(57)【要約】【課題】  マニホールドからセパレータ流路を介してＭＥＡの発電領域への流体導入する入口部分での圧力損失の上昇を抑制し、燃料電池発電時の必要空気流量を確保するために必要な空気供給ファンの動力を低減する。【解決手段】  スタックのマニホールドから流体を導入するセパレータ入口部分において、セパレータのマニホールド周囲を凹凸形状に加工して、その凹凸形状の上にＭＥＡを重ねる構造とした。マニホールド周囲の凹凸構造には流体導入のための開口部を有しており、開口部を有する凹凸状のセパレータとＭＥＡとの空間を利用してセパレータ内部の電池反応部分に流体を導入する方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を導入するための流体開口部を有する燃料電池用セパレータにおいて、該流体開口部の周囲を凹凸形状の構造体とするとともに、該凹凸形状構造体の中間部に該流体開口部と異なる電池反応流体導入のための燃料電池導入用開口部を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
流体を導入するための複数の流体開口部を有する燃料電池用セパレータにおいて、該流体開口部は燃料電池反応用燃料流体，燃料電池酸化反応用流体、及び燃料電池冷却用流体をそれぞれ独立に流す構成とするとともに、全ての該流体開口部の周囲を凹凸上形状の構造体とし、該凹凸形状構造体の中間部に該流体開口部と異なる電池反応流体導入のための複数の燃料電池開口部を設け、燃料電池反応用燃料流体を他の流体と分離して流すための燃料電池開口部と、燃料電池酸化反応用流体を他の流体と分離して流すための燃料電池開口部、及び、燃料電池冷却用流体を他の流体と分離して流すための燃料電池開口部を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
流体を導入するための流体開口部を有する燃料電池用セパレータにおいて、該流体開口部の周囲を凹凸形状の構造体とするとともに、該凹凸形状構造体の中間部に該流体開口部と異なる電池反応流体導入のための燃料電池導入用開口部を設け、該凹凸形状構造体を燃料電池反応用燃料流体，燃料電池酸化反応用流体、及び燃料電池冷却用流体をそれぞれ独立に流す構成とするためのシール機能材との組み合わせによるシール構造体とすることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの主要構成部材である燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の電源システムとして、燃料電池が注目されている。燃料電池は、化学エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換できることから、高効率な電源システムとして期待されている。従来においては、移動体用や定置用の燃料電池として、水素を燃料とするＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）を中心に、各方面でその実用化開発が進められている。
【０００３】
一方、メタノールを燃料とする燃料電池であるＤＭＦＣ（ダイレクトメタノール形燃料電池）は、燃料の取り扱い性の容易さから携帯機器用燃料電池として、その実用化が望まれている。また、燃料電池の性質上、従来の二次電池を用いた電源システムとは異なって充電が不要であり、発電機として分類されることから、可搬型電源としての用途が考えられる。
【０００４】
ＤＭＦＣ電源システムは、電解質膜として機能する固体高分子膜に触媒とカーボンを調合塗布し電極部を形成した発電部分に対する燃料や空気の供給方式により、大きくパッシブ型とアクティブ型の２つに分類することができる。
【０００５】
すなわち、パッシブ型ＤＭＦＣ電源システムは、発電部分であるＭＥＡ（膜電極接合体）へ燃料であるメタノール、及び酸素を含む空気をそれぞれ燃料供給ポンプや空気供給ファンなどの補機を使用しないで、自然拡散などの方法で供給するものである。燃料供給ポンプや空気供給ファンなどの補機を使用しないことから、燃料電池電源システムの小型軽量化が可能となり、携帯機器用電源として開発が進められている。
【０００６】
