(57)【要約】【課題】発電停止後における発電領域での液体燃料の凍結防止を簡単な構成で行う。【解決手段】燃料電池システム１には、複数のセル５０を積層したセルスタック１０と、液体燃料を貯留する燃料タンク７５とが設けられている。各セル５０の周辺部における発電領域５０ａの下部付近に、発電停止後排出用マニホールドＭｓとして、供給用マニホールド５０ｃ又は排出用マニホールド５０ｂのいずれか一方が配置されている。燃料タンク７５は、発電停止後排出用マニホールドＭｓの燃料出口より下に配置されている。発電停止後に、各セル５０の発電領域内５０ａに滞留している液体燃料が、燃料タンク７５の液体燃料との位置エネルギー差を利用して、自然に発電停止後排出用マニホールドＭｓを介して燃料タンク７５に排出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各セルの中央部に発電領域を、各セルの周辺部に供給用マニホールド及び排出用マニホールドを、それぞれ含む複数のセルを積層したセルスタックと、
補充された液体燃料及び前記セルスタックから排出された液体燃料を、前記セルスタックに供給される液体燃料として貯留する燃料タンクと
を備え、
各セルの周辺部における発電領域の下部付近に、発電停止後排出用マニホールドとして、前記供給用マニホールド又は排出用マニホールドのいずれか一方が配置されており、
前記燃料タンクは、前記発電停止後排出用マニホールドの燃料出口より下に配置されており、
発電停止後に、各セルの前記発電領域内に滞留している液体燃料が、前記燃料タンクの液体燃料との位置エネルギー差を利用して、自然に前記発電停止後排出用マニホールドを介して前記燃料タンクに排出される
燃料電池システム。
【請求項２】
前記セルスタックは、水平面から積層方向と直交する方向に傾斜している
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記セルスタックは、水平面から積層方向に傾斜しており、
前記発電停止後排出用マニホールドの燃料出口は、前記セルスタックの両端のうちのより下に配置された端に設けられる
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記セルスタック及び前記燃料タンクを収容する筐体をさらに備え、
前記セルスタックは、積層方向両側にそれぞれ取り付けたＬ字アングルを介して前記筐体に固定される
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記セルスタックは、水平面から積層方向に傾斜しており、
前記セルスタックは、長さの異なる前記Ｌ字アングルを介して前記筐体に固定される
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記セルスタック及び前記燃料タンクを収容する筐体をさらに備え、
前記筐体は、天板と、底板と、前記天板及び前記底板の間の空間を上下に区切る区切板とを有し、
前記セルスタックは前記区切板上に、前記燃料タンクは前記底板上に、それぞれ配置固定される
請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記セルスタック及び前記燃料タンクを収容する筐体をさらに備え、
前記筐体は、天板と、底板とを有し、
前記セルスタックは前記天板下に、前記燃料タンクは前記底板上に、それぞれ配置固定される
請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記発電停止後排出用マニホールドとして、前記供給用マニホールドを用い、
前記燃料タンクと前記供給用マニホールドとの間の液体燃料の流れの向きを発電停止後に切替えて、前記供給用マニホールドから前記燃料タンクに液体燃料を排出可能とする切替機構をさらに備える
請求項１〜７のいずれか一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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
気化器や改質器を介さずに液体燃料を直接燃料電池（セル）に供給して発電を行う直接形燃料電池（DFC：Direct Fuel Cell）として、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン等を液体燃料に使用するものが提案されている。かかる燃料電池をバックアップ用電源として実用化するに際し寒冷環境への対応が求められている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２７５２８１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
液体燃料として例えばメタノールを用いる直接形メタノール燃料電池（DMFC：Direct Methanol Fuel Cell）について説明する。この燃料電池（セル）を用いたシステムでは、例えば、濃度数%のメタノール水溶液を用いる。このため、摂氏零度付近で発電を停止すると、発電に伴う発熱で一定以上に保たれていたセルの温度がその温度まで低下する。その結果、セルを構成する膜電極接合体（MEA：Membrane Electrode Assembly）が、内部の液体燃料の凍結により損傷して、発電性能が低下するおそれがある。
【０００５】
