(57)【要約】【課題】  スタックの燃料利用率をより向上させることができる燃料電池システムを提供する。また、システムを駆動するための寄生電力を減少させながら、システム全体の大きさをコンパクトにすることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  本発明による燃料電池システムは、燃料及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させて、前記酸素と反応して残存している燃料を排出する少なくとも一つの電気発生部と、前記電気発生部に予め設定された量の燃料を供給する燃料供給源と、前記酸素を前記電気発生部に供給する酸素供給源と、前記電気発生部の燃料排出部分に接続されて、前記電気発生部の内部の燃料圧力を調節する開閉部と、前記電気発生部に設けられ、前記電気発生部の電気出力量を感知する感知部と、前記感知部の感知信号を所定の制御信号に変換して、この制御信号によって前記開閉部を制御する制御部をと含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させて、前記酸素と反応して残存している燃料を排出する少なくとも一つの電気発生部と、
前記電気発生部の内部の燃料圧力を調節するための圧力調節ユニットとを含み、
前記圧力調節ユニットは、前記電気発生部の燃料排出部分に接続されて、前記燃料排出部分を選択的に開閉する開閉部を含む、燃料電池システム。
【請求項２】
前記開閉部は、
前記燃料排出部分を閉鎖して、前記電気発生部の内部に、予め設定された燃料供給量に対応する圧力雰囲気を形成し、前記燃料排出部分を開放して、前記電気発生部の内部の燃料をパージするバルブ体を備えている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記電気発生部の内部の燃料圧力によって、前記燃料の利用率が実質的に変化する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記電気発生部の内部の燃料圧力によって、前記燃料の水素濃度が実質的に変化する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料の水素濃度によって、前記電気発生部の電気出力量が実質的に変化する、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記圧力調節ユニットは、前記電気発生部に接続されて、前記電気出力量を感知する感知部と、前記電気出力量のデータ値によって前記開閉部を制御する制御部とを含む、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料として気体水素を使用する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料として液体の燃料を使用する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
空気から前記酸素を得るように構成される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池システムは、高分子電解質型燃料電池方式である、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池システムは、直接酸化型燃料電池方式である、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させて、前記酸素と反応して残存している燃料を排出する少なくとも一つの電気発生部と、
前記電気発生部に予め設定された量の燃料を供給する燃料供給源と、
前記酸素を前記電気発生部に供給する酸素供給源と、
前記電気発生部の燃料排出部分に接続されて、前記電気発生部の内部の燃料圧力を調節する開閉部と、
前記電気発生部に設けられ、前記電気発生部の電気出力量を感知する感知部と、
前記感知部の感知信号を所定の制御信号に変換して、この制御信号によって前記開閉部を制御する制御部とを含む、燃料電池システム。
【請求項１３】
前記電気発生部は、膜−電極アセンブリーと、前記膜−電極アセンブリーを中心において、その両側に密着配置されるセパレータとを含む、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記電気発生部を複数備えて、これら電気発生部の集合体構造によるスタックを形成する、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記スタックは、前記電気発生部で反応して残存している燃料を排出するための燃料排出部を含む、請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記開閉部は、
前記燃料排出部に接続され、前記制御部によって制御されて、前記燃料排出部を選択的に開閉するバルブ体を含む、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記感知部は、少なくとも一つの前記セパレータに設けられ、前記電気発生部から出力される電圧値及び電流値のうちの少なくともいずれか一つのデータ値を感知するセンサーを含む、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記制御部は、システム全体の駆動を制御して、前記感知部の感知信号によって前記開閉部の開閉動作を制御するマイコンを含む、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記燃料排出部にパイプ形態の排出ラインが接続される、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記開閉部は、
