(57)【要約】【課題】  機器を増設することなく、燃料電池スタックが高温維持可能な燃料電池装置、及びその運転方法を提供することを目的とする。  【解決手段】  単位燃料電池セルとセパレータ１２とを交互に積層してなる燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０を燃料電池セルの積層方向に貫通して設けた空気昇温流路１７、１８と、空気昇温流路１７、１８に接続された空気供給器４５とを有することを特徴とする燃料電池装置。及び、空気昇温流路に空気を通すことにより空気を昇温する工程と、昇温した空気を空気極に供給する工程とを有することを特徴とする燃料電池装置の運転方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を燃料極および空気極で挟持してなる単位燃料電池セルと、セパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックを前記燃料電池セルの積層方向に貫通して設けた少なくとも一つの空気昇温流路と、
該空気昇温流路に接続され、空気を前記空気極に供給する空気供給器と
を有することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記空気昇温流路は、前記燃料電池セルを積層する際に使用した位置合わせ用の穴であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記空気昇温流路は、積層した前記燃料電池セルを固定する中空の締結部材であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項４】
電解質膜を燃料極および空気極で挟持してなる単位燃料電池セルと、セパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックを前記燃料電池セルの積層方向に貫通して設けた複数の空気昇温流路と、
複数の前記空気昇温流路を直列に接続する接続部材と
前記空気昇温流路に接続され、空気を前記空気極に供給する空気供給器と
を有することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項５】
電解質膜を燃料極および空気極で挟持してなる単位燃料電池セルと、セパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックを有する燃料電池装置の運転方法であって、
前記燃料電池スタックを前記燃料電池セルの積層方向に貫通して設けた空気昇温流路に空気を通すことにより該空気を昇温する工程と、
昇温した空気を前記空気極に供給する工程と
を有することを特徴とする燃料電池装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜を燃料極および空気極で挟持してなる単位燃料電池セルと、セパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックを有する燃料電池装置、及びその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素やメタノール等の燃料気体と酸素等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として注目されており、例えば、自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。
【０００３】
燃料電池は、電解質の違いなどにより様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、薄型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、電子機器の駆動電源として有望である。この固体高分子電解質型燃料電池は、水素を燃料とするが、その他にメタノールや天然ガスを改質して水素を生成させて燃料とするものも開発されている。近年では、メタノールの改質を行わずに直接燃料電池に供給して発電を行う直接メタノール型燃料電池も開発されている。
【０００４】
図１０は、従来の直接メタノール型燃料電池装置９０のシステム構成の一例を示した図である。燃料であるメタノールは、メタノール供給ポンプ９２によって、メタノールタンク９１からCO2除去および燃料混合器９３に供給される。CO2除去および燃料混合器９３にてメタノールは、水分貯蔵器９８から供給される水により希釈されて、３wt％程度のメタノール水溶液となる。このメタノール水溶液は、メタノール水溶液循環ポンプ９４によって燃料電池スタック９６へ供給される。燃料電池スタック９６に供給されたメタノール水溶液は、燃料電池スタック９６内で一部消費されて、再びCO2除去および燃料混合器９３とメタノール水溶液循環ポンプ９４とを循環する。この際、分離されたCO2は大気に放出される。
【０００５】
一方、酸化剤である空気は、大気から空気供給器９５により燃料電池スタック９６へ供給される。燃料電池スタック９６から排出された空気は、気液分離器９７および水分貯蔵器９８にて水分が液化され、生成水の回収が行われる。また、余った空気は大気に放出される。
【０００６】
