JP2009021209A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体燃料を用いた燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell using liquid fuel.
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は、燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなる。 In recent years, attempts have been made to use a fuel cell as a power source for portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones so that they can be used for a long time without being charged. The fuel cell has a feature that it can generate electric power simply by supplying fuel and air, and can generate electric power continuously for a long time if fuel is replenished. For this reason, if the fuel cell can be reduced in size, it becomes a very advantageous system as a power source for portable electronic devices.
直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)は、小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。DMFCにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式や、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。 The direct methanol fuel cell (DMFC) is promising as a power source for portable electronic devices because it can be miniaturized and the fuel can be easily handled. As the liquid fuel supply method in the DMFC, there are known an active method such as a gas supply type and a liquid supply type, and a passive method such as an internal vaporization type in which the liquid fuel in the fuel container is vaporized inside the cell and supplied to the fuel electrode. It has been.
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はDMFCの小型化に対して特に有利である。パッシブ型DMFCにおいては、例えばアノード(燃料極)、電解質膜およびカソード(空気極)を有する膜電極接合体(燃料電池セル)を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型DMFCでは必ずしも十分な出力制御性は得られていない。 Among these, a passive system such as an internal vaporization type is particularly advantageous for downsizing of the DMFC. In the passive type DMFC, for example, a structure in which a membrane electrode assembly (fuel cell) having an anode (fuel electrode), an electrolyte membrane, and a cathode (air electrode) is disposed on a fuel housing portion made of a resin box-like container. Has been proposed (see, for example, Patent Document 1). When the fuel vaporized from the fuel container is directly supplied to the fuel cell, it is important to improve the output controllability of the fuel cell, but the current passive DMFC does not always have sufficient output controllability. .
一方、DMFCの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することが検討されている(例えば、特許文献2−4参照。)。燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。特許文献3には、燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給する燃料電池が記載され、特許文献4には、電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給する燃料電池が記載されている。
On the other hand, it has been studied to connect a fuel cell of DMFC and a fuel storage part via a flow path (see, for example, Patent Documents 2-4). By supplying the liquid fuel supplied from the fuel storage unit to the fuel cell via the flow path, the supply amount of the liquid fuel can be adjusted based on the shape and diameter of the flow path.
また、従来、燃料電池にヒータ等の加熱部を設けて、燃料電池の出力を調整することが行われている。例えば、燃料電池に燃料電池を加熱する加熱部を設け、例えば、電源が供給可能な電力である供給可能電力よりも要求電力が大きいときには、加熱部の加熱に使用される電力を制限する技術等が開示されている(例えば、特許文献5参照。)。
燃料電池を作動させて発電する際、発電反応の結果としてカソード触媒層で水が発生する。従来の燃料電池では、その水がカソード触媒層やカソードガス拡散層の中に必要以上に保持されることによって、カソード触媒層で反応に必要な酸素が十分に供給されないことがあった。また、水がカソード触媒層やカソードガス拡散層の中に必要以上に保持されることによって、膜電極接合体を構成する部材の少なくとも一部の劣化を早め、燃料電池の出力が低下する恐れがあった。また、ヒータ等の加熱部が設けられた従来の燃料電池では、これらのカソードにおける問題を解決できる構成ではなかった。 When power is generated by operating the fuel cell, water is generated in the cathode catalyst layer as a result of the power generation reaction. In conventional fuel cells, the water necessary for the reaction in the cathode catalyst layer may not be sufficiently supplied by holding the water in the cathode catalyst layer or the cathode gas diffusion layer more than necessary. In addition, if water is retained more than necessary in the cathode catalyst layer or the cathode gas diffusion layer, at least part of the members constituting the membrane electrode assembly may be accelerated, and the output of the fuel cell may be reduced. there were. In addition, the conventional fuel cell provided with a heating unit such as a heater has not been configured to solve these problems in the cathode.
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、膜電極接合体を構成するカソード触媒層やカソードガス拡散層の中に保持される水量を適切な範囲に維持することができ、長期間に亘って安定した出力を維持することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, and it is possible to maintain the amount of water retained in the cathode catalyst layer and cathode gas diffusion layer constituting the membrane electrode assembly within an appropriate range. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can maintain a stable output over a long period of time.
本発明の一態様によれば、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、前記空気極を加熱可能に設けられた加熱手段と、前記加熱手段を制御する制御手段とを具備することを特徴とする燃料電池システムが提供される。 According to one aspect of the present invention, a membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, and the fuel electrode side of the membrane electrode assembly And a fuel supply mechanism for supplying fuel to the fuel electrode, a heating means provided so as to heat the air electrode, and a control means for controlling the heating means. A fuel cell system is provided.
また、本発明の一態様によれば、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給手段を有する燃料供給機構と、前記膜電極接合体に流れる電流を遮断または所定値以下の電流値に制御する電流制御手段と、前記膜電極接合体で発生する電圧を検知する電圧検知手段と、前記電流制御手段を制御し、前記膜電極接合体に流れる電流を遮断または所定値以下の電流値にし、前記電圧検知手段で検知された電圧値に基づいて、前記燃料供給手段を制御して前記燃料極への燃料供給量を調整する制御手段とを具備することを特徴とする燃料電池システムが提供される。 Moreover, according to one aspect of the present invention, a membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, and the fuel of the membrane electrode assembly A fuel supply mechanism that is disposed on the pole side and has a fuel supply means for supplying fuel to the fuel electrode; and a current control means that cuts off a current flowing through the membrane electrode assembly or controls the current value to be a predetermined value or less. The voltage detection means for detecting the voltage generated in the membrane electrode assembly and the current control means are controlled, the current flowing through the membrane electrode assembly is cut off or set to a current value below a predetermined value, and the voltage detection means There is provided a fuel cell system comprising: a control means for controlling the fuel supply means based on the detected voltage value to adjust the amount of fuel supplied to the fuel electrode.
本発明に係る燃料電池システムによれば、膜電極接合体を構成するカソード触媒層やカソードガス拡散層の中に保持される水量を適切な範囲に維持することができ、長期間に亘って安定した出力を維持することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, the amount of water retained in the cathode catalyst layer and the cathode gas diffusion layer constituting the membrane electrode assembly can be maintained in an appropriate range and stable over a long period of time. Output can be maintained.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明に係る第1の実施の形態の燃料電池システム1の構成を示す断面図である。図2は、本発明に係る第1の実施の形態の燃料電池においてポンプ80を備えた場合の燃料電池システム1の構成を示す断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a
