燃料電池装置、および燃料電池の運転方法
【課題】出力と停止とを繰り返す用途、小さな出力電流、負荷変動の大きな用途においても、燃料供給空間に蓄積した不純物ガスの影響を軽減できる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池スタックを主発電部分５１Ｓと副発電部分５２Ｓとに分割する。燃料供給の上流側に位置する主発電部分５１Ｓには出力電流の変動が大きな変動負荷５３を接続する。燃料供給の下流側に位置する副発電部分５２Ｓには出力電流の変動が小さい定常負荷５４を接続する。副発電部分５２Ｓを構成する発電セル４５は、一定の発電による一定の燃料消費を継続して、一定流量の水素ガスを発電セルに流入させ続けるので、発電セル４５に濃縮蓄積された不純物ガスが上流側へ漏れ出さない。
【解決手段】燃料電池スタックを主発電部分５１Ｓと副発電部分５２Ｓとに分割する。燃料供給の上流側に位置する主発電部分５１Ｓには出力電流の変動が大きな変動負荷５３を接続する。燃料供給の下流側に位置する副発電部分５２Ｓには出力電流の変動が小さい定常負荷５４を接続する。副発電部分５２Ｓを構成する発電セル４５は、一定の発電による一定の燃料消費を継続して、一定流量の水素ガスを発電セルに流入させ続けるので、発電セル４５に濃縮蓄積された不純物ガスが上流側へ漏れ出さない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体燃料が供給される燃料供給空間を連通させた複数の発電セルを備えた燃料電池、詳しくは、燃料供給空間に拡散した窒素ガス等の不純物ガスによる出力への影響を軽減する制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質層の片面側に配置されて気体燃料が供給される燃料供給空間を直列に接続した燃料電池が実用化されている。また、相互に並列接続された燃料供給空間の数を下流側へ向かって次第に減少させて直列に接続するカスケード方式で複数の燃料供給空間を配置したフロー型の燃料電池が実用化されている。カスケード方式によれば、電解質層を通じた気体燃料の消費による下流側での流量減少を補って、最上流から最下流まで、燃料供給空間における安定した気体燃料の供給流量を確保できる。
【０００３】
電解質層として高分子電解質膜を用い、高分子電解質膜の片側を大気に連通させ、気体燃料の電気化学反応に伴って大気中の酸素を消費するエアブリージング型燃料電池が実用化されている。高分子電解質膜は完全な気密膜ではないので、高分子電解質膜を挟んで燃料供給空間と大気連通空間とが配置されると、大気連通空間から燃料供給空間へ大気中の窒素が濃度拡散する。燃料供給空間に侵入した窒素は、燃料供給空間における気体燃料の分圧を低下させて発電効率を低下させるので、定期的にパージを行って、窒素を含む不純物ガスを燃料供給空間から大気中へ追い出すことが望ましい。
【０００４】
特許文献１には、カスケード方式の接続による別の効果に着目して効率的に燃料供給空間のパージを行わせるデッドエンド型の燃料電池が示される。カスケード方式に燃料供給空間を接続することにより、最も下流側に位置する燃料供給空間へ不純物ガスが濃縮されて蓄積される。
【０００５】
最上流から最下流まで、すべての燃料供給空間に気体燃料の一定の流れが形成されて常時パージ状態となるので、最下流の燃料供給空間以外には不純物ガスが蓄積しない。そして、蓄積した不純物ガスの影響によって、最下流の燃料供給空間の出力電圧が所定のしきい値を割り込むと、最下流の燃料供給空間の下流側に配置された開閉弁が開かれる。最下流の燃料供給空間の容積に相当させた気体燃料を最下流の燃料供給空間に上流側から注ぎ込むことにより、燃料供給空間から濃縮された不純物ガスが大気中に押し出される。
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５３６４３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示される燃料電池では、直列に接続された燃料供給空間の上流側から下流側へ向かう気体燃料の流れが最下流の燃料供給空間へ不純物ガスを蓄積する。最下流の燃料供給空間に流れ込む気体燃料の流れが最下流の燃料供給空間の濃縮された不純物ガスの上流側への拡散を押し止めている。
【０００８】
従って、燃料電池の出力を停止させて気体燃料の流れが途絶えると、最下流の燃料供給空間の濃縮された不純物ガスが上流側へ拡散して、燃料電池全体に不純物ガスが行き渡ってしまう。出力停止までには至らなくても、燃料電池の出力が小さいと、最下流の燃料供給空間に不純物ガスを十分に濃縮できなくなる。
【０００９】
そして、十分に不純物ガスが濃縮されていない状態でパージを行うと、大気中に大量の気体燃料が無駄に排出されてしまう。従って、燃料電池を搭載する機器側には、気体燃料の大量排出を前提とした設計を行う必要がある。
【００１０】
そして、十分に不純物ガスが濃縮されていない状態では、最下流の発電セルの出力電圧が所定のしきい値を割り込むまでに相当な時間が経過して、パージが手遅れになる可能性がある。最下流の燃料供給空間の不純物ガスの濃度が低い状態でも燃料電池の全体には致命的な量の不純物ガスが蓄積されてしまう。この状態で出力電流を増大させると、上流側から下流側へ向かう気体燃料の流れが強まって不純物ガスを下流側へ押し流し、最下流の燃料供給空間における不純物ガスの濃度が一気に高まる。これにより、最下流の発電セルが発電停止すると、上流側から下流側までのすべての発電セルを直列に接続した燃料電池全体の出力も停止してしまう。
【００１１】
すなわち、特許文献１に示される燃料電池は、負荷変動が少ない定常的に大きな出力電流を流し続ける用途においては、適正なタイミングで効果的なパージを行える。しかし、出力と停止とを繰り返す用途、設計値よりも小さな出力電流を流し続ける用途、負荷変動の大きな用途等においては、パージのタイミングが不適切である。パージに伴う気体燃料の無駄も多くなる。
【００１２】
本発明は、出力と停止とを繰り返す用途、小さな出力電流、負荷変動の大きな用途においても、燃料供給空間に蓄積した不純物ガスの影響を軽減できる燃料電池装置を提供することを目的としている。また、パージを行う場合には、適正なタイミングで効果的なパージを行える燃料電池装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の燃料電池装置は、気体燃料が供給される燃料供給空間をそれぞれ有する複数の発電セルが前記燃料供給空間を直列に接続して配置されたものである。燃料供給における下流側に位置する一以上の前記発電セルが直列に接続された下流側発電部分と、前記下流側発電部分よりも上流側に位置する一以上の前記発電セルが直列に接続された上流側発電部分とを備える。そして、前記下流側発電部分に対しては、前記上流側発電部分に対してよりも電力変動の小さな負荷を接続してある。
【００１４】
別の発明の燃料電池装置は、気体燃料が供給される燃料供給空間をそれぞれ有する複数の発電セルが前記燃料供給空間を直列に接続して配置されたものである。燃料供給における下流側に位置する一以上の前記発電セルが直列に接続された下流側発電部分と、前記下流側発電部分に接続する負荷を制御して、予め定めた最低水準以上の出力電流を前記下流側発電部分から取り出し続ける出力制御手段とを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池装置では、燃料供給における下流側の下流側発電部分に、燃料電池装置が備える複数の負荷のうちで出力変動の小さな負荷を選択的に接続してある。下流側発電部分では、出力変動の小さな負荷によって、発電セルの出力電流が安定的に確保される。これにより、下流側発電部分の燃料供給空間には、不純物ガスを必要十分に濃縮して上流側への拡散を阻止するに十分な気体燃料の流れが確保される。
【００１６】
従って、上流側発電部分で出力と停止とが繰り返しても、小さな出力電流が継続しても、負荷変動が大きくても、下流側発電部分の燃料供給空間では、不純物ガスが必要十分な濃度で蓄積され続ける。下流側発電部分に蓄積された不純物ガスが上流側へ拡散することもない。
【００１７】
小さな出力電流を長期継続した後に急激に出力電流を高めた場合でも、大きな負荷変動を繰り返した場合でも、下流側発電部分の燃料供給空間における不純物ガスの濃度の変動が抑制される。下流側発電部分の燃料供給空間へ不純物ガスを高濃度に閉じ込めるので、下流側発電部分（あるいは最も下流側）の燃料供給空間に相当するだけのわずかな気体燃料でも燃料電池全体の不純物ガスの大部分を系外へ排出できる。高い濃度で不純物ガスのパージを行えば、パージに伴う気体燃料の大気中への無駄な排出が減って燃料タンクが長持ちする。
【００１８】
下流側発電部分の発電セルの出力電圧でパージタイミングを制御する場合、特許文献１の制御に比較して、不純物ガス濃度の高まりによって、いきなり発電停止に至る可能性が減る。
【００１９】
別の発明の燃料電池装置では、出力制御手段が、下流側発電部分の出力電流を最低水準以上に確保させる。最低水準とは、下流側発電部分の最も下流側の発電セルに、不純物ガスを必要十分に濃縮して上流側への拡散を阻止するために十分な気体燃料の流れを確保できる出力電流である。これにより、上記発明と同様に、出力と停止とを繰り返す用途、小さな出力電流、負荷変動の大きな用途においても、適正なタイミングで効果的なパージを行える。出力を増大させた際に、不純物ガス濃度の高まりによって燃料電池全体がいきなり発電停止に至る可能性も減る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の燃料電池装置の一実施形態である燃料電池について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の燃料電池装置は、以下に説明する各実施形態の限定的な構成には限定されない。発電セルの燃料供給空間に気体燃料を供給して発電が行われる限りにおいて、各実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実現可能である。
【００２１】
本実施形態では、燃料タンクに貯蔵した水素ガスを用いて発電を行うが、水素原子を含むメタノール等の液体燃料を燃料タンクに貯蔵して、刻々必要なだけ水素ガスに改質反応させて発電セルの燃料供給空間に供給してもよい。
【００２２】
本実施形態の燃料電池装置は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、プロジェクタ、プリンタ、ノート型パソコン等の持ち運び可能な電子機器に着脱可能に装備される独立したユニットとしても実施できる。また、電子機器に燃料電池装置の発電部だけを一体に組み込んで、燃料タンクを着脱させる形式でも実施できる。
【００２３】
なお、特許文献１に示される燃料電池の構造、運転方法、触媒層、高分子電解質膜、膜電極接合体等については、繰り返しの煩雑を回避すべく一部図示を省略し、詳細な説明も省略する。
【００２４】
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の燃料電池の斜視図、図２は燃料電池スタックの断面図、図３はセパレータの説明図、図４は第１実施形態の燃料電池装置の模式図である。図２は、図１中Ａ−Ａ’の断面を示す。
【００２５】