一方、アクティブ型ＤＭＦＣ電源システムは、燃料供給ポンプや空気供給ファンなどの補機を使用してＭＥＡに強制的に燃料及び空気を供給するものである。燃料及び空気を強制的に供給することにより、ＭＥＡでの燃料や空気の拡散供給を促進することができるため、また、電池反応によって発生する二酸化炭素や反応生成水をＭＥＡ外部に排出可能であることにより、高電流領域まで安定的に発電を実現することができる。これらのことから、電源システムとして機器構成は複雑になるものの高出力の燃料電池電源システムが実現できる。
【０００７】
アクティブ型ＤＭＦＣ電源システムにおいては、必要としている電力に対して単セルでは発生電力が少ないために複数のセルを積層したスタックを使用することが一般的である。
【０００８】
パッシブ型及びアクティブ型ＤＭＦＣ電源システムにおける電池反応は以下にて示される。
【０００９】
（アノード反応）    ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
（カソード反応）    ３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ
（全体反応）        ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→２Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2
すなわち、ＤＭＦＣ電源システムにおいては、アノード反応では水とメタノールが必要であり、また、カソード反応においては酸素が必要となる。従い、パッシブ型及びアクティブ型ＤＭＦＣ電源システムでは、水，メタノール及び酸素を供給することで電池反応を発生させ、この電池反応により発電するものである。
【００１０】
ＤＭＦＣ発電システムにおいて、発電部分であるＭＥＡへの水及びメタノールの供給方法としては、以下のようになる。先ず、ＭＥＡに対しては燃料及び空気を独立して供給する必要がある。複数のセルを積層してスタックを構成する場合においては、燃料と空気とを分離するために燃料及び空気の流路を有するセパレータを設ける。このセパレータはカーボンや金属などの導電性材料を用いることにより、燃料や空気の流体は分離しながら複数のセルは電気的には直列接続とすることができる。
【００１１】
セパレータ流路構造も含め、スタックに対する詳細な燃料や空気の供給方法に関しては、たとえば、特開２００５−１０８５０５号公報，特開２００７−７３１９２号公報、あるいは特開２００７−１６５２５７号公報にて記述されている。スタックに燃料及び空気を供給するために好適な方法が開示されている。これらの従来例は、燃料電池電源システムとしてＰＥＦＣ想定したものであるが、燃料種別が異なるアクティブ型ＤＭＦＣにも十分技術的に適用可能である。
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−１０８５０５号公報
【特許文献２】特開２００７−７３１９２号公報
【特許文献３】特開２００７−１６５２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
燃料電池電源システムの高効率化のためには、たとえばアクティブ型ＤＭＦＣの場合には、スタックの発電効率を高める方法と電源システム内で消費される内部損失、具体的には空気や燃料をスタックに供給するための空気供給ファンや燃料供給ポンプなどの補機損失を低減することが有効である。特に、燃料電池電源システムにおいて、空気供給ファンで消費される動力は補機損失の大部分を占めている。この空気供給ファンで消費される動力は、スタックの圧力損失との関係が深い。従い、空気供給ファンで消費される動力を低減するためには、必要空気流量の条件でスタックの圧力損失、具体的にはセパレータ流路の圧力損失を低減が効果的である。
【００１４】
スタックは複数のセパレータとＭＥＡから構成され、スタック外部から流体を導入するための開口部であるマニホールドから各セルのセパレータ流路に燃料及び空気は供給される。このとき、複数のセパレータとＭＥＡは積み重ねられ、スタック間は所定の荷重で締結される。従い、セパレータ流路へは比較的や柔らかいＭＥＡが締結荷重により押さえ込まれ、結果的にセパレータ流路の断面積は少なくなりセパレータ圧力損失が増加する要因となっている。
【００１５】
特に、セパレータのマニホールド部分から電池反応が進行するＭＥＡとセパレータが接触している電池反応領域への流体導入のための入口部分は、他の領域よりＭＥＡ支持体が少なくなる。このため、櫛歯状にセパレータを加工してその上にＭＥＡを重ねて支持する構成が一般的である。流体は、この櫛歯状のセパレータ流路を介して、電池反応領域に導入されることになる。