図1に示すように、燃料電池システム1は、起電部を構成する燃料電池セル10と、この燃料電池セル10のアノード(燃料極)側およびカソード(空気極)側にそれぞれ設けられたアノード導電層18、カソード導電層19と、このアノード導電層18に対向させて設けられた複数の開口部31を有する燃料分配層30と、この燃料分配層30の燃料電池セル10側とは異なる側に配置され、燃料分配層30に液体燃料Fを供給する燃料供給機構40と、カソード導電層19に積層された加熱手段50と、この加熱手段50に積層された保湿層60と、この保湿層60に積層された、複数の空気導入口61を有する表面カバー62とを有する燃料電池2を備える。また、カソード(空気極)16のカソードガス拡散層15の所定位置に、カソードガス拡散層15の温度を計測する温度検知手段70が設けられている。
As shown in FIG. 1, a
また、燃料電池システム1は、アノード導電層18、カソード導電層19のそれぞれに接続された、燃料電池2からの電力を出力する出力配線100、101を備える。また、出力配線100には、燃料電池2に流れる電流を遮断する電流遮断手段102が設けられている。また、燃料電池2は、これらの出力配線100、101を介して図示しない外部負荷に接続されている。さらに、燃料電池システム1は、出力配線100、101間に設けられた、燃料電池セル10で発生する電圧を検知する電圧検知手段103を備える。さらに、燃料電池システム1は、加熱手段50、温度検知手段70、電流遮断手段102、電圧検知手段103と電気的に接続された制御手段110を備える。なお、図中では、制御手段110と各手段とを電気的に接続する配線は省略している。
The
燃料電池セル10は、いわゆる膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)であり、アノード触媒層11とアノードガス拡散層12とを有するアノード(燃料極)13と、カソード触媒層14とカソードガス拡散層15とを有するカソード(空気極)16と、アノード触媒層11とカソード触媒層14とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性を有する電解質膜17とから構成される。
The
アノード触媒層11やカソード触媒層14に含有される触媒としては、例えばPt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層11として、例えば、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等を用いることが好ましい。カソード触媒層14として、例えば、Pt、Pt−Ni、Pt−Co等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
Examples of the catalyst contained in the anode catalyst layer 11 and the
電解質膜17を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)やフレミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜17は、これらに限られるものではない。
Examples of the proton conductive material constituting the
アノード触媒層11に積層されるアノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層11の集電体も兼ねている。カソード触媒層14に積層されるカソードガス拡散層15は、カソード触媒層14に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層14の集電体も兼ねている。また、アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15は、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンシルク等の多孔性炭素質材、チタン、チタン合金、ステンレス、金などの金属材料からなる多孔質体またはメッシュなどで構成される。
The anode
アノードガス拡散層12の表面に積層されたアノード導電層18、およびカソードガス拡散層15の表面に積層されたカソード導電層19は、例えば、Auのような導電金属材料からなるメッシュ、多孔質膜等で構成される。これらの中でも、アノード導電層18やカソード導電層19は、燃料電池セル10に対応して開口された複数の開口部を有する薄膜で構成されることが好ましく、この開口部を介して、燃料電池セル10に対向して設けられている燃料分配層30の開口部31からの燃料を燃料電池セル10に導く。なお、アノード導電層18およびカソード導電層19は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。また、電解質膜17とアノード導電層18およびカソード導電層19との間には、それぞれゴム製のOリング20が介在されており、これらによって燃料電池セル10からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。なお、ここでは、アノード導電層18およびカソード導電層19を備えた燃料電池2を示しているが、アノード導電層18およびカソード導電層19を設けずに、上記したようにアノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15を拡散層として機能させるとともに、導電層として機能させてもよい。
The anode
加熱手段50は、カソード導電層19を介しての空気や燃料などの通過を可能とした状態で、カソード導電層19の表面に接するように積層される。なお、加熱手段50の設置位置は、この位置に限られるものではなく、例えば、カソードガス拡散層15を直接的に加熱するように、例えばカソードガス拡散層15内に埋設させても、カソードガス拡散層15の表面に接するように設けられてもよい。すなわち、加熱手段50は、カソード16、特にカソードガス拡散層15を、直接的または間接的に加熱可能に配設されていればよい。また、加熱手段50は、制御手段110による制御によって、作動または停止、温度調整等がなされる。加熱手段50は、電気ヒータ等で構成され、具体的には、例えば、ニクロム線、ラバーヒータ、セラミックヒータなどのように、電流が流れることによって発熱する素子で構成されることが好ましい。
The heating means 50 is laminated so as to be in contact with the surface of the
温度検知手段70は、例えば、カソードガス拡散層15の表面や内部の所定位置に設けられ、カソードガス拡散層15の温度を検知するものである。この温度検知手段70は、例えば、最も温度が高くなる可能性のある、カソードガス拡散層15の中心(例えば、カソードガス拡散層の外形が長方形であれば、その対角線の交点)またはその近傍のカソードガス拡散層15の表面や内部に設置されることが好ましい。また、カソードガス拡散層15の中心またはその近傍に対向するカソード導電層19の表面や内部に温度検知手段70を設置してもよい。なお、燃料電池2の外形や構成などによって、上記したカソードガス拡散層15の中心以外に、温度が最も高くなる可能性のある位置が存在する場合には、その位置またはその近傍のカソードガス拡散層15、またはカソードガス拡散層15の中心またはその近傍に対向するカソード導電層19の表面や内部に温度検知手段70を設けるのが好ましい。なお、温度検知手段70をカソードガス拡散層15またはカソード導電層19の内部に設ける場合には、例えば、貫通しない程度の孔や凹部を形成して、孔や凹部に温度検知手段70を設置することが好ましい。
The temperature detection means 70 is provided, for example, at a predetermined position on the surface or inside of the cathode
温度検知手段70として、例えば、熱電対、抵抗式温度計、サーミスタ、ペルチエ素子、その他、温度によって電気的な信号を出力する素子等を用いることができる。また、温度検知手段70からの出力は、制御手段110に入力される。 As the temperature detection means 70, for example, a thermocouple, a resistance thermometer, a thermistor, a Peltier element, or other elements that output an electrical signal according to temperature can be used. Further, the output from the temperature detection means 70 is input to the control means 110.
保湿層60は、カソード触媒層14で生成された水の一部が含浸して、水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層14への空気の均一拡散を促進するものである。この保湿層60は、例えば、ポリエチレン多孔質膜等からなる平板で構成される。なお、保湿層60を設けずに燃料電池2を構成してもよい。
The
表面カバー62は、空気の取入れ量を調整するものであり、その調整は、空気導入口61の個数や大きさ等を変更することで行われる。表面カバー62は、例えば、SUS304のような金属で構成することができるが、これに限定されるものではない。
The
燃料供給機構40は、燃料収容部41と、燃料供給部42と、流路43とを主に備える。
The
燃料収容部41には、燃料電池セル10に対応した液体燃料Fが収容されている。液体燃料Fとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料Fは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Fは、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部41には、燃料電池セル10に応じた液体燃料が収容される。
The
燃料供給部42は、配管等で構成される液体燃料Fの流路43を介して燃料収容部41と接続されている。燃料供給部42には、燃料収容部41から流路43を介して液体燃料Fが導入され、導入された液体燃料Fおよび/またはこの液体燃料Fが気化した気化成分は、燃料分配層30およびアノード導電層18を介して燃料電池セル10に供給される。流路43は、燃料供給部42や燃料収容部41と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部42や燃料収容部41とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Fの流路であってもよい。すなわち、燃料供給部42は、流路等を介して燃料収容部41と連通されていればよい。
The
燃料収容部41に収容された液体燃料Fは、重力を利用して流路43を介して燃料供給部42まで落下させて送液することができる。また、流路43に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部41に収容された液体燃料Fを燃料供給部42まで送液してもよい。さらに、図2に示すように、流路43の一部に、燃料供給手段として機能するポンプ80を介在させて、燃料収容部41に収容された液体燃料Fを燃料供給部42まで強制的に送液してもよい。
The liquid fuel F accommodated in the
このポンプ80は、燃料収容部41から燃料供給部42に液体燃料Fを単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、燃料電池セル10に供給された過剰な液体燃料Fを循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このポンプ80を備えた燃料電池2は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは構成が異なり、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なる、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、燃料供給手段として機能するポンプ80の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料Fを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。上記したようにポンプ80を設ける場合、ポンプ80は、制御手段110と電気的に接続され、制御手段110によって、燃料供給部42に供給される液体燃料Fの供給量が制御される。
The
また、燃料供給部42から燃料電池セル10への燃料供給が行われる構成であればポンプ80に代えて、燃料供給手段として燃料制御弁を配置する構成とすることも可能である。この燃料制御弁は、流路43による液体燃料Fの供給を制御するために設けられるものである。また、燃料制御弁は、ポンプ80と同様に、制御手段110と電気的に接続され、制御手段110によって燃料制御弁の開度等が調整され、燃料供給部42に供給される液体燃料Fの供給量が制御される。
In addition, if the fuel is supplied from the
燃料分配層30は、例えば、複数の開口部31が形成された平板で構成され、アノードガス拡散層12と燃料供給部42との間に挟持される。この燃料分配層30は、液体燃料Fの気化成分や液体燃料Fを透過させない材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリエチレンナフタレート(PEN)樹脂、ポリイミド系樹脂等で構成される。また、燃料分配層30は、例えば、液体燃料Fの気化成分と液体燃料Fとを分離し、その気化成分を燃料電池セル10側へ透過させる気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン(LDPE)薄膜、ポリ塩化ビニル(PVC)薄膜、ポリエチレンテレフタレート(PET)薄膜、フッ素樹脂(たとえばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)など)微多孔膜などが用いられる。
The
電圧検知手段103は、燃料電池セル10で発生する電圧を検知するもので、出力配線100、101間に設けられている。電圧検知手段103として、例えば、電子回路を使用したデジタル電圧計などを用いることができる。また、電圧検知手段103からの出力は、制御手段110に入力される。
The
