JP5049487B2 - Fuel cell device - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device.

燃料電池装置は体積あたりの供給可能なエネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くになる可能性があり、さらに燃料を充填することにより、携帯電話、ノートPC等小型電気機器の長時間連続使用が可能となるため期待されている。   Fuel cell devices can supply several times to nearly ten times the amount of energy that can be supplied per volume compared to conventional batteries, and by filling with fuel, small electric devices such as mobile phones and notebook PCs Is expected because it can be used continuously for a long time.

燃料電池セルは、電解質膜の対向する面に触媒を有する燃料極と触媒を有する酸化剤極が配置され、燃料極側に水素ガスなどの燃料を供給し、酸化剤極側に酸素ガスなどの酸化剤を供給し、電解質膜を介してこれらの反応剤を電気化学的に反応させる。   In the fuel cell, a fuel electrode having a catalyst and an oxidant electrode having a catalyst are arranged on opposite surfaces of the electrolyte membrane, a fuel such as hydrogen gas is supplied to the fuel electrode side, and an oxygen gas or the like is supplied to the oxidant electrode side. An oxidizing agent is supplied, and these reactants are electrochemically reacted through the electrolyte membrane.

燃料電池セルに対し、外部負荷を変えながら電流と電圧の関係を測定すると図11のような電流電圧曲線が得られる。図11中、Vocを開路電圧、Iscを短絡電流と呼ぶ。この様に出力電圧は出力電流の増大に伴って低下する。このため出力電力は出力電流に対してピークを持つ。燃料電池セルは通常1V程度の起電力しか持たないため、電気機器等を駆動するため燃料電池セルを電気的に複数直列に接続して使用する。   When the relationship between current and voltage is measured for a fuel cell while changing the external load, a current-voltage curve as shown in FIG. 11 is obtained. In FIG. 11, Voc is called an open circuit voltage, and Isc is called a short circuit current. Thus, the output voltage decreases as the output current increases. For this reason, the output power has a peak with respect to the output current. Since the fuel cell normally has an electromotive force of about 1 V, a plurality of fuel cells are electrically connected in series to drive an electric device or the like.

燃料電池セルを電気的に複数直列に接続する方法としては、導電性のセパレータを介して燃料電池セルを積層した積層型燃料電池スタックと、燃料電池セルを同一平面上に配置し別途配線等で接続した平面型燃料電池スタックとがある。   As a method of electrically connecting a plurality of fuel cells in series, a stacked fuel cell stack in which fuel cells are stacked via a conductive separator and a fuel cell are arranged on the same plane and separately wired or the like. And a connected planar fuel cell stack.

従来の燃料電池装置の構成図を図12に示す。燃料電池装置121は、上述した燃料電池スタック122を用いて電気機器124に電力を供給する。安定した出力を得るため燃料電池装置121は、各種制御手段123を有する。例えば、燃料電池スタックに安定して燃料を供給するためのポンプやバルブ、燃料電池スタックの動作温度を制御するためのファン、燃料電池スタックの起動を補助するバッテリ等である。またこれら制御手段123は燃料電池スタック122と電気的に並列に接続され、燃料電池スタックの電力の一部を用いて動作する。   FIG. 12 shows a configuration diagram of a conventional fuel cell device. The fuel cell device 121 supplies electric power to the electric device 124 using the fuel cell stack 122 described above. In order to obtain a stable output, the fuel cell device 121 has various control means 123. For example, there are a pump and a valve for stably supplying fuel to the fuel cell stack, a fan for controlling the operating temperature of the fuel cell stack, a battery for assisting activation of the fuel cell stack, and the like. These control means 123 are electrically connected in parallel with the fuel cell stack 122 and operate using part of the electric power of the fuel cell stack.

燃料電池装置においては、燃料電池セルの配置、酸化剤あるいは燃料の供給方法などによって燃料電池セルの発電特性に不均一さが発生する場合があった。例えば、非特許文献1において、F.B.Prinzらは、平面型燃料電池スタックを用いて特性に不均一さが発生していることを報告している。すなわち前述した短絡電流が燃料電池セル間で異なる特性となった。この原因は明らかではないが、酸化剤或いは燃料の下流の燃料電池セルにおいて短絡電流が低下しており、圧力損失・反応物の枯渇・水分管理の問題等を指摘している。   In the fuel cell device, there is a case where nonuniformity occurs in the power generation characteristics of the fuel cell depending on the arrangement of the fuel cell, the supply method of the oxidant or fuel, and the like. For example, in Non-Patent Document 1, F.I. B. Prinz et al. Report that non-uniformity in characteristics occurs using a planar fuel cell stack. That is, the above-described short-circuit current has different characteristics among the fuel cells. The cause of this is not clear, but the short-circuit current is decreasing in the fuel cell downstream of the oxidant or fuel, and it points out problems such as pressure loss, depletion of reactants, and moisture management.