図１に示すように、燃料電池装置２０は、燃料電池スタック２０Ａと燃料タンク２０Ｂとを着脱自在に接続して組み立てられる。燃料電池スタック２０Ａは、一組のエンドプレート２１、２２の間に、複数の発電セル２３、４５（図２）を積層している。燃料タンク２０Ｂは、水素ガスを充填され、必要な圧力に調圧された水素ガスを燃料電池スタック２０Ａに供給する。
【００２６】
エンドプレート２１には、燃料タンク２０Ｂを接続して燃料電池スタック２０Ａに水素ガスを供給する燃料流路入り口２４が設けられる。膜電極接合体２５は、高分子電解質膜の上下両面に白金微粒子を担持させた触媒層を形成してあり、図中上面の触媒層が酸化剤極、下面の触媒層が燃料極となっている。複数の膜電極接合体２５は、セパレータ２６を介して積層される。
【００２７】
図２に示すように、膜電極接合体２５とセパレータ２６との間には、ガス拡散層２３Ａ、２３Ｂが配置される。ガス拡散層２３Ａ、２３Ｂは、カーボンクロスのような反応物を透過する導電性を有するシート材料である。
【００２８】
大気中の酸素は、セパレータ２６に設けられた酸化剤流路４１を介して、紙面垂直方向より各段の発電セル２３、４５に進入し、ガス拡散層２３Ａを通じて膜電極接合体２５の上面全体に拡散供給される。
【００２９】
水素ガスは、燃料流路入り口２４を通じて図中左の供給側主流路４３へ供給され、供給側主流路４３から分岐して各段の燃料流路４２に分配供給される。供給側主流路４３は、セパレータ２６に設けられた貫通口を重ね合わせて形成される。
【００３０】
ガス拡散層２３Ｂに接する膜電極接合体２５の触媒層では、水素ガスが触媒反応によって水素原子に分解されてイオン化し、水素イオンが高分子電解質膜に供給される。ガス拡散層２３Ａに接する膜電極接合体２５の触媒層では、高分子電解質膜から供給される水素イオンに、触媒反応によって酸素が化合して水分子を生成する。膜電極接合体２５の高分子電解質膜は、ガス拡散層２３Ａ側からガス拡散層２３Ｂ側へ水素イオンを移動させる。この電気化学反応に伴ってガス拡散層２３Ｂ側で過剰となった電子が外部回路を経てガス拡散層２３Ａ側へ移動する。
【００３１】
各段の発電セル２３の燃料流路４２は、下流側（図中右側）で排出側主流路４４に合流し、排出側主流路４４は、最も下流側の発電セル４５の燃料流路４２に接続されている。
【００３２】
発電セル４５の燃料流路４２の下流側は、流路板２７の燃料流路出口４３に接続し、燃料流路出口４３には、パージバルブ４７が設置される。パージバルブ４７は、通常は閉じられているので、燃料電池スタック２０Ａはデッドエンド型の運転となる。デッドエンド型の燃料電池スタック２０Ａは、燃料循環用の配管やポンプが不要なので、燃料電池装置２０の小型化に適した構成である。また、水素ガスを循環させないフロー型の燃料電池に比べて、垂れ流す水素ガスが無い分、燃料の有効利用に好適である。
【００３３】
図３に示すように、セパレータ２６の表面（図中下側）には、平行な溝状の酸化剤流路４１が形成されている。図２に示すように、酸化剤流路４１は、ガス拡散層２３Ａを介して、膜電極接合体２５の酸化剤極に大気中の酸素を供給する。
【００３４】
図３に示すように、セパレータ２６の裏面（図中上側）には、つづら折り状の燃料流路４２が形成されている。図２に示すように、燃料流路４２は、ガス拡散層２３Ｂを介して、膜電極接合体２５の燃料極に水素ガスを供給する。
【００３５】
図３に示すように、セパレータ２６の端部には、図２の燃料流路入り口２４から供給される水素ガスを各段の発電セル２３に導くための貫通口４３が設けられる。
【００３６】
燃料電池スタック２０Ａは、酸化剤極が大気に開放された大気開放型であるため、燃料流路４２に進入する不純物ガスの主成分は、空気中に含まれる窒素ガスである。燃料電池スタック２０Ａでは、窒素ガス分圧がほぼ８０ｋＰａの酸化剤極からほぼ０Ｐａの燃料流路４２へ主に膜電極接合体２５を介して窒素ガスが濃度拡散する。膜電極接合体２５における窒素ガス進入レートは、発電させた出力電流密度に応じて変化する。実験的には、動作電流密度２００ｍＡ／ｃｍ２で発電を行うと、膜電極接合体２５の単位面積あたり窒素ガス進入レートは、１．７×１０−５ｍｌ／ｓｅｃ・ｃｍ２（１×１０−３ｓｃｃｍ／ｃｍ２）程度であることが確認された。
【００３７】
第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａでは、直列に接続された燃料流路４２の構成によって、不純物ガスは、最も下流側の発電セル４５の燃料流路４２に濃縮されて蓄積される。上流側の発電セル２３に形成された水素ガスの流れによって、発電セル２３の燃料流路４２における不純物ガス濃度は下流側ほど高くなる。発電セル２３で不純物ガス濃度が高められた水素ガスは、排出側主流路４４を通じて最も下流側の発電セル４５に流れ込む。
【００３８】
発電セル４５の燃料流路４２の入り口における不純物ガス濃度は、排出側主流路４４の不純物ガス濃度とバランスする。発電セル４５の膜電極接合体２５は、不純物ガスを残して水素ガスを取り込むので、発電セル４５内でも下流側へ向かう水素ガスの流れが形成されて、不純物ガス濃度は下流側ほど高くなる。これにより、発電セル４５の燃料流路４２には、高濃度の不純物ガスが蓄積される。発電セル４５の燃料流路４２の不純物ガスは、濃度差に駆動されて燃料流路４２を上流側へ拡散しようとする。しかし、発電セル４５の燃料流路４２へ流れ込む水素ガスが拡散を妨げ、燃料流路４２内の水素ガスの流れが不純物ガスを下流側へ吹き寄せて、不純物ガスの高濃度を保持させる。
【００３９】
図２に示すように、燃料電池スタック２０Ａには、上流側端子部材５１と下流側端子部材５２との２箇所から独立して電力が取り出される。Ｎ段の発電セル２３を直列に接続した出力電圧が上流側端子部材５１と下流側端子部材５２との間から取り出される。最も下流側の発電セル４５の出力電力が下流側端子部材５２と端子部材５５との間から取り出される。上流側端子部材５１と下流側端子部材５２と端子部材５５とが燃料電池搭載機器５０に接続されて電力供給する。
【００４０】
燃料電池搭載機器５０の複数の負荷のうち電力変動が小さい定常負荷５４が下流側端子部材５２と端子部材５５との間に接続されて発電セル４５の発電出力を割り当てられる。電力変動が大きい変動負荷５３が上流側端子部材５１と下流側端子部材５２との間に接続されて発電セル２３の発電出力を割り当てられる。
【００４１】
図４に模式的に示すように、燃料供給の上流側に配置されたＮ個の発電セル２３によって主発電部分５１Ｓが構成される。主発電部分５１Ｓには、燃料電池スタック２０Ａにより電力が供給される変動負荷５３が接続される。変動負荷５３は、ＣＰＵ、駆動モータ等のように、燃料電池搭載機器５０の動作状態に応じて電力消費が大きく変化する負荷である。主発電部分５１Ｓには、燃料電池搭載機器５０側の電圧要求に対応するために必要なＤＣ−ＤＣコンバータ等の回路を介して変動負荷５３が接続されてもよい。
【００４２】
一方、燃料電池スタック２０Ａの最下流の発電セル４５は、副発電部分５２Ｓを構成して定常負荷５４に接続される。定常負荷５４は、必要な電源電圧を得るための不図示の昇圧回路を含み、冷却ファン、液晶バックライト等のように、燃料電池搭載機器５０の動作状態に関わらずほぼ一定の電力消費を継続する。
【００４３】
従って、変動負荷５３の電力消費がどんなに変化しても、最下流の発電セル４５は一定の発電を継続して、毎秒一定量の水素ガスを消費する。最下流の発電セル４５には一定流量の水素ガスが流れ込み続けるので、最下流の発電セル４５に高濃度に蓄積された不純物ガスは上流側へ拡散しない。
【００４４】
図５は燃料電池スタックの負荷変動に対する安定性の評価実験の説明図、図６は安定性の評価実験結果の線図である。
【００４５】
図５に示すように、電子負荷装置８３を用いて、燃料電池スタック２０Ａの出力電流を一定パターンで変化させることにより、燃料電池スタック２０Ａの負荷変動に対する安定性を評価した。図５の（ａ）に示す第１実施形態では、副発電部分５２Ｓに抵抗負荷８４を接続して安定電流を取り出し、主発電部分５１Ｓに電子負荷装置８３を接続した。これに対して、図５の（ｂ）に示す比較例では、副発電部分５２Ｓと主発電部分５１Ｓとを直列接続して電子負荷装置８３を接続した。電子負荷装置８３は、可変電圧の電圧レギュレータ回路で構成され、図６の（ａ）に示すように、負荷抵抗値を変化させて、端子電圧を所定の三角波パターンに変化させる。
【００４６】
図６の（ｂ）には、実験中の主発電部分５１Ｓにおける各発電セル２３の起電力の変化が示される。図中、横軸は時間、縦軸は電子負荷装置８３により燃料電池スタック２０Ａに印加した負荷電流である。
【００４７】
図６の（ｂ）に示すように、第１実施形態の接続では、主発電部分５１Ｓの各発電セル２３の出力が、負荷電流の増大に十分追従している。すなわち、負荷電流の増大に伴って、各発電セル２３の出力電圧は低下するが、特定の発電セル２３で出力電圧が大きく低下することはない。よって、第１実施形態の燃料電池装置２０は、負荷変動によらず安定した出力を燃料電池搭載機器５０に供給可能である。
【００４８】
一方、図６の（ｂ）に示すように、比較例の接続では、主発電部分５１Ｓの一部の発電セル２３が、負荷電流の増大に追従しない。すなわち、負荷電流の増大に伴って、出力電圧の急激な低下を生じる発電セルがある（図中矢印）。このように、比較例の接続を用いた従来の燃料電池装置では、負荷変動が比較的大きい時、安定した出力を燃料電池搭載機器５０に供給できない。
【００４９】
図４に示すように、第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａでは、副発電部分５２Ｓに対して主発電部分５１Ｓとは独立した定常負荷５４を接続する。これにより、少なくとも主発電部分５１Ｓで発電が開始されるより前に、副発電部分５２Ｓで発電が開始される。このため、副発電部分５２Ｓに不純物ガスを高濃度に濃縮して閉じ込めることが可能となる。
【００５０】
そして、変動負荷５３が変動して主発電部分５１Ｓの出力電流が低下しても、副発電部分５２Ｓの不純物ガスが主発電部分５１Ｓに拡散せず、主発電部分５１Ｓの不純物ガス濃度は低く保たれる。これにより、変動負荷５３が変動して主発電部分５１Ｓの出力電流が急激に増大しても、不純物ガスの影響が無い安定した起電力が主発電部分５１Ｓより供給可能となる。すなわち、負荷変動に対応可能な燃料電池スタック２０Ａが提供可能となる。
【００５１】
図７はパージ動作の制御の説明図である。図２に示すように、燃料電池スタック２０Ａは、燃料電池搭載機器５０がパージバルブ４７を制御してパージ動作を実行する。パージバルブ４７は、アクチュエータ或いは手動により開閉動作可能である。
【００５２】
燃料電池搭載機器５０は、最も下流側の発電セル４５（副発電部分５２Ｓ）の出力電圧が所定の最低水準を割り込むと、パージバルブ４７を作動させる。あるいは、図４に示すように、副発電部分５２Ｓに接続された定常負荷５４に流れる電流が所定の最低水準を割り込むことで判断する。すなわち、副発電部分５２Ｓの出力が低下したとき、不純物ガスの蓄積に起因すると判断してパージ動作を実行する。パージ動作時は、パージバルブ４７を０．１秒間開いた後に閉じる動作を１秒間隔で３回行う。これにより、最も下流側の発電セル４５に高濃度に蓄積された不純物ガスを燃料電池スタック２０Ａから大気中へ排出し、燃料電池装置２０の長時間にわたる安定的な発電継続を可能にする。
【００５３】
