JP4848612B2 - FUEL CELL AND METHOD OF OPERATING FUEL CELL - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池および燃料電池の運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a method for operating the fuel cell.
近年の情報化社会の到来とともに、パーソナルコンピュータ等の電子機器で扱う情報量が飛躍的に増大し、それに伴い、電子機器の消費電力も著しく増加してきた。とくに、携帯型の電子機器では、処理能力の増加に伴って消費電力の増加が問題となっている。現在、このような携帯型の電子機器では、一般的にリチウムイオン二次電池が電源として用いられているが、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度は理論的な限界に近づいている。そのため、携帯型の電子機器の連続使用期間を延ばすために、CPUの駆動周波数を抑えて消費電力を低減しなければならないという制限があった。 With the arrival of the information society in recent years, the amount of information handled by electronic devices such as personal computers has increased dramatically, and the power consumption of electronic devices has also increased remarkably. In particular, in portable electronic devices, an increase in power consumption is a problem as processing capacity increases. Currently, in such portable electronic devices, lithium ion secondary batteries are generally used as power sources, but the energy density of lithium ion secondary batteries is approaching the theoretical limit. Therefore, in order to extend the continuous use period of the portable electronic device, there is a limitation that the power consumption must be reduced by suppressing the CPU driving frequency.
このような状況の中で、リチウムイオン二次電池に変えて、エネルギー密度が大きい燃料電池を電子機器の電源として用いることにより、携帯型の電子機器の連続使用期間が大幅に向上することが期待されている。 Under such circumstances, it is expected that the continuous use period of portable electronic devices will be greatly improved by using fuel cells with high energy density as power sources for electronic devices instead of lithium ion secondary batteries. Has been.
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを原料として、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型や、メタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。 A fuel cell is composed of a fuel electrode and an oxidant electrode, and an electrolyte provided therebetween. The fuel cell is supplied with fuel, and the oxidant electrode is supplied with an oxidant to generate electricity by an electrochemical reaction. In general, hydrogen is used as the fuel, but in recent years, methanol is reformed to produce hydrogen by reforming methanol using methanol, which is cheap and easy to handle, and methanol is directly used as fuel. Direct fuel cells are also being actively developed.
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式(1)のようになる。 When hydrogen is used as the fuel, the reaction at the fuel electrode is represented by the following formula (1).
3H2 → 6H+ + 6e− (1) 3H 2 → 6H + + 6e − (1)
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式(2)のようになる。 When methanol is used as the fuel, the reaction at the fuel electrode is represented by the following equation (2).
CH3OH + H2O → 6H+ + CO2 + 6e− (2) CH 3 OH + H 2 O → 6H + + CO 2 + 6e − (2)
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式(3)のようになる。 In either case, the reaction at the oxidant electrode is represented by the following formula (3).
3/2O2 + 6H+ + 6e− → 3H2O (3) 3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (3)
燃料電池は、電解質の違いによって多くの種類に分類されるが、一般的には、アルカリ型、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型に大別される。 Fuel cells are classified into many types according to the difference in electrolytes, but are generally divided into alkali types, solid polymer types, phosphoric acid types, molten carbonate types, and solid electrolyte types.
特許文献1には、燃料電池の空気極へ空気を供給する空気供給ラインおよび空気極から空気を排出する空気排出ラインに、燃料電池停止時に空気の流通を閉止する手段を備えた燃料電池が開示されている。これによれば、燃料電池の運転停止中における電解質の乾燥を防止することができる。
しかし、単に燃料電池停止中に空気の流通を閉止するだけでは、燃料電池内外の温度によってはかえって流路内の湿度が高くなり、温度変化によって結露が発生したり、さらにはその水分が凍結してしまうといった問題点があった。 However, simply closing the air flow while the fuel cell is stopped increases the humidity in the flow path, depending on the temperature inside and outside the fuel cell, causing condensation to occur due to temperature changes, and further the moisture freezes. There was a problem such as.
また、燃料としてメタノール等の液体燃料を用いた直接型の燃料電池では、酸化剤極が開放された構成となっていると、燃料電池停止中に燃料が電解質膜を通過して酸化剤極側から蒸発してしまうという問題点もあった。また、燃料電池運転中であっても、たとえば低温環境下おいては、酸化剤極側へ酸化剤が多量に流入すると、酸化剤極が空冷されて燃料電池の温度が下がり、発電効率が低下するといった問題点があった。 Further, in a direct type fuel cell using liquid fuel such as methanol as the fuel, if the oxidant electrode is open, the fuel passes through the electrolyte membrane while the fuel cell is stopped, and the oxidant electrode side There was also a problem that it evaporates. Even when the fuel cell is in operation, for example, in a low temperature environment, if a large amount of oxidant flows into the oxidant electrode side, the oxidant electrode is air-cooled, the temperature of the fuel cell is lowered, and power generation efficiency is reduced. There was a problem such as.
本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、本発明の目的は、使用環境および運転状況に影響されずに、安定した電力を供給可能な燃料電池を提供することにある。本発明の別の目的は、高信頼性で、長寿命な燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of supplying stable power without being affected by the use environment and operating conditions. Another object of the present invention is to provide a highly reliable and long-life fuel cell.
