JP5723175B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
図1から図4に基づいて本発明の実施の形態1における燃料電池1の実施例を説明する。
触媒上で発生したプロトンは固体高分子電解質膜21中を移動して酸化剤極22側の触媒層221へと運搬される。また電子は触媒層よりも導電性の高いガス拡散層232中を移動して図示していない外部回路へと移動する。外部回路の先には燃料電池1で発電した電力により駆動する電子機器が接続されており、さらに電子機器の先には酸化剤極22側のガス拡散層222と接続される。
このような電気化学反応を経て燃料電池1は電力を発生し電子機器を駆動する事ができる。なお触媒の例を上に挙げたが、発電部2の発電反応においてプロトンを生成できるものであれば触媒の種類はこれには限らない。またガス拡散層222・232は触媒層221・231と比較すると電気抵抗は低いが、金属やカーボンに比べると電気抵抗は高い為に、固体高分子電解質膜21の面積が広い場合には外部回路へと移動する間に抵抗成分が加わり電圧が低下してしまう。このような電圧低下を改善する為に、ガス拡散層222・232の触媒層221・231と接する面と反対側の面に接するようにガス拡散層222・232よりも導電性の高いカーボン樹脂や金属で形成された電極板を設けても良い。
燃料制御機構33は、酸化剤極22と燃料極23との間の電圧を検出する手段を備えており、発電部2の電圧が予め定められた所定圧以下となったときに燃料制御機構を通常運転状態から増加供給制御へと移行する。発電部2の動作電圧は使用機器の要求する電力の大きさによって変化するが、通常運転時には0.7V付近の電圧値で動作させる事が望ましい。そして通常運転を持続して行い、不純物が燃料極23を覆う事による拡散過電圧の増大により電圧値が第1所定値まで低下したときには、燃料制御機構33はその電圧情報を受けて燃料極部26に水が溜まったと判定し、通常運転の制御から増加供給制御へと移行する。また本発明において電圧値の第1所定値とは0V以上であればいかなる値に設定しても良いが固体高分子電解質膜21と触媒層221・231を含む膜電極接合体の劣化を防ぐという観点から0.2V以上に設定する事が望ましい。
≪制御パターン2≫
燃料制御機構33は、発電部2の発電状態の電流値を検出する手段を備えており、発電部2の電流が予め定められた所定値以上となったときに燃料制御機構33を通常運転の制御から増加供給制御へと移行する。発電部2の通常発電時の電流は固体高分子電解質膜21と酸化剤極22と燃料極23によって決定される発電有効面積の大きさによるため、一概にその大きさを述べる事はできないが、制御パターン1に示すように通常運転時に0.7V付近の電圧値に対応する電流値である事が望ましい。また増加供給制御を終了するタイミングも制御パターン1と同様に、少なくとも復帰動作後に電圧が回復した時に、その電圧に対応する値まで電流値が低下していれば、通常運転時の電流よりも低くても良い。
≪制御パターン3≫
燃料制御機構33は、発電部2の発電時間を検出する手段を備えており、発電部2の発電時間が予め定められた所定時間を経過した時に燃料制御機構33を通常運転の制御から増加供給制御へと移行する。発電を行う環境温度及び湿度によって変化するが、使用する電子機器での要求電力が一定である場合、時間の経過と共にどれだけの不純物が燃料極23の表面を覆ってしまったかを予測する事ができる。その為予め燃料極部26に不純物が溜まり復帰動作が必要になる時間を設定しておき、その燃料制御機構33において発電部2の発電時間情報を受けて燃料極部23の表面を不純物が覆ったことを判定し通常運転から増加供給制御への移行を行う。また増加供給制御を終了する際には、増加供給制御を開始してからの時間を検出し、不純物を除去するのに十分な時間が経過した事を検出した段階で増加供給制御の終了を実行する。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2における発電部2を動作したときの発電部2の電圧と燃料の圧力の遷移図を図5に示す。なお、本実施の形態1と同一の部分については同一の符号を付し、同様な構成、動作については説明を省略する。以下図5を用いて本実施の形態2について説明する。
≪制御パターン4≫
