(57)【要約】【課題】  運転中の燃料電池の温度の安定性を向上させる。【解決手段】  複数の膜電極接合体４０が平面上に配列された平面モジュール５０を、平面モジュール５０側に燃料流路が形成された燃料流路プレート６０と平面モジュール５０側に酸化剤流路が形成された酸化剤流路プレート７０とで狭持し、燃焼流路および燃料用の予熱流路を備えたバイポーラプレート８０を燃料流路プレート６０に当接させる。さらに、バイポーラプレート８０の近傍に酸化剤用の予熱流路を備えた熱交換プレート１００をセパレート用板９０を介して当接させる。燃料は、燃料用の予熱流路を通過する際に予熱されたのち、各膜電極接合体４０に供給される。一方、酸化剤は、酸化剤用の予熱流路を通過する際に予熱されたのち、各膜電極接合体４０に供給される。未反応の燃料は、燃焼流路に供給され、触媒反応により燃焼し、燃料電池モジュール２０全体を加熱する。【選択図】図１
2006040820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードが接合された複数の膜電極接合体が平面上に配列された平面モジュールと、
前記複数の膜電極接合体のアノードに燃料を供給する燃料流路を含む燃料流路プレートと、
前記複数の膜電極接合体にカソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を含む酸化剤流路プレートと、
前記燃料流路プレートまたは／および前記酸化剤流路プレートの近傍に設けられた発熱部と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
反応前の前記燃料または／および前記酸化剤が流通する熱交換流路を前記発熱部の近傍に有し、前記発熱部によって前記燃料または／および前記酸化剤が予熱されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記発熱部は、前記燃料と燃焼反応する燃焼触媒を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記燃料がメタノール溶液であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
燃料と酸化剤とを反応させて電力を発生させる燃料電池モジュールを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池モジュールが、電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードが接合された複数の膜電極接合体が平面上に配列された平面モジュールと、
前記複数の膜電極接合体のアノードに燃料を供給する燃料流路を含む燃料流路プレートと、
前記複数の膜電極接合体にカソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を含む酸化剤流路プレートと、
前記燃料流路プレートまたは／および前記酸化剤流路プレートの近傍に設けられた発熱部とを有し、
前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記発熱部に前記燃料の一部を供給する燃焼剤供給手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃焼剤供給手段は、前記燃料流路プレートから排出された未反応の燃料を前記発熱部に供給することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料供給手段は、高濃度の燃料を格納する手段と、前記高濃度の燃料を所定濃度に希釈する手段と、前記所定濃度の燃料を前記燃料流路に供給する手段と、を含み、
前記燃焼剤供給手段は、前記高濃度の燃料の一部を前記発熱部に供給することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
外部から空気を取り込み、前記空気を前記発熱部に流量を調節しながら供給する手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
反応前の前記酸化剤の一部を前記発熱部に流量を調節しながら供給する手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
反応前の前記燃料または／および前記酸化剤が流通する熱交換流路を前記発熱部の近傍に有し、前記発熱部によって前記燃料または／および前記酸化剤が予熱されることを特徴とする請求項５乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記発熱部は、前記燃料と燃焼反応する燃焼触媒を備えることを特徴とする請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料がメタノール溶液であることを特徴とする請求項５乃至１１のいずれか１項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】