本発明によれば、燃料極および酸化剤極を含む単位セルを有する燃料電池であって、吸気口および排気口を有し、前記酸化剤極に酸化剤を、前記吸気口を介して供給するとともに、前記排気口を介して排出する酸化剤流路と、
前記酸化剤流路の温度を測定する温度測定部と、
当該燃料電池の運転状況および前記温度測定部により測定された前記酸化剤流路の温度に応じて、前記吸気口または前記排気口の開口の程度を調整する開口調整部と、を含み、
前記開口調整部は、
前記酸化剤流路の前記吸気口および前記排気口の開口の程度をそれぞれ独立して変更可能な少なくとも2つのシャッターを含み、
前記燃料電池の前記運転状況が運転中で、かつ前記温度が低い場合は、前記開口の程度を小さく調整することを特徴とする燃料電池が提供される。
According to the present invention, a fuel cell having a unit cell including a fuel electrode and an oxidant electrode, having an intake port and an exhaust port, and supplying an oxidant to the oxidant electrode via the intake port. And an oxidant flow path for discharging through the exhaust port,
A temperature measuring unit for measuring the temperature of the oxidant flow path;
An opening adjustment unit that adjusts the degree of opening of the intake port or the exhaust port according to the operating state of the fuel cell and the temperature of the oxidant flow path measured by the temperature measurement unit,
The opening adjusting portion is
Including at least two shutters capable of independently changing the degree of opening of the intake port and the exhaust port of the oxidant flow path,
When the operating condition of the fuel cell is in operation and the temperature is low, the degree of the opening is adjusted to be small.
単位セルは、さらに固体電解質膜を含むことができ、燃料極および酸化剤極は固体電解質膜を狭持する。また、本発明の燃料電池は、燃料極に液体燃料が供給される直接型の燃料電池とすることができる。このように、燃料極に液体燃料が供給される場合に、燃料電池の運転停止中に酸化剤極が外部に開放された構成としていると、燃料が固体電解質膜を通過して酸化剤極から蒸発するという問題が生じる。本発明の燃料電池において、酸化剤流路の吸気口または排気口の開口の程度を調整することができるので、たとえば燃料電池の運転停止時には、吸気口や排気口を閉じたり、開口の程度を低くすることにより、燃料が固体電解質膜を通過して酸化剤極から蒸発するという現象を防ぐことができる。
また、温度を測定する温度測定部を含む構成により、酸化剤流路内の温度や燃料電池外部の温度に応じて吸気口または排気口の開口の程度を調整することができるので、環境に応じた制御が可能となる。また、運転状況とは、燃料電池の運転中か燃料電池の運転停止中か等を含む。また、開口調整部は、運転停止中の場合、停止されてからの経過時間等にも応じて、開口の程度を調整することができる。
The unit cell can further include a solid electrolyte membrane, and the fuel electrode and the oxidant electrode sandwich the solid electrolyte membrane. The fuel cell of the present invention can be a direct fuel cell in which liquid fuel is supplied to the fuel electrode. As described above, when liquid fuel is supplied to the fuel electrode, if the oxidant electrode is opened to the outside while the fuel cell is stopped, the fuel passes from the oxidant electrode through the solid electrolyte membrane. The problem of evaporation occurs. In the fuel cell of the present invention, the degree of opening of the intake port or exhaust port of the oxidant flow path can be adjusted. For example, when the operation of the fuel cell is stopped, the intake port or exhaust port is closed or the degree of opening is reduced. By making it low, the phenomenon that the fuel passes through the solid electrolyte membrane and evaporates from the oxidant electrode can be prevented.
In addition, the configuration including the temperature measurement unit for measuring the temperature allows the degree of opening of the intake port or the exhaust port to be adjusted according to the temperature inside the oxidant flow path or the temperature outside the fuel cell. Control becomes possible. The operating status includes whether the fuel cell is operating or the fuel cell is stopped. In addition, when the operation is stopped, the opening adjustment unit can adjust the degree of the opening according to the elapsed time after the operation is stopped.
また、この構成により、上記直接型の燃料電池に限られず、酸化剤流路の吸気口または排気口の開口の程度を調整することができるので、固体電解質膜が乾燥するのを防ぐこともできる。このように、酸化剤流路の吸気口または排気口の開口の程度を調整することにより、酸化剤流路を流れる酸化剤の流量を制御することもできる。酸化剤流路内の酸化剤の流量を適宜調整することにより、前述のように燃料の蒸発や固体電解質膜の乾燥を防ぐとともに、結露の発生やそれに伴う凍結を防止することもできる。 In addition, this configuration is not limited to the direct fuel cell, and the degree of opening of the inlet or outlet of the oxidant flow path can be adjusted, so that the solid electrolyte membrane can be prevented from drying. . As described above, the flow rate of the oxidant flowing through the oxidant flow path can be controlled by adjusting the degree of opening of the intake port or the exhaust port of the oxidant flow path. By appropriately adjusting the flow rate of the oxidant in the oxidant flow path, it is possible to prevent evaporation of the fuel and drying of the solid electrolyte membrane as described above, and also to prevent the occurrence of condensation and freezing associated therewith.
また、燃料電池の運転時においても、たとえば、低温環境下では、酸化剤極側への酸化剤の流入量を低くすることにより、酸化剤によって酸化剤極が空冷等されて発電効率が低下するのを防ぐことができる。以上のように、本発明の燃料電池によれば、使用環境や運転状況に影響されずに、燃料電池を安定的に動作させることができる。
この構成により、シャッターの開口の程度を変更するだけで、吸気口または排気口の開口の程度を調整することができる。
In addition, even during operation of the fuel cell, for example, in a low temperature environment, by reducing the amount of oxidant flowing into the oxidant electrode side, the oxidant electrode is air-cooled by the oxidant, thereby reducing power generation efficiency. Can be prevented. As described above, according to the fuel cell of the present invention, the fuel cell can be stably operated without being affected by the use environment and the operating condition.
With this configuration, it is possible to adjust the degree of opening of the intake or exhaust port only by changing the degree of opening of the shutter.