制御手段110は、例えば、演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)やランダムアクセスメモリ(RAM)、内蔵するタイマー、その他必要に応じて情報を保持し続ける半導体メモリ等の記憶手段から主に構成され、CPUでは、そのROMやRAM等の記憶手段に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。また、制御手段110は、加熱手段50、温度検知手段70、電流遮断手段102、電圧検知手段103の各手段との信号の出入力等を制御する。
The control means 110 mainly includes, for example, an arithmetic unit (CPU), a read-only memory (ROM), a random access memory (RAM), a built-in timer, and other storage means such as a semiconductor memory that keeps information as necessary. The CPU is configured to execute various arithmetic processes using programs and data stored in the storage means such as the ROM and RAM. The
ここで、ROMやRAM等の記憶手段に格納されたプログラムには、後述する、カソード16中に保持されている水量の適否を判定するプログラム等が含まれており、例えば、制御手段110は、そのプログラムに従ってカソード16中に保持されている水量の適否の判定を実行する。
Here, the program stored in the storage means such as the ROM or RAM includes a program for determining the suitability of the amount of water held in the
ここで、燃料電池システム1は、上記した構成に限られるものではなく、例えば、燃料電池2が複数の燃料電池セル10を備え、それらの燃料電池セル10が直列、並列あるいはそれらを組み合わせた構成で電気的に接続されている場合においても適用することができる。
Here, the
図3Aおよび図3Bには、複数の燃料電池セル10が直列に接続された場合における燃料電池システム1の一例を模式的に示す図である。
3A and 3B are diagrams schematically showing an example of the
図3Aおよび図3Bに示すように、複数の燃料電池セル10のうち、少なくとも1つの燃料電池セル10に対して、電流を遮断可能に電流遮断手段102を設けてもよい。この場合、図3Aに示すように、通常は、複数の燃料電池セル10が直列に接続され、各燃料電池セル10の出力は外部負荷に供給される。そして、カソード16中に保持されている水量の適否を判定する際に、図3Bに示すように、制御手段110が電流遮断手段102を制御して、1つの燃料電池セル10に対して電流を遮断し、この燃料電池セル10で発生する電圧を電圧検知手段103で検知する。制御手段110は、この燃料電池セル10の電圧に基づいて、カソード16中に保持されている水量の適否を判定し、各燃料電池セル10の加熱手段50を制御する。そして、上記判定後、制御手段110は、電流遮断手段102を制御して、図3Aに示す、複数の燃料電池セル10が直列に接続され配線状態に戻す。
As shown in FIG. 3A and FIG. 3B, the current interrupting means 102 may be provided for at least one
このように、複数の燃料電池セル10のうち、1つの燃料電池セル10を用いて、カソード16中に保持されている水量の適否を判定することで、他の燃料電池セル10の出力は、外部負荷に供給される。これによって、カソード16中に保持されている水量の適否を判定する際に、燃料電池システム1としての出力の減少を最小限に抑えることができる。
Thus, by using one
次に、上記した燃料電池2における作用について説明する。
Next, the operation of the
燃料収容部41から流路43を介して燃料供給部42に供給された液体燃料Fは、液体燃料のまま、もしくは液体燃料と液体燃料が気化した気化燃料が混在する状態で、燃料分配層30およびアノード導電層18を介して燃料電池セル10のアノードガス拡散層12に供給される。アノードガス拡散層12に供給された燃料は、アノードガス拡散層12で拡散してアノード触媒層11に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層11で次の式(1)に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …式(1)
The liquid fuel F supplied from the
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − Formula (1)
なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、メタノールは、カソード触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水と上記した式(1)の内部改質反応によって改質されるか、または水を必要としない他の反応機構により改質される。
When pure methanol is used as the methanol fuel, is methanol reformed by water generated in the
この反応で生成した電子(e-)は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード16に導かれる。また、式(1)の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は、電解質膜17を経てカソード16に導かれる。カソード16には酸化剤として空気が供給される。カソード16に到達した電子(e-)とプロトン(H+)は、カソード触媒層14で空気中の酸素と次の式(2)に示す反応を生じ、この発電反応に伴って水が生成する。
(3/2)O2+6e-+6H+ → 3H2O …式(2)
Electrons (e − ) generated by this reaction are guided to the outside through a current collector, and are guided to the
(3/2) O 2 + 6e − + 6H + → 3H 2 O Formula (2)
上記した内部改質反応が円滑に行なわれ、高出力で安定した出力を燃料電池2において得ることができる。
The internal reforming reaction described above is performed smoothly, and a high output and a stable output can be obtained in the
また、本発明に係る燃料電池システム1では、燃料電池2の面積1cm2当りに流れる電流を20mA以下(遮断状態、すなわち電流値が0を含む)に設定した状態で、カソード16を構成するカソード触媒層やカソードガス拡散層の中に保持されている水量の適否を判定する。そして、カソード16に保持されている水量が多く、燃料電池2の出力を妨げると判定した場合には、カソード16、特にカソードガス拡散層15を加熱して、カソード16に保持されている水を蒸発させることで、カソード16中に保持される水の量を適切な範囲に維持している。
Further, in the
ここでは、燃料電池セル(膜電極接合体)の面積1cm2当りに流れる電流を20mA以下に設定した状態で、カソード16中に保持されている水量の適否を判定することが好適である理由について説明する。
Here, the reason why it is preferable to determine the suitability of the amount of water held in the
カソード16中に水が必要以上に保持されたことを判定する方法として、発明者らは、研究の結果、燃料電池セル10に流れる電流を遮断、もしくは通常発電時よりも小さな電流値(面積1cm2当りに流れる電流を20mA以下)に制御した場合に、燃料電池セル10に発生する電圧を測定することにより、カソード16中に保持されている水量の適否を簡便かつ確実に判定できることを見出した。
As a method for determining that water is held more than necessary in the
図4は、燃料電池セル(膜電極接合体)の面積1cm2当りに流れる電流と、その際に燃料電池セルで発生する電圧との関係を示した図である。図4には、(A)カソード中に保持される水の量が最適な場合、(B)カソード中に保持される水の量は最適であるが、他の原因によって通常の発電時の電圧値において電流値が減少した場合、(C)カソード中に保持される水の量が過剰で不適な場合について、上記した電流と電圧の関係を示している。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the current flowing per 1 cm 2 area of the fuel cell (membrane electrode assembly) and the voltage generated in the fuel cell at that time. FIG. 4 shows that (A) when the amount of water held in the cathode is optimal, (B) the amount of water held in the cathode is optimal, but the voltage during normal power generation due to other causes. When the current value decreases in value, (C) the relationship between the current and voltage is shown for the case where the amount of water retained in the cathode is excessive and inappropriate.
図4に示すように、(C)の場合、すなわちカソード中に保持される水の量が過剰で不適な場合における電流に対する電圧の変化曲線は、(A)の場合、すなわちカソード中に保持される水の量が最適な場合における電流に対する電圧の変化曲線を、電圧が減少する方向に平行移動した状態に近い形状を示している。また、(C)の場合には、(A)の場合よりも、通常発電時の電圧値(通常発電時には電圧が一定になるように制御されている場合)における電流値は減少する。しかしながら、(C)の場合には、(B)の場合、すなわちカソード中に保持される水の量は最適であるが、他の原因によって通常の発電時の電圧値において電流値が減少した場合と、通常発電時の電圧値における電流値が同程度となるため、この通常の発電時の電圧値における電流値から、(B)の場合であるか、(C)の場合であるかを判定することはできない。 As shown in FIG. 4, the change curve of the voltage with respect to the current in the case of (C), that is, when the amount of water retained in the cathode is excessive and inappropriate, is retained in the case of (A), that is, in the cathode. The voltage change curve with respect to the current in the case where the amount of water is optimal shows a shape close to a state in which the voltage is reduced in parallel. In the case of (C), the current value at the voltage value during normal power generation (when the voltage is controlled to be constant during normal power generation) is smaller than in the case of (A). However, in the case of (C), in the case of (B), that is, the amount of water retained in the cathode is optimal, but the current value decreases in the voltage value during normal power generation due to other causes. Since the current value at the voltage value during normal power generation is approximately the same, it is determined from the current value at the voltage value during normal power generation whether the case is (B) or (C). I can't do it.
これに対して、電流を遮断あるいは20mA以下の条件では、(B)の場合における電圧値と、(C)の場合における電圧値との差が大きくなる。そこで、この電流を遮断あるいは20mA以下としたときの、(C)の場合における電圧値を境界値とし、この境界値よりも電圧値が小さくなる場合には、カソード中に保持される水の量が過剰で不適であると判定することができる。 On the other hand, under the condition where the current is interrupted or 20 mA or less, the difference between the voltage value in the case of (B) and the voltage value in the case of (C) becomes large. Therefore, when this current is cut off or 20 mA or less, the voltage value in the case of (C) is used as a boundary value, and when the voltage value is smaller than this boundary value, the amount of water retained in the cathode Can be determined to be excessive and inappropriate.
