CN101405910B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，用于使MEA的发电环境均匀。本发明的一种燃料电池系统包括：燃料电池堆栈，在同一平面上配置有多个燃料电池单元；框体，隔着空气流空间覆盖上述燃料电池堆栈的一面；空气流产生部，在上述空气流空间内形成空气流；以及送风路径，被设置成使从上述空气流空间排出的排气经由上述空气流产生部再次导入上述空气流空间。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，尤其是涉及在同一平面上配置有多个燃料电池单元的平面堆栈型的燃料电池系统。
背景技术
固体高分子型燃料电池具有利用阳极和阴极挟持固体高分子电解质膜的结构的电极-电解质膜接合体(Membrane and ElectrodeAssembly，下面称为MEA)。直接向阳极供应液体燃料的类型的燃料电池称为直接型燃料电池。其发电机理为，所供应的液体燃料在阳极承载的催化剂上分解而生成质子、电子及中间生成物，所生成的阳离子透过固体高分子电解质膜向阴极侧移动，所生成的电子经由外部负荷向阴极侧移动，并且质子和电子在阴极与空气中的氧气反应产生反应生成物，从而进行发电。例如在将甲醇水溶液作为液体燃料直接使用的直接甲醇型燃料电池(下面称为DMFC)中，在阳极产生利用下式1表示的反应，在阴极产生利用下式2表示的反应。
化学式1：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
化学式2：6H++6e-+3/2O2→3H2O
使用液体燃料的固体高分子电解质型燃料电池容易实现小型、轻量化，因此如今正积极地进行着用于移动设备为主的各种电子设备的电源的研究开发。例如为了用作PC这种电子设备的电源，由于利用单一的MEA时输出小，无法得到需要的电压，因此连接多个燃料电池单元(下面，将燃料电池系统发电时的最小单位叫做燃料电池单元，将该燃料电池单元的集合体叫做燃料电池堆栈)。作为由上述多个燃料电池单元构成的燃料电池系统，公知有燃料电池的单位单元在单元的 厚度方向上层叠的双极型、和燃料电池的单位单元平面排列的平面堆栈型。
如笔记本型的PC，在考虑到携带的设备中，由于存在对厚度的限制，因此倾向较薄的平面堆栈型。在平面堆栈型中，通过将多个燃料电池单元配置成平面，利用集电体等连接相邻的燃料电池单元，可以得到高的电压及输出。在使用平面堆栈型的情况下，优选燃料电池系统整体容纳在移动设备中的程度的小型。
然而，在燃料电池系统中，需要始终向阴极持续供应氧气。在平面堆栈型的燃料电池系统中，作为供应氧气的方法，公知有(A)将燃料电池堆栈搭载于框体内部，在框体和燃料电池堆栈间的空间使用小型风扇强制供应空气；(B)向大气开放阴极面而自然吸气等方法。但是，由于(B)向大气开放阴极面的自然吸气型结构在阴极面被覆盖时不能发电，因此难以将燃料电池自身容纳在移动设备内部。另外，即使另外设置仅以容纳燃料电池为目的的框体，也必须考虑不堵塞在其框体上设置的通气孔。与此相反，在(A)将燃料电池本身容纳在框体等中，且利用小型风扇等强制送入空气的方法中，只要不堵塞吸气部分及排气部分，则能够稳定地发电。因此，作为移动设备的电源时优点很多。
为了在移动设备中内置燃料电池，要求燃料电池系统为尽可能小。因此，需要燃料电池堆栈为小型/薄型，进而优选燃料电池单元的阴极电极和与其相对的框体内侧的距离尽可能靠近。但是，在耗电大的燃料电池系统中，在空气流流过燃料电池堆栈和框体间的空间的过程中，空气在多个燃料电池单元上经过。因此，在靠近吸气部分一侧的燃料电池单元，由于始终暴露在新鲜的空气中，因此空气湿度比较低且温度低，与此相对在靠近排气部分一侧的燃料电池单元，由于从多个阴极产生的热及水分被送过来，因此具有温度及湿度提高的倾向。