図７の（ａ）は、図５の（ａ）に示すように、第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａを電子負荷装置８３に接続した際の主発電部分５１Ｓの各発電セル２３の出力電圧を示す。図７の（ｂ）は、この時の副発電部分５２Ｓの発電セル４５の出力電圧と、副発電部分５２Ｓに接続された抵抗負荷８４に流れる電流を示す。
【００５４】
燃料電池装置２０にて発電を行うと、図７の（ｂ）中に矢印で示したように副発電部分５２Ｓの発電セル４５の出力低下が観測される。この出力低下は、不純物ガスの蓄積によって引き起こされる。これを検知してパージ動作を行うと、副発電部分５２Ｓの出力が回復する。パージ動作中、主発電部分５１Ｓの各燃料電池セル２３の出力電圧は安定している。すなわち、主発電部分５１Ｓにおける不純物ガスの影響を防止できる。
【００５５】
このように、第１実施形態の燃料電池装置２０では、副発電部分５２Ｓにおける出力をモニタすることにより、発電セル４５に一定量の不純物ガスが濃縮状態で蓄積されたことを検知できる。そして、発電セル４５の容積を少し越える程度の必要最小限のパージ動作を行うことによって、燃料電池スタック２０Ａ内の大部分の不純物ガスを追い出すことが可能である。これにより、燃料電池スタック２０Ａは、前回のパージ動作直後の状態に回復するので、安定した起電力を燃料電池搭載装置５０に供給し続けることができる。
【００５６】
＜第１実施形態の変形例＞
図８は燃料流路の接続パターンの説明図、図９は下流側の４段の発電セルを副発電部分とした変形例の説明図、図１０は副発電部分の下流にバッファ空間を接続する変形例の説明図である。
【００５７】
図４に示すように、第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａにおける主発電部分５１Ｓの燃料流路４２は、図８の（ａ）に示すパラレル流パターンである。しかし、主発電部分５１Ｓの燃料流路４２は、図８の（ｂ）に示すシリアル流パターン、あるいは図８の（ｃ）に示すカスケード流パターンでもよい。
【００５８】
図４に示すように、第１実施形態における副発電部分５２Ｓは、１段の発電セル４５で構成されるが、複数段の発電セルにより構成してもよい。例えば、図９に示すようにカスケード流パターンを採用して、発電セル２３、４８、４５を直列に接続し、副発電部分５２Ｓを下流側の４段の発電セル４８、４５に割り当ててもよい。上流側端子部材５１と下流側端子部材５２とが燃料電池スタック２０Ａから取り出される。副発電部分５２Ｓには電力変動が小さい定常負荷５４、主発電部分５１Ｓには電力変動が大きい変動負荷５３がそれぞれ接続される。
【００５９】
第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａは、副発電部分５２Ｓを構成する発電セル４５の下流に、不純物ガスを蓄積するバッファ空間を接続してもよい。バッファ空間は、例えば、図１０に示すように、流路板２７Ｂの上面に凹所４９を形成して、エンドプレート２２との間に設けることができる。発電セル４５とパージバルブ４７との間のバッファ空間である凹所４９には、発電セル４５の下流端の不純物ガス濃度とバランスした高い濃度の不純物ガスを蓄積する。
【００６０】
第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａは、少なくとも主発電部分５１Ｓの発電が開始されるよりも前に、副発電部分５２Ｓが発電を開始することが望ましい。副発電部分５２Ｓに接続される定常負荷５４は、一定の抵抗値を持った抵抗体であってもよいし、燃料電池装置２０の動作を制御するための制御装置等に接続されてもよい。
【００６１】
第１実施形態の燃料電池装置２０は、発電セル２３、４５を積み重ねて直列に接続した燃料電池スタック２０Ａを備える。しかし、共通の燃料供給基板上に複数の発電セルを平面的に配置して、それぞれの燃料供給空間を直列（カスケード流パターンを含む）に接続した構成としてもよい。
【００６２】
＜第２実施形態＞
図１１は第２実施形態における制御の説明図である。第２実施形態では、第１実施形態と同じ燃料電池スタック２０Ａを用いて、変動負荷に応じた上流側端子部材５１と下流側端子部材５２との切り替え制御を行う。これ以外は第１実施形態と同様であるので、図２、図４と共通する構成には共通の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６３】
図１１に示すように、燃料電池スタック２０Ａには、上流側端子部材５１、下流側端子部材５２、および端子部材５５が接続されている。二系統の切り替えスイッチ５０Ｃは、下流側端子部材５２と端子部材５５とを変動負荷５３に対して切り替え接続すると同時に、下流側端子部材５２が接続された場合には、下流側端子部材５２と端子部材５５との間に抵抗負荷８４を接続する。制御部５０Ｂは、変動負荷５３の電流値を検知する。そして、電流値が所定の下限値以上であれば、変動負荷５３に端子部材５５を接続して燃料電池スタック２０Ｓの全段を直列に接続した出力を変動負荷５３に供給する。しかし、電流値が所定の下限値を割り込むと、変動負荷５３に下流側端子部材５２を接続して主発電部分５１Ｓの出力を変動負荷５３に供給する。同時に、下流側端子部材５２と端子部材５５との間に抵抗負荷８４を接続して、副発電部分５２Ｓの電流値を下限値以上に確保する。
【００６４】
下限値とは、副発電部分５２Ｓを構成する発電セル４５の燃料流路４２に、不純物ガスを必要十分に濃縮して上流側への拡散を阻止するに十分な水素ガスの流れを確保できる出力電流である。
【００６５】
＜第３実施形態＞
図１２は第３実施形態における燃料電池スタックの構成の説明図である。第１実施形態は、１つの燃料電池スタック２０Ａの中に主発電部分５１Ｓと副発電部分５２Ｓとを積み重ねて配置した。これに対して、第３実施形態では独立した主発電部分２０Ｅの燃料供給に関する下流側に独立した副発電部分２０Ｆを接続している。図１１中、図２と機能を共通とする構成部材には共通の符号を付して詳細な説明を省略するが、共通の符号を付した構成部材が同一寸法、同一材料という意味ではない。
【００６６】
図１２に示すように、主発電部分２０Ｅおよび副発電部分２０Ｆは、いずれも膜電極接合体２５を挟んでガス拡散層２３Ａ、２３Ｂを配置する。ガス拡散層２３Ａには、酸化剤流路を通じて膜電極接合体２５の平面方向から大気中の酸素が供給される。ガス拡散層２３Ｂには、燃料供給空間４２Ｂを通じて水素ガスが供給される。
【００６７】
主発電部分２０Ｅの燃料供給空間４２Ｂには、燃料流路入り口２４Ｂを通じて水素ガスが供給される。主発電部分２０Ｅの燃料供給空間４２Ｂの下流側に、燃料流路入り口２４Ｃによって副発電部分２０Ｆの燃料供給空間４２Ｂが接続されている。副発電部分２０Ｆの燃料供給空間４２Ｂには、燃料流路入り口２４Ｃを通じて、主発電部分２０Ｅの燃料供給空間４２Ｂから水素ガスが供給される。副発電部分２０Ｆの下流側には、副発電部分２０Ｆの燃料供給空間４２Ｂに濃縮して蓄積された不純物ガスを大気中へ排出するパージ弁４７が接続されている。
【００６８】
主発電部分２０Ｅには、出力電流の変動幅が大きい変動負荷５３が接続される。一方、燃料供給の下流側に位置する副発電部分２０Ｆには、出力電流の変動幅が小さい定常負荷５４が接続される。副発電部分２０Ｆが定常的な発電を行うことで、燃料流路入り口２４Ｃからから副発電部分２０Ｆへ一定流量の水素ガスが流れ込み続ける。この水素ガスの流れによって、仮に変動負荷５３の電流が停止した場合でも、副発電部分２０Ｆの濃縮された不純物ガスは、副発電部分２０Ｆに止められて上流側へ漏れ出さない。
【００６９】
第３実施形態においても、副発電部分２０Ｆの出力変化を検知してパージ弁４７を作動させることにより、適正なタイミングで、水素ガスの無駄な排出が少ないパージ動作を実行できる。また、変動負荷５３の負荷変動に対して応答性高く、主発電部分２０Ｅから電力供給を継続できる。従って、負荷変動の比較的大きな機器の要求出力に対応可能であり、安定した発電が可能な燃料電池装置が提供可能となる。
【００７０】
＜開発の経緯＞
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。
【００７１】
電解質層として高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池は、常温に近い温度で使用でき、電解質が液体ではなく固体であるので、安全に持ち運べるという利点を有している。固体高分子型燃料電池の発電セルは、触媒層を高分子電解質膜の両面に配置した膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有している。
【００７２】
固体高分子型燃料電池の発電セルは単セル出力電圧が最大でも１Ｖ強なので、実用的な出力電圧を得るため、複数の発電セルを電気的に直列に接続して、燃料電池スタックが形成される。
【００７３】
セパレータは、燃料電池セルを電気的に直列に接続するための導電性を有すると共に、酸化剤と燃料とを分離するシール性を有する。セパレータの酸化剤極側には酸化剤を供給する酸化剤流路が、燃料極側には燃料を供給する燃料流路が設けられる。
【００７４】
水素ガスと大気中の酸素とを電気化学反応させる燃料電池では、燃料流路には、燃料タンク等から水素ガスが燃料として供給され、酸化剤流路には空気中の酸素が酸化剤として供給される。このような燃料電池装置では、燃料がデッドエンドモードで動作するよう設計されることがある。
【００７５】
デッドエンド型の燃料電池装置では、起動時や動作中に燃料流路内の不純物ガスを燃料流路より除去するためのパージバルブが設置される。これは、燃料に含まれる、或いは外部から混入する不純物ガスを除去するためである。
【００７６】
特許文献１には、デッドエンド型の燃料電池におけるパージ動作の制御方法が示される。複数の発電セルは、カスケード流パターンで燃料流路を直列に接続されていて、最も下流側に位置する発電セルに、窒素ガス等の不純物ガスがたまりやすい。
【００７７】
本願発明の発明者は、特許文献１の制御が、負荷変動が比較的少ない定常的な出力を必要とする機器には効果的でも、負荷変動の大きい機器の要求には十分対応できないという課題を見出した。発明者は、鋭意検討した結果、特許文献１の燃料電池では、負荷低下時に不純物ガスが燃料電池スタックに滞留してしまい、その後の急激な負荷増大時に十分な出力が得られなかったとの知見を得、本発明の提案に至った。
【００７８】
すなわち、負荷変動が比較的少ない定常的な出力を要求する機器であれば、最も下流側に位置する発電セルの発電量も一定で、不純物ガスを効果的に蓄積可能である。しかし、外部負荷の要求出力の変動が大きい機器では、外部負荷の要求電力が低下した際には、最も下流側に位置する発電セルの発電も低下する。発明者は、このような場合、最も下流側に位置する発電セルに有効に不純物ガスが蓄積されないことを見出している。
【００７９】
その結果、不純物ガスが最も下流側に位置する発電セル以外の燃料電池スタック内に蓄積する場合が発生する。この状況で、外部負荷の要求出力が急激に増大すると、不純物ガスの影響によって、燃料電池スタックの出力が十分に得られないことがある。
【００８０】
＜発明との比較＞