【００１６】
スタックのマニホールドから流体を導入するセパレータ入口部分において、櫛歯状にセパレータを加工しその上にＭＥＡを重ね、櫛歯部分とＭＥＡとの空間を利用してセパレータ内部の電池反応部分に流体を導入する方法は、簡単な構成でセパレータ内部領域に流体を導入できるため、きわめて現実的な方法である。
【００１７】
しかしながら、セパレータの櫛歯部分においては、積層しているＭＥＡを支持する構造体が不連続になっているため、ＭＥＡの支持体がない部分においてはスタック締結荷重の影響により、ＭＥＡがセパレータの櫛歯部分に落ち込み流路面積を減少させてしまう。その結果、このセパレータの櫛歯部分において圧力損失の上昇をきたし、燃料電池発電時の必要空気流量を確保するために必要な空気供給ファンの動力が増加することになる。
【００１８】
本発明は、スタックの燃料電池用セパレータにおいて、圧力損失の上昇をきたすことがなく、燃料電池発電時の必要空気流量を確保するために必要な空気供給ファンの動力増加を抑制できる燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
燃料電池電源システムの高効率化のためには、スタックの発電効率を高める方法と空気供給ファンや燃料供給ポンプなどの補機損失を低減することが効果的である。空気供給ファンの動力は、セパレータ流路の圧力損失に依存する。このため、セパレータ流路の圧力損失の増加を抑制することが必要である。
【００２０】
従来は、スタックのマニホールドから流体を導入するセパレータ入口部分において、櫛歯状にセパレータを加工しその上にＭＥＡを重ね、櫛歯部分とＭＥＡとの空間を利用してセパレータ内部の電池反応部分に流体を導入する方法であり、簡単な構成でセパレータ内部領域に流体を導入できるため、きわめて現実的な方法であった。しかしながら、セパレータの櫛歯部分においては、積層しているＭＥＡを支持する構造体が不連続になっているため、ＭＥＡの支持体がない部分においてはスタック締結荷重の影響により、ＭＥＡがセパレータの櫛歯部分に落ち込み流路面積を減少させてしまう。その結果、このセパレータの櫛歯部分において圧力損失の上昇をきたし、燃料電池発電時の必要空気流量を確保するために必要な空気供給ファンの動力が増加することになる。
【００２１】
このため、スタックのマニホールドから流体を導入するセパレータ入口部分において、セパレータのマニホールド周囲を凹凸形状に加工して、その凹凸形状の上にＭＥＡを重ねる構造とした。マニホールド周囲の凹凸構造には流体導入のための開口部を有しており、開口部を有する凹凸状のセパレータとＭＥＡとの空間を利用してセパレータ内部の電池反応部分に流体を導入する方法である。
【００２２】
すなわち、流体を導入するための複数の流体開口部を有する燃料電池用セパレータにおいて、該流体開口部は燃料電池反応用燃料流体，燃料電池酸化反応用流体、及び燃料電池冷却用流体をそれぞれ独立に流す構成とするとともに、全ての該流体開口部の周囲を凹凸上形状の構造体とし、該凹凸形状構造体の中間部に該流体開口部と異なる電池反応流体導入のための複数の燃料電池開口部を設け、燃料電池反応用燃料流体を他の流体と分離して流すための燃料電池開口部と、燃料電池酸化反応用流体を他の流体と分離して流すための燃料電池開口部、及び、燃料電池冷却用流体を他の流体と分離して流すための燃料電池開口部を有する燃料電池用セパレータとした。
【００２３】
また、該流体開口部の周囲を凹凸形状の構造体とするとともに、該凹凸形状構造体の中間部に該流体開口部と異なる電池反応流体導入のための燃料電池導入用開口部を設け、該凹凸形状構造体を燃料電池反応用燃料流体，燃料電池酸化反応用流体、及び燃料電池冷却用流体をそれぞれ独立に流す構成とするためのシール機能材との組み合わせによるシール構造体とした燃料電池用セパレータとした。
【発明の効果】
【００２４】