本発明の燃料電池は、酸化剤流路内の湿度を測定する湿度測定部を含むことができ、開口調整部は、湿度測定部により測定された前記酸化剤流路内の前記湿度が高くなった場合、前記吸気口の前記開口の程度を小さくし、前記排気口の前記開口の程度を大きく調整することができる。この構成により、酸化剤流路内の湿度に応じて吸気口または排気口の開口の程度を調整することができるので、環境に応じた制御が可能となる。 The fuel cell of the present invention can include a humidity measuring unit that measures the humidity in the oxidant flow path, and the opening adjustment unit increases the humidity in the oxidant flow path measured by the humidity measuring unit. In this case, the degree of the opening of the intake port can be reduced, and the degree of the opening of the exhaust port can be adjusted to be large . With this configuration, the degree of opening of the intake port or the exhaust port can be adjusted according to the humidity in the oxidant flow path, so that control according to the environment is possible .
本発明の燃料電池において、開口調整部は、前記吸気口または前記排気口の前記シャッターと前記酸化剤流路との間に設けられたガスケットをさらに含むことができ、シャッターを閉じたときに、当該シャッターとガスケットが協動して吸気口または排気口を密閉することができる。この構成により、燃料電池運転停止中に、開閉弁を閉じたときに、酸化剤流路を密閉することができる。これにより、燃料が固体電解質膜を通過して酸化剤極側から蒸発したり、固体電解質膜が乾燥してしまうのを防止することができる。 In the fuel cell of the present invention, the opening adjustment portion may further include a gasket provided between the shutter of the intake port or the exhaust port and the oxidant flow path, and when the shutter is closed, the shutter and the gasket can and benzalkonium be sealed in cooperation inlet or outlet. With this configuration, the oxidant flow path can be sealed when the on-off valve is closed while the fuel cell operation is stopped. As a result, it is possible to prevent the fuel from passing through the solid electrolyte membrane and evaporating from the oxidant electrode side, or from drying out.
本発明の燃料電池は、酸化剤流路への酸化剤の導入を促す導入促進部をさらに含むことができる。この構成により、酸化剤流路内の酸化剤の流量をより良好に制御することができる。 The fuel cell of the present invention may further include an introduction promoting unit that promotes introduction of the oxidant into the oxidant flow path. With this configuration, it is possible to better control the flow rate of the oxidant in the oxidant flow path.
本発明によれば、燃料極および酸化剤極を含む単位セルを有する燃料電池の運転方法であって、燃料電池は、吸気口および排気口を有する酸化剤流路と、
前記吸気口および前記排気口の開口の程度をそれぞれ独立して変更可能な少なくとも2つのシャッターと、を含み、
前記酸化剤極に酸化剤を、前記吸気口を介して供給するとともに、前記排気口を介して排出する工程と、
前記燃料電池の温度を測定する工程と、
当該燃料電池の前記運転状況を検知する工程と、
前記燃料電池の運転状況および前記温度を測定する工程で測定された前記酸化剤流路の温度に応じて、前記吸気口または前記排気口の開口の程度を調整する工程と、
を含み、
前記開口の程度を調整する工程において、
前記燃料電池の前記運転状況が運転中で、かつ前記温度が低い場合は、前記開口の程度を小さく調整することを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。
According to the present invention, there is provided a method for operating a fuel cell having a unit cell including a fuel electrode and an oxidant electrode, the fuel cell comprising an oxidant flow path having an intake port and an exhaust port;
And at least two shutters capable of independently changing the degree of opening of the intake port and the exhaust port,
Supplying the oxidant to the oxidant electrode through the intake port and discharging the oxidant through the exhaust port;
Measuring the temperature of the fuel cell;
Detecting the operating status of the fuel cell;
Adjusting the degree of opening of the intake port or the exhaust port according to the operating state of the fuel cell and the temperature of the oxidant flow path measured in the step of measuring the temperature;
Including
In the step of adjusting the degree of the opening,
When the operating condition of the fuel cell is in operation and the temperature is low, a method of operating the fuel cell is provided, wherein the degree of the opening is adjusted to be small.
本発明の燃料電池の運転方法は、酸化剤流路内の湿度を測定する工程をさらに含むことができ、開口の程度を調整する工程において、前記湿度を測定する工程で測定された前記酸化剤流路内の前記湿度が高くなった場合、前記吸気口の前記開口の程度を小さくし、前記排気口の前記開口の程度を大きく調整することができる。 The fuel cell operating method of the present invention may further comprise the step of measuring the humidity of the oxidizing agent passage, in the step of adjusting the degree of opening, measured in the step of measuring the humidity was the oxidant When the humidity in the flow path becomes high, the degree of the opening of the intake port can be reduced and the degree of the opening of the exhaust port can be adjusted to be large .
以上述べたように、本発明によれば、使用環境および運転状況に影響されずに、安定した電力を供給可能な燃料電池が提供される。また、本発明によれば、高信頼性で、長寿命な燃料電池を提供することができる。 As described above, according to the present invention, there is provided a fuel cell capable of supplying stable power without being affected by the use environment and operating conditions. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a highly reliable and long-life fuel cell.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同様の符号を付し、以下の説明において詳細な説明を適宜省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be appropriately omitted in the following description.
本発明の実施の形態における燃料電池は、携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、PDA(Personal Digital Assistant)、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤ等の小型電気機器に適用可能である。とくに、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ等のような、比較的多くの燃料電池単位セルが使用され、平面実装される燃料電池において有用である。 The fuel cell according to the embodiment of the present invention can be applied to a small electric device such as a mobile phone, a portable personal computer such as a notebook, a PDA (Personal Digital Assistant), various cameras, a navigation system, and a portable music player. . In particular, it is useful in a fuel cell in which a relatively large number of unit cells of a fuel cell such as a portable personal computer such as a notebook type are used and mounted in a plane.