燃料電池装置２０は、気体燃料が供給される燃料流路４２をそれぞれ有する複数の発電セル２３、４５を、燃料流路４２を直列に接続して配置している。燃料供給における下流側に位置する一以上の発電セル４５が直列に接続された副発電部分５２Ｓと、副発電部分５２Ｓよりも上流側に位置する一以上の発電セル２３が直列に接続された主発電部分５１Ｓとを備える。そして、副発電部分５２Ｓに対しては、主発電部分５１Ｓに対してよりも電力変動の小さな定常負荷５４を接続してある。
【００８１】
燃料電池装置２０では、燃料供給における下流側の副発電部分５２Ｓに、燃料電池装置２０が電力供給する複数の負荷のうちで出力変動の小さな定常負荷５４を選択的に接続してある。副発電部分５２Ｓでは、出力変動の小さな定常負荷５４によって、発電セル４５の出力電流が安定的に確保される。これにより、副発電部分５２Ｓの燃料流路４２には、不純物ガスを必要十分に濃縮して上流側への拡散を阻止するために十分な気体燃料の流れが確保される。
【００８２】
従って、主発電部分５１Ｓで出力と停止とが繰り返しても、小さな出力電流が継続しても、負荷変動が大きくても、副発電部分５２Ｓの燃料流路４２では、不純物ガスが必要十分な濃度で蓄積され続ける。副発電部分５２Ｓに蓄積された不純物ガスが上流側へ拡散することもない。
【００８３】
小さな出力電流を長期継続した後に急激に出力電流を高めた場合でも、大きな負荷変動を繰り返した場合でも、副発電部分５２Ｓの燃料流路４２における不純物ガスの濃度の変動が抑制される。副発電部分５２Ｓの燃料流路４２へ高濃度の不純物ガスを閉じ込めるので、副発電部分５２Ｓの燃料流路４２に相当するだけのわずかな気体燃料でも燃料電池スタック２０Ｓ全体の不純物ガスの大部分を排出できる。高い濃度の不純物ガスをパージすれば、パージ動作に伴う気体燃料の大気中への無駄な排出が減って燃料タンク２０Ｂが長持ちする。
【００８４】
副発電部分５２Ｓの発電セル２３の出力電圧でパージタイミングを制御する場合、特許文献１の制御に比較して、不純物ガス濃度の高まりによって、いきなり発電停止に至る可能性が減る。
【００８５】
図１１に示す変形例における燃料電池スタック２０Ａは、気体燃料が供給される燃料流路４２をそれぞれ有する複数の発電セル２３を、燃料流路４２を直列に接続して配置している。燃料供給における下流側に位置する一以上の発電セル４５が直列に接続された副発電部分５２Ｓと、副発電部分５２Ｓに接続する負荷を制御して、予め定めた最低水準以上の出力電流を副発電部分５２Ｓから取り出し続ける制御部５０Ｂとを備える。
【００８６】
図１１に示す変形例では、制御部５０Ｂが、副発電部分５２Ｓの出力電流を最低水準以上に確保させる。最低水準とは、副発電部分５２Ｓの最も下流側の発電セル４５に、不純物ガスを必要十分に濃縮して上流側への拡散を阻止するために十分な気体燃料の流れを確保できる出力電流である。これにより、上記発明と同様に、出力と停止とを繰り返す用途、小さな出力電流、負荷変動の大きな用途においても、適正なタイミングで効果的なパージを行える。出力を増大させた際に、不純物ガス濃度の高まりによって燃料電池装置２０がいきなり発電停止に至る可能性も減る。
【００８７】
図１１に示す変形例では、制御部５０Ｂは、副発電部分５２Ｓから取り出した出力電流が予め定めた下限値を下回ると、副発電部分５２Ｓに予め定めた抵抗負荷８３を接続して前記最低水準を確保する。従って、変動負荷５３が下限値以上の電流を流している限り、抵抗負荷８３による無駄な電力消費が発生しない。
【００８８】
燃料電池装置２０は、副発電部分５２Ｓが燃料供給における最も下流側に位置する発電セル４５を含む。そして、副発電部分５２Ｓのさらに下流側における最も下流位置に、燃料流路４２に蓄積された不純物ガスを排出させるパージバルブ４７を接続している。
【００８９】
図１０に示す変形例では、副発電部分５２Ｓ（発電セル４５）の下流側に、燃料流路４２の不純物ガスが蓄積されるバッファ空間（凹所４９）を接続している。
【００９０】
燃料電池装置２０における副発電部分５２Ｓは、燃料流路４２が別の燃料流路４２に対して並列接続されていない１つの発電セル４５である。従って、２以上が並列に接続されている場合に比較して少ない気体燃料の流量で、上流側への不純物ガスの漏れ出しを防止できる。
【００９１】
図９に示す変形例では、相互に並列接続された燃料流路４２(図２）の数を下流側へ向かって次第に減少させて直列に接続するカスケード方式で、複数の燃料流路４２が連通している。従って、最も下流に位置する発電セル４５へ蓄積される不純物ガスの濃度が３段階に高められ、２段階の場合よりも高濃度の不純物ガスをパージ排出できる。
【００９２】
燃料電池スタック２０Ａは、複数の発電セル２３、４５がそれぞれ等しい平面形状に形成されて積み重ねられる。大気に連通して前記発電セル２３の平面方向から大気中の酸素を取り入れる酸化剤流路４１と、隣接する発電セル２３の燃料流路４２と酸化剤流路４１とを分離して隣接する発電セル２３を電気的に直列接続するセパレータ２６とを備える。副発電部分５２Ｓから出力電流を取り出す下流側端子部材５２がセパレータ２６に接続されている。
【００９３】
図１２に示す第３実施形態では、気体燃料が一方向に流れる燃料流路４２を備える。主発電部分５１Ｓの燃料流路４２の最も下流側に接続されて主発電部分５１Ｓの燃料流路４２Ｂの不純物ガスが蓄積される副発電部分５２Ｓの燃料流路４２Ｂと、副発電部分５２Ｓの燃料流路４２Ｂに配置されて、副発電部分５２Ｓの燃料流路４２Ｂの気体燃料を消費して発電する膜電極接合体２５と、膜電極接合体２５に接続されて膜電極接合体２５から予め定めた最低水準以上の出力電流を取り出し続ける定常負荷５４とを備える。
【００９４】
燃料電池装置２０は、気体燃料が供給される燃料流路４２をそれぞれ有する複数の発電セル２３を、前記燃料流路４２を直列に接続して配置している。そして、燃料供給における下流側の発電セル４５の出力電流を予め定めた最低値以上に維持することにより、下流側の発電セル４５の燃料流路４２から上流側へ向かう不純物ガスの拡散を抑制している。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】第１実施形態の燃料電池の斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの断面図である。
【図３】セパレータの説明図である。
【図４】第１実施形態の燃料電池スタックの模式図である。
【図５】燃料電池スタックの負荷変動に対する安定性の評価実験の説明図である。
【図６】安定性の評価実験結果の線図である。
【図７】パージ動作の制御の説明図である。
【図８】燃料流路の接続パターンの説明図である。
【図９】下流側の４段の発電セルを副発電部分とした変形例の説明図である。
【図１０】副発電部分の下流側にバッファ空間を接続した変形例の説明図である。
【図１１】第２実施形態における制御の説明図である。
【図１２】第３実施形態における燃料電池スタックの構成の説明図である。
【符号の説明】
【００９６】
２０ 燃料電池装置
２０Ａ 燃料電池スタック
２０Ｂ 燃料タンク
２１、２２ エンドプレート
２３ 発電セル
２３Ａ、２３Ｂ ガス拡散層
２４ 燃料流路入り口
２５ 膜電極接合体
２６ セパレータ部材（セパレータ）
２７ 流路板
４１ 大気連通空間（酸化剤流路）
４２ 燃料供給空間（燃料流路）
４５ 最も下流に位置する発電セル
４７ パージ弁（パージバルブ）
４９ バッファ空間（凹所）
５０、５０Ｂ 出力制御手段（燃料電池搭載機器、制御部）
５１ 上流側端子部材
５１Ｓ、２０Ｅ 上流側発電部分（主発電部分）
５２ 下流側端子部材
５２Ｓ、２０Ｆ 下流側発電部分（副発電部分）
５３ 変動負荷
５４ 電力変動の小さな負荷（定常負荷）
８４ 規定負荷（抵抗負荷）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体燃料が供給される燃料供給空間を連通させた複数の発電セルを備えた燃料電池、詳しくは、燃料供給空間に拡散した窒素ガス等の不純物ガスによる出力への影響を軽減する制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質層の片面側に配置されて気体燃料が供給される燃料供給空間を直列に接続した燃料電池が実用化されている。また、相互に並列接続された燃料供給空間の数を下流側へ向かって次第に減少させて直列に接続するカスケード方式で複数の燃料供給空間を配置したフロー型の燃料電池が実用化されている。カスケード方式によれば、電解質層を通じた気体燃料の消費による下流側での流量減少を補って、最上流から最下流まで、燃料供給空間における安定した気体燃料の供給流量を確保できる。
【０００３】
電解質層として高分子電解質膜を用い、高分子電解質膜の片側を大気に連通させ、気体燃料の電気化学反応に伴って大気中の酸素を消費するエアブリージング型燃料電池が実用化されている。高分子電解質膜は完全な気密膜ではないので、高分子電解質膜を挟んで燃料供給空間と大気連通空間とが配置されると、大気連通空間から燃料供給空間へ大気中の窒素が濃度拡散する。燃料供給空間に侵入した窒素は、燃料供給空間における気体燃料の分圧を低下させて発電効率を低下させるので、定期的にパージを行って、窒素を含む不純物ガスを燃料供給空間から大気中へ追い出すことが望ましい。
【０００４】
特許文献１には、カスケード方式の接続による別の効果に着目して効率的に燃料供給空間のパージを行わせるデッドエンド型の燃料電池が示される。カスケード方式に燃料供給空間を接続することにより、最も下流側に位置する燃料供給空間へ不純物ガスが濃縮されて蓄積される。
【０００５】
最上流から最下流まで、すべての燃料供給空間に気体燃料の一定の流れが形成されて常時パージ状態となるので、最下流の燃料供給空間以外には不純物ガスが蓄積しない。そして、蓄積した不純物ガスの影響によって、最下流の燃料供給空間の出力電圧が所定のしきい値を割り込むと、最下流の燃料供給空間の下流側に配置された開閉弁が開かれる。最下流の燃料供給空間の容積に相当させた気体燃料を最下流の燃料供給空間に上流側から注ぎ込むことにより、燃料供給空間から濃縮された不純物ガスが大気中に押し出される。
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５３６４３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示される燃料電池では、直列に接続された燃料供給空間の上流側から下流側へ向かう気体燃料の流れが最下流の燃料供給空間へ不純物ガスを蓄積する。最下流の燃料供給空間に流れ込む気体燃料の流れが最下流の燃料供給空間の濃縮された不純物ガスの上流側への拡散を押し止めている。
【０００８】
従って、燃料電池の出力を停止させて気体燃料の流れが途絶えると、最下流の燃料供給空間の濃縮された不純物ガスが上流側へ拡散して、燃料電池全体に不純物ガスが行き渡ってしまう。出力停止までには至らなくても、燃料電池の出力が小さいと、最下流の燃料供給空間に不純物ガスを十分に濃縮できなくなる。
【０００９】
そして、十分に不純物ガスが濃縮されていない状態でパージを行うと、大気中に大量の気体燃料が無駄に排出されてしまう。従って、燃料電池を搭載する機器側には、気体燃料の大量排出を前提とした設計を行う必要がある。
【００１０】