例えば特許文献１のように保温ヒータを設け、発電を停止した際に保温ヒータを動作させることができれば、セルの温度低下を抑制し、膜電極接合体での液体燃料の凍結を防止できる。しかし、電力を余計に消費してしまうことから、より大容量の補助バッテリーを準備する必要があり、システムが複雑になってしまう。
【０００６】
本発明の幾つかの実施形態は上記事情に鑑みてなされたものであり、発電停止後における膜電極接合体での液体燃料の凍結防止を簡単な構成で行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、複雑な構成とせずに、発電停止後における発電領域（膜電極接合体）での液体燃料の凍結を防止するシステムを検討した。その結果、発電停止後に発電領域に滞留している液体燃料を、燃料タンクの液体燃料との位置エネルギー差を利用して自然に排出させればよいと考えた。そして、各セルの周辺部における発電領域の下部付近に、供給用マニホールド又は排出用マニホールドのいずれか一方を、発電停止後排出用マニホールドとして配置することにした。燃料タンクを、上記発電停止後排出用マニホールドの燃料出口より下に配置することにした。これらにより、上記課題を解決しうることを見いだした。
【０００８】
すなわち、本発明の幾つかの実施形態に係る燃料電池システムは、各セルの中央部に発電領域を、各セルの周辺部に供給用マニホールド及び排出用マニホールドを、それぞれ含む複数のセルを積層したセルスタックと、補充された液体燃料及びセルスタックから排出された液体燃料を、セルスタックに供給される液体燃料として貯留する燃料タンクとを備え、各セルの周辺部における発電領域の下部付近に、発電停止後排出用マニホールドとして、供給用マニホールド又は排出用マニホールドのいずれか一方が配置されており、燃料タンクは、発電停止後排出用マニホールドの燃料出口より下に配置されており、発電停止後に、各セルの発電領域内の液体燃料が、燃料タンクの液体燃料との位置エネルギー差を利用して自然に発電停止後排出用マニホールドに排出される燃料電池システムである。
【０００９】
この燃料電池システムによれば、各セルの周辺部における発電領域下部付近に、供給用マニホールド又は排出用マニホールドのいずれか一方が、発電停止後排出用マニホールドとして配置される。燃料タンクが、上記発電停止後排出用マニホールドの燃料出口より下に配置される。これらにより、発電停止後に、各セルの発電領域内に滞留している液体燃料を発電停止後排出用マニホールドに、燃料タンクの液体燃料との位置エネルギー差を利用して自然に排出することができる。その結果、例えば、保温ヒータを用いる場合等に比べ、より簡単な構成で、セルの発電領域における液体燃料の凍結防止を行うことができる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいては、セルスタックは、水平面から積層方向と直交する方向に傾斜させることができる。
【００１１】
この場合、セルスタックが水平面に対して傾斜されていない場合に比べて、各セルの発電領域の下部に液体燃料が残留しにくくなる。その結果、発電領域における液体燃料の凍結をより一層防止することが可能となる。
【００１２】
上記燃料電池システムにおいては、セルスタックは、水平面から積層方向に傾斜しており、発電停止後排出用マニホールドの燃料出口は、セルスタックの両端のうちのより下に配置された端に設けることができる。
【００１３】
これにより、セルスタックの積層方向への傾斜に伴って傾斜した発電停止後排出用マニホールド内を液体燃料が燃料出口に向けて自然に移動できるので、発電停止後排出用マニホールドに液体燃料が滞留しにくく、発電停止後排出用マニホールドでの液体燃料の凍結を防止できる。
【００１４】
上記燃料電池システムにおいては、セルスタック及び燃料タンクを収容する筐体をさらに備え、セルスタックは、積層方向両側にそれぞれ取り付けたＬ字アングルを介して筐体に固定されるようにできる。
【００１５】
このような構成とすることで、より簡単且つ確実に、セルスタックを筐体に固定することができる。
【００１６】
上記燃料電池システムにおいては、セルスタックは、水平面から積層方向に傾斜しており、セルスタックは、長さの異なるＬ字アングルを介して筐体に固定されるようにできる。
【００１７】
これにより、簡単且つ確実に、セルスタックを水平面から積層方向に傾斜させることができる。
【００１８】
上記燃料電池システムにおいては、セルスタック及び燃料タンクを収容する筐体をさらに備え、筐体は、天板と、底板と、天板及び底板の間の空間を上下に区切る区切板とを有し、セルスタックは区切板上に、燃料タンクは底板上に、それぞれ配置固定されるようにできる。
【００１９】
このような構成とすることで、より簡単且つ確実に、燃料タンクをセルスタックより下に配置固定することができる。
【００２０】
上記燃料電池システムにおいては、セルスタック及び燃料タンクを収容する筐体をさらに備え、筐体は、天板と、底板とを有し、セルスタックは天板下に、燃料タンクは底板上に、それぞれ配置固定されるようにできる。
【００２１】
このような構成とすることで、簡単且つ確実に、燃料タンクをセルスタックより下に配置固定することができる。
【００２２】
上記燃料電池システムにおいては、発電停止後排出用マニホールドとして、供給用マニホールドを用い、燃料タンクと供給用マニホールドとの間の液体燃料の流れの向きを発電停止後に切替えて、供給用マニホールドから燃料タンクに液体燃料を排出可能とする切替機構をさらに備えることができる。
