(57)【要約】【課題】気圧、温度、湿度、及び大気の流通環境に応じて、すなわち、種々の環境条件に応じてブロアーを制御することにより、電池性能を最大限に発揮させることができる燃料電池を提供すること。【解決手段】大気が取り込まれる取入口及び／又は水蒸気が放出される放出口を具備してなる燃料電池において、前記取入口及び／又は放出口を吹き付けるブロアーを設け、かつ大気に対する湿度センサ、風速センサ、及び気圧センサから選ばれる少なくとも一以上の環境測定センサを設けて、該環境測定センサの測定値に基づいて、前記ブロアーによる前記取入れ口及び／又は放出口の吹き付け調整がなされてなることを特徴とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気が取り込まれる取入口及び／又は水蒸気が放出される放出口を具備してなる燃料電池において、
前記取入口及び／又は放出口を吹き付けるブロアーを設け、かつ大気に対する湿度センサ、風速センサ、及び気圧センサから選ばれる少なくとも一以上の環境測定センサを設けて、該環境測定センサの測定値に基づいて、前記ブロアーによる前記取入口及び／又は放出口の吹き付け調整がなされてなることを特徴とする環境条件対応機能付き燃料電池。
【請求項２】
前記ブロアーを制御する制御手段を設け、該制御手段には予め計測した前記ブロアーの送風能力に対応する該電池の発電量、及び／又は前記電池の発電量に対応する発生水蒸気の放出量のデータが入力されると共に、該データと前記環境測定センサの測定値に基づいて、ほぼ最大限の発電効率を得るように、該ブロアーの調整がなされてなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関するものであり、より詳細には、電池にブロアーを設け、その風量を制御して電池への大気からの酸素供給量を変化させ、また電池周辺の水蒸気を低減することのできる、環境条件に合わせて高効率の発電が得られる環境条件対応機能付き燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池は、個別発電装置としてその実用化が検討されている。このため建物内におけるサイト内に燃料電池が設置されることが想定される。
一般に燃料電池は、二つの電極、即ちカソード及びアノードの間に配置された電解質膜からなる。電極での希望の電気化学的反応を引き起こすには電極触媒が使用され、燃料電池は温度約２００℃以下の範囲で作動し、使用することが望まれている。例えば、燃料電池は二つの電極層の間に配置された固体高分子型電解質又はイオン交換膜を有し、アノード部には燃料が供給され、カソード部には空気などの酸化剤が供給される。
高分子電解質膜には従来からイオン透過性、即ちプロトン透過性のあるものが使用され、電極触媒層は、Ｐｔ触媒、Ｐｔ−Ｒｕ触媒等を担持したカーボン等の導電性粒子を電解質材で被覆し、その被覆触媒材を一定の空孔を存在させながら凝集連結したものから形成されている（特許文献１を参照）。
また、燃料としては、水素、メタノールが主に利用され、最近では、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）等の利用もされている（特許文献２を参照）。
【０００３】
図３に示すように従来の燃料電池本体７０は、燃料である水素拡散層を有したアノード部７１と、酸化剤である大気中の酸素の酸素拡散層を有したカソード部７３と、電解質膜７２とからなる。そして、その周囲には、アノード部７１及びカソード部７３に接続した負荷部７４と、アノード部７１に流量計７５を介して連結された水素（燃料）発生器７６とからなる。そして、燃料電池本体７０には、酸化剤供給口であるエア取入口７７と反応生成物である水蒸気の排出口７８を基本的に有している。
【０００４】
ところで、従来、燃料電池が環境条件に左右されないものとして、大気圧の変化に係わりなく空気供給流量を一定に保ち、酸素高利用率の運転およびこれに伴う電力低下を回避することを目的とした燃料電池が提案されている（特許文献２）。
これは、基準となる気圧（例えば1013mb）において酸素利用率を５０％に保持して燃料電池を稼動することを目的としており、大気圧の変化を検出し、得られた大気圧の変化量に逆比例してエアの供給量を所定値に制御することにより、酸素利用率を大気圧の変化に係わりなく一定値に保持するものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−７５４１６号公報