なお、カソード中に保持されている水量の適否を判定することがさらに好ましい燃料電池セル(膜電極接合体)の面積1cm2当りに流れる電流は、(B)の場合における電圧値と(C)の場合における電圧値との差がさらに大きくなる10mA以下である。 The current flowing per 1 cm 2 area of the fuel cell (membrane electrode assembly), which is more preferably determined as to whether or not the amount of water held in the cathode is appropriate, is the voltage value in the case of (B) and (C). In this case, the difference from the voltage value is 10 mA or less.
また、電流を遮断あるいは20mA以下の条件に設定した直後は、燃料電池セルで発生する電圧は上昇し、その後徐々に減少して所定値となる。したがって、電流の制御後すぐに所定の電圧値とはならないので、電圧値の評価は、電流の制御後所定の時間をおいてすることが好ましい。一方、電流を遮断あるいは20mA以下の条件に制御している間は、燃料電池の出力の値が「0」もしくは通常発電時よりも小さな値となるため、燃料電池を他の機器の電源として用いる場合には、電流を制御する時間は短いほど好ましい。そこで、電圧値がほぼ安定し、かつ電源としての機能の低下を最小限とすることを考慮して、電圧値の評価は、電流の制御後、1秒以上10分以下の範囲で行うことが好ましい。さらに好ましいのは、1分以上5分以下である。 Immediately after the current is cut off or set to 20 mA or less, the voltage generated in the fuel cell rises and then gradually decreases to a predetermined value. Therefore, since the predetermined voltage value is not obtained immediately after the current control, the voltage value is preferably evaluated after a predetermined time after the current control. On the other hand, while the current is cut off or controlled to a condition of 20 mA or less, the output value of the fuel cell is “0” or smaller than that during normal power generation, so the fuel cell is used as a power source for other devices. In some cases, the shorter the time for controlling the current, the better. Therefore, in consideration of the fact that the voltage value is almost stable and the deterioration of the function as a power source is minimized, the voltage value can be evaluated within a range of 1 second to 10 minutes after current control. preferable. More preferably, it is 1 minute or more and 5 minutes or less.
次に、燃料電池システム1の動作について、図5を参照して説明する。
Next, the operation of the
図5は、燃料電池システム1の動作を示すフローチャートである。
まず、制御手段110は、例えば、燃料電池システム1の作動に基づいて、内蔵するタイマーの現時刻t1を「0」とし、その後の経過時間をカウントする(ステップS210)。
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the
First, for example, based on the operation of the
続いて、制御手段110は、タイマーにおける現時刻t1と、例えばROMやRAM等の記憶手段に格納され、予め設定された時間t2とを比較する(ステップS211)。ここで、予め設定された時間t2は、運転開始から、カソード16中に保持されている水量の適否の判定を開始するまでの時間であり、適宜に設定可能である。
Subsequently, the
ステップS211の判定で、現時刻t1が予め設定された時間t2よりも小さい、すなわち予め設定された時間t2に達していないと判定した場合(ステップS211の「t1<t2」)には、制御手段110は、再度、ステップS211からの処理を実行する。 If it is determined in step S211 that the current time t1 is smaller than the preset time t2, that is, the preset time t2 has not been reached (“t1 <t2” in step S211), the control means 110 again executes the processing from step S211.
ステップS211の判定で、現時刻t1が予め設定された時間t2以上、すなわち予め設定された時間t2に達したと判定した場合(ステップS211の「t1≧t2」)には、制御手段110は、電流遮断手段102等を所定時間制御し、燃料電池2に流れる電流を20mA以下(遮断状態、すなわち電流値が0を含む)、さらに好ましくは、燃料電池2に流れる電流を10mA以下(遮断状態、すなわち電流値が0を含む)に設定する(ステップS212)。
When it is determined in step S211 that the current time t1 is equal to or greater than the preset time t2, that is, the preset time t2 (“t1 ≧ t2” in step S211), the
ここで、燃料電池2に流れる電流を遮断する場合には、電流遮断手段102を制御して、遮断状態とすることで実現できる。また、燃料電池2に流れる電流を0より大きく20mA以下に設定する場合には、燃料電池セルと外部負荷との間に接続されるDC/DCコンバータを電流一定で制御し、その制御される電流の値を上記の設定値にすることで実現できる。この際、燃料電池2に流れる電流を制御する所定時間は、1秒以上10分以下、さらに好ましくは1分以上5分以下である。
Here, the interruption of the current flowing through the
続いて、制御手段110は、電圧検知手段103からの出力に基づいて、燃料電池2で発生している電圧V1を特定し、例えばROMやRAM等の記憶手段に格納され、予め設定された電圧V2と比較する(ステップS213)。ここで、予め設定された電圧V2は、前述した、燃料電池2に流れる電流を20mA以下(遮断状態、すなわち電流値が0を含む)に設定した状態で、カソード16中に保持される水の量が過剰で不適な場合における電圧値(図4の(C)の場合)である。すなわち、電圧V2は、燃料電池2に流れる20mA以下の電流値に対応して予め設定された値である。また、電圧V1は、上記した電流を制御する所定時間の範囲内で計測された値である。
Subsequently, the
ステップS213の判定で、特定した電圧V1が、予め設定された電圧V2以上であると判定した場合(ステップS213の「V1≧V2」)には、リターンしスタートからの処理を実行する。 If it is determined in step S213 that the specified voltage V1 is equal to or higher than the preset voltage V2 (“V1 ≧ V2” in step S213), the process returns and the process from the start is executed.
一方、ステップS213の判定で、特定した電圧V1が、予め設定された電圧V2よりも小さいと判定した場合(ステップS213の「V1<V2」)には、続いて、制御手段110は、温度検知手段70からの出力に基づいて、カソードガス拡散層15の温度T1を特定し、特定した温度T1が、例えばROMやRAM等の記憶手段に格納され、予め設定された温度T2と比較する(ステップS214)。
On the other hand, when it is determined in step S213 that the specified voltage V1 is smaller than the preset voltage V2 (“V1 <V2” in step S213), the
ステップS214の判定で、特定した温度T1が、予め設定された温度T2よりも高いと判定した場合(ステップS214の「T1>T2」)には、再度、ステップS210からの処理を実行する。 If it is determined in step S214 that the identified temperature T1 is higher than the preset temperature T2 (“T1> T2” in step S214), the processing from step S210 is executed again.
一方、ステップS214の判定で、特定した温度T1が、予め設定された温度T2以下であると判定した場合(ステップS214の「T1≦T2」)には、制御手段110は、加熱手段50を作動させる(ステップS215)。これによって、加熱手段50で発生した熱は、カソード導電層19を介してカソードガス拡散層15に伝導し、カソードガス拡散層15を加熱する。
On the other hand, when it is determined in step S214 that the specified temperature T1 is equal to or lower than the preset temperature T2 (“T1 ≦ T2” in step S214), the
続いて、制御手段110は、内蔵するタイマーの現時刻t1を「0」とし、加熱手段50を作動後の経過時間をカウントする(ステップS216)。
Subsequently, the
続いて、制御手段110は、タイマーにおける現時刻t1と、例えばROMやRAM等の記憶手段に格納され、予め設定された時間t3とを比較する(ステップS217)。ここで、予め設定された時間t3は、加熱手段50を作動させてから、カソード16中に保持されている水量の適否の判定を開始するまでの時間であり、適宜に設定可能である。
Subsequently, the
ステップS217の判定で、現時刻t1が予め設定された時間t3よりも小さい、すなわち予め設定された時間t3に達していないと判定した場合(ステップS217の「t1<t3」)には、制御手段110は、再度、ステップS217からの処理を実行する。 If it is determined in step S217 that the current time t1 is smaller than the preset time t3, that is, has not reached the preset time t3 (“t1 <t3” in step S217), the control means 110 again executes the processing from step S217.
