(57)【要約】【課題】本発明は、燃料電池スタックの外部に加湿装置や水分調節装置のような別途の装置を設置することなく、燃料電池スタックに適切な水分を有する酸化剤が供給されるようにして燃料電池システムの構成を単純化し、体積拡大および部品点数の増加を最小化した燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明による燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料を供給する燃料供給部と、燃料電池スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給部とを含む。燃料電池スタックは、第１エンドプレート、水分交換機、電気発生部、および第２エンドプレートを含む。水分交換機は、乾燥した供給酸化剤が流れる第１領域と、湿った排出燃料が流れる第２領域と、湿った排出酸化剤が流れる第３領域とを含み、第１領域は水分交換膜により第２領域および第３領域と水分交換が行なわれる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１プレート、第３プレート、および前記第１プレートと第３プレートとの間に位置する第２プレート；
前記第１プレートと前記第２プレートとの間に位置し、前記第１プレートとの間に第２領域を形成して第１燃料を流入および流出する第１水分交換膜；および
前記第２プレートと前記第３プレートとの間に位置し、前記第３プレートとの間に第３領域を形成して第２酸化剤を流入および流出する第２水分交換膜
を含み、
第１酸化剤を流入および流出する第１領域が前記第１水分交換膜と前記第２水分交換膜との間に位置する、水分交換機。
【請求項２】
前記第１燃料は、燃料電池スタックの電気発生部を通過した燃料を含み、
前記第２酸化剤は、前記電気発生部を通過した酸化剤を含み、
前記第１酸化剤は、酸化剤供給部から供給される酸化剤を含む、請求項１に記載の水分交換機。
【請求項３】
前記第１水分交換膜は、前記第１燃料から水分を吸収し、前記水分を前記第１燃料から前記第１酸化剤に供給するように構成され、
前記第２水分交換膜は、前記第２酸化剤から水分を吸収し、前記水分を前記第２酸化剤から前記第１酸化剤に供給するように構成される、請求項１又は２に記載の水分交換機。
【請求項４】
前記第１、第２、第３領域のうちの少なくとも一つには複数のスペーサが突出形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水分交換機。
【請求項５】
前記スペーサは、四角形状を有して格子状に配列される、請求項４に記載の水分交換機。
【請求項６】
前記第１、第２水分交換膜のうちの少なくとも一つは、スルホン化されたテトラフルオロエチレン共重合体または微細気孔を有する多孔性メンブレインを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水分交換機。
【請求項７】
前記第１領域は、前記第１水分交換膜と前記第２プレートとの間に位置する第１流路と、前記第２水分交換膜と前記第２プレートとの間に位置する第２流路を含み、
前記第２プレートは、前記第１流路と前記第２流路を連結する貫通ホールを有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の水分交換機。
【請求項８】
前記第１プレートは、前記第１酸化剤を流入する第１開口部を有し、
前記第３プレートは、前記第１酸化剤を燃料電池スタックの電気発生部に供給する第２開口部を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の水分交換機。
【請求項９】
前記第２プレートは、前記第１、第２開口部に対応する位置で前記第１水分交換膜と対向する第１面に形成される第１溝と、前記第１、第２開口部に対応する位置で前記第２水分交換膜と対向する第２面に形成される第２溝とを有する、請求項８に記載の水分交換機。
【請求項１０】
前記第１水分交換膜と前記第２水分交換膜のそれぞれは、前記第１、第２開口部と前記第１、第２溝と整列される開口部を有する、請求項９に記載の水分交換機。
【請求項１１】
前記第１プレートは、対角線方向の両側隅部にそれぞれ位置する溝と燃料開口部を有し、前記第２領域は、前記第１燃料を前記溝で流入し、前記第１燃料を前記燃料開口部を通じて流出するように構成された、請求項１〜７のいずれか１項に記載の水分交換機。
【請求項１２】
前記第１水分交換膜、前記第２プレート、前記第２水分交換膜、および前記第３プレートのそれぞれは、前記溝と整列される開口部を有する、請求項１１に記載の水分交換機。
【請求項１３】
前記第１、第２、第３プレートと、前記第１、第２水分交換膜のそれぞれは、互いに整列され、燃料供給部から流入された第２燃料を通過させる開口部を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の水分交換機。
【請求項１４】
前記第３プレートは、前記第２酸化剤を流入する開口部と、前記第２水分交換膜と対向する面で前記開口部と対角方向反対側に位置する溝とを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の水分交換機。
【請求項１５】
前記第１、第２プレートのそれぞれは、前記第３プレートに形成される前記溝と整列される前記第２酸化剤を流出させる開口部を有する、請求項１４に記載の水分交換機。
