JP2005340210A - 燃料電池システム及びスタック - Google Patents

Abstract

【課題】水素と空気を使用しながら有効電流を得ることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料を供給する燃料供給部と，空気を供給する空気供給部と，上記燃料供給部と上記空気供給部から各々供給する水素と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギを発生させるスタックとを含む。上記スタックは，膜−電極アセンブリと，上記膜−電極アセンブリの両面に配置するセパレータ１９（２１）を含む。上記セパレータ１９（２１）は，燃料通路と空気通路２３を各々備え，ここで上記空気通路２３の全体積は上記燃料通路の全体積より大きく形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は水素と空気を使用して電流を発生させる燃料電池システム及びこれに使用するスタックに関するものである。

一般に燃料電池はメタノールや天然ガスなどのような炭化水素系の物質内に含まれている水素と酸素の化学反応エネルギを直接電気エネルギに変換させる発展システムである。上記燃料電池は燃焼過程なく水素と酸素の電気化学的な反応によって生成する電気と，その副産物である熱を同時に使用することができるという特徴を有する。

上記燃料電池のうちの高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ；以下，ＰＥＭＦＣと言う）は他の燃料電池に比べて出力特性が優れていて，作動温度が低く，同時に速い始動及び応答特性を有し，メタノール，エタノール，天然ガスなどを改質して作られた水素を燃料として使用して自動車のような移動用電源はもちろん，住宅，公共建物のような分散用電源及び電子機器用のような小型電源など，その応用範囲が広いという長所を有する。

このようなＰＥＭＦＣは基本的にシステムを構成するためにスタック，燃料タンク及び燃料ポンプなどを備える。スタックは燃料電池の本体を形成し，燃料ポンプは燃料タンク内の燃料をスタックに供給する。

また，燃料電池は燃料タンクに保存された燃料をスタックに供給する過程で燃料を改質して水素を発生させて，上記水素をスタックに供給する改質装置をさらに含む。

したがって，上記ＰＥＭＦＣは燃料ポンプの作動で燃料タンク内の燃料を改質装置に供給して，上記改質装置で燃料を改質して水素を発生させて，スタックで上記水素と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギを発生させる。

一方，燃料電池は水素を含有した液状の燃料を直接スタックに供給して電流を発生させる直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）方式を採択することができ，この方式ではＰＥＭＦＣと異なって改質装置を排除することができる。

このような燃料電池システムにおいて，実質的に電流を発生させるスタックは電極電解質合成体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ；以下，ＭＥＡと言う）とセパレータを含んで成る単位セルを数個〜数十個積層した構造からなる。

上記ＭＥＡは電解質膜を間に置いて両面に各々付着するアノード電極とカソード電極からなる。セパレータは燃料電池の反応に必要な燃料を供給する燃料通路及び酸素通路の役割と各ＭＥＡのアノード電極とカソード電極を直列に連結する伝導体の役割を同時に担う。

したがって，セパレータによってＭＥＡのアノード電極には水素が供給されて，カソード電極には酸素が供給する。この過程でアノード電極では水素の酸化反応が起こり，カソード電極では酸素の還元反応が起こる。この時に生成する電子の移動によってスタックでは電流と熱，そして水が発生する。

このような燃料電池システムのスタックを形成するセパレータはＭＥＡの両側で各々水素を供給する燃料通路と酸素を供給する酸素通路を備える。

上記燃料通路の全体積と酸素通路の全体積は同一に形成されて同一量の水素と酸素を各々供給して，有効な電力密度を有する電流を発生させる。

このように有効電流を得るために水素と酸素の量を同一に供給しなければならないことにもかかわらず，費用を低減させるために高価な純粋酸素の代りに空気を使用する。上記空気には酸素が約２１％程度含まれている。

したがって，純粋酸素の代りに酸素が含まれた空気を使用しながら同一な有効電流を得ようとする場合，純粋酸素を供給する場合よりさらに大きな体積で酸素通路を形成して純粋酸素の量よりさらに多量の空気を供給することによって，純粋酸素を供給する場合と空気を供給する場合とも同一な量の酸素を供給することが要求される。

本発明はこのような点を勘案して創案されたものであってその目的は，水素と空気を使用しながらも有効電流を得ることができる燃料電池システム及びこれに使用するスタックを提供することにある。

これに本発明による燃料電池システムは，燃料を供給する燃料供給部と，空気を供給する空気供給部と，上記燃料供給部と上記空気供給部から各々供給する水素と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギを発生させるスタックとを含む。上記スタックは，膜−電極アセンブリと，上記膜−電極アセンブリの両面に配置するセパレータを含む。上記セパレータは燃料通路と空気通路を各々備え，ここで上記空気通路の全体積は上記燃料通路の全体積より大きく形成する。