在这种状况下，虽然处于相同的燃料电池堆栈，但其发电环境变为低温/低湿度的燃料电池单元和高温/高湿度的燃料电池单元相邻共存。若温度、湿度不均匀，则容易产生由局部的凝结引起的溢流。因而，需要在多个燃料电池单元中使温度、湿度均匀而使发电环境均匀的技术。
为了防止溢流，可考虑增强向燃料电池堆栈和框体间的空间送入的气体(氧化剂气体)的流量。但是，从阳极侧经由MEA包围阴极侧的燃料成分、阴极生成水和空气流一起向外部放出，结果燃料白白地耗费，每燃料单位量的发电时间减少。因而，希望提供不降低发电效率而使发电环境均匀的技术。
和上述相关连，日本专利特开2000-164229号公报记载了如下结构：具备温湿度交换装置，反应气体的至少一方在以使与多孔质体接触的方式设置的至少一层网眼状的气体供应路径内流通，上述温湿度交换装置为了防止燃料电池单元干燥，使经过了电池反应部的已反应气体和经过电池反应部之前的未反应气体经由保水性的多孔质体而接触，由此进行温度及湿度交换。
另外，在日本专利特开2004-14149号公报记载有空气中的氧气穿过在罩板上设置的空气孔与正极接触的结构。
另外，在日本专利特开2000-331703号公报公开了用于顺利地进行燃料电池中水的回收利用的技术。即，在专利文献3中记载了通过凝聚装置将由燃料电池的氧化反应而产生的水蒸气液化成为凝结水，并设置对该凝结水进行脱氯处理的装置，在从燃料电池的排气侧到脱氯装置之间的排气/回收线上设置气液接触装置，该气液接触装置使向燃料电池的空气极供应的空气在向燃料电池供应前与水蒸气或/及凝结水接触。
另外，在日本专利特开2000-331699号公报中公开了提供小型/轻量且发电效率高的固体高分子型燃料电池系统的技术。即，在专利文献4中记载有如下燃料电池系统，其在向阴极供应氧化剂气体的路径上，具有水凝结器，导入氧化剂气体和从阴极排出的阴极排气，并且使之进行热交换，由此使阴极排气中含有的水分凝结，并且具有连续设置的气体透过性的吸水部件，连结上述水凝结器中上述氧化剂气体的排出口和上述阴极排气的排出口。
另外，在日本专利特开2005-108713号公报中公开有用于提供能够贯穿长时间而稳定发电的燃料电池的技术。即，在专利文献5中记载有，为了高效回收从起电部排出的水并再次利用到发电反应，将阴极流路分支为多个分支流路，并由阴极冷却器对上述分支流路进行冷却。
另外，在日本专利特开2003-282131号公报中记载有用于提供如下DMFC单元包的技术：能够向单元包内部顺利供应氧气，且能够有效地抑制来自外部的异物流入。即，在专利文献6中记载有，在与MEA的阴极接触的上部侧板状部件及/或下部侧板状部件的各自内表面形成有空气通道，由此即使在任一方产生由使用者或使用环境引起的空气供应阻断，也可以从其它部分经由空气通道供应空气。
另外，在日本专利特开2004-241367号公报记载有用于对在阴极产生的生成水进行再利用的技术。即，在专利文献7中记载有如下燃料电池：具有MEA和分离器，在分离器的与MEA相对的面形成有反应气体流路，在分离器的至少一部分形成多孔质部，在该多孔质部的反应气体流路背面形成有冷却用气体流路。
但是，在上述任一文献均没有解决移动设备需要的要求即在实现省空间化、低耗电的基础上，对阴极排气所含的水分进行再利用。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，能够使MEA的发电环境均匀。
