JP2012064528A - 温度制御装置を備えている燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ簡易な構成で燃料電池の発電部の温度を所定の温度範囲に維持することのできる温度制御装置を備えている燃料電池を提供すること。
【解決手段】液相の燃料を貯留する燃料タンク２と前記燃料を酸化して発電する発電部４との間に循環管路３，６が形成されるとともに、前記発電部４の発電にともなって発生した熱を奪って前記発電部４を冷却する温度制御装置を備えている燃料電池１において、前記発電部４の温度に応じて前記発電部４に対する前記燃料の供給量を増減することにより前記発電にともなって前記発電部４に発生した熱の前記燃料を介した熱輸送量を増減させ、かつ、前記発電部４から排出された未反応燃料を含む前記燃料を冷却する熱交換器７が前記発電部から前記燃料タンクに至る循環管路６に設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、発電にともなって熱が発生し、その熱によって温度が上昇する発電部の温度を制御する装置を備えた燃料電池に関するものである。

燃料電池の発電部における発電反応は発熱反応であるから、反応熱によって発電部の温度が上昇して発電効率が低下したり、発電部や燃料電池全体の耐久性が低下したりする。そのため、燃料電池の発電部の温度を所定の温度範囲に制御することが従来検討されており、その一例が特許文献１に記載されている。特許文献１には、燃料電池スタックに、熱制御装置によって冷却あるいは暖めた水を供給して燃料電池スタックを冷却したり、暖めたりすることにより燃料電池スタックの温度を制御できるように構成された発明が記載されている。

特許文献２には、車両のエンジンルームに燃料電池スタックを配置し、燃料電池スタックの熱で暖められた水などの熱輸送媒体をラジエターに供給して冷却し、その冷却された水などの熱輸送媒体によって燃料電池スタックを冷却するように構成された発明が記載されている。

特許文献３には、燃料電池を寒冷環境におけるバックアップ電源として使用するために、燃料電池の動作温度が所定温度以下の場合にヒーターを駆動して燃料電池を暖め、燃料電池の動作温度が所定温度以上の場合にヒーターを停止するように構成された発明が記載されている。

特許文献４には、燃料電池スタックで発生した熱を冷媒によって熱交換器に熱輸送し、熱交換器に熱伝達可能に接続されたラジエターから燃料電池スタックで発生した熱を放熱するように構成された発明が記載されている。そして、放熱して冷却された冷媒と燃料電池スタックの熱を奪って温度が上昇した冷媒とを混合して燃料電池スタックに供給することにより燃料電池スタックの温度が所定の温度範囲に維持されるよう構成されている。

特許文献５には、積層された膜・電極接合体に燃料および酸素を供給するためのバイポーラ−プレートの一端部に熱輸送部を設けることにより、発電反応によって生じた熱を熱輸送部から膜・電極接合体の外部に熱輸送するように構成された発明が記載されている。

特許文献６には、水を熱輸送媒体として使用し、水によって発電にともなって発電部で発生した熱を奪って冷却するように構成された発明が記載されている。

特許文献７には、形状記憶合金によって形成されたサーマルコネクタを発電部とラジエターとの間に配置し、発電部が所定の温度になった場合に、サーマルコネクタが伸張して発電部とラジエターとを熱伝達可能に接続することにより発電部の熱をラジエターに熱輸送して発電部を冷却するように構成された発明が記載されている。

特許文献８には、燃料電池の発電部と熱交換器とを一体化して形成し、熱交換器に空気や水などの熱交換流体を流通させることにより、発電部の温度変化を所定の範囲に維持するように構成された発明が記載されている。

特許文献９には、周辺技術として、燃料電池セルに供給する燃料の温度を測定することにより、温度に依存した粘度などの物性の変化に応じて、燃料電池セルに供給する燃料の流量を較正するように構成された発明が記載されている。

米国特許出願公開第２００９／０２４６５７８号明細書 米国特許出願公開第２００９／０１８３９３６号明細書 米国特許出願公開第２００７／０２７５２８１号明細書 米国特許出願公開第２００７／０１４１４２０号明細書 米国特許出願公開第２００５／０００８９１１号明細書 米国特許出願公開第２００４／０２１９４０７号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１７０８７９号明細書 米国特許出願公開第２００４／００２８９７２号明細書 米国特許出願公開第２００６／００２９８４８号明細書

