JP5289685B2

JP5289685B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5289685B2
Application number: JP2006120713A
Authority: JP
Inventors: 一也秋山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2026-04-25
Also published as: JP2007294232A

Description

この発明は、水素吸蔵合金に吸蔵された水素によって燃料電池セルの発電を行う燃料電池システムに関する。

従来より、水素吸蔵合金に吸蔵された水素によって燃料電池セルの発電を行う燃料電池システムが知られている。そして、携帯電話などの携帯用電子機器に採用されているリチウムイオン電池のエネルギー密度の向上が限界に近いこともあり、このような燃料電池システムをリチウムイオン電池の代わりに使用することを目的として、燃料電池システムの小型化が進んでいる。

例えば、特許文献１（特開２００４−２４１２６０号公報）では、一枚の燃料電池セルを用いた簡単な構造で構成される小型の燃料電池システムが開示されている。

図６を用いて、具体的に説明すると、燃料電池システム６０は、水素極とＭＥＡ（メンブレン・エレクトロード・アセンブリティ）と空気極とから構成される燃料電池セル６１と、水素吸蔵合金を収納する水素吸蔵合金タンク６２と、燃料電池セル６１に供給される水素の圧力を調節するレギュレータ６３とがＬ字型に接続されて構成される。このような構成のもと、燃料電池システム６０は、水素吸蔵合金から放出された水素をレギュレータ６３を介して、ＭＥＡに供給することで発電を行う。

そして、このような一枚の燃料電池セルによる発電電圧は最大１．２Ｖ（通常１．０Ｖ）であるが、リチウムイオン電池の発電電圧が３．６Ｖであることから、この燃料電池システムをリチウムイオン電池の代わりに利用しようとすると、発電電圧を３．６Ｖまで昇圧させる必要がある。

特開２００４−２４１２６０号公報

しかしながら、上記した従来の技術では、通常１．０Ｖの電圧を３．６Ｖまで昇圧させることは非常に困難であり、たとえ昇圧できたとしても変換効率が大幅に低下し、電圧を変換するためのコンバータが非常に大きくなる結果、高い発電電圧が得られつつ、燃料電池システムを小型化することが困難であるという課題があった。

そこで、この発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、高い発電電圧が得られつつ、小型化することが可能である燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、水素吸蔵合金に吸蔵された水素によって燃料電池セルの発電を行う燃料電池システムであって、複数の燃料電池セルを直列接続した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの底面と略同一形状の底面を有し、前記水素吸蔵合金を収納する水素吸蔵合金タンクと、前記燃料電池スタックの底面と略同一形状の底面を両側に有し、前記水素吸蔵合金タンクから前記燃料電池スタックに供給される水素の圧力を調節するレギュレータとを備え、前記燃料電池スタックの底面と前記レギュレータの第１の底面とが相互に接し、かつ前記レギュレータの第２の底面と前記水素吸蔵合金タンクの底面とが相互に接するように直列に配置されたことを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記レギュレータの第２の底面と前記水素吸蔵合金タンクの底面との間に、熱導電性の高い材質からなるシートを挿入したことを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記水素吸蔵合金タンクを格納する格納手段と、前記水素吸蔵合金タンクにおける前記レギュレータの第２の底面と接する底面の反対側にて、前記格納手段と着脱可能に嵌合される嵌合手段とをさらに備え、前記嵌合手段は、前記水素吸蔵合金タンクにおける前記レギュレータの第２の底面と接する底面の反対側の面と接する面にバネを備えたことを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記燃料電池スタックは、前記格納手段に格納された前記水素吸蔵合金タンク、および前記レギュレータと、同一軸上に直列に配置されたことを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記水素吸蔵合金タンクは、前記燃料電池システムに装着されることで前記水素吸蔵合金から水素を放出するオスまたはメスのバルブを備えたことを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記バルブおよび前記バネは、金属で構成されることを特徴とする。

本発明によれば、複数の燃料電池セルを直列接続した燃料電池スタックを備えるので、電圧変換効率が低下することなく、電圧を変換するためのコンバータを大きくする必要がない結果、高い発電電圧が得られつつ、小型化することが可能である。

また、本発明によれば、燃料電池スタックは、水素吸蔵合金を収納する水素吸蔵合金タンクと、水素吸蔵合金タンクから燃料電池スタックに供給される水素の圧力を調節するレギュレータと、同一軸上に直列に配置されるので、燃料電池スタックから発生する熱が水素吸蔵合金タンクに供給され、水素吸蔵合金タンクから水素を容易に放出することができる結果、大きな発電電流を得ることが可能である。