(第一の実施の形態)
図1は、本実施の形態における燃料電池の構成を模式的に示した断面ブロック図である。
図1に示すように、燃料電池は、複数の単位セル101を含む。各単位セル101は、燃料極102および酸化剤極108と、これらの間に設けられた固体電解質膜114を含み、燃料極102には燃料124が、酸化剤極108には酸化剤126がそれぞれ供給されて電気化学反応により発電する。単位セル101は、燃料極102に液体燃料が供給される直接型の燃料電池である。燃料124としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional block diagram schematically showing the configuration of the fuel cell in the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the fuel cell includes a plurality of
燃料電池は、燃料極102に燃料124を供給する燃料流路310と、酸化剤極108に酸化剤126を供給する酸化剤流路312と、を含む。酸化剤流路312には吸気口339および排気口340が設けられる。
The fuel cell includes a
図1に示すように、本実施の形態において、複数の単位セル101は、互いに直列に電気的に接続され、平面配列された2組のセル群を構成する。この平面配列された2組のセル群は、燃料極102が互いに対面するように配置され、その間に燃料流路310が配置され、さらに平面配列されたセル群の外側に位置する酸化剤極108側に酸化剤流路312が配置される。
As shown in FIG. 1, in the present embodiment, a plurality of
燃料電池は、さらに酸化剤流路312の吸気口339を開閉するシャッター1001と、酸化剤流路312の排気口340を開閉するシャッター1002と、を含む。シャッター1001およびシャッター1002と、酸化剤流路312の間には、ガスケット1003がそれぞれ設けられており、これによりシャッター1001およびシャッター1002を閉じた場合、酸化剤流路312を密閉することができる。図中、黒抜きで示される弁の状態がシャッター1001およびシャッター1002が閉じた状態を示し、網掛けで示される弁の状態がシャッター1001およびシャッター1002が開いた状態を示している。
The fuel cell further includes a
図2は、図1の燃料電池における酸化剤流路312のシャッター1001およびシャッター1002の開閉の程度を調整する開閉調整機構の概略ブロック図を示す。
燃料電池は、セル群1000の酸化剤極108に配して設けられた酸化剤流路312の吸気口339および排気口340にそれぞれ設けられたシャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を調整する開口調整部1005を含む。
FIG. 2 is a schematic block diagram of an opening / closing adjustment mechanism that adjusts the degree of opening / closing of the
In the fuel cell, an opening that adjusts the degree of opening of the
開口調整部1005は、シャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を手動で制御するための操作スイッチ(不図示)および後述するシャッター駆動機構であってもよいし、あるいは、シャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を自動で制御するためのコントローラ(不図示)および後述するシャッター駆動機構であってもよい。コントローラは、CPU(Central Processing Unit)やIC(Integrated Circuit)であり、予めプログラムされ、記憶装置(不図示)に記憶された手順に従って動作する。開口調整部1005は、燃料電池の運転状況を検知し、燃料電池の運転状況に応じてシャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を調整することができる。開口調整部1005は、たとえば燃料電池の運転中には、シャッター1001およびシャッター1002の開口の程度が大きくなるように調整し、燃料電池の停止中にはシャッター1001およびシャッター1002の開口の程度が小さくなるように調整する。また、以下に説明するように、燃料電池内外の温度や湿度に応じて、シャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を調整することもできる。
The
また、図3に示すように、排気口340を介して酸化剤流路312内から酸化剤126を排出する排気用ファン1007を、酸化剤流路312のシャッター1002より外側に設けることもできる。また、吸気口339を介して酸化剤流路312内に酸化剤126を供給させる給気用ファン(不図示)を、酸化剤流路312のシャッター1001より手前に設けることもできる。開口調整部1005は、排気用ファン1007または給気用ファンを制御することもできる。この構成によれば、排気用ファン1007および給気用ファンのいずれか一方または両方の回転を制御することにより、酸化剤流路312内の酸化剤の流量を良好に制御することが可能となる。
Further, as shown in FIG. 3, an
図4に示すように、燃料電池は、酸化剤流路312内の温度を測定する温度計1008をさらに含むこともできる。ここでは、温度計1008が酸化剤流路312内の温度を測定する例を示しているが、温度計1008は、燃料電池内外の温度を測定するよう配置することができる。温度計1008は、燃料電池の構造、および測定対象の場所に応じて種々の配置を取り得る。たとえば、酸化剤流路312内、燃料電池表面、廃気の循環経路(不図示)、または燃料電池の外部等に配置することができる。また、燃料電池は、複数の温度計1008を含むことができ、種々の場所に配置することもできる。温度計1008で測定された温度は、開口調整部1005に入力される。開口調整部1005は、入力された温度に応じて、シャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を調整する。温度計1008としては、熱電対、測温抵抗体、サーミスタ、IC温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、または焦電型温度センサ等の温度センサを用いることができる。温度計1008および開口調整部1005は、これらの温度センサと、コントローラとを組み合わせて実現することができる。
As shown in FIG. 4, the fuel cell may further include a
図5に示すように、燃料電池は、酸化剤流路312内の湿度を測定する湿度計1009をさらに含むこともできる。湿度計1009で測定された湿度は、開口調整部1005に入力される。開口調整部1005は、入力された湿度に応じて、シャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を調整する。開口調整部1005は、温度計1008および湿度計1009によりそれぞれ測定された温度および湿度のいずれか一方のみを用いてシャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を調整することもでき、両方を用いてシャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を調整することもできる。
As shown in FIG. 5, the fuel cell may further include a
また、本実施の形態において、燃料電池は、酸化剤流路312内に吸湿剤(不図示)を設けた構成とすることもできる。このような構成とすることにより、酸化剤流路312内に結露等によって水分が発生した場合にも、水分を除去することができる。これにより、水分の凍結等を防止することができる。
Further, in the present embodiment, the fuel cell may be configured such that a hygroscopic agent (not shown) is provided in the
このように構成された燃料電池の動作について運転状況別に以下に説明する。 The operation of the fuel cell configured as described above will be described below according to operating conditions.