この様に不均一さが発生した燃料電池スタックをいずれかの燃料電池セルの短絡電流以上で発電した場合、該燃料電池セルに逆方向電流が流れ該燃料電池セルの特性を劣化させる事がある。これは他の燃料電池セルが発電した電圧が該燃料電池セルに印加され、該燃料電池セルでは水の電気分解が起きたためと考えられる。安定した出力を得るため燃料電池装置では各燃料電池セルの短絡電流以上で動作することが無いよう出力電流が選択される。
“Journal of Power Sources”112、p.410−418、2002年
When a fuel cell stack with such non-uniformity is generated with a current greater than the short-circuit current of one of the fuel cells, a reverse current flows through the fuel cell and may deteriorate the characteristics of the fuel cell. . This is presumably because the voltage generated by another fuel cell was applied to the fuel cell, and water electrolysis occurred in the fuel cell. In order to obtain a stable output, in the fuel cell device, the output current is selected so as not to operate above the short-circuit current of each fuel cell.
“Journal of Power Sources” 112, p. 410-418, 2002

この様に複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続する燃料電池装置において、燃料電池セル間で発電特性に不均一さが生じると、短絡電流の小さな燃料電池セルに合わせて燃料電池スタックの出力電流を選択する必要があり、各々の燃料電池セルの発電特性を十分に利用できない。さらに燃料電池スタックの出力電力の一部を制御手段に供給するため燃料電池装置の発電密度が低下するという問題点があった。   In this way, in the fuel cell device in which a plurality of fuel cells are electrically connected in series, if non-uniformity in power generation characteristics occurs between the fuel cells, the fuel cell stack is matched to the fuel cell having a small short-circuit current. It is necessary to select the output current, and the power generation characteristics of each fuel cell cannot be fully utilized. Furthermore, since a part of the output power of the fuel cell stack is supplied to the control means, there is a problem that the power generation density of the fuel cell device is lowered.

本発明は、この様な従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池セルが電気的に複数直列に接続された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて該燃料電池スタックを制御する制御手段よりなる燃料電池装置において、該燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルの短絡電流が異なる場合にも、各々の燃料電池セルの発電特性を十分に利用でき、発電密度の高い燃料電池装置を提供するものである。   The present invention has been made to solve such problems of the prior art. A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are electrically connected in series, and the electric power output from the fuel cell stack. In a fuel cell device comprising a control means for controlling the fuel cell stack using a part of the fuel cell stack, even when the short-circuit current of each fuel cell constituting the fuel cell stack is different, the power generation characteristics of each fuel cell The present invention provides a fuel cell device that can be used sufficiently and has a high power generation density.

上記課題を解決する第一の燃料電池装置は、複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて該燃料電池スタックを制御する制御手段とを備えており、該制御手段は、前記燃料電池スタックを構成する少なくとも1つの燃料電池セルと電気的に並列に接続されており、前記制御手段と電気的に接続されている少なくとも1つの燃料電池セルの短絡電流は、前記燃料電池スタックを構成する、該制御手段と電気的に並列に接続されていない燃料電池セルの少なくとも1つの短絡電流よりも大きいことを特徴とする。   A first fuel cell device that solves the above problems includes a fuel cell stack configured by electrically connecting a plurality of fuel cell cells in series, and using a part of electric power output from the fuel cell stack. Control means for controlling the fuel cell stack, and the control means is electrically connected in parallel with at least one fuel cell constituting the fuel cell stack, and is electrically connected to the control means. The short-circuit current of at least one connected fuel cell is larger than at least one short-circuit current of the fuel cell that constitutes the fuel cell stack and is not electrically connected in parallel with the control means. Features.