また、本発明によれば、水素吸蔵合金タンクを格納し、同一軸上に直列に配置される格納手段をさらに備えるので、例えば、水素吸蔵合金タンクをケーシングした場合、ケーシング自体を電極として使用することが可能であるとともに、配線による電圧ロスを防止することが可能である。

また、本発明によれば、水素吸蔵合金タンクは、燃料電池システムに装着されることで水素吸蔵合金から水素を放出するオスまたはメスのバルブを備えるので、例えば、水素吸蔵合金タンクにメスのバルブが備えられている場合、水素吸蔵合金タンクのメスバルブが圧入されることによってのみ、水素吸蔵合金から水素を放出することが可能である結果、水素の無駄な放出を防止することが可能になる。

また、本発明によれば、格納手段は、水素吸蔵合金タンクのバルブが備え付けられている面の反対側の面と接する面にバネを備えるとともに、格納手段と着脱可能に嵌合される嵌合手段をさらに備えるので、例えば、水素吸蔵合金タンクにメスのバルブが備えられている場合、反対側に付けられたバネで水素吸蔵合金タンクを押さえ上げることができる結果、容易にメスバルブを圧入することが可能である。

また、本発明によれば、バルブおよびバネは、金属で構成されるので、余計な配線が不要となることから、配線による電圧ロスを防止することが可能であるとともに、これによって、発電電圧の向上を図ることも可能になる。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る燃料電池システムの実施例を詳細に説明する。

以下の実施例１では、本発明に係る燃料電池システムの概要および特徴、燃料電池システムの構成および処理の流れ、実施例１による効果等を順に説明する。

［燃料電池システムの概要および特徴］
まず最初に、図１を用いて、実施例１に係る燃料電池システムの概要および特徴を説明する。図１は、実施例１に係る燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、水素吸蔵合金に吸蔵された水素によって燃料電池セルの発電を行うことを概要とするものであり、特に、高い発電電圧が得られつつ、小型化することが可能であることを主たる特徴とする。すなわち、複数の燃料電池セルを直列接続した燃料スタック１１を備えることにより、電圧変換効率の低下を防止し、電圧を変換するためのコンバータ２０を小さくすることができる結果、高い発電電圧が得られつつ、小型化することが可能である。

また、複数の燃料電池セルを直列接続した燃料スタック１１と、当該燃料スタック１１に供給する水素吸蔵合金を収納する水素吸蔵合金タンク１９を格納するケーシング１７と、当該水素吸蔵合金タンク１９から当該燃料電池スタック１１に供給される水素の圧力を調節するレギュレータ１６とを、同一軸上に直列に配置させたことにより（図２参照）、燃料電池スタック１１から発生する熱が水素吸蔵合金タンク１９に供給され、水素吸蔵合金タンク１９から水素を容易に放出することができる結果、さらに、高い発電電圧が得られつつ、小型化することが可能である。

［燃料電池システムの構成］
続いて、図１〜図３を用いて、実施例１に係る燃料電池システム１０の構成を説明する。図１は、実施例１に係る燃料電池システム１０の構成を示すシステム構成図であり、図２は、実施例１に係る燃料電池システム１０の燃料電池スタック１１を詳細に示した詳細図であり、図３は、実施例１に係る燃料電池システム１０の断面を示す断面図である。

図１に示すように、実施例１に係る燃料電池システム１０は、複数枚の燃料電池セル１５を直列接続にした燃料電池スタック１１と、水素吸蔵合金タンク１９から燃料電池スタック１１に供給される水素の圧力を調節するレギュレータ１６と、燃料電池スタック１１に供給する水素吸蔵合金を収納する水素吸蔵合金タンク１９を格納したケーシング１７とを同一軸上（図１において点線Ａ−Ａで示した軸上）に直列に（リニアに）配置されて構成される。そして、燃料電池システム１０により発電された電圧は、コンバータ２０によって所望の電圧に変換される。

また、図２は、燃料電池スタック１１を詳細に示した図であるが、同図に示すように、燃料電池スタック１１は、空気極１２と燃料極１３と膜電極接合体（ＭＥＡ）１４から構成される燃料電池セル１５を直列に接続して構成される。また、燃料電池システム１０の発電に必要な酸素、つまり、水素吸蔵合金タンク１９および空気極１２に送る酸素は、ブロアなどを用いたものではなく自然対流によって供給される。具体的には、燃料電池スタック１１の側面より発泡金属やカーボン繊維などを介して取り入れられる。

なお、空気極１２および燃料極１３は、熱伝導性および電気伝導性が高い材質が好ましいことから、銅やステンレス鋼、アルミニウムなどが望ましいが、腐食防止のためには、耐食性が高い物質をコーティングすることが必要であり、例えば、コーティング材料としては、金メッキなどが有効である。