上述した特許文献１ないし特許文献８に記載された発明によれば、発電にともなって発電部に生じた熱をラジエターや熱交換器に熱輸送して燃料電池の外部に放熱するため、発電部の温度を所定の温度範囲に維持することができる。しかしながら、特許文献１ないし特許文献８に記載された構成では、水を熱輸送媒体として使用するので、発電部に水を流通させるための管路や水の供給装置などの構成が別途必要になり、燃料電池の構成が複雑になったり、大型化する虞があり、未だ改善の余地があった。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、小型かつ簡易な構成で燃料電池の発電部の温度を所定の温度範囲に維持することのできる温度制御装置を備えている燃料電池を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、液相の燃料を貯留する燃料タンクと前記燃料を酸化して発電する発電部との間に循環管路が形成されるとともに、前記発電部の発電にともなって発生した熱を奪って前記発電部を冷却する温度制御装置を備えている燃料電池において、前記発電部の温度に応じて前記発電部に対する前記燃料の供給量を増減することにより前記発電にともなって前記発電部に発生した熱の前記燃料を介した熱輸送量を増減させ、かつ、前記発電部から排出された未反応燃料を含む前記燃料を冷却する熱交換器が前記発電部から前記燃料タンクに至る循環管路に設けられていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記熱交換器は、前記燃料が流通する蛇行した管路と、該管路に熱伝達可能に接触するとともに前記管路を挟み込む薄板とを備え、前記管路および前記薄板は、熱伝導性を有する金属材料によって形成されていることを特徴とする温度制御装置を備えている燃料電池である。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記発電部のアノード側に配置されるセパレータの前記発電部に対向する面に、蛇行した細溝形状の複数の燃料供給チャンネルが形成されており、前記燃料供給チャンネルに導入する前記燃料の供給量を増大させることにより前記発電部からの前記燃料を介した熱輸送量を増大させて前記発電部の温度を低下させ、前記燃料供給チャンネルに導入する前記燃料の供給量を減少させることにより前記発電部からの前記燃料を介した熱輸送量を減少させて前記発電部の温度を上昇させるように構成されていることを特徴とする温度制御装置を備えている燃料電池である。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記燃料タンクから前記発電部に至る前記循環管路に、前記発電部に向けて前記燃料を送液するポンプが介装されており、前記温度制御装置は、前記発電部の温度を検出する温度センサと、その温度センサの検出信号に基づいて前記ポンプの動作電圧を制御する制御部とを備えていることを特徴とする温度制御装置を備えている燃料電池である。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記制御部は、前記温度センサによって検出された前記発電部の温度が所定温度以上の場合に、前記ポンプの動作電圧を増大させることにより前記燃料供給チャンネルに導入する前記燃料の供給量を増大させ、前記温度センサによって検出された前記発電部の温度が所定温度以下の場合に、前記ポンプの動作電圧を減少させることにより前記燃料供給チャンネルに導入する前記燃料の供給量を減少させるように構成されていることを特徴とする温度制御装置を備えている燃料電池である。

請求項６の発明は、請求項４または５の発明において、前記ポンプは、ダイアフラムポンプ、ペリスタポンプ、シリンジポンプ、ピエゾポンプのいずれかを含むことを特徴とする温度制御装置を備えている燃料電池である。

請求項７の発明は、請求項２の発明において、前記燃料とは異なる流体を貯留するタンクを更に備え、前記熱交換器は、前記タンクから供給された前記燃料とは異なる流体を流通する他の管路を更に備え、その他の管路と前記燃料が流通する管路とが熱伝達可能に設けられるとともに、これらの管路が前記薄板に熱伝達可能に挟み込まれて構成されていることを特徴とする温度制御装置を備えている燃料電池である。

