(57)【要約】【課題】  燃料流路のガス置換を、燃料の消費が少なく、簡便な方法で行うことができ、小型でかつ長時間の連続運転が可能な燃料電池装置を提供する。【解決手段】  酸化剤が供給される酸化剤極と燃料が供給される燃料極が電解質膜を介して配置された電解質電極接合体よりなる発電部１と、該発電部１の燃料極に供給される燃料を保持する燃料貯蔵部２と、該燃料貯蔵部と該発電部とを接続する燃料流路３とを有する燃料電池装置であって、該燃料流路の体積が可変である燃料電池装置。燃料流路３には接着バルブ５とパージバルブ５が設けられている。【選択図】        図１
2006040641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤が供給される酸化剤極と燃料が供給される燃料極が電解質膜を介して配置された電解質電極接合体よりなる発電部と、該発電部の燃料極に供給される燃料を保持する燃料貯蔵部と、該燃料貯蔵部と該発電部とを接続する燃料流路とを有する燃料電池装置であって、該燃料流路の体積が可変であることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料流路内にバルブが配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
酸化剤が供給される酸化剤極と燃料が供給される燃料極が電解質膜を介して配置された複数の電解質電極接合体が、燃料供給路と酸化剤供給路を介して積層された発電部と、該発電部の燃料極に供給される燃料を保持する燃料貯蔵部と、該燃料貯蔵部と該発電部とを接続する燃料流路とを有する燃料電池装置であって、前記複数個の電解質電極接合体間に配置された燃料供給路と酸化剤供給路の少なくとも燃料供給路の体積が可変であることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項４】
前記複数の電解質電極接合体が、燃料供給路と酸化剤供給路を有するセパレータを介して積層されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記燃料流路と燃料供給路は接続していることを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記燃料流路内にバルブが配置されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と酸化剤の反応により電力を発生する燃料電池装置に関し、特に燃料貯蔵部と燃料流路とを有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、触媒を有する燃料極と、触媒を有する酸化剤極との間に、電解質膜が挟まれた電解質電極接合体を発電部としている。この電解質電極接合体では、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燃料と酸化剤を電気化学的に反応させる。
【０００３】
近年、デジタルカメラ、ノートＰＣ等の小型電気機器への燃料電池の応用が期待されている。これ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、さらに燃料を補給することにより、これら小型電気機器の長時間の連続使用が可能となるためである。
【０００４】
これら可搬式の燃料電池では発電に必要な水素などの燃料は、発電部とは別に燃料タンク等に保持される。燃料タンク内の燃料は、燃料流路を通して発電部に供給される。発電に伴い燃料が消費された場合、燃料の充填あるいは燃料タンクの交換を行う。燃料タンクを交換する際には、一旦燃料タンクを燃料電池本体から取り外す必要がある。
【０００５】
例えばガスを燃料として用いる燃料電池装置では、燃料タンクの交換時大気が燃料流路内に混入する場合がある。燃料流路に大気が混入すると、燃料電池の出力が著しく低下するため、燃料交換後に燃料流路内のガスを燃料ガスと置換することが必要となる。
【０００６】
また、メタノールなどの水溶液を燃料に用いた燃料電池においては、発電によって燃料極近傍のメタノール濃度が低下する事がある。この場合流路内のメタノール溶液を新しいものと置換することが必要である。
【０００７】
例えば、特許文献１に示すように、燃料流路内のガス置換の方法としては、燃料ガスを供給しつつ、燃料ガスを水素置換バルブから排出することにより燃料ガス置換を行う方法が挙げられる。
【特許文献１】特開２００３−３３１８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記方法では、ガス置換によって消費される燃料が燃料流路体積の数倍に達してしまう。このようなガス置換による燃料の消費は、燃料電池における発電エネルギー量の低下をまねく。
【０００９】
本発明は、燃料流路のガス置換を、燃料の消費が少なく、簡便な方法で行うことができ、これにより小型でかつ長時間の連続運転が可能な燃料電池装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上述の課題を解決するためになされたものである。
