JP3561621B2 - 固体高分子形燃料電池装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水素ガスを主成分とする燃料ガスが供給されて電力を発生する固体高分子形燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池装置は、水素ガスを主成分とする燃料ガスの供給により電力を発生することが可能になるため、蓄電池と比較して使用開始前の充電を必要としない。このような利点により、今後、固体高分子形燃料電池装置は屋外用や非常用の電源として需要の増加が予測されている。
【０００３】
図３には上記のような固体高分子形燃料電池装置に用いられる固体高分子形燃料電池本体の構成が示されている。固体高分子形燃料電池本体（以下、燃料電池本体という）１０の内部には、電極接合体１２を隔壁とするアノード極側気室１４及びカソード極側気室１６が形成されている。電極接合体１２は、図３に示されるように電解質１８の一方の面上にアノード極２０が、他方の面上にカソード極２２がそれぞれ配置され、全体として薄膜状に形成されている。アノード極２０及びカソード極２２は、それぞれ白金等からなる触媒電極２４と、この触媒電極２４上に積層された集電体２６とにより構成され、これらのアノード極２０及びカソード極２２は外部回路２８に接続されている。ここで、電解質１８としては高分子イオン交換膜（例えば、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜）を用いる。
【０００４】
上記のように構成された燃料電池本体１０のアノード極側気室１４には、ボンベや改質器（図示省略）等から燃料ガスとして高純度の水素ガスが供給されると共に、ポンプ等により水が供給され、カソード極側気室１６にはファン等により空気が供給される。アノード極側気室１４に供給された水素はアノード極２０上でイオン化され、この水素イオンは電解質１８中を水分子と共にＨ^＋ ・ｘＨ_２ Ｏとしてカソード極２２側へ移動する。このカソード極２２側へ移動した水素イオンは、カソード極２２上で空気中の酸素及び外部回路２４を流れてきた電子と反応して水を生成する。この水の生成反応と共に、電子が外部回路２８を流れることから、この電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用することが可能になる。
【０００５】
上記したように燃料電池本体１０のアノード極側気室１４に供給された水素ガスは外部回路２８の電力消費に応じて水素イオンとなって消費される。しかしながら、工業用の水素ガスや改質器によりプロパンガス等から生成された水素ガスには窒素、炭酸ガス等の不純ガスが混入している。アノード極側気室１４内では、水素ガスのみが消費されることから、水素ガスの消費が増加すると共に不純ガスが濃化する。アノード極側気室１４内に残留する不純ガスの濃度が高くなると、アノード極２０における水素ガスのイオン化が抑制されて燃料電池本体１０の最大出力が低下する。
【０００６】
従来の固体高分子形燃料電池装置には、アノード極側気室１４内の不純ガスの濃度が高くなることを防止するため、装置作動時には常にアノード極側気室１４から不純ガスを含んだ少量の水素ガスを燃料電池本体１０の外部へ排出する構造のものがある。このような固体高分子形燃料電池装置では、アノード極側気室１４にニードル弁等の流量調整弁を接続し、この流量調整弁を介してアノード極側気室１４から少量の水素ガスを燃料電池本体１０の外部へ排出する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような固体高分子形燃料電池装置では、外部回路の電力消費が増加すると共に、燃料電池本体による水素ガスの消費が増加する。このため、燃料電池本体への負荷が増加すると共に不純ガスの濃化が促進されるので、高負荷時には、低負荷時と比較してアノード極側気室から多量の水素ガスを排出しなければ、燃料電池本体の性能を維持することができない。そこで、従来の固体高分子形燃料電池装置では、高負荷時に必要となる排出量の水素ガスが排出されるように流量調整弁の弁開度を設定している。この結果、従来の固体高分子形燃料電池装置では、低負荷時に高負荷時より不純ガスの濃度が低い水素ガスがアノード極側気室から外部へ排出されてしまい、アノード極側気室に供給された水素ガスが電力に変換される比率（電力変換効率）が低下する。
【０００８】