燃料電池電源システムのスタックの燃料電池用セパレータ構造に関する。スタックのマニホールドから流体を導入するセパレータ入口部分において、セパレータのマニホールド周囲を凹凸形状に加工して、その凹凸形状の上にＭＥＡを重ねる構造とした。マニホールド周囲の凹凸構造には流体導入のための開口部を有しており、開口部を有する凹凸状のセパレータとＭＥＡとの空間を利用してセパレータ内部の電池反応部分に流体を導入する方法である。この燃料電池用セパレータの構造により、セパレータとＭＥＡを積層してスタックを構成する際に、ＭＥＡを支持する構造体が連続的になっているため、ＭＥＡの支持体がない部分が解消される。その結果、スタック締結荷重の影響を受けることなくＭＥＡがセパレータの流体導入部分の流路に落ち込むことはなく、従って、流路面積を減少させてしまうこともない。その結果、マニホールドからセパレータ流路を介してＭＥＡの発電領域への流体導入する部分において、圧力損失の上昇をきたすこともなく、燃料電池発電時の必要空気流量を確保するために必要な空気供給ファンの動力増加を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に本発明に係る実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００２６】
本実施の形態に用いられるメタノールを燃料とする燃料電池では、以下に示す電気化学反応でメタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。燃料電池の電解質膜のアノード側では、供給されたメタノール水溶液すなわちメタノール及び水が、（１）式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する。
【００２７】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-      …（１）
生成された水素イオンは電解質膜中をアノードからカソード側に移動し、カソード電極上で空気中から拡散してきた酸素ガスと電極上の電子と（２）式に従って反応して水を生成する。
【００２８】
６Ｈ+＋３／２Ｏ2＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ      …（２）
従って、発電に伴う全化学反応は（３）式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水とを生成し、化学反応式はメタノールの火炎燃焼と同じになる。
【００２９】
ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→ＣＯ2＋３Ｈ2Ｏ      …（３）
単位電池の開路電圧は概ね１.２Ｖであるが、燃料が電解質膜を浸透する影響で実質的には０.８５〜１.０Ｖであり、特に限定されるものではないが実用的な発電状態（負荷運転）の下での電圧は０.２〜０.６Ｖ程度の領域が選ばれる。従って、実際に電源として用いる場合には、燃料電池電源システムに接続される負荷機器の要求にしたがって、所定の電圧が得られるように単位電池を直列接続して用いられ、さらに必要に応じて電圧変換回路により電圧調整される。
【００３０】
単電池の出力電流密度は電極触媒，電極構造その他の影響で変化するが、実効的に単電池の発電部面積を選択して所定の電流が得られるように設計される。また、適宜、並列に接続することで電池容量を調整することが可能である。
【００３１】
以下に本実施の形態にかかる燃料電池の実施例を詳細に説明する。
【００３２】
図１に本実施例にかかる燃料電池電源システムにおける燃料電池燃料系システムの構成を示す。燃料電池電源システムの発電で必要となるメタノール水溶液は、着脱可能な構造を有する燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７から供給されたメタノール８及び水９により、混合タンク１７にて所定のメタノール濃度に希釈され作られる。この混合タンク１７内のメタノール水溶液１８は、発電部分であるＭＥＡへ燃料供給ポンプ２１で供給される。燃料電池の発電部分には、ＭＥＡを積層したスタック構造あるいは平面配置構造などが採用される。ＭＥＡへ供給されたメタノール水溶液は、その一部は電池反応による発電によって消費される。また、発電で消費されなかったメタノール水溶液はメタノール濃度が減少して再び混合タンク１７に戻ることになる。発電で消費されたメタノール及び水の量は、混合タンク１７のメタノール水溶液の濃度変化としてメタノール濃度検出器２０にて測定され、燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７からメタノール及び水の不足分として補給され、結果として混合タンク１７内の燃料濃度をほぼ一定となるようにする。
このような燃料電池燃料系システムの構成により、燃料電池電源システムは連続的に発電できる。
【００３３】