そして、十分に不純物ガスが濃縮されていない状態では、最下流の発電セルの出力電圧が所定のしきい値を割り込むまでに相当な時間が経過して、パージが手遅れになる可能性がある。最下流の燃料供給空間の不純物ガスの濃度が低い状態でも燃料電池の全体には致命的な量の不純物ガスが蓄積されてしまう。この状態で出力電流を増大させると、上流側から下流側へ向かう気体燃料の流れが強まって不純物ガスを下流側へ押し流し、最下流の燃料供給空間における不純物ガスの濃度が一気に高まる。これにより、最下流の発電セルが発電停止すると、上流側から下流側までのすべての発電セルを直列に接続した燃料電池全体の出力も停止してしまう。
【００１１】
すなわち、特許文献１に示される燃料電池は、負荷変動が少ない定常的に大きな出力電流を流し続ける用途においては、適正なタイミングで効果的なパージを行える。しかし、出力と停止とを繰り返す用途、設計値よりも小さな出力電流を流し続ける用途、負荷変動の大きな用途等においては、パージのタイミングが不適切である。パージに伴う気体燃料の無駄も多くなる。
【００１２】
本発明は、出力と停止とを繰り返す用途、小さな出力電流、負荷変動の大きな用途においても、燃料供給空間に蓄積した不純物ガスの影響を軽減できる燃料電池装置を提供することを目的としている。また、パージを行う場合には、適正なタイミングで効果的なパージを行える燃料電池装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の燃料電池装置は、気体燃料が供給される燃料供給空間をそれぞれ有する複数の発電セルが前記燃料供給空間を直列に接続して配置されたものである。燃料供給における下流側に位置する一以上の前記発電セルが直列に接続された下流側発電部分と、前記下流側発電部分よりも上流側に位置する一以上の前記発電セルが直列に接続された上流側発電部分とを備える。そして、前記下流側発電部分に対しては、前記上流側発電部分に対してよりも電力変動の小さな負荷を接続してある。
【００１４】
別の発明の燃料電池装置は、気体燃料が供給される燃料供給空間をそれぞれ有する複数の発電セルが前記燃料供給空間を直列に接続して配置されたものである。燃料供給における下流側に位置する一以上の前記発電セルが直列に接続された下流側発電部分と、前記下流側発電部分に接続する負荷を制御して、予め定めた最低水準以上の出力電流を前記下流側発電部分から取り出し続ける出力制御手段とを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池装置では、燃料供給における下流側の下流側発電部分に、燃料電池装置が備える複数の負荷のうちで出力変動の小さな負荷を選択的に接続してある。下流側発電部分では、出力変動の小さな負荷によって、発電セルの出力電流が安定的に確保される。これにより、下流側発電部分の燃料供給空間には、不純物ガスを必要十分に濃縮して上流側への拡散を阻止するに十分な気体燃料の流れが確保される。
【００１６】
従って、上流側発電部分で出力と停止とが繰り返しても、小さな出力電流が継続しても、負荷変動が大きくても、下流側発電部分の燃料供給空間では、不純物ガスが必要十分な濃度で蓄積され続ける。下流側発電部分に蓄積された不純物ガスが上流側へ拡散することもない。
【００１７】
小さな出力電流を長期継続した後に急激に出力電流を高めた場合でも、大きな負荷変動を繰り返した場合でも、下流側発電部分の燃料供給空間における不純物ガスの濃度の変動が抑制される。下流側発電部分の燃料供給空間へ不純物ガスを高濃度に閉じ込めるので、下流側発電部分（あるいは最も下流側）の燃料供給空間に相当するだけのわずかな気体燃料でも燃料電池全体の不純物ガスの大部分を系外へ排出できる。高い濃度で不純物ガスのパージを行えば、パージに伴う気体燃料の大気中への無駄な排出が減って燃料タンクが長持ちする。
【００１８】
下流側発電部分の発電セルの出力電圧でパージタイミングを制御する場合、特許文献１の制御に比較して、不純物ガス濃度の高まりによって、いきなり発電停止に至る可能性が減る。
【００１９】
別の発明の燃料電池装置では、出力制御手段が、下流側発電部分の出力電流を最低水準以上に確保させる。最低水準とは、下流側発電部分の最も下流側の発電セルに、不純物ガスを必要十分に濃縮して上流側への拡散を阻止するために十分な気体燃料の流れを確保できる出力電流である。これにより、上記発明と同様に、出力と停止とを繰り返す用途、小さな出力電流、負荷変動の大きな用途においても、適正なタイミングで効果的なパージを行える。出力を増大させた際に、不純物ガス濃度の高まりによって燃料電池全体がいきなり発電停止に至る可能性も減る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の燃料電池装置の一実施形態である燃料電池について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の燃料電池装置は、以下に説明する各実施形態の限定的な構成には限定されない。発電セルの燃料供給空間に気体燃料を供給して発電が行われる限りにおいて、各実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実現可能である。
【００２１】
本実施形態では、燃料タンクに貯蔵した水素ガスを用いて発電を行うが、水素原子を含むメタノール等の液体燃料を燃料タンクに貯蔵して、刻々必要なだけ水素ガスに改質反応させて発電セルの燃料供給空間に供給してもよい。
【００２２】
本実施形態の燃料電池装置は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、プロジェクタ、プリンタ、ノート型パソコン等の持ち運び可能な電子機器に着脱可能に装備される独立したユニットとしても実施できる。また、電子機器に燃料電池装置の発電部だけを一体に組み込んで、燃料タンクを着脱させる形式でも実施できる。
【００２３】
なお、特許文献１に示される燃料電池の構造、運転方法、触媒層、高分子電解質膜、膜電極接合体等については、繰り返しの煩雑を回避すべく一部図示を省略し、詳細な説明も省略する。
【００２４】
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の燃料電池の斜視図、図２は燃料電池スタックの断面図、図３はセパレータの説明図、図４は第１実施形態の燃料電池装置の模式図である。図２は、図１中Ａ−Ａ’の断面を示す。
【００２５】
図１に示すように、燃料電池装置２０は、燃料電池スタック２０Ａと燃料タンク２０Ｂとを着脱自在に接続して組み立てられる。燃料電池スタック２０Ａは、一組のエンドプレート２１、２２の間に、複数の発電セル２３、４５（図２）を積層している。燃料タンク２０Ｂは、水素ガスを充填され、必要な圧力に調圧された水素ガスを燃料電池スタック２０Ａに供給する。
【００２６】
エンドプレート２１には、燃料タンク２０Ｂを接続して燃料電池スタック２０Ａに水素ガスを供給する燃料流路入り口２４が設けられる。膜電極接合体２５は、高分子電解質膜の上下両面に白金微粒子を担持させた触媒層を形成してあり、図中上面の触媒層が酸化剤極、下面の触媒層が燃料極となっている。複数の膜電極接合体２５は、セパレータ２６を介して積層される。
【００２７】
図２に示すように、膜電極接合体２５とセパレータ２６との間には、ガス拡散層２３Ａ、２３Ｂが配置される。ガス拡散層２３Ａ、２３Ｂは、カーボンクロスのような反応物を透過する導電性を有するシート材料である。
【００２８】
大気中の酸素は、セパレータ２６に設けられた酸化剤流路４１を介して、紙面垂直方向より各段の発電セル２３、４５に進入し、ガス拡散層２３Ａを通じて膜電極接合体２５の上面全体に拡散供給される。
【００２９】
水素ガスは、燃料流路入り口２４を通じて図中左の供給側主流路４３へ供給され、供給側主流路４３から分岐して各段の燃料流路４２に分配供給される。供給側主流路４３は、セパレータ２６に設けられた貫通口を重ね合わせて形成される。
【００３０】
ガス拡散層２３Ｂに接する膜電極接合体２５の触媒層では、水素ガスが触媒反応によって水素原子に分解されてイオン化し、水素イオンが高分子電解質膜に供給される。ガス拡散層２３Ａに接する膜電極接合体２５の触媒層では、高分子電解質膜から供給される水素イオンに、触媒反応によって酸素が化合して水分子を生成する。膜電極接合体２５の高分子電解質膜は、ガス拡散層２３Ａ側からガス拡散層２３Ｂ側へ水素イオンを移動させる。この電気化学反応に伴ってガス拡散層２３Ｂ側で過剰となった電子が外部回路を経てガス拡散層２３Ａ側へ移動する。
【００３１】
各段の発電セル２３の燃料流路４２は、下流側（図中右側）で排出側主流路４４に合流し、排出側主流路４４は、最も下流側の発電セル４５の燃料流路４２に接続されている。
【００３２】
発電セル４５の燃料流路４２の下流側は、流路板２７の燃料流路出口４３に接続し、燃料流路出口４３には、パージバルブ４７が設置される。パージバルブ４７は、通常は閉じられているので、燃料電池スタック２０Ａはデッドエンド型の運転となる。デッドエンド型の燃料電池スタック２０Ａは、燃料循環用の配管やポンプが不要なので、燃料電池装置２０の小型化に適した構成である。また、水素ガスを循環させないフロー型の燃料電池に比べて、垂れ流す水素ガスが無い分、燃料の有効利用に好適である。
【００３３】
図３に示すように、セパレータ２６の表面（図中下側）には、平行な溝状の酸化剤流路４１が形成されている。図２に示すように、酸化剤流路４１は、ガス拡散層２３Ａを介して、膜電極接合体２５の酸化剤極に大気中の酸素を供給する。
【００３４】
図３に示すように、セパレータ２６の裏面（図中上側）には、つづら折り状の燃料流路４２が形成されている。図２に示すように、燃料流路４２は、ガス拡散層２３Ｂを介して、膜電極接合体２５の燃料極に水素ガスを供給する。
【００３５】
図３に示すように、セパレータ２６の端部には、図２の燃料流路入り口２４から供給される水素ガスを各段の発電セル２３に導くための貫通口４３が設けられる。
【００３６】
燃料電池スタック２０Ａは、酸化剤極が大気に開放された大気開放型であるため、燃料流路４２に進入する不純物ガスの主成分は、空気中に含まれる窒素ガスである。燃料電池スタック２０Ａでは、窒素ガス分圧がほぼ８０ｋＰａの酸化剤極からほぼ０Ｐａの燃料流路４２へ主に膜電極接合体２５を介して窒素ガスが濃度拡散する。膜電極接合体２５における窒素ガス進入レートは、発電させた出力電流密度に応じて変化する。実験的には、動作電流密度２００ｍＡ／ｃｍ２で発電を行うと、膜電極接合体２５の単位面積あたり窒素ガス進入レートは、１．７×１０−５ｍｌ／ｓｅｃ・ｃｍ２（１×１０−３ｓｃｃｍ／ｃｍ２）程度であることが確認された。
【００３７】
第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａでは、直列に接続された燃料流路４２の構成によって、不純物ガスは、最も下流側の発電セル４５の燃料流路４２に濃縮されて蓄積される。上流側の発電セル２３に形成された水素ガスの流れによって、発電セル２３の燃料流路４２における不純物ガス濃度は下流側ほど高くなる。発電セル２３で不純物ガス濃度が高められた水素ガスは、排出側主流路４４を通じて最も下流側の発電セル４５に流れ込む。
【００３８】