本発明の目的は、上記の事実を考慮し、低負荷時及び高負荷時の何れの場合でも、固体高分子形燃料電池本体のアノード極側気室から適正量の燃料ガスが排出され、あらゆる負荷においても電力変換効率の高い固体高分子形燃料電池装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の固体高分子形燃料電池装置は、電極接合体により隔てられたアノード極側気室とカソード極側気室とが設けられ、前記アノード極側気室に燃料ガスが供給される固体高分子形燃料電池本体と、前記アノード極側気室へ供給され消費されなかった燃料ガスを固体高分子形燃料電池本体の外部へ排出するガス排出経路に配置され、第１の流量調整弁を有する第１の流量調整手段と、前記ガス排出経路に少なくとも１個以上配置され、前記第１の流量調整手段に対して並列に接続され、第２の流量調整弁及び当該第２の流量調整弁に対して直列に接続された電磁開閉弁を有する第２の流量調整手段と、前記固体高分子形燃料電池本体への電力負荷を測定する負荷測定手段と、前記負荷測定手段により測定された電力負荷が高いときには、前記ガス排出経路からの燃料ガスの排出量を増やすと共に、電力負荷が低いときには、前記ガス排出経路からの燃料ガスの排出量を減らすように前記第２の流量調整手段の開閉を制御する制御手段と、を有するものである。
【００１０】
上記構成の固体高分子形燃料電池装置によれば、固体高分子形燃料電池本体による燃料ガスの消費量が少ない低負荷時には、第１の流量調整手段により少量の燃料ガスをアノード極側気室から排出させ、固体高分子形燃料電池本体への電力負荷が高くなり燃料ガスの消費量が増加すると共に、第２の流量調整手段によりアノード極側気室からの燃料ガスの排出量を増加できる。これにより、固体高分子形燃料電池本体への電力負荷が低い時でも、高い時でもアノード極側気室から適正量の高濃度の不純ガスを含んだ燃料ガスを排出できるので、アノード極側気室内の不純ガスの濃度が高くなって燃料電池本体の出力が低下することを防止でき、かつ低負荷時に燃料ガスの使用効率が低下することを防止できる。
【００１１】
ここで、ガス排出経路に複数の第２の流量調整手段が配置されている場合には、固体高分子形燃料電池本体への電力負荷の増減に応じて開とする第２の流量調整手段の個数を増減させても、開とする第２の流量調整手段を排出流量の設定が異なるものに切り替えるようにしてもよい。また、固体高分子形燃料電池本体への電力負荷の増減に応じて開とする第２の流量調整手段の個数を増減させる制御と、開とする第２の流量調整手段を排出流量の設定が異なるものに切り替える制御とを組み合わせて行ってもよい。
【００１２】
また、電磁開閉弁を励磁状態及び非励磁状態の何れかの状態とすることにより、第２の流量調整手段が開閉されてガス排出経路からの燃料ガスの排出量が増減する。
【００１３】
請求項２記載の固体高分子形燃料電池装置は、請求項１記載の固体高分子形燃料電池装置において、前記ガス排出経路に設けられ、前記アノード極側気室から流出した未反応ガスから水分を除去する水分除去手段を有するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
（実施形態の構成）
図１及び図２に本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池装置３０が示されている。なお、図２に示されている燃料電池本体は、図３に基づいて説明した燃料電池本体１０と基本的構成が共通しているので、対応する部材については同一符号を付し、その構成及び動作についての詳細な説明を省略する。この固体高分子形燃料電池装置３０は図１に示されるように直方体状の外装ケース３２を備えている。この外装ケース３２の一側面には、操作盤３４及び開閉可能に支持された扉３６が配置されると共に、操作盤３４の下方に排気部３８が形成されている。ここで、扉３６は、外装ケース３２の内部に設けられたボンベ収納部（図示省略）の入口開口に配置されており、排気部３８には、外装ケース３２の排気ダクト（図示省略）へ連通した多数の通気穴が形成されている。また、外装ケース３２の下面には各コーナー部にそれぞれキャスター４０が配置されている。
【００１６】
外装ケース３２内には、図２に示される燃料電池本体１０等の電力発生に係る各種の部材が配置されると共に、高圧の水素ガスが充填されたボンベ４２が交換可能に収納されている。このボンベ４２は外装ケース３２内のボンベ収納部に最大２本収納することができ、扉３６を開放することにより交換可能になる。
【００１７】