このように、図１０に示した従来例では、大気から吸入した空気が外気温度のままで燃料電池スタックに流入するため、燃料電池スタックの温度が低下するという問題がある。燃料電池スタックの温度が低下すると、燃料電池装置の出力電圧が低下し、燃料消費量が増加する。また、空気中の水蒸気が凝縮しやすくなり、その凝縮水によって燃料電池スタック内の空気の流れが阻害され、燃料電池装置の電池性能が低下する。したがって、燃料電池装置の性能向上のためには、燃料電池スタックの温度を高く維持する対策が必要である。
【０００７】
燃料電池スタックの温度を高く維持するための従来の技術としては、空気をヒータにより加熱してから空気極に供給するという方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、燃料電池スタックと空気供給器の間にバッテリによって駆動するヒータを配置して、燃料電池スタックに供給する空気を暖めている。
【特許文献１】特開２００２−９３４４５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、空気の流入による燃料電池スタックの温度低下は燃料電池装置の性能を低下させるため、これを防止するための対策が必要である。上述した特許文献１に記載されている技術は、燃料電池スタックを高温に維持できるが、燃料電池装置が複雑化、大型化するという難点がある。
【０００９】
したがって、本発明は、機器を増設することなく、燃料電池スタックが高温維持可能な燃料電池装置及び燃料電池装置の運転方法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】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明に係る燃料電池装置は、電解質膜を燃料極および空気極で挟持してなる単位燃料電池セルと、セパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックを前記燃料電池セルの積層方向に貫通して設けた少なくとも一つの空気昇温流路と、該空気昇温流路に接続され、空気を前記空気極に供給する空気供給器とを有する構成とする。この構成により、前記燃料電池スタックの温度を利用して前記空気を昇温することが可能となる。
【００１１】
また、上記構成において、空気昇温流路は、燃料電池スタックを積層する際に使用した位置合わせ用の穴を利用することができる。これにより、燃料電池スタックに新たな貫通穴を設ける手間を省くことが可能となるとともに、上記構成を簡素化することが可能となる。
【００１２】
更に、上記構成において、空気昇温流路は、積層した前記燃料電池セルを固定する中空の締結部材を利用することができる。これにより、燃料電池スタックに新たな貫通穴を設ける手間を省くことが可能となるとともに、上記構成を簡素化することが可能となる。
【００１３】
次に本発明に係る燃料電池装置は、電解質膜を燃料極および空気極で挟持してなる単位燃料電池セルと、セパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックを前記燃料電池セルの積層方向に貫通して設けた複数の空気昇温流路と、複数の前記空気昇温流路を直列に接続する接続部材と前記空気昇温流路に接続され、空気を前記空気極に供給する空気供給器とを有する構成とする。この構成により、前記燃料電池スタックの温度を利用して前記空気を昇温することが可能となるとともに、前記燃料電池スタックの積層方向の長さよりも長い前記空気昇温流路を設けることが可能となる。
【００１４】
次に本発明に係る燃料電池の運転方法は、電解質膜を燃料極および空気極で挟持してなる単位燃料電池セルと、セパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックを有する燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池スタックを前記燃料電池セルの積層方向に貫通して設けた空気昇温流路に空気を通すことにより該空気を昇温する工程と、昇温した空気を前記空気極に供給する工程とを備える。この運転方法により、機器を増設することなく、昇温された空気を空気極に供給することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る燃料電池装置は、燃料電池スタックの温度を利用して空気を昇温するため、空気を昇温するための特別な機器を必要としない。また、昇温した空気を空気極に供給するため、空気を供給した際の燃料電池スタックの温度を高く維持することができる。このことによって、前記燃料電池スタックの出力電力及び発電効率の向上を図ることが可能となる。さらに、燃料電池スタック内に発生する凝縮水の量が減少するため、生成水の除去を良好に行うことができる。
【００１６】