本发明的另一目的在于提供一种燃料电池系统，在实现移动设备要求的省空间化、低耗电化的基础上，能够使MEA的发电环境均匀。
本发明的其他目的在于提供一种燃料电池系统，在实现移动设备要求的省空间化、低耗电化的基础上，能够对阴极排气所含的水分进行再利用。
本发明的一种燃料电池系统包括：燃料电池系统，在同一平面上配置有多个燃料电池单元；框体，在和燃料电池堆栈之间隔着空气流空间覆盖燃料电池堆栈；空气流产生部，在空气流空间内形成用于分别向多个燃料电池单元供应氧化剂气体的空气流；以及送风路径，使从空气流空间排出的排气经由空气流产生部再次导入空气流空间。
根据上述的结构，从空气流空间排出的排气因为含有燃料电池堆栈的阴极生成水分，因此达到高湿度。另外，由于发电反应的发热，该排气被加热。通过将该排气经由空气流产生部再次供应到空气流空间，可以对在容易干燥且容易冷却而降温的位置配置的燃料电池单元进行加湿，并维持温度。
另外，在本发明中，空气流空间通过用于向空气流空间取入氧化剂气体的堆栈吸气开放部、和用于排出来自空气流空间的上述排气的堆栈排气开放部而开放。送风路径被设置成将来自堆栈排气开放部的排气经由空气流产生部从堆栈吸气开放部的至少一部分再次导入空气流空间。空气流空间在堆栈吸气开放部的一部分与送风路径连通，在堆栈吸气开放部的另一部分与外部连通。来自堆栈排气开放部的排气和外部的空气从堆栈吸气开放部被供应到空气流空间。
另外，优选空气流产生部具有风扇。另外，优选风扇在燃料电池堆栈的平面方向上与燃料电池堆栈平行配置。通过这样配置风扇，可节省厚度方向的空间。
另外，在本发明的其它方式中，优选多个燃料电池单元配置成多个列，空气流空间在上述多个列之间由隔壁分割，该隔壁用于对空气流进行整流。在此，送风路径被设置成，使从上述多个列中的一列排出的排气经由空气流产生部被供应到上述多个列中其它列。
进而，在上述的燃料电池系统中，优选空气流产生部具有风扇，空气流产生部、燃料电池堆栈、及送风路径配置在同一平面上，空气流产生部、燃料电池堆栈、及送风路径被容纳在一个框体。在此，上述一列燃料电池单元上的空气流空间经由送风路径与空气流产生部连通。另外，空气流产生部经由送风路径与其它列的燃料电池单元上的空气流空间连通。
根据本发明，可以提供能够使MEA的发电环境均匀的燃料电池系统。
根据本发明，还可以提供如下燃料电池系统：在实现移动设备要求的省空间化、低耗电化的基础上，能够使MEA的发电环境均匀。
根据本发明，还可以提供如下燃料电池系统：在实现移动设备要求的省空间化、低耗电化的基础上，能够对阴极排气所含的水分进行再次利用。
附图说明
图1是第一实施方式的燃料电池堆栈的俯视图。
图2A是表示风扇的结构的俯视图。
图2B是表示风扇的结构的侧视图。
图2C是表示风扇的结构的透视图。
图2D是表示风扇的结构的透视图。
图3A是表示空气流产生部的结构的俯视图。
图3B是表示空气流产生部的结构的侧面图。
图3C是表示空气流产生部的结构的透视图。
图3D是表示空气流产生部的结构的透视图。
图4是表示通气管的结构的图。
图5是表示通气管的配置的透视图。
图6是表示通气管的配置的透视图。
图7是表示通气管的配置的透视图。
图8是表示燃料电池单元的结构的剖视图。
图9是第二实施方式的燃料电池系统的俯视图。
图10是比较例1的燃料电池系统的俯视图。
图11是表示实验结果的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的燃料电池系统进行说明。