また、図３に示す断面図は、図１に示した「点線Ａ−Ａ」に対応するものであるが、同図に示すように、水素吸蔵合金タンク１９のメスバルブ２４が備え付けられた面、つまり、オスバルブ２３が備え付けられたレギュレータ１６の反対側に着脱可能で備え付けられている底蓋１８が外された状態である。そして、底蓋１８とケーシング１７の側面には、ねじ山が設けられており、底蓋１８はバネ２１を備えている。そのため、底蓋１８をケーシング１７に容易にはめ込むことができる。そして、底蓋１８をケーシング１７にはめ込むことで、水素吸蔵合金タンク１９のメスバルブ２４が、レギュレータ１６に備えられたオスバルブ２３に圧入される。その結果、水素吸蔵合金の水素が燃料電池スタック１１に放出される。

ここで、同図に示すように、水素吸蔵合金タンク１９とレギュレータ１６との間に、熱導電性の良好なシート２２を挿入しておくことで、燃料電池スタック１１から発生した熱をレギュレータ１６を介して水素吸蔵合金タンク１９へ伝えることが可能になり、水素吸蔵合金タンク１９から水素放出が容易になる。さらに、オスバルブ２３とメスバルブ２４とバネ２１とを金属製（例えば、銅やステンレス鋼、アルミニウムなど）にすることより、ケーシング１７および底蓋１８を電極として使用することができ、余計な配線が不要となることから、配線による電圧ロスを防止することが可能である。

なお、水素吸蔵合金タンク１９の材質としては、強度、価格、加工のしやすさ、さらには良好な熱伝導性および電気伝導性を持つことから、ステンレス鋼、アルミニウムなどが望ましい。そして、使用できる水素の量が限られていることや安全性の問題から、未反応の水素が外部に放出しないデットエンド形にすることが望ましい。また、実施例１に係る燃料電池システム１０を円筒型に構成することで（図１参照）、市販されている円筒型の乾電池や二次電池と置き換えが可能である。

［実施例１による効果］
このように、実施例１によれば、複数の燃料電池セル１５を直列接続した燃料電池スタック１１を備えるので、電圧変換効率が低下することなく、電圧を変換するためのコンバータ２０を大きくする必要がない結果、高い発電電圧が得られつつ、小型化することが可能である。

また、実施例１によれば、燃料電池スタック１１は、水素吸蔵合金を収納する水素吸蔵合金タンク１９と、水素吸蔵合金タンク１９から燃料電池スタック１１に供給される水素の圧力を調節するレギュレータ１６と、同一軸上に直列に配置されるので、燃料電池スタック１１から発生する熱が水素吸蔵合金タンク１９に供給され、水素吸蔵合金タンク１９から水素を容易に放出することができる結果、大きな発電電流を得ることが可能である。

また、実施例１によれば、水素吸蔵合金タンク１９を格納し、同一軸上に直列に配置されるケーシング１７をさらに備えるので、ケーシング１７を電極として使用することが可能であるとともに、配線による電圧ロスを防止することが可能である。

また、実施例１によれば、水素吸蔵合金タンク１９は、燃料電池システム１０に装着されることで水素吸蔵合金から水素を放出するメスバルブ２４を備えるので、水素吸蔵合金タンク１９のメスバルブ２４が圧入されることによってのみ、水素吸蔵合金から水素を放出することが可能である結果、水素の無駄な放出を防止することが可能になる。

また、実施例１によれば、ケーシング１７は、水素吸蔵合金タンク１９のメスバルブ２４が備え付けられている面の反対側の面と接する面にバネ２１を備えるとともに、ケーシング１７と着脱可能に嵌合される底蓋１８をさらに備えるので、反対側に付けられたバネ２１で水素吸蔵合金タンク１９を押さえ上げることができる結果、容易にメスバルブ２４を圧入することが可能である。

また、実施例１によれば、メスバルブ２４、オスバルブ２３およびバネ２１は、金属で構成されるので、余計な配線が不要となることから、配線による電圧ロスを防止することが可能であるとともに、これによって、発電電圧の向上を図ることも可能になる。

さて、これまで本発明の実施例について説明したが、本発明は上述した実施例以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下では実施例２として本発明に含まれる他の実施例を説明する。

（１）燃料電池システム１０の形状
例えば、実施例１では、本発明に係る燃料電池システムを円筒型に構成した場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、あらゆる形状に構成してもよい。例を挙げると、燃料電池システムを角柱型に構成してもよい。

