JPH11191422A - 固体高分子形燃料電池装置 - Google Patents

固体高分子形燃料電池装置

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JPH11191422A
JPH11191422A JP9360504A JP36050497A JPH11191422A JP H11191422 A JPH11191422 A JP H11191422A JP 9360504 A JP9360504 A JP 9360504A JP 36050497 A JP36050497 A JP 36050497A JP H11191422 A JPH11191422 A JP H11191422A
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polymer electrolyte
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陽 濱田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低負荷時及び高負荷時の何れの場合でも、固
体高分子形燃料電池本体のアノード側気室から適正量の
燃料ガスを排出する。 【解決手段】 制御装置92はボンベ42から燃料電池
本体10へ水素ガスの供給を開始すると、制御装置92
は、燃料電池本体10の発生電流が所定のしきい値未満
の場合には、電磁開閉弁84を開にしてガス排出管76
における高負荷用ニードル弁82への流路を閉にし、ア
ノード側気室14の未反応ガスを低負荷用ニードル弁8
0のみを通して排出し、また燃料電池本体10の発生電
流が20A以上である場合には、電磁開閉弁84を開に
してガス排出管76における高負荷用ニードル弁82を
開にし、アノード側気室14の未反応ガスを低負荷用ニ
ードル弁80及び高負荷用ニードル弁82の双方を通し
て排出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、水素ガスを主成分とす
る燃料ガスが供給されて電力を発生する固体高分子形燃
料電池装置に関する。
【0002】
【従来の技術】固体高分子形燃料電池装置は、水素ガス
を主成分とする燃料ガスの供給により電力を発生するこ
とが可能になるため、蓄電池と比較して使用開始前の充
電を必要としない。このような利点により、今後、固体
高分子形燃料電池装置は屋外用や非常用の電源として需
要の増加が予測されている。
【0003】図3には上記のような固体高分子形燃料電
池装置に用いられる固体高分子形燃料電池本体の構成が
示されている。固体高分子形燃料電池本体(以下、燃料
電池本体という)10の内部には、電極接合体12を隔
壁とするアノード極側気室14及びカソード極側気室1
6が形成されている。電極接合体12は、図3に示され
るように電解質18の一方の面上にアノード極20が、
他方の面上にカソード極22がそれぞれ配置され、全体
として薄膜状に形成されている。アノード極20及びカ
ソード極22は、それぞれ白金等からなる触媒電極24
と、この触媒電極24上に積層された集電体26とによ
り構成され、これらのアノード極20及びカソード極2
2は外部回路28に接続されている。ここで、電解質1
8としては高分子イオン交換膜(例えば、スルホン酸基
を有するフッ素樹脂系イオン交換膜)を用いる。
【0004】上記のように構成された燃料電池本体10
のアノード極側気室14には、ボンベや改質器(図示省
略)等から燃料ガスとして高純度の水素ガスが供給され
ると共に、ポンプ等により水が供給され、カソード極側
気室16にはファン等により空気が供給される。アノー
ド極側気室14に供給された水素はアノード極20上で
イオン化され、この水素イオンは電解質18中を水分子
と共にH+ ・xH2 Oとしてカソード極22側へ移動す
る。このカソード極22側へ移動した水素イオンは、カ
ソード極22上で空気中の酸素及び外部回路24を流れ
てきた電子と反応して水を生成する。この水の生成反応
と共に、電子が外部回路28を流れることから、この電
子の流れを直流の電気エネルギーとして利用することが
可能になる。