前記排出ラインに設置され、前記制御部によって制御されて、前記燃料排出部を選択的に開閉するバルブ体を含む、請求項１９に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記燃料供給源は、前記液体の燃料を保存する燃料タンクと、前記燃料タンクに接続されて、この燃料タンクに保存された前記燃料を排出する燃料ポンプとを含む、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記燃料供給源は、
前記燃料タンク及び前記電気発生部に接続され、前記燃料から水素を発生させて、この水素を前記電気発生部に供給する燃料処理部を含む、請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記燃料処理部は、
前記燃料タンクと接続されて、熱エネルギーによる化学触媒反応によって前記燃料から水素を発生させる改質装置と、前記改質装置と接続されて、前記水素中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭素浄化器とを含む、請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記燃料タンクと前記改質装置とを連結する燃料供給経路に設置されて、この燃料供給経路を選択的に開閉するバルブ体を含む、請求項２３に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記バルブ体は、前記制御部によって制御されて、前記燃料タンクから前記改質装置に供給される燃料の流量を調節するように構成される、請求項２４に記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記酸素供給源は、空気を吸入して、この空気を前記電気発生部に供給する少なくとも一つの空気ポンプを含む、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
燃料及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させて、前記酸素と反応して残存している燃料を排出する少なくとも一つの電気発生部と、
前記燃料から水素を発生させて、この水素を前記電気発生部に供給する燃料処理部と、
前記燃料処理部に予め設定された量の燃料を供給する燃料供給源と、
前記酸素を前記電気発生部に供給する酸素供給源と、
前記電気発生部の燃料排出部分に接続されて、前記電気発生部の内部の燃料圧力を調節する開閉部と、
前記電気発生部に接続されて、この電気発生部の電気出力量を感知する感知部と、
前記感知部の感知信号を所定の制御信号に変換して、この制御信号によって前記開閉部を制御する制御部とを含み、
前記燃料供給源は、所定の密閉空間内に設置されて、この密閉空間内に作用する圧縮力によって外形が変形しながら前記燃料を前記燃料処理部に供給する燃料保存部を含む、燃料電池システム。
【請求項２８】
前記燃料供給源は、前記密閉空間を形成するシリンダー部を含む、請求項２７に記載の燃料電池システム。
【請求項２９】
前記燃料保存部は可撓性を有する外形からなる、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３０】
前記燃料供給源は、前記シリンダー部に接続され、このシリンダー部の内部に圧縮ガスを供給して、前記燃料保存部を実質的に圧縮するバイアス部を含む、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３１】
前記バイアス部は、前記シリンダー部の内部空間に圧縮ガスを注入する圧縮ガス供給部材を備えている、請求項３０に記載の燃料電池システム。
【請求項３２】
前記燃料供給源は、前記シリンダー部及び前記燃料保存部に接続されて、所定の弾性力によって前記燃料保存部を圧縮するバイアス部を含む、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３３】
前記バイアス部は、前記シリンダー部の内部空間に配置されて、前記燃料保存部と連結設置される弾性部材を備えている、請求項３２に記載の燃料電池システム。
【請求項３４】
前記燃料供給源及び前記燃料処理部を連結する燃料供給経路に設置されて、前記燃料供給経路を選択的に開閉するバルブ体を含む、請求項２７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは、燃料電池用スタックの燃料利用率を改善した、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、燃料電池（Fuel Cell）は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の燃料に含まれている水素及び別途に供給される酸素の化学反応エネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムである。
【０００３】
このような燃料電池において、近来開発されている高分子電解質型燃料電池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell：ＰＥＭＦＣ、以下、「ＰＥＭＦＣ」という。）は、他の燃料電池に比べて出力特性が優れており、作動温度が低く、速い始動特性及び応答特性を有するので、自動車のような移動用電源としてはもちろん、住宅、公共建物のような分散用電源、及び電子機器のような小型用電源などの用途にも応用可能であるという長所がある。
【０００４】
このようなＰＥＭＦＣ方式の燃料電池システムは、スタック（stack）といわれる燃料電池本体（以下、単に、「スタック」という。）、燃料を改質し、水素を発生させて、この水素をスタックに供給する改質装置（reformer）、酸素をスタックに供給するための空気ポンプまたはファンを含む。したがって、スタックでは、改質装置から供給される水素と、空気ポンプまたはファンの駆動によって供給される酸素との電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる。
【０００５】