本発明に係る燃料電池の運転方法は、燃料電池スタックの温度を利用して空気を昇温するため、空気を昇温するための特別な機器を必要としない。また、昇温した空気を空気極に供給するため、空気を供給した際の燃料電池スタックの温度を高く維持することができる。このことによって、前記燃料電池スタックの出力電力及び発電効率の向上を図ることが可能となる。さらに、燃料電池スタック内に発生する凝縮水の量が減少するため、生成水の除去を良好に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施形態を図と共に説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池装置の要部断面図であり、図２は燃料電池スタック１０の一部拡大分解図である。図１に示す燃料電池スタック１０は本実施形態を概略的に説明するための図であり、実際には、隣合うセパレータ１２同士は単位燃料電池セル１１を挟持しつつ隙間なく接合されている。図１および図２に示すように、燃料電池スタック１０は、単位燃料電池セル１１とセパレータ１２とが所定の数だけ交互に積層されたセル積層体と、その積層方向両端部に配置された第1エンドプレート１３と第２エンドプレート１４とで構成され、これらはタイロッドなどの締結部材（図示せず）によって一体に固定されている。また、第1エンドプレート１３から第２エンドプレート１４にかけて燃料電池スタック１０を貫通して、第１空気昇温流路１７と第２空気昇温流路１８とが設けられている。さらに、第１空気昇温流路１７および第２空気昇温流路１８は、第２エンドプレート１４側で空気供給器４５に汎用的な接続部材１５ａ、１５ｂを介して接続されている。第１空気昇温流路１７、第２空気昇温流路１８および空気供給器４５をこのように接続することで、燃料電池スタック１０の熱を利用して、空気極２１に供給する空気を昇温させることが可能となる。
【００１９】
図２に示すように、単位燃料電池セル１１は、固体高分子電解質膜１９と、この固体高分子電解質膜１９を挟んで配置される燃料極２０および空気極２１とで構成されている。固体高分子電解質膜１９としては、例えばスルホン酸系の固体高分子電解質膜を用いることができる。また、燃料極と空気極としては、発電反応を促進するための触媒が担持された電極を用いることができる。
【００２０】
図３は、第１エンドプレート１３側から見たセパレータ１２の平面図である。セパレータ１２の上部側には連通孔として空気マニホールド入口２２、第１空気昇温流路１７および燃料マニホールド入口２３が設けられており、下部側には、連通孔として燃料マニホールド出口２４、第２空気昇温流路１８および空気マニホールド出口２５が設けられている。また、セパレータ１２の中央部には空気を空気極２１に供給するための空気側流路２６が設けられている。また、燃料マニホールド入口２３、燃料マニホールド出口２４およびセパレータ１２の外周付近にはシール材２７が設けられており、隣合うセパレータ１２同士が燃料電池セル１１を挟持しつつ隙間なく接合できるようになっている。さらに、セパレータ１２の裏面には、空気側流路２６と同様の流路が設けられており、この流路は燃料を燃料極２０に供給するための燃料側流路２９（図示せず）である。また、裏面においては、空気マニホールド入口２２および空気マニホールド出口２５の外周付近にシール材２７が設けられている。
【００２１】
図４は、第１エンドプレート１３側から見た燃料電池スタック１０の斜視図である。第１エンドプレート１３の上部側には、第１空気昇温流路１７が設けられており、下部側には燃料マニホールド出口２４に連通する燃料出口３０、第２空気昇温流路１８および空気マニホールド出口２５に連通する空気出口３１が設けられている。
【００２２】
図５は、第２エンドプレート１４側から見た燃料電池スタック１０の斜視図である。第２エンドプレート１４の上部側には、燃料マニホールド入口２３に連通する燃料入口３２、第１空気昇温流路燃料１７および空気マニホールド入口２２に連通する空気入口３３が設けられており、下部側には第２空気昇温流路１８が設けられている。
【００２３】
図６は、本実施形態に係る燃料電池装置４０のシステム構成の一例である。この燃料電池装置４０は、燃料電池スタック１０、第１空気昇温流路１７、第２空気昇温流路１８、空気供給器４５、燃料循環系および空気処理系で構成されている。燃料循環系は、メタノールタンク４１、メタノール供給ポンプ４２、CO2除去および燃料混合器４３およびメタノール水溶液循環ポンプ４４を含んでおり、空気処理系は、気液分離器４７と水分貯蔵器４８とを含んでいる。また、これら各機器の接続は、汎用的な接続方法を用いる。
【００２４】
メタノールタンク４１は、メタノールを貯留する容器であり、メタノール供給ポンプ４２を介して、CO2除去および燃料混合器４３に接続されている。また、メタノール供給ポンプ４２は、メタノールをCO2除去および燃料混合器４３に供給する機器である。
【００２５】
CO2除去および燃料混合器４３は、メタノール水溶液循環ポンプ４４を介して、燃料電池スタック１０に設けられた燃料入口３２に接続されており、さらに、これとは別の接続で、燃料電池スタック１０に設けられた燃料出口３０に接続されている。CO2除去および燃料混合器４３は、燃料電池スタック１０から排出されたメタノール水溶液に含まれるCO2を除去するとともに、適当な濃度のメタノール水溶液を調整する機器である。また、メタノール水溶液循環ポンプ４４は、メタノール水溶液を燃料電池スタック１０に供給する機器である。
【００２６】
気液分離器４７は、燃料電池スタック１０に設けられた空気出口３１と接続されており、燃料電池スタック１０から排出された空気に含まれている水分を空気から分離する機器である。また、気液分離器４７は水分貯蔵器４８とも接続されており、燃料電池スタック１０から排出された空気に含まれていた水分を水分貯蔵器４８に送る。一方で、水分貯蔵器４８はCO2除去および燃料混合器４３にも接続されており、メタノールを希釈するための水をCO2除去および燃料混合器４３に供給する。