【請求項１６】
第１エンドプレート；
前記第１エンドプレートに隣接して位置し、燃料、第１酸化剤および第２酸化剤を流入し、前記燃料と前記第２酸化剤から水分を前記第１酸化剤に伝達する水分交換機；
第２エンドプレート；および
前記第２エンドプレートと前記水分交換機との間に位置し、前記水分交換機で加湿された前記第１酸化剤を流入する電気発生部；
を含む、燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記水分交換機は、前記電気発生部と前記第１エンドプレートとの間に位置する、請求項１６に記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記第１エンドプレートは、前記電気発生部と前記水分交換機との間に位置する、請求項１６又は１７に記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記水分交換機は、
第１プレート、第３プレート、および前記第１プレートと第３プレートとの間に位置する第２プレート；
前記第１プレートと前記第２プレートとの間に位置し、前記第１プレートとの間に第２領域を形成して第１燃料を流入および流出する第１水分交換膜；および
前記第２プレートと前記第３プレートとの間に位置し、前記第３プレートとの間に第３領域を形成して第２酸化剤を流入および流出する第２水分交換膜を含み、
前記第１酸化剤を流入および流出する第１領域が前記第１水分交換膜と前記第２水分交換膜との間に位置する、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項２０】
前記第１水分交換膜は、前記第１燃料から水分を吸収し、前記水分を前記第１燃料から前記第１酸化剤に供給するように構成され、
前記第２水分交換膜は、前記第２酸化剤から水分を吸収し、前記水分を前記第２酸化剤から前記第１酸化剤に供給するように構成される、請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水分交換機、及び燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料（炭化水素系燃料、純粋水素、または水素が豊富な改質ガス）と酸化剤（空気または純粋酸素）の電気化学的反応を利用して電気エネルギーを生成する燃料電池スタックを含む。直接酸化型燃料電池は液体または気体状態の炭化水素系燃料を使用し、高分子電解質型燃料電池は純粋水素または水素が豊富な改質ガスを燃料として使用する。
【０００３】
燃料電池スタックは、膜−電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）と、膜−電極接合体の間に位置するセパレータを含む。
【０００４】
膜−電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一面に形成されたアノード電極と、電解質膜の反対側一面に形成されたカソード電極とを含む。セパレータは、アノード電極と接する一面に燃料チャンネルを形成してアノード電極に燃料を供給し、カソード電極と接する一面に酸化剤チャンネルを形成してカソード電極に酸化剤を供給する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
家庭用などとして使用される大型の燃料電池システムは、燃料加湿のための加湿装置または酸化剤加湿のための加湿装置を備えて燃料電池スタックに供給される燃料または酸化剤の湿度を調節している。ところで、この場合、加湿装置に持続的に水を供給しなければならず、温度調節のためにヒーターと各種センサーが必要であるため、燃料電池システムの体積が大きくなり、部品点数が増加する。
【０００６】
車両用などとして使用される移動式燃料電池システムは、水素発生装置として改質装置を含んでも良い。この場合、燃料中に多量の水分が含まれているため、一定量の水を持続的に除去するための水分調節装置が必要である。この場合も水分調節のための冷却装置および各種センサーと制御装置が必要であるため、燃料電池システムの体積が大きくなり、部品点数が増加するという問題点がある。
【０００７】
本発明の目的は、燃料電池スタックの外部に加湿装置や水分調節装置のような別途の装置を設置することなく、燃料電池スタックに適切な水分を有する酸化剤が供給されるようにして燃料電池システムの構成を単純化し、体積拡大および部品点数の増加を最小化した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、第１プレート、第３プレート、および前記第１プレートと第３プレートとの間に位置する第２プレート；前記第１プレートと前記第２プレートとの間に位置し、前記第１プレートとの間に第２領域を形成して第１燃料を流入および流出する第１水分交換膜；および前記第２プレートと前記第３プレートとの間に位置し、前記第３プレートとの間に第３領域を形成して第２酸化剤を流入および流出する第２水分交換膜を含み、第１酸化剤を流入および流出する第１領域が前記第１水分交換膜と前記第２水分交換膜との間に位置する、水分交換機が提供される。
【０００９】
前記第１燃料は、燃料電池スタックの電気発生部を通過した燃料を含み、前記第２酸化剤は、前記電気発生部を通過した酸化剤を含み、前記第１酸化剤は、酸化剤供給部から供給される酸化剤を含むこととしても良い。
【００１０】