【特許文献２】
特開平６−２４３８８６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池に於いて気圧の変化を検知し、それに逆比例してブロアーを可変しているが、この場合、気圧の変化のみに応じてブロアーの風量をかえるだけで、使用場所でのその他の環境状況がデータとして入力されず、十分な制御が出来ない。
更に環境の諸データはその性格上膨大なデータとなり、これを機器内で常に演算処理するためには、大きなハードウエアー及びソフトウエアーが必要となり、機器の負担が大きい。しかも、ブロアーの電源は燃料電池そのものから供給する必要がある。このため、風が吹いて大気に十分に流動性がある環境状況では酸素供給がカソードに十分になされているにも拘らず、常に燃料電池よりブロアーを稼動し電気の供給を受けような場合、その電池に余分な負担を掛けることになり、燃料電池の性能を最大限に発揮出来ない問題が生じる。
【０００７】
従って、本発明が課題とすることは、気圧、温度、湿度、及び大気の流通環境に応じて、すなわち、種々の環境条件に応じてブロアーを制御することにより、電池性能を最大限に発揮させることができる燃料電池を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、燃料電池が燃料、例えば水素と、酸化剤である大気中の酸素により発電するため、気圧が薄くなれば大気の中に含まれる酸素量が減少するが、ブロアーでの取入口への送風を通常より高めることにより発電効率を向上させることができること、また、風が吹いて大気の流通性が十分にある環境では、ブロアーの能力を低減してブロアーの電気供給の負荷を抑えて燃料電池の効率を高めることができること、環境温度が高くなれば反応速度が高まり、ブロアーの送風能力を高めて、電池の反応速度に見合った大気中の酸素を供給すればよいこと、及び環境湿度が高くなれば、燃料電池からの水分蒸発が遅延し、発電量が抑制されるが、この時にブロアーで排出口の水分蒸気を強制排除できること、を見出し、本発明に至ったものである。
【０００９】
即ち、本発明に係る燃料電池は、以下の構成或いは手段からなることを特徴とし、前記課題を解決するものである。
本発明に係る燃料電池は、大気が取り込まれる取入口及び／又は水蒸気が放出される放出口を具備してなる。
ここで、大気が取り込まれる取入口とは、酸化剤である酸素をカソードに取り入れるためのエアの供給口である。また水蒸気の放出口とは反応生成物として水分を外部に放出する放出口である。燃料電池の燃料は通常、水素を使用するが、場合によってはメタノール、ジメチルエーテル等の低分子の炭化水素を用いることができる。
【００１０】
本発明に係る燃料電池はブロアーを具備し、ブロアーは前記取入口及び／又は放出口を強制的に吹き付け、大気の流動性を活発にさせるものである。
これにより、ブロアーはその送風能力に対応して、大気中の酸素の供給調整が出来ると共に、水蒸気の気化を促進して水分を取り除くことができる。
そして、本発明に係る燃料電池は、大気に対する湿度センサ、風速センサ、及び気圧センサから選ばれる少なくとも一以上の環境測定センサを設けてなるものである。このような環境測定センサの測定値に基づいて、前記ブロアーによる前記取入口及び／又は放出口の吹き付け調整がなされてなることを特徴とするものである。
【００１１】
このような環境測定センサでブロアーの送風能力を制御すると、環境条件に応じて燃料電池の効率を最大限に高めることができる。
例えば、気圧環境にあっては、気圧が低くなれば大気中に含まれる酸素量が減少し燃料電池に酸素が供給され難くなる。この場合、発電効率を十分に維持させるためにはブロアーの送風能力を高め、大気の流動性を活発にして酸素を燃料電池内に十分に供給させることができる。
また、風速があれば、大気中の流動性があるため、ブロアーの送風能力を普段の状態より低減して、出来る限る燃料電池の電池効率を高めることができる。更に、ブロアーの大気の強制流動により燃料電池からの水分の蒸発を助け、常に効率よく発電が続けられる。
従って、環境測定センサの測定値、即ち気圧、風速、温度、湿度に応じてブロアーを制御することが燃料電池の最大限に効率動作させることになる。
