JP4713092B2

JP4713092B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4713092B2
Application number: JP2004131546A
Authority: JP
Inventors: 真介福田; 克巳高津
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2024-04-27
Also published as: JP2005317269A; CN100452511C; CN1691392A

Description

本発明は、携帯電子機器などの電源として好適な比較的小型の燃料電池に燃料を供給する燃料電池の燃料供給装置に関するものである。

燃料電池は、基本的に電解質層を挟んで燃料極と空気極とを配置して構成され、燃料極に水素を、空気極に酸素を送給することによって電気化学的反応により直流電流を発生させる。この電気を発生させる最小単位であるセルの起電力は小さいので、燃料電池を電源とする機器が要求する電圧を得るためには複数のセルを直列接続する必要があり、複数のセルを積層したスタックの形態に構成される。一方、燃料電池から取り出すことができる電流は反応面積の拡大により達成できるが、携帯電子機器などの電源は小型化が要求されるので、限られた反応面積の中で反応を活発且つ多量に起こさせるために、各セルに燃料を円滑に送給できる構造が求められている。

前記スタックを構成する各セルに燃料を送給する方式として、スタックを構成する複数のセルに直列的に燃料供給し、スタックから排出された燃料を再び供給する燃料循環方式が一般に用いられている。例えば、スタックに構成された複数のセルを循環して排出されてきた燃料中にある未反応の水素を燃料の燃料供給流路に合流させる燃料電池システムが知られている（特許文献１参照）。このような燃料循環方式の燃料電池では、燃料を供給するためのポンプは１つで足りる。
特開２００３−３１７７５３号公報（第３〜５頁、図１）

しかしながら、上記燃料循環方式では供給方向の下流側に至るほど燃料濃度が低下し、再供給する燃料の濃度も低下しているため、燃料濃度調整器などの補機を付設する必要がある。比較的大型の燃料電池においては、ポンプの能力を大きくすることができるので、大型のポンプや補機の付設は問題とはならないが、携帯電子機器などに対応する小型の燃料電池を構成するには不適である。小型の燃料電池に適した燃料供給方式として、複数のセルに発電に寄与する量だけの燃料を精度よく供給する燃料非循環方式を構成するのが有効な手段となる。

しかし、燃料非循環方式による燃料供給においては、各セルに規定量の燃料を精度よく供給するために、セルの数と同数の燃料供給口を設け、各燃料供給口から燃料を供給する必要がある。複数の燃料供給口それぞれに燃料供給する手段として、各燃料供給口毎に燃料供給装置を設ける方法、１つの燃料供給装置から送給される燃料を各燃料供給口に分岐供給する方法が考えられる。各燃料供給口毎に燃料供給装置を設けると、燃料供給の精度はよくなるものの燃料供給装置の体積が大きくなって小型化を指向する燃料電池には不向きなものになる課題がある。一方、１つの燃料供給装置から送給される燃料を各燃料供給口に分岐供給する方法では、燃料供給量の精度が得られない課題がある。

本発明が目的とするところは、複数のセルそれぞれに精度よく燃料を供給する装置をコンパクトに形成した燃料電池の燃料供給装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、複数のセルを積層してたセル積層体をその両面に配した端板の間で結束してスタックを構成した燃料電池のと、各セルに燃料を供給する燃料電池の燃料供給装置とを有する燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記端板における、前記セルの積層方向に平行な平面に、複数のセルそれぞれに個別に前記燃料供給装置から燃料を供給する複数の燃料個別供給口を形成し、複数の燃料個別供給口それぞれから各セルの燃料極に燃料を導く燃料供給流路が形成されて成り、前記燃料供給装置は、複数のセル個々に対応する複数のポンプ手段を備え、各複数のポンプ手段は１つの駆動手段によって駆動されて吸入口から吸入した燃料を吐出口から吐出してセルに供給することを特徴とするもので、複数のセル毎にポンプ手段が設けられているので、各ポンプ手段から各セルに精度よく燃料を送給することができ、個々のセルに対する燃料供給を制御することも可能となる。ここで、１つの駆動手段で複数のポンプ手段を動かし、ポンプ手段の数より少ない駆動手段が燃料供給装置に備えられているのが好ましい。１つの駆動手段で複数のポンプ手段を動かすことにより装置の小型化を図ることができ、駆動エネルギーを効率的にポンプ手段に与えることができるので省エネルギーにもなる効果が得られる。この効果は一駆動手段当りのポンプ手段が多くなるとより効果的であるが、ポンプ手段による燃料供給量の精度を得ることが困難になるので、一駆動手段当りのポンプ手段の数は４個程度が好ましいものとなる。