【００２３】
このような構成とすることで、発電停止後排出用マニホールドとして排出用マニホールドを使用しなくて済むので、排出用マニホールドをセルの最下部以外に配置することができる。このため、発電によって生じた二酸化炭素の気泡を液体燃料とともに排出用マニホールドから効率良く排出することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の幾つかの実施形態によれば、発電停止後における発電領域での液体燃料の凍結防止を簡単な構成で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る燃料電池システム１の基本構成を示す斜視図であ。
【図２】図１におけるセル５０の構成を示す分解図である。
【図３】図１の燃料電池システム１の全体構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２実施形態例に係る燃料電池システム１００の基本構成を示す斜視図である。
【図５】図４の燃料電池システム１００の構成の筐体内での配置を示す斜視図である。
【図６】図５のセルスタック１１０の筐体１６５に対する固定機構の一例を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３実施形態例に係る燃料電池システム２００の基本構成を示す斜視図である。
【図８】図７の燃料電池システム２００の構成の筐体内での配置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態例について説明する。ただし、実施形態例として以下に記載され、あるいは、実施形態例として図面で示された構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２７】
幾つかの実施形態例に係る燃料電池システムは、図１乃至図７に示されるように、複数のセルを積層したセルスタックと、液体燃料を貯留する燃料タンクとを備えている。
幾つかの実施形態例に係る燃料電池システムは、図１乃至図７に示されるように、セルスタックと、燃料タンクに加えて、セルスタック及び燃料タンクを収容する筐体をさらに備えることができる。
幾つかの実施形態例に係る燃料電池システムは、図７に示されるように、セルスタックと、燃料タンクに加えて、燃料タンクと供給用マニホールドとの間の液体燃料の流れの向きを切替える切替機構をさらに備えることができる。
【００２８】
図１を参照して、第１実施形態例に係る燃料電池システム１の基本構成について説明する。
【００２９】
図１は、燃料電池システム１の基本構成を示す斜視図である。
第１実施形態例に係る燃料電池システム１は、図１に示されるように、板状の複数のセル５０を積層したセルスタック１０を備えている。図１の例では、セル５０は、矩形板状である。但し、セル５０の形状は、これに限定される訳ではなく、円形や矩形以外の多角形等であってもよい。
【００３０】
図１に示されるように、セルスタック１０の積層方向Ｘは水平面Ｈ内である。
【００３１】
第１実施形態例の説明では、図１に示されるように各方向を定義する。すなわち、積層方向Ｘを「前後方向」とし、セルスタック１０の第１端１０ａ側を「前」、その逆の第２端１０ｂ側を「後」とする。その前後方向に対し水平面Ｈ内で垂直となる方向を「左右方向」とし、セルスタック１０の第１端１０ａ側からみて左側を「左」、その逆の右側を「右」とする。そして、水平面Ｈに直交する鉛直方向を「上下方向」とし、上側を「上」、その逆の下側を「下」とする。
【００３２】
図１の例では、セルスタック１０には、複数のセル５０をそれらの両側から挟持するエンドプレート４０及びエンドプレート４１が設けられている。
【００３３】
セル５０の板面内における中央部には、電気化学的反応により液体燃料から電気エネルギーを取り出し発電する発電領域５０ａが設けられている。この発電領域５０ａは、後述する膜電極接合体で構成される。図１の例では、発電領域５０ａは、矩形状の領域である。但し、発電領域５０ａの形状は、これに限定される訳ではなく、円形や矩形以外の多角形等であってもよい。発電領域５０ａの形状は、セル５０の形状に合わせてもよいが、合せなくてもよい。
【００３４】
セル５０の板面内における中央部を除く周辺部には、発電時に、燃料入口２０からの液体燃料を発電領域５０ａに供給する供給用マニホールド５０ｃが設けられている。セル５０の周辺部には、発電の結果得られる液体燃料（未反応の液体燃料等）を発電領域５０ａから燃料出口２１に排出する排出用マニホールド５０ｂがさらに設けられている。供給用マニホールド５０ｃ及び排出用マニホールド５０ｂはいずれも、セル５０の周辺部に形成された対応する貫通穴を積層方向Ｘに連結して構成される。
【００３５】
セル５０の板面内における周辺部には、発電時に、空気入口３０からの空気（酸素）を発電領域５０ａに供給する供給用マニホールド５０ｄがさらに設けられている。セル５０の周辺部には、発電の結果得られる空気（未反応の空気（酸素）、水蒸気等）を発電領域５０ａから空気出口３１に排出する排出用マニホールド５０ｅがさらに設けられている。供給用マニホールド５０ｄ及び排出用マニホールド５０ｅはいずれも、各セル５０の周辺部に形成された対応する貫通穴を積層方向Ｘに連結して構成される。
【００３６】
