(57)【要約】【課題】本発明は、簡単な構造で、燃料電池スタックから生成された水を除去し、供給された水素によりスタック内部の過度な圧力がかかることを防止することで、デッドエンドチャンネルを実現でき、水素の利用効率を極大化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】本発明に係る燃料電池システムは、燃料極及び空気極、そしてその間に介在される電解質層を含む膜電極接合体と、上記燃料極に接し、上記燃料極に水素を供給するためのチャンネルを含むセパレータと、上記チャンネルに水素を供給する水素供給装置と、上記チャンネルの他端に設けられ、チャンネルの圧力を制御する安全弁と、を含むことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極及び空気極、および前記燃料極と前記空気極の間に介在される電解質層を含む膜電極接合体と、
前記燃料極に近接し、前記燃料極に水素を供給するためのチャンネルを含むセパレータと、
前記チャンネルに水素を供給する水素供給装置と、
前記チャンネルに設けられ、前記チャンネルの圧力を制御する安全弁と、
を含む、燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素供給装置は、
水素を貯留する水素貯留タンクと、
前記水素貯留タンクから供給される水素の圧力を調節するマニホールドと、
を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素供給装置は、前記チャンネルの一端及び他端に水素を供給し、前記チャンネルの一端に連結されている第１パイプ及び前記チャンネルの他端に連結されている第２パイプを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記安全弁は、チャンネルの圧力が高くなると機械的に開放されるピストンを含む、請求項１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する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池システムはメタノールなどの水素含有燃料と、空気などの酸化剤ガスとをガス拡散電極で電気化学反応を起こし、電気を生成する発電システムである。燃料電池システムは、電力需要増加による電力確保の困難さや化石エネルギー使用による地球環境問題を解決するための、未来の無公害エネルギー源として脚光を浴びている。
【０００３】
燃料電池の一方法として、高分子電解質燃料電池が多く研究されてきた。しかし、高分子電解質燃料電池では反応物として水が発生する。反応温度が水の沸点より低いため、反応物である水は液体状態で排出されることが一般的である。持続的な反応のためには、反応生成物である水を継続的に排出して水量の均衡を保つことが重要である。
【０００４】
今までの燃料電池は、通常、上述のように生成された水の排出を、燃料ガスや空気を過供給することによる強制流動方式で解決してきた。しかし、このような強制流動方式は燃料を過供給するため、燃料利用効率が非常に低く、燃料利用効率を高めるためには、燃料が供給されるとチャンネルの一端が閉じるデッドエンド（ｄｅａｄ‐ｅｎｄ）チャンネルを適用することが最適の方法である。しかしながら、現在、反応生成物である水の排出およびチャンネルにかかる圧力負荷の解決が困難であったため、デッドエンドチャンネルの適用は困難であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
こういう従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的は、簡単な構造で、燃料電池スタックから生成された水を除去し、供給された水素によりスタック内部に過度な圧力がかかることを防止できるデッドエンドチャンネルを備えた燃料電池システムを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は燃料電池システムを特徴とする。本発明の一実施形態では、燃料極及び空気極、および燃料極と空気極の間に介在される電解質層を含む膜電極接合体と、燃料極に接して燃料極に水素を供給するためのチャンネルを含むセパレータと、チャンネルに水素を供給する水素供給装置と、チャンネルに設けられてチャンネルの圧力を制御する安全弁と、を含む燃料電池システムが提供される。
【０００７】
水素供給装置は、水素を貯留する水素貯留タンクと、および水素貯留タンクから供給される水素の圧力を調節するマニホールドを含むことができる。水素供給装置は、チャンネルの一端及びチャンネルの他端に水素を供給し、およびチャンネルの一端に連結されている第１パイプ及びチャンネルの他端に連結されている第２パイプを含むことができる。
【０００８】
安全弁は、チャンネルの圧力が高くなると機械的に開放されるピストンを含むことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡単な構造で、燃料電池スタックから生成された水を除去し、供給された水素によりスタック内部に過度な圧力がかかることを防止できるため、デッドエンドチャンネルを実現でき、水素の利用効率を極大化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例による燃料電池システムを示す概念図である。
【図２】本発明の一実施例による燃料電池システムのセパレータを示す平面図である。
【図３】本発明の一実施例による安全弁の作動を示す概念図である。
【図４】本発明の一実施例による安全弁の作動を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は多様な変換を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、本願では特定実施例を図面に例示し、詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物及び代替物を含むものとして理解されるべきである。本発明を説明するに当たって、係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をかえって不明にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
【００１２】
「第１」、「第２」などの用語は、多様な構成要素を説明するために用いられるに過ぎず、構成要素がそれらの用語により限定されるものではない。これらの用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的だけに用いられる。
【００１３】
本願で用いた用語は、ただ特定の実施例を説明するために用いたものであって、本発明を限定するものではない。単数の表現は、文の中で明らかに表現しない限り、複数の表現を含む。本願において、「含む」または「有する」などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組合せたものの存在を指定するものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組合せたものの存在または付加可能性を予め排除するものではないと理解しなくてはならない。