上記課題を解決する第二の燃料電池装置は、複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて該燃料電池スタックを制御する制御手段と、酸化剤を前記複数の燃料電池に供給するための酸化剤流路と、燃料を前記複数の燃料電池に供給するための燃料流路とを備えており、該制御手段は、前記燃料電池スタックを構成する前記複数の燃料電池セルのうち、前記酸化剤流路の上流側に位置する、少なくとも1つの燃料電池セルと電気的に並列に接続されていることを特徴とする。   A second fuel cell device that solves the above problems includes a fuel cell stack configured by electrically connecting a plurality of fuel cells in series, and a part of electric power output from the fuel cell stack. A control means for controlling the fuel cell stack; an oxidant flow path for supplying an oxidant to the plurality of fuel cells; and a fuel flow path for supplying fuel to the plurality of fuel cells. The control means is electrically connected in parallel with at least one fuel battery cell located upstream of the oxidant flow path among the plurality of fuel battery cells constituting the fuel battery stack. It is characterized by.

上記課題を解決する第三の燃料電池装置は、複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて該燃料電池スタックを制御する制御手段と、酸化剤を前記複数の燃料電池に供給するための酸化剤流路と、燃料を前記複数の燃料電池に供給するための燃料流路とを備えており、該制御手段は、前記燃料電池スタックを構成する前記複数の燃料電池セルのうち、前記燃料流路の上流側に位置する、少なくとも1つの燃料電池セルと電気的に並列に接続されていることを特徴とする。   A third fuel cell device that solves the above problems includes a fuel cell stack configured by electrically connecting a plurality of fuel cell cells in series, and using a part of the electric power output from the fuel cell stack. A control means for controlling the fuel cell stack; an oxidant flow path for supplying an oxidant to the plurality of fuel cells; and a fuel flow path for supplying fuel to the plurality of fuel cells. The control means is electrically connected in parallel with at least one fuel battery cell located upstream of the fuel flow path among the plurality of fuel battery cells constituting the fuel cell stack. Features.

本発明によれば、セルを直列に接続することによって大きな起電力を得ると同時に、各々の燃料電池セルの発電特性を十分に利用でき発電密度の高い燃料電池装置が提供可能となる。   According to the present invention, a large electromotive force can be obtained by connecting cells in series, and at the same time, it is possible to provide a fuel cell device having a high power generation density that can fully utilize the power generation characteristics of each fuel cell.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明の実施形態に係る燃料電池装置11の構成を表すものである。14は燃料電池装置の出力によって駆動される電気機器である。12は複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続された燃料電池スタック、13は燃料電池スタックを制御する制御手段である。制御手段は複数の燃料電池セルの一部のみと電気的に並列に接続される。制御手段と並列に接続される燃料電池セルは、少なくとも制御手段と並列に接続されない燃料電池セル一つよりもその短絡電流が大きい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration of a fuel cell device 11 according to an embodiment of the present invention. Reference numeral 14 denotes an electric device driven by the output of the fuel cell device. Reference numeral 12 denotes a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are electrically connected in series. Reference numeral 13 denotes control means for controlling the fuel cell stack. The control means is electrically connected in parallel with only a part of the plurality of fuel cells. The fuel cell connected in parallel with the control means has a short-circuit current larger than that of at least one fuel cell not connected in parallel with the control means.

なお、本明細書において、短絡電流は、複数の燃料電池セルが、電気的に直列に接続されて燃料電池スタックを構成し、燃料電池装置に実装された状態にて測定されるものをいう。   In the present specification, the short-circuit current is measured when a plurality of fuel cells are electrically connected in series to form a fuel cell stack and mounted on the fuel cell device.

燃料電池の出力はインバータやDC/DCコンバータなどの電力変換装置により所定の電圧、周波数に変換して電気機器に接続しても良い。制御手段は燃料電池スタックの動作状態を制御する手段であり、例えば、燃料電池スタックに安定して燃料を供給するためのポンプやバルブ、燃料電池スタックの動作温度を制御するためのファン、燃料電池スタックの起動を補助するバッテリ等である。   The output of the fuel cell may be converted into a predetermined voltage and frequency by a power conversion device such as an inverter or a DC / DC converter and connected to an electrical device. The control means is means for controlling the operating state of the fuel cell stack. For example, a pump or valve for stably supplying fuel to the fuel cell stack, a fan for controlling the operating temperature of the fuel cell stack, a fuel cell A battery for assisting the activation of the stack.