燃料電池システム１は、図１に示されるように、後述する燃料タンク９０から補充された液体燃料及びセルスタック１０から排出された液体燃料を、セルスタック１０に供給する液体燃料として貯留する燃料タンク７５をさらに備えている。
【００３７】
図１の例では、燃料タンク７５の燃料入口７９は、配管Ｆ５を介して後述する燃料タンク９０に接続されており、燃料タンク７５には、発電時に、燃料タンク９０から液体燃料が補充される。燃料タンク７５の燃料入口７６は、配管Ｆ３を介してセルスタック１０の燃料出口２１に接続されており、燃料タンク７５には、発電時に、セルスタック１０から液体燃料が排出される。燃料タンク７５の燃料出口７７は、配管Ｆ１を介してセルスタック１０の燃料入口２０に接続されている。配管Ｆ１には、ポンプＰ１が設けられており、発電時に、ポンプＰ１によって、燃料タンク７５からセルスタック１０に液体燃料が供給される。
【００３８】
燃料電池システム１では、図１に示されるように、各セル５０の周辺部における発電領域５０ａ下部付近に、発電停止後に液体燃料の排出に用いる発電停止後排出用マニホールドＭｓとして、排出用マニホールド５０ｂ又は供給用マニホールド５０ｃを配置することにした。図１の例では、発電停止後排出用マニホールドＭｓとして、排出用マニホールド５０ｂを用いている。燃料タンク７５を、上記発電停止後排出用マニホールドＭｓとしての排出用マニホールド５０ｂの燃料出口２１より下に配置するようにした。
【００３９】
これらにより、発電停止後に、各セルの発電領域５０ａの内部に滞留している液体燃料を、燃料タンク７５の液体燃料との位置エネルギー差により、発電停止後排出用マニホールドＭｓを介して燃料タンク７５に排出することができる。その際、発電停止後排出用マニホールドＭｓは、各セル５０において発電領域５０ａの下部付近に位置するので、各セル５０の発電領域５０ａ内に滞留している液体燃料を全て排出することができる。この結果、例えば、保温ヒータを用いる場合等に比べ、より簡単な構成で、セルの発電領域における液体燃料の凍結防止を行うことができる。
【００４０】
なお、図１の例では、発電停止後排出用マニホールドＭｓとしての排出用マニホールド５０ｂは、各セル５０の周辺部における「右下隅」に配置したが、それに限らず、各セル５０の周辺部における「左下隅」に配置する等、各セル５０の周辺部における発電領域５０ａ下部付近の任意の位置に配置させることができる。
図１の例では、供給用マニホールド５０ｃは、各セル５０の周辺部における「左上隅」に配置した。しかし、供給用マニホールド５０ｃの位置は、それに限らず、各セル５０の周辺部における「右上隅」に配置する等、各セル５０の周辺部における排出用マニホールド５０ｂと異なる任意の位置に配置させることができる。もっとも、供給用マニホールド５０ｃの位置は、発電領域５０ａ内における液体燃料の流れがより均一になるように、各セル５０の周辺部における排出用マニホールド５０ｂと対角の位置に配置するのが好ましい。
【００４１】
図１の例では、液体燃料についての供給用マニホールド５０ｃに連通する燃料入口２０は、エンドプレート４１の板面内における上部に設けられ、排出用マニホールド５０ｂに連通する燃料出口２１は、エンドプレート４０の板面内における下部に設けられている。空気についての供給用マニホールド５０ｄに連通する空気入口３０は、エンドプレート４０の板面内における下部に設けられ、排出用マニホールド５０ｅに連通する空気出口３１は、エンドプレート４１の板面内における上部に設けられている。
【００４２】
以下、液体燃料としてメタノールを用いた燃料電池（セル）について説明する。しかし、これに限定される訳ではなく、液体燃料としてジメチルエーテルやヒドラジン等を用いた燃料電池を採用することもできる。
【００４３】
図２を参照して、燃料電池システム１におけるセル５０の構成について説明する。
【００４４】
図２は、セル５０の構成を示す分解図である。
セル５０は、図２に示されるように、例えば、イオン伝導性を有する重合体である電解質膜５１と、電解質膜５１の前面に接合されると共に例えば主に白金からなる貴金属を含む空気極側触媒層５２と、電解質膜５１の後面に接合されると共に例えば主に白金からなる貴金属を含む燃料極側触媒層５３とを備えている。セル５０は、空気極側触媒層５２の前面に配置される空気極側ガス拡散層５４と、燃料極側触媒層５３の後面に配置される燃料極側ガス拡散層５５とをさらに備えている。
【００４５】
以下、空気極側触媒層５２及び空気極側ガス拡散層５４を、空気極５６と適宜総称し、燃料極側触媒層５３及び燃料極側ガス拡散層５５を、燃料極５７と適宜総称する。
【００４６】
上述した発電領域５０ａは、空気極５６、燃料極５７、及びそれらに挟まれた電解質膜５１の部分からなる膜電極接合体で構成される。
【００４７】
セル５０は、燃料極側ガス拡散層５５の後面に配置されるセパレータ６０をさらに備えている。説明の便宜上、図２には、空気極側ガス拡散層５４の前面に配置されるセパレータ６０'も示されている。セパレータ６０とセパレータ６０'は同一構成物である。
セパレータ６０は、燃料極側ガス拡散層５５に面して、燃料極側ガス拡散層５５から拡散する二酸化炭素を含む液体燃料についての流路５９を備えている。セパレータ６０は、空気極側ガス拡散層５４に面して、空気極側ガス拡散層５４に拡散させる空気（酸素）及び水蒸気（水）についての流路５８をさらに備えている。セパレータ６０（セパレータ６０'）は、導電性で且つガス不透過性の材料より構成される。
【００４８】