燃料制御機構33は、酸化剤極22と燃料極23との間の電圧を検出する手段を備えており、発電部2の電圧が予め定められた所定圧以下となったときに燃料制御機構33を通常運転状態から減少供給制御へと移行する。発電部2の動作電圧は使用機器の要求する電力の大きさによって変化するが、通常運転時には0.7V付近の電圧値で動作させる事が望ましい。そして通常運転を持続して行い、不純物が燃料極23を覆う事による拡散過電圧の増大により電圧値が第2所定値まで低下したときには、燃料制御機構33はその電圧情報を受けて燃料極部26に水が溜まったと判定し、通常運転の制御から減少供給制御へと移行する。その後、減少供給制御から増加供給制御へ移行する際には、第1所定値まで電圧が低下した時に行うのが好ましい。第2所定値は第1所定値以下あれば良いが、固体高分子電解質膜21の保護の観点から0.2V以上で設定する事が好ましい。その為第2所定圧は通常運転における電圧よりも低く、第1所定圧よりも高い値で設定される。
燃料制御機構33は、発電部2の発電状態の電流値を検出する手段を備えており、発電部2の電流が予め定められた所定値以上となったときに燃料制御機構33を通常運転の制御から減少制御へと移行する。発電部2の通常発電時の電流は固体高分子電解質膜21と酸化剤極22と燃料極23によって決定される発電有効面積の大きさによるため、一概にその大きさを述べる事はできないが、制御パターン4に示すように通常運転時に0.7V付近の電圧値に対応する電流値である事が望ましい。通常運転を持続して行い、不純物が燃料極23を覆う事による拡散過電圧の増大によって電圧値が低下する。電力は電圧と電流の積で与えられる事から、使用機器の要求電力が一定であるとした場合に上述の電圧低下が生じた時にはそれに伴って電流値が増大する。制御パターン4と同様第2所定値に対応する電流値になったときに通常運転から減少供給制御への移行、第1所定値に対応する電流値になったときに減少供給制御を終了し、増加供給制御へと移行する。
≪制御パターン6≫
燃料制御機構33は、発電部2の発電時間を検出する手段を備えており、発電部2の発電時間が予め定められた所定時間を経過した時に燃料制御機構33を通常運転の制御から減少制御へと移行する。予め燃料極部26に不純物が溜まり復帰動作が必要になる時間を設定しておき、その燃料制御機構33において発電部2の発電時間情報を受けて燃料極部23の表面を不純物が覆ったことを判定し通常運転から減少供給制御への移行を行う。減少供給制御から増加供給制御への切替は、膜電極接合体の劣化を防ぐ為に発電に必要な燃料の圧力が燃料極に残っている間に行う事が好ましい。減少供給制御における燃料の発生量がわかっている為に、減少供給制御に移行してからの時間と、発電における燃料の使用量と、燃料極部26の内部容積から、燃料極部26の内部の燃料残量を計算できる。そこで減少供給制御で燃料極26の内部の燃料を消費しきる前に増加供給制御へと移行を行う。
なお制御パターン1から3と同様に制御状態の切替はそれぞれ異なるトリガーにより行なわれても良い。
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3における燃料電池1の概略構成図を図6に示す。なお、本実施の形態1または2と同一の部分については同一の符号を付し、同様な構成、動作については説明を省略する。以下図6を用いて本実施の形態4について説明する。
(実施の形態4)
本発明の実施の形態4における燃料電池1の概略図を図7に示す。なお、本実施の形態1から3と同一の部分については同一の符号を付し、同様な構成、動作については説明を省略する。以下図7を用いて本実施の形態4について説明する。
(実施の形態5)
本発明の実施の形態5における発電部2の燃料極部26の拡大断面図を図8に示す。なお、本実施の形態1から4と同一の部分については同一の符号を付し、同様な構成、動作については説明を省略する。以下図8を用いて本実施の形態5について説明する。
(実施の形態6)
本発明の実施の形態6における発電部2の燃料極部26の分解斜視図を図10に示す。なお、本実施の形態1から5と同一の部分については同一の符号を付し、同様な構成、動作については説明を省略する。以下図10を用いて本実施の形態6について説明する。
2 発電部
3 燃料供給源
4 排出部
21 固体高分子電解質膜
22 酸化剤極
23 燃料極
24 外壁
25 燃料供給空間
26 燃料極部
31 反応部
32 燃料前駆体
33 燃料制御機構
34 供給路
35 燃料弁
36 信号線
41 排出弁
42 排出路
221 触媒層(酸化剤極)
222 ガス拡散層(酸化剤極)
231 触媒層(燃料極)
232 ガス拡散層(燃料極)