図２に示されるようにボンベ４２は手動バルブ４４を備えており、この手動バルブ４４は水素供給管４６により燃料電池本体１０のアノード極側気室１４へ連結されている。水素供給管４６には、配管途中にレギュレータ４８，５０及び電磁開閉弁５２が配置されており、１段目のレギュレータ４８はボンベ４２から供給された高圧（１〜１５０Ｋｇｆ／ｍＵ）の水素ガスを１〜２Ｋｇｆ／ｍＵ程度まで減圧し、２段目のレギュレータ５０は、レギュレータ４８により減圧された水素ガスを０．０５Ｋｇｆ／ｍＵ程度まで減圧する。電磁開閉弁５２は、駆動電圧の印加時（オン時）には開状態になり、駆動電圧の非印加時（オフ時）には閉状態になる。従って、電磁開閉弁５２への駆動電圧の印加時にはレギュレータ４８，５０により減圧された水素ガスがアノード極側気室１４へ供給され、電磁開閉弁５２への駆動電圧の非印加時にはアノード極側気室１４への水素ガスの供給が遮断される。
【００１８】
外装ケース３２内には、アノード極側気室１４へ給水するためのメインタンク５４と、このメインタンク５４へ純水を補充するための電磁開閉弁６０とが配置されている。電磁開閉弁６０が開となることにより、水処理装置やサブタンク（図示省略）から水がメインタンク５４へ供給される。また、メインタンク５４は、ポンプ６４及びフィルター６６が配置された給水管６８によりアノード極側気室１４へ連結されており、ポンプ６４が駆動すると、メインタンク５４からアノード極側気室１４へフィルター６６により濾過された水が供給される。一方、カソード極側気室１６へはファン（シロッコファン）７０により空気が供給される。
【００１９】
水素ガス及び水をアノード極側気室１４へ供給すると共に反応ガスである酸素を含んだ空気をカソード極側気室１６へ供給することにより、燃料電池本体１０は、電力負荷に応じた量の水素をアノード極２０上でイオン化し、この水素イオンをカソード極２２上で空気中の酸素及び外部回路を流れてきた電子と反応させて水を生成すると共に直流の電気エネルギーを発生する。
【００２０】
燃料電池本体１０内には、アノード極側気室１４の下方に排水路（図示省略）が設けられており、この排水路とメインタンク５４とは４本の排水管７２により連結されている。メインタンク５４からアノード極側気室１４へ供給された水は、一部が高分子イオン交換膜からなる電解質１８を保水状態に保つために使用されると共に、Ｈ^＋ ・ｘＨ_２ Ｏとしてカソード極２２へ移動し、残りの水が排水路へ集められる。この燃料電池本体１０内の排水路へ集められた水は、４本の排水管７２を通ってメインタンク５４へ回収される。
【００２１】
アノード極側気室１４には、ボンベ４２から供給された水素ガスのガス流方向における最も下流位置付近へガス排出管７４が接続されており、このガス排出管７４はアノード極側気室１４をメインタンク５４へ連結している。さらに、メインタンク５４にはガス排出管７６が接続されており、ガス排出管７６は、メインタンク５４を水素ガスを希釈するための混合器７８へ連結している。ガス排出管７６には、低負荷用ニードル弁８０と、この低負荷用ニードル弁８０に対して並列に接続された高負荷用ニードル弁８２と、この高負荷用ニードル弁８２に対して直列に接続された電磁開閉弁８４とが配置されている。
【００２２】
アノード極側気室１４からは、アノード極２０上で反応しなかった水素ガス及び不純ガス（以下、これらを未反応ガスという）がガス排出管７４を通してメインタンク５４内に貯められた循環水上の気層へ流入する。メインタンク５４内の気層ではアノード極側気室１４から流入した未反応ガスから水分が除去され、この未反応ガスはガス排出管７６を通って混合器７８へ流入する。このとき、ガス排出管７６の電磁開閉弁８４がオフの場合には高負荷用ニードル弁８２への流路が閉となり、メインタンク５４内の未反応のガスは、常時開の低負荷用ニードル弁８０のみを通って混合器７８へ流入する。また、ガス排出管７６の電磁開閉弁８４がオンの場合には、メインタンク５４内の未反応のガスは、低負荷用ニードル弁８０及び高負荷用ニードル弁８２の双方を通って混合器７８へ流入する。
【００２３】
ここで、低負荷用ニードル弁８０には、燃料電池本体１０への電力負荷が所定のしきい値より低い低負荷時に対応する弁開度が設定されており、この低負荷用ニードル弁８０により低負荷時に適正となる量の未反応ガスがアノード極側気室１４から排出される。また、高負荷用ニードル弁８２には、燃料電池本体１０への電力負荷が所定のしきい値より高い高負荷時に対応する弁開度が設定されており、低負荷用ニードル弁８０及び高負荷用ニードル弁８２の双方により燃料電池本体１０の高負荷時に適正となる量の未反応ガスがアノード極側気室１４から排出される。
【００２４】