セパレータ６０及びセパレータ６０'は、電解質膜５１、空気極側触媒層５２、燃料極側触媒層５３、空気極側ガス拡散層５４、及び燃料極側ガス拡散層５５を前後から挟持している。
【００４９】
発電領域５０ａでの電気化学的反応について説明する。
【００５０】
発電領域５０ａを構成する燃料極側触媒層５３は、燃料極側ガス拡散層５５から供給される液体燃料としてのメタノール水溶液に含まれるメタノールと水との間で式（１）の酸化反応を起こして、二酸化炭素、プロトン、及び電子を生成する。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−・・・（１）
【００５１】
燃料極側触媒層５３で生成された電子は、燃料極側ガス拡散層５５を介してセパレータ６０に供給される。
【００５２】
電解質膜５１は、燃料極側触媒層５３に存在する未反応のメタノール水溶液および電子が空気極側触媒層５２に直接供給されるのを抑制しつつ、燃料極側触媒層５３で生成されたプロトンを空気極側触媒層５２に直接供給する。また、電解質膜５１は、空気極側触媒層５２に存在する未反応の空気（酸素）及び水蒸気が燃料極側触媒層５３に直接供給されるのを抑制する。
【００５３】
空気極側触媒層５２は、流路５８'から空気極側ガス拡散層５４を介して供給された空気（酸素）と、電解質膜５１から供給されたプロトンと、セパレータ６０'から空気極側ガス拡散層５４を介して供給された電子との間で式（２）の還元反応を起こして、水を生成する。
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ・・・（２）
これらの発電領域５０ａでの電気化学的反応により、各セル５０において、セパレータ６０からの電子が燃料極（アノード）５７に供給され、空気極（カソード）５６からの電子がセパレータ６０'に供給される。この結果、セルスタック１０の第２端１０ｂ側の集電電極から外部負荷を介して第１端１０ａ側の集電電極に電流が流れて、セルスタック１０から電気エネルギーが取り出される。
【００５４】
各セル５０の発電領域５０ａにおける燃料極５７側（以下、適宜、燃料極側発電領域と称する）では、上述したように、発電停止後において、燃料極側発電領域の内部に滞留している液体燃料が、発電停止後排出用マニホールドＭｓに向けて自然に移動される。この際、流路５９だけでなく燃料極側ガス拡散層５５を介して液体燃料が移動する。
この際、ガス不透過性とはいえ、電解質膜５１を介して空気極５６側から若干の空気が流入するため、燃料極側発電領域の内部において、発電停止後排出用マニホールドＭｓへの液体燃料の移動は継続される。
なお、発電領域５０ａにおける空気極５６側（以下、適宜、空気極側発電領域と称する）では、液体燃料や水の排出は相対的に問題とならないので、以下では、その説明を省略する。
【００５５】
図３を参照して、燃料電池システム１の全体構成について説明する。
【００５６】
図３は、図１の燃料電池システム１の全体構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１は、上述したセルスタック１０と燃料タンク７５に加えて、空気供給部９１と、凝縮部９２と、水タンク９３と、燃料タンク９０と、ポンプＰ１〜Ｐ３とをさらに備えている。
【００５７】
燃料タンク７５は、液体燃料として、例えば、濃度5%以下、より好ましくは濃度2〜3%のメタノール水溶液を貯留している。燃料タンク９０は、液体燃料として、高濃度のメタノール水溶液、例えば、約60％程度の高濃度のメタノール水溶液を貯蔵する。
【００５８】
燃料タンク７５は、配管Ｆ５を介して燃料タンク９０と接続されると共に、配管Ｆ６を介して水タンク９３と接続されている。配管Ｆ５には、ポンプＰ２が設けられており、このポンプＰ２によって、燃料タンク９０から燃料タンク７５に液体燃料が供給される。
燃料タンク７５では、燃料タンク９０から供給される液体燃料（高濃度のメタノール水溶液）が水タンク９３から供給される水によって希釈されて貯留される。
【００５９】
空気供給部９１は、例えば、エアーブロワーやエアーコンプレッサー等のエアーポンプで構成される。空気供給部９１は、外部から空気（酸素）を取り込み、配管Ｆ２を介してセルスタック１０の空気入口３０に供給する。
【００６０】
水タンク９３は、水を貯留する。水タンク９３は、配管Ｆ４を介してセルスタック１０の空気出口３１と接続されると共に、配管Ｆ６を介して燃料タンク７５と接続される。配管Ｆ６には、ポンプＰ３が設けられており、このポンプＰ３によって、水タンク９３から燃料タンク７５に水が供給される。水タンク９３は、配管Ｆ７を介して燃料電池システム１の外部とさらに接続され、配管Ｆ７を介してセルスタック１０からの空気が外部に排出される。
【００６１】
凝縮部９２は、配管Ｆ４に設けられ、セルスタック１０の空気極５６で生じた水蒸気を配管Ｆ４内で凝縮させ、その結果得られる水は、配管Ｆ４を介して水タンク９３に供給される。これにより、空気極５６で生じた水蒸気が水として水タンク９３で再利用される。
【００６２】
上述した第１実施形態例では、セルスタックを水平面Ｈに対して傾斜させていなかったが、第２実施形態例では、セルスタックを水平面Ｈから積層方向Ｘと直交する方向に傾斜させている。また、第１実施形態例では、発電停止後排出用マニホールドＭｓとして、供給用マニホールド５０ｃを用いていたが、第２実施形態例では、排出用マニホールド５０ｂを用いている。このため、第２実施形態例では、燃料タンク７５と供給用マニホールド５０ｃとの間の液体燃料の流れの向きを発電停止後に切替えて、供給用マニホールド５０ｃから燃料タンク７５に液体燃料を排出可能としている。