一方、ＰＥＭＦＣ方式と異なる方式の燃料電池システムとしては、燃料を直接スタックに供給して、この燃料及び酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる直接酸化型燃料電池（Direct Oxidation Fuel Cell）がある。このような直接酸化型燃料電池方式の燃料電池システムは、ＰＥＭＦＣ方式のシステムとは異なり、改質装置を必要としない。
【０００６】
しかし、前記のような従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池に使用される燃料として例えば水素をスタックに供給すると、前記スタックでは、水素及び酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させて、酸素と反応して残った水素を排出する。このときにスタックから排出される水素の量は、このスタックに供給される予め設定された量の２０％程度に相当する。したがって、従来の燃料電池システムは、スタックの燃料利用率、つまりスタックに供給される予め設定された量の水素及びこのスタックで反応する水素の量を百分率に換算した値が８０％未満にしかならず、スタックの性能が低いという問題点があった。
【０００７】
一方、このような燃料電池システムは、スタックから発生する電力を再び消費して全体的なシステムを駆動するため、その駆動のための寄生電力を発生させる必要があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の燃料電池システムは、燃料タンクに保存された燃料をスタックまたは改質装置に供給するための別途のポンプを含むため、このようなポンプを駆動させるための寄生電力が増加することによって、全体的なシステムのエネルギー効率が低下するという問題点があった。また、従来の燃料電池システムは、前記のようなポンプの設置空間が必要であるため、システム全体の大きさをコンパクトにできないという問題点もあった。
【０００９】
本発明は前記問題点を勘案したものであって、その目的は、スタックの燃料利用率をより向上させることができる燃料電池システムを提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、システムを駆動するための寄生電力を減少させながら、システム全体の大きさをコンパクトにすることができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するために、本発明による燃料電池システムは、燃料及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させて、前記酸素と反応して残存している燃料を排出する少なくとも一つの電気発生部と、前記電気発生部の内部の燃料圧力を調節するための圧力調節ユニットとを含み、前記圧力調節ユニットは、前記電気発生部の燃料排出部分に接続されて、前記燃料排出部分を選択的に開閉する開閉部を含むものである。
【００１２】
前記燃料電池システムにおいて、前記開閉部は、前記燃料排出部分を閉鎖して、前記電気発生部の内部に、予め設定された燃料供給量に対応する圧力雰囲気を形成し、前記燃料排出部分を開放して、前記電気発生部の内部の燃料をパージするバルブ体を備えていることが好ましい。
【００１３】
前記燃料電池システムは、好適には、前記電気発生部の内部の燃料圧力によって前記燃料の利用率が実質的に変化し、前記電気発生部の内部の燃料圧力によって前記燃料の水素濃度が実質的に変化し、前記燃料の水素濃度によって前記電気発生部の電気出力量が実質的に変化する構造とされている。
【００１４】
前記燃料電池システムにおいて、前記圧力調節ユニットは、前記電気発生部に接続されて、前記電気出力量を感知する感知部と、前記電気出力量のデータ値によって前記開閉部を制御する制御部とを含むことが好ましい。
【００１５】
前記燃料電池システムは、前記燃料として気体水素を使用する高分子電解質型燃料電池方式とすることもでき、また、前記燃料電池システムは、液体の燃料を直接電気発生部に供給する直接酸化型燃料電池方式とすることもできる。
【００１６】
前記燃料電池システムは、空気から前記酸素を得るように構成することができる。
【００１７】
また、本発明による燃料電池システムは、燃料及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させて、前記酸素と反応して残存している燃料を排出する少なくとも一つの電気発生部と、前記電気発生部に予め設定された量の燃料を供給する燃料供給源と、前記酸素を前記電気発生部に供給する酸素供給源と、前記電気発生部の燃料排出部分に接続されて、前記電気発生部の内部の燃料圧力を調節する開閉部と、前記電気発生部に設けられ、前記電気発生部の電気出力量を感知する感知部と、前記感知部の感知信号を所定の制御信号に変換して、この制御信号によって前記開閉部を制御する制御部とを含むものである。
【００１８】
前記燃料電池システムにおいて、前記電気発生部は、膜−電極アセンブリー（Membrane-Electrode assembly：ＭＥＡ）と、前記膜−電極アセンブリーを中心において、その両側に密着配置されるセパレータ（Separator）とを含むことが好ましい。また、このような燃料電池システムは、前記電気発生部を複数備えて、これら電気発生部の集合体構造によるスタックを形成することが好適である。
【００１９】
前記燃料電池システムにおいて、前記スタックは、前記電気発生部で反応して残存している燃料を排出するための燃料排出部を含むことが好ましい。また、好適には、前記開閉部は、前記燃料排出部に接続され、前記制御部によって制御されて、前記燃料排出部を選択的に開閉するバルブ体を含む。
【００２０】
前記燃料電池システムにおいて、前記感知部は、少なくとも一つの前記セパレータに設けられ、前記電気発生部から出力される電圧値及び電流値のうちの少なくともいずれか一つのデータ値を感知するセンサーを含むことが好ましい。
【００２１】
前記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、システム全体の駆動を制御して、前記感知部の感知信号によって前記開閉部の開閉動作を制御するマイコンを含むことが好ましい。