発電セル４５の燃料流路４２の入り口における不純物ガス濃度は、排出側主流路４４の不純物ガス濃度とバランスする。発電セル４５の膜電極接合体２５は、不純物ガスを残して水素ガスを取り込むので、発電セル４５内でも下流側へ向かう水素ガスの流れが形成されて、不純物ガス濃度は下流側ほど高くなる。これにより、発電セル４５の燃料流路４２には、高濃度の不純物ガスが蓄積される。発電セル４５の燃料流路４２の不純物ガスは、濃度差に駆動されて燃料流路４２を上流側へ拡散しようとする。しかし、発電セル４５の燃料流路４２へ流れ込む水素ガスが拡散を妨げ、燃料流路４２内の水素ガスの流れが不純物ガスを下流側へ吹き寄せて、不純物ガスの高濃度を保持させる。
【００３９】
図２に示すように、燃料電池スタック２０Ａには、上流側端子部材５１と下流側端子部材５２との２箇所から独立して電力が取り出される。Ｎ段の発電セル２３を直列に接続した出力電圧が上流側端子部材５１と下流側端子部材５２との間から取り出される。最も下流側の発電セル４５の出力電力が下流側端子部材５２と端子部材５５との間から取り出される。上流側端子部材５１と下流側端子部材５２と端子部材５５とが燃料電池搭載機器５０に接続されて電力供給する。
【００４０】
燃料電池搭載機器５０の複数の負荷のうち電力変動が小さい定常負荷５４が下流側端子部材５２と端子部材５５との間に接続されて発電セル４５の発電出力を割り当てられる。電力変動が大きい変動負荷５３が上流側端子部材５１と下流側端子部材５２との間に接続されて発電セル２３の発電出力を割り当てられる。
【００４１】
図４に模式的に示すように、燃料供給の上流側に配置されたＮ個の発電セル２３によって主発電部分５１Ｓが構成される。主発電部分５１Ｓには、燃料電池スタック２０Ａにより電力が供給される変動負荷５３が接続される。変動負荷５３は、ＣＰＵ、駆動モータ等のように、燃料電池搭載機器５０の動作状態に応じて電力消費が大きく変化する負荷である。主発電部分５１Ｓには、燃料電池搭載機器５０側の電圧要求に対応するために必要なＤＣ−ＤＣコンバータ等の回路を介して変動負荷５３が接続されてもよい。
【００４２】
一方、燃料電池スタック２０Ａの最下流の発電セル４５は、副発電部分５２Ｓを構成して定常負荷５４に接続される。定常負荷５４は、必要な電源電圧を得るための不図示の昇圧回路を含み、冷却ファン、液晶バックライト等のように、燃料電池搭載機器５０の動作状態に関わらずほぼ一定の電力消費を継続する。
【００４３】
従って、変動負荷５３の電力消費がどんなに変化しても、最下流の発電セル４５は一定の発電を継続して、毎秒一定量の水素ガスを消費する。最下流の発電セル４５には一定流量の水素ガスが流れ込み続けるので、最下流の発電セル４５に高濃度に蓄積された不純物ガスは上流側へ拡散しない。
【００４４】
図５は燃料電池スタックの負荷変動に対する安定性の評価実験の説明図、図６は安定性の評価実験結果の線図である。
【００４５】
図５に示すように、電子負荷装置８３を用いて、燃料電池スタック２０Ａの出力電流を一定パターンで変化させることにより、燃料電池スタック２０Ａの負荷変動に対する安定性を評価した。図５の（ａ）に示す第１実施形態では、副発電部分５２Ｓに抵抗負荷８４を接続して安定電流を取り出し、主発電部分５１Ｓに電子負荷装置８３を接続した。これに対して、図５の（ｂ）に示す比較例では、副発電部分５２Ｓと主発電部分５１Ｓとを直列接続して電子負荷装置８３を接続した。電子負荷装置８３は、可変電圧の電圧レギュレータ回路で構成され、図６の（ａ）に示すように、負荷抵抗値を変化させて、端子電圧を所定の三角波パターンに変化させる。
【００４６】
図６の（ｂ）には、実験中の主発電部分５１Ｓにおける各発電セル２３の起電力の変化が示される。図中、横軸は時間、縦軸は電子負荷装置８３により燃料電池スタック２０Ａに印加した負荷電流である。
【００４７】
図６の（ｂ）に示すように、第１実施形態の接続では、主発電部分５１Ｓの各発電セル２３の出力が、負荷電流の増大に十分追従している。すなわち、負荷電流の増大に伴って、各発電セル２３の出力電圧は低下するが、特定の発電セル２３で出力電圧が大きく低下することはない。よって、第１実施形態の燃料電池装置２０は、負荷変動によらず安定した出力を燃料電池搭載機器５０に供給可能である。
【００４８】
一方、図６の（ｂ）に示すように、比較例の接続では、主発電部分５１Ｓの一部の発電セル２３が、負荷電流の増大に追従しない。すなわち、負荷電流の増大に伴って、出力電圧の急激な低下を生じる発電セルがある（図中矢印）。このように、比較例の接続を用いた従来の燃料電池装置では、負荷変動が比較的大きい時、安定した出力を燃料電池搭載機器５０に供給できない。
【００４９】
図４に示すように、第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａでは、副発電部分５２Ｓに対して主発電部分５１Ｓとは独立した定常負荷５４を接続する。これにより、少なくとも主発電部分５１Ｓで発電が開始されるより前に、副発電部分５２Ｓで発電が開始される。このため、副発電部分５２Ｓに不純物ガスを高濃度に濃縮して閉じ込めることが可能となる。
【００５０】
そして、変動負荷５３が変動して主発電部分５１Ｓの出力電流が低下しても、副発電部分５２Ｓの不純物ガスが主発電部分５１Ｓに拡散せず、主発電部分５１Ｓの不純物ガス濃度は低く保たれる。これにより、変動負荷５３が変動して主発電部分５１Ｓの出力電流が急激に増大しても、不純物ガスの影響が無い安定した起電力が主発電部分５１Ｓより供給可能となる。すなわち、負荷変動に対応可能な燃料電池スタック２０Ａが提供可能となる。
【００５１】
図７はパージ動作の制御の説明図である。図２に示すように、燃料電池スタック２０Ａは、燃料電池搭載機器５０がパージバルブ４７を制御してパージ動作を実行する。パージバルブ４７は、アクチュエータ或いは手動により開閉動作可能である。
【００５２】
燃料電池搭載機器５０は、最も下流側の発電セル４５（副発電部分５２Ｓ）の出力電圧が所定の最低水準を割り込むと、パージバルブ４７を作動させる。あるいは、図４に示すように、副発電部分５２Ｓに接続された定常負荷５４に流れる電流が所定の最低水準を割り込むことで判断する。すなわち、副発電部分５２Ｓの出力が低下したとき、不純物ガスの蓄積に起因すると判断してパージ動作を実行する。パージ動作時は、パージバルブ４７を０．１秒間開いた後に閉じる動作を１秒間隔で３回行う。これにより、最も下流側の発電セル４５に高濃度に蓄積された不純物ガスを燃料電池スタック２０Ａから大気中へ排出し、燃料電池装置２０の長時間にわたる安定的な発電継続を可能にする。
【００５３】
図７の（ａ）は、図５の（ａ）に示すように、第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａを電子負荷装置８３に接続した際の主発電部分５１Ｓの各発電セル２３の出力電圧を示す。図７の（ｂ）は、この時の副発電部分５２Ｓの発電セル４５の出力電圧と、副発電部分５２Ｓに接続された抵抗負荷８４に流れる電流を示す。
【００５４】
燃料電池装置２０にて発電を行うと、図７の（ｂ）中に矢印で示したように副発電部分５２Ｓの発電セル４５の出力低下が観測される。この出力低下は、不純物ガスの蓄積によって引き起こされる。これを検知してパージ動作を行うと、副発電部分５２Ｓの出力が回復する。パージ動作中、主発電部分５１Ｓの各燃料電池セル２３の出力電圧は安定している。すなわち、主発電部分５１Ｓにおける不純物ガスの影響を防止できる。
【００５５】
このように、第１実施形態の燃料電池装置２０では、副発電部分５２Ｓにおける出力をモニタすることにより、発電セル４５に一定量の不純物ガスが濃縮状態で蓄積されたことを検知できる。そして、発電セル４５の容積を少し越える程度の必要最小限のパージ動作を行うことによって、燃料電池スタック２０Ａ内の大部分の不純物ガスを追い出すことが可能である。これにより、燃料電池スタック２０Ａは、前回のパージ動作直後の状態に回復するので、安定した起電力を燃料電池搭載装置５０に供給し続けることができる。
【００５６】
＜第１実施形態の変形例＞
図８は燃料流路の接続パターンの説明図、図９は下流側の４段の発電セルを副発電部分とした変形例の説明図、図１０は副発電部分の下流にバッファ空間を接続する変形例の説明図である。
【００５７】
図４に示すように、第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａにおける主発電部分５１Ｓの燃料流路４２は、図８の（ａ）に示すパラレル流パターンである。しかし、主発電部分５１Ｓの燃料流路４２は、図８の（ｂ）に示すシリアル流パターン、あるいは図８の（ｃ）に示すカスケード流パターンでもよい。
【００５８】
図４に示すように、第１実施形態における副発電部分５２Ｓは、１段の発電セル４５で構成されるが、複数段の発電セルにより構成してもよい。例えば、図９に示すようにカスケード流パターンを採用して、発電セル２３、４８、４５を直列に接続し、副発電部分５２Ｓを下流側の４段の発電セル４８、４５に割り当ててもよい。上流側端子部材５１と下流側端子部材５２とが燃料電池スタック２０Ａから取り出される。副発電部分５２Ｓには電力変動が小さい定常負荷５４、主発電部分５１Ｓには電力変動が大きい変動負荷５３がそれぞれ接続される。
【００５９】
第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａは、副発電部分５２Ｓを構成する発電セル４５の下流に、不純物ガスを蓄積するバッファ空間を接続してもよい。バッファ空間は、例えば、図１０に示すように、流路板２７Ｂの上面に凹所４９を形成して、エンドプレート２２との間に設けることができる。発電セル４５とパージバルブ４７との間のバッファ空間である凹所４９には、発電セル４５の下流端の不純物ガス濃度とバランスした高い濃度の不純物ガスを蓄積する。
【００６０】
第１実施形態の燃料電池スタック２０Ａは、少なくとも主発電部分５１Ｓの発電が開始されるよりも前に、副発電部分５２Ｓが発電を開始することが望ましい。副発電部分５２Ｓに接続される定常負荷５４は、一定の抵抗値を持った抵抗体であってもよいし、燃料電池装置２０の動作を制御するための制御装置等に接続されてもよい。
【００６１】
第１実施形態の燃料電池装置２０は、発電セル２３、４５を積み重ねて直列に接続した燃料電池スタック２０Ａを備える。しかし、共通の燃料供給基板上に複数の発電セルを平面的に配置して、それぞれの燃料供給空間を直列（カスケード流パターンを含む）に接続した構成としてもよい。
【００６２】
＜第２実施形態＞
図１１は第２実施形態における制御の説明図である。第２実施形態では、第１実施形態と同じ燃料電池スタック２０Ａを用いて、変動負荷に応じた上流側端子部材５１と下流側端子部材５２との切り替え制御を行う。これ以外は第１実施形態と同様であるので、図２、図４と共通する構成には共通の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６３】
図１１に示すように、燃料電池スタック２０Ａには、上流側端子部材５１、下流側端子部材５２、および端子部材５５が接続されている。二系統の切り替えスイッチ５０Ｃは、下流側端子部材５２と端子部材５５とを変動負荷５３に対して切り替え接続すると同時に、下流側端子部材５２が接続された場合には、下流側端子部材５２と端子部材５５との間に抵抗負荷８４を接続する。制御部５０Ｂは、変動負荷５３の電流値を検知する。そして、電流値が所定の下限値以上であれば、変動負荷５３に端子部材５５を接続して燃料電池スタック２０Ｓの全段を直列に接続した出力を変動負荷５３に供給する。しかし、電流値が所定の下限値を割り込むと、変動負荷５３に下流側端子部材５２を接続して主発電部分５１Ｓの出力を変動負荷５３に供給する。同時に、下流側端子部材５２と端子部材５５との間に抵抗負荷８４を接続して、副発電部分５２Ｓの電流値を下限値以上に確保する。