【0005】上記したように燃料電池本体10のアノー
ド極側気室14に供給された水素ガスは外部回路28の
電力消費に応じて水素イオンとなって消費される。しか
しながら、工業用の水素ガスや改質器によりプロパンガ
ス等から生成された水素ガスには窒素、炭酸ガス等の不
純ガスが混入している。アノード極側気室14内では、
水素ガスのみが消費されることから、水素ガスの消費が
増加すると共に不純ガスが濃化する。アノード極側気室
14内に残留する不純ガスの濃度が高くなると、アノー
ド極20における水素ガスのイオン化が抑制されて燃料
電池本体10の最大出力が低下する。
【0006】従来の固体高分子形燃料電池装置には、ア
ノード極側気室14内の不純ガスの濃度が高くなること
を防止するため、装置作動時には常にアノード極側気室
14から不純ガスを含んだ少量の水素ガスを燃料電池本
体10の外部へ排出する構造のものがある。このような
固体高分子形燃料電池装置では、アノード極側気室14
にニードル弁等の流量調整弁を接続し、この流量調整弁
を介してアノード極側気室14から少量の水素ガスを燃
料電池本体10の外部へ排出する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような固体高分子形燃料電池装置では、外部回路の電力
消費が増加すると共に、燃料電池本体による水素ガスの
消費が増加する。このため、燃料電池本体への負荷が増
加すると共に不純ガスの濃化が促進されるので、高負荷
時には、低負荷時と比較してアノード極側気室から多量
の水素ガスを排出しなければ、燃料電池本体の性能を維
持することができない。そこで、従来の固体高分子形燃
料電池装置では、高負荷時に必要となる排出量の水素ガ
スが排出されるように流量調整弁の弁開度を設定してい
る。この結果、従来の固体高分子形燃料電池装置では、
低負荷時に高負荷時より不純ガスの濃度が低い水素ガス
がアノード極側気室から外部へ排出されてしまい、アノ
ード極側気室に供給された水素ガスが電力に変換される
比率(電力変換効率)が低下する。
【0008】本発明の目的は、上記の事実を考慮し、低
負荷時及び高負荷時の何れの場合でも、固体高分子形燃
料電池本体のアノード極側気室から適正量の燃料ガスが
排出され、あらゆる負荷においても電力変換効率の高い
固体高分子形燃料電池装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の固体高分
子形燃料電池装置は、電極接合体により隔てられたアノ
ード極側気室とカソード極側気室とが設けられ、前記ア
ノード極側気室に燃料ガスが供給される固体高分子形燃
料電池本体と、前記アノード極側気室へ供給され消費さ
れなかった燃料ガスを固体高分子形燃料電池本体の外部
へ排出するガス排出経路に配置された第1の流量調整手
段と、前記ガス排出経路に少なくとも1個以上配置さ
れ、前記第1の流量調整手段に対して並列に接続された
開閉可能な第2の流量調整手段と、前記固体高分子形燃
料電池本体への電力負荷を測定する負荷測定手段と、前
記負荷測定手段により測定された電力負荷に応じて前記
ガス排出経路からの燃料ガスの排出量が増減するように
前記第2の流量調整手段の開閉を制御する制御手段と、
を有するものである。
【0010】上記構成の固体高分子形燃料電池装置によ
れば、固体高分子形燃料電池本体による燃料ガスの消費
量が少ない低負荷時には、第1の流量調整手段により少
量の燃料ガスをアノード極側気室から排出させ、固体高
分子形燃料電池本体への電力負荷が高くなり燃料ガスの
消費量が増加すると共に、第2の流量調整手段によりア
ノード極側気室からの燃料ガスの排出量を増加できる。
これにより、固体高分子形燃料電池本体への電力負荷が
低い時でも、高い時でもアノード極側気室から適正量の
高濃度の不純ガスを含んだ燃料ガスを排出できるので、
アノード極側気室内の不純ガスの濃度が高くなって燃料
電池本体の出力が低下することを防止でき、かつ低負荷
時に燃料ガスの使用効率が低下することを防止できる。
【0011】ここで、ガス排出経路に複数の第2の流量
調整手段が配置されている場合には、固体高分子形燃料
電池本体への電力負荷の増減に応じて開とする第2の流
量調整手段の個数を増減させても、開とする第2の流量