本発明は燃料電池に関し、詳しくは燃料電池の運転温度の安定化に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料および酸化剤から電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ない直接発電が挙げられる。このため、燃料電池は、小規模でも高い発電効率が期待できる。また、窒化化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が向上する。このように、燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用でき、環境に優しい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギー供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
【０００３】
特に近年、燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell:ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノールを改質することなく、アノードへ直接供給し、メタノールと酸素との電気化学反応により電力を得る。メタノールは水素に比べて、単位体積当たりのエネルギーが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器などの電源への利用が期待されている。
【０００４】
しかしながら、燃料電池は、起動時などに燃料電池の温度が低下していると、発電効率が低下するという問題を抱えている。この問題に対して、燃料あるいは酸化剤の供給系に昇温手段を設けるなどの対策がとられてきた（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３７３６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、従来の燃料電池では、昇温手段を供給系に設けるため、全体のシステムが大型化するという問題があった。また、昇温手段としてヒータなどを用いると発電した電力が消費されるため、燃料電池全体の発電効率が低下するという問題が生じる。
【０００６】
さらに、燃料電池の温度が上昇しすぎると、電解質膜を用いる形態の燃料電池では、電解質膜の乾燥が進むことにより、発電効率の低下や燃料電池の耐久性の低下を招く恐れがあった。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、運転中の燃料電池の温度の安定性を向上させる技術の提供にある。また、本発明の他の目的は、燃料電池の起動時間の短縮を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池モジュールは、電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードが接合された複数の膜電極接合体が平面上に配列された平面モジュールと、複数の膜電極接合体のアノードに燃料を供給する燃料流路を含む燃料流路プレートと、複数の膜電極接合体にカソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を含む酸化剤流路プレートと、燃料流路プレートまたは／および酸化剤流路プレートの近傍に設けられた発熱部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、平面モジュール、燃料流路および酸化剤流路を、電力を消費することなく加熱することができる。これにより、燃料電池の起動時間を短縮し、運転時の燃料電池の温度を安定化させることができる。
【００１０】
上記燃料電池モジュールの構成において、反応前の燃料または／および酸化剤が流通する熱交換流路を発熱部の近傍に有し、発熱部によって燃料または／および酸化剤が予熱されてもよい。これによれば、燃料または／および酸化剤が反応するまでに、燃料または／および酸化剤の温度を前もって上昇させることができるので、発電効率をより向上させることができる。
【００１１】
上記燃料電池モジュールの構成において、発熱部は、燃料と燃焼反応する燃焼触媒を備えてもよい。これによれば、効率的に燃料を燃焼させることができるので、燃料電池の加温を速やかに行うことができる。
