制御するための制御値としてバッファ20Bの電気的抵抗値(以下、「抵抗」という。)を利用する。
バッファ20Bの抵抗を測定するためには、例えば、図3に示すように、バッファ20Bの両端に電極E1、E2が付着させることが挙げられる。例えば、バッファ20Bが、絶縁性ケースと、ケースの内部に備えられる燃料保存媒体(例、多孔性物質)とを備える場合、電極E1、E2は、燃料保存媒体と接触するように備えることができる。また、例えば、バッファ20Bが絶縁性ケースであり、ケース内に燃料が充填された場合、電極E1、E2は、燃料と接触されるようにケース内に備えられることができる。ここで、バッファ20Bは、例えば、板型、箱型および円筒形のうちいずれか一つの形態をとることができる。
バッファ20Bの抵抗を測定するために、制御回路部20Dは、電極E1、E2を通じてバッファ20Bに所定の電圧を印加してバッファ20Bに流れる電流を測定する。そして、制御回路部20Dは、バッファ20Bに印加された電圧と測定された電流とを利用して、バッファ20Bの抵抗を計算する。
ここで、バッファ20Bに流れる電流とバッファ20Bの抵抗とは、バッファ20Bの絶縁性ケース内に備えられた燃料を含む燃料保存媒体または燃料の電流および抵抗であるが、便宜上バッファ20Bの電流およびバッファ20Bの抵抗と記述する。
バッファ20Bの抵抗は、バッファ20Bに存在する燃料量によって変わる。例えば、バッファ20B内に燃料がない場合には、バッファ20Bの抵抗は、バッファ20Bに燃料がある場合よりはるかに高くなる。そして、バッファ20Bに燃料がある場合、燃料が多ければ多いほど、バッファ20Bの抵抗は低くなる。したがって、バッファ20Bに燃料電池スタック20Aで消耗される燃料量を円滑に供給できるほどの燃料が存在する場合、例えば、バッファ20Bの内部体積の半分に該当する燃料(または、例えば、バッファ20Bの内部体積の1/3)がバッファ20Bに分布する場合のバッファ20Bの抵抗を基準抵抗値(以下、基準抵抗)と定めることができる。
ここで、バッファ20Bの抵抗が上記基準抵抗より大きいということは、バッファ20Bに分布された燃料の体積がバッファ20Bの内部体積の半分より小さいということを意味する。したがって、制御回路部20Dは、バッファ20Bの抵抗が上記基準抵抗以下に低下するまでアクチュエータ20Cを動作させることができる。また、バッファ20Bの抵抗が上記基準抵抗より小さい場合には、バッファ20Bに分布された燃料の量がバッファ20Bの内部体積の半分以上であることを意味するので、制御回路部20Dは、アクチュエータ20Cの動作を中止させることができる。
一方、バッファ20Bの電気的抵抗が変わると、バッファ20Bの電流が変わるので、制御回路部20Dは、バッファ20Bの抵抗の代りに、電流を制御値として利用して、アクチュエータ20Cの動作を制御することもできる。
図3は、図2に示した本発明の実施形態に係る燃料電池において、アクチュエータ20C、バッファ20Bおよび制御回路部20Dの動作関係を示す。図3において、ブロック矢印A1は、バッファ20Bから燃料電池スタック20Aに供給される燃料をあらわす。
図3を参照すると、バッファ20Bの抵抗が上記基準抵抗より大きい場合、所定の動作信号が制御回路部20Dからアクチュエータ20Cに印加される。上記動作信号によって、アクチュエータ20Cは、オン状態になって、バッファ20Bに燃料を供給する。アクチュエータ20Cから供給される燃料は、バッファ20Bの下部に付着された燃料拡散板40を通じてバッファ20Bに供給される。燃料拡散板40によってアクチュエータ20Cから供給された燃料は、バッファ20Bの下面の全領域に同時に供給されうる。上記動作信号は、第1時間t1の間に印加されうる。上記動作信号が印加された後、バッファ20Bに到達された燃料がバッファ20Bの全体に均等に広げられるまで、第2時間t2の間にアクチュエータ20Cをオフにする。
制御回路部20Dは、アクチュエータ20Cがオフになる第2時間t2の間にバッファ20Bの抵抗を測定する。このとき、バッファ20Bの抵抗が依然として上記基準抵抗より大きければ、制御回路部20Dは、第2時間t2の後にアクチュエータ20Cに動作信号を伝達してアクチュエータ20Cを再び動作させる。また、第2時間t2を経た後、バッファ20Bの抵抗が上記基準抵抗以下であれば、制御回路部20Dは、バッファ20Bの抵抗が上記基準抵抗より大きくなるまで、アクチュエータ20Cをオフ状態に維持し続ける。