これについて、図４および図５を用いて説明する。図４は、燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図であり、図５は、燃料電池システムの断面を示す断面図である。まず、図４に示したように、燃料電池システム１０は、複数枚の燃料電池セルを直列接続にした燃料電池スタック１１と、レギュレータ１６と、水素吸蔵合金タンク１９を格納したケーシング１７とを同一軸上に直列に（リニアに）配置して、角柱型に構成される。

また、図５に示す断面図は、図４に示した「点線Ｂ−Ｂ」に対応するものであるが、同図に示すように、水素吸蔵合金タンク１９のメスバルブ２４が備え付けられた面、つまり、オスバルブ２３が備え付けられたレギュレータ１６の反対側に着脱可能で備え付けられている底蓋１８が外された状態である。なお、各構成などは図２と同様であるので、ここではその詳細な説明を省略する。

このように、燃料電池システム１０を角柱型に構成することにより、市販されている角柱型の乾電池や二次電池と置き換えが可能である。

（２）燃料電池セルの数
また、実施例１では、燃料電池スタック１１が３枚の燃料電池セル１５で構成される場合を図示して説明したが（図１〜図３参照）、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池セル１５の枚数を変更してもよい。例えば、燃料電池スタック１１が５枚の燃料電池セル１５で構成されてもよく、燃料電池セル１５の枚数に限度は設けていない。

（３）燃料スタック１１、レギュレータ１６、ケーシング１７の配置
また、実施例１では、燃料スタック１１とレギュレータ１６とケーシング１７とを、この順番で同一軸上に直列に配置させた場合を説明したが（図１参照）、本発明はこれに限定されるものではなく、順番を変えて配置させてもよい。例えば、レギュレータ１６、燃料スタック１１、ケーシング１７の順に配置させてもよい。

（４）バルブ構成
また、実施例１では、水素吸蔵合金タンク１９にメスバルブ２４、レギュレータ１６にオスバルブ２３を備える場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、水素吸蔵合金タンク１９にオスバルブ、レギュレータ１６にメスバルブを備えるようにしてもよい。

以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、水素吸蔵合金に吸蔵された水素によって燃料電池セルの発電を行うに有用であり、特に、高い発電電圧が得られつつ、小型化することに適する。

実施例１に係る燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。実施例１に係る燃料電池システムの燃料電池スタックを詳細に示した詳細図である。実施例１に係る燃料電池システムの断面を示す断面図である。実施例２に係る燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。実施例２に係る燃料電池システムの断面を示す断面図である。従来技術を説明するための図である。

符号の説明

１０燃料電池システム
１１燃料電池スタック
１２空気極
１３燃料極
１４膜電極接合体（ＭＥＡ）
１５燃料電池セル
１６レギュレータ
１７ケーシング
１８底蓋
１９水素吸蔵合金タンク
２０コンバータ
２１バネ
２２シート
２３オスバルブ
２４メスバルブ
６０燃料電池システム
６１燃料電池セル
６２水素吸蔵合金タンク
６３レギュレータ

Claims

水素吸蔵合金に吸蔵された水素によって燃料電池セルの発電を行う燃料電池システムであって、
複数の燃料電池セルを直列接続した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの底面と略同一形状の底面を有し、前記水素吸蔵合金を収納する水素吸蔵合金タンクと、
前記燃料電池スタックの底面と略同一形状の底面を両側に有し、前記水素吸蔵合金タンクから前記燃料電池スタックに供給される水素の圧力を調節するレギュレータとを備え、前記燃料電池スタックの底面と前記レギュレータの第１の底面とが相互に接し、かつ前記レギュレータの第２の底面と前記水素吸蔵合金タンクの底面とが相互に接するように直列に配置され、前記レギュレータの第２の底面と前記水素吸蔵合金タンクの底面との間に、熱導電性の高い材質からなるシートを挿入したことを特徴とする燃料電池システム。
前記水素吸蔵合金タンクを格納する格納手段と、
前記水素吸蔵合金タンクにおける前記レギュレータの第２の底面と接する底面の反対側にて、前記格納手段と着脱可能に嵌合される嵌合手段とをさらに備え、
前記嵌合手段は、前記水素吸蔵合金タンクにおける前記レギュレータの第２の底面と接する底面の反対側の面と接する面にバネを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックは、前記格納手段に格納された前記水素吸蔵合金タンク、および前記レギュレータと、同一軸上に直列に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記水素吸蔵合金タンクは、前記燃料電池システムに装着されることで前記水素吸蔵合金から水素を放出するオスまたはメスのバルブを備えたことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
前記バルブおよび前記バネは、金属で構成されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。