上記構成における複数のポンプ手段は、駆動手段により回転駆動されて各ポンプ手段を駆動する駆動体を中心として、その周囲に環状に配置することにより駆動体の回転によりポンプ手段を順次駆動することができる。

また、駆動手段により回転駆動されて各ポンプ手段を駆動する駆動体を直線上に並列配置して構成すると、駆動体の回転により各ポンプ手段を順次駆動もしくは同時駆動することができる。

また、ポンプ手段は、その吐出口から吐出される１回の吐出量が一定量となるように形成することが望ましく、各セルに定量の燃料を供給して複数のセルの発電量を均等にして出力の安定化を図ることができる。

また、一駆動手段当りのポンプ手段の数がセル数の約数となるようにすると、駆動手段とポンプ手段とからなるモジュールを複数用いて燃料供給装置を構成したとき、使用しないポンプ手段が発生することがない。

本発明によれば、複数のセルにより構成される燃料電池の各セルに対して燃料供給する燃料供給装置を小型化して小型燃料電池に構成することを可能にすると共に、複数のセルに対して定量の燃料を精度よく供給することができ、複数のセルそれぞれの発電量を均等化して安定した出力を得ることができる。

図１は、本実施形態に係る燃料供給装置により燃料を供給する燃料電池の燃料供給及び燃料排出の経路を示している。この燃料電池は、複数のセル３ａ〜３ｈを積層してスタック1を形成している。前記スタック１は、図２に示すように、セパレータ４ａ，４ｂの間に膜・電極接合体（以下、ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）６を挟んで構成されたセル３ａと同様に構成された８個のセル３ａ〜３ｈを積層したセル積層体を両面から端板５ａ，５ｂで結束して構成される。前記ＭＥＡ６は、電解質である高分子膜の一方の表面に燃料極、他方の表面に空気極を配して構成され、シールゴム１０に取り付けられてセパレータ４ａ，４ｂの間に配設される。前記燃料極には、それに対面するセパレータ４ｂの一方面に形成された発電流路８（図１参照）から燃料が供給され、前記空気極には、それに対面するセパレータ４ａに形成された空気流路９から空気が供給され、燃料中の水素と空気中の酸素との電解質を介した反応により燃料極と空気極との間に起電力を発生させるセル３に構成される。セル３ａ〜３ｈは、図３に示すように、セパレータ４ａ〜４ｉそれぞれの間にＭＥＡ６を挟んだセル積層体２に形成されている。

本実施形態に係る燃料電池は直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）として構成されており、燃料としてメタノール水溶液を発電流路８に供給する。図１に示すように、下側の端板５ａには、その側面にセル３ａ〜３ｄそれぞれの発電流路８に個別に燃料を供給する４つの燃料個別供給口１１ａ〜１１ｄが設けられ、上側の端板５ｂには、その側面にセル３ｅ〜３ｈそれぞれに個別に燃料を供給する４つの燃料個別供給口１１ｅ〜１１ｈが設けられている。各燃料個別供給口１１ａ〜１１ｈにはチューブにより図４又は図５に示す燃料供給装置３１、３２の燃料吐出口３４に配管接続されて燃料が供給される。

図４は第１の実施形態に係る燃料供給装置３１の構成を示すもので、図示しないモータによって回転駆動されるカム（駆動体）３６によって４個のポンプ３７ａ〜３７ｄを順次吐出動作させるように構成されている。各ポンプ３７ａ〜３７ｄは、前記燃料吐出口３４に向けて開口する位置に吐出弁４０、燃料吸入口３５に向けて開口する位置に吸入弁４１が設けられたシリンダ３８内にピストン３９を進退移動自在に収容し、ピストンロッド４２に固定されたバネ受４４とシリンダ３８との間に配設された吸引バネ４３によってピストン３９は後退方向に付勢され、この付勢によってピストンロッド４２の作用端コロ４５はカム３６の周面に当接している。