【００６３】
図４を参照して、本発明の第２実施形態例に係る燃料電池システム１００について説明する。
【００６４】
図４は、燃料電池システム１００を示す斜視図である。
第２実施形態例に係る燃料電池システム１００では、第１実施形態例に係る燃料電池システム１におけるセルスタック１０に代えて、セルスタック１１０が設けられると共に、切替機構１２０がさらに設けられている。それ以外は、第１実施形態例に係る燃料電池システム１と同じである。このため、第２実施形態において、第１実施形態における対応する部分には同じ符号を付しており、その説明を適宜省略する。
【００６５】
燃料極側ガス拡散層５５は、例えば、炭素繊維による多孔質基材であり、液体燃料の移動に対する抵抗は少なくない。このため、セルスタック１０が、水平面Ｈに対して傾斜されていない場合、一定時間が経過しても、各セルの発電領域５０ａの下部に液体燃料が残留してしまうことがあった。
【００６６】
このため、燃料電池システム１００では、セルスタック１１０は、水平面Ｈから積層方向Ｘに直交する方向に傾斜させている。
例えば、図４に示されるように、セルスタック１１０を、水平面Ｈから積層方向Ｘと直交する方向にθ１だけ傾斜させることにした。ここで、θ１は、０°より大きく９０°より小さいが、より好ましくは、３０°〜６０°であり、さらに好ましくは、４５°である。図４の例では、θ１を４５°としている。
【００６７】
第２実施形態例の説明では、図４に示されるように各方向を定義する。すなわち、積層方向Ｘを「前後方向」とし、セルスタック１１０の第１端１１０ａ側を「前」、その逆の第２端１１０ｂ側を「後」とする。その前後方向に対し水平面Ｈ内で垂直となる方向を「左右方向」とし、セルスタック１１０の第１端１１０ａ側からみて左側を「左」、その逆の右側を「右」とする。そして、水平面Ｈに直交する鉛直方向を「上下方向」とし、上側を「上」、その逆の下側を「下」とする。
【００６８】
図４に示されるように、発電領域５０ａの左下の辺及び右下の辺がいずれも傾斜している。このため、液体燃料の移動に対する抵抗が少なくなくても、発電領域５０ａ（燃料極側発電領域）の左下部に到着した液体燃料はそこから右下の供給用マニホールド５０ｃに向かって移動する。発電領域５０ａ（燃料極側発電領域）の右下部に到着した液体燃料はそこから左下の供給用マニホールド５０ｃに向かって移動する。このため、セルスタック１０が水平面Ｈに対して傾斜されていない場合に比べて、発電領域５０ａの下部に液体燃料が残留しにくくなる。その結果、発電領域における液体燃料の凍結をより一層防止することが可能となる。
【００６９】
また、燃料電池システム１００では、各セル５０の周辺部における発電領域５０ａの最下部（下隅）付近に、発電停止後排出用マニホールドＭｓとして、供給用マニホールド５０ｃを配置することにした。
【００７０】
発電停止後排出用マニホールドＭｓとして、排出用マニホールド５０ｂを用いる場合、セル５０の板面内の周辺部における最下部に配置される。そうすると、発電によって生じた二酸化炭素の気泡が液体燃料内で上昇しようとするため、排出用マニホールド５０ｂから燃料タンク７５に排出されにくくなる。しかし、燃料電池システム１００では、発電停止後排出用マニホールドＭｓとして、供給用マニホールド５０ｃを用いるため、排出用マニホールド５０ｂをセル５０の最下部以外に配置することができる。従って、発電によって生じた二酸化炭素の気泡をセル５０から効率良く排出することができる。
【００７１】
しかし、供給用マニホールド５０ｃは、そのままでは、燃料タンク７５に液体燃料を排出することはできないので、発電停止後排出用マニホールドＭｓとして使うことができない。そこで、燃料電池システム１００では、燃料タンク７５と供給用マニホールド５０ｃとの間の液体燃料の流れの向きを発電停止後に切替機構１２０により切替えて、供給用マニホールド５０ｃから燃料タンク７５に液体燃料を排出可能としている。
【００７２】
切替機構１２０は、具体的には、例えば図４に示されるように、配管Ｆ１におけるポンプＰ１よりセルスタック１１０側に設けられた分岐部Ｂと、分岐部Ｂと燃料タンク７５の燃料入口１２２を接続する配管Ｆ８と、配管Ｆ８に設けられた、配管Ｆ８を遮断可能な２ポート弁Ｖと、２ポート弁Ｖ及びポンプＰ１を制御する制御部１２１とを備えている。
【００７３】
図４の例の制御部１２１は、発電時において、例えば、２ポート弁Ｖを制御して、配管Ｆ８の遮断状態を維持するとともに、ポンプＰ１を動作させて、燃料タンク７５から分岐部Ｂに向かう矢印r1の向きに液体燃料の供給を継続させる。これにより、燃料タンク７５から分岐部Ｂに供給された液体燃料はセルスタック１１０に向かうしかなく、矢印r2の向きに分岐部Ｂからセルスタック１０の供給用マニホールド５０ｃへの液体燃料の供給が継続される。これに伴い、セルスタック１１０の燃料出口２１では矢印s1の向きに、燃料タンク７５の燃料入口７６では矢印s2の向きに、それぞれ、液体燃料の排出が継続される。
【００７４】
制御部１２１は、発電停止後において、例えば、２ポート弁Ｖを制御して、配管Ｆ８の遮断状態を解除するとともに、ポンプＰ１の動作を停止させる。これにより、燃料タンク７５から分岐部Ｂまでの液体燃料は流れなくなる。このため、セルスタック１０内の液体燃料が、燃料タンク７５の液体燃料との位置エネルギー差により、遮断状態が解除されている配管Ｆ８を介して、矢印qの向きに燃料タンク７５に排出される。