【００１２】
本発明に係る燃料電池は、前記ブロアーを制御する制御手段を設け、該制御手段には予め計測した前記ブロアーの送風能力に対応する該電池の発電量、及び前記電池の発電量に対応する発生水蒸気の放出量のデータが入力されると共に、前記大気における温度、湿度、及び風速の少なくとも１以上の環境データが入力され、該各データと前記環境測定センサの測定値に基づいて、ほぼ最大限の発電効率を得るように、該ブロアーの調整がなされてなることを特徴とすることができる。
【００１３】
これにより、ブロアーの送風能力に対する大気からの酸素の供給量と、発生する水蒸気放出量、更に温度、湿度、及び風速などの諸条件を含めて種々の環境条件から総合的に算出して最大限の発電効率を得るので、ブロアーの調整制御が正確かつ容易になされる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池の好ましい実施の形態を詳述する。尚、本発明に係る燃料電池は以下の実施形態に限るものではない。
図１は、本発明に係る燃料電池の実施形態を示す概略図である。図２は、本発明に係る燃料電池の別の実施形態を示す概略図である。図３は、従来の燃料電池の形態を示す概略図である。
【００１５】
図１に示すように本実施の形態の燃料電池１１は、大気が取り込まれる取入口２４及び水蒸気が放出される放出口２５を具備してなる。また、取入口２４及び放出口２５を吹き付けるブロアー２６を設け、かつ大気に対する湿度センサ３１、風速センサ３２、及び気圧センサ３３からなる環境測定センサを設けている。そして、これらの環境測定センサの測定値に基づいて、ブロアー２６による取入口２４及び放出口２５の吹き付け調整がなされてなる。
【００１６】
更に、具体的に燃料電池１１を説明とすると、図１に示すように、燃料電池１１内には、アノード極２１とカソード極２３とが電解質膜２２を挟んで対向して配されている。アノード極２１は燃料である水素の拡散可能な導電性材料から形成されており、水素拡散層を有している。カソード極２３は酸化剤である酸素或いはエアの拡散可能な導電性材料から形成されており、酸素拡散層を有している。電解質膜２２はプロトン導電性或いはイオン透過性の電解質膜であり、例えば、モリブドリン酸、タングストリン酸等のヘテロポリ酸の固体電解質を膜状に成形したもの、耐酸性セラミックス微粉末をテフロン（Ｒ）で結着させたマトリックスに酸を含浸させたもの、固体高分子電解質膜等が使用される。
尚、アノード電極２１は流量計１２を介して水素発生器１３に連通され、水素発生器１３からは燃料である水素がアノード電極２１に供給される。
また、負荷部１４はアノード極２１とカソード極２３とに接続され、図示しないが前記ブロアー２６の駆動モータ２８への電源供給を後述する電圧制御部２９に基づいて行っている。
【００１７】
燃料電池１１には、エア取入口２４及び反応生成物である水蒸気の排出口２５が形成されている。エア取入口２４及び排出口２５の近傍にはブロアー２６が設けられ、エア取入口２４及び排出口２５にはブロアー２６からのエアが吹き付けられるようになっている。ブロアー２６の駆動モータ２８は電圧制御部２９によって電圧制御され、電圧制御部２９は環境測定データ処理部３０のデータ信号に基づいて駆動モータ２８の電圧制御を実効している。
環境測定データ処理部３０には湿度センサ３１、風速センサ３２、及び気圧センサ３３からの計測信号が入力され、湿度センサ３１、風速センサ３２、及び気圧センサ３３は燃料電池１１のエア取入口２４及び排出口２５に近接して設けられている。湿度センナ３１は排出口２５の近傍の湿度を計測し、風速センサ３２は燃料電池１１付近を流通する大気の流れを計測し、また気圧センサ３３はエア取入口２４の近傍における大気圧を計測する。
【００１８】
このように構成された燃料電池１１にあっては、湿度センサ３１、風速センサ３２、及び気圧センサ３３の各計測データが環境測定データ処理部３０に逐次送信される。環境測定データ処理部３０ではこれらの計測値を総合処理して、電圧制御部２９にその処理値を送信する。電圧制御部２９ではその処理値に基づいて駆動モータ２８の電圧を可変制御する。ブロアー２６は調整された駆動モータ２８によりエア取入口２４及び排出口２５にエアを吹き付ける。
【００１９】