(1)燃料電池の運転中
開口調整部1005は、酸化剤流路312内の温度または湿度に応じて、シャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を調整する。これにより酸化剤126の流量が制御される。
(1) During operation of the fuel cell The
たとえば、開口調整部1005は、温度が低い場合、シャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を小さくし、酸化剤126の流量が少なくなるように制御することができる。これにより、低温環境下において、運転開始時に、酸化剤極108への酸化剤126の流入によって酸化剤極108が空冷等されるのを防ぐことができる。そのため、低温化による発電効率の低下を防ぐことができる。また、開口調整部1005は、発電効率を高める必要がある際には、シャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を大きくし、酸化剤の流量が多くなるように制御することができる。
For example, when the temperature is low, the
(2)燃料電池の運転停止中
この場合も、開口調整部1005は、酸化剤流路312内の温度または湿度に応じて、シャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を調整する。これにより酸化剤126の流量が制御される。たとえば、開口調整部1005は、燃料電池の運転が停止されたすぐ後には、シャッター1001およびシャッター1002を完全に密閉せず、燃料電池運転時よりも開口の程度が小さくなるように調整することができる。これにより、燃料電池の運転時に酸化剤極108の温度が高まっており、その後冷却される際に結露等が発生するのを防ぐことができるとともに、燃料124が固体電解質膜114を介して酸化剤極108から蒸発するのを防ぐことができる。
(2) During shutdown of fuel cell Also in this case, the
また、たとえば、開口調整部1005は、燃料電池の長期運転停止時には、シャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を0%に調整し、酸化剤126の流量がゼロとなるように制御することができる。このとき、酸化剤流路312の吸気口339および排気口340に設けられたシャッター1001およびシャッター1002が閉じられてガスケット1003とともに酸化剤流路312が密閉され、酸化剤流路312からの酸化剤126の流出が停止される。これにより、長時間、燃料電池の運転を停止しても、燃料124が固体電解質膜114を通過して蒸発するのを防止することができる。また、開口調整部1005は、長時間運転停止時にも、酸化剤流路312内の湿度が高くなった場合には、シャッター1001およびシャッター1002の開口の程度が大きくなるように調整することができる。これにより、酸化剤流路312内で結露が発生するのを防ぐことができる。開口調整部1005は、このような処理を定期的に行うこともできる。
Further, for example, when the fuel cell is stopped for a long time, the
上記の燃料電池の運転および停止時の処理において、開口調整部1005は、シャッター1001およびシャッター1002の開口の程度を変化させるとともに、排気用ファンまたは給気用ファンの回転を制御することもできる。開口調整部1005は、この場合も、温度または湿度に応じて、排気用ファンまたは給気用ファンの回転を制御することができる。
In the processing at the time of operation and stop of the fuel cell, the
上記の燃料電池の運転および停止時の調整については、手動で利用者が調整してもよいし、コントローラ等により自動制御してもよい。また、これらの制御の手順は、コントローラを動作させるプログラムによって、如何様にも変更が可能であることはいうまでもない。 The adjustment at the time of operation and stop of the fuel cell may be adjusted manually by the user or automatically controlled by a controller or the like. Needless to say, these control procedures can be changed in any manner by a program for operating the controller.
吸気口339および排気口340のシャッター1001およびシャッター1002の開口の程度の調整は、同時に行ってもよいし、別々に行ってもよい。たとえば、酸化剤流路312内の湿度が高くなり結露が発生するような場合は、吸気口339の開口の程度を下げ、排気口340の開口の程度を上げるようにすることができる。なお、シャッターの開口の程度を制御するためのシャッター開閉機構の詳細については後述する。
Adjustment of the degree of opening of the
以上のように、本実施の形態の燃料電池によれば、吸気口339または排気口340の開口の程度を調整することにより、酸化剤流路312を流れる酸化剤126の流量を制御できるので、使用環境および運転状況に影響されずに発電効率の低下を防止できる燃料電池を提供することができる。
As described above, according to the fuel cell of the present embodiment, the flow rate of the
(シャッター開閉機構について)
図9は、図1に示した燃料電池のシャッターの開閉機構の一例を示す図である。図9(a)は、シャッターが閉じた状態を示し、図9(b)は、シャッターが開いた状態を示している。
(About shutter opening / closing mechanism)
FIG. 9 is a view showing an example of a shutter opening / closing mechanism of the fuel cell shown in FIG. FIG. 9A shows a state where the shutter is closed, and FIG. 9B shows a state where the shutter is opened.
図9において、シャッターの開閉機構は、シャッター1001の一端に設けられ、シャッター1001を軸周りに回転させるバネ内蔵回転軸1015と、シャッター1001の他端に設けられたバネ内蔵回転軸1015の軸と平行に設けられ、シャッター1001の外側に延びるロッド1017と、ロッド1017に当接し、ロッド1017を所定の位置に移動させるよう押す偏心カム1019と、ロッド1017の軸と平行に設けられた偏心カム1019の回転軸1021と、を含む。回転軸1021には、図示されないモータが設けられ、回転軸1021はモータにより軸周りに回転する。
In FIG. 9, the shutter opening / closing mechanism is provided at one end of the
このように構成されたシャッターの開閉機構を有する燃料電池における動作について以下に説明する。 The operation of the fuel cell having the shutter opening / closing mechanism configured as described above will be described below.