調整手段を排出流量の設定が異なるものに切り替えるよ
うにしてもよい。また、固体高分子形燃料電池本体への
電力負荷の増減に応じて開とする第2の流量調整手段の
個数を増減させる制御と、開とする第2の流量調整手段
を排出流量の設定が異なるものに切り替える制御とを組
み合わせて行ってもよい。
【0012】請求項2記載の固体高分子形燃料電池装置
は、請求項1記載の固体高分子形燃料電池装置におい
て、前記第2の流量調整手段は、前記第1の流量調整手
段に対して並列に接続された流量調整弁及び、この流量
調整弁に対して直列に接続された電磁開閉弁を有するも
のである。
【0013】上記構成の固体高分子形燃料電池装置によ
れば、電磁開閉弁を励磁状態及び非励磁状態の何れかの
状態とすることにより、第2の流量調整手段が開閉され
てガス排出経路からの燃料ガスの排出量が増減する。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。
【0015】(実施形態の構成)図1及び図2に本発明
の実施形態に係る固体高分子形燃料電池装置30が示さ
れている。なお、図2に示されている燃料電池本体は、
図3に基づいて説明した燃料電池本体10と基本的構成
が共通しているので、対応する部材については同一符号
を付し、その構成及び動作についての詳細な説明を省略
する。この固体高分子形燃料電池装置30は図1に示さ
れるように直方体状の外装ケース32を備えている。こ
の外装ケース32の一側面には、操作盤34及び開閉可
能に支持された扉36が配置されると共に、操作盤34
の下方に排気部38が形成されている。ここで、扉36
は、外装ケース32の内部に設けられたボンベ収納部
(図示省略)の入口開口に配置されており、排気部38
には、外装ケース32の排気ダクト(図示省略)へ連通
した多数の通気穴が形成されている。また、外装ケース
32の下面には各コーナー部にそれぞれキャスター40
が配置されている。
【0016】外装ケース32内には、図2に示される燃
料電池本体10等の電力発生に係る各種の部材が配置さ
れると共に、高圧の水素ガスが充填されたボンベ42が
交換可能に収納されている。このボンベ42は外装ケー
ス32内のボンベ収納部に最大2本収納することがで
き、扉36を開放することにより交換可能になる。
【0017】図2に示されるようにボンベ42は手動バ
ルブ44を備えており、この手動バルブ44は水素供給
管46により燃料電池本体10のアノード極側気室14
へ連結されている。水素供給管46には、配管途中にレ
ギュレータ48,50及び電磁開閉弁52が配置されて
おり、1段目のレギュレータ48はボンベ42から供給
された高圧(1〜150Kgf/mU)の水素ガスを1〜2
Kgf/mU程度まで減圧し、2段目のレギュレータ50
は、レギュレータ48により減圧された水素ガスを0.
05Kgf/mU程度まで減圧する。電磁開閉弁52は、駆
動電圧の印加時(オン時)には開状態になり、駆動電圧
の非印加時(オフ時)には閉状態になる。従って、電磁
開閉弁52への駆動電圧の印加時にはレギュレータ4
8,50により減圧された水素ガスがアノード極側気室
14へ供給され、電磁開閉弁52への駆動電圧の非印加
時にはアノード極側気室14への水素ガスの供給が遮断
される。
【0018】外装ケース32内には、アノード極側気室
14へ給水するためのメインタンク54と、このメイン
タンク54へ純水を補充するための電磁開閉弁60とが
配置されている。電磁開閉弁60が開となることによ
り、水処理装置やサブタンク(図示省略)から水がメイ
ンタンク54へ供給される。また、メインタンク54
は、ポンプ64及びフィルター66が配置された給水管
68によりアノード極側気室14へ連結されており、ポ
ンプ64が駆動すると、メインタンク54からアノード
極側気室14へフィルター66により濾過された水が供
給される。一方、カソード極側気室16へはファン(シ
ロッコファン)70により空気が供給される。
【0019】水素ガス及び水をアノード極側気室14へ
供給すると共に反応ガスである酸素を含んだ空気をカソ
ード極側気室16へ供給することにより、燃料電池本体
10は、電力負荷に応じた量の水素をアノード極20上
でイオン化し、この水素イオンをカソード極22上で空