上記燃料電池システムは，燃料通路の全体積が空気通路の全体積の７分の１より大きく３分の１以下である。

燃料通路の全体積１を基準とする時，空気通路の全体積が３未満である場合には供給する空気に含まれた酸素の量が燃料通路に供給する燃料と十分に酸化／還元反応を起こさなくなって有効電力密度を有する電流を得られなくなる。

これと反対に，燃料通路の全体積１を基準とする時，空気通路の全体積が７以上である場合には酸化／還元反応に必要な以上の酸素が供給することによって，空気供給に不必要なエネルギを消耗する。

上記セパレータはその一側面に上記燃料通路を形成し，他側面に上記空気通路を形成して，上記燃料通路と上記空気通路は各々上記膜−電極アセンブリに密着する上記セパレータの第１部分と，上記膜−電極アセンブリに離隔する上記セパレータの第２部分によって形成することができる。

また，本発明による燃料電池システムのスタックは，燃料電池システムの燃料供給部と，空気供給部から各々供給する燃料と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギを発生させるように膜−電極アセンブリと上記膜−電極アセンブリの両面に配置するセパレータによる積層構造を含んで成る。ここで，セパレータは，上記膜−電極アセンブリの両側に密着する密着部分と，離隔する離隔部分によって形成する燃料通路と空気通路を各々備え，この時，上記空気通路の全体積が上記燃料通路の全体積より大きく形成する。

上記燃料通路は上記セパレータの一側面に屈曲したパターンで形成され，上記空気通路は上記セパレータの他側面に一方向に平行して配置されたパターンで形成することができる。

本発明による燃料電池システム及びそのスタックによれば，セパレータの一側面に形成する空気通路の体積をセパレータの他側面に形成する燃料通路の体積より大きく形成して燃料の量より空気の量がさらに多く供給するようにして燃料である水素とこれに相応する酸素を含む空気を最適の比率で供給し，空気を供給しながら純粋酸素を供給する場合と同じ有効電力密度を有する電流を生産することができる。

以下に，添付した図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する発明特定事項については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

以下，添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は本実施形態による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。

図１を参照して本実施形態の燃料電池システムを説明すれば，上記燃料電池システムは燃料を供給する燃料供給部１と改質装置３，空気を供給する空気供給部５，及び上記燃料供給部１と空気供給部５から供給する水素及び酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギを発生させるスタック７を含んで成る。

上記燃料供給部１は燃料タンク９と燃料ポンプ１１を備えて，燃料タンク９内のメタノール，エタノール，または天然ガスのように水素を含んだ液状の燃料を燃料ポンプ１１駆動によって改質装置３に供給し，上記改質装置３によって改質された水素をスタック７内部に供給する。つまり，燃料タンク９は燃料ポンプ１１を通じてスタック７に連結する。

上記燃料電池システムは液状の燃料を直接スタック７に供給して電気を生産する直接酸化型方式を採用することもできる。このような直接酸化型燃料電池システムは図１に示されたシステムとは異なって改質装置３を必要としない。以下では便宜上改質装置３を採用した燃料電池システムを例えて本実施形態を説明する。

上記空気供給部５は空気ポンプ１３を備えて空気をスタック７内部に供給するように構成する。つまり，上記スタック７には水素と空気が各々別途の通路を通じて独立的に供給する。

上記燃料供給部１及び上記改質装置３を通じて水素の供給を受けて，空気供給部５から空気の供給を受けるスタック７は，水素と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギを発生させて，その副産物として熱と水を発生させるように構成されている。

図２は本実施形態による燃料電池システムのスタックを示した説明図である。

この図面を参照してスタック７を説明すれば，本実施形態に適用するスタック７は改質装置３によって改質された水素と外部空気の酸化／還元反応を誘導して電気エネルギを発生させる単位セル１５を複数個備えている。

上記単位セル１５の各々は電気を発生させる最少単位であり，水素と空気のうちの酸素を酸化／還元反応させる膜−電極アセンブリ（以下，ＭＥＡと言う）１７と，上記ＭＥＡ１７の両側に水素と空気を各々供給するためのセパレータ１９，２１で構成されている。