【００１２】
上記燃料電池モジュールの構成において、燃料がメタノール溶液であってもよい。これによれば、発電効率に優れるとともに、起動時間が短く、運転中の温度維持が可能なＤＭＦＣモジュールが提供される。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤とを反応させて電力を発生させる燃料電池モジュールを備えた燃料電池システムであって、燃料電池モジュールが、電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードが接合された複数の膜電極接合体が平面上に配列された平面モジュールと、複数の膜電極接合体のアノードに燃料を供給する燃料流路を含む燃料流路プレートと、複数の膜電極接合体にカソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を含む酸化剤流路プレートと、燃料流路プレートまたは／および酸化剤流路プレートの近傍に設けられた発熱部とを有し、燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、発熱部に燃料の一部を供給する燃焼剤供給手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
上記燃料電池システムの構成によれば、燃料の一部が燃焼したときに発生する熱により、平面モジュール、燃料流路および酸化剤流路を加熱することができる。これにより、燃料電池の起動時間を短縮し、運転時の燃料電池の温度を安定化させることができる。
【００１５】
上記燃料電池システムの構成において、燃焼剤供給手段は、燃料流路プレートから排出された未反応の燃料を発熱部に供給してもよい。これにより、燃料を無駄なく消費することができるので、燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。
【００１６】
上記燃料電池システムの構成において、燃料供給手段は、高濃度の燃料を格納する手段と、高濃度の燃料を所定濃度に希釈する手段と、所定濃度の燃料を燃料流路に供給する手段と、を含み、燃焼剤供給手段は、高濃度の燃料の一部を発熱部に供給してもよい。これによれば、発熱部における燃料の燃焼反応を促進させることができ、発熱量を増大させることができる。これにより、各膜電極接合体４０の加熱をより効率的に行うことができる。
【００１７】
上記燃料電池システムの構成において、外部から空気を取り込み、空気を発熱部に流量を調節しながら供給する手段を備えてもよい。また、反応前の酸化剤の一部を発熱部に流量を調節しながら供給する手段を備えてもよい。これによれば、発熱部における燃料反応を制御することができるので、燃料電池の運転状況に応じて発熱部による加熱を調節することができる。
【００１８】
上記燃料電池システムの構成において、反応前の燃料または／および酸化剤が流通する熱交換流路を発熱部の近傍に有し、発熱部によって燃料または／および酸化剤が予熱されてもよい。これによれば、燃料または／および酸化剤が反応するまでに、燃料または／および酸化剤の温度を前もって上昇させることができるので、発電効率をより向上させることができる。
【００１９】
上記燃料電池システムの構成において、発熱部は、燃料と燃焼反応する燃焼触媒を備えてもよい。これによれば、効率的に燃料を燃焼させることができるので、燃料電池の加温を速やかに行うことができる。
【００２０】
上記燃料電池システムの構成において、燃料がメタノール溶液であってもよい。これによれば、発電効率に優れるとともに、起動時間が短く、運転中の温度維持が可能なＤＭＦＣシステムが提供される。これによれば、発電効率に優れるとともに、起動時間が短く、運転中の温度維持が可能なＤＭＦＣモジュールが提供される。
【００２１】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の装置によれば、運転中の燃料電池の温度を安定化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール２０、燃料格納部３０、燃料供給ポンプ３２、酸化剤供給ポンプ３４およびタンク３００を備える。
【００２４】
燃料格納部３０は、たとえば8mol/Lのメタノール溶液を貯蔵する容器である。燃料格納部３０は配管１０２により燃料供給ポンプ３２に接続されている。燃料供給ポンプ３２は、配管１０４を経由して、適量のメタノール溶液を燃料電池モジュール２０に供給する。
【００２５】
一方、酸化剤供給ポンプ３４は、外部から酸化剤として空気を取り込み、配管１０６を経由して、取り込んだ空気を燃料電池モジュール２０に供給する。
【００２６】