(第一实施方式)
(结构)
图1是表示本实施方式的燃料电池系统1的结构的简图。在图1中描绘有燃料电池堆栈15的俯视图、和沿该俯视图的DD′的剖视图及沿CC′的剖视图。另外，在俯视图中，由于内部的结构被框体、通气管覆盖，所以实际上无法看到，但为了说明的方便，表示成透视。
燃料电池系统1包括：燃料电池堆栈15，多个燃料电池单元11水平地配置在底座10上；框体14，容纳燃料电池堆栈15；空气流产生部100，用于形成空气流；以及通气管80。在燃料电池堆栈15和框体14之间设置有空间(空气流空间27)。空气流空间27在一端25与空 气流产生部100连通，在另一端24和通气管80内部的空间连通。另外，通气管80内部和空气流产生部100连通。由此，形成有从空气流空间27的一端25经由空气流产生部100及通气管80内部连接到空气流空间27的另一端24的送风路径90(DD′剖视图的箭头)。另外，虽然没有图示，但是在燃料电池系统1还设置有用于积蓄燃料的燃料母槽、用于使燃料流动的泵、用于取出电能的配线。后文对上述各结构进行详细说明。
(整体结构)
燃料电池堆栈15为在底座10上配置有多个燃料电池单元11的结构。在本实施方式中，6个燃料电池单元11以2列×3行排列。在后文对燃料电池单元11的结构进行说明，所有的燃料电池单元11将阴极面向上(底座10的相反侧方向)配置。另外，燃料电池单元11在列方向上串联连接。图1DD′剖视图中的标号40为集电体40，用于电连接燃料电池单元列之间。所有的燃料电池单元11串联地电连接。在燃料电池堆栈15上连接有取出用端子152、151，电力经由取出用端子151、152取出到外部。
框体14包括框体主体140和盖70。框体主体140剖面为コ字状，具有放置燃料电池堆栈15的底面和从其底面立起的2个侧面。底面为与2列×3行的燃料电池堆栈15的形状对应的矩形。侧面仅设置在底面的相对的两边，在其它两边不设置侧面。
盖70由框体主体140的侧面支撑地配置在框体主体140上，盖70和燃料电池堆栈15不接触而设置有空间。该空间为空气流空间27。空气流空间27与在燃料电池堆栈15的各燃料电池单元11上设置的阴极接触。由此，流过空气流空间27的空气作为氧化剂气体向阴极供应。另外，空气流空间27在框体主体140的未设置侧面的两面开放。该两面的开放部分别成为用于向空气流空间27供应氧化剂气体的堆栈吸气开放部24、用于从空气流空间27排出排气的堆栈排气开放部25。
另外，盖70和框体主体140也可以形成为一体。另外，也可以是自由拆装的分离型。作为盖70的材质，优选以不锈钢、铝等金属作为母体，并利用绝缘性乙烯树脂等覆盖其表面，以容易释放在燃料电池堆栈15产生的热。另外，优选盖70和后述风扇罩52上部的表面的高度尽可能相同且平滑。
对空气流产生部100的结构进行详细说明。空气流产生部100包括风扇51和覆盖风扇51的风扇罩52。
图2A～图2D是表示风扇51的结构的图。图2A为风扇51的俯视图，图2B为侧视图，图2C为从排气侧的斜方向观察时的图，图2D为从吸气侧的斜方向观察时的图。
如图2A～图2D所示，风扇51包括风扇主体57(仅在图2B中描绘)及风扇支撑体58，该风扇支撑体58被设置成覆盖风扇主体57，且支持风扇主体57。风扇主体57为叶片状，通过旋转产生气流。风扇支持体58包括：风扇吸气口55，设置在风扇主体57旋转时成为气流吸入侧的表面；和风扇排气口56，在风扇主体57的气流吐出侧朝与风扇吸气口55垂直的方向设置。根据上述结构，风扇51从上侧(风扇吸气口55侧)吸入气流，并从旁侧(风扇排气口56)吐出。