前記第１水分交換膜は、前記第１燃料から水分を吸収し、前記水分を前記第１燃料から前記第１酸化剤に供給するように構成され、前記第２水分交換膜は、前記第２酸化剤から水分を吸収し、前記水分を前記第２酸化剤から前記第１酸化剤に供給するように構成されることとしても良い。
【００１１】
前記第１、第２、第３領域のうちの少なくとも一つには複数のスペーサが突出形成されることとしても良い。
【００１２】
前記スペーサは、四角形状を有して格子状に配列されることとしても良い。
【００１３】
前記第１、第２水分交換膜のうちの少なくとも一つは、スルホン化されたテトラフルオロエチレン共重合体または微細気孔を有する多孔性メンブレインを含むこととしても良い。
【００１４】
前記第１領域は、前記第１水分交換膜と前記第２プレートとの間に位置する第１流路と、前記第２水分交換膜と前記第２プレートとの間に位置する第２流路を含み、前記第２プレートは、前記第１流路と前記第２流路を連結する貫通ホールを有することとしても良い。
【００１５】
前記第１プレートは、前記第１酸化剤を流入する第１開口部を有し、前記第３プレートは、前記第１酸化剤を燃料電池スタックの電気発生部に供給する第２開口部を有することとしても良い。
【００１６】
前記第２プレートは、前記第１、第２開口部に対応する位置で前記第１水分交換膜と対向する第１面に形成される第１溝と、前記第１、第２開口部に対応する位置で前記第２水分交換膜と対向する第２面に形成される第２溝とを有することとしても良い。
【００１７】
前記第１水分交換膜と前記第２水分交換膜のそれぞれは、前記第１、第２開口部と前記第１、第２溝と整列される開口部を有することとしても良い。
【００１８】
前記第１プレートは、対角線方向の両側隅部にそれぞれ位置する溝と燃料開口部を有し、前記第２領域は、前記第１燃料を前記溝で流入し、前記第１燃料を前記燃料開口部を通じて流出するように構成されたこととしても良い。
【００１９】
前記第１水分交換膜、前記第２プレート、前記第２水分交換膜、および前記第３プレートのそれぞれは、前記溝と整列される開口部を有することとしても良い。
【００２０】
前記第１、第２、第３プレートと、前記第１、第２水分交換膜のそれぞれは、互いに整列され、燃料供給部から流入された第２燃料を通過させる開口部を有することとしても良い。
【００２１】
前記第３プレートは、前記第２酸化剤を流入する開口部と、前記第２水分交換膜と対向する面で前記開口部と対角方向反対側に位置する溝とを含むこととしても良い。
【００２２】
前記第１、第２プレートのそれぞれは、前記第３プレートに形成される前記溝と整列される前記第２酸化剤を流出させる開口部を有することとしても良い。
【００２３】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、第１エンドプレート；前記第１エンドプレートに隣接して位置し、燃料、第１酸化剤および第２酸化剤を流入し、前記燃料と前記第２酸化剤から水分を前記第１酸化剤に伝達する水分交換機；第２エンドプレート；および前記第２エンドプレートと前記水分交換機との間に位置し、前記水分交換機で加湿された前記第１酸化剤を流入する電気発生部；を含む、燃料電池スタックが提供される。
【００２４】
前記水分交換機は、前記電気発生部と前記第１エンドプレートとの間に位置することとしても良い。
【００２５】
前記第１エンドプレートは、前記電気発生部と前記水分交換機との間に位置することとしても良い。
【００２６】
前記水分交換機は、第１プレート、第３プレート、および前記第１プレートと第３プレートとの間に位置する第２プレート；前記第１プレートと前記第２プレートとの間に位置し、前記第１プレートとの間に第２領域を形成して第１燃料を流入および流出する第１水分交換膜；および前記第２プレートと前記第３プレートとの間に位置し、前記第３プレートとの間に第３領域を形成して第２酸化剤を流入および流出する第２水分交換膜を含み、前記第１酸化剤を流入および流出する第１領域が前記第１水分交換膜と前記第２水分交換膜との間に位置することとしても良い。
【００２７】
前記第１水分交換膜は、前記第１燃料から水分を吸収し、前記水分を前記第１燃料から前記第１酸化剤に供給するように構成され、前記第２水分交換膜は、前記第２酸化剤から水分を吸収し、前記水分を前記第２酸化剤から前記第１酸化剤に供給するように構成されることとしても良い。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように本発明によれば、燃料電池スタックの外部に別途の加湿装置を設置することなく、水分交換機を利用して電気発生部に投入される供給酸化剤を効率的に加湿させることができる。水分交換機は３個のプレートの積層構造からなって水分交換が行われる領域の面積を極大化することができるため、水分交換効率を高めることができる。本発明の燃料電池システムは、構成を単純化し、体積拡大および部品点数の増加を最少化しながら供給酸化剤の加湿効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施例による燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システム中の第１エンドプレートを示す平面図である。
【図３】図１に示した燃料電池システム中の水分交換機を概略的に示す構成図である。
【図４】図１に示した燃料電池システム中の燃料電池スタックの分解斜視図である。