気中の酸素及び外部回路を流れてきた電子と反応させて
水を生成すると共に直流の電気エネルギーを発生する。
【0020】燃料電池本体10内には、アノード極側気
室14の下方に排水路(図示省略)が設けられており、
この排水路とメインタンク54とは4本の排水管72に
より連結されている。メインタンク54からアノード極
側気室14へ供給された水は、一部が高分子イオン交換
膜からなる電解質18を保水状態に保つために使用され
ると共に、H+ ・xH2 Oとしてカソード極22へ移動
し、残りの水が排水路へ集められる。この燃料電池本体
10内の排水路へ集められた水は、4本の排水管72を
通ってメインタンク54へ回収される。
【0021】アノード極側気室14には、ボンベ42か
ら供給された水素ガスのガス流方向における最も下流位
置付近へガス排出管74が接続されており、このガス排
出管74はアノード極側気室14をメインタンク54へ
連結している。さらに、メインタンク54にはガス排出
管76が接続されており、ガス排出管76は、メインタ
ンク54を水素ガスを希釈するための混合器78へ連結
している。ガス排出管76には、低負荷用ニードル弁8
0と、この低負荷用ニードル弁80に対して並列に接続
された高負荷用ニードル弁82と、この高負荷用ニード
ル弁82に対して直列に接続された電磁開閉弁84とが
配置されている。
【0022】アノード極側気室14からは、アノード極
20上で反応しなかった水素ガス及び不純ガス(以下、
これらを未反応ガスという)がガス排出管74を通して
メインタンク54内に貯められた循環水上の気層へ流入
する。メインタンク54内の気層ではアノード極側気室
14から流入した未反応ガスから水分が除去され、この
未反応ガスはガス排出管76を通って混合器78へ流入
する。このとき、ガス排出管76の電磁開閉弁84がオ
フの場合には高負荷用ニードル弁82への流路が閉とな
り、メインタンク54内の未反応のガスは、常時開の低
負荷用ニードル弁80のみを通って混合器78へ流入す
る。また、ガス排出管76の電磁開閉弁84がオンの場
合には、メインタンク54内の未反応のガスは、低負荷
用ニードル弁80及び高負荷用ニードル弁82の双方を
通って混合器78へ流入する。
【0023】ここで、低負荷用ニードル弁80には、燃
料電池本体10への電力負荷が所定のしきい値より低い
低負荷時に対応する弁開度が設定されており、この低負
荷用ニードル弁80により低負荷時に適正となる量の未
反応ガスがアノード極側気室14から排出される。ま
た、高負荷用ニードル弁82には、燃料電池本体10へ
の電力負荷が所定のしきい値より高い高負荷時に対応す
る弁開度が設定されており、低負荷用ニードル弁80及
び高負荷用ニードル弁82の双方により燃料電池本体1
0の高負荷時に適正となる量の未反応ガスがアノード極
側気室14から排出される。
【0024】一方、カソード極側気室16も空気排出管
86により混合器78に連結され、この空気排出管86
の配管途中にはファン(シロッコファン)88が接続さ
れている。従って、混合器78には、アノード極側気室
14からの未反応ガスと、カソード極側気室16及びフ
ァン88からの空気とが流入する。混合器78は、水素
ガスを含んだ未反応ガスと空気とを混合し、水素爆発を
防止するため水素濃度が0.01体積%以下となるよう
に未反応ガスを空気により希釈して排気ダクトへ放出す
る。この排気ダクトへ放出された排気ガスは、外装ケー
ス32の排気部38から装置外部へ排出される。
【0025】また、燃料電池本体10により水素ガスが
消費されると共に、アノード極側気室14からカソード
極側気室16へ移動した水が空気と共に混合器78へ排
出され、更にメインタンク54から混合器78へ流入し
た未反応ガス中にも僅かに水分が残留することから、メ
インタンク54内の循環水は固体高分子形燃料電池装置
30の作動時間の増加と共に減少する。メインタンク5
4には水位センサ90が配置されており、この水位セン
サ90はメインタンク54内の循環水が所定の水位まで
低下すると水位検出信号を制御装置92へ出力する。
【0026】水位センサ90からの水位検出信号を受け
た制御装置92は、電磁開閉弁60を開にして水をメイ