一方、カソード極側気室１６も空気排出管８６により混合器７８に連結され、この空気排出管８６の配管途中にはファン（シロッコファン）８８が接続されている。従って、混合器７８には、アノード極側気室１４からの未反応ガスと、カソード極側気室１６及びファン８８からの空気とが流入する。混合器７８は、水素ガスを含んだ未反応ガスと空気とを混合し、水素爆発を防止するため水素濃度が０．０１体積％以下となるように未反応ガスを空気により希釈して排気ダクトへ放出する。この排気ダクトへ放出された排気ガスは、外装ケース３２の排気部３８から装置外部へ排出される。
【００２５】
また、燃料電池本体１０により水素ガスが消費されると共に、アノード極側気室１４からカソード極側気室１６へ移動した水が空気と共に混合器７８へ排出され、更にメインタンク５４から混合器７８へ流入した未反応ガス中にも僅かに水分が残留することから、メインタンク５４内の循環水は固体高分子形燃料電池装置３０の作動時間の増加と共に減少する。メインタンク５４には水位センサ９０が配置されており、この水位センサ９０はメインタンク５４内の循環水が所定の水位まで低下すると水位検出信号を制御装置９２へ出力する。
【００２６】
水位センサ９０からの水位検出信号を受けた制御装置９２は、電磁開閉弁６０を開にして水をメインタンク５４へ補充し、所定時間の経過後に電磁開閉弁６０を閉にする。この際、制御装置９２は、メインタンク５４内の循環水上に必ず気層が残るように設定された時間だけ電磁弁６０を開とする。
【００２７】
装置全体を制御する制御装置９２は、操作盤３４からの起動信号を受けて水素供給管４６の電磁開閉弁５２を開にして燃料電池本体１０へ水素ガスの供給を開始し、この水素ガスの供給開始に同期させてポンプ６４，ファン７０及びファン８８を駆動する。また、制御装置９２は、操作盤３４からの停止信号を受けて水素供給管４６の電磁開閉弁５２を閉にして燃料電池本体１０への水素ガスの供給を停止し、この水素ガスの供給停止に同期させてポンプ６４，ファン７０及びファン８８を停止させる。
【００２８】
一方、燃料電池本体１０が発生した直流電力はＤＣ／ＤＣコンバータ９４で所定の電圧に変換された後、ＤＣ／ＡＣインバータ９６で直流から交流へ変換され、交流出力端子９８へ送られる。そして、燃料電池本体１０は交流出力端子９８に接続された外部装置（図示省略）の電力消費に応じた交流電流を発生する。また、本実施形態の固体高分子形燃料電池装置３０は外部からの電力供給が必要ない自己完結タイプとして構成されている。このため、起動時に使用する電力源である２次電池１００と、この２次電池１００を充電するための充電回路１０２を備えている。この充電回路１０２は燃料電池本体１０の余剰電力により２次電池１００を充電する。
【００２９】
また、燃料電池本体１０をＤＣ／ＤＣコンバータ９４及び充電回路１０２へ接続した配線には、燃料電池本体１０への負荷を測定するための電流センサ１０４が配置されている。この電流センサ１０４は、燃料電池本体１０が発生した直流電力の電流に対応する電流検出信号を制御装置９２へ出力する。
【００３０】
（本実施形態の作用）
以下、上記のように構成された本実施形態の固体高分子形燃料電池装置３０の制御装置９２の制御ルーチンを図４を参照して説明する。図４のステップ２０２で、操作盤３４からの起動信号を受けてボンベ４２から燃料電池本体１０へ水素ガスの供給を開始すると、ステップ２０４で電流センサ１０４からの電流検出信号により燃料電池本体１０の発生電流が所定のしきい値（例えば、定格が１ｋｗの場合には２０Ａ）以上か、しきい値未満かを判断する。以上のステップ２０２，２０４ではガス排出管７６の電磁開閉弁８４は閉になっている。
【００３１】
ステップ２０４で燃料電池本体１０の発生電流がしいき値以上と判断された場合には、ステップ２０６でガス排出管７６の電磁開閉弁８４を開にし、またステップ２０４で燃料電池本体１０の発生電流がしきい値未満と判断された場合には、ステップ２０８でガス排出管７６の電磁開閉弁８４を開にする。
【００３２】
ステップ２０６，２０８で高負荷用ニードル弁８２を制御した後、操作盤３４から停止信号が入力したか否かを判断する。このステップ２１０で停止信号が入力したことを判断した場合には制御ルーチンを終了させ、また停止信号が入力していないことを判断した場合には、ステップ２０４に戻ってステップ２０４〜２１０のルーチンを繰り返す。
【００３３】