すなわち、本発明の第一の発明の燃料電池装置は、酸化剤が供給される酸化剤極と燃料が供給される燃料極が電解質膜を介して配置された電解質電極接合体よりなる発電部と、該発電部の燃料極に供給される燃料を保持する燃料貯蔵部と、該燃料貯蔵部と該発電部とを接続する燃料流路とを有する燃料電池装置であって、該燃料流路の体積が可変であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第二の発明の燃料電池装置は、酸化剤が供給される酸化剤極と燃料が供給される燃料極が電解質膜を介して配置された複数の電解質電極接合体が、燃料供給路と酸化剤供給路を介して積層された発電部と、該発電部の燃料極に供給される燃料を保持する燃料貯蔵部と、該燃料貯蔵部と該発電部とを接続する燃料流路とを有する燃料電池装置であって、前記複数個の電解質電極接合体間に配置された燃料供給路と酸化剤供給路の少なくとも燃料供給路の体積が可変であることを特徴とする。
【００１２】
また、上記の本発明の燃料電池装置は、前記燃料流路内にバルブが配置されていることを特徴とする。
また、上記の本発明の燃料電池装置は、前記複数の電解質電極接合体が、燃料供給路と酸化剤供給路を有するセパレータを介して積層されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池装置によれば、燃料流路の置換時に燃料の消費が少く、かつ簡便に行うことが可能となる。これにより、燃料タンクの燃料を効率よく、発電に使用でき、小型でかつ長時間の連続運転が可能な燃料電池装置を提供できる。また、発電時に燃料流路内の圧力変動が抑制され、出力が安定した燃料電池装置を提供可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の望ましい実施形態を図１に示す。
図１は、本発明の好ましい実施形態を示す燃料電池装置の構成を示す概略図である。１は酸化剤が供給される酸化剤極と燃料が供給される燃料極が電解質膜を介して配置された電解質電極接合体よりなる発電部、２は発電部の燃料極に供給される燃料を保持する燃料貯蔵部である燃料タンク、３は発電部の燃料極に燃料タンクに貯蔵された燃料を供給する燃料流路である。燃料流路と燃料タンクの接続部には接続バルブ４が、また燃料流路内にはパージバルブ５が設けられている。
【００１５】
発電部１の電解質電極接合体は、電解質膜の両側に触媒を含む電極が設けられた構造を有する。電解質膜は、例えばプロトン伝導性の高分子材料、具体的にはパーフルオロカーボン系、非パーフルオロ系、ハイブリッド系等のイオン交換膜が用いられるが、本発明は特にこれらの材料に限定されるものではない。触媒を含む電極としては、例えば白金微粒子を含む炭素粉末より構成されるものが挙げられる。電解質電極接合体の一方の電極に燃料が供給され、他方に酸化剤が供給されることによって、電極間で起電力が発生し発電が行われる。
【００１６】
２の燃料タンクに燃料を貯蔵する方法としては、燃料を圧縮して高圧ガスとして保存する方法や水素吸蔵合金、炭素系材料等に吸蔵する方法などが挙げられる。
発電部に燃料を供給する燃料流路３には、燃料タンクと発電部を脱着可能とする接続バルブ４や燃料流路内のガスを置換するためのパージバルブ５等が設けられる。
【００１７】
本発明における燃料流路３はその体積が可変である構成からなることを特徴とする。体積が可変である構成とは、例えば図１に示す様に燃料流路の周面に凹凸を有し伸縮自在に形成されているもの、燃料流路の材質が弾性または柔軟性を有し伸縮自在である材料により形成されたものが挙げられる。
【００１８】
接続バルブは、燃料タンクを脱着可能とすると同時に、非装着時には燃料タンクからの燃料の漏れを防止する機能を有する。一方パージバルブは、燃料流路内のガスを置換すると同時に、燃料流路内のガス圧が異常上昇した際には燃料ガスを大気に放出する機能を有する。これら接続バルブやパージバルブは、圧力の変化によって開閉するもの、或いは外部信号によって動作するものであっても良い。
【００１９】
次に、燃料タンク装着時のガス置換の動作を説明する。燃料タンク装着前の燃料流路中には、燃料ガス以外に大気中からの不純物ガスが混入し燃料電池動作時に所望の出力を得られない状態となる。この不純物ガスが混入した燃料を燃料流路から排出するために、燃料流路の体積を縮め燃料流路内のガスをパージバルブより排出する。燃料流路内のガスを排出した後、パージバルブを閉じて燃料タンクを燃料流路に接続する。燃料タンクより燃料ガスが燃料流路に注入され、燃料流路の体積を所望の体積まで増大させる。以上の動作によって燃料流路内のガス置換が完了する。
【００２０】
本発明によるガス置換の方法によると、燃料ガスによって不純物ガスを排出するのではなく、燃料流路の体積を縮めることによって行うためガス置換による燃料消費を抑制でき、より長時間の連続運転が可能な燃料電池装置を供給することができる。また、ポンプなどガス置換のための装置が不要であり小型な燃料電池装置を提供できる。
【実施例】
【００２１】
実施例１
図２は本発明の第１の実施例の燃料電池装置を示す概略図である。図３および図４は図２の燃料電池装置を示す断面図である。図３および図４はＡＡ’線断面図である。
【００２２】
本実施例の燃料電池装置においては、燃料として水素、酸化剤は大気を用いて発電を行う。燃料である水素は、燃料タンク２に圧縮して貯蔵した。水素の初期圧力は室温にて１ＭＰａ程度とした。燃料電池の出力を一定に保つために、本実施例では接続バルブ４より発電部側の燃料流路に圧力調整バルブ６を設けた。本圧力調整バルブは、燃料流路内が０．１ＭＰａよりも低圧力で開き、それよりも高い圧力では閉じた状態となるよう設計されている。これによって、燃料流路内の圧力はほぼ０．１ＭＰａに維持される。
【００２３】