ここで、過多な燃料供給による問題が発生しないように、例えば、第1時間t1を第2時間t2より短く設定することが望ましいが、例外もありうる。また、第1時間t1と第2時間t2との和t1+t2は、制御回路部20Dがアクチュエータ20Cを制御するためにアクチュエータ20Cに印加する動作信号の周期である。上記周期は、例えば、10秒ほどでありうる。上記周期が10秒ほどである場合、第1時間t1は、3秒〜5秒、第2時間t2は、5秒〜7秒ほどでありうる。なお、本発明の実施形態に係る周期の時間t1+t2は、10秒に限られず、バッファ20Bの抵抗によって10秒より短いか、あるいは長くなることは、言うまでもない。
一方、バッファ20Bの両端に付着された電極E1、E2は、例えば、図4に示すように、バッファ20Bの下面の両側に付着されることもある。また、バッファ20Bは、多孔性材質で構成することができる。このとき、多孔性材質のホールのサイズは、バッファ20Bに流入された燃料が燃料電池の使用環境に関係なく、バッファ20Bに均一に分布されうるほどのサイズ、例えば、ミクロン単位であることが望ましい。なお、バッファ20Bは、多様な形状を有することができる。
また、アクチュエータ20Cと燃料拡散板40との間に燃料の流れを断続する別途の弁(図示せず)が備えられた場合、制御回路部20Dは、アクチュエータ20Cを制御する原理と同じ原理で、上記弁(図示せず)を直接制御することもできる。
(燃料電池の運転方法)
次いで、前述した本発明の実施形態に係る燃料電池の運転方法を説明する。
図5は、本発明の実施形態に係る燃料電池の運転方法のうち、バッファ20B、アクチュエータ20Cおよび制御回路部20Dの間の運転方法を段階別に要約して示す説明図である。
図3および図5を参照すると、本発明の実施形態に係る燃料電池の運転方法は、まず制御回路部20Dを利用してバッファ20Bの抵抗R1を測定する(S1)。次いで、測定されたバッファ20Bの抵抗R1の値と、制御回路部20Dに既入力の基準抵抗Rrefの値とを比較して、サイズを判断する(ステップS2、S2’)。
第2ステップS2、S2’の比較判断過程で、抵抗R1の値が基準抵抗Rrefの値より大きい場合には(R1>Rref)(Y)、制御回路部20Dは、アクチュエータ20Cに動作信号を所定時間印加して動作させる(ステップS3)。以後、抵抗R1の値と、基準抵抗Rrefの値とを比較して、二つの抵抗の大小を判断する(ステップS4)。ステップS4において、抵抗R1の値が依然として基準抵抗Rrefの値より大きければ(Y)、ステップS3(第3ステップ)を反復する。
一方、第2ステップS2、S2’の比較で、抵抗R1の値が基準抵抗Rrefの値より大きくない場合(N)、すなわち、抵抗R1の値が基準抵抗Rrefの値と同じであるか、または小さい場合には、制御回路部20Dは、アクチュエータ20Cの動作を中止させる(ステップS5)。以後、抵抗R1の値と基準抵抗Rrefの値とを比較して、二つの抵抗の大小を判断する(ステップS6)。このとき、抵抗R1の値が依然として基準抵抗Rrefの値より大きくなければ(N)、ステップS5を反復する。アクチュエータ20Cの動作中止状態は、抵抗R1の値が基準抵抗Rrefの値より大きくなるまで維持する。
本発明の実施形態に係る燃料電池の運転方法では、ステップS3(第3ステップ)においてアクチュエータ20Cに印加する上記動作信号を、図3の説明で述べた第1時間t1の間に印加することができる。また、ステップS4(第4ステップ)における、アクチュエータ20Cの動作中止は、図3の説明で述べた第2時間t2の間に維持することができる。
上記燃料電池の運転方法では、バッファの他の特定物理量を利用することができ、例えば、バッファ20Bの抵抗を測定する代わりに、電流を測定し、測定された電流を基準電流と比較することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成要素であるアクチュエータやカートリッジの構造を変形させることができる。また、図3に示すバッファ20Bを、例えば2個以上に分割することができ、燃料拡散板40も同じ数に分割することもできる。
本発明は、携帯用電子装備の電源として用いることができ、例えば、携帯電話、ノート型パソコン、PDA(Personal Digital Assistant)、GPS(Global Positioning System)、MP3(MPEG-1 Audio Layer-3)プレイヤー、カムコーダ、各種の動画ディスプレイ、デジタル機器の電源、またはフラッシュ電源などに適用することができる。
従来の燃料電池の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の構成を示すブロック図である。 図2の燃料電池において、バッファ、アクチュエータおよび制御回路部の間の動作関係を示す説明図である。 図3のバッファに付着された電極がバッファの他の位置に備えられた構成を示す断面図である。 図2に示す燃料電池の運転方法のうち、バッファ、アクチュエータおよび制御回路部の間の運転方法を示すフローチャートである。