ステップS217の判定で、現時刻t1が予め設定された時間t3以上、すなわち予め設定された時間t3に達したと判定した場合(ステップS217の「t1≧t3」)には、制御手段110は、電流遮断手段102等を所定時間制御し、燃料電池2に流れる電流を20mA以下(遮断状態、すなわち電流値が0を含む)、さらに好ましくは、燃料電池2に流れる電流を10mA以下(遮断状態、すなわち電流値が0を含む)に設定する(ステップS218)。
When it is determined in step S217 that the current time t1 is equal to or greater than the preset time t3, that is, the preset time t3 (“t1 ≧ t3” in step S217), the
ここで、燃料電池2に流れる電流を遮断する場合には、電流遮断手段102を制御して、遮断状態とすることで実現できる。また、燃料電池2に流れる電流を0より大きく20mA以下に設定する場合には、燃料電池セルと外部負荷との間に接続されるDC/DCコンバータを電流一定で制御し、その制御される電流の値を上記の設定値にすることで実現できる。この際、燃料電池2に流れる電流を制御する所定時間は、1秒以上10分以下、さらに好ましくは1分以上5分以下である。
Here, the interruption of the current flowing through the
続いて、制御手段110は、電圧検知手段103からの出力に基づいて、燃料電池2で発生している電圧V1を特定し、例えばROMやRAM等の記憶手段に格納され、予め設定された電圧V2と比較する(ステップS219)。ここで、予め設定された電圧V2は、前述した、燃料電池2に流れる電流を20mA以下(遮断状態、すなわち電流値が0を含む)に設定した状態で、カソード16中に保持される水の量が過剰で不適な場合における電圧値(図4の(C)の場合)である。すなわち、電圧V2は、燃料電池2に流れる20mA以下の電流値に対応して予め設定された値である。また、電圧V1は、上記した電流を制御する所定時間の範囲内で計測された値である。
Subsequently, the
ステップS219の判定で、特定した電圧V1が、予め設定された電圧V2よりも小さいと判定した場合(ステップS219の「V1<V2」)には、再度、ステップS216からの処理を実行する。 If it is determined in step S219 that the specified voltage V1 is smaller than the preset voltage V2 (“V1 <V2” in step S219), the processing from step S216 is executed again.
一方、ステップS219の判定で、特定した電圧V1が、予め設定された電圧V2以上であると判定した場合(ステップS219の「V1≧V2」)には、制御手段110は、加熱手段50を停止させる(ステップS220)。そして、リターンしスタートからの処理を実行する。
On the other hand, when it is determined in step S219 that the specified voltage V1 is equal to or higher than the preset voltage V2 (“V1 ≧ V2” in step S219), the
ここで、前述したように、カソードガス拡散層15の加熱は、加熱手段50を用いる代わりに、燃料供給手段として機能するポンプ80や燃料制御弁を用いてもよい。この場合には、上記ステップS215において、制御手段110は、ポンプ80や燃料制御弁を制御して、燃料電池セル10に供給する燃料の供給量を増加させる。また、上記ステップS220において、制御手段110は、ポンプ80や燃料制御弁を制御して、燃料電池セル10に供給する燃料の供給量を通常の量に戻す。
Here, as described above, the cathode
このように、ポンプ80や燃料制御弁によって燃料電池セル10に供給する燃料の供給量を増加させると、電解質膜17を通過してカソード側に透過する燃料の量が増加する。すなわち燃料のクロスオーバが促進される。カソード側に透過した燃料は、カソード側の酸素と発熱反応を生じる。この反応によって発生した熱を利用して、カソードガス拡散層15を加熱する。ここで、カソード側に透過させる燃料の量は、例えば、カソード側で発熱反応をして発生する熱量が、加熱手段50で発生する熱量に等しくなる程度とすることが好ましい。具体的には、例えば、カソードガス拡散層15の温度が、上記した予め設定された温度T2になるまで、燃料の供給量を増加させることが好ましい。
Thus, when the amount of fuel supplied to the
また、燃料電池システム1において、温度検知手段70を設けないか、または作動させずに、燃料電池システムを作動させてもよい。この場合には、上記したステップS214の処理が実行されずに、ステップS213の処理後、ステップS215の処理が実行され、加熱手段50が作動される。
Further, in the
上記した本発明に係る第1の実施の形態の燃料電池システム1によれば、燃料電池セル10に流れる電流を遮断もしくは通常発電時の電流よりも小さな電流に制御し、電圧検知手段103で検知した電圧値が、予め設定された値を下回った場合に、カソード16中に保持されている水量が過剰と判定して、カソード16の少なくとも一部、特にカソードガス拡散層15を加熱することができる。これによって、カソード16中の水が蒸発し、カソード16中に保持される水量を減少させることができ、カソード16中に過剰の水が保持されることによる燃料電池2の出力の低下を抑制することができる。
According to the
(他の実施の形態)
第1の実施の形態の燃料電池システム1では、温度検知手段70、電流遮断手段102、電圧検知手段103などを備え、燃料電池セル10に流れる電流を遮断もしくは通常発電時の電流よりも小さな電流に制御し、電圧検知手段103で検知した電圧値が、予め設定された値を下回った場合に、カソードガス拡散層15を加熱するシステムについて説明したが、カソードガス拡散層15を加熱するシステムは、この構成に限られるものではない。
(Other embodiments)
The
図6は、本発明に係る他の実施の形態の燃料電池システム1の構成を示す断面図である。図7は、加熱手段50および制御手段110を備える燃料電池システム1の制御の一例を示す図である。例えば、図6に示すように、燃料電池システム1において、温度検知手段70、電流遮断手段102および電圧検知手段103を備えず、加熱手段50および制御手段110を備える構成としてもよい。この構成では、図7に示すように、所定時間毎に加熱手段50を所定時間作動させ、カソードガス拡散層15を加熱する。また、加熱する時間間隔は、図7に示すように、燃料電池セル10のカソードガス拡散層15の表面の温度が急激に低下する時間に対応させて設定されることが好ましい。なお、この燃料電池セル10の温度が急激に低下する時間は、予め試験などで得られた結果等に基づいて把握することができる。例えば、加熱手段50を50分間オフ(非加熱状態)とし、その後10分間オン(加熱状態)する。ここで、制御手段110は、所定時間毎に加熱手段50を所定時間作動させる制御ができるものであればよく、例えばタイマーなどで構成されてもよい。また、加熱手段50を作動させたときにおけるカソードガス拡散層15の温度の上限値は、燃料電池セル10を構成する各部材の熱による劣化や変形などを最小限にし、かつ、本発明に係る燃料電池を搭載した携帯機器の利用者が、携帯機器の表面に触れたときに火傷(低温火傷を含む)などを生じる危険性を最小限にするという安全性の観点から、60〜80℃とすることが好ましい。なお、図6では、ポンプを備えていない燃料電池システム1の構成を示しているが、図2に示す燃料電池システム1と同様にポンプ80を備えてもよい。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a
また、加熱手段50は、前述した、電気ヒータ等で構成することや、加熱手段50を用いる代わりに、燃料供給手段として機能するポンプ80や燃料制御弁を用いることに限られない。例えば、図1で設けられた場合と同様に電流遮断手段102を設け、この電流遮断手段102を加熱手段として機能させてもよい。すなわち、燃料電池2に流れる電流を遮断することでカソードガス拡散層15を加熱する構成としてもよい。具体的には、燃料電池2に流れる電流を遮断すると、燃料は、アノード触媒層11で反応せずにカソード触媒層側に透過する。そして、カソード触媒層側に透過した燃料は、カソード触媒層側で酸化反応を生じて熱を発生する。カソードガス拡散層15は、その熱によって加熱される。図8は、電流遮断手段102を加熱手段として機能させた場合における燃料電池システム1の制御の一例を示す図である。図8に示すように、所定時間毎に電流遮断手段102により所定時間燃料電池セル10に流れる電流を遮断し、カソードガス拡散層15を加熱する。また、加熱する時間間隔は、図8に示すように、燃料電池セル10のカソードガス拡散層15の表面の温度が所定温度(例えば、30〜50℃)に低下する時間に対応させて設定されることが好ましい。なお、この燃料電池セル10の温度が所定温度に低下する時間は、予め試験などで得られた結果等に基づいて把握することができる。例えば、50分間電流を流し(非加熱状態)、その後10分間電流を遮断(加熱状態)する。また、この場合、電流を遮断し続けていれば温度が上がり続けるというものではなく、遮断している時間が長くなると燃料電池セル10の温度が低下する。また、電流を遮断した場合、燃料電池セル10は発電してない状態となるため、電流を遮断する時間は最小限に抑えることが好ましい。
Further, the
また、さらに他の実施の形態として、図6に示した他の実施の形態の燃料電池システム1において、図1に示す燃料電池システム1と同様に、カソードガス拡散層15の表面や内部の所定位置に温度検知手段70を備えてもよい。図9は、図6に示した他の実施の形態の燃料電池システム1において、さらに温度検知手段70を備えた燃料電池システム1の制御の一例を示す図である。この構成では、図9に示すように、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が予め設定された温度よりも低いと判定した場合には、加熱手段50を作動させ、カソードガス拡散層15を加熱する。そして、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が予め設定された温度を超えたと判定した場合には、加熱手段50を停止させる。例えば、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が、予め設定された温度である50℃よりも低いと判定した場合には、加熱手段50を作動させ、50℃を超えたと判定した場合には、加熱手段50を停止させる。なお、この場合においても、前述したように、例えば、図1で設けられた場合と同様に電流遮断手段102を設け、この電流遮断手段102を加熱手段として機能させカソードガス拡散層15を加熱してもよい。