請求項１の発明によれば、発電部の温度に応じて発電部に対する液相の燃料の供給量を増減させることにより、発電部に生じた熱の燃料を介した熱輸送量が増減するように構成されている。また、発電部の熱を奪って温度が上昇した燃料は、発電部から排出されると、発電部から燃料タンクに至る循環管路に設けられた熱交換器に導入されて冷却されるように構成されている。そのため、液相の燃料を熱輸送媒体として機能させることができるとともに、発電部の熱を奪って温度が上昇した燃料を熱交換器で冷却し、その冷却した燃料を燃料タンクに回収あるいは戻すことができる。その結果、発電部の温度を所定の温度範囲に維持することができる。熱輸送媒体に水を使用する場合に比較して、発電部の温度を所定の温度範囲に維持する温度制御装置の構成を小型化かつ簡素化できる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、熱交換器は、蛇行した管路とこれに熱伝達可能に接触して管路を挟み込む薄板とを備え、管路および薄板は、熱伝導性を有する金属材料によって形成されている。そのため、液相の燃料が輸送した熱を、熱交換器の管路および管路を挟み込む金属薄板から放熱して、液相の燃料を冷却できる。

請求項３の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、発電部のアノード側に配置されるセパレータに、発電部に対して燃料を供給する燃料供給チャンネルが設けられており、燃料供給チャンネルに導入する燃料の供給量を増大させることにより燃料を介した熱輸送量を増大させ、燃料供給チャンネルに導入する燃料の供給量を減少させることにより燃料を介した熱輸送量を減少させるように構成されている。すなわち、燃料供給チャンネルに導入する液相の燃料の供給量を増減することにより、発電部からの燃料を介した熱の輸送量を増減するので、熱輸送媒体に水を使用する場合に比較して、温度制御装置の構成を簡素化でき、かつ小型化できる。

請求項４の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、温度制御装置は、発電部の温度を検出するための温度センサと、温度センサの検出信号に基づいてポンプの動作電圧を制御する制御部とを備えている。すなわち、発電部の温度に応じてポンプの動作電圧が制御される。発電部の温度に応じてポンプの動作電圧を制御して、燃料の供給量を増減することにより、発電部からの燃料を介した熱輸送量を増減できるので、発電部の温度を所定の温度範囲に維持できる。

請求項５の発明によれば、請求項４の発明による効果と同様の効果に加えて、制御部は、温度センサによって検出された温度が所定温度以上の場合に、ポンプの動作電圧を増大させて燃料供給チャンネルに導入する燃料の供給量を増大させ、温度センサによって検出された温度が所定温度以下の場合に、ポンプの動作電圧を低減させて燃料供給チャンネルに導入する燃料の供給量を減少させるように構成されている。したがって、温度センサによって検出される発電部の温度が所定温度以上の場合には、ポンプの動作電圧を増大させ、燃料供給チャンネルに導入する燃料の供給量を増大させることにより発電部に生じた熱の燃料を介した熱輸送量を増大できる。温度センサによって検出される発電部の温度が所定温度以下の場合には、ポンプの動作電圧を減少させ、燃料供給チャンネルに導入する燃料の供給量を減少させることにより発電部に生じた熱の燃料を介した熱輸送量を減少できる。その結果、発電部の温度を所定の温度範囲に維持することができる。

請求項６の発明によれば、請求項４または５の発明による効果と同様の効果に加えて、ポンプには、ダイアフラムポンプ、ペリスタポンプ、シリンジポンプ、ピエゾポンプのいずれかを使用することができる。

請求項７の発明によれば、請求項２の発明による効果と同様の効果に加えて、熱交換器には、発電部の熱を奪って温度が上昇する燃料とは異なる流体を流通させる管路が更に設けられており、その管路は燃料が流通する管路に熱伝達可能に設けられている。そのため、その燃料とは異なる流体を介して熱交換器から熱を取り出すことができる。また、燃料とは異なる流体を貯留するタンクが更に設けられているので、燃料とは異なる流体によって取り出した熱を貯留し、言い換えれば蓄熱して、熱源として利用することができる。

この発明に係る温度制御装置を適用したＤＭＦＣの構成を模式的に示す図である。 ＤＭＦＣスタックのＭＥＡに液相のメタノールを供給するセパレータの構成を模式的に示す図である。 ＤＭＦＣスタックのＭＥＡに液相のメタノールを供給するセパレータの他の構成を模式的に示す図である。 この発明に係る熱交換器の構成を模式的に示す図である。 ＤＭＦＣスタックの温度に応じて、ＤＭＦＣスタックに対する液相のメタノールの供給量を増減するための構成を模式的に示す図である。 この発明に係る温度制御装置を適用したＤＭＦＣの他の構成を模式的に示す図である。 この発明に係る熱交換器の他の構成を模式的に示す図である。 実施例１のように構成したＤＭＦＣ実験機の発電特性を示す図である。 実施例２のように構成したＤＭＦＣ実験機の発電特性を示す図である。