【００１４】
以下、本発明による燃料電池システムの好ましい実施例を、添付図面を参照して詳細に説明する。添付図面を参照して説明するに当たって、同一かつ対応する構成要素には同一の図面番号を付し、これに対する重複説明は省略する。
【００１５】
図１は本発明の一実施例による燃料電池システムを示す概念図である。図１には、セパレータ２０、第１パイプ３１、第２パイプ３２、マニホールド３３、水素貯留タンク３５、ならびに空気極１２、電解質層１４及び燃料極１６を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）１０が示されている。
【００１６】
燃料電池の基本構成は、水素の供給を受けて酸化還元反応により水素を分解してエネルギーを発生させるスタックである。実際には、酸化還元反応が起こるのはスタックの膜電極接合体（ＭＥＡ）１０である。膜電極接合体１０は空気極１２、電解質層１４および燃料極１６が積層されている構造である。燃料極１６に供給された水素は水素イオンと電子とに分離される。水素イオンは電解質層１４を介して空気極１２へ移動する。電子は外部回路を介して空気極１２へ移動する。酸素と水素イオンとが空気極１２で接触した場合、反応して水を生成する。上記事項に関係する化学反応式は、下記の化学式１のようになる。
【００１７】
[式１]
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【００１８】
電気エネルギーを発生させるために、膜電極接合体１０に水素と空気が供給されることになる。図１では、本発明の実施例におけるスタックは平板型であり、および単層スタックを用いるため、強制的に酸素を供給する代わりに、空気極１２側を開放して大気と接触するようにすることで、大気中の酸素を利用することができる。このような構造によれば、上記化学式１に示されているように、空気極１２側から生成された水は大気中に蒸発されるので、水を除去するための別途の装置も水素を過度に供給する強制流動方式も必要がない。すなわち、デッドエンドチャンネルを適用しても水を除去する問題は発生しない。
【００１９】
燃料極１６の側には、均一に水素を供給する、チャンネルを有するセパレータ２０が備えられている。図２は本発明の一実施例による燃料電池システムのセパレータ２０を示す平面図である。セパレータ２０は、燃料極と隣接した部分が開放されているチャンネル２５が形成されている、板形の部材である。チャンネル２５に水素を供給すると、チャンネル２５に沿って燃料極に水素が供給される。チャンネル２５の形状は、図２に示されたような蛇行式（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）以外にも、多様な形状が可能である。
【００２０】
水素供給装置は、燃料極１６に水素を供給する装置であって、第１パイプ３１、第２パイプ３２、マニホールド３３、及び水素貯留タンク３５を含む。
【００２１】
水素貯留タンク３５は、水素をスタックに供給するために水素を貯留する燃料供給装置の一部である。水素を貯留する方法には、圧縮タンクを用いた水素貯留、極低温を用いた液化水素貯留技術、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）などの材料に水素を貯留する方法、水素吸着性質を有する金属パウダーなどの金属水素化物（ｍｅｔａｌ ｈｙｄｒｉｄｅ）を用いた水素貯留方法などがある。
【００２２】
水素貯留タンク３５内の水素は高圧をかけられているため、水素貯留タンク３５と燃料電池スタックとの間にマニホールド３３を介在することにより、水素の圧力を調節してスタックへの水素供給を制御することができる。
【００２３】
燃料電池スタックに水素を一方向だけに供給する場合には、水素は第１パイプ３１を通してのみ供給される。しかし、より均一な水素の供給のために、第２パイプ３２を用いて両方向に供給することができる。図１及び図２では、セパレータ２０の両側から水素を供給することができる。供給された水素は燃料極１６で全て利用されるため、水素排出口は別途に存在しない。
【００２４】
しかし、例えば温度上昇による熱膨脹などにより、内部圧力が予想以上に高くなる場合には、デッドエンドチャンネルが破損する恐れがある。このため、このような問題点を防止するために、パイプの一端に安全弁４０を形成することができる。図１及び図２では、安全弁４０は第２パイプに隣接して形成されているが、その位置は制限されない。
【００２５】
図３及び図４は、本発明の一実施例による燃料電池システムの安全弁４０の作動を示す概念図である。図３及び図４には、本体４５、スプリング４１、調節ねじ４３、およびピストン４２が示されている。
【００２６】
安全弁４０の主要部をなす本体４５は、安全弁４０の一端（図３および図４中の安全弁４０の左側）を通じて、水素供給パイプが連結される。スプリング４１は、ピストン４２に加えられる圧力に応じて伸縮する。スプリング４１が耐える圧力の大きさは、調節ねじ４３で調節することができる。図４には安全弁４０のスプリング４１が収縮した状態が示されている。パイプ内部の圧力Ｐが上昇し、ピストン４２に加えられる圧力が上昇すると、スプリング４１が収縮する。図４に示すように、一端が開放されてパイプ内部の圧力を低減させることができる。図３に示すように、パイプの圧力が低くなる場合、再びピストン４２は開始点に戻って、安全弁４０は閉じる。
【００２７】
このような構造は、セパレータの破損を防止するために、過度な圧力が加えられる場合にのみ、機械的に圧力を感知することにより、パイプ内の圧力は安全弁４０が開放されることによって低減される。その結果、別途のセンサ２０は必要としない。このようにデッドエンドチャンネルの問題点を解決することができるので、デッドエンドチャンネルを使用することで、供給された水素を全て利用することができる。
【００２８】
以上、本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載した本発明の思想及び領域から脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることができることを理解できよう。
【００２９】
上述した実施例の他の多くの実施例が、本発明の特許請求の範囲内に存在する。
【符号の説明】
【００３０】
１０：膜電極接合体
１２：空気極
１４：電解質層
１６：燃料極
２０：セパレータ
２５：チャンネル
３１：第１パイプ
３２：第２パイプ
３３：マニホールド
３５：水素貯留タンク
４０：安全弁
４１：スプリング
４２：ピストン
４３：調節ねじ
４５：本体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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