251 分配空間
252 基面
253 供給口
254 排出口
261 燃料流路
262 隔壁
Claims (13)
- 燃料が供給される燃料極と酸化剤が供給される酸化剤極と前記燃料極及び前記酸化剤極に挟持された固体高分子電解質膜を備える発電部と、
前記発電部に、前記燃料極の前記電解質膜が配置された面に対向するように設けられ燃料が供給される燃料供給空間を有する燃料極部と、
複数の燃料前駆体を接触させ化学反応を行うことによって前記燃料を発生させ、前記燃料極部に対して前記燃料を供給する燃料供給源とを有し、
前記燃料供給源は、
複数の燃料前駆体をそれぞれ貯蔵する複数の貯蔵部と、
前記複数の燃料前駆体のうち、少なくともいずれかの前記貯蔵部に貯蔵された前記燃料前駆体を他方の前記貯蔵部へ移動させる燃料制御機構とを有し、
前記燃料制御機構は、前記燃料と前記酸化剤との反応により前記燃料極に蓄積する不純物に関する物理量に基づいて前記燃料前駆体の移動を制御する供給制御を行い、
前記不純物の少なくとも一部は、前記供給制御によって発生した前記燃料の圧力で除去されるものであることを特徴とする燃料電池。 - 前記燃料制御機構は、前記不純物に関する物理量を検出する物理量検出部を備え、
前記物理量検出部が、前記不純物が前記燃料極に所定量以上蓄積した事を示す前記物理量を検出したときに前記燃料前駆体の移動を通常運転時よりも増加させる増加供給制御を行う事を特徴とする請求項1に記載の燃料電池。 - 前記燃料制御機構は、前記不純物に関する物理量を検出する物理量検出部を備え、
前記物理量検出部が、前記不純物が前記燃料極に所定量以上蓄積した事を示す前記物理量を検出したときに前記燃料前駆体の移動を減少させる減少供給制御と、前記減少供給制御の後に前記燃料前駆体の移動を増加させる増加供給制御とを行う事を特徴とする請求項2に記載の燃料電池。 - 前記燃料供給源と前記発電部との間には、前記燃料を前記燃料極部に供給する開状態と、前記燃料を前記燃料極部に供給しない閉状態とのどちらかを維持する燃料弁を備え、
前記燃料弁は、減少供給制御を行っているときに、前記閉状態となることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。 - 前記燃料極部は、前記燃料極部の内部の不純物を排出する排出部と連結することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記燃料極部と前記排出部とは着脱可能であり、
前記燃料極部と前記排出部との間には、前記燃料極部の内部の不純物を前記排出部に排出する開状態と、前記燃料極部の内部の不純物を前記排出部に排出しない閉状態とのどちらかを維持する排出弁を備え、
前記排出弁は、前記燃料極部に備えられている事を特徴とする請求項5に記載の燃料電池。 - 前記燃料極部は、前記燃料が前記燃料極の面方向に対して垂直方向に供給される燃料流路を備えることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記燃料流路は、前記燃料が前記燃料極の面方向に拡散する拡散部を備えることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池。
- 前記燃料供給空間は、前記燃料極に対して設けられた溝であることを特徴とする請求項5または6に記載の燃料電池。
- 前記物理量は、前記発電部の電圧値であり、前記物理量検出部は前記電圧値が所定値以下となる状態を検出することを特徴とする請求項2から9のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記物理量は、前記発電部の電流値であり、前記物理量検出部は前記電流値が所定値以上となる状態を検出することを特徴とする請求項2から9のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記物理量は、前記燃料電池が発電を開始してからの時間であり、前記物理量検出部は前記時間が所定時間を経過した状態を検出することを特徴とする請求項2から9のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記貯蔵部と前記排出部とは、前記発電部から着脱可能なカートリッジ構造である事を特徴とする請求項4から12のいずれかに記載の燃料電池。
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