図1ではn個の燃料電池セル1〜nが直列に接続され電気機器に電力を供給する。制御手段13は燃料電池セル1〜kのみと電気的に並列に接続される。これにより制御手段は燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて動作する。制御手段13に並列に接続される燃料電池セル1〜kは、その短絡電流が少なくとも他の燃料電池セルk+1〜nの1つよりも大きい。   In FIG. 1, n fuel cells 1 to n are connected in series to supply electric power to an electrical device. The control means 13 is electrically connected in parallel with only the fuel cells 1 to k. As a result, the control means operates using part of the power output from the fuel cell stack. The fuel cells 1 to k connected in parallel to the control means 13 have a short-circuit current larger than at least one of the other fuel cells k + 1 to n.

燃料電池スタックの出力電流は、いずれの燃料電池セルの短絡電流をも超えて発電することが無いよう選択される。制御手段に並列に接続される燃料電池セルは、燃料電池スタックの出力電流と制御手段に供給する電流とを同時に発電する。このため、燃料電池セル1〜kの発電特性が十分に利用できる。   The output current of the fuel cell stack is selected so as not to generate power beyond the short-circuit current of any fuel cell. The fuel cells connected in parallel to the control means simultaneously generate the output current of the fuel cell stack and the current supplied to the control means. For this reason, the power generation characteristics of the fuel cells 1 to k can be fully utilized.

このように本発明によれば、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続して高い出力電圧を得ると同時に、発電密度の高い燃料電池装置を提供可能となる。   As described above, according to the present invention, it is possible to electrically connect a plurality of fuel cells in series to obtain a high output voltage and to provide a fuel cell device having a high power generation density.

以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。
実施例1
図2に本発明の第一の実施例である燃料電池装置21を示す。22は燃料電池スタック、23は制御手段、24は燃料電池装置によって駆動される電気機器である。本燃料電池装置は、図3に示した電気機器31筐体に組み込んで用いる。32は燃料電池スタックの配置位置、33は電気機器筐体に設けられた通 気孔である。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
Example 1
FIG. 2 shows a fuel cell device 21 according to a first embodiment of the present invention. 22 is a fuel cell stack, 23 is a control means, and 24 is an electric device driven by the fuel cell device. This fuel cell device is used by being incorporated in the casing of the electric device 31 shown in FIG. 32 is an arrangement position of the fuel cell stack, and 33 is an air hole provided in the electric equipment casing.

図4に本実施例で用いる、燃料電池スタックを示す。電解質電極接合体44は電解質膜41の両面に燃料極42と酸化剤極43を有する。電解質電極接合体の燃料極と隣接する電解質電極接合体の酸化剤極とを互いに対向させて積層する。電解質電極接合体の間には導電性のセパレータ45をそれぞれ挿入する。以上により、各電解質電極接合体は直列に接続される。また、各セパレータには、隣接する酸化剤極に酸化剤を供給するための酸化剤流路46と、隣接する燃料極に燃料を供給するための燃料流路47とをそれぞれ形成する。   FIG. 4 shows a fuel cell stack used in this example. The electrolyte electrode assembly 44 has a fuel electrode 42 and an oxidant electrode 43 on both surfaces of the electrolyte membrane 41. The fuel electrode of the electrolyte electrode assembly and the oxidant electrode of the adjacent electrolyte electrode assembly are stacked so as to face each other. Conductive separators 45 are inserted between the electrolyte electrode assemblies. As described above, the electrolyte electrode assemblies are connected in series. Each separator is formed with an oxidant channel 46 for supplying an oxidant to an adjacent oxidant electrode and a fuel channel 47 for supplying fuel to an adjacent fuel electrode.

本実施例では、3つの燃料電池セル25、26、27を積層する。燃料はメタノール、酸化剤は大気中の酸素を用いる。燃料のメタノールは不図示の配管により供給される。また酸化剤極で消費される酸素は、電気機器筐体に設けられた通気孔33を通して取り込まれる。   In this embodiment, three fuel cells 25, 26, and 27 are stacked. Methanol is used as the fuel, and oxygen in the atmosphere is used as the oxidant. Fuel methanol is supplied through a pipe (not shown). Further, oxygen consumed by the oxidizer electrode is taken in through the vent hole 33 provided in the electric equipment casing.

図5に、各燃料電池セル25、26、27の電流電圧曲線を示す。それぞれ短絡電流を図中矢印で示した。燃料電池セル27の短絡電流が3つの燃料電池セルで最も小さい。この原因は明らかではないが、燃料電池セル27は通気孔33より最も離れて配置されており、酸化剤の供給不足が原因であると推測される。   In FIG. 5, the current-voltage curve of each fuel cell 25, 26, 27 is shown. Each short-circuit current is indicated by an arrow in the figure. The short circuit current of the fuel cell 27 is the smallest among the three fuel cells. The cause of this is not clear, but the fuel battery cell 27 is disposed farthest from the vent hole 33, and is presumed to be caused by insufficient supply of the oxidant.