上記したように本実施形態の固体高分子形燃料電池装置３０では、制御装置９２が燃料電池本体１０の発生電流がしきい値未満の場合には、燃料電池本体１０への電力負荷が低いと判断してガス排出管７６の電磁開閉弁８４を閉にし、また燃料電池本体１０の発生電流がしきい値以上である場合には、燃料電池本体１０への電力負荷が高いと判断してガス排出管７６の電磁開閉弁８４を開にする。従って、燃料電池本体１０の電力負荷が低い時には、低負荷用ニードル弁８０のみを通って未反応ガスがアノード極側気室１４から混合器７８へ流入する。一方、燃料電池本体１０の電力負荷が高い時には、低負荷用ニードル弁８０及び高負荷用ニードル弁８２の双方を通って未反応ガスがアノード極側気室１４から混合器７８へ流入し、低負荷時と比較してアノード極側気室１４からの未反応ガスの排出量が増加する。これにより、燃料電池本体１０への電力負荷が低い時でも、高い時でもアノード極側気室１４から適正量の高濃度の不純ガスを含んだ水素ガスを排出できるので、アノード極側気室１４内において水素ガス中の不純ガスの濃度が高くなって燃料電池本体１０の出力が低下することを防止でき、かつ低電力負荷時に水素ガスの使用効率が低下することを防止できる。
【００３４】
また、ガス排出管７６に、低負荷用ニードル弁８０に対して並列に接続されたニードル弁及びこのニードル弁を開閉する電磁開閉弁を複数個ずつ配置することも可能である。例えば、ガス排出管７６にニードル弁及び電磁開閉弁を２個ずつ配置した場合には、燃料電池本体１０の電力負荷が第１のしきい値になったときに、ガス排出量が中流量に設定された中負荷用ニードル弁への流路を開とし、電力負荷が第１のしきい値より大きい第２のしきい値になったときに中負荷用ニードル弁への流路を閉とすると同時にガス排出量が大流量に設定された高負荷用ニードル弁への流路を開とし、電力負荷が第２のしきい値より大きい第３のしきい値になったときに２個の中，高負荷用ニードル弁への流路を同時に開とすることにより、アノード極側気室１４からの未反応ガスの排出量を４段階に切り替えることが可能になる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体高分子形燃料電池装置によれば、固体高分子形燃料電池本体への電力負荷が低い時でも、高い時でもアノード極側気室から適正量の燃料ガスを排出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池装置の外観を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池装置における燃料電池本体の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池装置における高負荷用ニードル弁への制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 燃料電池本体（固体高分子形燃料電池本体）
１２ 電極接合体
１４ アノード極側気室
１６ カソード極側気室
１８ 電解質
２０ アノード極
２２ カソード極
３０ 固体高分子形燃料電池装置
５４ メインタンク（ガス排出経路）
７０ ファン
７４ ガス排出管（ガス排出経路）
７６ ガス排出管（ガス排出経路）
７８ 混合器
８０ 低負荷用ニードル弁（第１の流量調整手段）
８２ 高負荷用ニードル弁（流量調整弁）
８４ 電磁開閉弁
８６ 空気排出管
８８ ファン
９２ 制御装置
１０４ 電流センサ（負荷測定手段）

Claims (2)

1. 電極接合体により隔てられたアノード極側気室とカソード極側気室とが設けられ、前記アノード極側気室に燃料ガスが供給される固体高分子形燃料電池本体と、
   前記アノード極側気室へ供給され消費されなかった燃料ガスを固体高分子形燃料電池本体の外部へ排出するガス排出経路に配置され、第１の流量調整弁を有する第１の流量調整手段と、
   前記ガス排出経路に少なくとも１個以上配置され、前記第１の流量調整手段に対して並列に接続され、第２の流量調整弁及び当該第２の流量調整弁に対して直列に接続された電磁開閉弁を有する第２の流量調整手段と、
   前記固体高分子形燃料電池本体への電力負荷を測定する負荷測定手段と、
   前記負荷測定手段により測定された電力負荷が高いときには、前記ガス排出経路からの燃料ガスの排出量を増やすと共に、電力負荷が低いときには、前記ガス排出経路からの燃料ガスの排出量を減らすように前記第２の流量調整手段の開閉を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池装置。
2. 前記ガス排出経路に設けられ、前記アノード極側気室から流出した未反応ガスから水分を除去する水分除去手段を有することを特徴とする請求項１記載の固体高分子形燃料電池装置。

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