Further, as still another embodiment, in the
また、図10は、図9に示した燃料電池システム1の制御と異なる制御の一例を示す図である。図10に示すように、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が予め設定された下限値よりも低いと判定した場合には、加熱手段50を作動させ、温度検知手段70からの情報に基づいて、予め設定された上限値までカソードガス拡散層15を加熱する。そして、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が予め設定された上限値を超えたと判定した場合には、加熱手段50を停止させる。例えば、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が、予め設定された下限値である50℃よりも低いと判定した場合には、加熱手段50を作動させ、予め設定された上限値である60℃よりも高いと判定した場合には、加熱手段50を停止させる。また、加熱手段50を作動させたときにおける予め設定されるカソードガス拡散層15の温度の上限値は、燃料電池セル10を構成する各部材の熱による劣化や変形などを最小限にし、かつ、本発明に係る燃料電池を搭載した携帯機器の利用者が、携帯機器の表面に触れたときに火傷(低温火傷を含む)などを生じる危険性を最小限にするという安全性の観点から、60〜80℃とすることが好ましい。なお、この場合においても、前述したように、例えば、図1で設けられた場合と同様に電流遮断手段102を設け、この電流遮断手段102を加熱手段として機能させカソードガス拡散層15を加熱してもよい。
FIG. 10 is a diagram showing an example of control different from the control of the
また、加熱工程において、上記した一例では連続的に加熱手段50を作動させた一例を示したが、これに限られるものではない。図11は、加熱工程において、加熱手段50を断続的に作動させた場合における燃料電池システム1の制御の一例を示した図である。図11に示すように、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が予め設定された温度よりも低いと判定した場合には、加熱手段50を断続的に作動させ、カソードガス拡散層15を加熱する。そして、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が予め設定された温度を超えたと判定した場合には、加熱手段50を停止させる。例えば、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が、予め設定された温度である50℃よりも低いと判定した場合には、加熱手段50を1分間隔でオン・オフさせ、50℃を超えたと判定した場合には、加熱手段50を停止させる。なお、オン・オフの間隔等は使用条件に合わせて適宜設定可能である。
Further, in the heating process, the above example shows an example in which the heating means 50 is continuously operated, but the present invention is not limited to this. FIG. 11 is a diagram illustrating an example of control of the
また、この場合においても、前述したように、例えば、図1で設けられた場合と同様に電流遮断手段102を設け、この電流遮断手段102を加熱手段として機能させカソードガス拡散層15を加熱してもよい。図12は、電流遮断手段102を加熱手段として機能させたときに、加熱手段50を断続的に作動させた場合における燃料電池システム1の制御の一例を示した図である。図12に示すように、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が予め設定された温度よりも低いと判定した場合には、電流遮断手段102を断続的に作動させ、燃料電池セル10に流れる電流を断続的にオン(非加熱状態)・オフ(加熱状態)することで、カソードガス拡散層15を加熱する。そして、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が予め設定された温度を超えたと判定した場合には、電流遮断手段102を制御し、燃料電池セル10に連続的に電流が流れるようにする。例えば、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が、予め設定された温度である50℃よりも低いと判定した場合には、電流遮断手段102を1分間隔で制御し、燃料電池セル10に流れる電流を1分間隔でオン・オフさせ、50℃を超えたと判定した場合には、燃料電池2に連続的に電流が流れるようにする。
Also in this case, as described above, for example, the current interrupting means 102 is provided in the same manner as in the case of FIG. 1, and the current interrupting means 102 functions as a heating means to heat the cathode
また、加熱を始める基準となる予め設定された温度は、一定温度であることに限らず、一定時間毎に異なる温度となるように設定してもよい。図13は、加熱を始める基準となる予め設定された温度が、一定時間毎に異なる温度となるように設定した場合における燃料電池システム1の制御の一例を示した図である。なお、加熱を始める基準となる予め設定された温度は、加熱を停止する基準の温度ともなり得る。ここでは、加熱を始める基準となる予め設定された温度として、第1の設定温度および第2の設定温度の異なる2つの値を設定した場合を例示して説明する。なお、この予め設定される温度は、異なる3つ以上の値を設定してもよい。
Moreover, the preset temperature used as the reference | standard which starts heating is not restricted to constant temperature, You may set so that it may become different temperature for every fixed time. FIG. 13 is a diagram illustrating an example of control of the
図13に示すように、制御手段110は、予め設定された温度として第1の設定温度を設定値とする所定時間の間は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が第1の設定温度よりも低いと判定した場合には、加熱手段50を断続的に作動させ、カソードガス拡散層15を加熱する。そして、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が第1の設定温度を超えたと判定した場合には、加熱手段50を停止させる。一方、制御手段110は、予め設定された温度として第2の設定温度を設定値とする所定時間の間は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が第2の設定温度よりも低いと判定した場合には、加熱手段50を断続的に作動させ、カソードガス拡散層15を加熱する。そして、制御手段110は、温度検知手段70からの情報に基づいて、カソードガス拡散層15の温度が第2の設定温度を超えたと判定した場合には、加熱手段50を停止させる。例えば、10時間は、第1の設定温度である50℃を設定値とし、その後1時間は、第2の設定温度である60℃を設定値とする。なお、第1および第2の設定温度を設定値とする所定時間や加熱手段50のオン・オフの間隔等は、使用条件に合わせて適宜設定可能である。また、この場合においても、前述したように、例えば、図1で設けられた場合と同様に電流遮断手段102を設け、この電流遮断手段102を加熱手段として機能させカソードガス拡散層15を加熱してもよい。
As shown in FIG. 13, the control means 110 is based on the information from the temperature detection means 70 for a predetermined time with the first set temperature as a preset temperature as a set value. When it is determined that the temperature is lower than the first set temperature, the heating means 50 is intermittently operated to heat the cathode
上記した本発明に係る他の実施の形態の燃料電池システム1においても、第1の実施の形態の燃料電池システム1における作用効果と同様の作用効果が得られ、さらに、使用条件に合わせた最適な燃料電池システムの制御が可能となる。
In the above-described
次に、本発明に係る燃料電池システムが優れた出力特性を有することを実施例1〜実施例5、比較例1に基づいて説明する。 Next, it will be described based on Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 that the fuel cell system according to the present invention has excellent output characteristics.