前記吸引バネ４３の付勢によりピストン３９が後退移動するときには、その負圧によって吸入弁４１が開かれ、燃料吸入口３５に接続された図示しない燃料タンクから燃料がシリンダ３８内に吸入される。カム３６が回転して、その突出部が作用端コロ４５を押し出す位置に来ると、ポンプ３７ｃの状態に図示するように、吸引バネ４３の付勢に抗してピストンロッド４２は押し込まれ、ピストン３９が進出移動するので、シリンダ３８内に吸入されている燃料が圧縮を受けて吐出弁４０が開くので、ピストン３９の進出移動距離に相当する量の燃料が燃料吐出口３４から吐出され、図示しないチューブによって接続された燃料個別供給口１１ａ〜１１ｈのいずれかに送給される。

図４に示す燃料供給装置３１は４個のポンプ３７ａ〜３７ｄで、これに対応する燃料個別供給口１１ａ〜１１ｈは８個なので、２組の燃料供給装置３１を設けて８個のセル３ａ〜３ｈそれぞれに個別に燃料供給する。カム３６の周囲円周上に８個のポンプ３７を配置することも可能ではあるが、燃料供給装置３１として大型化となるので、携帯電子機器などに適用する小型の燃料電池を構成する上では好ましくなく、本実施形態に示すように４個のポンプ３７で構成した燃料供給装置３１をセルの数に応じて増加させるのが好適である。

図５は、第２の実施形態に係る燃料供給装置３２の構成を示すもので、一直線上に並列配置された４個のポンプ３７ａ〜３７ｄに対応させてモータ４６によって回転駆動される回転軸４７に４個のカム３６ａ〜３６ｄが取り付けられている。本構成では各カム３６ａ〜３６ｄの取付角度は同一角度になるようにしているので、各ポンプ３７ａ〜３７ｄの燃料吸入及び燃料吐出は同時になされるが、カム３６ａ〜３６ｄの回転軸４７に対する取付角度を変えて各ポンプ３７ａ〜３７ｄから燃料が順次供給されるように構成することもできる。

上記燃料供給装置３１，３２の燃料吐出口４０から各燃料個別供給口１１ａ〜１１ｈに送給された燃料は、端板５ａ，５ｂの板面方向に形成された燃料個別供給路１２ａ〜１２ｈからセル３ａ〜３ｈの積層方向に形成された燃料個別導入穴１３ａ〜１３ｈに導かれ、燃料供給先のセル３ａ〜３ｈにそれぞれ対応するセパレータ４ｂ〜４ｉの燃料流路８に供給される。尚、図1においては、燃料供給経路が形成されていないセパレータ４ａの図示は省略している。

図６は、セル３ａに対応するセパレータ４ｂの発電流路８に対する燃料供給経路及びセル３ｅに対応するセパレータ４ｆの発電流路８に対する燃料供給経路の例を示すものである。この例に示すように、セル３ａ〜３ｈ毎に、下方に配置されたセパレータ４ａ〜４ｅに穿かれた燃料個別導入路１３ａ〜１３ｅから所定のセパレータ４ｂ〜４ｅに、上方に配置されたセパレータ４ｅ〜４ｉに穿かれた燃料個別導入路１３ｅ〜１３ｉから所定のセパレータ４ｅ〜４ｉに燃料を供給する。燃料個別導入路１３ａ〜１３ｈはそれぞれの供給先のセル３ａ〜３ｈに燃料供給する所定のセパレータ４ａ〜４ｉまで貫通しており、供給穴凹部２１に嵌め込まれたＯリング１８により燃料の流路外への流出を防いでいる。

図６に示すセル３ａ及びセル３ｅに対する燃料供給経路について、燃料の流れを説明する。セル３ａの場合には、燃料個別供給口１１ａに送給された燃料は、燃料個別供給路１２ａからセパレータ４ａを貫通する燃料個別導入穴１３ａを通ってセパレータ４ｂに形成された燃料導入口１４ｂに入り、セパレータ４ｂに形成された燃料個別案内流路１５ｂから燃料流路８の入り口である発電始端１６に導かれる。発電始端１６から燃料流路８に流れる燃料はセル３ａのＭＥＡ６の燃料極に供給されて発電に寄与し、燃料流路８の出口である発電終端１７に至って燃料排出穴１９に流れて端板５ａに設けられた燃料排出口２０から外部に排出される。

セル３ｅの場合には、燃料個別供給口１１ｅに送給された燃料は、燃料個別供給路１２ｅからセパレータ４ｉ，４ｈ，４ｇ，４ｆを貫通する燃料個別導入穴１３ｅを通ってセパレータ４ｆに形成された燃料個別導入口１４ｆに入り、セパレータ４ｆに形成された燃料個別案内流路１５ｆから燃料流路８の入り口である発電始端１６に導かれる。発電始端１６から燃料流路８に流れる燃料はセル３ｅのＭＥＡ６の燃料極に供給されて発電に寄与し、燃料流路８の出口である発電終端１７に至って燃料排出穴１９に流れて端板５ａに設けられた燃料排出口２０から外部に排出される。