【００２２】
好適には、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料排出部にパイプ形態の排出ラインが接続され、及び、前記開閉部は、前記排出ラインに設置され、前記制御部によって制御されて、前記燃料排出部を選択的に開閉させるバルブ体を含む。
【００２３】
前記燃料電池システムにおいて、前記燃料供給源は、前記液体の燃料を保存する燃料タンクと、及び前記燃料タンクに接続されて、この燃料タンクに保存された前記燃料を排出する燃料ポンプとを含むことが好ましい。これに加えて、前記燃料供給源は、前記燃料タンク及び前記電気発生部に接続され、前記燃料から水素を発生させて、この水素を前記電気発生部に供給する燃料処理部を含むことが好ましい。この場合、前記燃料処理部は、前記燃料タンクと接続されて、熱エネルギーによる化学触媒反応によって前記燃料から水素を発生させる改質装置と、及び前記改質装置と接続されて、前記水素中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭素浄化器とを含むことが好ましい。
【００２４】
前記燃料電池システムは、前記燃料タンクと前記改質装置とを連結する燃料供給経路上に設置されて、この燃料供給経路を選択的に開閉するバルブ体を含むことが好ましい。この場合、前記バルブ体は、前記制御部によって制御されて、前記燃料タンクから前記改質装置に供給される燃料の流量を調節するように構成される。
【００２５】
前記燃料電池システムにおいて、前記酸素供給源は、空気を吸入して、この空気を前記電気発生部に供給する少なくとも一つの空気ポンプを含むことが好適である。
【００２６】
また、本発明による燃料電池システムは、燃料及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させて、前記酸素と反応して残った燃料を排出する少なくとも一つの電気発生部と、前記燃料から水素を発生させて、この水素を前記電気発生部に供給する燃料処理部と、前記燃料処理部に予め設定された量の燃料を供給する燃料供給源と、前記酸素を前記電気発生部に供給する酸素供給源と、前記電気発生部の燃料排出部分に連結設置されて、前記電気発生部の内部の燃料圧力を調節する開閉部と、前記電気発生部に設置されて、この電気発生部の電気出力量を感知する感知部と、前記感知部の感知信号を所定の制御信号に変換して、この制御信号によって前記開閉部を制御する制御部とを含み、前記燃料供給源は、所定の密閉空間内に設置されて、この密閉空間内に作用する圧縮力により外形が変形しながら前記燃料を前記燃料処理部に供給する燃料保存部を含むものである。
【００２７】
前記燃料電池システムにおいて、前記燃料供給源は、前記密閉空間を形成するシリンダー部を含むことが好ましい。
【００２８】
好適には、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料保存部は可撓性を有する外形からなることができる。
【００２９】
前記燃料電池システムにおいて、前記燃料供給源は、前記シリンダー部に接続され、このシリンダー部の内部に圧縮ガスを供給して、前記燃料保存部を実質的に圧縮するバイアス部を含むことが好ましい。この場合、好適には、前記バイアス部は、前記シリンダー部の内部空間に圧縮ガスを注入する圧縮ガス供給部材を備えている。
【００３０】
前記燃料電池システムにおいて、前記燃料供給源は、前記シリンダー部及び前記燃料保存部に接続されて、所定の弾性力によって前記燃料保存部を圧縮させるバイアス部を含むようにしても良い。この場合、前記バイアス部は、前記シリンダー部の内部空間に配置されて、前記燃料保存部と連結設置される弾性部材を備えている。
【００３１】
また、前記燃料電池システムは、前記燃料供給源及び前記燃料処理部を連結する燃料供給経路に設置されて、前記燃料供給経路を選択的に開閉するバルブ体を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、電気発生部の内部の水素圧力を調節して、スタック全体の燃料利用率を向上させることができるので、システムの性能をさらに向上させることができる。
【００３３】
また、本発明によれば、所定の圧縮力により燃料保存部の外形を変形させることによって、この燃料保存部に保存された燃料を改質装置またはスタックに供給することができるので、システム全体の駆動で消費される寄生電力を減少させて、システムのエネルギー効率をさらに向上させることができる。また、従来とは異なり、燃料ポンプが必要ないので、システム全体の大きさをコンパクトにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について詳細に説明する。なお、本発明は種々の改変が可能であり、ここで説明する実施例に限定されるものではない。
【００３５】
図１は、本発明の第１実施例による燃料電池システムの全体的な構造を概略的に示したブロック図である。
【００３６】
この図面を参照して、本発明による燃料電池システム１００を説明すると、この燃料電池システム１００は、燃料を改質して水素を発生させて、この水素及び酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる、高分子電解質型燃料電池方式である。
【００３７】
このような燃料電池システムに使用される燃料には、メタノール、エタノール、または天然ガスなどのように水素を含む液体または気体の燃料が含まれる。しかし、以下の実施例において燃料とは、便宜上、液体の燃料であると定義する。
【００３８】
また、燃料電池システムでは、水素と反応する酸素として、別途の保存手段に保存された純粋な酸素を使用することも、酸素を含む空気をそのまま使用することもできる。しかし、以下においては、後者を例に挙げて説明する。
【００３９】
このような前記燃料電池システム１００は、基本的に、水素及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタック１０、燃料から水素を発生させて、この水素をスタック１０に供給する燃料処理部３０、燃料処理部３０に燃料を供給する燃料供給源５０、スタック１０に酸素を供給する酸素供給源７０を含んで構成される。