(実施例1)
実施例1で使用した燃料電池システムは、図1に示した燃料電池システム1と同一の構成を備えるものであるので、図1を参照して説明する。
Example 1
The fuel cell system used in Example 1 has the same configuration as that of the
まず、燃料電池セル10の作製方法について説明する。
First, a method for producing the
アノード用触媒粒子(Pt:Ru=1:1)を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層12としての多孔質カーボンペーパ(40mm×30mmの長方形)に塗布することにより、厚さが100μmのアノード触媒層11を得た。
To the carbon black supporting the anode catalyst particles (Pt: Ru = 1: 1), a perfluorocarbon sulfonic acid solution as a proton conductive resin and water and methoxypropanol as a dispersion medium were added to support the anode catalyst particles. A paste was prepared by dispersing carbon black. The obtained paste was applied to porous carbon paper (40 mm × 30 mm rectangle) as the anode
カソード用触媒粒子(Pt)を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層15としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが100μmのカソード触媒層14を得た。なお、アノードガス拡散層12と、カソードガス拡散層15とは、同形同大であり、これらのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層11およびカソード触媒層14も同形同大である。
To the carbon black carrying the cathode catalyst particles (Pt), a perfluorocarbon sulfonic acid solution as a proton conductive resin and water and methoxypropanol as a dispersion medium are added to disperse the carbon black carrying the cathode catalyst particles. A paste was prepared. The obtained paste was applied to porous carbon paper as the cathode
上記したように作製したアノード触媒層11とカソード触媒層14との間に、電解質膜17として厚さが30μmで、含水率が10〜20重量%のパーフルオロカーボンスルホン酸膜(商品名:nafion膜、デュポン社製)を配置し、アノード触媒層11とカソード触媒層14とが対向するように位置を合わせた状態でホットプレスを施すことにより、燃料電池セル10を得た。
A perfluorocarbon sulfonic acid membrane (trade name: nafion membrane) having a thickness of 30 μm and a water content of 10 to 20% by weight as the
続いて、この燃料電池セル10を、複数の開孔を有する金箔で挟み、アノード導電層18およびカソード導電層19を形成した。なお、電解質膜17とアノード導電層18との間、電解質膜17とカソード導電層19との間には、それぞれゴム製のOリング20を挟持してシールを施した。
Subsequently, the
また、保湿層60として、厚さが500μmで、透気度が2秒/100cm3(JIS P−8117に規定の測定方法による)で、透湿度が4000g/(m2・24h)(JIS L−1099 A−1に規定の測定方法による)のポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。
Further, as the
この保湿層60の上に、空気取り入れのための空気導入口61(直径3.6mmの円形、口数35個)が形成された厚さが1mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー62とした。
A stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 1 mm on which an air introduction port 61 (circular diameter of 3.6 mm, number of units: 35) for air intake is formed is disposed on the
カソード導電層19の表面に接するように、加熱手段50として電気ヒータを設置し、カソードガス拡散層15の表面に温度検知手段70として熱電対を設置した。また、アノード導電層18、カソード導電層19に、それぞれ燃料電池2からの電力を出力する出力配線100、101を接続した。そして、これらの出力配線100、101を介して燃料電池2を図示しない外部負荷に接続した。また、出力配線100に、燃料電池2に流れる電流を遮断する電流遮断手段102を設けた。さらに、燃料電池セル10で発生する電圧を検知する電圧検知手段103として電子回路を使用したデジタル電圧計を出力配線100、101間に設けた。そして、加熱手段50、温度検知手段70、電流遮断手段102、電圧検知手段103を制御手段110と電気的に接続し、制御手段110によって制御可能とした。
An electric heater was installed as the heating means 50 so as to contact the surface of the
前述した燃料電池システムの動作(図5参照)に基づいて、燃料電池システムを作動させた。ここで、予め設定された時間t2を60分、ステップS212およびステップS218で電流を遮断する時間を1分とした。また、ステップS213およびステップS219で検知された電圧V1と比較される予め設定された電圧V2を0.6Vとした。また、ステップS214で検知された温度T1と比較される予め設定された温度T2を45℃とした。また、ステップS214の判定で、特定した温度T1が、予め設定された温度T2以下であると判定した場合における、加熱手段50で発生させる熱量を、燃料電池2の発電を開始したときに発生する電力の10%に相当する値とした。すなわち、例えば、燃料電池2において発電開始時に発生する電力が1Wである場合には、加熱手段50で発生する熱量が0.1Wとなるように、加熱手段50の抵抗値や流れる電流値を設定した。
The fuel cell system was operated based on the operation of the fuel cell system described above (see FIG. 5). Here, the preset time t2 is set to 60 minutes, and the time for cutting off the current in steps S212 and S218 is set to 1 minute. Further, the preset voltage V2 to be compared with the voltage V1 detected in step S213 and step S219 is set to 0.6V. In addition, a preset temperature T2 to be compared with the temperature T1 detected in step S214 was set to 45 ° C. Further, when it is determined in step S214 that the specified temperature T1 is equal to or lower than the preset temperature T2, the amount of heat generated by the heating means 50 is generated when the power generation of the
また、燃料電池2に供給される燃料の供給量を、燃料電池2に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量(電流1Aにつき、1分間当りのメタノールの供給量3.3mg)の1.4倍とし、常に一定となるように設定した。
Further, the amount of fuel supplied to the
そして、温度が25℃、相対湿度が50%の環境の下、上記した燃料電池2に、純度99.9重量%の純メタノールを、上記の供給量となるように供給した。外部負荷としての定電圧電源を接続して、燃料電池2の出力電圧が0.3Vで一定になるように、燃料電池2に流れる電流を制御した。
Then, pure methanol having a purity of 99.9% by weight was supplied to the above-described
上記した条件の下、1000時間発電を行った後の燃料電池2の出力密度P1および発電を開始したときの燃料電池2の出力密度P0を計測した。そして、出力密度P1の、出力密度P0に対する割合(P1/P0)を算出した。ここで、燃料電池2の出力密度(mW/cm2)とは、燃料電池2に流れる電流密度(発電部の面積1cm2当りの電流値(mA/cm2))に燃料電池2の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層11とカソード触媒層14とが対向している部分の面積である。本実施例では、アノード触媒層11とカソード触媒層14の面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積に等しい。上記算出した出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)は、0.81(81%)であった。
Under the above conditions, the output density P1 of the
(実施例2)
実施例2では、実施例1で使用した燃料電池2の加熱手段50の代わりに、燃料電池2に供給する燃料の供給量を制御する燃料制御弁を設けた。そして、この燃料制御弁を電気的に制御手段110と接続し、制御手段110によって制御可能とした。また、本実施例では、温度検知手段70を備えず、すなわち上記したステップS214の処理が実行されずに、ステップS213の処理後、ステップS215の処理が実行され、加熱手段50を作動した。
(Example 2)
In the second embodiment, a fuel control valve for controlling the amount of fuel supplied to the
燃料電池2に供給される燃料の供給量は、燃料制御弁の開度によって制御され、電圧検知手段103で検知された電圧V2が、予め設定された電圧V1よりも大きいときは、燃料の供給量を、燃料電池2に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の1.4倍とした。そして、この供給量を通常の燃料供給量とした。
The amount of fuel supplied to the
電圧検知手段103で検知された電圧V2が、予め設定された電圧V1以下のときは、燃料制御弁を制御して、燃料供給量を通常の燃料供給量の1.2倍、すなわち、燃料電池2に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の1.68倍とした。 When the voltage V2 detected by the voltage detection means 103 is equal to or lower than the preset voltage V1, the fuel control valve is controlled so that the fuel supply amount is 1.2 times the normal fuel supply amount, that is, the fuel cell. 2 is 1.68 times the fuel supply amount necessary to cause an electrochemical reaction for current to flow.
それ以外の構成や設定値については、実施例1で使用された燃料電池システムと同様である。また、1000時間発電を行った後の燃料電池2の出力密度P1および発電を開始したときの燃料電池2の出力密度P0の計測方法および計測条件は、実施例1における計測方法および計測条件と同じである。
Other configurations and set values are the same as those of the fuel cell system used in the first embodiment. The measurement method and measurement conditions of the output density P1 of the
計測結果に基づいて算出された、出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)は、0.77(77%)であった。 The ratio (P1 / P0) of the output density P1 to the output density P0 calculated based on the measurement result was 0.77 (77%).
(実施例3)
実施例3では、実施例2で使用した燃料電池2に、温度検知手段70を備えた燃料電池を使用した。すなわち、本実施例では、上記したステップS214の処理を実行した。そして、ステップS214で検知された温度T1と比較される予め設定された温度T2を45℃とした。
(Example 3)
In Example 3, the fuel cell provided with the temperature detection means 70 was used for the
ステップS214の判定で、特定した温度T1が、予め設定された温度T2よりも高いと判定した場合における燃料の供給量を、実施例2の通常の燃料供給量、すなわち燃料電池2に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の1.4倍とした。一方、ステップS214の判定で、特定した温度T1が、予め設定された温度T2以下であると判定した場合における燃料の供給量を、燃料制御弁を制御して、実施例2の通常の燃料供給量の1.5倍、すなわち燃料電池2に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の2.1倍とした。
In step S214, when the determined temperature T1 is determined to be higher than the preset temperature T2, the amount of fuel supplied is the normal fuel supply amount of the second embodiment, that is, the current flows through the
それ以外の構成や設定値については、実施例2で使用された燃料電池システムと同様である。また、1000時間発電を行った後の燃料電池2の出力密度P1および発電を開始したときの燃料電池2の出力密度P0の計測方法および計測条件は、実施例1における計測方法および計測条件と同じである。
Other configurations and set values are the same as those of the fuel cell system used in the second embodiment. The measurement method and measurement conditions of the output density P1 of the
計測結果に基づいて算出された、出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)は、0.83(83%)であった。 The ratio (P1 / P0) of the output density P1 to the output density P0 calculated based on the measurement result was 0.83 (83%).