セル３ａ〜３ｈについて同様の燃料供給がなされるが、燃料個別供給口１１ａ〜１１ｈから各セル３ａ〜３ｈの発電始端１６までの流路長さは等距離になるように形成されている。即ち、燃料個別導入穴１３ａ〜１３ｈの長さと、図１に示す燃料個別導入口１４ｂ〜１４ｈから発電始端１６までセパレータ４ｂ〜４ｉに形成された燃料個別案内流路１５ｂ〜１５ｉの長さの合計距離は、各セル３ａ〜３ｈについて等しくなるように形成されている。従って、各燃料個別供給口１１ａ〜１１ｈに送給された燃料は各セル３ａ〜３ｈの発電始端１６にほぼ同時に供給され、セル３ａ〜３ｈで同時に発電がなされ、8個のセル３ａ〜３ｈが直列接続されたスタック１の発電性能が安定してなされる。

各セパレータ４ｂ〜４ｉの発電流路８を流れて燃料極に水素を供給した燃料は、図８に示すように、発電流路８の発電終端１７から各セパレータ４ａ〜４ｉの積層方向に貫通する燃料排出穴１９を流下し、端板５ａに形成された燃料排出口２０から外部に排出される。前記燃料排出穴１９はセパレータ４ａ〜４ｈに穿かれた燃料排出穴１９の周囲に形成された排出穴凹部２２に嵌め込まれたＯリング２３により燃料の漏出防止が図られている。

以上説明した燃料供給装置３１，３２は、ピストン３９の進退駆動によるポンプ３７ａ〜３７ｄを適用しているが、ロータリータイプのポンプを用いることもできる。

以上の説明の通り本発明に係る燃料電池の燃料供給装置によれば、燃料電池を構成する複数のセルそれぞれに定量の燃料を供給でき、コンパクトで燃料電池全体の体積及び重量の低減化を図ることができるので、携帯電子機器の電源などとして好適な燃料電池を提供することができる。

実施形態に係る燃料電池の燃料供給流路の構成を示す斜視図。セルの構成を示す斜視図。スタックの構成を示す斜視図。第１の実施形態に係る燃料供給装置の構成を示す断面図。第２の実施形態に係る燃料供給装置の構成を示す断面図。セパレータに形成された燃料供給流路を示す断面図。セパレータに形成された燃料排出流路を示す断面図。

符号の説明

１スタック
３ａ〜３ｈセル
４ａ〜４ｉセパレータ
５ａ，５ｂ端板
８発電流路
９空気流路
１１ａ〜１１ｈ燃料個別供給口
２０燃料排出口
３１，３２燃料供給装置
３４燃料吐出口
３５燃料吸入口
３６、３６ａ〜３６ｄカム
３７ａ〜３７ｄポンプ
４３吸引バネ

Claims

複数のセルを積層したセル積層体をその両面に配した端板の間で結束してスタックを構成した燃料電池と、各セルに燃料を供給する燃料電池の燃料供給装置とを有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記端板における、前記セルの積層方向に平行な平面に、複数のセルそれぞれに個別に前記燃料供給装置から燃料を供給する複数の燃料個別供給口を形成し、複数の燃料個別供給口それぞれから各セルの燃料極に燃料を導く燃料供給流路が形成されて成り、
前記燃料供給装置は、複数のセル個々に対応する複数のポンプ手段を備え、複数のポンプ手段が１つの駆動手段によって駆動されて吸入口から吸入した燃料を吐出口から吐出してセルに供給することを特徴とする燃料電池システム。
複数のポンプ手段は、駆動手段により回転駆動されて各ポンプ手段を駆動する駆動体を中心として、その周囲に環状に配置されてなる請求項１に記載の燃料電池システム。
複数のポンプ手段は、駆動手段により回転駆動されて各ポンプ手段を駆動する駆動体が直線上に並列配置されてなる請求項１に記載の燃料電池システム。
ポンプ手段は、その吐出口から吐出される１回の吐出量が一定量である請求項１〜３いずれか一項に記載の燃料電池システム。
一駆動手段当りのポンプ手段の数は、セル数の約数である請求項１〜４いずれか一項に記載の燃料電池システム。