【００４０】
スタック１０は、燃料処理部３０及び酸素供給源７０のそれぞれに接続されており、燃料処理部３０から水素の供給を受けると共に、酸素供給源７０から空気の供給を受けて、前記水素及び酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる最少単位の電気発生部１１を含む。このようなスタック１０の構造は、図２を参照して、下記でより詳細に説明する。
【００４１】
燃料処理部３０は、当業界では燃料プロセッサー（fuel processor）ともいわれ、このような燃料処理部３０は、熱エネルギーによる改質反応によって燃料から水素を発生させる改質装置３１、及びこの水素中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素浄化器３３を含む。このとき、改質装置３１は、水蒸気改質、部分酸化、または自熱反応などの触媒反応によって燃料から水素、二酸化炭素、一酸化炭素などを含む水素リッチガス（rich gas）を発生させる構造とされている（以下においては、便宜上、前記水素リッチガスを水素という。）。そして、一酸化炭素浄化器３３は、水性ガス転換方法、選択的酸化などの触媒反応または分離膜を利用した水素精製などの適宜の手段によって、水素中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる構造とされている。このような燃料処理部３０は、高分子電解質型燃料電池方式の燃料電池システムに採用される通常の改質装置３１及び一酸化炭素浄化器３３を備えるものであるので、本明細書ではその詳細な説明は省略する。
【００４２】
前記燃料処理部３０に燃料を供給するための燃料供給源５０は、燃料を保存する燃料タンク５１、及びこの燃料タンク５１に接続されて、燃料タンク５１から燃料を排出する燃料ポンプ５３を含む。そして、酸素供給源７０は、所定のポンピング圧力で空気を吸入して、この空気をスタック１０に供給する空気ポンプ７１を含む。ここで、酸素供給源７０は、前記のような空気ポンプ７１を含むものに限定されず、通常の構造のファン（fan）を備えたものであっても構わない。
【００４３】
図２は図１に示したスタックの構造を示した分解斜視図であって、本発明に適用されるスタック１０は、膜−電極アセンブリー（Membrane-Electrode assembly：ＭＥＡ、以下、「ＭＥＡ」という。）１２を中心において、その両面にセパレータ（Separator）（当業界では、二極式プレート（Bipolar Plate）ともいう。）１３を配置して、電気を発生させる最少単位の電気発生部１１を含んで構成される。従って、本実施例では、前記のような複数の電気発生部１１を連続的に配置することによって、これら電気発生部１１の集合体構造によるスタック１０が形成される。
【００４４】
セパレータ１３の間に配置されるＭＥＡ１２は、一方の面にアノード電極を形成し、他方の面にカソード電極（図示せず）を形成して、これら二つの電極の間に電解質膜（図示せず）を設けた構造とされている。ここで、アノード電極は、水素を電子及び水素イオンに分離し、電解質膜は、水素イオンをカソード電極に移動させ、カソード電極は、アノード電極側から発生する電子と、水素イオンと、空気中に含まれている酸素とを反応させて、水分を生成する機能を果たす。
【００４５】
そして、セパレータ１３は、ＭＥＡ１２を挟持して密着し、燃料処理部３０から提供される水素をＭＥＡ１２のアノード電極に供給し、空気ポンプ７１の駆動によって提供される空気をＭＥＡ１２のカソード電極に供給する機能を果たすと共に、ＭＥＡ１２のアノード電極及びカソード電極を直列に接続する伝導体としての機能を果たす。
【００４６】
このようなスタック１０の最外側には、前記複数の電気発生部１１を密着するための別途の加圧プレート１５が設けられている。なお、前記加圧プレート１５を設けず、最外側に位置する電気発生部１１のセパレータ１３を、前記加圧プレートの役割を代わるように構成させることもできる。
【００４７】
これに加えて、前記加圧プレート１５には、水素を電気発生部１１に供給するための第１注入部１５ａと、空気を電気発生部１１に供給するための第２注入部１５ｂと、この電気発生部１１で反応して残存している水素を排出するための第１排出部１５ｃと、電気発生部１１での水素及び酸素の結合反応によって生成される水分、及び、水素と反応して残存している空気を排出するための第２排出部１５ｄとが形成されている。このとき、第１排出部１５ｃには、未反応水素をスタック１０の外部に排出するためのパイプ形態の排出ライン９９が接続されている。
【００４８】
本発明による燃料電池システム１００において、前記のような各々の構成要素は、パイプ形態の流路によって接続される。すなわち、燃料タンク５１及び改質装置３１が第１供給ライン９１によって接続され、改質装置３１及び一酸化炭素浄化器３３が第２供給ライン９２によって接続され、一酸化炭素浄化器３３及びスタック１０の第１注入部１５ａが第３供給ライン９３によって接続され、空気ポンプ７１及びスタック１０の第２注入部１５ｂが第４供給ライン９４によって接続される。
【００４９】
そして、第１供給ライン９１には、後述する制御部１１７によって制御され、この第１供給ライン９１を選択的に開閉するための第１バルブ体９５が設置されている。第１バルブ体９５としては、燃料ポンプ５３のポンピング圧力によって燃料タンク５１から排出される燃料を、予め設定された量に調節して燃料処理部３０に供給するための公知の流量調節バルブ、例えばスロットルバルブ（throttle valve）とすることができるので、本明細書ではその詳細な説明は省略する。
【００５０】
したがって、本発明によれば、燃料処理部３０に対して燃料を予め設定された量で供給し、この燃料処理部３０で、前記燃料から予め設定された量の水素を発生させて、この水素を電気発生部１１に供給することができる。
【００５１】