ンタンク54へ補充し、所定時間の経過後に電磁開閉弁
60を閉にする。この際、制御装置92は、メインタン
ク54内の循環水上に必ず気層が残るように設定された
時間だけ電磁弁60を開とする。
【0027】装置全体を制御する制御装置92は、操作
盤34からの起動信号を受けて水素供給管46の電磁開
閉弁52を開にして燃料電池本体10へ水素ガスの供給
を開始し、この水素ガスの供給開始に同期させてポンプ
64,ファン70及びファン88を駆動する。また、制
御装置92は、操作盤34からの停止信号を受けて水素
供給管46の電磁開閉弁52を閉にして燃料電池本体1
0への水素ガスの供給を停止し、この水素ガスの供給停
止に同期させてポンプ64,ファン70及びファン88
を停止させる。
【0028】一方、燃料電池本体10が発生した直流電
力はDC/DCコンバータ94で所定の電圧に変換され
た後、DC/ACインバータ96で直流から交流へ変換
され、交流出力端子98へ送られる。そして、燃料電池
本体10は交流出力端子98に接続された外部装置(図
示省略)の電力消費に応じた交流電流を発生する。ま
た、本実施形態の固体高分子形燃料電池装置30は外部
からの電力供給が必要ない自己完結タイプとして構成さ
れている。このため、起動時に使用する電力源である2
次電池100と、この2次電池100を充電するための
充電回路102を備えている。この充電回路102は燃
料電池本体10の余剰電力により2次電池100を充電
する。
【0029】また、燃料電池本体10をDC/DCコン
バータ94及び充電回路102へ接続した配線には、燃
料電池本体10への負荷を測定するための電流センサ1
04が配置されている。この電流センサ104は、燃料
電池本体10が発生した直流電力の電流に対応する電流
検出信号を制御装置92へ出力する。
【0030】(本実施形態の作用)以下、上記のように
構成された本実施形態の固体高分子形燃料電池装置30
の制御装置92の制御ルーチンを図4を参照して説明す
る。図4のステップ202で、操作盤34からの起動信
号を受けてボンベ42から燃料電池本体10へ水素ガス
の供給を開始すると、ステップ204で電流センサ10
4からの電流検出信号により燃料電池本体10の発生電
流が所定のしきい値(例えば、定格が1kwの場合には
20A)以上か、しきい値未満かを判断する。以上のス
テップ202,204ではガス排出管76の電磁開閉弁
84は閉になっている。
【0031】ステップ204で燃料電池本体10の発生
電流がしいき値以上と判断された場合には、ステップ2
06でガス排出管76の電磁開閉弁84を開にし、また
ステップ204で燃料電池本体10の発生電流がしきい
値未満と判断された場合には、ステップ208でガス排
出管76の電磁開閉弁84を開にする。
【0032】ステップ206,208で高負荷用ニード
ル弁82を制御した後、操作盤34から停止信号が入力
したか否かを判断する。このステップ210で停止信号
が入力したことを判断した場合には制御ルーチンを終了
させ、また停止信号が入力していないことを判断した場
合には、ステップ204に戻ってステップ204〜21
0のルーチンを繰り返す。
【0033】上記したように本実施形態の固体高分子形
燃料電池装置30では、制御装置92が燃料電池本体1
0の発生電流がしきい値未満の場合には、燃料電池本体
10への電力負荷が低いと判断してガス排出管76の電
磁開閉弁84を閉にし、また燃料電池本体10の発生電
流がしきい値以上である場合には、燃料電池本体10へ
の電力負荷が高いと判断してガス排出管76の電磁開閉
弁84を開にする。従って、燃料電池本体10の電力負
荷が低い時には、低負荷用ニードル弁80のみを通って
未反応ガスがアノード極側気室14から混合器78へ流
入する。一方、燃料電池本体10の電力負荷が高い時に
は、低負荷用ニードル弁80及び高負荷用ニードル弁8
2の双方を通って未反応ガスがアノード極側気室14か
ら混合器78へ流入し、低負荷時と比較してアノード極
側気室14からの未反応ガスの排出量が増加する。これ
により、燃料電池本体10への電力負荷が低い時でも、
高い時でもアノード極側気室14から適正量の高濃度の
不純ガスを含んだ水素ガスを排出できるので、アノード