【図５】図４に示した水分交換機の分解斜視図である。
【図６】図５のＩ−Ｉ線に沿って切開した第１プレートの断面図である。
【図７】図５のＩＩ−ＩＩ線に沿って切開した第２プレートの断面図である。
【図８】図５のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切開した第３プレートの断面図である。
【図９】図４に示した燃料電池スタック中の電気発生部と第２エンドプレートの分解斜視図である。
【図１０】図９に示した電気発生部中の膜−電極接合体の部分拡大断面図である。
【図１１】本発明の第２実施例による燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に添付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構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１は、本発明の第１実施例による燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
【００３１】
図１を参照すれば、第１実施例の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック３０、燃料電池スタック３０に燃料を供給する燃料供給部１０、および燃料電池スタック３０に酸化剤を供給する酸化剤供給部２０を含む。
【００３２】
燃料は、メタノール、エタノール、液化天然ガス、液化石油ガス、ガソリン、ブタンガスなどのように液体または気体状態で存在する炭化水素系燃料であり、酸化剤は、空気または酸素ガスである。燃料電池システム１００は、炭化水素系燃料を直接使用する直接酸化型からなっても良い。
【００３３】
燃料供給部１０は、液体または気体状態の燃料を貯蔵する燃料タンク１１と、燃料タンク１１と燃料電池スタック３０とを連結する燃料供給管１２と、燃料タンク１１に連結設置される燃料ポンプ１３とを含む。燃料ポンプ１３は、所定のポンピング力で燃料タンク１１に貯蔵された燃料を排出させて燃料供給管１２を通じて燃料電池スタック３０に燃料を供給する。
【００３４】
酸化剤供給部２０は、燃料電池スタック３０に連結される酸化剤供給管２１と、酸化剤供給管２１に設置される酸化剤ポンプ２２とを含む。酸化剤ポンプ２２は、所定のポンピング力で外部空気を吸入して酸化剤供給管２１を通じて燃料電池スタック３０に酸化剤を供給する。この時、酸化剤供給管２１には酸化剤の供給量を調節する制御バルブが設置されても良い。
【００３５】
燃料電池スタック３０は、第１エンドプレート３１、水分交換機４０、膜−電極接合体とセパレータからなる電気発生部５０、および第２エンドプレート３２を含む。水分交換機４０は、第１エンドプレート３１と電気発生部５０との間に位置したり、第１エンドプレート３１の外側に位置しても良い。図１では、水分交換機４０が第１エンドプレート３１と電気発生部５０との間に位置することを例に挙げて示した。
【００３６】
図２は、図１に示した燃料電池システム中の第１エンドプレートを示す平面図である。
図１と図２を参照すれば、第１エンドプレート３１には、燃料供給管１２に連結される燃料注入口３３、酸化剤供給管２１に連結される酸化剤注入口３４、電気発生部５０を経て出た未反応燃料と未反応酸化剤をそれぞれ排出する燃料排出口３５、および酸化剤排出口３６が形成される。第１エンドプレート３１に形成された燃料注入口３３、酸化剤注入口３４、燃料排出口３５、および酸化剤排出口３６の形状と位置は図２に示した例に限定されず、必要に応じて変化可能である。
【００３７】
燃料電池システム１００は、別途の加湿装置を備えないため、酸化剤注入口３４に供給される酸化剤（外部空気）は乾燥した状態（水分がなかったり相対的に低い含量の水分を含む状態）である反面、電気発生部５０を経て出た未反応酸化剤と未反応燃料には電気化学的反応の副産物として相対的に多量の水分が含まれる。便宜上、酸化剤注入口３４に供給される酸化剤および燃料注入口３３に供給される燃料をそれぞれ「供給酸化剤」と「供給燃料」といい、電気発生部５０を経て出た未反応酸化剤と未反応燃料をそれぞれ「排出酸化剤」と「排出燃料」という。
【００３８】
水分交換機４０は、乾燥した供給酸化剤と湿った排出酸化剤を水分交換すると同時に、乾燥した供給酸化剤と湿った排出燃料を同時に水分交換する構造からなる。つまり、水分交換機４０は、排出酸化剤と排出燃料に含まれている水分を乾燥した供給酸化剤に移動させることによって電気発生部５０に供給される酸化剤を一定の湿度に加湿させる役割を果たす。
【００３９】
図３は、図１に示した燃料電池システム中の水分交換機を概略的に示す構成図である。
図３を参照すれば、水分交換機４０は、第１流路Ｃ１０を形成する第１プレート４１と、互いに連結された第２流路Ｃ２０と第３流路Ｃ３０を形成する第２プレート４２と、第４流路Ｃ４０を形成する第３プレート４３とを含む。また、水分交換機４０は、第１流路Ｃ１０と第２流路Ｃ２０との間に位置する第１水分交換膜４４と、第３流路Ｃ３０と第４流路Ｃ４０との間に位置する第２水分交換膜４５とを含む。
【００４０】
第１流路Ｃ１０と第４流路Ｃ４０は、他の流路と分離された独立した流路である。第２流路Ｃ２０と第３流路Ｃ３０は互いに対してのみ連結され、第１流路Ｃ１０および第４流路Ｃ４０とは分離された独立した流路である。第２プレート４２は、一面に第２流路Ｃ２０を形成し、反対側一面に第３流路Ｃ３０を形成しても良い。そして、第２プレート４２は、貫通ホール４２１を形成して第２流路Ｃ２０と第３流路Ｃ３０を連結しても良い。