(実施例4)
実施例4では、実施例1で使用した燃料電池2の加熱手段50の代わりに、図2に示すように、燃料電池2に供給する燃料の供給量を制御するポンプ80を設けた。そして、このポンプ80を電気的に制御手段110と接続し、制御手段110によって制御可能とした。また、本実施例では、温度検知手段70を備えず、すなわち上記したステップS214の処理が実行されずに、ステップS213の処理後、ステップS215の処理が実行され、ポンプ80を作動した。
Example 4
In Example 4, instead of the heating means 50 of the
燃料電池2に供給される燃料の供給量は、ポンプ80によって制御、具体的にはポンプ80の回転速度によって制御され、電圧検知手段103で検知された電圧V2が、予め設定された電圧V1よりも大きいときは、燃料の供給量を、燃料電池2に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の1.4倍とした。そして、この供給量を通常の燃料供給量とした。
The amount of fuel supplied to the
電圧検知手段103で検知された電圧V2が、予め設定された電圧V1以下のときは、ポンプ80を制御して、燃料供給量を通常の燃料供給量の1.2倍、すなわち、燃料電池2に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の1.68倍とした。
When the voltage V2 detected by the voltage detection means 103 is equal to or lower than the preset voltage V1, the
それ以外の構成や設定値については、実施例1で使用された燃料電池システムと同様である。また、1000時間発電を行った後の燃料電池2の出力密度P1および発電を開始したときの燃料電池2の出力密度P0の計測方法および計測条件は、実施例1における計測方法および計測条件と同じである。
Other configurations and set values are the same as those of the fuel cell system used in the first embodiment. The measurement method and measurement conditions of the output density P1 of the
計測結果に基づいて算出された、出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)は、0.78(78%)であった。 The ratio (P1 / P0) of the output density P1 to the output density P0 calculated based on the measurement result was 0.78 (78%).
(実施例5)
実施例5では、実施例4で使用した燃料電池2に、温度検知手段70を備えた燃料電池を使用した。すなわち、本実施例では、上記したステップS214の処理を実行した。そして、ステップS214で検知された温度T1と比較される予め設定された温度T2を45℃とした。
(Example 5)
In Example 5, the fuel cell provided with the temperature detection means 70 was used for the
ステップS214の判定で、特定した温度T1が、予め設定された温度T2よりも高いと判定した場合における燃料の供給量を、実施例4の通常の燃料供給量、すなわち燃料電池2に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の1.4倍とした。一方、ステップS214の判定で、特定した温度T1が、予め設定された温度T2以下であると判定した場合における燃料の供給量を、ポンプ80を制御して、実施例4の通常の燃料供給量の1.5倍、すなわち燃料電池2に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の2.1倍とした。
In step S214, when the determined temperature T1 is determined to be higher than the preset temperature T2, the fuel supply amount is the normal fuel supply amount of the fourth embodiment, that is, the current flows through the
それ以外の構成や設定値については、実施例4で使用された燃料電池システムと同様である。また、1000時間発電を行った後の燃料電池2の出力密度P1および発電を開始したときの燃料電池2の出力密度P0の計測方法および計測条件は、実施例1における計測方法および計測条件と同じである。
Other configurations and set values are the same as those of the fuel cell system used in the fourth embodiment. The measurement method and measurement conditions of the output density P1 of the
計測結果に基づいて算出された、出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)は、0.82(82%)であった。 The ratio (P1 / P0) of the output density P1 to the output density P0 calculated based on the measurement result was 0.82 (82%).
(比較例1)
比較例1では、実施例1で使用した燃料電池2を使用し、この燃料電池2を単に出力配線を介して外部負荷に接続した。すなわち、比較例1では、加熱手段50、温度検知手段70、電流遮断手段102、電圧検知手段103、制御手段110を備えた実施例1〜5と同様のシステムは備えず、単に燃料電池2からの出力を外部負荷に供給した。また、本比較例で使用された燃料電池に供給する燃料の供給量を、燃料電池に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の1.4倍とした。そして、この供給量を常時維持した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, the
また、1000時間発電を行った後の燃料電池の出力密度P1および発電を開始したときの燃料電池の出力密度P0の計測方法および計測条件は、実施例1における計測方法および計測条件と同じである。 Further, the fuel cell output density P1 after 1000 hours of power generation and the measurement method and measurement conditions of the fuel cell output density P0 when power generation is started are the same as the measurement method and measurement conditions in the first embodiment. .
計測結果に基づいて算出された、出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)は、0.6(60%)であった。 The ratio (P1 / P0) of the output density P1 to the output density P0 calculated based on the measurement result was 0.6 (60%).
(実施例1〜実施例5、比較例1のまとめ)
表1に、実施例1〜実施例5、比較例1における、出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)を示す。
(Summary of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1)
Table 1 shows the ratio (P1 / P0) of the output density P1 to the output density P0 in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1.
表1に示すように、出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)は、実施例1〜実施例5の方が、比較例1よりも高い値を示すことがわかった。すなわち、燃料電池2に流れる電流を遮断もしくは通常発電時の電流よりも小さな電流に制御し、電圧検知手段103で検知した電圧値が、予め設定された値を下回った場合に、カソード16中に保持されている水量が過剰と判定して、カソード16の少なくとも一部、特にカソードガス拡散層15を加熱することで、優れた出力特性が得られることが明らかとなった。
As shown in Table 1, it was found that the ratio of the output density P1 to the output density P0 (P1 / P0) was higher in Examples 1 to 5 than in Comparative Example 1. That is, the current flowing through the
また、実施例1〜実施例5において、温度検知手段70を備え、上記したステップS214の処理を実行した方が、温度検知手段70を備えず、ステップS213の処理後、ステップS215の処理を実行したものより、出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)が高いことがわかった。これは、温度検知手段70を備え、上記したステップS214の処理を実行することで、燃料電池2の温度の必要以上の上昇を抑制し、温度上昇による燃料電池2の出力の低下を抑制できたためと考えられる。
In the first to fifth embodiments, when the
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、燃料電池セルに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、すべてが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。 The present invention can be applied to various fuel cells using liquid fuel. Further, the specific configuration of the fuel cell, the supply state of the fuel, etc. are not particularly limited, and all the fuel supplied to the fuel cell is liquid fuel vapor, all is liquid fuel, or part is liquid. The present invention can be applied to various forms such as liquid fuel vapor supplied in a state. In the implementation stage, the constituent elements can be modified and embodied without departing from the technical idea of the present invention. Furthermore, various modifications are possible, such as appropriately combining a plurality of components shown in the above embodiment, or deleting some components from all the components shown in the embodiment. Embodiments of the present invention can be expanded or modified within the scope of the technical idea of the present invention, and these expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
1…燃料電池システム、10…燃料電池セル、11…アノード触媒層、12…アノードガス拡散層、13…アノード(燃料極)、14…カソード触媒層、15…カソードガス拡散層、16…カソード(空気極)、17…電解質膜、18…アノード導電層、19…カソード導電層、20…Oリング、30…燃料分配層、31…開口部、40…燃料供給機構、41…燃料収容部、42…燃料供給部、43…流路、50…加熱手段、60…保湿層、61…空気導入口、62…表面カバー、70…温度検知手段、100,101…出力配線、102…電流遮断手段、103…電圧検知手段、110…制御手段。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、
前記空気極を加熱可能に設けられた加熱手段と、
前記加熱手段を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。 A membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A fuel supply mechanism disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly for supplying fuel to the fuel electrode;
Heating means provided to be able to heat the air electrode;
And a control means for controlling the heating means.
前記制御手段が、前記温度検知手段で検知された情報に基づいて前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 Further comprising temperature detecting means for detecting the temperature of the air electrode;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls the heating unit based on information detected by the temperature detection unit.
前記膜電極接合体で発生する電圧を検知する電圧検知手段と
をさらに具備し、
前記制御手段が、前記電流制御手段を制御し、前記膜電極接合体に流れる電流を遮断または所定値以下の電流値にし、前記電圧検知手段で検知された電圧値に基づいて、前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 A current control means for cutting off or controlling the current flowing through the membrane electrode assembly to a current value of a predetermined value or less;
Voltage detecting means for detecting a voltage generated in the membrane electrode assembly, and
The control means controls the current control means, cuts off the current flowing through the membrane electrode assembly or sets the current value to a value equal to or less than a predetermined value, and controls the heating means based on the voltage value detected by the voltage detection means. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is controlled.
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給手段を有する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体に流れる電流を遮断または所定値以下の電流値に制御する電流制御手段と、
前記膜電極接合体で発生する電圧を検知する電圧検知手段と、
前記電流制御手段を制御し、前記膜電極接合体に流れる電流を遮断または所定値以下の電流値にし、前記電圧検知手段で検知された電圧値に基づいて、前記燃料供給手段を制御して前記燃料極への燃料供給量を調整する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。 A membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A fuel supply mechanism disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly and having a fuel supply means for supplying fuel to the fuel electrode;
A current control means for cutting off or controlling the current flowing through the membrane electrode assembly to a current value of a predetermined value or less;
Voltage detecting means for detecting a voltage generated in the membrane electrode assembly;
Controlling the current control means, cutting off the current flowing through the membrane electrode assembly or setting the current value to a predetermined value or less, and controlling the fuel supply means based on the voltage value detected by the voltage detection means to And a control means for adjusting a fuel supply amount to the fuel electrode.
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