つぎにこの発明を具体的に説明する。図１に、この発明に係る温度制御装置を適用したＤＭＦＣの構成を模式的に示してある。ＤＭＦＣ１は、燃料として使用するメタノールを貯留する燃料タンク２を備え、燃料タンク２に貯留されるメタノールは、供給管路３を介してＤＭＦＣスタック４に供給されるようになっている。供給管路３の途中には、送液ポンプ５が設けられている。送液ポンプ５は、燃料タンク２に貯留されたメタノールをＤＭＦＣスタック４に供給するためのものであり、従来一般的に使用されているものであってよい。例えば、送液ポンプ５には、ダイヤフラムポンプ、ペリスタポンプ、シリンジポンプ、ピエゾポンプなどを使用することができる。

ＤＭＦＣスタック４は、実質的な燃料電池に相当する膜・電極接合体（ＭＥＡと呼ばれることがある。）と、ＭＥＡの両側に配置されてＭＥＡに燃料として使用されるメタノールおよび酸化剤として使用される酸素を含む空気を供給するとともにＭＥＡで反応に使用されなかったメタノール（いわゆる、オフメタノール）および空気ならびに反応生成物を排出するためのセパレータとを備えている。ＭＥＡには、従来一般的に知られている構成のものと同様のものを使用することができる。

ＤＭＦＣスタック４におけるメタノールの酸化反応にともなって生成した反応生成物を含む反応残渣は、排出管路６を流動して熱交換器７に供給されるようになっている。熱交換器７は、ＤＭＦＣスタック４を流動し、反応熱を奪って温度が上昇した未反応のメタノールを冷却するためのものであり、熱交換器７で冷却されたメタノールは、排出管路６を流動して燃料タンク２に回収されるようになっている。したがって、燃料タンク２から供給管路３を介してＤＭＦＣスタック４にメタノールを供給し、ＤＭＦＣスタック４から熱交換器７および排出管路６を介して燃料タンク２に反応生成物を含む反応残渣を回収する経路が循環管路になっている。

図２に、ＤＭＦＣスタックのＭＥＡに液相のメタノールを供給するセパレータの構成を模式的に示してある。セパレータ８は、プレート形状に形成されていて、ＭＥＡのアノード側に対向する面に、燃料タンク２から送液ポンプ５によって送液されたメタノールをＭＥＡに供給するための燃料供給チャンネル９が蛇状に蛇行して複数形成されている。燃料供給チャンネル９は、その流路の中央にリブ１１が形成されており、図２に示す例では、燃料供給チャンネル９は少なくとも二つの流路に分けられて構成されている。燃料供給チャンネル９は、その一方の端部に液相のメタノールを流入させる流入孔１０が形成されている。流入孔１０は供給管路３に接続されており、流入孔１０から燃料供給チャンネル９に液相のメタノールが供給されるようになっている。燃料供給チャンネル９は、ＭＥＡに燃料であるメタノールを供給するためのものであるから、ＭＥＡのアノード側に開口するようになっている。

燃料供給チャンネル９に供給され、ＭＥＡにおける反応に使用されなかった未反応燃料を含む反応残渣は、流出孔１２から排出されるようになっている。流出孔１２は、排出管路６に接続されており、燃料供給チャンネル９を流動してＭＥＡにおける反応熱を奪って温度が上昇したメタノールが、排出管路６を流動して熱交換器７に供給されて冷却されるようになっている。

