JP4929571B2 - 燃料電池のセパレータ及び燃料電池装置 - Google Patents
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Description
そこで、本発明は、上記のような問題点を解決しようとしてなされたものであり、燃料電池においてエネルギーの利用効率を向上させることを目的とする。
そして、アノードガスバルブがアノードガス排出流路の中途部に設けられているから、アノードガスバルブの開口量が大きくなるにつれてと、アノードガス流路を流れたアノードガスがアノードガス排出流路に流れやすくなってアノードガス排出孔から排出されやすくなり、逆に内部流路には流れ難くなる。そのため、内部流路では燃焼が起こりにくくなり、内部流路を流れるカソードガスによってセパレータや燃料電池装置が空冷される。
一方、アノードガスバルブの開口量が小さくなるにつれて、アノードガス流路を流れたアノードガスがアノードガス排出流路に流れにくくなって、逆にアノードガスが内部流路には流れやすくなる。そのため、内部流路では燃焼が起こりやすくなり、内部流路における燃焼熱によってセパレータや燃料電池装置が加熱される。
以上のように、アノードガスバルブの開口量の調整によってセパレータや燃料電池装置の温度制御を行うことができる。
本発明においては、前記燃料電池装置が、前記膜電極接合体によって生成された電力を入力するDC−DCコンバータと、前記DC−DCコンバータの入力電流を測定し、その入力電流に応じて前記アノードガスバルブの開口量及び前記カソードガスバルブの開口量を制御する制御部と、を備えることが好ましい。
また、制御部でカソードガスバルブの開口量を調整することで、熱交換流路に供給するカソードガスの量を調整することができる。更に、DC−DCコンバータの入力電流は膜電極接合体で反応した燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物の量に依存するから、DC−DCコンバータの入力電流から未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物量が把握できる。即ち、DC−DCコンバータの入力電流に応じてカソードガスバルブの開口量を制御することは、未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物の量に応じてカソードガスバルブの開口量を制御することと実質的に同じであるから、未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物を燃焼させるのに適切な量のカソードガスを供給することができる。そのため、セパレータや燃料電池装置の温度制御をより正確に行うことができる。
この発電装置200は、デスクトップ型パーソナルコンピュータ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、PDA(Personal Digital Assistant)、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、家庭用電気機器、その他の電子機器に備え付けられたものであり、電子機器本体を動作させるための電源として用いられる。
2CH3OH+H2O→5H2+CO+CO2 …(2)
2CO+O2→2CO2 …(3)
そして、集電板2内の葛折り状の蛇行溝37及びアノードガス流路89は互いに平面的に重なっている。集電板2の座ぐり44には、両面セパレータ5と同様に、アノードガスバルブ22が設けられ、長溝43はカソードガス導入孔87に連通している。
口金65を通じて、アノードガス導入孔15,25,85に供給されたアノードガスは、アノードガス流路71,89を流動してアノードガス排出孔16,26,86から排出される。アノードガスがアノードガス流路71,89を流動している時は、電気化学反応式(4)に示すように水素ガスが触媒9の作用を受けて水素イオンと電子とに分離し、電子がガス拡散層7により取り出され、水素イオンが固体高分子電解質膜6を透過する。
H2→2H++2e- …(4)
2H++1/2O2+2e-→H2O …(5)
アノードガスバルブ22が閉じている場合には、アノードガス流路71を流れたアノードガスが燃焼ガス供給流路74及び熱交換流路73を経由してアノードガス排出孔16,26,86へ流れる。一方、アノードガスバルブ22が開いている場合には、アノードガスがアノードガス流路71から燃焼ガス供給流路74及び熱交換流路73へ流れず、アノードガス排出孔16,26,86へ直接流れる。
このコントローラ80は、制御部101と、DC−DCコンバータ102と、バルブドライバ103,104とを備える。
単位時間あたりの含有水素量=アノードガス量×0.75×(1−直流出力電流/Imax) …(6)
上記係数0.75は、アノードガスが100%電気化学反応式(1)の通り反応して右辺の水素と二酸化炭素との混合気になったとしたときの混合気中の水素モル比である。
Imax=アノードガス量(l)×ファラデー定数×2(イオン価数)/22.4(l/mol)/60(sec)/燃料電池ユニットのスタック数 …(7)
必要空気量=含有水素量×2.5×1.2 …(8)
上記実施形態では、ステップS1においては燃料電池本体1に設けられた温度センサ60によって燃料電池本体1の温度を直接的に測定したが、DC−DCコンバータ102の直流入力電流や直流入力電圧から燃料電池本体1の温度Tを求めても良い。つまり、図13に示すように、燃料電池本体1の電流−電圧特性が温度に応じているので、DC−DCコンバータ102の直流入力電流や直流入力電圧から燃料電池本体1の温度Tを求めることができる。なお、DC−DCコンバータ102の直流入力電圧が一定に設定した場合、DC−DCコンバータ102の直流入力電流から燃料電池本体1の温度Tを求めることができる。
上記実施形態では、燃料電池本体1に設けられたバルブ22,23が電気的に動作するものであるが、熱的に動作するものであっても良い。つまり、バルブ22,23が圧電素子型ではなく、バイメタル型又は形状記憶合金型とする。燃料電池本体1の温度が設定温度以下の場合には、バイメタル型又は形状記憶合金型のバルブ22が閉じ、アノードガス流路71を流れたアノードガスが熱交換流路73に流れ、これにより燃焼熱により燃料電池本体1の温度が上昇する。一方、燃料電池本体1の温度が設定温度を超える場合には、バルブ22が開き、アノードガス流路71を流れたアノードガスが熱交換流路73に流れず、これにより燃焼熱が発生しない。