ここで、前記予め設定された燃料の量とは、燃料処理部３０によってスタック１０全体の予め設定された電気出力量に対応する水素を発生させるのに必要な燃料の量を意味する。つまりこの量とは、第１バルブ体９５によって第１供給ライン９１が開放された場合に、第１供給ライン９１を通じて一定の時間に燃料処理部３０に供給される燃料の量を意味する。この燃料の量は、燃料ポンプ５３のポンピング圧力、第１供給ライン９１の管径、及び前記燃料ポンプ５３の駆動時間などに依存して変化するので、ある特定の値に限定されるものではない。
【００５２】
このような構造を基本とする本発明の燃料電池システム１００の作用時に、スタック１０は、電気発生部１１で反応して残った未反応水素を、第１排出部１５ｃを通じて排出する。このような未反応水素は、燃料処理部３０からスタック１０に供給される水素の予め設定された量の２０％程度に相当する。このため、スタック１０全体の燃料利用率は１００％に近づけることが理想的であるが、実際には、この燃料利用率は８０％未満にしかならない。従って、未反応水素は、スタック１０全体の性能に重要な影響を及ぼす因子である。
【００５３】
ここで、燃料利用率λとは、燃料処理部３０からスタック１０の電気発生部１１に供給される予め設定された水素の量と、電気発生部１１で実質的に反応する水素の量との割合を示すものである。従って、燃料処理部３０から電気発生部１１に供給される水素の予め設定された量をＱ１、電気発生部１１で実質的に反応する水素の量をＱ２とすると、前記燃料利用率λは、以下の数式で求められる。
［数式］λ＝ Ｑ２/Ｑ１×１００  ［％］
【００５４】
ここで、本発明による燃料電池システム１００は、スタック１０全体に対して電気発生部１１の内部の水素圧力を調節して、スタック１０の燃料利用率λを実質的に増大させるための圧力調節ユニット１１０を含む。
【００５５】
このような圧力調節ユニット１１０は、スタック１０の第１排出部１５ｃを選択的に開閉して、電気発生部１１の内部の燃料圧力つまり水素の圧力を調節することにより構成されている。
【００５６】
具体的には、圧力調節ユニット１１０は、スタック１０の第１排出部１５ｃに接続される開閉部１１１と、電気発生部１１に設けられ、この電気発生部１１の電気出力量を感知する感知部１１４と、感知部１１４の感知信号を所定の制御信号に変換し、この制御信号を読み取って、開閉部１１１の開閉動作を制御する制御部１１７とを含んで構成される。
【００５７】
開閉部１１１は、前記排出ライン９９に設置される第２バルブ体１１２を備えており、第２バルブ体１１２は、制御部１１７によって制御される。また、排出ライン９９は、スタック１０の第１排出部１５ｃを選択的に開閉するソレノイドバルブ（solenoid valve）を含む。第２バルブ体１１２がスタック１０の第１排出部１５ｃを閉鎖すると、電気発生部１１の内部に、予め設定された水素の供給量に対応する水素の圧力雰囲気が形成される。一方、第２バルブ体１１２がスタック１０の第１排出部１５ｃを開放すると、電気発生部１１の内部の水素は、スタック１０の外側に排出される。このような第２バルブ体１１２は、通常のソレノイドバルブとすることができるので、本明細書では詳細な説明は省略する。
【００５８】
ここで、第２バルブ体１１２によって第２排出部１５ｄが閉鎖されると、水素が電気発生部１１の内部に停滞して水素の圧力が上昇し、水素の濃度が増加する。水素の濃度が増加することにより、前記燃料利用率λも増加される。
【００５９】
感知部１１４は、電気発生部１１のセパレータ１３に設けられ、この電気発生部１１で発生する電気出力量、例えば電流値または電圧値を検出する通常の電気検出センサー１１５を備えている。好ましくは、電気検出センサー１１５は、複数の電気発生部１１のうちのいずれか一つの電気発生部１１のセパレータ１３に設けられる。
【００６０】
制御部１１７は、燃料電池システム１００の全般的な駆動を制御するためのコントローラであって、本実施例によれば、第１、２バルブ体９５、１１２及び電気検出センサー１１５と接続される通常のマイコン１１８を含む。このマイコン１１８は、第１バルブ体９５の開閉動作を制御して、燃料タンク５１から改質装置３１に供給される燃料の量を調節する機能を果たす。これに加えて、マイコン１１８は、電気検出センサー１１５によって感知された感知信号を制御信号に変換し、この制御信号を読み取って、第２バルブ体１１２の開閉動作を制御する機能を果たす。
【００６１】
具体的には、マイコン１１８は、電気検出センサー１１５から感知された感知信号を制御信号に変換し、この制御信号を読み取って、電気検出センサー１１５によって感知された電気出力量（以下、「感知データ値」という。）と、予め設定された許容範囲の電気出力量（以下、「基準データ値」という。）とを比較する。このとき、マイコン１１８は、感知データ値が基準データ値を超える場合には、第２バルブ体１１２を制御して、スタック１０の第１排出部１５ｃを閉鎖する。反対に、マイコン１１８は、感知データ値が基準データ値未満である場合には、第２バルブ体１１２を制御して、第１排出部１５ｃを開放する。
【００６２】
ここで、前記基準データ値とは、燃料電池システム１００の仕様によって変化する電気発生部１１の固有の電気出力量の８０％以上の範囲の電気出力量を意味する。
【００６３】
以下、前記のような構造の本発明の第１実施例による燃料電池システムの動作を詳細に説明する。
【００６４】
まず、燃料電池システム１００の初期起動時に、マイコン１１８によって第２バルブ体１１２を制御して、スタック１０の第１排出部１５ｃを閉鎖する。
【００６５】
次に、第１バルブ体９５を制御して、第１供給ライン９１を開放する。これと同時に、燃料ポンプ５３を駆動させ、燃料タンク５１に保存された燃料を第１供給ライン９１を通じて改質装置３１に供給する。
【００６６】
このような過程で、マイコン１１８は、第１バルブ体９５を制御して、所定の時間の間第１供給ライン９１を開放された状態に維持する。これにより、燃料タンク５１に保存された燃料は、燃料ポンプ５３のポンピング圧力によって、スタック１０の予め設定された電気出力量に相応する量だけが第１供給ライン９１を通じて改質装置３１に供給される。
【００６７】