図2に示したように、制御手段は燃料電池セル25に並列に接続する。燃料電池セル25の短絡電流は燃料電池セル27の短絡電流よりも大きい。制御手段は、燃料電池装置の発電開始時に蓄電部に充電された電力を用いて電解質膜を加熱し、燃料電池装置の起動を補助する。蓄電部は、燃料電池セル25の発電した電力の一部を用いて充電される。   As shown in FIG. 2, the control means is connected to the fuel cell 25 in parallel. The short circuit current of the fuel battery cell 25 is larger than the short circuit current of the fuel battery cell 27. The control means heats the electrolyte membrane using the electric power charged in the power storage unit when starting the power generation of the fuel cell device, and assists the start of the fuel cell device. The power storage unit is charged using a part of the electric power generated by the fuel battery cell 25.

燃料電池スタックの出力電流は燃料電池セル27の短絡電流を越えない範囲で使用される。図5中28に燃料電池装置の電流電圧曲線を示す。燃料電池セルを直列に接続したため高い出力電圧を電気機器に供給可能となる。また制御手段で使用する電力、すなわち蓄電部を充電する電力は燃料電池セル25で発電された電力の一部が用いられ、燃料電池装置の安定した起動が可能である。以上のように本実施例の燃料電池装置によって、発電密度の高い燃料電池装置が提供可能となる。   The output current of the fuel cell stack is used within a range not exceeding the short-circuit current of the fuel cell 27. A current-voltage curve of the fuel cell device is shown at 28 in FIG. Since the fuel cells are connected in series, a high output voltage can be supplied to the electrical equipment. In addition, a part of the power generated by the fuel cell 25 is used as the power used by the control means, that is, the power for charging the power storage unit, so that the fuel cell device can be stably started. As described above, the fuel cell device of this embodiment can provide a fuel cell device with high power generation density.

実施例2
本実施例は、平面型燃料電池スタックを用いた燃料電池装置である。図6に燃料電池装置の模式図を示す。62は燃料電池スタック、63は制御手段、64は燃料電池装置によって駆動される電気機器である。本燃料電池装置は酸素と水素を外部から供給して発電を行う。制御手段は燃料電池スタックの発電量に応じて流量を制御し、燃料電池スタックに酸素および水素を供給する。
Example 2
The present embodiment is a fuel cell device using a planar fuel cell stack. FIG. 6 shows a schematic diagram of the fuel cell device. 62 is a fuel cell stack, 63 is a control means, and 64 is an electric device driven by the fuel cell device. This fuel cell device generates oxygen by supplying oxygen and hydrogen from the outside. The control means controls the flow rate according to the power generation amount of the fuel cell stack, and supplies oxygen and hydrogen to the fuel cell stack.

図7(a)に平面型燃料電池スタック各部材の断面図、図7(b)に平面図を示す。電解質膜71の両面に図示したように燃料極72と酸化剤極73が形成 される。燃料極に接して燃料極に水素を供給する燃料流路74、酸化剤極に接して酸化剤極に酸素を供給する酸化剤流路75を形成する。燃料流路と酸化剤流路が形成される基板には、図示した形状で取り出し電極76を設ける。燃料流路の入り口77および酸化剤流路の入り口78は、水素および酸素を導入する配管が接続される。   FIG. 7A shows a cross-sectional view of each member of the planar fuel cell stack, and FIG. 7B shows a plan view. A fuel electrode 72 and an oxidant electrode 73 are formed on both surfaces of the electrolyte membrane 71 as shown in the figure. A fuel channel 74 for supplying hydrogen to the fuel electrode in contact with the fuel electrode and an oxidant channel 75 for supplying oxygen to the oxidant electrode in contact with the oxidant electrode are formed. On the substrate on which the fuel flow path and the oxidant flow path are formed, an extraction electrode 76 is provided in the shape shown in the figure. Pipes for introducing hydrogen and oxygen are connected to the inlet 77 of the fuel channel and the inlet 78 of the oxidant channel.