なお、燃料電池電源システムの発電開始時においては、燃料供給ポンプ２１や空気供給ファン２５などの補機を起動するための初期駆動電源が必要となる。これに関しては、図示していないが二次電池を内蔵電源として搭載して初期の補機起動電源として使用し、燃料電池電源システムが発電開始し自立した後は、内蔵電源である二次電池へ充電するとともに燃料電池電源システムの外部へ電力供給するハイブリッド電源構成とする。
【００３４】
燃料電池燃料系システムの構成を具体的に述べる。燃料カートリッジ６にはその内部にメタノール８が予め充填されている。また、燃料カートリッジ６は、燃料弁１及び空気弁２を有している。燃料カートリッジ６の空気弁２には、燃料カートリッジ６内に空気給排気配管５が接続されている。ここで、燃料弁１は通常は閉状態であるが、燃料電池燃料系システムの燃料弁接続部３が燃料弁１と接続された時のみ、たとえば燃料弁接続部３１の突起にて燃料弁１のバネ機構が移動して開状態となる構造となっている。燃料カートリッジ６の空気弁２も同様な構造であり、燃料電池燃料系システムの空気弁接続部４が空気弁２と接続された時に開状態となる。一方、水カートリッジ７にはその内部に水９が予め充填されている。水カートリッジ７の構造は燃料カートリッジ６の構造と同様であり、燃料弁１及び空気弁２を有している。
【００３５】
燃料カートリッジ６のメタノール８は、燃料配管１２の燃料遮断電磁弁１４を介して燃料輸送ポンプ１６に送られ、この燃料輸送ポンプ１６で混合タンク１７に送り込まれる。
水カートリッジ７の水９は、水配管１３の水遮断電磁弁１５を介して燃料輸送ポンプ１６に送られ、燃料輸送ポンプ１６で混合タンク１７に送り込まれる。このとき、燃料カートリッジ６は、燃料カートリッジ６のメタノール８の減少に伴い内部の圧力も減少する。従い、燃料カートリッジ６内の圧力調整のために、空気配管１９に接続された通常は閉状態の減圧調整弁１０が一時的に開状態となり、混合タンク１７内の空気が燃料カートリッジ６に持ち込まれ、燃料カートリッジ６の減圧状態を緩和する。燃料カートリッジ６の内部の減圧状態緩和に伴い、減圧調整弁１０は再び閉状態となる。水カートリッジ７の水が減少した場合も同様に、水カートリッジ７の内部の減圧に伴い空気配管１９に接続された通常は閉状態の減圧調整弁１０１が一時的に開状態となり、混合タンク１７内の空気が水カートリッジ７に持ち込まれて水カートリッジ７の内部の減圧状態を緩和する。その後、水カートリッジ７の内部の減圧状態緩和に伴い、減圧調整弁１０１は再び閉状態となる。
【００３６】
混合タンク１７では、メタノールと水が混合希釈されるが、その濃度はメタノール濃度検出器２０で測定され所定の濃度となるようにメタノール８及び水９の輸送量が調整される。すなわち、燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５の開閉を調整することにより、燃料輸送ポンプ１６による混合タンク１７へのメタノール８及び水９の輸送量を変えることができるため、その結果、混合タンク内のメタノール水溶液の濃度調整が可能となる。
【００３７】
混合タンク１７のメタノール水溶液１８は、燃料供給配管２２に取り付けられた燃料供給ポンプ２１、及び燃料供給弁２３を介して燃料電池スタック２４へ強制的に供給される。燃料電池スタック２４は、発電機能を有するＭＥＡを積層したものである。また、ＭＥＡは、代表的には電解質膜として炭化水素系あるいはフッ素系の固体高分子膜に触媒とカーボンとを調合塗布した電極を接合した構造である。従い、燃料電池スタック２４には、燃料供給ポンプ２１により燃料が供給されるとともに、空気供給ファン２５により強制的に空気（酸素）が供給され、その結果、ＭＥＡで電池反応に基づき発電する。燃料電池スタック２４により得られた電力は燃料電池電源システムに接続された電子負荷機器へ供給されるが、必要に応じて電圧変換回路２６により電圧調整される。
【００３８】
この燃料電池スタック２４のＭＥＡに強制的に供給されたメタノール水溶液は、その一部を電池反応で消費することになる。未反応のメタノール水溶液は、そのメタノール濃度が減少して再び混合タンク１７に戻される。このため、混合タンク１７のメタノール濃度も減少するが、そのメタノール濃度の減少はメタノール濃度検出器２０で測定され、メタノール及び水の補給調整により所定のメタノール濃度範囲に調整されることになる。
【００３９】