長溝35及び長溝36の中途部の少なくともいずれかに逆止弁を設け、ガスがアノードガス排出孔26から穿孔33に向かうガスの流れをこれら逆止弁によって阻止しても良い。また、長溝40及び長溝43の中途部の少なくともいずれかに逆止弁を設け、ガスが合流部38からカソードガス導入孔27に向かったガスの流れをこれら逆止弁によって阻止しても良い。また、燃焼ガス供給流路74の中途部に逆止弁を設け、分岐点から穿孔33に向かったガスの流れをこの逆止弁によって阻止しても良い。
上記実施形態では、アノードガス排出孔16,26,86とカソードガス排出孔18,28,88が別々であったが、同じ排出孔で兼ねていても良い。例えば、カソードガス流路76の終端がカソードガス排出孔28に連通するのではなく、アノードガス排出孔26に連通しても良いし、逆に、アノードガス排出流路72及び熱交換流路73の終端がアノードガス排出孔26に連通するのではなく、カソードガス排出孔28に連通していても良い。
上記実施形態では、水素を改質して燃料電池本体1に供給したが、これに限らず、気化器203、改質器204、一酸化炭素除去器205を設けることなしにメタノール等の燃料を燃料電池本体1に供給して発電する直接型燃料電池に利用してもよい。
4…膜電極接合体
5…両面セパレータ
6…固体高分子電解質膜
7、8…ガス拡散層
22…アノードガスバルブ
23…カソードガスバルブ
25…アノードガス導入孔
26…アノードガス排出孔
27…カソードガス導入孔
28…カソードガス排出孔
33…穿孔
71…アノードガス流路
72…アノードガス排出流路
73…熱交換流路
74…燃焼ガス供給流路
75…カソードガス供給流路
76…カソードガス流路
80…コントローラ
101…制御部
102…DC−DCコンバータ
Claims (11)
- アノードガスが流れるアノードガス流路を一方の面に有し、
カソードガスが流れるカソードガス流路を他方の面に有し、
前記アノードガス流路の終端部に連通するとともに前記カソードガス流路に連通する内部流路を前記一方の面と前記他方の面との間の内部に有し、
アノードガスを排出するアノードガス排出孔を有し、
前記アノードガス流路の終端部から前記アノードガス排出孔まで連通するアノードガス排出流路を有し、
前記アノードガス排出流路の開口量を調整するアノードガスバルブを前記アノードガス排出流路の中途部に有し、
前記内部流路の壁面に燃焼触媒を有することを特徴とする燃料電池のセパレータ。 - カソードガスを導入するカソードガス導入孔を有し、
前記カソードガス導入孔を介して前記内部流路と前記カソードガス流路が連通することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池のセパレータ。 - 前記内部流路が、前記アノードガス流路の終端部から合流部まで連通する燃焼ガス流路と、前記カソードガス流路から前記合流部まで連通するカソードガス供給流路と、前記合流部から前記アノードガス排出孔まで連通する熱交換流路と、を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池のセパレータ。
- 前記カソードガス供給流路の開口量を調整するカソードガスバルブを前記カソードガス供給流路の中途部に有することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池のセパレータ。
- 固体高分子電解質膜と該固体高分子電解質膜を挟んで対向する一対のガス拡散層とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体と交互に積層されたセパレータと、を備える燃料電池装置であって、
前記セパレータが、アノードガスが流れるアノードガス流路を一方の面に有し、カソードガスが流れるカソードガス流路を他方の面に有し、前記アノードガス流路の終端部に連通するとともに前記カソードガス流路に連通する内部流路を前記一方の面と前記他方の面との間の内部に有し、アノードガスを排出するアノードガス排出孔を有し、前記アノードガス流路の終端部から前記アノードガス排出孔まで連通するアノードガス排出流路を有し、前記アノードガス排出流路の開口量を調整するアノードガスバルブを前記アノードガス排出流路の中途部に有し、前記内部流路の壁面に燃焼触媒を有することを特徴とする燃料電池装置。 - 前記セパレータがカソードガスを導入するカソードガス導入孔を有し、
前記カソードガス導入孔を介して前記内部流路と前記カソードガス流路が連通することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池装置。 - 前記内部流路が、前記アノードガス流路の終端部から合流部まで連通する燃焼ガス流路と、前記カソードガス流路から前記合流部まで連通するカソードガス供給流路と、前記合流部から前記アノードガス排出孔まで連通する熱交換流路と、を有することを特徴とする請求項5又は6に記載の燃料電池装置。
- 前記セパレータが前記カソードガス供給流路の開口量を調整するカソードガスバルブを前記カソードガス供給流路の中途部に有することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池装置。
- 前記膜電極接合体によって生成された電力を入力するDC−DCコンバータと、
前記DC−DCコンバータの入力電流を測定し、その入力電流に応じて前記アノードガスバルブの開口量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする請求項5乃至8の何れか一項に記載の燃料電池装置。 - 前記膜電極接合体によって生成された電力を入力するDC−DCコンバータと、
前記DC−DCコンバータの入力電流を測定し、その入力電流に応じて前記カソードガスバルブの開口量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする請求項5乃至8の何れか一項に記載の燃料電池装置。 - 前記膜電極接合体によって生成された電力を入力するDC−DCコンバータと、
前記DC−DCコンバータの入力電流を測定し、その入力電流に応じて前記アノードガスバルブの開口量及び前記カソードガスバルブの開口量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする請求項5乃至8の何れか一項に記載の燃料電池装置。
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