符号の説明
SS2 燃料電池システム
20 燃料電池
20A 燃料電池スタック
20B バッファ
20C アクチュエータ
20D 制御回路部
30 カートリッジ

Claims (19)

  1. 燃料電池スタックと、バッファと、アクチュエータとを備える燃料電池において:
    前記バッファの特定物理量の値によって、前記アクチュエータの動作を制御する制御回路部を備え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、モノポーラスタックとバイポーラスタックとのうちいずれか一つであることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池。
  3. 前記特定物理量は、抵抗の値であることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池。
  4. 前記バッファは、前記燃料電池の位置に関係なく燃料を前記バッファの全領域に均一に保存しうる燃料保存媒体を備えることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池。
  5. 前記バッファは、板型、箱型および円筒形のうちいずれか一つの形態であることを特徴とする、請求項4に記載の燃料電池。
  6. 燃料電池スタックと、バッファと、アクチュエータとを備える燃料電池の運転方法において:
    前記バッファの特定物理量を測定する第1ステップと;
    前記測定された特定物理量と、前記特定物理量の基準値とを比較する第2ステップと;
    前記比較結果によって、前記アクチュエータをオン/オフする第3ステップと;
    を有することを特徴とする、燃料電池の運転方法。
  7. 前記燃料電池は、前記アクチュエータの動作を制御する制御回路部をさらに備え、
    前記第1ステップにおける前記特定物理量の測定は、前記制御回路部により行われることを特徴とする、請求項6に記載の燃料電池の運転方法。
  8. 前記燃料電池は、前記アクチュエータの動作を制御する制御回路部をさらに備え、
    前記第2ステップにおける前記比較は、前記制御回路部により行われることを特徴とする、請求項6に記載の燃料電池の運転方法。
  9. 前記燃料電池は、前記アクチュエータの動作を制御する制御回路部をさらに備え、
    前記第3ステップにおける前記アクチュエータのオン/オフは、前記制御回路部により行われることを特徴とする、請求項6に記載の燃料電池の運転方法。
  10. 前記第3ステップにおける前記アクチュエータのオン/オフは、前記制御回路部により行われることを特徴とする、請求項8に記載の燃料電池の運転方法。
  11. 前記特定物理量は、抵抗の値および電流の値のうちいずれか一つであることを特徴とする、請求項6に記載の燃料電池の運転方法。
  12. 前記特定物理量の基準値は、一定量の燃料が充填された前記バッファの前記特定物理量であることを特徴とする、請求項6に記載の燃料電池の運転方法。
  13. 前記第3ステップは、前記特定物理量が前記特定物理量の基準値より大きいとき、前記アクチュエータを所定時間稼動させるステップを有することを特徴とする、請求項6に記載の燃料電池の運転方法。
  14. 前記第3ステップは、前記特定物理量が前記特定物理量の基準値以下であるとき、前記アクチュエータの動作を所定時間停止させるステップを有することを特徴とする、請求項6に記載の燃料電池の運転方法。
  15. 前記アクチュエータを前記所定時間稼動させながら、前記第1ステップおよび第2ステップを反復することを特徴とする、請求項13に記載の燃料電池の運転方法。
  16. 前記アクチュエータを前記所定時間停止させながら、前記第1ステップおよび第2ステップを反復することを特徴とする、請求項14に記載の燃料電池の運転方法。
  17. 前記第2ステップにおける前記比較は、前記制御回路部により行われることを特徴とする、請求項7に記載の燃料電池の運転方法。
  18. 前記第3ステップにおける前記アクチュエータのオン/オフは、前記制御回路部により行われることを特徴とする、請求項7に記載の燃料電池の運転方法。
  19. 前記第3ステップは、前記特定物理量が前記特定物理量の基準値以下であるとき、前記アクチュエータの動作を所定時間停止させるステップを有することを特徴とする、請求項13に記載の燃料電池の運転方法。
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