図8に電解質電極接合体の製造方法を示す。電解質膜はパーフルオロスルホン酸基ポリマーを用い、触媒は白金をカーボンに担持したものを用いる。カーボンペーパ81の表面にイオン交換樹脂溶液と触媒を混合した溶液を塗布し乾燥する(図8(a))。触媒層82の形成されたカーボンペーパを所望の形状に切り出し電解質膜83の両面に配置してプレス装置で圧着する(図8(b))。以上により同一平面上に3つの電解質電極接合体が形成される(図8(c))。   FIG. 8 shows a method for producing an electrolyte electrode assembly. The electrolyte membrane uses a perfluorosulfonic acid group polymer, and the catalyst uses platinum supported on carbon. A solution in which an ion exchange resin solution and a catalyst are mixed is applied to the surface of the carbon paper 81 and dried (FIG. 8A). The carbon paper on which the catalyst layer 82 is formed is cut out into a desired shape, arranged on both surfaces of the electrolyte membrane 83, and pressure-bonded with a press device (FIG. 8B). Thus, three electrolyte electrode assemblies are formed on the same plane (FIG. 8C).

図9に流路基板の製造方法を示す。ガラス基板91上にマスク用にアモルファスシリコンをCVD法により成膜し、プラズマエッチングによってパターニング92する(図9(a))。ウェットエッチングによってガラス基板に流路93を形成し、マスクを除去する(図9(b))。取り出し電極用パターンのマスクを設け、流路を含むガラス基板上に金94をスパッタ成膜する(図9(c))。   FIG. 9 shows a manufacturing method of the flow path substrate. Amorphous silicon is formed on the glass substrate 91 as a mask by a CVD method and patterned 92 by plasma etching (FIG. 9A). A channel 93 is formed in the glass substrate by wet etching, and the mask is removed (FIG. 9B). A lead electrode pattern mask is provided, and gold 94 is sputter-deposited on the glass substrate including the flow path (FIG. 9C).

電解質電極接合体の両側に、燃料用の流路板と酸化剤用の流路板を流路が形成された面を電解質電極接合体に対向して配置し、不図示の支持板により3者を圧着する。この時、取り出し電極に配線を設け燃料電池セルから電気取り出しを可能とする。また燃料流路の入り口と酸化剤流路の入り口に配管を設け水素或いは酸素を燃料電池セルに供給可能とする。以上により3つの燃料電池セル65、66、67が同一平面状に配置された平面型燃料電池スタックが構成される。   On both sides of the electrolyte electrode assembly, a fuel flow channel plate and an oxidant flow channel plate are arranged so that the surfaces on which the flow channels are formed are opposed to the electrolyte electrode assembly, and three members are attached by a support plate (not shown). Crimp the. At this time, the extraction electrode is provided with a wiring to enable electric extraction from the fuel cell. In addition, piping is provided at the inlet of the fuel channel and the inlet of the oxidant channel so that hydrogen or oxygen can be supplied to the fuel cell. Thus, a planar fuel cell stack in which the three fuel cells 65, 66, 67 are arranged in the same plane is configured.

燃料電池スタック内の燃料電池セル65、66、67それぞれの電流電圧曲線を図10に示す。短絡電流は、65>66>67の順になる。このように燃料電池セル間で異なる特性となる原因は明らかではないが、酸素或いは水素の下流の燃料電池セルにおいて短絡電流が低下し、圧力損失・反応物の枯渇・水分管理の問題等が考えられる。   FIG. 10 shows current-voltage curves of the fuel cells 65, 66, and 67 in the fuel cell stack. The short-circuit current is in the order of 65> 66> 67. The cause of the different characteristics among the fuel cells is not clear, but the short circuit current decreases in the fuel cells downstream of oxygen or hydrogen, and there are problems such as pressure loss, reactant depletion, and moisture management. It is done.

このため、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうち、燃料流路の上流側に位置する、少なくとも1つの燃料電池セルに制御手段を電気的に並列に接続するとよい。また、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうち、酸化剤流路の上流側に位置する、少なくとも1つの燃料電池セルに制御手段を電気的に並列に接続するとよい。   For this reason, it is preferable that the control means is electrically connected in parallel to at least one fuel cell located upstream of the fuel flow path among the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack. Moreover, it is preferable that the control means is electrically connected in parallel to at least one fuel cell located upstream of the oxidant flow path among the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack.