【００４１】
第１流路Ｃ１０と第４流路Ｃ４０のうちのいずれか一方の流路には湿った排出酸化剤が流れ、他方の流路には湿った排出燃料が流れる。そして、第２流路Ｃ２０と第３流路Ｃ３０には乾燥した供給酸化剤が流れる。図３では、第１流路Ｃ１０に湿った排出燃料が流れ、第４流路Ｃ４０に湿った排出酸化剤が流れることを例に挙げて示した。
【００４２】
この場合、第１流路Ｃ１０の入口と第４流路Ｃ４０の入口は電気発生部５０（図１参照）に連結され、第１流路Ｃ１０の出口は燃料排出口３５（図２参照）に連結され、第４流路Ｃ４０の出口は酸化剤排出口３６（図２参照）に連結される。第２流路Ｃ２０に投入された供給酸化剤は第３流路Ｃ３０を経た後に排出される。第２流路Ｃ２０の入口は酸化剤注入口３４（図２参照）に連結され、第３流路Ｃ３０の出口は電気発生部５０（図１参照）に連結される。
【００４３】
これによって、燃料電池システム１００の動作過程で第２流路Ｃ２０に投入された乾燥した供給酸化剤は第１流路Ｃ１０を流れる湿った排出燃料と水分交換が行われて一次で加湿される。そして、第２流路Ｃ２０で第３流路Ｃ３０に移動した供給酸化剤は、第４流路Ｃ４０を流れる湿った排出酸化剤と再度水分交換が行われて２次で加湿される。
【００４４】
つまり、第１水分交換膜４４が第１流路Ｃ１０の湿った排出燃料から水分を吸収し、吸収した水分を第２流路Ｃ２０の供給酸化剤に伝達する。したがって、第２流路Ｃ２０の供給酸化剤は水分含量が高くなり、水分交換された排出燃料は第１流路Ｃ１０の出口を通じて排出される。同様に、第２水分交換膜４５が第４流路Ｃ４０の湿った排出酸化剤から水分を吸収し、吸収した水分を第３流路Ｃ３０の供給酸化剤に伝達する。したがって、第３流路Ｃ３０の供給酸化剤は水分含量が再度高くなり、水分交換された排出酸化剤は第４流路Ｃ４０の出口を通じて排出される。
【００４５】
第１および第２水分交換膜４４、４５には気体を透過させないと共に水分を吸収する性質を有する多様な素材の膜が使用されてもよい。例えば、スルホン化されたテトラフルオロエチレン共重合体（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ  ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）、つまり、ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮＴＭ）で製造されたメンブレインまたは微細気孔を有する多孔性メンブレインなどが第１および第２水分交換膜４４、４５として使用されてもよい。
【００４６】
このように水分交換機４０は、乾燥した供給酸化剤が流れる第１領域（第２流路と第３流路）と、湿った排出燃料が流れる第２領域（第１流路）と、湿った排出酸化剤が流れる第３領域（第４流路）とを含み、第１領域は水分交換膜４４、４５により第２領域および第３領域と水分交換が行われる。したがって、本実施例の燃料電池システム１００は、別途の加湿装置を備えることなく水分交換機４０を利用して供給酸化剤を効率的に加湿させることができる。
【００４７】
もし、乾燥した酸化剤を電気発生部５０にそのまま供給すれば、膜−電極接合体のカソード電極中の酸化剤が最初導入される領域が極めて乾燥した状態で運転されるため、膜−電極接合体が劣化し、電気発生効率が低下する。本実施例の燃料電池スタック３０は、乾燥した酸化剤が電気発生部５０に提供されないため、膜−電極接合体の劣化を防止し、電気発生効率を高めることができる。
【００４８】
水分交換機４０は、第１プレート４１、第１水分交換膜４４、第２プレート４２、第２水分交換膜４５、および第３プレート４３の積層構造からなっても良い。第１流路Ｃ１０と第２流路Ｃ２０は第１水分交換膜４４を間に介して位置し、第３流路Ｃ３０と第４流路Ｃ４０は第２水分交換膜４５を間に介して位置する。このような積層型水分交換機４０は、水分交換が行われる第１〜第４流路Ｃ１０、Ｃ２０、Ｃ３０、Ｃ４０の面積を極大化することができるため、水分交換効率を高めることができる。
【００４９】
次に、実際適用可能な水分交換機４０の具体的な内部構造と燃料電池スタック３０の構造および燃料と酸化剤の移動経路について説明する。図４は、図１に示した燃料電池システム中の燃料電池スタックの分解斜視図である。
【００５０】
図４を参照すれば、燃料電池スタック３０は、第１エンドプレート３１、水分交換機４０、第１集電板３７、電気発生部５０、第２集電板３８、および第２エンドプレート３２を含む。複数の結合ボルトが燃料電池スタック３０の少なくとも４隅部を貫通した後、固定ナットにより締められて燃料電池スタック３０を一体に固定させることができる。
【００５１】
第１エンドプレート３１は長方形であっても良く、図２に示したようにいずれか一つの短辺側に酸化剤注入口３４と酸化剤排出口３６を形成し、他の一つの短辺側に燃料注入口３３と燃料排出口３５を形成しても良い。酸化剤注入口３４と燃料注入口３３は短辺側中央に位置し、酸化剤排出口３６と燃料排出口３５は短辺側隅部に位置しても良い。
【００５２】
水分交換機４０は、第１エンドプレート３１に接する第１プレート４１と、第１水分交換膜４４を間に介して第１プレート４１上に配置される第２プレート４２と、第２水分交換膜４５を間に介して第２プレート４２上に配置され、第１集電板３７に接する第３プレート４３とを含む。