【００２７】
空気供給器４５は、大気から空気を吸引して、その空気を空気極２１に供給するための機器である。空気供給器４５の吸引口は、第１空気昇温流路１７および第２空気昇温流路１８と第２エンドプレート１４側で接続されており、空気供給器４５の吹出口が第２エンドプレート１４に設けられた空気入口３３に接続されている。空気供給器４５の例としては、ポンプやファン等が挙げられるが、空気入口に空気を送ることができるものであればこれらに限定されるものではない。
【００２８】
このように構成される燃料電池装置の運転方法について、以下に説明する。
【００２９】
燃料であるメタノールは、メタノールタンク４１からメタノール供給ポンプ４２で吸い上げられ、CO2除去および燃料混合器４３に送られる。CO2除去および燃料混合器４３に送られたメタノールは、水で希釈されて適当な濃度のメタノール水溶液となる。このメタノール水溶液はメタノール水溶液循環ポンプ４４によって、第１エンドプレート１３に設けられた燃料入口３２に供給される。一方、酸化剤である空気は、第１空気昇温流路１７もしくは第２空気昇温流路１８で昇温され、大気から第１空気昇温流路１７もしくは第２空気昇温流路１８を経て空気供給器４５に吸引される。その後、昇温された空気は、空気供給器４５により第２エンドプレート１４の空気入口３３に供給される。
【００３０】
燃料入口３２に供給されたメタノール水溶液は、燃料マニホールド入口２３を経て燃料側流路２９に導入され、燃料極２０に供給される。また、空気入口３３に供給された空気は、空気マニホールド入口２２を経て空気側流路２６に導入され、空気極２１に供給される。これにより、燃料極２０で水素イオンが発生して、発生した水素イオンが固体高分子電解質膜１９を介して空気極２１へと移動するとともに、各単位燃料電池セル１１で発電が行われる。また、水素イオンの空気極２１への移動により、空気極２１では水分が生成される。
【００３１】
なお、燃料極２０に供給されたメタノール水溶液は、メタノールが一部消費されて第１エンドプレート１３に設けられた燃料出口３０から排出される。排出されたメタノール水溶液は、CO2除去および燃料混合器４３によって再び適当な濃度のメタノール水溶液となる。この際に分離されたCO2は大気に放出される。また、空気極２１に供給された空気は、第１エンドプレート１３に設けられた空気出口３１から排出される。空気出口３１から排出された空気は、気液分離器４７で液体と気体とに分離された後、水分は水分貯蔵器４８に送られ、気体は大気に放出される。
【００３２】
ところで、上述したように、空気マニホールド入口２２および空気極２１に外気温度の空気をそのまま供給すると、燃料電池スタック１０の温度が低下してしまう。また、低い温度の空気は空気極２１および空気側流路２６に発生する凝縮水の量を増加させる。
【００３３】
そこで、本実施形態では、第１空気昇温流路１７もしくは第２空気昇温流路１８に空気を通して昇温した後、空気マニホールド入口２２および空気極２１に供給する。このようにすることによって、外気温度の空気をそのまま供給する場合に比べて、燃料電池スタック１０の温度を高く維持することが可能となる。また、空気が昇温されていることにより、燃料電池スタック１０内に発生する凝固水の量が減少するため、生成水の除去を良好に行うことが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態において、セパレータ１２、第１エンドプレート１３および第２エンドプレート１４に、それぞれをずれなく積層するための位置合わせ用の穴があらかじめ設けられていた場合は、その位置合わせ用の穴を空気昇温流路として利用することができる。例えば、第１エンドプレート１３、セパレータ１２および第２エンドプレート１４に設けられている第１空気昇温流路１７および第２空気昇温流路１８が、元々は位置合わせ用の穴だった場合である。このように、位置合わせ用の穴を空気昇温流路とした場合は、燃料電池スタック１０に新たな貫通穴を設ける手間を省くことが可能であるとともに、燃料電池スタック１０の構成を簡素化することが可能である。
【００３５】
次に、本実施形態に係る空気昇温流路の別の実施例を示す。図７に示す中空の締結部材３４ａ、３４ｂは、中空部３５を備えた中空管３６を基本要素として、中空管３６の両端付近の外壁にネジ山３７とナット３８とからなるナット締結部を備えている。このような中空の締結部材３４ａ、３４ｂを用いて燃料電池スタックを一体に固定した場合は、中空部３５を空気昇温流路として利用することができる。なお、他の配管と接続することを考慮して、中空管３６の両端付近の内壁にネジ溝を設けてもよい。また、燃料電池スタックを一体に固定できるのであれば、ナット締結部の構成は上述に限られるものではない。
【００３６】