燃料電池スタックの3つの燃料電池セル65、66、67は配線により直列に接続され電気機器に電力を供給する。燃料電池装置は、燃料電池セルを直列に接続するため高い出力電圧を電気機器に供給可能である。燃料電池装置は燃料電池セル67の短絡電流を超えることのない範囲で電気機器64に電力を供給可能である。さらに、燃料電池セル65、66のみ制御手段と並列に接続する。これにより燃料電池セル65、66から供給された電力によって、制御手段が燃料および酸化剤の供給を制御し、燃料電池装置の発電は安定して行われる。以上のように本実施例の燃料電池装置において、発電密度の高い燃料電池装置が提供可能である。   The three fuel cells 65, 66, and 67 of the fuel cell stack are connected in series by wiring and supply electric power to the electrical equipment. Since the fuel cell device connects the fuel cells in series, a high output voltage can be supplied to the electric device. The fuel cell device can supply electric power to the electric device 64 within a range that does not exceed the short-circuit current of the fuel cell 67. Furthermore, only the fuel cells 65 and 66 are connected in parallel with the control means. Thereby, the control means controls the supply of the fuel and the oxidant by the electric power supplied from the fuel cells 65 and 66, and the power generation of the fuel cell device is stably performed. As described above, the fuel cell device of this embodiment can provide a fuel cell device with high power generation density.

本発明の燃料電池装置は、セルを直列に接続することによって大きな起電力を得ると同時に、各々の燃料電池セルの発電特性を十分に利用でき発電密度の高いので、小型電気機器用の電源等に利用することができる。   The fuel cell device of the present invention obtains a large electromotive force by connecting cells in series, and at the same time, can sufficiently utilize the power generation characteristics of each fuel cell, and has a high power generation density. Can be used.

本発明における燃料電池装置の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the fuel cell apparatus in this invention. 実施例1における燃料電池装置の構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell device in Embodiment 1. FIG. 実施例1における燃料電池装置によって駆動される電気機器の模式図である。1 is a schematic diagram of an electric device driven by a fuel cell device in Example 1. FIG. 実施例1における燃料電池装置に用いた燃料電池スタックの模式図である。1 is a schematic diagram of a fuel cell stack used in a fuel cell device in Example 1. FIG. 実施例1における燃料電池装置および燃料電池セルの電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the fuel battery | cell apparatus in Example 1, and a fuel battery cell. 実施例2における燃料電池装置の構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel cell device in Example 2. 実施例2における燃料電池装置に用いた燃料電池スタックの模式図である。4 is a schematic diagram of a fuel cell stack used in a fuel cell device in Example 2. FIG. 実施例2における燃料電池装置に用いた燃料電池スタックの模式図である。4 is a schematic diagram of a fuel cell stack used in a fuel cell device in Example 2. FIG. 実施例2における電解質電極接合体の製造方法を示す図である。6 is a diagram showing a method for producing an electrolyte electrode assembly in Example 2. FIG. 実施例2における流路の製造方法を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a flow path manufacturing method in Example 2. 実施例2における燃料電池セルの電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current voltage characteristic of the fuel battery cell in Example 2. FIG. 燃料電池セルの電流電圧特性を説明する図である。It is a figure explaining the current voltage characteristic of a fuel cell. 従来の燃料電池装置の構成図である。It is a block diagram of the conventional fuel cell apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

11 燃料電池装置
12 燃料電池スタック
13 制御手段
14 電気機器
21 燃料電池装置
22 燃料電池スタック
23 制御手段
24 電気機器
25、26、27 燃料電池セル
28 燃料電池装置の電流電圧曲線
31 電気機器
32 燃料電池スタックの配置位置
33 通気孔
41 電解質膜
42 燃料極
43 酸化剤極
44 電解質電極接合体
45 導電性セパレータ
46 酸化剤流路
47 燃料流路
62 燃料電池スタック
63 制御手段
64 電気機器
65、66、67 燃料電池セル
71 電解質膜
72 燃料極
73 酸化剤極
74 燃料流路
75 酸化剤流路
76 取り出し電極
77 燃料流路の入り口
78 酸化剤流路の入り口
81 カーボンペーパ
82 触媒層
83 電解質膜
91 ガラス基板
92 マスク用パターニング
93 流路
94 取り出し電極
121 燃料電池装置
122 燃料電池スタック
123 制御手段
124 電気機器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Fuel cell apparatus 12 Fuel cell stack 13 Control means 14 Electrical equipment 21 Fuel cell apparatus 22 Fuel cell stack 23 Control means 24 Electrical equipment 25, 26, 27 Fuel cell 28 Current voltage curve of fuel cell apparatus 31 Electrical equipment 32 Fuel cell Stack Arrangement Position 33 Air Vent 41 Electrolyte Membrane 42 Fuel Electrode 43 Oxidant Electrode 44 Electrolyte Electrode Assembly 45 Conductive Separator 46 Oxidant Channel 47 Fuel Channel 62 Fuel Cell Stack 63 Control Unit 64 Electric Equipment 65, 66, 67 Fuel cell 71 Electrolyte membrane 72 Fuel electrode 73 Oxidant electrode 74 Fuel channel 75 Oxidant channel 76 Extraction electrode 77 Fuel channel inlet 78 Oxidant channel inlet 81 Carbon paper 82 Catalyst layer 83 Electrolyte membrane 91 Glass substrate 92 Mask patterning 93 Flow path 94 Removal And the electrode 121 a fuel cell device 122 fuel cell stack 123 the control means 124 electrical equipment