【００５３】
図５は、図４に示した水分交換機の分解斜視図であり、図６、図７および図８は、それぞれ図５のＩ−Ｉ線に沿って切開した第１プレート、図５のＩＩ−ＩＩ線に沿って切開した第２プレート、および図５のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切開した第３プレートの断面図である。
【００５４】
図５〜図８を参照すれば、第１プレート４１の上面に第１流路Ｃ１０が形成される。第２プレート４２の下面に第２流路Ｃ２０が形成され、第２プレート４２の上面に第３流路Ｃ３０が形成される。第２プレート４２は、第２流路Ｃ２０と第３流路Ｃ３０との重畳部位に貫通ホール４２１を形成して第２流路Ｃ２０と第３流路Ｃ３０とを連結する。そして、第３プレート４３の下面に第４流路Ｃ４０が形成される。
【００５５】
第１〜第４流路Ｃ１０、Ｃ２０、Ｃ３０、Ｃ４０は所定の深さを有する凹溝からなり、第１〜第３プレート４１、４２、４３の両側短辺部を除いた中央部にほぼ長方形で形成されても良い。
【００５６】
第１水分交換膜４４は、第１流路Ｃ１０と第２流路Ｃ２０を覆って第１流路Ｃ１０を流れる湿った排出燃料から水分を吸収し、吸収した水分を第２流路Ｃ２０の乾燥した供給酸化剤に伝達する。第２水分交換膜４５は、第３流路Ｃ３０と第４流路Ｃ４０を覆って第４流路Ｃ４０を流れる湿った排出酸化剤から水分を吸収し、吸収した水分を第３流路Ｃ３０の供給酸化剤に伝達する。
【００５７】
第１および第２水分交換膜４４、４５は、第１〜第３プレート４１、４２、４３と同一の大きさで形成されたり、第１〜第４流路Ｃ１０、Ｃ２０、Ｃ３０、Ｃ４０に対応する形状で形成されても良い。図５では、第１および第２水分交換膜４４、４５が第１〜第３プレート４１、４２、４３と同一の大きさで形成されたことを例に挙げて示した。
【００５８】
第１流路Ｃ１０には複数の第１スペーサ４６が突出し、第２流路Ｃ２０には複数の第２スペーサ４７が突出して第１水分交換膜４４を支持する。第１スペーサ４６は、排出燃料の流れを分散させて第１流路Ｃ１０全体に排出燃料を均一に分布させる役割を果たす。第２スペーサ４７は、供給酸化剤の流れを分散させて第２流路Ｃ２０全体に供給酸化剤を均一に分布させる役割を果たす。
【００５９】
第３流路Ｃ３０には複数の第３スペーサ４８が突出し、第４流路Ｃ４０には複数の第４スペーサ４９が突出して第２水分交換膜４５を支持する。第３スペーサ４８は、供給酸化剤の流れを分散させて第３流路Ｃ３０全体に供給酸化剤を均一に分布させる役割を果たす。第４スペーサ４９は、排出酸化剤の流れを分散させて第４流路Ｃ４０全体に排出酸化剤を均一に分布させる役割を果たす。
【００６０】
第１〜第４スペーサ４６、４７、４８、４９は、第１〜第３プレート４１、４２、４３の長辺と平行な棒状で形成されても良く、互いに距離を置いて離れて位置する。第１〜第４スペーサ４６、４７、４８、４９の形状は図５に示した例に限定されず、適した形状で変形可能である。
【００６１】
そして、第１プレート４１と第３プレート４３のいずれか一つの短辺側中央に第１酸化剤開口部６１が形成される。第１酸化剤開口部６１は、第１エンドプレート３１の酸化剤注入口３４（図２参照）と対応する位置に形成され、第１流路Ｃ１０および第４流路Ｃ４０と所定の距離を置いて離れて位置する。
【００６２】
第２プレート４２の下面中の第１酸化剤開口部６１と対応する位置に第１酸化剤溝６２が形成され、第２プレート４２の上面中の第１酸化剤溝６２と対応する位置に第２酸化剤溝６３が形成される。第２流路Ｃ２０は第１酸化剤溝６２に連結され、第３流路Ｃ３０は第２酸化剤溝６３に連結される。貫通ホール４２１は、第１および第２酸化剤溝６２、６３と反対側に位置する。したがって、第２プレート４２は第１酸化剤溝６２、第２流路Ｃ２０、貫通ホール４２１、第３流路Ｃ３０、および第２酸化剤溝６３に連結される供給酸化剤移動経路を提供する。
【００６３】
第３プレート４３の他の一つの短辺側隅部に第２酸化剤開口部６４が形成される。そして、第２酸化剤開口部６４と対角方向に沿って向き合う第３プレート４３のいずれか一つの短辺側隅部に第３酸化剤溝６５が形成される。第４流路Ｃ４０は第２酸化剤開口部６４および第３酸化剤溝６５に連結される。
【００６４】
第１プレート４１と第２プレート４２には、第３酸化剤溝６５と対応する位置に第３酸化剤開口部６６が形成される。第３酸化剤開口部６６は、第１流路Ｃ１０、第２流路Ｃ２０、および第３流路Ｃ３０と所定の距離を置いて離れて位置する。第１プレート４１の第３酸化剤開口部６６は、第１エンドプレート３１の酸化剤排出口３６（図２参照）と対応する位置に形成される。
【００６５】
第１〜第３プレート４１、４２、４３の他の一つの短辺側中央に第１燃料開口部７１が形成される。第１燃料開口部７１は、第１〜第４流路Ｃ１０、Ｃ２０、Ｃ３０、Ｃ４０と所定の距離を置いて離れて位置する。第１燃料開口部７１は、第１エンドプレート３１の燃料注入口３３（図２参照）と対応する位置に形成される。第１〜第３プレート４１、４２、４３のいずれか一つの短辺側隅部に第２燃料開口部７２、７８が形成される。第２燃料開口部７２、７８は、第２〜第４流路Ｃ２０、Ｃ３０、Ｃ４０と所定の距離を置いて離れて位置する。
【００６６】
第１プレート４１の第２燃料開口部７２と対角方向に沿って向き合う第１プレート４１の他の一つの短辺側隅部に第３燃料開口部７３が形成される。第１流路Ｃ１０は、第２燃料開口部７２および第３燃料開口部７３に連結される。第３燃料開口部７３は、第１エンドプレート３１の燃料排出口３５（図２参照）と対応する位置に形成される。