上記単位セル１５はＭＥＡ１７を中心に置いてその両側にセパレータ１９，２１を配置して単一スタックを形成し，上記単一スタックが複数個備えられて本実施形態のような積層構造のスタック７を形成する。上記単位セル１５はその外郭周辺を貫通するボルト（図示せず）と，上記ボルトに締結するナットのような締結手段によって積層構造のスタック７を形成する。

図３は本実施形態の実施形態によるセパレータにおける空気通路が形成された面を示す説明図であり，図４は本実施形態の実施形態によるセパレータにおける燃料通路が形成された面を示す説明図である。

この図面を参照してセパレータ１９，２１を説明すれば，上記セパレータ１９，２１はＭＥＡ１７を間に置いて密着配置されて，上記ＭＥＡ１７の両側に各々空気通路２３と燃料通路２５を形成する。

空気通路２３は空気ポンプ１３に連結されて空気通路２３から酸素を含有した空気の供給を受ける。燃料通路２５は燃料ポンプ１１を介在した燃料タンク９に連結されてこれから水素を含有した燃料の供給を受ける。

このために空気通路２３はその一側に空気ポンプ１３と連結する空気流入口２７を備えて，未反応空気を排出させるように他側面に空気排出口２９を備えている。

また，燃料通路２７はその一側に燃料ポンプ１１と直接または改質装置３を介在して連結する燃料流入口３１を備えて，未反応燃料を排出させるように他側面に燃料排出口３３を備えている。

上記空気通路２３及び燃料通路２５はＭＥＡ１７とその両面に密着するセパレータ１９，２１の間で相互密着する部分と離隔する部分によって形成されて一定の体積を有する。

上記でＭＥＡ１７に密着する第１部分は上記セパレータ１９，２１から突出した形態で形成するリブ２３ａ，２５ａで構成され，ＭＥＡ２１と離隔する第２部分は上記セパレータ１９，２１で凹んだ形態で形成するチャンネル２３ｂ，２５ｂを含んで成る。

このようなリブ２３ａ，２５ａとチャンネル２３ｂ，２５ｂの組み合わせによって上記空気通路２３と燃料通路２５を形成する。

上記空気通路２３はＭＥＡ１７のカソード電極（図示せず）側に配置され，燃料通路２５はＭＥＡ１７のアノード電極側に配置する。

ここで，上記空気通路２３及び燃料通路２５は各々上記セパレータ１９，２１に任意の間隔を維持するチャンネル２３ｂ，２５ｂとリブ２３ａ，２５ａの交互的配置によって形成する。

この時，空気通路２３及び燃料通路２５は各々一つの通路で延長形成することができ，空気及び燃料の供給圧力を下げるために複数個の通路が一つの対をなして形成することもできる。

また，上記空気通路２３及び燃料通路２５はセパレータ１９，２１に屈曲したパターンで形成されたり，一方向に平行に配置されたパターンで形成することもできる。

本実施形態では空気通路２３を平行に配置されたパターンで形成する反面，燃料通路２５を屈曲したパターンで形成するが，これらのパターンが必ずこれに限られるわけではない。

また，本実施形態で空気通路２３と燃料通路２５が同一方向に平行に配置されて形成されているが，これらは互いに交差するパターンで配置しても良い。

本実施形態で空気通路２３は上下方向に平行して形成されながら，その上側で一つで連結されて，その下側もまた一つで連結するパターンを有する。

また，本実施形態で燃料通路２５は蛇行（ｍｅａｎｄｅｒ）形状のような屈曲したパターンを有する。

このようなパターンによって，空気通路２３は一方向（上側から下側へ）に空気を流動させるように配置され，燃料通路２５は一方向（上側から下側へ）から他の一方向（下側から上側へ）に繰り返する構造で燃料を流動させるように配置する。

もちろん，本実施形態における空気通路２３及び燃料通路２５はその個数及び形成方向を前述の場合に限定せずに多様に実現することができる。

一方，本実施形態における空気通路２３を通じて流動する酸素は前述したように純粋な酸素でなく空気中に含まれた酸素である。したがって，空気通路２３は燃料通路２５に沿って流動する水素に対応して安定した反応を起こす量の酸素を流動させるように燃料通路２５より大きな体積で形成する。

つまり，空気通路２３が有する全体積は燃料通路２５が有する全体積より大きく形成する。ここで空気通路２３の全体積及び燃料通路の全体積とは，セパレータ１９，２１上に設定する活性領域上に配置された各通路の全体積を意味する。