図３に、ＭＥＡに液相のメタノールを供給するセパレータの他の構成を模式的に示してある。ここに示す例は、図３における左右方向に燃料供給チャンネル９を細溝かつ直線形状に複数形成した例であり、各燃料供給チャンネル９の一方の端部側には、供給管路３に接続され、各燃料供給チャンネル９にメタノールを分配するためのチャンネル１３が形成されている。燃料供給チャンネル９の他方の端部側には、各燃料供給チャンネル９に供給され、ＭＥＡにおける反応に使用されなかった未反応燃料を含む反応残渣を排出するチャンネル１４が形成されている。チャンネル１４は、排出管路６に接続されており、燃料供給チャンネル９を流動してＭＥＡにおける反応熱を奪って温度が上昇したメタノールが、排出管路６を流動して熱交換器７に供給されて冷却されるようになっている。チャンネル１３，１４は、各燃料供給チャンネル９にメタノールを供給し、排出させるためのものであるから、その溝幅は燃料供給チャンネル９に比較して大きく形成されていることが好ましい。図２および図３に示す構成では、ＭＥＡのアノード側に対向するセパレータ８の一方の面に、ＭＥＡのアノード側に開口する複数の燃料供給チャンネル９を形成することにより、ＭＥＡのカソード側全面あるいはほぼ全面に亘って液相のメタノールを供給できるようになっている。

図４に、この発明に係る熱交換器の構成を模式的に示してある。熱交換器７は、蛇行して形成された放熱管１５を備え、放熱管１５の一方の端部は、ＭＥＡにおける反応熱を奪って温度が上昇したメタノールが流通する排出管路６に接続されている。放熱管１５は、薄板形状に形成された放熱板１６，１７によって熱伝達可能に挟み込まれている。放熱管１５および放熱板１６，１７は、熱伝導性を有する金属材料によって形成されていて、その金属材料には、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などが挙げられる。放熱管１５の他方の端部は、排出管路６を介して燃料タンク２に接続されている。したがって、メタノールが輸送するＭＥＡにおける反応熱は、熱交換器７の放熱管１５および放熱板１６，１７からＤＭＦＣスタック４の外部に放熱され、放熱により温度が低下したメタノールは燃料タンク２に向けて流動し、再びＤＭＦＣスタック４に供給されるようになっている。

図５に、ＤＭＦＣスタックの温度に応じて、ＤＭＦＣスタックに対する液相のメタノールの供給量を増減するための構成を模式的に示してある。セパレータ８のカソード側の面に、ＤＭＦＣスタック４の外部から取り入れた空気を流通させ、ＭＥＡに空気を供給するための空気供給チャンネル１８が細溝かつ互いに平行な直線形状に形成されている。空気供給チャンネル１８の両端部は、ＤＭＦＣスタック４の外部に対して開口している。なお、空気供給チャンネル１８の開口端部のいずれか一方に、空気供給チャンネル１８に空気を供給するためのファンを設けてもよい。

ＤＭＦＣスタック４の温度を検出するための温度センサ１９が空気供給チャンネル１８に設けられている。温度センサ１９は、検出した温度を信号として出力するように構成されており、従来一般的に使用されている接触式あるいは非接触式温度センサなどの任意の温度センサを使用することができる。温度センサ１９が検出した信号は制御部２０に入力されるようになっている。

制御部２０は、例えばマイクロコンピュータを主体として構成されており、入力された温度センサ１９の検出信号に基づいて演算処理をおこない、その演算結果を送液ポンプ５の制御信号や動作電圧として出力し、送液ポンプ５の駆動を制御するように構成されている。制御部２０は、例えば温度センサ１９によって検出されるＤＭＦＣスタック４の温度が６０℃以上の場合に、送液ポンプ５の動作電圧を増大させて液相のメタノールの供給量を増大させるようになっている。すなわち、温度センサ１９によって検出されるＤＭＦＣスタック４の温度が６０℃以上の場合に、燃料供給チャンネル９に導入するメタノールの流量を増大させることにより、液相のメタノールを介したＤＭＦＣスタック４の反応熱の熱輸送量を増大できるようになっている。一方、制御部２０は、温度センサ１９によって検出されるＤＭＦＣスタック４の温度が４０℃以下の場合に、送液ポンプ５の動作電圧を減少させて液相のメタノールの供給量を減少させるようになっている。すなわち、温度センサ１９によって検出されるＤＭＦＣスタック４の温度が４０℃以下の場合に、燃料供給チャンネル９から液相のメタノールを介したＤＭＦＣスタック４の反応熱の熱輸送量を低減できるようになっている。