図８に、中空の締結部材３４ａ、３４ｂを用いて一体に固定された燃料電池スタック１０ａの斜視図を示す。このように、燃料電池スタック１０aを一体に固定する締結部材として中空の締結部材３４ａ、３４ｂを用いた場合は、燃料電池スタック１０ａの構成を簡素化することが可能である。第１エンドプレート１３、セパレータ１２および第２エンドプレート１４に位置決め用の穴があれば、この中空の締結部材３４ａ、３４ｂを容易に空気昇温流路として用いることができる。また、タイロッドなどの通常の締結部材がセパレータ１２を貫通して燃料電池スタック１０aを固定していた場合は、この固定に中空の締結部材３４ａ、３４ｂを用いることにより、燃料電池スタック１０aに貫通穴を新たに設けることなく、空気昇温流路を設けることが可能である。なお、既述の実施例で説明した要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３７】
図９は、本実施形態に係る空気昇温流路を接続部材を用いて直列に接続した実施例である。図９に示す燃料電池スタック１０ｂは本実施形態を概略的に説明するための図であり、実際には、隣合うセパレータ１２同士は単位燃料電池セル１１を挟持しつつ隙間なく接合されている。この実施例では、第１空気昇温流路１７ｂと第２空気昇温流路１８ｂとが、第１エンドプレート１３側で接続部材３５によって直列に接続されている。また、この接続部材３５としては、汎用的な配管を利用することができる。
【００３８】
このように、二つの空気昇温流路を第１エンドプレート１３側で直列に接続した場合は、第１空気昇温流路１７ｂと空気供給器４５の吸引口を第２エンドプレート１４側で接続するか、もしくは、第２空気昇温流路１８ｂと空気供給器４５の吸引口を第２エンドプレート１４側で接続することにより、燃料電池スタック１０ｂの全長よりも長い空気昇温流路を設けることが可能となるとともに、空気をより高い温度まで昇温することが可能となる。本実施例では第１空気昇温流路１７ｂと空気供給器４５とが、第２エンドプレート１４側で汎用的な接続部材１５ｃを介して接続されている。このように接続した本実施例の場合、直列に接続された空気昇温流路の空気入口３９は、第２空気昇温流路１８ｂの第２エンドプレート１４側となる。また、本実施例は、上述した中空の締結部材３４ａ、３４ｂを用いた空気昇温流路に対しても適用することができる。さらに、接続部材３５を複数設けることによって、三つ以上の空気昇温流路を直列に接続することも可能である。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について説明した。本実施形態で使用している被希釈燃料のメタノールは、これに限られるものではなく、通常の燃料電池で使用されている燃料を使用することもできる。例えば、エタノールやジメチルエーテルなどを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池装置の要部断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの一部拡大分解図である。
【図３】本発明の実施形態に係るセパレータの平面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。
【図５】図４で示す燃料電池スタックを第２エンドプレート側から見た斜視図である。
【図６】本発明の実施形態に係る燃料電池電池装置のシステム構成図である。
【図７】空気昇温流路として利用できる中空のボルトの概略説明図である。
【図８】図７に示す中空ボルトによって締結された燃料電池スタックの斜視図である
【図９】二つの空気昇温流路を直列に接続した燃料電池スタックの要部断面図である。
【図１０】従来の燃料電池装置の一例を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０、１０ａ、１０ｂ、９６...燃料電池スタック
１１...単位燃料電池セル
１２...セパレータ
１３...第１エンドプレート
１４...第２エンドプレート
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、３５...接続部材
１７、１７ｂ...第１空気昇温流路
１８、１８ｂ...第２空気昇温流路
１９...固体高分子電解質膜
２０...燃料極
２１...空気極
２２...空気マニホールド入口
２３...燃料マニホールド入口
２４...燃料マニホールド出口
２５...空気マニホールド出口
２６...空気側流路
２７...シール材
２９...燃料側流路
３０...燃料出口
３１...空気出口
３２...燃料入口
３３...空気入口
３４ａ、３４ｂ...中空の締結部材
３５...中空部
３６...中空管
３７...ネジ山
３８...ナット
３９...直列に接続された空気昇温流路の空気入口
４０、９０...燃料電池装置
４１、９１...メタノールタンク
４２、９２...メタノール供給ポンプ
４３、９３...CO2除去及び燃料混合器
４４、９４...メタノール水溶液循環ポンプ
４５、９５...空気供給器
４７、９７...気液分離器
４８、９８...水分貯蔵器
【図１】
2006054117.tif 000003
【図２】
2006054117.tif 000004
【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】
2006054117.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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