【００７５】
なお、図４の例に限らず、切替機構１２０には種々の変形例が考えられる。例えば、上述した切替機構１２０における２ポート弁Ｖの代わりに３ポート弁Ｖ'を、配管Ｆ８の分岐部Ｂに位置を変えて設けることができる。この場合、制御部１２１は、発電時に、「配管Ｆ１における分岐部Ｂからセルスタック１１０側」を「配管Ｆ１における分岐部Ｂから燃料タンク７５側」と連通する第１状態に切替えつつ、ポンプＰ１の動作を維持する。これにより、燃料タンク７５からセルスタック１１０の供給用マニホールド５０ｃへの液体燃料の供給が継続される。
【００７６】
制御部１２１は、発電停止後に、３ポート弁Ｖ'を制御して、「配管Ｆ１における分岐部Ｂからセルスタック１１０側」を配管Ｆ８と連通する第２状態に切替えつつ、ポンプＰ１の動作を停止させる。これにより、セルスタック１１０の供給用マニホールド５０ｃから燃料タンク７５に液体燃料が自然に排出されるようにする。このようにして、燃料タンク７５と供給用マニホールド５０ｃとの間の液体燃料の流れの向きを、供給用マニホールド５０ｃから燃料タンク７５への向きに切替えることができる。
【００７７】
図４の例では、排出用マニホールド５０ｂは、各セル５０の周辺部における「上隅」に配置した。しかし、排出用マニホールド５０ｂの位置は、それに限らず、各セル５０の周辺部における供給用マニホールド５０ｃと異なる任意の位置に配置させることができる。もっとも、排出用マニホールド５０ｂの位置は、発電領域５０ａ内における液体燃料の流れがより均一になるように、各セル５０の周辺部における供給用マニホールド５０ｃと対角の位置に配置するのが好ましい。
【００７８】
図５を参照して、燃料電池システム１００の構成の筐体内での配置例について説明する。
【００７９】
図５は、燃料電池システム１００の構成の筐体内での配置例を示す斜視図である。図５では、筐体の内部を示すために仮想的に筐体の一部が取り除かれている。
燃料電池システム１００は、セルスタック１１０及び燃料タンク７５を収容する筐体１６５をさらに備えている。
筐体１６５は、天板１６５ａと、底板１６５ｂとを備えている。図５の例では、筐体１６５は、天板１６５ａ及び底板１６５ｂの空間を前後左右から囲む側板１６５ｃをさらに備えている。
【００８０】
筐体１６５は、図５に示されるように、天板１６５ａ及び底板１６５ｂに加えて、天板１６５ａ及び底板１６５ｂの間の空間を上下に区切る区切板１８０をさらに備えることができる。区切板１８０は、例えば、前後左右の側板１６５ｃのうちの少なくとも一部に対して固定されている。セルスタック１１０は、区切板１８０上に配置固定され、燃料タンク７５は、底板１６５ｂ上に配置固定されている。このような構成とすることで、より簡単且つ確実に、燃料タンク７５を、セルスタック１１０より下に配置固定することができる。
【００８１】
セルスタック１１０には、例えば、図５に示されるように、第１端１１０ａ及び第２端１１０ｂに、それぞれ、Ｌ字アングル１７０及びＬ字アングル１７１が取り付けられている。セルスタック１１０は、それらのＬ字アングル１７０及びＬ字アングル１７１を介して筐体１６５の区切板１８０の上に固定されている。このような構成とすることで、より簡単且つ確実に、セルスタック１１０を筐体１６５に固定することができる。  
【００８２】
図６を参照して、セルスタック１１０の区切板１８０（筐体１６５）に対する固定機構の一例について説明する。
【００８３】
図６は、セルスタック１１０の区切板１８０に対する固定機構の一例を示す斜視図である。
【００８４】
セルスタック１１０では、例えば、図６に示されるように、エンドプレート４０の板面内における４隅において、エンドプレート４０及び複数のセル５０等が、ボルト１５とナット１７により締め付けられている。その締め付け荷重は、例えば、皿バネ１６によって加えられる。
【００８５】
Ｌ字アングル１７０は、底壁部１７０ｂと、底壁部１７０ｂから上方に立設する側壁部１７０ａとで構成される。図６の例では、側壁部１７０ａは、エンドプレート４０に面して配置され、側壁部１７０ａに設けた穴にボルト１５を通し、側壁部１７０ａの外側からナット１７を用いて締め付けられている。底壁部１７０ｂは、区切板１８０に対してネジ７２で固定されている。
図６の例では、エンドプレート４０の板面の周辺部にスリット１１９が形成されており、そこから集電電極１１８が引き出されている。この集電電極１１８は、Ｌ字アングル１７０の側壁部１７０ａと干渉しない位置に配置されている。
【００８６】
なお、セルスタック１１０の筐体１６５への固定には、Ｌ字アングル以外にも平アングル等の種々の固定具（ブラケット）を用いることができる。  
【００８７】
上述した第２実施形態例では、セルスタックを、水平面Ｈから積層方向Ｘと直交する方向に傾斜させていたが、第３実施形態例では、セルスタックを、水平面Ｈから、積層方向Ｘと直交する方向だけでなくさらに積層方向Ｘにも傾斜させている。また、第２実施形態例では、発電停止後排出用マニホールドＭｓとして、供給用マニホールド５０ｃを用いていたが、第３実施形態例では、排出用マニホールド５０ｂを用いている。これに伴い、第３実施形態例では、第２実施形態例における切替機構１２０が削除されている。
【００８８】
図７を参照して、第３実施形態例に係るの燃料電池システム２００について説明する。
【００８９】