図9(a)に示すような位置に偏心カム1019がある場合、ロッド1017は偏心カム1019から力を受けないので、バネ内蔵回転軸1015のバネの弾性力により、シャッター1001が、酸化剤流路312を閉じるようにガスケット1003に押しつけられ、吸気口339および排気口340を密閉することができる。
When the
一方、図9(b)に示すような位置に偏心カム1019が回転軸1021周りに回転した場合、バネ内蔵回転軸1015のバネの弾性力に打ち勝つ力でもって、偏心カム1019によってロッド1017が図の位置に移動させられ、これによりシャッター1001が図のように回転軸1015周りに回転して吸気口339および排気口340の開放位置へと移動させられる。
On the other hand, when the
本例において、モータの回転を制御することによって、偏心カム1019の回転位置を制御でき、これによりシャッター1001の移動位置を制御し、吸気口339および排気口340の開口の程度を調整でき、酸化剤126の流量を制御することが可能となる。
In this example, the rotational position of the
また、本実施の形態において、偏心カム1019の回転はモータによって行ったがこれに限定されるものではなく、手動で偏心カムを回転せることができる機構を設けてもよい。また、偏心カムの形状は、様々な形状が考えられ、形状によってシャッターの移動位置を調節することができる。
In this embodiment, the
(第二の実施の形態)
本実施の形態においても、燃料電池は第一の実施の形態と同様の構成を有する。本実施の形態において、開閉調整機構の形態が第一の実施の形態と異なる。
図6は、本実施の形態における開閉調整機構の一例であるスライド式シャッターの構成を模式的に示した断面図であり、図7は、図6のスライド式シャッターの正面図である。図6(a)および図7(a)は、シャッターが閉じた状態を示し、図6(b)および図7(b)は、シャッターが開いた状態を示している。
(Second embodiment)
Also in the present embodiment, the fuel cell has the same configuration as that of the first embodiment. In the present embodiment, the form of the opening / closing adjustment mechanism is different from that of the first embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a sliding shutter which is an example of an opening / closing adjustment mechanism in the present embodiment, and FIG. 7 is a front view of the sliding shutter of FIG. 6A and 7A show a state where the shutter is closed, and FIGS. 6B and 7B show a state where the shutter is opened.
本実施の形態において、スライド式シャッターは、酸化剤流路312の吸気口339および排気口340に設けられ、通気プレート1012と、この通気プレート1012のスリットを開閉可能な位置および大きさで複数のスリットが形成されたシャッター1011と、を含む。通気プレート1012は、吸気口339および排気口340とほぼ同じ形状および大きさを有する表面と、その表面に形成された複数のスリットと、を有する。
In the present embodiment, the sliding shutter is provided at the
本実施の形態において、開口調整部1005は、スライド式シャッターの開口率を調整する。シャッター1011の開口率とは、通気プレート1012に形成されたスリットの総面積に対するシャッター1011によって閉じられた後の通気プレート1012のスリットの開口面積の比である。開口面積を変えることによって開口率を調整することができる。すなわち、図7(a)が開口率0%で、図7(b)が開口率100%の状態を示している。
In the present embodiment, the
シャッター1011および通気プレート1012の形状および構造以外は、上記第一の実施の形態と同様であるので、ここでは燃料電池の動作に関する詳細な説明は省略する。
Except for the shape and structure of the
通気プレート1012のスリットの長軸と、シャッター1011のスリットの長軸は、常に平行を保ちつつ、シャッター1011は、通気プレート1012のスリットの長軸に対して、実質的に垂直な方向に移動可能である。シャッター1011を移動させることによって、通気プレート1012のスリットを開閉することができる。
The long axis of the slit of the
このように構成されたスライド式シャッターの動作について以下に図を用いて説明する。
図6(b)および図7(b)に示すように、燃料電池の運転中は、シャッター1011および通気プレート1012の複数のスリットが同じ位置になるようにシャッター1011および通気プレート1012は配置される。これにより、酸化剤流路312に、酸化剤126が吸気口339を介して供給され、排気口340を介して排気される。
The operation of the slide shutter configured as described above will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 6B and 7B, during the operation of the fuel cell, the
一方、図6(a)および図7(a)に示すように、燃料電池の運転停止中は、シャッター1011および通気プレート1012は、シャッター1011および通気プレート1012の複数のスリットの孔を封鎖するような位置に配置される。これにより、酸化剤流路312から酸化剤126が排気されず、また、酸化剤流路312内に酸化剤126が供給されない。
On the other hand, as shown in FIGS. 6 (a) and 7 (a), when the operation of the fuel cell is stopped, the
このように、シャッター1011および通気プレート1012の相対位置を制御することによって、シャッター1011および通気プレート1012に形成された各スリットの開口率を制御することが可能であり、これにより酸化剤126の流量を制御することができる。
In this way, by controlling the relative positions of the
本実施の形態において、シャッターに形成された酸化剤126の通気口は、スリット形状のものを平行に配置した構造としたがこれに限定されるものではなく、様々な形状および配置が考えられ、1組のシャッターが相対位置を移動することによって、シャッターに形成された通気口の開口率を変化させることができる形状であればよい。
In the present embodiment, the vent of the
(シャッター開閉機構について)
図10は、図6および図7に示した開閉調整機構のシャッターの開閉機構の一例を示す図である。図10(a)は、シャッターが開いた状態を示し、図10(b)は、シャッターが閉じる途中の状態を示し、図10(c)は、シャッターが閉じた状態を示している。
(About shutter opening / closing mechanism)
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a shutter opening / closing mechanism of the opening / closing adjustment mechanism illustrated in FIGS. 6 and 7. 10A shows a state where the shutter is open, FIG. 10B shows a state where the shutter is being closed, and FIG. 10C shows a state where the shutter is closed.
