(57)【要約】【課題】  高分子電解質膜の乾燥を防止すると同時に、空気の供給を阻害する水素タンク表面での液滴の発生を防止することができる小型の固体高分子型燃料電池装置を提供する。【解決手段】  燃料電池装置は、燃料電池スタック１の一方の空気口と水素タンク２が対向して配置され、燃料電池スタック１の他方の空気口は大気に開放されている燃料電池装置において、前記一方の空気口４と対向する水素タンクの表面に燃料電池スタックで生成される水を回収して保水する保水手段３を有する。【選択図】        図１
2007080631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックの一方の空気口と水素タンクが対向して配置され、燃料電池スタックの他方の空気口は大気に開放されている燃料電池装置において、前記一方の空気口と対向する水素タンクの表面に燃料電池スタックで生成される水を回収して保水する保水手段を有することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの一方の空気口と、水素タンクの表面に設けられた保水手段の間に空気流路が形成されてい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】
前記燃料電池スタックの大気に開放された面の一部および空気流路の端部から選ばれた少なくとも１カ所に、少なくとも一つの送風手段が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池装置は体積あたりの供給可能なエネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くになる可能性があり、さらに燃料を充填することにより、携帯電話、ノートＰＣ等小型電気機器の長時間連続使用が可能となるため期待されている。
【０００３】
比較的大きな定置型発電機や自動車等の移動体用の燃料電池装置は、例えば冷却機構、加湿・水管理の機構、反応物の加圧機構などを組み合わせて構成される。一方小型電気機器用の燃料電池装置においては、コストや体積の制約により、冷却・加湿・加圧など、より単純な構成で必要な出力を得る事が好ましい。
【０００４】
固体高分子型燃料電池は、常温に近い温度で使用でき、また電解質が液体ではなく固体であるので、安全に持ち運べるという利点を有している。固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、触媒層をもつ燃料極と酸化剤極によって、高分子電解質膜が挟持された構造を有している。燃料極には例えば水素が燃料として供給され、酸化剤極には例えば空気中の酸素が酸化剤として供給される。
【０００５】
小型電気機器用の燃料電池装置として、固体高分子型燃料電池を水素吸蔵合金より供給される水素と空気で駆動する構成が、例えば特許文献１に記載されている。水素吸蔵合金の水素放出過程は吸熱反応であり、水素燃料を供給する際に水素吸蔵合金の温度が低下する。温度の低下に伴い水素吸蔵合金の水素放出能力は低下するため、充分な水素の流量を確保するためには水素吸蔵合金を加熱する必要がある。
【０００６】
一方燃料電池の発電は発熱を伴うため、燃料電池の発熱を水素吸蔵合金の加熱に利用する提案がなされている。例えば特許文献１では、図６および図７に示す様に、空気と水素を用いて発電する燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に供給する水素を貯蔵するための水素タンク２とを連結した小型電気機器用燃料電池装置が提案されている。この小型電気機器用燃料電池装置は、燃料電池スタックでの発生熱を水素タンク２に導いて水素タンクを加熱する構造となっている。
【０００７】
しかしながら、燃料電池の反応では、高分子電解質膜を通過した水素イオンと酸化剤（酸素）が酸化剤極において反応し、酸化剤極で水が生成される。このため燃料電池の排出ガス中には水分（水蒸気）が含まれる。このため酸化剤極から排出された排出ガスに含まれる水分が水素タンク表面で結露して水滴となることがあった。特に小型化した燃料電池装置では、水素タンクと燃料電池スタックの距離が小さい。このため水素タンク表面に水滴が発生すると空気の流れが妨げられ、発電に必要な空気を燃料電池スタックに供給するのが困難となり安定した出力が得られなくなる。
【０００８】
高分子電解質膜は内部に水を包含しており、水素イオンを伝導する。しかしながら、固体高分子型燃料電池の性能を左右するイオン伝導性は、高分子電解質膜の湿潤性に大きく依存する。すなわち高分子電解質膜の乾燥により導電性が著しく低下し、内部抵抗の増大により燃料電池の出力が低下する。従って、固体高分子型燃料電池の発電には、イオンを伝導するための高分子電解質膜が適度に湿っていることが必要である。
【０００９】
したがって、固体高分子型燃料電池を用いた電源システムとして特徴的に、この高分子電解質膜を加湿する方法が広く検討されている。例えば特許文献２では、空気と水素を用いて発電する燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに供給する水素を貯蔵するための水素タンクと、燃料電池スタックで生成した水を保水し水素を加湿する構成よりなる燃料電池装置が提案されている。