燃料流路内に設けられたパージバルブ５は燃料流路内の圧力が０．１５ＭＰａを超えたときに開き、それ以下では閉じた状態となるよう設計されている。これによって燃料流路内の圧力が異常に上昇した際に発電部の電解質電極接合体が破壊されるのを防止する。
【００２４】
以上の構成からなる燃料電池装置に、燃料タンクを装着する際の動作を説明する。
燃料タンクを装着するために、燃料タンクの接続バルブを燃料流路に設けられた対となる接続バルブに向けて押し込む。この際接続バルブ間に設けられたシール部材７が圧縮され、カバー部材８を初期位置（図３に示した位置）より燃料流路の体積を縮める方向に移動させる。これにより燃料流路内の不純物ガスを含む燃料の圧力が上昇し０．１５ＭＰａを超えパージバルブが開く。燃料流路の可動部９が突き当て位置（図４に示した位置）まで圧縮され、燃料流路の体積変化が無くなり燃料流路内の圧力が低下しパージバルブが閉じる。さらに燃料タンクを押し込むことによって、シール部材７が変形し接続バルブがロックされる。続いて、燃料タンクを引き出してカバー部材８を初期位置に戻す。カバー部材８の移動に伴い燃料流路の体積が膨張し、燃料流路内の圧力が低下する。０．１ＭＰａ以下で圧力調整バルブが作動して燃料タンクより燃料流路に燃料が供給される。燃料タンクが初期位置に戻った時点で、燃料流路内のガス置換を完了する。
【００２５】
以上で示したように、燃料流路の体積を可変とすることによって燃料タンク装着時のガス置換が簡便に行え、ガス置換による燃料の消費を抑制することができ長時間動作可能な燃料電池装置を提供することが可能となる。
【００２６】
実施例２
図５は本発明の第２の実施例の燃料電池装置を示す概略図である。図６および図７は図５の燃料電池装置を示す断面図である。図６および図７はＢＢ’線断面図である。
【００２７】
本実施例の燃料電池装置においては、発電部１に電解質電極接合体１０を複数積層した燃料電池スタック１６を用いた。燃料電池スタックは、図のように電解質電極接合体とセパレータ１４が積層された構造である。セパレータは、電解質膜電極接合体の酸化剤極１２に接する面に酸化剤供給路１５、電解質膜電極接合体の燃料極１３に接する面に燃料供給路１９が設けられている。燃料電池スタックの端板１７に積層方向の力を加えることにより、セパレータに設けられた酸化剤供給路１５および燃料供給路１９は体積が変化するよう弾性体の材料を用いて形成した。燃料流路３と燃料供給路１９とは接続している。
【００２８】
本実施例においても、燃料として水素、酸化剤は空気を用いた。燃料である水素は、燃料タンク２内に設けられた水素吸蔵合金ＬａＮｉ5 に水素を吸蔵して用いた。水素の開放圧力は室温にて０．２〜０．３ＭＰａ程度である。燃料流路と燃料タンク間に接続バルブ４、燃料流路内にはパージバルブ５を設けた。酸化剤の空気は空気取り入れ口１８より供給される。
【００２９】
以上の構成からなる燃料電池装置に、燃料タンクを装着する際の動作を説明する。
燃料タンクを装着するために、燃料タンクの接続バルブを燃料流路に設けられた対となる接続バルブに向けて押し込み固定する（図６に示した位置）。次に、端板を通して燃料電池スタックの積層方向に力を加える（図７に示した位置）。この積層方向の力により、セパレータに設けられた酸化剤供給路および燃料供給路は体積が減少し、燃料供給路および燃料流路内の圧力が上昇する。これによりパージバルブが開閉し、燃料供給路および燃料流路内のガスが排出される。積層方向の力を除去し燃料供給路および燃料流路内の圧力が低下すると、接続バルブより燃料流路内へガスが導入される。
【００３０】
以上の操作によって、燃料供給路および燃料流路内のガス置換を完了する。このように、燃料供給路および燃料流路の体積を可変とすることによって燃料タンク装着時のガス置換が簡便に行え、ガス置換による燃料の消費を抑制することができ長時間安定に動作可能な燃料電池を提供することが可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の燃料電池装置は、燃料電池の小型化に適した構成でガス置換を実施可能となり、さらにガス置換による燃料の消費を抑制することができ長時間動作可能で、安定した燃料電池の出力が得られるので、小型携帯機器等の燃料電池装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の好ましい実施形態を示す燃料電池装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施例の燃料電池装置を示す概略図である。
【図３】図２の燃料電池装置を示す断面図である。
【図４】図２の燃料電池装置を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施例の燃料電池装置を示す概略図である。
【図６】図５の燃料電池装置を示す断面図である。
【図７】図５の燃料電池装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  発電部
２  燃料タンク
３  燃料流路
４  接続バルブ
５  パージバルブ
６  圧力調整バルブ
７  シール部材
８  カバー部材
９  可動部
１０  電解質電極接合体
１１  電解質膜
１２  酸化剤極
１３  燃料極
１４  セパレータ
１５  酸化剤供給路
１６  燃料電池スタック
１７  端板
１８  空気取り入れ口
１９  燃料供給路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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