図10において、シャッターの開閉機構は、リニアモータ1023と、リニアモータ1023によって直進移動するロッド1025と、ロッド1025を支持し、直進移動させる直進ガイド1027と、ロッド1025の先端に第1の回転支持軸1031を介して回転可能に一端が取り付けられたアーム1029と、アーム1029の他端に第2の回転支持軸1035を介して回転可能に一端が取り付けられ、他端にシャッター1011を水平に支持するシャッター支え1033と、シャッター1011を予め決められた位置に移動させるために、第2の回転支持軸1035を噛合するレールを有するシャッターガイド1037と、含む。
In FIG. 10, the shutter opening / closing mechanism includes a
このように構成されたシャッターの開閉機構を有する開閉調整機構における動作について以下に説明する。
シャッター1011は、図10(a)の位置からリニアモータ1023によってロッド1025が推進されて、第2の回転支持軸1035がシャッターガイド1037に沿って移動し、図10(b)のシャッター1011が通気プレート1012に当接する位置まで移動する。その後、さらにリニアモータ1023によってロッド1025が推進されると、第2の回転支持軸1035がシャッターガイド1037に沿って移動し、図10(c)のシャッター1011が通気プレート1012のスリットを閉じる位置まで移動し、吸気口339および排気口340が閉じられる。
The operation of the opening / closing adjustment mechanism having the shutter opening / closing mechanism configured as described above will be described below.
In the
以上のように、本実施の形態によれば、リニアモータ1023によって、ロッド1025を介してシャッター1011の通気プレート1012に対する相対位置を制御できるので、通気プレート1012に形成されたスリットの開口率を制御できる。このようにして、酸化剤126の流量を制御することが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the
(第三の実施の形態)
本実施の形態においても、燃料電池は第一の実施の形態と同様の構成を有する。本実施の形態において、開閉調整機構の形態が第一の実施の形態と異なる。
図8は、本実施の形態における開閉調整機構の他の例であるブラインド形シャッターの構成を模式的に示した断面図である。図8(a)は、シャッターが閉じた状態を示し、図8(b)は、シャッターが開いた状態を示している。
(Third embodiment)
Also in the present embodiment, the fuel cell has the same configuration as that of the first embodiment. In the present embodiment, the form of the opening / closing adjustment mechanism is different from that of the first embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a blind shutter which is another example of the opening / closing adjustment mechanism in the present embodiment. FIG. 8A shows a state where the shutter is closed, and FIG. 8B shows a state where the shutter is opened.
本実施の形態において、ブラインド形シャッターは、酸化剤流路312の吸気口339および排気口340に設けられた複数の矩形のシャッター1014を有する。各シャッター1014の一端にはシールド部材1013が設けられ、シャッター1014の他端が隣接するシールド部材1013に密着した時、シャッター1014が閉じて、吸気口339および排気口340を密閉することができる。
In the present embodiment, the blind shutter has a plurality of
シャッター1014の形状および構造以外は、上記第一の実施の形態と同じであるので、ここでは燃料電池の動作に関する詳細な説明は省略する。
Except for the shape and structure of the
このように構成されたブラインド式シャッターの動作について以下に図を用いて説明する。
図8(b)に示すように、燃料電池の運転中は、シャッター1014の他端がシールド部材1013と離れた位置にあり、これにより、酸化剤流路312に、酸化剤126が吸気口339を介して供給され、排気口340を介して排気される。一方、図8(a)に示すように、燃料電池の運転停止中は、シャッター1014の他端が隣接するシールド部材1013と密着した位置になり、これにより、酸化剤流路312から酸化剤126が排気されず、また、酸化剤流路312内に酸化剤126が供給されない。
The operation of the thus configured blind shutter will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 8B, during the operation of the fuel cell, the other end of the
このようにシャッター1014の他端を隣接するシールド部材1013と密着させたり離したり、あるいは、シャッター1014の吸気口339および排気口340に対する相対位置角度を調節することによって、吸気口339および排気口340の開口の程度を調整することが可能であり、これにより酸化剤126の流量を制御することができる。
In this way, the other end of the
本実施の形態においても、第一の実施の形態において図9を参照して説明したのと同様、偏心カムをモータで駆動することによりシャッター1014を開閉することができる。
Also in this embodiment, the
101 単位セル
102 酸化剤極
102 燃料極
108 酸化剤極
114 固体電解質膜
124 燃料
126 酸化剤
310 燃料流路
312 酸化剤流路
339 吸気口
340 排気口
1000 セル群
1001 シャッター
1002 シャッター
1003 ガスケット
1005 開口調整部
1007 排気用ファン
1008 温度計
1009 湿度計
1011 シャッター
1012 通気プレート
1013 シールド部材
1014 シャッター
DESCRIPTION OF
Claims (10)
吸気口および排気口を有し、前記酸化剤極に酸化剤を、前記吸気口を介して供給するとともに、前記排気口を介して排出する酸化剤流路と、
前記酸化剤流路の温度を測定する温度測定部と、
当該燃料電池の運転状況および前記温度測定部により測定された前記酸化剤流路の温度に応じて、前記吸気口または前記排気口の開口の程度を調整する開口調整部と、
を含み、
前記開口調整部は、
前記酸化剤流路の前記吸気口および前記排気口の開口の程度をそれぞれ独立して変更可能な少なくとも2つのシャッターを含み、
前記燃料電池の前記運転状況が運転中で、かつ前記温度が低い場合は、前記開口の程度を小さく調整することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell having a unit cell including a fuel electrode and an oxidant electrode,
An oxidant flow path having an intake port and an exhaust port, supplying an oxidant to the oxidant electrode through the intake port, and discharging the oxidant through the exhaust port;
A temperature measuring unit for measuring the temperature of the oxidant flow path;
An opening adjusting unit that adjusts the degree of opening of the intake port or the exhaust port according to the operating state of the fuel cell and the temperature of the oxidant flow path measured by the temperature measuring unit;
Including
The opening adjusting portion is
Including at least two shutters capable of independently changing the degree of opening of the intake port and the exhaust port of the oxidant flow path,
The fuel cell according to claim 1, wherein when the operating state of the fuel cell is in operation and the temperature is low, the degree of the opening is adjusted to be small.