【００６７】
第１および第２水分交換膜４４、４５が第１〜第３プレート４１、４２、４３と同一の大きさで形成される場合、第１および第２水分交換膜４４、４５中の第１燃料開口部７１、第２燃料開口部７２、第１酸化剤開口部６１、および第３酸化剤開口部６６に対応する部分が除去されてこれら開口部を露出させる。
【００６８】
図４〜図８を参照すれば、第１エンドプレート３１の酸化剤注入口３４（図２参照）に投入された供給酸化剤は、第１プレート４１の第１酸化剤開口部６１を経て第２プレート４２の第１酸化剤溝６２に提供される。供給酸化剤は、第２流路Ｃ２０を経た後に貫通ホール４２１を通過して第３流路Ｃ３０に移動し、第３流路Ｃ３０を経た後に第２酸化剤溝６３と第３プレート４３の第１酸化剤開口部６１を通じて水分交換機４０外部に排出される。
【００６９】
排出された供給酸化剤は、電気発生部５０をそのまま通過し、第２エンドプレート３２で方向転換後に電気発生部５０を構成するそれぞれの膜−電極接合体８０に提供される。膜−電極接合体８０を経た未反応酸化剤は、排出酸化剤であり、多量の水分を含む。
【００７０】
湿った排出酸化剤は、第３プレート４３の第２酸化剤開口部６４を通じて第４流路Ｃ４０に進入する。そして、第４流路Ｃ４０を経た後に第３酸化剤溝６５と第２および第１プレート４２、４１の第３酸化剤開口部６６を通じて第１エンドプレート３１の酸化剤排出口３６に排出される。湿った排出酸化剤が第４流路Ｃ４０を流れる間に第２水分交換膜４５が排出酸化剤から水分を吸収し、吸収した水分を第３流路Ｃ３０の供給酸化剤に伝達して供給酸化剤を加湿させる。
【００７１】
第１エンドプレート３１の燃料注入口３３に投入された燃料は、第１〜第３プレート４１、４２、４３の第１燃料開口部７１を経て水分交換機４０外部に排出される。排出された供給燃料は、電気発生部５０をそのまま通過し、第２エンドプレート３２で方向転換後に電気発生部５０を構成するそれぞれの膜−電極接合体８０に提供される。膜−電極接合体８０を経た未反応燃料は、排出燃料であり、多量の水分を含む。
【００７２】
湿った排出燃料は、第３プレート４３、第２プレート４２、および第１プレート４１の第２燃料開口部７２、７８を通過して第１流路Ｃ１０に進入する。そして、第１流路Ｃ１０を経た後に第３燃料開口部７３を通じて第１エンドプレート３１の燃料排出口３５に排出される。湿った排出燃料が第１流路Ｃ１０を流れる間に第１水分交換膜４４が排出燃料から水分を吸収し、吸収した水分を第２流路Ｃ２０の供給酸化剤に伝達して供給酸化剤を加湿させる。
【００７３】
図９は、図４に示した燃料電池スタック中の電気発生部と第２エンドプレートの分解斜視図であり、図１０は、図９に示した電気発生部中の膜−電極接合体の部分拡大断面図である。
【００７４】
図９と図１０を参照すれば、電気発生部５０は、複数の膜−電極接合体８０と、膜−電極接合体８０の間に位置する複数のセパレータ９０（図４参照）とを含む。図９では、便宜上一つの膜−電極接合体８０と２つのセパレータ９１、９２を示した。膜−電極接合体８０は、電解質膜８１と、電解質膜８１の一面に形成されたカソード電極８２と、電解質膜８１の他の一面に形成されたアノード電極８３と、電解質膜８１の周縁を支持する支持フィルム８４とを含む。
【００７５】
カソード電極８２は、還元反応により酸化剤中の酸素を電子と酸素イオンに変換させる触媒層８２１と、触媒層８２１を覆うガス拡散層８２２とを含む。アノード電極８３は、酸化反応により燃料中の水素を電子と水素イオンに変換させる触媒層８３１と、触媒層８３１を覆うガス拡散層８３２とを含む。
【００７６】
セパレータ９０は、カソード電極８２と接するカソードセパレータ９１およびアノード電極８３と接するアノードセパレータ９２を含む。カソードセパレータ９１は、カソード電極８２に向かった一面に酸化剤チャンネル９３を形成し、アノードセパレータ９２は、アノード電極８３に向かった一面に燃料チャンネル９４を形成する。カソードセパレータ９１とアノードセパレータ９２は一体に固定されても良く、これをバイポーラプレートという。
【００７７】
カソードセパレータ９１の内面とアノードセパレータ９２の内面には冷却チャンネル９５（図４参照）が形成されても良い。図９では、便宜上冷却チャンネルの図示を省略した。冷却チャンネル９５は、示されていない送風部（冷却剤供給機）に連結され、送風部により外部空気が冷却チャンネル９５に流入される。したがって、外部空気と燃料電池スタック３０との熱交換により燃料電池スタック３０の温度を低くすることができる。
【００７８】
膜−電極接合体８０の支持フィルム８４とカソードセパレータ９１およびアノードセパレータ９２は、水分交換機４０の第１酸化剤開口部６１（図５参照）と対応する位置に第４酸化剤開口部６７を形成し、水分交換機４０の第３酸化剤開口部６６（図５参照）と対応する位置に酸化剤入口マニホールド６８を形成する。
【００７９】
そして、膜−電極接合体８０の支持フィルム８４とカソードセパレータ９１およびアノードセパレータ９２は、酸化剤入口マニホールド６８と対角方向に沿って向き合う隅部に酸化剤出口マニホールド６９を形成する。カソードセパレータ９１に形成された酸化剤チャンネル９３は、酸化剤入口マニホールド６８および酸化剤出口マニホールド６９に連結される。
【００８０】