したがって、図１ないし図５に示す構成によれば、温度センサ１９によって検出されるＤＭＦＣスタック４の温度に応じて送液ポンプ５の動作電圧を増減して燃料供給チャンネル９に導入する液相のメタノールの供給量を増減することができる。すなわち、液相のメタノールの供給量を制御することにより、燃料供給チャンネル９から液相のメタノールを介したＤＭＦＣスタック４における反応熱の熱輸送量を制御することができる。そして、液相のメタノールが熱輸送したＤＭＦＣスタック４の熱は、熱交換器７においてＤＭＦＣスタック４の外部に放熱できる。放熱により冷却されたメタノールは、排出管路６を流動して燃料タンク２に戻され、ＤＭＦＣスタック４に供給できる。その結果、ＤＭＦＣスタック４の動作温度範囲を、例えば予め設計した４０℃から６０℃の温度範囲に維持することができる。また、温度センサ１９は、ＭＥＡのカソード側に接触する空気供給チャンネル１８に設けられているため、従来のラジエターや熱交換器などの外部装置によってＤＭＦＣスタック４の温度を検出したり制御したりする場合に比較して、ＤＭＦＣスタック４の温度を正確に検出でき、ＤＭＦＣスタック４の温度を正確に制御できる。

また、図６に、この発明に係る温度制御装置を適用したＤＭＦＣの他の構成を模式的に示してある。ここに示す例は、燃料とは異なる流体を貯留するタンク２１を設け、このタンク２１に貯留される流体を熱交換器７に供給し、その流体とＤＭＦＣスタック４の熱を奪って温度が上昇した燃料との間で熱交換を生じさせることにより、その流体を介してＤＭＦＣスタック４の熱を取り出したり、あるいはその流体の熱を熱交換器７を介してＤＭＦＣスタック４に伝達するように構成した例である。そのタンク２１は、ＤＭＦＣ１の内部に設けてもよく、あるいはＤＭＦＣ１の外部に設けてもよい。また、前述した燃料とは異なる流体には、例えば水を使用することができる。熱交換器７とタンク２１との間には、これらの間で水を循環させる循環管路２２が形成されている。また、循環管路２２の途中には、送液ポンプ２３が介装されている。送液ポンプ２３には、例えば、ダイヤフラムポンプ、ペリスタポンプ、シリンジポンプ、ピエゾポンプなどを使用することができ、前述した温度センサ１９によって検出されるＤＭＦＣスタック４の温度に応じてその動作電圧が制御されるようになっている。

図７に、図６に示すように構成された熱交換器の構成を模式的に示してある。熱交換器７の放熱管１５に、熱伝達可能に流水管２４が設けられており、流水管２４は、前述した循環管路２２に接続されている。また、流水管２４は、熱伝導性を有する金属材料によって形成されており、その金属材料には、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などが挙げられる。さらにまた、流水管２４は、放熱管１５と同様に、放熱板１６，１７によって熱伝達可能に挟み込まれており、放熱板１６，１７からＤＭＦＣスタック４の外部に放熱できるようになっている。したがって、タンク２１に貯留される水は、送液ポンプ２３によって熱交換器７の流水管２４に供給され、熱交換器７において、流水管２４の内部を流通する水と放熱管１５の内部を流通する燃料との間で熱交換できるようになっている。そして、熱交換により温度が上昇あるいは下降した水は、タンク２１に戻されて貯留されるようになっている。また、図７に示す例では、流水管２４における水の流動方向と、放熱管１５における燃料の流動方向とは、互いに対向するようになっている。