燃料電池モジュール２０は、供給されたメタノール溶液および空気を用いて電気化学反応により電力を発生する。反応後のメタノール溶液および空気は、それぞれ配管１０８、配管１１０を経由してタンク３００に貯留され、空気中に含まれる水分が回収される。タンク３００は、内容物を外気へ排出するための排出口３０２を有する。
【００２７】
図２は、燃料電池モジュール２０の分解斜視図である。燃料電池モジュール２０は、複数の膜電極接合体４０を含む平面モジュール５０、燃料流路プレート６０、酸化剤流路プレート７０、バイポーラプレート８０、セパレート用板９０、および熱交換プレート１００を含む。
【００２８】
図３は、膜電極接合体４０の断面図を示す。膜電極接合体４０は、高分子電解質膜４２をアノード４４およびカソード４６で狭持した構造を備える。高分子電解質膜４２の一方の面にアノード４４とが当接し、および高分子電解質膜４２の他方の面にカソード４６が当接する。
【００２９】
高分子電解質膜４２は、一般的にフッ素化アルキレンより構成された主鎖と末端にスルホン酸基を有するフッ素化ビニルエーテルより構成された側鎖を有するスルホネート高フッ化ポリマー（たとえば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））で形成される。
【００３０】
アノード４４は、白金、ルテニウム、白金とルテニウムの合金などの触媒金属を高分散担持した導線性カーボンブラック粒子、撥水剤および結着材としてのフッ素ポリマー粒子を含み、必要に応じてＮａｆｉｏｎなどの高分子電解質膜を含む。
【００３１】
カソード４６は、白金または白金とバナジウム、クロム、鉄、ニッケルなどの金属との合金などの触媒金属を高分散担持した導線性カーボンブラック粒子、撥水剤および結着材としてのフッ素ポリマー粒子を含み、必要に応じてＮａｆｉｏｎなどの高分子電解質膜を含む。
【００３２】
図２に戻り、平面モジュール５０は、平板状の保持プレート５２および複数の膜電極接合体４０を含む。保持プレート５２には、複数の貫通口が縦横に配列されて設けられている。保持プレート５２に設けられた各貫通口には、膜電極接合体４０がはめ込まれている。
【００３３】
保持プレート５２の材料は、絶縁性、耐熱性、およびガス遮断性を特性として有していれば任意の材料を用いることができるが、アクリル樹脂が例示される。
【００３４】
図４は、平面モジュール５０の部分断面図である。平面モジュール５０が有する複数の膜電極接合体４０は、電気的に直列に接続される。図４は、膜電極接合体４０ａと膜電極接合体４０ｂを接続する構成の一例を示す。膜電極接合体４０ａのアノード４４ａには、導電体として銅線２００が接続されている。また、膜電極接合体４０ｂのカソード４６ｂには、導電体として銅線２０２が接続されている。膜電極接合体４０ａと膜電極接合体４０ｂの間の保持プレート５２には、貫通ビア２０４が形成され、貫通ビア２０４に銅２０６が埋め込まれている。銅線２００および銅線２０２の一端は、銅２０６に接続されている。これにより、膜電極接合体４０ａと膜電極接合体４０ｂは、電気的に直列に接続される。同様に、膜電極接合体４０ａは、カソード４６ａと接続する銅線２１０により他の膜電極接合体と電気的に直列に接続され、膜電極接合体４０ｂは、アノード４４ｂと接続する銅線２１２によりさらに他の膜電極接合体と電気的に直列に接続される。このように、複数の膜電極接合体４０を電気的に直列に順次接続することにより、各膜電極接合体４０で発生する電圧に膜電極接合体４０の数を乗算した電圧を取り出すことができる。
【００３５】
図２に戻り、燃料流路プレート６０は、配管１１２（図１参照）と接続する燃料入口６２、燃料が流通する燃料用流路６４、および配管１１４（図１参照）と接続する燃料出口６６を有する。燃料用流路６４は、燃料入口６２から流入する燃料が各膜電極接合体４０のアノード側の面に供給されるように、複数の経路に分岐している。燃料用流路６４の複数の経路は、合流した後、燃料出口６６と連通する。
【００３６】
また、酸化剤流路プレート７０は、配管１１６（図１参照）と接続する酸化剤入口７２、酸化剤が流通する酸化剤用流路７４、および配管１１０（図１参照）と接続する酸化剤出口７６を有する。酸化剤用流路７４は、酸化剤入口７２から流入する空気が各膜電極接合体４０のカソード側の面に供給されるように、複数の経路に分岐している。酸化剤用流路７４の複数の経路は、合流した後、酸化剤出口７６と連通する。
【００３７】