第２エンドプレート３２は、その内部に酸化剤の方向を転換させる第１転換流路３２１を形成する。第１転換流路３２１は、第４酸化剤開口部６７と対応する位置に形成される入口部３２２と、酸化剤入口マニホールド６８と対応する位置に形成される出口部３２３と、入口部３２２と出口部３２３とを連結する連結部３２４とを含む。
【００８１】
したがって、水分交換機４０で排出された供給酸化剤は、電気発生部５０の第４酸化剤開口部６７をそのまま通過して第１転換流路３２１の入口部３２２に提供され、連結部３２４と出口部３２３を経て電気発生部５０の酸化剤入口マニホールド６８に投入される。その後、酸化剤はカソードセパレータ９１の酸化剤チャンネル９３を経ながら膜−電極接合体８０のカソード電極８２に提供され、水分と未反応酸化剤が酸化剤出口マニホールド６９に排出される。排出酸化剤は水分交換機４０の第２酸化剤開口部６４（図５参照）に提供される。
【００８２】
膜−電極接合体８０の支持フィルム８４とカソードセパレータ９１およびアノードセパレータ９２は、水分交換機４０の第１燃料開口部７１（図５参照）と対応する位置に第４燃料開口部７４を形成し、水分交換機４０の第３燃料開口部７３（図５参照）と対応する位置に燃料入口マニホールド７５を形成する。
【００８３】
また、膜−電極接合体８０の支持フィルム８４とカソードセパレータ９１およびアノードセパレータ９２は、燃料入口マニホールド７５と対角方向に沿って向き合う隅部に燃料出口マニホールド７６を形成する。アノードセパレータ９２に形成された燃料チャンネル９４は、燃料入口マニホールド７５および燃料出口マニホールド７６に連結される。
【００８４】
第２エンドプレート３２は、その内部に燃料の方向を転換させる第２転換流路３２５を形成する。第２転換流路３２５は、第４燃料開口部７４と対応する位置に形成される入口部３２６と、燃料入口マニホールド７５と対応する位置に形成される出口部３２７と、入口部３２６と出口部３２７とを連結する連結部３２８とを含む。
【００８５】
したがって、水分交換機４０で排出された供給燃料は、電気発生部５０の第４燃料開口部７４をそのまま通過して第２転換流路３２５の入口部３２６に提供され、連結部３２８と出口部３２７を経て電気発生部５０の燃料入口マニホールド７５に投入される。その後、燃料はアノードセパレータ９２の燃料チャンネル９４を経て膜−電極接合体８０のアノード電極８３に提供され、水分と未反応燃料が燃料出口マニホールド７６に排出される。排出燃料は、水分交換機４０の第２燃料開口部７２（図５参照）に提供される。
【００８６】
図１１は、本発明の第２実施例による燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
図１１を参照すれば、第２実施例の燃料電池システム１１０は、水分交換機４０が第１エンドプレート３１の外側に位置し、燃料供給管１２と酸化剤供給管２１が水分交換機４０に連結することを除いては、前述した第１実施例の燃料電池システムと同一の構成からなる。第１実施例と同一の部材については同一の図面符号を使用する。
【００８７】
水分交換機４０が第１エンドプレート３１と電気発生部５０との間に位置する第１実施例では、水分交換機４０を含む燃料電池スタック３０全体を一度に締結することができるため、締結作業が容易である。反面、水分交換機４０が第１エンドプレート３１の外側に位置する第２実施例では、水分交換機４０を締結後、これを第１エンドプレート３１に再び締結しなければならない煩わしさがあるが、水分交換機４０の故障時にこれを容易に交替することができる。
【００８８】
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詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、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、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、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００８９】
１００、１１０…燃料電池システム
１０…燃料供給部
２０…酸化剤供給部
３０…燃料電池スタック
３１…第１エンドプレート
３２…第２エンドプレート
４０…水分交換機
４１〜４３…第１〜第３プレート
Ｃ１０〜Ｃ４０…第１〜第４流路
４４〜４５…第１および第２水分交換膜
５０…電気発生部
８０…膜−電極接合体
８２…カソード電極
８３…アノード電極
８４…支持フィルム
９０…セパレータ
９１…カソードセパレータ
９２…アノードセパレータ
９３…酸化剤チャンネル
９４…燃料チャンネル
【図１】
2011222508.tif 000003
【図２】
2011222508.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011222508.tif 000006
【図５】
2011222508.tif 000007
【図６】
2011222508.tif 000008
【図７】
2011222508.tif 000009
【図８】
2011222508.tif 000010
【図９】
2011222508.tif 000011
【図１０】
2011222508.tif 000012
【図１１】
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