次に、改質装置３１は、熱エネルギーによる改質反応によって、燃料から予め設定された量の水素を発生させる。しかし、改質装置３１においては、供給された燃料の全てを完全に反応させることは困難であるため、副生成物として、微量の一酸化炭素が含まれている水素を発生させる。
【００６８】
次に、改質装置３１は、水素を、第２供給ライン９２を通じて一酸化炭素浄化器３３に供給する。一酸化炭素浄化器３３は、水素中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させて、この水素を、第３供給ライン９３を通じてスタック１０の第１注入部１５ａに供給する。このとき、マイコン１１８によって空気ポンプ７１を駆動させて、空気を、第４供給ライン９４を通じてスタック１０の第２注入部１５ｂに供給する。
【００６９】
次に、マイコン１１８によって第１バルブ体９５を制御して、第１供給ライン９１を閉鎖する。
【００７０】
このような過程を経る間、スタック１０の第１排出部１５ｃは、第２バルブ体１１２によって閉鎖された状態に維持されているため、スタック１０の電気発生部１１の内部には、予め設定された水素の供給量に対応する水素の圧力雰囲気が形成され、この電気発生部１１の内部の水素圧力が上昇する。
【００７１】
このように電気発生部１１の内部、つまりセパレータ１３とＭＥＡ１２のアノード電極との間での水素圧力が上昇するのに伴って、この水素の濃度が増加し、電気発生部１１では、この水素と酸素との電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる。
【００７２】
この結果、スタック１０の電気発生部１１に供給される予め設定された量の水素に対してこの電気発生部１１の内部での水素濃度が増加することによって、スタック１０の燃料利用率λが実質的に増加する。つまり、予め設定された量の水素に対して、電気発生部１１での水素消費量が増加するので、スタック１０の燃料利用率λも当然増加する。したがって、前記スタック１０は、従来とは異なり、８０〜１００％程度の燃料利用率λを達成することができるようになる。また、電気発生部１１の内部では、水素と酸素との反応によって時間が経過するにつれて水素の濃度が次第に低下し、そのためにスタック１０全体の電気出力量が次第に減少する。
【００７３】
このような過程を経る間に、電気検出センサー１１５は、電気発生部１１の電気出力量、例えば電流値または電圧値を感知して、この感知信号をマイコン１１８に伝送する。マイコン１１８は、この感知信号を制御信号に変換して読み取って、電気検出センサー１１５の感知データ値と基準データ値とを比較する。したがって、電気検出センサー１１５の感知データ値が、基準データ値未満である場合には、マイコン１１８は、第２バルブ体１１２を制御して、スタック１０の第１排出部１５ｃを開放し、そうでない場合には、第１排出部１５ｃを閉鎖された状態に維持し続ける。
【００７４】
これにより、第１排出部１５ｃが開放されれば、スタック１０の電気発生部１１の内部に停滞されていた水素は、第１排出部１５ｃを通じて排出される。このとき、第１排出部１５ｃを通じて排出されるパージガスは微量の水素を含むだけで、残りの水素は電気発生部１１の内部で酸素と反応して消費された状態にある。
【００７５】
その後、マイコン１１８は、第１バルブ体９５を開放して、予め設定された量の燃料を燃料処理部３０に供給する。これにより、燃料電池システム１００は、上述した一連の動作を繰り返す。
【００７６】
図３は、本発明の第２実施例による燃料電池システムの全体的な構造を概略的に示したブロック図である。図１と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付している。
【００７７】
図３を参照すると、本実施例による燃料電池システム２００は、圧縮空気の圧縮力によって別途の保存空間に保存された燃料を燃料処理部３０に供給する燃料供給源２５０を備えている点が、第１実施例と異なっている。
【００７８】
本実施例の図面に示したスタック１０、燃料処理部３０、酸素供給源７０、及び圧力調節ユニット１１０は、前記第１実施例の構造と同一であり、詳細な説明は省略する。
【００７９】
図４は、図３に示した燃料供給源部分を示した斜視図であり、図５は、図４を中心軸線に沿って切断した断面図である。本実施例による燃料供給源２５０は、燃料処理部３０と接続されるシリンダー部２５１、及びこのシリンダー部２５１の内部に設置されて、燃料を保存する燃料保存部２５６を含む。
【００８０】
シリンダー部２５１は、両端が閉鎖されて、所定の容積の密閉空間を有する円筒形密閉容器とされている。シリンダー部２５１の一側端部には、第１供給ライン９１を通じて燃料処理部３０と接続される排出口２５３が形成されている。
【００８１】
本実施例において、シリンダー部２５１は、密閉空間内に圧縮ガスを保存しており、これにより、前記密閉空間内にこの圧縮ガスによる所定の圧力雰囲気が形成されている。
【００８２】
燃料保存部２５６は、シリンダー部２５１の密閉空間内に設けられ、燃料を保存することができる保存空間を形成する。また、燃料保存部２５６は、前記保存空間と、シリンダー部２５１の排出口２５３とを連通する構造とされている。そして、燃料保存部２５６は、シリンダー部２５１内に保存された圧縮ガスの圧縮力によって変形可能な柔軟な素材からなり、可撓性（flexibility）を有する筒形状とされている。
【００８３】
図６は、本実施例の燃料供給源の変形例であって、この場合、燃料保存部２５６の本体が、前記圧縮ガスの圧縮力によって収縮変形可能なように、前記本体にベローズ状のギャザー部２５７が形成されている。
【００８４】
したがって、第１バルブ体９５によって第１供給ライン９１が開放されると、燃料保存部２５６は、シリンダー部２５１の密閉空間内に保存された圧縮ガスによって内部の空間が変形して収縮可能とされる。
【００８５】
これにより、燃料保存部２５６に保存された燃料は、排出口２５３を通じて排出されて、第１供給ライン９１を通じて燃料処理部３０に供給される（図３参照）。
【００８６】