従って、燃料電池１１の稼動環境において、湿度が高ければブロアー２６の排出口２５へのエアの吹き付けが強くなるように調整制御され、湿度が低ければブロアー２６の排出口２５へのエアの吹き付けが弱くなるように調整制御される。また、燃料電池１１の稼動環境において、風速が強ければブロアー２６のエア取入口２４へのエアの吹き付けが抑制されるように調整制御され、風速が弱ければブロアー２６のエア取入口２４へのエアの吹き付けが風速に応じて調整制御される。更に、燃料電池１１の稼動環境において、気圧が高ければブロアー２６のエア取入口２４へのエアの吹き付けが抑制され、気圧が低ければブロアー２６のエア取入口２４へのエアの吹き付けが強くなるように調整制御され、大気の流通を高める。
以上のように環境に応じてブロアー２６の駆動モータ２８の電圧制御を行うので、燃料電池１１は常に効率よく発電が続けられる。
【００２０】
図２は、本発明に係る燃料電池の別の実施態様を示すものである。図２の燃料電池４１は、図１に示す燃料電池１１とほぼ同様な部材、及び構造となっており、図２で示される同様、及び類似の部材及び構造については、図１と同様な符号を付してその詳しい説明を省略する。
図２に示す燃料電池４１が図１に示す燃料電池１１と異なる点は、以下の通りである。
ブロアー２６を制御する電圧制御部２９を設け、電圧制御部２９には予め計測したブロアー２６の送風能力に対応する燃料電池４１の発電量、及び発電量に対応する発生水蒸気の放出量のデータが入力されると共に、そのデータと環境測定センサ３１、３２、３３の測定値とに基づいて、ほぼ最大限の発電効率を得るように該ブロアー２６の調整がなされてなる。
【００２１】
更に、具体的に説明すると、燃料電池４１の環境測定処理部３０は更にデータ抽出処理部４２が内臓され、データ抽出処理部４２には予めデータテーブル４３が入力されている。データテーブル４３はブロアー２６のエア取入口２４への送風能に対応する燃料電池４１の発電量の関係、及び発電量に対応する発生水蒸気の排出口からの水蒸気の放出量の関係を示すものである。このような基本データと各センサ３１、３２、３３で実測したデータとを付加及び比較して最適制御条件の信号を電圧制御部２９に入力するようになっている。
【００２２】
このようなデータテーブル４３に基づく制御により、ほぼ最適条件で駆動モータ２８を駆動させ、ブロアー２６からのエア取入口２４への大気の流通を最適なものにして発電効率を適値とすると共に、排出口２５での水蒸気の気化能を最適なものとして燃料電池４１の稼動を好適にしている。
【００２３】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明に係る燃料電池にあっては、燃料電池の空気の取入口及び／又は反応生成物の放出口を吹き付けるブロアーを設けて、また大気に対する湿度センサ、風速センサ、及び気圧センサ等の環境測定センサを設けて、これらの環境測定センサの測定値に基づいて、ブロアーによる取入口及び／又は放出口の吹き付け調整を行うので、気圧、温度、湿度、及び大気の流通環境に応じてブロアーを制御することにより、電池性能を最大限に発揮させることができ、環境条件に対応した優れた機能を有することができる。
特に、ブロアーを制御する制御手段を設け、その制御手段に予め計測した前記ブロアーの送風能力に対応する該電池の発電量、及び／又は該発電量に対応する発生水蒸気の放出量のデータを入力すると共に、その各データと環境測定センサの測定値に基づいて、ほぼ最大限の発電効率を得るように、該ブロアーの調整をすることができ、更に発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る燃料電池の実施形態を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明に係る燃料電池の別の実施形態を示す概略図である。
【図３】図３は、従来の燃料電池の形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１１、４１        燃料電池
２１              アノード極
２２              電解質膜
２３              カソード極
２６              ブロアー
【図１】
2004199899.tif 000003
【図２】
2004199899.tif 000004
【図３】
2004199899.tif 000005