Claims (3)

複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて動作し、該燃料電池スタックの動作状態を制御する制御手段とを備えており、該制御手段は、前記燃料電池スタックを構成する一部の燃料電池セルのみと電気的に並列に接続されており、前記燃料電池スタックを構成する他の部分の燃料電池セルと電気的に並列に接続されておらず、前記制御手段と電気的に並列に接続されている前記一部の燃料電池セルの短絡電流は、前記燃料電池スタックを構成する、該制御手段と電気的に並列に接続されていない、前記他の部分の燃料電池セルの短絡電流よりも大きいことを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell stack configured by electrically connecting a plurality of fuel cells in series, and a control that operates using part of the power output from the fuel cell stack and controls the operating state of the fuel cell stack And the control means is electrically connected in parallel with only a part of the fuel cells constituting the fuel cell stack, and the other part of the fuel cell constituting the fuel cell stack. not connected to the cell electrically in parallel, the short-circuit current of the control means and electrically to said portion being connected in parallel fuel cell, the fuel cell stack, and control means A fuel cell device, wherein the fuel cell device is larger than a short-circuit current of the other portion of the fuel cells that are not electrically connected in parallel. 複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて動作し、該燃料電池スタックの動作状態を制御する制御手段と、酸化剤を前記複数の燃料電池セルに供給するための酸化剤流路と、燃料を前記複数の燃料電池セルに供給するための燃料流路とを備えており、該制御手段は、前記燃料電池スタックを構成する前記複数の燃料電池セルのうち、前記酸化剤流路の最も上流に位置する燃料電池セルを含む一部の燃料電池セルのみと電気的に並列に接続されており、前記燃料電池スタックを構成する他の部分の燃料電池セルと電気的に並列に接続されていないことを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell stack configured by electrically connecting a plurality of fuel cells in series, and a control that operates using part of the power output from the fuel cell stack and controls the operating state of the fuel cell stack means comprises an oxidant flow channel for supplying an oxidant to the plurality of fuel cells, a fuel passage for supplying fuel to the plurality of fuel cells, control means, Of the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack, only a part of the fuel cells including the fuel cell located upstream of the oxidant flow path is electrically connected in parallel. A fuel cell device, wherein the fuel cell device is not electrically connected in parallel with fuel cells of other parts constituting the fuel cell stack . 複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックが出力する電力の一部を用いて動作し、該燃料電池スタックの動作状態を制御する制御手段と、酸化剤を前記複数の燃料電池に供給するための酸化剤流路と、燃料を前記複数の燃料電池に供給するための燃料流路とを備えており、該制御手段は、前記燃料電池スタックを構成する前記複数の燃料電池セルのうち、前記燃料流路の最も上流に位置する燃料電池セルを含む一部の燃料電池セルのみと電気的に並列に接続されており、前記燃料電池スタックを構成する他の部分の燃料電池セルと電気的に並列に接続されていないことを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell stack configured by electrically connecting a plurality of fuel cells in series, and a control that operates using part of the power output from the fuel cell stack and controls the operating state of the fuel cell stack Means, an oxidant flow path for supplying oxidant to the plurality of fuel cells, and a fuel flow path for supplying fuel to the plurality of fuel cells, the control means comprising the fuel Of the plurality of fuel cells constituting the battery stack, the fuel cell is electrically connected in parallel with only some of the fuel cells including the fuel cell located at the most upstream of the fuel flow path. A fuel cell device, wherein the fuel cell device is not electrically connected in parallel with fuel cells of other parts constituting the stack .
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