バイポーラプレート８０は、図５（ａ）に示すように、燃料流路プレート６０の側の面に、配管１１４（図１参照）と接続する燃焼剤入口８２、未反応のメタノール溶液が流通する燃焼流路８３、および配管１０８（図１参照）と接続する燃焼剤出口８４を有する。燃焼流路８３は、燃焼剤入口８２から流入する未反応のメタノールが燃焼したときに、各膜電極接合体４０を均等に加熱できるように、複数の経路に分岐している。燃焼流路８３の複数の経路は、合流した後、燃焼剤出口８４と連通する。なお、燃焼流路８３には、メタノールと燃焼反応を起こす燃焼触媒が塗布あるいは導入される。この燃焼触媒としては、メタノール酸化反応活性が高い材料であればよく、一例としては、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウムなどの白金族元素や銅−亜鉛系酸化物触媒などがある。また、触媒粒子の形態は、触媒単独で触媒粒子を構成してもよいが、ファーネスブラックやアセチレンブラックなどのカーボンブラックや、アルミナ、ジルコニア、チタニアなどのセラミクスに触媒を担持させた担持触媒でもよい。
【００３８】
また、バイポーラプレート８０は、図５（ｂ）に示すように、他方の面に、配管１０４（図１参照）と接続する予熱流路入口８５、反応前のメタノール溶液が流通する予熱流路８６、および配管１１２（図１参照）と接続する予熱流路出口８７を有する。予熱流路８６は、予熱流路入口８５から流入するメタノール溶液が、燃焼流路８３内でのメタノールの燃焼により効率的に予熱されるように、複数の経路に分岐している。予熱流路８６の複数の経路は、合流した後、予熱流路出口８７と連通する。
【００３９】
バイポーラプレート８０は、平面モジュール５０、燃料流路プレート６０および酸化剤流路プレート７０を熱伝導により加熱できる程度に、燃料流路プレート６０の近傍に設けられることが望ましい。たとえば、バイポーラプレート８０は、平面モジュール５０と反対側の燃料流路プレート６０の主面に当接させることが好適である。
【００４０】
なお、バイポーラプレート８０は、発熱部としての燃焼流路８３と熱交換部としての予熱流路８６を兼ね備える。これにより、燃焼流路８３と予熱流路８６との間の熱交換を効率的に行うことができる。なお、バイポーラプレート８０を用いることに代えて、燃焼流路８３と予熱流路８６とを別部材に形成し、両部材を当接させてもよい。
【００４１】
熱交換プレート１００は、配管１０６（図１参照）と接続する予熱流路入口１０１、反応前の空気が流通する予熱流路１０３、および配管１１６（図１参照）と接続する予熱流路出口１０５を有する。予熱流路１０３は、予熱流路入口１０１から流入する空気が、燃焼流路８３内でのメタノールの燃焼により効率的に予熱されるように、複数の経路に分岐している。予熱流路１０３の複数の経路は、合流した後、予熱流路出口１０５と連通する。
【００４２】
バイポーラプレート８０と熱交換プレート１００との間に、セパレート用板９０が設けられ、セパレート用板９０により予熱流路８６および予熱流路１０３がそれぞれ閉塞されている。
【００４３】
熱交換プレート１００は、熱伝導により加熱されるように、燃焼流路８３の近傍に設けられることが望ましい。たとえば、熱交換プレート１００は、平面モジュール５０と反対側のバイポーラプレート８０の面にセパレート用板９０を介して当接させることが好適である。なお、バイポーラプレート８０のみで予熱流路８６が閉塞されるか、熱交換プレート１００のみで予熱流路１０３が閉塞される場合には、セパレート用板９０は不要である。
【００４４】
（燃料電池システムの動作）
以上のように構成された燃料電池システム１０の動作について説明する。まず、燃料格納部３０から燃料電池モジュール２０にメタノール溶液が供給される。供給されたメタノール溶液は、予熱流路８６を通ることによって予熱される。
【００４５】
一方、酸化剤供給ポンプ３４から供給される空気は、予熱流路１０３を通ることによって予熱される。
【００４６】
予熱されたメタノール溶液および空気は、燃料用流路６４、酸化剤用流路７４をそれぞれ流通する。各膜電極接合体４０において、予熱されたメタノール溶液および空気が電気化学反応を起こすことにより、電力が生じる。
【００４７】
反応後の空気は、タンク３００に貯留される。未反応のメタノール溶液は、燃焼流路８３を流通する間に触媒作用により燃焼する。燃焼流路８３において、未反応のメタノール溶液が燃焼することにより、予熱流路１０３を通る空気、予熱流路８６を通る反応前のメタノール溶液、および各膜電極接合体４０が熱伝導により加熱される。
【００４８】
このように、未反応のメタノール溶液を燃焼させて、反応前のメタノール溶液および空気を予熱するとともに、各膜電極接合体４０を均等に加熱することにより、平面モジュール５０の面内に熱勾配が発生することが抑制され、平面モジュール５０の局所的な出力低下および耐久性低下が抑制されるとともに、平面モジュール５０の発電機能が低下が抑制される。また、ヒータのように電力を消費しないため、燃料電池の発電効率を損なうことがない。また、未反応のメタノール溶液を燃焼させることにより、燃料を無駄なく消費することができる。