図７は、本発明の第３実施例による燃料供給源を示した断面図である。
【００８７】
図７を参照すると、本実施例による燃料供給源３５０は、シリンダー部３５１の密閉空間に圧縮ガスを注入して、この圧縮ガスによる圧縮力で燃料保存部３５６を圧縮するためのバイアス部３５４を含んでいる。
【００８８】
このシリンダー部３５１には、一の側端部に前記密閉空間と連通する注入口３５２が形成され、他の側端部に排出口３５３が形成されている。
【００８９】
そして、本実施例によるバイアス部３５４は、シリンダー部３５１の注入口３５２に接続されて、このシリンダー部３５１の密閉空間に圧縮ガスを注入する構造とされている。 このバイアス部３５４は、圧縮空気を保存している圧縮ガス供給部材３５４Ａを備えている。
【００９０】
バイアス部３５４をシリンダー部３５１の注入口３５２に接続し、圧縮ガス供給部材３５４Ａに保存された圧縮ガスを、注入口３５２を通じてシリンダー部３５１の密閉空間に注入すると、燃料保存部３５６は、シリンダー部３５１の密閉空間に作用する圧縮ガスの圧力によって内部空間が変形しながら収縮される。これにより、燃料保存部３５６に保存された燃料は、排出口３５３を通じて排出される。
【００９１】
図８は、本発明の第３実施例に対する燃料供給源の変形例を示した断面構成図である。
【００９２】
図８を参照すると、シリンダー部３５１は、燃料保存部３５６を圧縮するバイアス部３５４としての弾性部材３５４Ｂを備えている。
【００９３】
この弾性部材３５４Ｂは、シリンダー部３５１の内部空間に配置されて、燃料保存部３５６と連結設置される。好ましくは、弾性部材３５４Ｂは、所定の弾性力を有する圧縮スプリングとされる。このような弾性部材３５４Ｂは、一端がシリンダー部３５１の内壁に連結され、他端が燃料保存部３５６の本体に連結される。
【００９４】
弾性部材３５４Ｂの弾性力を燃料保存部３５６に付与することによって、この弾性力により燃料保存部３５６の外形が収縮変形され、燃料保存部３５６に保存された燃料をシリンダー部３５１の排出口３５３を通じて排出することができる。
【００９５】
図９は、本発明の第４実施例による燃料電池システムの全体的な構造を概略的に示したブロック図である。
【００９６】
図９を参照すると、本実施例による燃料電池システム４００は、メタノール、エタノールなどのような液体の燃料を直接スタック１０Ａに供給して、この燃料及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる直接酸化型燃料電池方式である。
【００９７】
このような直接酸化型燃料方式の燃料電池システム４００は、高分子電解質型燃料電池方式の燃料電池システムと異なり、図１に示した燃料処理部３０を必要とせず、燃料ポンプ５３の駆動によって燃料タンク５１に保存された燃料をスタック１０Ａの電気発生部１１に直接供給することができる燃料供給源４５０を含む。
【００９８】
このような燃料電池システム４００は、燃料供給源４５０の燃料タンク５１（図１参照）とスタック１０Ａとが、パイプ形態の流路９１Ａによって接続される構造とされているため、燃料供給源４５０によって燃料をスタック１０Ａの電気発生部１１に直接供給することができるようになる。
【００９９】
本実施例の図面で、参照符号７０、１１０は、従前の実施例と同じく、それぞれ酸素供給源、圧力調節ユニットを示すので、これらの詳細な説明は省略する。
【０１００】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の技術的範囲に属する。具体的には、本明細書においては前記燃料として液体燃料を使用するものについて説明しているが、これに代えて、前記燃料として気体水素を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の第１実施例による燃料電池システムの全体的な構造を概略的に示したブロック図である。
【図２】図１に示したスタックの構造を示した分解斜視図である。
【図３】本発明の第２実施例による燃料電池システムの全体的な構造を概略的に示したブロック図である。
【図４】図３に示した燃料供給源部分を示した斜視図である。
【図５】図４を中心軸線に沿って切断した断面図である。
【図６】本発明の第２実施例に対する燃料供給源の変形例を示した断面図である。
【図７】本発明の第３実施例による燃料供給源を示した断面図である。
【図８】本発明の第３実施例に対する燃料供給源の変形例を示した断面図である。
【図９】本発明の第４実施例による燃料電池システムの全体的な構造を概略的に示したブロック図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０  スタック
１１  電気発生部
１２  膜−電極アセンブリー（ＭＥＡ）
１３  セパレータ
１５  加圧プレート
１５ａ  第１注入部
１５ｂ  第２注入部
１５ｃ  第１排出部
１５ｄ  第２排出部
３０  燃料処理部
３１  改質装置
３３  一酸化炭素浄化器
５０、２５０、３５０、４５０  燃料供給源
５１  燃料タンク
５３  燃料ポンプ
７０  酸素供給源
７１  空気ポンプ
９１、９２、９３、９４  供給ライン
９５  第１バルブ体
９９  排出ライン
１００、２００、３００、４００  燃料電池システム
１１０  圧力調節ユニット
１１１  開閉部
１１２  第２バルブ体
１１４  感知部
１１５  電気検出センサー
１１７  制御部
２５１、３５１  シリンダー部
２５３、３５３  排出口
２５６、３５６  燃料保存部
２５７  ギャザー部
３５２  注入口
３５４  バイアス部
【図１】
2006147525.tif 000003
【図２】
2006147525.tif 000004
【図３】
2006147525.tif 000005
【図４】
2006147525.tif 000006
【図５】
2006147525.tif 000007
【図６】
2006147525.tif 000008
【図７】
2006147525.tif 000009
【図８】
2006147525.tif 000010
【図９】
2006147525.tif 000011