極側気室14内において水素ガス中の不純ガスの濃度が
高くなって燃料電池本体10の出力が低下することを防
止でき、かつ低電力負荷時に水素ガスの使用効率が低下
することを防止できる。
【0034】また、ガス排出管76に、低負荷用ニード
ル弁80に対して並列に接続されたニードル弁及びこの
ニードル弁を開閉する電磁開閉弁を複数個ずつ配置する
ことも可能である。例えば、ガス排出管76にニードル
弁及び電磁開閉弁を2個ずつ配置した場合には、燃料電
池本体10の電力負荷が第1のしきい値になったとき
に、ガス排出量が中流量に設定された中負荷用ニードル
弁への流路を開とし、電力負荷が第1のしきい値より大
きい第2のしきい値になったときに中負荷用ニードル弁
への流路を閉とすると同時にガス排出量が大流量に設定
された高負荷用ニードル弁への流路を開とし、電力負荷
が第2のしきい値より大きい第3のしきい値になったと
きに2個の中,高負荷用ニードル弁への流路を同時に開
とすることにより、アノード極側気室14からの未反応
ガスの排出量を4段階に切り替えることが可能になる。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体高分
子形燃料電池装置によれば、固体高分子形燃料電池本体
への電力負荷が低い時でも、高い時でもアノード極側気
室から適正量の燃料ガスを排出できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池
装置の外観を示す斜視図である。
【図2】本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池
装置の構成を示すブロック図である。
【図3】本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池
装置における燃料電池本体の構成を示す断面図である。
【図4】本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池
装置における高負荷用ニードル弁への制御ルーチンを示
すフローチャートである。
【符号の説明】
10 燃料電池本体(固体高分子形燃料電池本体) 12 電極接合体 14 アノード極側気室 16 カソード極側気室 18 電解質 20 アノード極 22 カソード極 30 固体高分子形燃料電池装置 54 メインタンク(ガス排出経路) 70 ファン 74 ガス排出管(ガス排出経路) 76 ガス排出管(ガス排出経路) 78 混合器 80 低負荷用ニードル弁(第1の流量調整手段) 82 高負荷用ニードル弁(流量調整弁) 84 電磁開閉弁 86 空気排出管 88 ファン 92 制御装置 104 電流センサ(負荷測定手段)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電極接合体により隔てられたアノード極
    側気室とカソード極側気室とが設けられ、前記アノード
    極側気室に燃料ガスが供給される固体高分子形燃料電池
    本体と、 前記アノード極側気室へ供給され消費されなかった燃料
    ガスを固体高分子形燃料電池本体の外部へ排出するガス
    排出経路に配置された第1の流量調整手段と、 前記ガス排出経路に少なくとも1個以上配置され、前記
    第1の流量調整手段に対して並列に接続された開閉可能
    な第2の流量調整手段と、 前記固体高分子形燃料電池本体への電力負荷を測定する
    負荷測定手段と、 前記負荷測定手段により測定された電力負荷に応じて前
    記ガス排出経路からの燃料ガスの排出量が増減するよう
    に前記第2の流量調整手段の開閉を制御する制御手段
    と、 を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池装置。
  2. 【請求項2】 前記第2の流量調整手段は、前記第1の
    流量調整手段に対して並列に接続された流量調整弁及
    び、この流量調整弁に対して直列に接続された電磁開閉
    弁を有することを特徴とする請求項1記載の固体高分子
    形燃料電池装置。
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