【００４９】
（実施形態２）
図６は、本発明の実施形態２に係る燃料電池システム１２の全体構成を示す。本実施形態では、実施形態１と同様な構成については、同一の符号を付して、説明を適宜省略する。
【００５０】
燃料電池システム１２は、燃料電池モジュール２０、燃料格納部５００、高濃度燃料用ポンプ５０２、高濃度燃料用ポンプ５０４、空気用ポンプ５０６、タンク５０８、燃料供給ポンプ３２、酸化剤供給ポンプ３４を備える。
【００５１】
燃料格納部５００は、たとえば22mol/Lの高濃度のメタノール溶液を貯蔵する容器である。燃料格納部５００は配管６００、配管６０２により高濃度燃料用ポンプ５０２、高濃度燃料用ポンプ５０４に接続されている。
【００５２】
高濃度燃料用ポンプ５０２は、配管６０４を経由して、燃料電池モジュール２０に高濃度のメタノール溶液を供給する。空気用ポンプ５０６は、外部から空気を取り込み、取り込んだ空気を配管６０６に供給する。配管６０６は、燃料電池モジュール２０の上流で、合流点６０５において配管６０４と合流する。高濃度燃料用ポンプ５０２および空気用ポンプ５０６は、コントローラ（図示せず）によりオンオフ制御が可能である。膜電極接合体４０、燃料用流路６４、酸化剤用流路７４のうち少なくとも一つに温度センサを設けることにより、温度センサからの温度情報に基づいて、高濃度燃料用ポンプ５０２および空気用ポンプ５０６のオンオフにより燃焼流路８３内の温度管理を行うことが望ましい。
【００５３】
一方、高濃度燃料用ポンプ５０４は、配管６０８を介して、高濃度メタノール溶液をタンク５０８に供給する。
【００５４】
タンク５０８は、燃料出口６６、酸化剤出口７６、および燃焼剤出口８４と、配管６１４、配管６１６、配管６１８を介してそれぞれ接続している。これにより、タンク５０８に、電気化学反応後のメタノール溶液および空気、ならびに燃焼流路８３で燃焼反応したメタノール溶液を回収することができる。また、タンク５０８内において、高濃度燃料用ポンプ５０４から供給された高濃度メタノール溶液と、回収した空気に含まれる水とが混合され、メタノール溶液の濃度が、たとえば0.5mol/Lに希釈される。
【００５５】
タンク５０８は、配管６１０により燃料供給ポンプ３２に接続されている。燃料供給ポンプ３２は、配管１０４を経由して、適量のメタノール溶液を燃料電池モジュール２０に供給する。タンク５０８は、内容物を外気へ排出するための排出口５０９を有する。
【００５６】
（燃料電池システムの動作）
以上のように構成された燃料電池システム１２の動作について説明する。まず、燃料格納部５００に貯蔵された高濃度のメタノール溶液がタンク５０８内で希釈された後、燃料電池モジュール２０に供給される。供給されたメタノール溶液は、予熱流路８６を通ることによって予熱される。
【００５７】
一方、酸化剤供給ポンプ３４から供給される空気は、予熱流路１０３を通ることによって予熱される。
【００５８】
予熱されたメタノール溶液および空気は、燃料用流路６４、酸化剤用流路７４をそれぞれ流通する。各膜電極接合体４０において、予熱されたメタノール溶液および空気が電気化学反応を起こすことにより、電力が生じる。
【００５９】
反応後のメタノール溶液および空気は、タンク５０８に貯留される。
【００６０】
これとは別に、燃料格納部５００に貯蔵された高濃度のメタノール溶液は、燃焼流路８３に供給される。高濃度のメタノール溶液は燃焼流路８３を流通する間に触媒作用により燃焼する。燃焼流路８３において、高濃度のメタノール溶液が燃焼することにより、予熱流路１０３を通る空気、予熱流路８６を通る反応前のメタノール溶液、および各膜電極接合体４０が熱伝導により加熱される。高濃度のメタノール溶液を燃焼流路８３内で燃焼させることにより、メタノールの燃焼反応を促進させることができ、発熱量を増大させることができる。これにより、反応前の空気およびメタノール溶液、ならびに各膜電極接合体４０の加熱をより効率的に行うことができる。
【００６１】
また、空気用ポンプ５０６で供給する空気の量および高濃度燃料用ポンプ５０２で供給する高濃度燃料の量を膜電極接合体４０等の温度に応じて変化させることにより、膜電極接合体４０等の温度管理をより確実に行うことができる。たとえば、膜電極接合体４０等の温度が約５０℃となるまでは、空気用ポンプ５０６および高濃度燃料用ポンプ５０２をオンにして、空気および高濃度燃料を燃焼流路８３へ供給する。膜電極接合体４０等の温度が約５０℃を超えた場合には、空気用ポンプ５０６および高濃度燃料用ポンプ５０２をオフにして、燃焼流路８３への空気および高濃度燃料の供給を停止する。
【００６２】