燃料電池燃料系システムの弁動作を説明する。燃料系制御回路３０には、混合タンク１７に設置したメタノール濃度検出器２０のメタノール濃度信号Ｓ４が入力されている。混合タンク１７には、図示してはいないが、燃料のオーバフロー検出器及びアンダーフロー検出器が設置されており、その検出信号は燃料電池燃料系システムの動作停止インターロック起動信号に使用される。
【００４０】
燃料系制御回路３０は、燃料電池電源システムの起動操作信号に基づき、ポンプ駆動回路２９へポンプ起動信号を出力する。この時、混合タンク１７のメタノール濃度信号Ｓ４に基づき、メタノール濃度が所定の濃度範囲以下の場合において、通常閉状態の燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５には、予め設定した時間だけ弁動作要求信号（開信号）Ｓ７、Ｓ５を出力する。ポンプ駆動回路２９には、燃料輸送ポンプ１６へ燃料輸送ポンプ動作要求信号Ｓ１を予め設定した時間だけ同時に出力し、燃料輸送ポンプ１６の動作により燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７から混合タンクへメタノール８及び水９を輸送補給する。
【００４１】
混合タンク１７内のメタノール濃度が所定のメタノール濃度以下の場合には、再度、燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５へは弁動作要求信号Ｓ７，Ｓ５、燃料輸送ポンプ１６にはポンプ動作要求信号Ｓ１をそれぞれ出力する。
【００４２】
なお、燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５への弁動作要求信号Ｓ７，Ｓ５、及び燃料輸送ポンプ１６へのポンプ動作要求信号Ｓ１の設定時間に関しては、燃料カートリッジ６のメタノール濃度，燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５の圧力損失，燃料輸送ポンプ１６のポンプ性能など条件によって混合タンク１７へのメタノールあるいは水の輸送量が異なるため、これらの条件を考慮して要求信号の時間を調整する。
【００４３】
また、燃料供給ポンプ２１に関しては、混合タンク１７と燃料電池スタック２４との間を燃料が定常的に循環するように連続的に駆動する。燃料電池発電システムを発電状態とするときには、通常、燃料供給弁２３は開状態となるように弁開要求信号Ｓ３が出力される。
【００４４】
メタノールを燃料とする燃料電池電源システムにおいては、メタノールを燃料とした電池反応に起因してギ酸やギ酸メチル等の副生成物が発生する。同時に、混合タンク１７と燃料電池スタック２４との間を燃料が常時循環することにより、燃料電池スタック２４からの副生成物や溶出物が内部タンク１７に蓄積するため、状態に応じて混合タンク１７から取り除くことが望ましい。このような場合においても、図１に示す燃料電池燃料系システムの構成により、混合タンク１７の副生成物や溶出物、あるいは使用済み燃料を燃料カートリッジ６に回収することができる。
【００４５】
すなわち、図１の燃料電池燃料系システムにおいて、混合タンク１７の使用済み燃料を回収する際の初期状態として、以下のような燃料電池電源系システムの状態とする。
【００４６】
先ず、燃料電池電源システムの発電は停止する。具体的には、燃料供給ポンプ２１及び空気供給ファン２５は停止状態，燃料供給弁２３は閉状態とする。このような燃料電池電源系システムにおいて、燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７の燃料弁１及び空気弁２のそれぞれを燃料電池燃料系システムの燃料弁接続部３及び空気弁接続部４に接続する。このとき、燃料カートリッジ６は使用済み燃料を回収するために、メタノールが充填されていない空カートリッジを装着する。燃料カートリッジ６の内部にて空気弁２に接続されている空気給排気配管５は、使用済み燃料の回収想定量に応じてその長さを調整する。
すなわち、燃料カートリッジ６に使用済み燃料が持ち込まれた場合に、回収された使用済み燃料の液面より上部にある空気給排気配管５の先端部の空気口から、燃料カートリッジ６の内部の加圧空気が燃料カートリッジ６の外部へ加圧調整弁１１を介して排気される。
また、燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５は閉状態とする。なお、水カートリッジ７は、本実施例の構成では機能的に動作範囲外であり使用しない構成である。
【００４７】