前記酸化剤流路内の湿度を測定する湿度測定部を含み、
前記開口調整部は、前記湿度測定部により測定された前記酸化剤流路内の前記湿度が高くなった場合、前記吸気口の前記開口の程度を小さくし、前記排気口の前記開口の程度を大きく調整することを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
A humidity measuring unit for measuring the humidity in the oxidant flow path;
The opening adjustment unit reduces the degree of the opening of the intake port and reduces the degree of the opening of the exhaust port when the humidity in the oxidant flow path measured by the humidity measuring unit becomes high. A fuel cell characterized by a large adjustment.
前記開口調整部は、
前記吸気口または前記排気口の前記シャッターと前記酸化剤流路との間に設けられたガスケットをさらに含み、
前記シャッターを閉じたときに、当該シャッターと前記ガスケットが協動して前記吸気口または前記排気口を密閉することを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
The opening adjusting portion is
A gasket provided between the shutter of the intake port or the exhaust port and the oxidant flow path;
The fuel cell, wherein when the shutter is closed, the shutter and the gasket cooperate to seal the intake port or the exhaust port.
前記酸化剤流路への前記酸化剤の導入を促す導入促進部をさらに含むことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell according to claim 1, further comprising an introduction promoting unit that promotes introduction of the oxidant into the oxidant flow path.
前記燃料電池は、前記燃料極に液体燃料が供給される直接型の燃料電池であることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
The fuel cell is a direct type fuel cell in which liquid fuel is supplied to the fuel electrode.
複数の前記単位セルを含み、当該複数の単位セルが平面実装されたことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
A fuel cell comprising a plurality of the unit cells, wherein the plurality of unit cells are mounted in a plane.
前記酸化剤流路内に設けられた吸湿剤をさらに含むことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
The fuel cell further comprising a hygroscopic agent provided in the oxidant flow path.
前記燃料電池は、吸気口および排気口を有する酸化剤流路と、
前記吸気口および前記排気口の開口の程度をそれぞれ独立して変更可能な少なくとも2つのシャッターと、を含み、
前記酸化剤極に酸化剤を、前記吸気口を介して供給するとともに、前記排気口を介して排出する工程と、
前記燃料電池の温度を測定する工程と、
当該燃料電池の前記運転状況を検知する工程と、
前記燃料電池の運転状況および前記温度を測定する工程で測定された前記酸化剤流路の温度に応じて、前記吸気口または前記排気口の開口の程度を調整する工程と、
を含み、
前記開口の程度を調整する工程において、
前記燃料電池の前記運転状況が運転中で、かつ前記温度が低い場合は、前記開口の程度を小さく調整することを特徴とする燃料電池の運転方法。 A method of operating a fuel cell having a unit cell including a fuel electrode and an oxidant electrode,
The fuel cell includes an oxidant flow path having an intake port and an exhaust port;
And at least two shutters capable of independently changing the degree of opening of the intake port and the exhaust port,
Supplying the oxidant to the oxidant electrode through the intake port and discharging the oxidant through the exhaust port;
Measuring the temperature of the fuel cell;
Detecting the operating status of the fuel cell;
Adjusting the degree of opening of the intake port or the exhaust port according to the operating state of the fuel cell and the temperature of the oxidant flow path measured in the step of measuring the temperature;
Including
In the step of adjusting the degree of the opening,
A method of operating a fuel cell, wherein the degree of opening is adjusted to be small when the operating status of the fuel cell is in operation and the temperature is low.
前記酸化剤流路内の湿度を測定する工程をさらに含み、
前記開口の程度を調整する工程において、前記湿度を測定する工程で測定された前記酸化剤流路内の前記湿度が高くなった場合、前記吸気口の前記開口の程度を小さくし、前記排気口の前記開口の程度を大きく調整することを特徴とする燃料電池の運転方法。 The operation method of the fuel cell according to claim 8,
Further comprising measuring the humidity in the oxidant flow path,
In the step of adjusting the degree of the opening, when the humidity in the oxidant flow path measured in the step of measuring the humidity becomes high, the degree of the opening of the intake port is reduced, and the exhaust port A method of operating a fuel cell, wherein the degree of opening of the fuel cell is greatly adjusted.
前記開口の程度を調整する工程において、前記シャッターを開閉することにより、前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池の運転方法。 The method for operating a fuel cell according to claim 8 or 9,
The method of operating a fuel cell, wherein in the step of adjusting the degree of opening, the degree of opening is adjusted by opening and closing the shutter.
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