【００６４】
下限値とは、副発電部分５２Ｓを構成する発電セル４５の燃料流路４２に、不純物ガスを必要十分に濃縮して上流側への拡散を阻止するに十分な水素ガスの流れを確保できる出力電流である。
【００６５】
＜第３実施形態＞
図１２は第３実施形態における燃料電池スタックの構成の説明図である。第１実施形態は、１つの燃料電池スタック２０Ａの中に主発電部分５１Ｓと副発電部分５２Ｓとを積み重ねて配置した。これに対して、第３実施形態では独立した主発電部分２０Ｅの燃料供給に関する下流側に独立した副発電部分２０Ｆを接続している。図１１中、図２と機能を共通とする構成部材には共通の符号を付して詳細な説明を省略するが、共通の符号を付した構成部材が同一寸法、同一材料という意味ではない。
【００６６】
図１２に示すように、主発電部分２０Ｅおよび副発電部分２０Ｆは、いずれも膜電極接合体２５を挟んでガス拡散層２３Ａ、２３Ｂを配置する。ガス拡散層２３Ａには、酸化剤流路を通じて膜電極接合体２５の平面方向から大気中の酸素が供給される。ガス拡散層２３Ｂには、燃料供給空間４２Ｂを通じて水素ガスが供給される。
【００６７】
主発電部分２０Ｅの燃料供給空間４２Ｂには、燃料流路入り口２４Ｂを通じて水素ガスが供給される。主発電部分２０Ｅの燃料供給空間４２Ｂの下流側に、燃料流路入り口２４Ｃによって副発電部分２０Ｆの燃料供給空間４２Ｂが接続されている。副発電部分２０Ｆの燃料供給空間４２Ｂには、燃料流路入り口２４Ｃを通じて、主発電部分２０Ｅの燃料供給空間４２Ｂから水素ガスが供給される。副発電部分２０Ｆの下流側には、副発電部分２０Ｆの燃料供給空間４２Ｂに濃縮して蓄積された不純物ガスを大気中へ排出するパージ弁４７が接続されている。
【００６８】
主発電部分２０Ｅには、出力電流の変動幅が大きい変動負荷５３が接続される。一方、燃料供給の下流側に位置する副発電部分２０Ｆには、出力電流の変動幅が小さい定常負荷５４が接続される。副発電部分２０Ｆが定常的な発電を行うことで、燃料流路入り口２４Ｃからから副発電部分２０Ｆへ一定流量の水素ガスが流れ込み続ける。この水素ガスの流れによって、仮に変動負荷５３の電流が停止した場合でも、副発電部分２０Ｆの濃縮された不純物ガスは、副発電部分２０Ｆに止められて上流側へ漏れ出さない。
【００６９】
第３実施形態においても、副発電部分２０Ｆの出力変化を検知してパージ弁４７を作動させることにより、適正なタイミングで、水素ガスの無駄な排出が少ないパージ動作を実行できる。また、変動負荷５３の負荷変動に対して応答性高く、主発電部分２０Ｅから電力供給を継続できる。従って、負荷変動の比較的大きな機器の要求出力に対応可能であり、安定した発電が可能な燃料電池装置が提供可能となる。
【００７０】
＜開発の経緯＞
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。
【００７１】
電解質層として高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池は、常温に近い温度で使用でき、電解質が液体ではなく固体であるので、安全に持ち運べるという利点を有している。固体高分子型燃料電池の発電セルは、触媒層を高分子電解質膜の両面に配置した膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有している。
【００７２】
固体高分子型燃料電池の発電セルは単セル出力電圧が最大でも１Ｖ強なので、実用的な出力電圧を得るため、複数の発電セルを電気的に直列に接続して、燃料電池スタックが形成される。
【００７３】
セパレータは、燃料電池セルを電気的に直列に接続するための導電性を有すると共に、酸化剤と燃料とを分離するシール性を有する。セパレータの酸化剤極側には酸化剤を供給する酸化剤流路が、燃料極側には燃料を供給する燃料流路が設けられる。
【００７４】
水素ガスと大気中の酸素とを電気化学反応させる燃料電池では、燃料流路には、燃料タンク等から水素ガスが燃料として供給され、酸化剤流路には空気中の酸素が酸化剤として供給される。このような燃料電池装置では、燃料がデッドエンドモードで動作するよう設計されることがある。
【００７５】
デッドエンド型の燃料電池装置では、起動時や動作中に燃料流路内の不純物ガスを燃料流路より除去するためのパージバルブが設置される。これは、燃料に含まれる、或いは外部から混入する不純物ガスを除去するためである。
【００７６】
特許文献１には、デッドエンド型の燃料電池におけるパージ動作の制御方法が示される。複数の発電セルは、カスケード流パターンで燃料流路を直列に接続されていて、最も下流側に位置する発電セルに、窒素ガス等の不純物ガスがたまりやすい。
【００７７】
本願発明の発明者は、特許文献１の制御が、負荷変動が比較的少ない定常的な出力を必要とする機器には効果的でも、負荷変動の大きい機器の要求には十分対応できないという課題を見出した。発明者は、鋭意検討した結果、特許文献１の燃料電池では、負荷低下時に不純物ガスが燃料電池スタックに滞留してしまい、その後の急激な負荷増大時に十分な出力が得られなかったとの知見を得、本発明の提案に至った。
【００７８】
すなわち、負荷変動が比較的少ない定常的な出力を要求する機器であれば、最も下流側に位置する発電セルの発電量も一定で、不純物ガスを効果的に蓄積可能である。しかし、外部負荷の要求出力の変動が大きい機器では、外部負荷の要求電力が低下した際には、最も下流側に位置する発電セルの発電も低下する。発明者は、このような場合、最も下流側に位置する発電セルに有効に不純物ガスが蓄積されないことを見出している。
【００７９】
その結果、不純物ガスが最も下流側に位置する発電セル以外の燃料電池スタック内に蓄積する場合が発生する。この状況で、外部負荷の要求出力が急激に増大すると、不純物ガスの影響によって、燃料電池スタックの出力が十分に得られないことがある。
【００８０】
＜発明との比較＞
燃料電池装置２０は、気体燃料が供給される燃料流路４２をそれぞれ有する複数の発電セル２３、４５を、燃料流路４２を直列に接続して配置している。燃料供給における下流側に位置する一以上の発電セル４５が直列に接続された副発電部分５２Ｓと、副発電部分５２Ｓよりも上流側に位置する一以上の発電セル２３が直列に接続された主発電部分５１Ｓとを備える。そして、副発電部分５２Ｓに対しては、主発電部分５１Ｓに対してよりも電力変動の小さな定常負荷５４を接続してある。
【００８１】
燃料電池装置２０では、燃料供給における下流側の副発電部分５２Ｓに、燃料電池装置２０が電力供給する複数の負荷のうちで出力変動の小さな定常負荷５４を選択的に接続してある。副発電部分５２Ｓでは、出力変動の小さな定常負荷５４によって、発電セル４５の出力電流が安定的に確保される。これにより、副発電部分５２Ｓの燃料流路４２には、不純物ガスを必要十分に濃縮して上流側への拡散を阻止するために十分な気体燃料の流れが確保される。
【００８２】
従って、主発電部分５１Ｓで出力と停止とが繰り返しても、小さな出力電流が継続しても、負荷変動が大きくても、副発電部分５２Ｓの燃料流路４２では、不純物ガスが必要十分な濃度で蓄積され続ける。副発電部分５２Ｓに蓄積された不純物ガスが上流側へ拡散することもない。
【００８３】
小さな出力電流を長期継続した後に急激に出力電流を高めた場合でも、大きな負荷変動を繰り返した場合でも、副発電部分５２Ｓの燃料流路４２における不純物ガスの濃度の変動が抑制される。副発電部分５２Ｓの燃料流路４２へ高濃度の不純物ガスを閉じ込めるので、副発電部分５２Ｓの燃料流路４２に相当するだけのわずかな気体燃料でも燃料電池スタック２０Ｓ全体の不純物ガスの大部分を排出できる。高い濃度の不純物ガスをパージすれば、パージ動作に伴う気体燃料の大気中への無駄な排出が減って燃料タンク２０Ｂが長持ちする。
【００８４】
副発電部分５２Ｓの発電セル２３の出力電圧でパージタイミングを制御する場合、特許文献１の制御に比較して、不純物ガス濃度の高まりによって、いきなり発電停止に至る可能性が減る。
【００８５】
図１１に示す変形例における燃料電池スタック２０Ａは、気体燃料が供給される燃料流路４２をそれぞれ有する複数の発電セル２３を、燃料流路４２を直列に接続して配置している。燃料供給における下流側に位置する一以上の発電セル４５が直列に接続された副発電部分５２Ｓと、副発電部分５２Ｓに接続する負荷を制御して、予め定めた最低水準以上の出力電流を副発電部分５２Ｓから取り出し続ける制御部５０Ｂとを備える。
【００８６】
図１１に示す変形例では、制御部５０Ｂが、副発電部分５２Ｓの出力電流を最低水準以上に確保させる。最低水準とは、副発電部分５２Ｓの最も下流側の発電セル４５に、不純物ガスを必要十分に濃縮して上流側への拡散を阻止するために十分な気体燃料の流れを確保できる出力電流である。これにより、上記発明と同様に、出力と停止とを繰り返す用途、小さな出力電流、負荷変動の大きな用途においても、適正なタイミングで効果的なパージを行える。出力を増大させた際に、不純物ガス濃度の高まりによって燃料電池装置２０がいきなり発電停止に至る可能性も減る。
【００８７】
図１１に示す変形例では、制御部５０Ｂは、副発電部分５２Ｓから取り出した出力電流が予め定めた下限値を下回ると、副発電部分５２Ｓに予め定めた抵抗負荷８３を接続して前記最低水準を確保する。従って、変動負荷５３が下限値以上の電流を流している限り、抵抗負荷８３による無駄な電力消費が発生しない。
【００８８】
燃料電池装置２０は、副発電部分５２Ｓが燃料供給における最も下流側に位置する発電セル４５を含む。そして、副発電部分５２Ｓのさらに下流側における最も下流位置に、燃料流路４２に蓄積された不純物ガスを排出させるパージバルブ４７を接続している。
【００８９】
図１０に示す変形例では、副発電部分５２Ｓ（発電セル４５）の下流側に、燃料流路４２の不純物ガスが蓄積されるバッファ空間（凹所４９）を接続している。
【００９０】
燃料電池装置２０における副発電部分５２Ｓは、燃料流路４２が別の燃料流路４２に対して並列接続されていない１つの発電セル４５である。従って、２以上が並列に接続されている場合に比較して少ない気体燃料の流量で、上流側への不純物ガスの漏れ出しを防止できる。
【００９１】
図９に示す変形例では、相互に並列接続された燃料流路４２(図２）の数を下流側へ向かって次第に減少させて直列に接続するカスケード方式で、複数の燃料流路４２が連通している。従って、最も下流に位置する発電セル４５へ蓄積される不純物ガスの濃度が３段階に高められ、２段階の場合よりも高濃度の不純物ガスをパージ排出できる。
【００９２】
燃料電池スタック２０Ａは、複数の発電セル２３、４５がそれぞれ等しい平面形状に形成されて積み重ねられる。大気に連通して前記発電セル２３の平面方向から大気中の酸素を取り入れる酸化剤流路４１と、隣接する発電セル２３の燃料流路４２と酸化剤流路４１とを分離して隣接する発電セル２３を電気的に直列接続するセパレータ２６とを備える。副発電部分５２Ｓから出力電流を取り出す下流側端子部材５２がセパレータ２６に接続されている。
【００９３】