したがって、図６および図７に示す構成によれば、温度センサ１９によって検出されるＤＭＦＣスタック４の温度に応じて送液ポンプ５の動作電圧を増減して燃料供給チャンネル９に導入する液相のメタノールの供給量を制御することにより、燃料供給チャンネル９から液相のメタノールを介したＤＭＦＣスタック４における反応熱の熱輸送量を制御することができる。また、熱交換器７において、燃料を介して熱輸送されるＤＭＦＣスタック４の反応熱は、流水管２４を流通する水に熱伝達され、その水をタンク２１に貯留することができる。その水を送液する送液ポンプ２３の動作電圧は、前述したように温度センサ１９によって検出されるＤＭＦＣスタック４の温度に応じて制御されるようになっているので、例えば、ＤＭＦＣスタック４における反応が過大となって、その温度が高くなった場合には、熱交換器７の放熱板１６，１７からの自然放熱に加えて、流水管２４を流通する水に燃料が輸送するＤＭＦＣスタック４の反応熱を熱伝達してその外部、すなわちタンク２１に取り出すことができる。また、例えば送液ポンプ２３の動作電圧を増大させ、流水管２４を流通する水の量を増大させて、その水による熱輸送量を増大させることができる。そのため、熱交換により放熱管１５を流通する燃料を冷却でき、これによりＤＭＦＣスタック４の冷却効率を向上できる。また、その熱交換によって水の温度を上昇させて温水を生成し、その温水をタンク２１に貯留あるいは蓄熱することができる。したがって、ＤＭＦＣスタック４の温度が低い場合には、前述した送液ポンプ５の電圧制御によりＤＭＦＣスタック４に対する液相のメタノールの供給量を減少させることに加えて、タンク２１に貯留される温水をＤＭＦＣスタック４の温度を上昇させるための熱源として利用することができる。すなわち、温水と放熱管１５を流通する燃料との間で熱交換にすることにより燃料を暖め、その暖められた燃料をＤＭＦＣスタック４に供給することによりＤＭＦＣスタック４の温度上昇を補助することができる。さらにまた、例えば送液ポンプ２３の動作電圧を減少させ、温水の送水量を低減させることにより熱交換器７における熱交換効率を向上させることができる。さらに、その温水をＤＭＦＣ１の外部に取り出して、有効に利用することもできる。その結果、このような構成においても、ＤＭＦＣスタック４の動作温度範囲を、例えば予め設計した例えば４０℃から６０℃の温度範囲に維持することができる。

図１ないし図５に示すように構成した温度制御装置を適用したＤＭＦＣの実験機を作製し、その発電性能を評価した。なお、燃料タンク２には、無希釈のメタノールを貯留し、１００ｖｏｌ％メタノールを燃料としてそのまま使用した。ＭＥＡは、従来知られている構成のものを用いた。セパレータ８は、所定の合成樹脂材料あるいは合成樹脂材料と補強のための繊維材料とを組み合わせた繊維強化プラスチックなどによってプレート形状に形成した。

図８に、上記の実施例１のように構成したＤＭＦＣ実験機の発電特性を示してある。ＤＭＦＣ実験機は、定電流を出力するように調整した。実線ａは、ＤＭＦＣスタック４の温度を示しており、ＤＭＦＣスタック４の温度は、発電開始直後から徐々に低下することが認められた。鎖線ｂは、ＤＭＦＣ実験機の内部抵抗（ｍΩ）（出力インピーダンスと呼ばれることがある。）を示しており、ＤＭＦＣスタック４の温度低下にともなって低下することが認められた。ＤＭＦＣスタック４の温度低下にともなう内部抵抗の低下は、ＤＭＦＣスタック４の温度が低下することにより、ＭＥＡにおける水分量が増大することを示している。その後、ＤＭＦＣ実験機から熱交換器７を取り除くと、ＤＭＦＣスタック４の温度が徐々に上昇し、ＤＭＦＣスタック４の温度上昇にともなって内部抵抗も増大することが認められた。これは、熱交換器７を取り外したことにより、ＤＭＦＣスタック４の冷却が不十分になったこと示している。その後、熱交換器７を再度取り付けると、ＤＭＦＣスタック４の温度は徐々に低下し、これにともなって内部抵抗も減少することが認められた。

上記の実施例１の構成におけるＤＭＦＣスタックを八つ積層し、その積層したＤＭＦＣスタックの温度に応じて送液ポンプ５の動作電圧を制御してメタノールの供給量を制御した。その他の構成は、上記の実施例１と同様の構成にした。図９に、実施例２のように構成したＤＭＦＣ実験機の発電特性を示してある。図９に示すＤＭＦＣ実験機の発電特性は、出力電圧を一定にした場合の発電特性である。実線ｃは、ＤＭＦＣスタック４の温度を示しており、鎖線ｄは、内部抵抗（ｍΩ）を示しており、破線ｅは、電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を示している。図９に示したように、ＤＭＦＣ実験機は、発電を開始してから１００００秒経過した後も、ＤＭＦＣスタック４の温度および内部抵抗ならびに出力密度に明確な上下変動がなく、ほぼ一定であることが認められた。これらの結果は、ＤＭＦＣ実験機が安定して発電をおこなっていることを示している。