【００１０】
このように、生成した水を水素の加湿に用いる構成では、保水した水を水素ガス中へ導入する手段が別途必要となり、燃料電池装置が大型になる。
【特許文献１】特開平１０−０９２４５６号公報
【特許文献２】特開平０９−２１３３５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の燃料電池装置の構成では、さらに小型な燃料電池装置を実現する上で、次のような課題があった。
水素タンクの加熱を燃料電池スタックの酸化剤極の排出ガスで行う場合、水素タンク表面での結露により液滴が発生し空気の供給が阻害されることがあった。水素タンク表面での結露を防止するため空気流を増大させると、高分子電解質膜が乾燥して燃料電池の出力が低下する問題が生じる。これは、燃料電池スタックが発電により、周囲温度より高温となっており、空気中から低温の空気を過剰に供給すると酸化剤極内の湿度が低下する。すなわち、水素タンクでの結露防止と酸化剤極での乾燥防止することの相反する特性を両立しつつ、燃料電池装置を小型化することが困難であった。
【００１２】
また水素タンク等で回収した生成水を保水し、供給ガスを加湿するためには、新たに加湿の機構が必要となり、燃料電池装置の構成・制御が複雑となってしまう。
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであって、高分子電解質膜の乾燥を防止すると同時に、空気の供給を阻害する水素タンク表面での液滴の発生を防止することができる小型の固体高分子型燃料電池装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の課題を解決する燃料電池装置は、燃料電池スタックの一方の空気口と水素タンクが対向して配置され、燃料電池スタックの他方の空気口は大気に開放されている燃料電池装置において、前記一方の空気口と対向する水素タンクの表面に燃料電池スタックで生成される水を回収して保水する保水手段を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の構成によれば、高分子電解質膜の乾燥を防止すると同時に、空気の供給を阻害する水素タンク表面での液滴の発生を防止することができる。また、水収支に対する冗長性（許容性）が増大し、水の管理に対する複雑な制御が不要となる。このため燃料電池装置のさらなる小型化が可能となり、小型電気機器用の小型な固体高分子型燃料電池を提供可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
上記の燃料電池装置は、燃料電池スタックの一方の空気口と水素タンクが対向して配置され、燃料電池スタックの他方の空気口は大気に開放されている燃料電池装置において、前記一方の空気口と対向する水素タンクの表面に燃料電池スタックで生成される水を回収して保水する保水手段を有するのが好ましい。
【００１６】
前記燃料電池スタックの一方の空気口と、水素タンクの表面に設けられた保水手段の間に空気流路が形成されていることが好ましい。
前記燃料電池スタックの大気に開放された面の一部および空気流路の端部から選ばれた少なくとも１カ所に、少なくとも一つの送風手段が設けられていることが好ましい。
【００１７】
このような燃料電池装置においては、保水手段で保持される水により高分子電解質膜の乾燥が防止されると同時に、空気の供給を阻害する水素タンク表面での液滴の発生が防止される。さらに、吸水性材料からなる保水層での水分の移動が速やかに行われ、水収支に対する冗長性（許容性）が増大し、水の管理に対する複雑な制御が不要となる。このため燃料電池装置のさらなる小型化が実現可能となる。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
実施例１
図１は本発明の一実施例による燃料電池装置の斜視図、図２は図１中Ａ−Ａ’断面図を示す。燃料電池スタック１と、水素タンク２が図に示すように対向して配置される。燃料電池スタックには酸化剤極へ大気中の空気を供給するための空気口４が設けられる。空気口は大気側と水素タンク側に設けられる。水素タンクの燃料電池側表面には、保水手段３が設けられる。
【００１９】
燃料電池スタックは、燃料電池セルとセパレータ板を交互に積層して構成される。各燃料電池セルは、高分子電解質膜の対向する面にカーボンクロスなどの多孔質な燃料極と酸化剤極、燃料極に燃料を供給する燃料流路と酸化剤極に酸素を供給する酸化剤流路５を有する。燃料流路はセパレータ板に設けられた燃料マニホールド６に接続され、酸化剤流路は空気口４により大気に開放される。
【００２０】
燃料マニホールド６は連結部７を介して水素タンクに接続され、水素タンクより放出される水素が燃料極に供給される。水素吸蔵合金の水素放出反応は吸熱反応であるので、水素の放出に伴って温度が低下する。水素吸蔵合金は一般に温度の低下に伴い水素放出速度が低下する特性を有する。本実施例の構成では熱伝達および連結部での熱伝導により、燃料電池スタックの発熱に伴い水素タンクへ有効に伝熱が行われる。このため燃料電池スタックの発電に必要な水素を水素タンクより供給可能である。
【００２１】