以上のように、メタノール溶液および空気を予熱するとともに、各膜電極接合体４０を均等に加熱することにより、平面モジュール５０の面内に熱勾配が発生することが抑制され、平面モジュール５０の局所的な出力低下および耐久性低下が抑制されるとともに、平面モジュール５０の発電機能が低下が抑制される。また、ヒータのように電力を消費しないため、燃料電池の発電効率を損なうことがない。
【００６３】
（実施形態３）
図７は、本発明の実施形態３に係る燃料電池システム１４の全体構成を示す。本実施形態では、実施形態２と同様な構成については、同一の符号を付して、説明を適宜省略する。
【００６４】
燃料電池システム１４は、燃料電池モジュール２０、燃料格納部５００、高濃度燃料用ポンプ５０４、タンク５０８、燃料供給ポンプ３２、酸化剤供給ポンプ３４、流量制御部７００、流量制御部７０２を備える。
【００６５】
燃料格納部５００は、たとえば22mol/Lの高濃度のメタノール溶液を貯蔵する容器である。燃料格納部５００は配管６０２により高濃度燃料用ポンプ５０４に接続されている。
【００６６】
高濃度燃料用ポンプ５０４は、配管６０８を介して、高濃度メタノール溶液をタンク５０８に供給する。
【００６７】
配管６０８は、タンク５０８の上流で分岐し、分岐点６０７において配管６０８から配管８００が枝分かれする。配管８００の端部には、バルブまたは／およびオリフィスで構成される流量制御部７００が設けられる。配管８００を流通する高濃度メタノール溶液は、流量制御部７００により流量が調節された後、配管８０２を介して、燃料電池モジュール２０の燃焼流路８３に供給される。
【００６８】
タンク５０８は、燃料出口６６、酸化剤出口７６、および燃焼剤出口８４と、配管６１４、配管６１６、配管６１８を介してそれぞれ接続している。これにより、タンク５０８に、電気化学反応後のメタノール溶液および空気、ならびに燃焼流路８３で燃焼反応したメタノール溶液を回収することができる。また、タンク５０８内において、高濃度燃料用ポンプ５０４から供給された高濃度メタノール溶液と、回収した空気に含まれる水とが混合され、メタノール溶液の濃度が0.5mol/Lに希釈される。
【００６９】
タンク５０８は、配管６１０により燃料供給ポンプ３２に接続されている。燃料供給ポンプ３２は、配管１０４を経由して、適量のメタノール溶液を燃料電池モジュール２０に供給する。タンク５０８は、内容物を外気へ排出するための排出口５０９を有する。
【００７０】
酸化剤供給ポンプ３４は、外部から酸化剤として空気を取り込み、配管１０６を経由して、取り込んだ空気を燃料電池モジュール２０に供給する。配管１０６は、燃料電池モジュール２０の下流で分岐し、分岐点８０３において配管１０６から配管８０４が枝分かれする。配管８０４の端部には、バルブまたは／およびオリフィスで構成される流量制御部７０２が設けられる。配管８０４を流通する空気は、流量制御部７０２により流量が調節された後、配管８０６を介して、合流点８０７において配管８０２に供給される。
【００７１】
流量制御部７００および流量制御部７０２は、コントローラ（図示せず）によりオンオフ制御が可能である。膜電極接合体４０、燃料用流路６４、酸化剤用流路７４のうち少なくとも一つに温度センサを設けることにより、温度センサからの温度情報に基づいて、流量制御部７００および流量制御部７０２の流量制御により燃焼流路８３内の温度管理を行うことが望ましい。
【００７２】
（燃料電池システムの動作）
以上のように構成された燃料電池システム１４の動作について説明する。まず、燃料格納部５００に貯蔵された高濃度のメタノール溶液がタンク５０８内で希釈された後、燃料電池モジュール２０に供給される。供給されたメタノール溶液は、予熱流路８６を通ることによって予熱される。
【００７３】
一方、酸化剤供給ポンプ３４から供給される空気は、予熱流路１０３を通ることによって予熱される。
【００７４】
予熱されたメタノール溶液および空気は、燃料用流路６４、酸化剤用流路７４をそれぞれ流通する。各膜電極接合体４０において、予熱されたメタノール溶液および空気が電気化学反応を起こすことにより、電力が生じる。
【００７５】
反応後のメタノール溶液および空気は、タンク５０８に貯留される。
【００７６】
これとは別に、燃料格納部５００に貯蔵された高濃度のメタノール溶液は、流量制御部７００により流量が調節された後、燃焼流路８３に供給される。高濃度のメタノール溶液は燃焼流路８３を流通する間に触媒作用により燃焼する。燃焼流路８３において、高濃度のメタノール溶液が燃焼することにより、予熱流路１０３を通る空気、予熱流路８６を通る反応前のメタノール溶液、および各膜電極接合体４０が熱伝導により加熱される。高濃度のメタノール溶液を燃焼流路８３内で燃焼させることにより、メタノールの燃焼反応を促進させることができ、発熱量を増大させることができる。これにより、反応前の空気およびメタノール溶液、ならびに各膜電極接合体４０の加熱をより効率的に行うことができる。また、流量制御部７０２による酸化剤の流量と、流量制御部７００による高濃度燃料の流量を膜電極接合体４０等の温度に応じて変化させることにより、膜電極接合体４０等の温度管理をより確実に行うことができる。