したがって、本発明例によれば、液相のメタノールを熱輸送媒体として機能させるとともに、液相のメタノールが輸送したＭＥＡにおける反応熱を熱交換器からＤＭＦＣスタックの外部に放熱することができる。その結果、水を熱輸送媒体として使用する場合に比較して、温度制御装置の構成を簡素化できるとともに小型化できる。すなわち、小型かつ簡素な構成でＤＭＦＣスタックの温度を所定の温度範囲に維持することができる。ＤＭＦＣスタックの温度を所定温度範囲に維持できることにより、安定して発電をおこなうことができるとともに、ＤＭＦＣスタックの温度変化にともなう発電効率の低下を防止もしくは抑制できる。

１…ＤＭＦＣ、 ２…燃料タンク、 ４…ＤＭＦＣスタック、 ５…送液ポンプ、 ７…熱交換器、 ９…燃料供給チャンネル、 １９…温度センサ、 ２０…制御部。

Claims (7)

1. 液相の燃料を貯留する燃料タンクと前記燃料を酸化して発電する発電部との間に循環管路が形成されるとともに、前記発電部の発電にともなって発生した熱を奪って前記発電部を冷却する温度制御装置を備えている燃料電池において、
   前記発電部の温度に応じて前記発電部に対する前記燃料の供給量を増減することにより前記発電にともなって前記発電部に発生した熱の前記燃料を介した熱輸送量を増減させ、かつ、前記発電部から排出された未反応燃料を含む前記燃料を冷却する熱交換器が前記発電部から前記燃料タンクに至る循環管路に設けられている
   ことを特徴とする温度制御装置を備えている燃料電池。
2. 前記熱交換器は、前記燃料が流通する蛇行した管路と、該管路に熱伝達可能に接触するとともに前記管路を挟み込む薄板とを備え、前記管路および前記薄板は、熱伝導性を有する金属材料によって形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置を備えている燃料電池。
3. 前記発電部のアノード側に配置されるセパレータの前記発電部に対向する面に、蛇行した細溝形状の複数の燃料供給チャンネルが形成されており、
   前記燃料供給チャンネルに導入する前記燃料の供給量を増大させることにより前記発電部からの前記燃料を介した熱輸送量を増大させて前記発電部の温度を低下させ、前記燃料供給チャンネルに導入する前記燃料の供給量を減少させることにより前記発電部からの前記燃料を介した熱輸送量を減少させて前記発電部の温度を上昇させるように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置を備えている燃料電池。
4. 前記燃料タンクから前記発電部に至る前記循環管路に、前記発電部に向けて前記燃料を送液するポンプが介装されており、
   前記温度制御装置は、前記発電部の温度を検出する温度センサと、その温度センサの検出信号に基づいて前記ポンプの動作電圧を制御する制御部とを備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置を備えている燃料電池。
5. 前記制御部は、前記温度センサによって検出された前記発電部の温度が所定温度以上の場合に、前記ポンプの動作電圧を増大させることにより前記燃料供給チャンネルに導入する前記燃料の供給量を増大させ、前記温度センサによって検出された前記発電部の温度が所定温度以下の場合に、前記ポンプの動作電圧を減少させることにより前記燃料供給チャンネルに導入する前記燃料の供給量を減少させるように構成されていること
   を特徴とする請求項４に記載の温度制御装置を備えている燃料電池。
6. 前記ポンプは、ダイアフラムポンプ、ペリスタポンプ、シリンジポンプ、ピエゾポンプのいずれかを含む
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の温度制御装置を備えている燃料電池。
7. 前記燃料とは異なる流体を貯留するタンクを更に備え、
   前記熱交換器は、前記タンクから供給された前記燃料とは異なる流体を流通する他の管路を更に備え、その他の管路と前記燃料が流通する管路とが熱伝達可能に設けられるとともに、これらの管路が前記薄板に熱伝達可能に挟み込まれて構成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の温度制御装置を備えている燃料電池。

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