使用済み燃料回収配管２８に接続されている通常閉状態の燃料回収弁２７は、混合タンク１７の使用済み燃料回収においてのみ開要求信号Ｓ６を燃料系制御回路３０から出力される。この燃料回収弁２７の開要求信号Ｓ６を受けて、燃料電池電源システムに内蔵している二次電池を電源として燃料供給ポンプ２１を起動する。従い、混合タンク１７の使用済み燃料は燃料供給ポンプ１７により燃料回収弁２７を介して燃料カートリッジ６に送り込まれることになる。燃料カートリッジ６は使用済み燃料が回収されるにしたがって、内部圧力が上昇する。このため、燃料カートリッジ６内の圧力調整のために、空気配管１９に接続された通常は閉状態の加圧調整弁１１が一時的に開状態となり、燃料カートリッジ６の空気が混合タンク内へ排出され、燃料カートリッジ６の加圧状態を緩和する。燃料カートリッジ６の内部の加圧状態緩和に伴い、加圧調整弁１１は再び閉状態となる。
【００４８】
使用済み燃料を回収した燃料カートリッジ６は、燃料電池燃料系システムから容易に取り外せるために、カートリッジ容器としてのリサイクルや使用済み燃料の廃棄処理に移行することができる。
【００４９】
燃料電池燃料系システムにおいて、メタノール及び水を補給するための燃料カートリッジ及び水カートリッジの一実施例を図２に示す。図２において、予めメタノールが充填されている燃料カートリッジ６及び予め水が充填されている水カートリッジ７の上部には、それぞれ燃料弁６１，７１及び空気弁６２，７２を有している。また、燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７のそれぞれの空気弁６２，７２には、カートリッジ内部において空気給排気配管が接続されている。
【００５０】
燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７のそれぞれの燃料弁６１，７１及び空気弁６２，７２は、燃料電池燃料系システムの燃料弁接続部及び空気弁接続部とに接続されていない状態においては、閉状態である。一方、燃料電池燃料系システムの燃料弁接続部が燃料弁と接続された状態では、たとえば燃料弁接続部の突起にて燃料弁や空気弁のバネ機構が移動して開状態となる構造である。このとき、燃料弁は双方向にメタノールや水などの流体を流すことができる。
【００５１】
燃料カートリッジ６の上部の突起物６３，６４、及び水カートリッジ７の上部の突起物７３，７４は、燃料カートリッジ６と水カートリッジ７を識別するためのメカニカルキーである。このメカニカルキーに対応したキー構造が、燃料電池燃料系システムの燃料弁接続部及び空気弁接続部にそれぞれ設けられている。従い、燃料カートリッジ６と水カートリッジ７を燃料電池電源システムの燃料電池燃料系システムに誤装着した場合には、このメカニカルキーにより例えば燃料カートリッジ６の燃料弁６１と空気弁接続部とを接続することができない。このように、燃料カートリッジ６と水カートリッジ７の誤装着を防止することができる。
【００５２】
以上のように燃料電池電源システムの燃料電池燃料系システムにおいて、発電に必要なメタノール及び水を着脱が可能なカートリッジを用いて供給する構成とすることにより、燃料電池電源システムに対するメタノールや水の交換や補給の操作性や安全性が向上する。また、燃料電池電源システムからカートリッジを容易に取り外せるので、輸送時や保管時に空カートリッジや輸送保管用の専用カートリッジを装着するなどにより安全性が向上する。
【００５３】
さらに、燃料電池電源システム内部の混合タンク内の余剰なメタノール水溶液、あるいは電池反応の進展に伴うメタノール副生成物や不純物を含む使用済み燃料がカートリッジにて回収可能となることから、混合タンク内の燃料及び不純物調整が容易となり燃料電池電源システムの運用性や保守性が向上する。
【００５４】
図３に本発明にかかる燃料電池電源システムの燃料電池燃料系システムのその他の一実施例を示す。本実施例の図１と異なる点は、以下である。
【００５５】
すなわち、燃料電池燃料系システムの空気配管１９１に関して、混合タンク１７に接続されることなく空気配管１９１の端部が開放されていることである。従い、燃料電池電源システムの発電に伴う燃料カートリッジ６のメタノール８の減少による燃料カートリッジ６の減圧に対して、通常時に閉状態である減圧調整弁１０が開状態となると、雰囲気空気を燃料カートリッジ６に吸い込むことで減圧状態が緩和される。同様にして、水カートリッジ７の水の減少による水カートリッジ７の減圧に対して、通常時に閉状態である減圧調整弁１０１が開状態となると、雰囲気空気を水カートリッジ７に吸い込むことで減圧状態が緩和される。