【００７７】
このように、メタノール溶液および空気を予熱するとともに、各膜電極接合体４０を均等に加熱することにより、平面モジュール５０の面内に熱勾配が発生することが抑制され、平面モジュール５０の局所的な出力低下および耐久性低下が抑制されるとともに、平面モジュール５０の発電機能が低下が抑制される。また、ヒータのように電力を消費しないため、燃料電池の発電効率を損なうことがない。
【００７８】
さらに、本実施形態では、実施形態２を構成する燃料供給ポンプ３２、酸化剤供給ポンプ３４を用いずに、高濃度メタノールおよび空気を燃焼流路８３できるため、構成を簡便化することができる。また、流量制御部７００、流量制御部７０２により、高濃度メタノール溶液、空気の流量をそれぞれ調節することにより、負荷変動により平面モジュール５０の発熱量が変動した場合に、平面モジュール５０の温度を一定に保つことができる。
【００７９】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００８０】
たとえば、上記実施形態においては、燃料流路プレート６０にバイポーラプレート８０を当接させているが、酸化剤流路プレート７０にバイポーラプレート８０を当接させてもよく、バイポーラプレート８０を２組にし、燃料流路プレート６０および酸化剤流路プレート７０にそれぞれバイポーラプレート８０を当接させてもよい。
【００８１】
また、上記実施形態においては、燃料としてメタノール溶液を用いているが、燃料はこれに限定されず、たとえば、水素を用いてもよい。
【００８２】
また、上記実施形態の平面モジュール５０は、平板状の保持プレート５２および複数の膜電極接合体４０を含む構成であるが、平面モジュールの構成はこれに限られない。たとえば、図８に示すように、１枚の高分子電解質膜９００の一方の面に複数のアノード９１０を配列し、高分子電解質膜９００の他方の面に複数のカソード９２０を上記複数のアノード９１０に対になるように配列した構成も平面モジュールに適用できる。これにより、高分子電解質膜９００を挟んでアノード９１０とカソード９２０とが複数箇所で対となることで複数のＭＥＡ９４０が形成される。このような構成であっても、高分子電解質膜９００の膜面方向のイオン伝導性は、膜厚方向のイオン伝導性に比べて極めて小さいため、各ＭＥＡの絶縁が保たれる。各ＭＥＡ９４０は、アノード９１０が隣接するＭＥＡ９４０のカソード９２０に導線９３０により接続され、カソード９２０が隣接するＭＥＡ９４０のアノード９１０に導線９３０により接続されることにより、直列接続される。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る燃料電池モジュールの分解斜視図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る膜電極接合体の断面図を示す。
【図４】本発明の実施形態１に係る平面モジュールの部分断面図である。
【図５】本発明の実施形態１に係るバイポーラプレートの平面図である。
【図６】本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図７】本発明の実施形態３に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図８】平面モジュールの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１０  燃料電池システム、２０  燃料電池モジュール、３０  燃料格納部、３２  燃料供給ポンプ、３４  酸化剤供給ポンプ、４０  膜電極接合体、４２  高分子電解質膜、４４  アノード、４６  カソード、５０  平面モジュール、５２  保持プレート、６０  燃料流路プレート、７０  酸化剤流路プレート、８０  バイポーラプレート、９０  セパレート用板、１００  熱交換プレート。
【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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【図７】
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【図８】
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