図７は、燃料電池システム２００の基本構成を示す斜視図である。
この第３実施形態例に係る燃料電池システム２００では、第２実施形態例に係る燃料電池システム１００におけるセルスタック１１０及び筐体１６５のそれぞれに代えて、セルスタック２１０及び筐体２６５のそれぞれが設けられている。第３実施形態例に係る燃料電池システム２００では、第２実施形態例に係る燃料電池システム１００における切替機構１２０及び区切板１８０が削除されている。それ以外は、第２実施形態例と同じである。このため、第３実施形態例において、第２実施形態例における対応する部分には同じ符号を付しており、その説明を適宜省略する。
【００９０】
燃料電池システム２００では、図７に示されるように、セルスタック２１０は、積層方向Ｘの方向にθ２だけ傾斜している。θ２は、０°より大きく、９０°より小さいが、より好ましくは、３°〜３０°であり、さらに好ましくは、５°〜１５°である。図７の例では、θ２は、１０°となっている。
【００９１】
第３実施形態例の説明では、図７に示されるように、各方向を定義する。すなわち、積層方向Ｘを水平面Ｈに投影した方向を「前後方向」とし、セルスタック２１０の第１端２１０ａ側を「前」、その逆の第２端２１０ｂ側が「後」とする。その前後方向に対し水平面Ｈ内で垂直となる方向を「左右方向」とし、セルスタック２１０の第１端２１０ａ側からみて左側を「左」、その逆の右側を「右」とする。そして、水平面Ｈに直交する鉛直方向を「上下方向」とし、上側を「上」、その逆の下側を「下」とする。
【００９２】
セルスタック２１０では、図７に示されるように、発電停止後排出用マニホールドＭｓとして、排出用マニホールド５０ｂが設けられている。
【００９３】
発電停止後排出用マニホールドＭｓとしての排出用マニホールド５０ｂに連通する燃料出口２１は、セルスタック２１０の両端のうちのより下に配置された第１端２１０ａに設けられる。
これにより、セルスタック２１０の積層方向Ｘへの傾斜に伴って傾斜した発電停止後排出用マニホールドＭｓ内を液体燃料が発電停止後排出用マニホールドＭｓとしての排出用マニホールド５０ｂの燃料出口２１に向けて自然に移動できる。このため、発電停止後排出用マニホールドＭｓに液体燃料が滞留しにくく、発電停止後排出用マニホールドＭｓでの液体燃料の凍結を防止できる。この結果、発電停止後排出用マニホールドＭｓが凍結した液体燃料により詰まることが無いので、燃料電池システムを寒冷環境下で再起動した際にすぐに発電を開始することができる。
【００９４】
図８を参照して、燃料電池システム２００の構成の筐体内での配置例について説明する。
【００９５】
図８は、燃料電池システム２００の構成の筐体内での配置例を示す斜視図である。図８では、筐体の内部を示すために仮想的に筐体の一部が取り除かれている。
燃料電池システム２００において、筐体２６５は、天板２６５ａと、底板２６５ｂとを備えている。図８の例では、筐体２６５は、天板２６５ａ及び底板２６５ｂの間の空間を前後左右から囲む側板２６５ｃをさらに備えている。
【００９６】
セルスタック２１０は、天板２６５ａの下に配置固定され、燃料タンク７５は、底板２６５ｂ上に配置固定されている。このような構成とすることで、より簡単且つ確実に、燃料タンク７５を、セルスタック２１０より下に配置固定することができる。
【００９７】
セルスタック２１０には、例えば、図８に示されるように、第１端２１０ａ及び第２端２１０ｂに、それぞれ、Ｌ字アングル２７０及びＬ字アングル２７１が取り付けられている。セルスタック２１０は、それらのＬ字アングル２７０及びＬ字アングル２７１を介して筐体２６５の天板２６５ａの下に固定されている。このような構成とすることで、より簡単且つ確実に、セルスタック２１０を筐体２６５に固定することができる。
【００９８】
図７の例では、第１端２１０ａ及び第２端２１０ｂにそれぞれ取り付けたＬ字アングル２７０及び２７１の長さ（側壁部の立設方向の長さ）を異ならせている。これにより、より簡単且つ確実に、セルスタック２１０を水平面Ｈから積層方向Ｘに傾斜させることができる。
【００９９】
なお、セルスタック２１０の筐体２６５への固定には、Ｌ字アングル以外にも平アングルや吊りボルト等の種々の固定具（ブラケット）を用いることができる。  
【０１００】
上述した実施形態例は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更・改良され得ると共に、本発明には、その等価物が含まれることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１０１】
１  燃料電池システム、１０  セルスタック、５０  セル、５０ａ  発電領域、５０ｂ  排出用マニホールド、５０ｃ  供給用マニホールド、７５  燃料タンク、１００  燃料電池システム、１１０  セルスタック、１２０  切替機構、１６５  筐体、１７０  Ｌ字アングル、１８０  区切板、２００  燃料電池システム、２１０  セルスタック
【図１】
2017199551.tif 000003
【図２】
2017199551.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】
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【図８】
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