【００５６】
このような燃料電池燃料系システムの構成とすることにより、空気弁接続部４からの空気配管１９１の長さを短くすることができるため、燃料電池電源システムの小型化に寄与することができる。
【００５７】
図４に本発明にかかる燃料電池電源システムの燃料電池燃料系システムのその他の一実施例を示す。本実施例の図１と異なる点は、以下である。
【００５８】
すなわち、燃料電池燃料系システムの燃料輸送ポンプに関して、メタノール輸送ポンプ１６１及び水輸送ポンプ１６２をそれぞれ用意した構成である。従い、混合タンク１７のメタノール水溶液１８の濃度減少をメタノール濃度検出器２０で測定し、このメタノール濃度信号Ｓ４は燃料系制御回路３０に入力される。燃料系制御回路３０は輸送ポンプ駆動回路２９１に対して、駆動要求信号を出力することになる。輸送ポンプ駆動回路２９１からのメタノール輸送ポンプ１６１の起動要求信号Ｓ１１、及び水輸送ポンプ１６２の起動要求信号Ｓ１２は、以下のように燃料遮断電磁弁１４及び水遮断電磁弁１５の動作要求信号Ｓ７，Ｓ５と連携して出力される。
【００５９】
すなわち、通常時には閉常態である燃料遮断電磁弁１４の動作要求信号（開信号）Ｓ７に合わせて、メタノール輸送ポンプ１６１の起動要求信号Ｓ１１が予め定められた一定時間出力される。同様にして、通常時には閉常態である水遮断電磁弁１５の動作要求信号（開信号）Ｓ５に合わせて、水輸送ポンプ１６２の起動要求信号Ｓ１２が予め定められた一定時間出力される。これらの燃料遮断電磁弁１４，水遮断電磁弁１５，メタノール輸送ポンプ１６１、及び水輸送ポンプ１６２の動作要求信号は、混合タンク１７のメタノール水溶液１８の濃度減少をメタノール濃度検出器２０で測定し、このメタノール濃度信号Ｓ４に基づいて燃料系制御回路３０から出力される。
【００６０】
これにより、混合タンク１７２４のメタノール水溶液の濃度に関して、燃料電池スタックの動作に適合するように予め定めた濃度範囲内に保つことができる。
【００６１】
図５に本発明にかかる燃料電池電源システムの燃料電池燃料系システムのその他の一実施例を示す。本実施例の図１と異なる点は、以下である。
【００６２】
すなわち、燃料電池燃料系システムの空気配管５０，５１に減圧調整弁１００，１０２及び加圧調整弁１１０を燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７の内部に設置した構成である。すなわち、燃料カートリッジ６では、空気給排気配管５０の途中に減圧調整弁１００及び加圧調整弁１１０を設けている。また、水カートリッジ７では、空気排気配管５１の途中に減圧調整弁１０２を設けている。
【００６３】
これにより、燃料カートリッジ６及び水カートリッジ７の内部構造は構成要素が増加するが、燃料電池電源システムにおける燃料電池燃料系システムの空気配管１９の構成が簡素化されるため、燃料電池燃料系システムの小型化が図れる。
【００６４】
なお、減圧調整弁１００，１０２及び加圧調整弁１１０は、そのいずれかが燃料電池燃料系システムの空気配管１９の適切な位置に設置されれば、その機能を実現できることは明らかである。
【００６５】
図５は、本発明による燃料電池用セパレータのその他の一実施例を示すものである。本実施例の図１と異なる点は、燃料電池用セパレータのマニホールド周囲の形状加工性を考慮して、凹凸部分を少なくした構成とした点である。
【００６６】
図６に図５の燃料電池用セパレータの断面図を示す。マニホールド周囲の構造がより簡単な構成となり、セパレータの加工性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による燃料電池用セパレータの一実施例を示す。
【図２】図１の断面図を示す。
【図３】本発明による燃料電池用セパレータの積層の一実施例を示す。
【図４】図３の断面図を示す。
【図５】本発明による燃料電池用セパレータのその他の一実施例を示す。
【図６】図５の断面図を示す。
【符号の説明】
【００６８】
１  セパレータ
２Ａ，２Ｂ  酸化剤流体マニホールド
３Ａ，３Ｂ  冷却材流体マニホールド
４Ａ，４Ｂ  燃料流体マニホールド
５Ａ，５Ｂ  流体導入開口部
１０  ＭＥＡ
【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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