図１２に示す第３実施形態では、気体燃料が一方向に流れる燃料流路４２を備える。主発電部分５１Ｓの燃料流路４２の最も下流側に接続されて主発電部分５１Ｓの燃料流路４２Ｂの不純物ガスが蓄積される副発電部分５２Ｓの燃料流路４２Ｂと、副発電部分５２Ｓの燃料流路４２Ｂに配置されて、副発電部分５２Ｓの燃料流路４２Ｂの気体燃料を消費して発電する膜電極接合体２５と、膜電極接合体２５に接続されて膜電極接合体２５から予め定めた最低水準以上の出力電流を取り出し続ける定常負荷５４とを備える。
【００９４】
燃料電池装置２０は、気体燃料が供給される燃料流路４２をそれぞれ有する複数の発電セル２３を、前記燃料流路４２を直列に接続して配置している。そして、燃料供給における下流側の発電セル４５の出力電流を予め定めた最低値以上に維持することにより、下流側の発電セル４５の燃料流路４２から上流側へ向かう不純物ガスの拡散を抑制している。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】第１実施形態の燃料電池の斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの断面図である。
【図３】セパレータの説明図である。
【図４】第１実施形態の燃料電池スタックの模式図である。
【図５】燃料電池スタックの負荷変動に対する安定性の評価実験の説明図である。
【図６】安定性の評価実験結果の線図である。
【図７】パージ動作の制御の説明図である。
【図８】燃料流路の接続パターンの説明図である。
【図９】下流側の４段の発電セルを副発電部分とした変形例の説明図である。
【図１０】副発電部分の下流側にバッファ空間を接続した変形例の説明図である。
【図１１】第２実施形態における制御の説明図である。
【図１２】第３実施形態における燃料電池スタックの構成の説明図である。
【符号の説明】
【００９６】
２０ 燃料電池装置
２０Ａ 燃料電池スタック
２０Ｂ 燃料タンク
２１、２２ エンドプレート
２３ 発電セル
２３Ａ、２３Ｂ ガス拡散層
２４ 燃料流路入り口
２５ 膜電極接合体
２６ セパレータ部材（セパレータ）
２７ 流路板
４１ 大気連通空間（酸化剤流路）
４２ 燃料供給空間（燃料流路）
４５ 最も下流に位置する発電セル
４７ パージ弁（パージバルブ）
４９ バッファ空間（凹所）
５０、５０Ｂ 出力制御手段（燃料電池搭載機器、制御部）
５１ 上流側端子部材
５１Ｓ、２０Ｅ 上流側発電部分（主発電部分）
５２ 下流側端子部材
５２Ｓ、２０Ｆ 下流側発電部分（副発電部分）
５３ 変動負荷
５４ 電力変動の小さな負荷（定常負荷）
８４ 規定負荷（抵抗負荷）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体燃料が供給される燃料供給空間をそれぞれ有する複数の発電セルを、前記燃料供給空間を直列に接続して配置した燃料電池装置において、
燃料供給における下流側に位置する一以上の前記発電セルが直列に接続された下流側発電部分と、
前記下流側発電部分よりも上流側に位置する一以上の前記発電セルが直列に接続された上流側発電部分と、を備え、
前記下流側発電部分に対しては、前記上流側発電部分に対してよりも電力変動の小さな負荷を接続したことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
気体燃料が供給される燃料供給空間をそれぞれ有する複数の発電セルを、前記燃料供給空間を直列に接続して配置した燃料電池装置において、
燃料供給における下流側に位置する一以上の前記発電セルが直列に接続された下流側発電部分と、
前記下流側発電部分に接続する負荷を制御して、予め定めた最低水準以上の出力電流を前記下流側発電部分から取り出し続ける出力制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３】
前記出力制御手段は、前記下流側発電部分から取り出した出力電流が予め定めた下限値を下回ると、前記下流側発電部分に予め定めた規定負荷を接続して前記最低水準を確保することを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記下流側発電部分は、燃料供給における最も下流側に位置する発電セルを含み、
前記下流側発電部分の下流側における最も下流位置に、前記燃料供給空間に蓄積された不純物ガスを排出させるパージ弁を接続したことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記下流側発電部分の下流側に、前記燃料供給空間の不純物ガスが蓄積されるバッファ空間を接続したことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記下流側発電部分は、前記燃料供給空間が別の前記燃料供給空間に対して並列接続されていない１つの発電セルであることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項７】
相互に並列接続された前記燃料供給空間の数を下流側へ向かって次第に減少させて直列に接続するカスケード方式で、複数の前記燃料供給空間が連通していることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記複数の発電セルがそれぞれ等しい平面形状に形成されて積み重ねられ、
大気に連通して前記発電セルの平面方向から大気中の酸素を取り入れる酸化剤流路と、
隣接する前記発電セルの前記燃料供給空間と前記酸化剤流路とを分離して隣接する前記発電セルを電気的に直列接続するセパレータ部材と、を備え、
前記下流側発電部分から出力電流を取り出す下流側端子部材が前記セパレータ部材に接続されていることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項９】
気体燃料が一方向に流れる燃料供給空間を備えた燃料電池装置において、
前記燃料供給空間の最も下流側に接続されて前記燃料供給空間の不純物ガスが蓄積されるバッファ空間と、
前記バッファ空間に配置されて、前記バッファ空間の気体燃料を消費して発電する発電手段と、
前記発電手段に接続されて前記発電手段から予め定めた最低水準以上の出力電流を取り出し続ける負荷手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１０】
気体燃料が供給される燃料供給空間をそれぞれ有する複数の発電セルを、前記燃料供給空間を直列に接続して配置した燃料電池の運転方法において、
燃料供給における下流側の発電セルの出力電流を予め定めた最低値以上に維持することにより、前記下流側の発電セルの前記燃料供給空間から上流側へ向かう不純物ガスの拡散を抑制することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１】
気体燃料が供給される燃料供給空間をそれぞれ有する複数の発電セルを、前記燃料供給空間を直列に接続して配置した燃料電池装置において、
燃料供給における下流側に位置する一以上の前記発電セルが直列に接続された下流側発電部分と、
前記下流側発電部分よりも上流側に位置する一以上の前記発電セルが直列に接続された上流側発電部分と、を備え、
前記下流側発電部分に対しては、前記上流側発電部分に対してよりも電力変動の小さな負荷を接続したことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
気体燃料が供給される燃料供給空間をそれぞれ有する複数の発電セルを、前記燃料供給空間を直列に接続して配置した燃料電池装置において、
燃料供給における下流側に位置する一以上の前記発電セルが直列に接続された下流側発電部分と、
前記下流側発電部分に接続する負荷を制御して、予め定めた最低水準以上の出力電流を前記下流側発電部分から取り出し続ける出力制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３】
前記出力制御手段は、前記下流側発電部分から取り出した出力電流が予め定めた下限値を下回ると、前記下流側発電部分に予め定めた規定負荷を接続して前記最低水準を確保することを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記下流側発電部分は、燃料供給における最も下流側に位置する発電セルを含み、
前記下流側発電部分の下流側における最も下流位置に、前記燃料供給空間に蓄積された不純物ガスを排出させるパージ弁を接続したことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記下流側発電部分の下流側に、前記燃料供給空間の不純物ガスが蓄積されるバッファ空間を接続したことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記下流側発電部分は、前記燃料供給空間が別の前記燃料供給空間に対して並列接続されていない１つの発電セルであることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項７】
相互に並列接続された前記燃料供給空間の数を下流側へ向かって次第に減少させて直列に接続するカスケード方式で、複数の前記燃料供給空間が連通していることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記複数の発電セルがそれぞれ等しい平面形状に形成されて積み重ねられ、
大気に連通して前記発電セルの平面方向から大気中の酸素を取り入れる酸化剤流路と、
隣接する前記発電セルの前記燃料供給空間と前記酸化剤流路とを分離して隣接する前記発電セルを電気的に直列接続するセパレータ部材と、を備え、
前記下流側発電部分から出力電流を取り出す下流側端子部材が前記セパレータ部材に接続されていることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項９】
気体燃料が一方向に流れる燃料供給空間を備えた燃料電池装置において、
前記燃料供給空間の最も下流側に接続されて前記燃料供給空間の不純物ガスが蓄積されるバッファ空間と、
前記バッファ空間に配置されて、前記バッファ空間の気体燃料を消費して発電する発電手段と、
前記発電手段に接続されて前記発電手段から予め定めた最低水準以上の出力電流を取り出し続ける負荷手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１０】
気体燃料が供給される燃料供給空間をそれぞれ有する複数の発電セルを、前記燃料供給空間を直列に接続して配置した燃料電池の運転方法において、
燃料供給における下流側の発電セルの出力電流を予め定めた最低値以上に維持することにより、前記下流側の発電セルの前記燃料供給空間から上流側へ向かう不純物ガスの拡散を抑制することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−２４２２６６（Ｐ２００７−２４２２６６Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５９１８１（Ｐ２００６−５９１８１）
【出願日】平成１８年３月６日（２００６．３．６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月６日（２００６．３．６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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