空気口では大気中より酸素が供給されると共に、発電により発生した水分が蒸発される。水素タンク側の空気口から排出された水蒸気は、一部が水素タンク表面に設けられた保水手段３に保持される。一方水素タンクと反対の空気口から排出された水蒸気は大気中に放出される。大気中から直接燃料電池スタックの空気口に供給される空気は室温であるため、比較的乾燥した状態である。一方水素タンク表面を通った空気は、保水手段に保持された水分と燃料電池スタックの発熱に伴う熱により比較的加湿された状態で空気口に供給される。このため本実施例の構成によると高分子電解質膜が乾燥することなく、安定した出力が得られる。
【００２２】
保水手段は、水素タンク表面にシート状に設ける。繊維状セルロースやポリアクリル酸塩を主成分とするポリマー等吸水性繊維等を用いることが可能である。保水手段で結露した水は、液滴となって空気流を阻害することなく保水手段に吸収される。また、図３に示す様に、面内で毛管現象或いは拡散により保水手段全面に移動される。このため燃料電池スタック周辺部に対向する面に設けられた保水層では比較的低温であるため水分が吸収され、保水層全面に水が移動される。一方、高温となる領域では保水層中の水分が燃料電池スタックの熱により蒸発され、水素タンク表面の空気を効果的に加湿する。このため燃料電池スタック内で高温となる中央部でも高分子電解質膜の加湿が行われ、燃料電池の出力を向上させる。
【００２３】
保水手段は図４に示したように、水素タンクの側面まで形成され、水分の蒸発を促進することも（図４（ａ））、保水手段の周囲に枠８を設けて蒸発を抑制するように構成することもできる（図４（ｂ））。これらは、燃料電池装置の設置される環境・負荷に応じて選択される。また、保水手段の保水容量は例えば水素タンクの水素容量に応じて調整する（図４（ｃ））。例えば、水素タンクの水素容量が大きく、必要な吸水量が大きい場合は保水容量を大きく、逆に水素タンクの水素容量が小さい場合は保水容量を小さくする。水素タンクの交換時に保水手段も同時に交換可能とすれば、生成水の排出が容易となり燃料電池装置の連続運転が可能となる。
【００２４】
保水手段を有することによって一定期間であれば、過加湿環境下でも燃料電池スタックを動作させることが可能となる。また、一時的に乾燥ぎみの状態となっても保水手段からの加湿によって出力が維持される。すなわち、保水手段を有することによって燃料電池スタックの水収支に対する冗長性（許容性）が増すことになる。このため、水の管理に対する複雑な制御が不要となり燃料電池装置を小型化することが可能である。
【００２５】
本発明による燃料電池装置には送風手段９を設けることも可能である。図５に本実施例における送風手段を説明する模式図を示す。図５（ａ）では、燃料電池スタックの中央部に送風手段を設けた例である。送風手段としては小型のファンを用い、空気流が水素タンク側より燃料電池スタックの酸化剤流路を通過して大気に流れる構成とする。燃料電池スタックの中央部は発電時に比較的高温となっており、保水手段で加湿された空気が供給されることによって高分子電解質膜の乾燥を防止することが可能である。
【００２６】
図５（ｂ）はより積極的に、加湿する例である。発電時に比較的低温な燃料電池スタック周辺部に２つのファンを設置し、燃料電池スタックから保水手段へ空気流を供給する。保水手段では水の吸収が行われると同時に、燃料電池スタック中央部では加熱された空気が保水手段の水分により加湿され、燃料電池に供給される。
【００２７】
図５（ｃ）は、保水手段での水の蒸発を促進するために、燃料電池スタックの中央部と、燃料電池スタックと水素タンクの間の空気流路１０の端部にファンを設け、ファンにより送風する例である。本実施例によれば、酸化剤流路の空気流を増大することなく保水手段の水分を蒸発可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の構成の燃料電池装置によれば、高分子電解質膜の乾燥を防止すると同時に、空気の供給を阻害する水素タンク表面での液滴の発生を防止することができ、水収支に対する冗長性（許容性）が増大し、水の管理に対する複雑な制御が不要となる。このため燃料電池装置のさらなる小型化が可能となり、小型電気機器用の小型な固体高分子型燃料電池に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施例による燃料電池装置の斜視図を示す。
【図２】図１中Ａ−Ａ’断面図を示す。
【図３】水素タンク表面に設けられた保水手段における水分の動きを模式的に表した図を示す。
【図４】本発明の一実施例による保水手段を説明する模式図を示す。
【図５】本発明の一実施例による送風手段を説明する模式図を示す。
【図６】従来の燃料電池装置の斜視図を示す。
【図７】従来の燃料電池装置の断面図を示す。
【符号の説明】
【００３０】
１  燃料電池スタック
２  水素タンク
３  保水手段
４  空気口
５  酸化剤流路
６  燃料マニホールド
７  連結部
８  枠
９  送風手段
１０  空気流路
【図１】
2007080631.tif 000003
【図２】
2007080631.tif 000004
【図３】
2007080631.tif 000005
【図４】
2007080631.tif 000006
【図５】
2007080631.tif 000007
【図６】
2007080631.tif 000008
【図７】
2007080631.tif 000009