この時，燃料通路２５の全体積と空気通路２３の全体積は燃料通路の全体積が空気通路の全体積の７分の１より大きく３分の１以下であるという条件を満足するのが良い。

つまり，燃料通路２５の全体積を基準１と見る時，空気通路２３の全体積は３〜７からなる。

燃料通路２５の全体積１を基準とする時，空気通路２３の全体積が３未満である場合には供給する空気に含まれた酸素の量が燃料通路２５に供給する燃料と十分に酸化／還元反応を起こさなくなって有効電力密度を有する電流を得られなくなる。

これと反対に，燃料通路２５の全体積１を基準とする時，空気通路２３の全体積が７以上である場合には酸化／還元反応に必要な以上の酸素が供給することによって，空気供給に不必要なエネルギを消耗する。

上記で空気通路２３と燃料通路２５の全体積比は多様な方法で決定することができる。つまり，燃料通路２５の全体積を基準にした状態で，空気通路２３でチャンネル２３ｂの幅と長さを一定にしながら深さを増大させたり，チャンネル２３ｂの幅と深さを一定にしながら長さを増大させるなど，多様な方法で上記全体積比を実現することができる。

このように本実施形態ではＭＥＡ１７のアノード電極側に水素ガスを供給する燃料通路２５とカソード電極側に空気を供給する空気通路２３をこのような全体積比で形成することによって，酸化／還元反応に必要な酸素，つまり，空気を最適の量で供給する。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，特許請求の範囲と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でき，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本実施形態による燃料電池システムの全体的な構成を示した説明図である。 本実施形態の実施形態による燃料電池システムのスタックを分解示した説明図である。 本実施形態の実施形態によるセパレータにおいて，空気通路が形成された側を示す説明図である。 本実施形態の実施形態によるセパレータにおいて，燃料通路が形成された側を示す説明図である。

符号の説明

１ 燃料供給部
３ 改質装置
５ 空気供給部
７ スタック
９ 燃料タンク
１１ 燃料ポンプ
１３ 空気ポンプ
１５ セル
１７ ＭＥＡ（膜−電極アセンブリ）
１９，２１ セパレータ
２３ 空気通路
２３ａ，２５ａ リブ
２３ｂ，２５ｂ チャンネル
２５ 燃料通路
２７ 空気流入口
２９ 空気排出口
３１ 燃料流入口

Claims (10)

1. 燃料を供給する燃料供給部と，
   空気を供給する空気供給部と，
   前記燃料供給部と前記空気供給部とから各々供給される水素と酸素とを反応させて電気エネルギを発生させるスタックと，
   を含み，
   前記スタックは，膜−電極アセンブリと，前記膜−電極アセンブリの両面に配置するセパレータと，を含み，
   前記セパレータは燃料通路と空気通路とを各々備えて，前記空気通路の体積が前記燃料通路の体積より大きく形成されたことを特徴とする，燃料電池システム。
2. 燃料通路の全体積が空気通路の全体積の７分の１より大きく３分の１以下であることを特徴とする，請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記セパレータはその一側面に前記燃料通路が形成され，他側面に前記空気通路が形成されることを特徴とする，請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料通路と前記空気通路は，前記膜−電極アセンブリに密着する前記セパレータの第１部分と，前記膜−電極アセンブリから離隔した前記セパレータの第２部分によって形成することを特徴とする，請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料供給部は，
   水素を含有した燃料を保存する燃料タンクと，
   前記燃料タンクに連結されて前記燃料を前記スタックに供給する燃料ポンプと，
   を含むことを特徴とする，請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記空気供給部は外部空気を前記スタックに供給する空気ポンプを含むことを特徴とする，請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池システムのスタックであって，
   燃料電池システムの燃料供給部と空気供給部とから各々供給される燃料と酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギを発生するように膜−電極アセンブリと前記膜−電極アセンブリの両面に配置するセパレータとによる積層構造からなり，
   前記セパレータは，前記膜−電極アセンブリの両側に密着する密着部分と，前記膜−電極アセンブリの両側と離隔する離隔部分によって形成する燃料通路と空気通路とを備え，前記空気通路の全体積が前記燃料通路の全体積より大きく形成されたことを特徴とする，スタック。
8. 燃料通路の全体積が空気通路の全体積の７分の１より大きく３分の１以下であることを特徴とする，請求項７に記載のスタック。
9. 前記セパレータはその一側面に前記燃料通路を形成し，他側面に前記空気通路を形成することを特徴とする，請求項７に記載のスタック。
10. 前記燃料通路は前記セパレータの一側面に屈曲したパターンで形成され，前記空気通路は前記セパレータの他側面に一方向に平行して配置されたパターンで形成することを特徴とする，請求項７に記載のスタック。

Images