图3A～图3D是表示风扇51被风扇罩52覆盖的状态的图。即，是表示空气流产生部100的结构的图。图3A为空气流产生部100的俯视图，图3B为侧视图，图3C为从排气侧的斜方向观察时的透视图，图3D为从吸气侧的斜方向观察时的透视图。在图3A～图3D中实际上风扇51被风扇罩52覆盖而无法看到，但为了说明描绘成透视。
如图3B所示，风扇罩52被配置成打开若干空间覆盖风扇51的上表面。在风扇罩52的侧部风扇罩吸气口53和风扇罩排气口54设置在 彼此相对的表面。风扇罩吸气口53与风扇51上侧的空间连接。另一方面，风扇罩排气口54设置在与风扇排气口56对应的侧面。
根据上述结构，空气流产生部100从风扇罩吸气口53吸入气流，并从风扇罩排气口54排出。即，风扇主体57本身从上方吸气并向下方排气，但是作为空气流产生部100整体，根据在风扇支持体58及风扇罩52上设置的开口的位置，从横向吸气并从吸气侧的相反方向排气。
再参照图1对空气流产生部100的配置进行说明。空气流产生部100与燃料电池堆栈15在同一平面上且平放配置。在此，风扇罩吸气口53被配置成面对堆栈排气开放部25。另外，堆栈排气开放部25和风扇罩吸气口53之间的空间由连接部件封闭。根据上述结构，从堆栈排气开放部25排出的排气从风扇罩吸气口53被吸入到风扇罩52内部。穿过风扇51的排气经由风扇罩排气口54从燃料电池堆栈15的相反侧的侧部向空气流产生部100的外部吐出。
另外，作为空气流产生部100也可以使用西洛克风扇、轴流风扇、横流风扇、以及涡轮风扇等。但是，考虑到搭载于移动设备的情况，优选使用薄型径流式风扇等耗电小的风扇。
接着，对通气管80进行说明。图4是表示通气管80的形状的透视图。通气管80包括通气管主体83和导向部81。通气管主体83包括矩形部件和在其相对的两边设置的通气管侧壁82。导向部81分别与矩形部件的另外两边连接，向下方形成圆弧而弯曲延伸。另外，在导向部81上与通气管侧壁82的位置对应的部分设置有侧壁。
再参照图1。具有上述结构的通气管80将通气管主体83配置在盖70及风扇罩52的上表面。通气管80的长度方向的长度与将盖70和风扇罩52合并后的长度一致。在通气管80和盖70之间形成有通气管侧壁81的厚度的空间。通气管80和盖70之间的空间通过在风扇罩52 侧设置的导向部81与风扇罩排气54连接。另外，通过在堆栈吸气开放部24侧设置的导向部81与堆栈吸气开放部24的一部分连接。
图5是用于从风扇罩52侧观察并说明通气管80的配置的透视图。图中箭头表示排气的流动方向。为了方便说明，将风扇罩52的结构的一部分表示成透视。导向部81被配置在风扇罩52的侧部，从而风扇罩52的内部经由导向部81与通气管主体83内部的空间(由通气管83和盖70形成的空间)连通。即，从风扇罩排气口54排出的排气经由导向部81内向导向部主体83侧折回。
图6是从堆栈吸气开口部24侧观察并说明通气管80的配置的透视图。与图5同样，箭头表示排气流动的方向。另外，为了方便说明，将燃料电池堆栈15的结构的一部分表示成透视。流过通气管80内而来的排气由导向部81折回，从而再次从堆栈吸气开放部24向空气流空间27内导入。另外，导向部81未被设置成完全覆盖堆栈吸气开放部24，而是与堆栈吸气开放部24的一部分连接。由此，从堆栈吸气开放部24取入流过通气管80内而来的排气和来自外部的空气。
如图1的DD′剖视图所示，根据上述结构，若空气流产生部100产生气流，则空气流空间27内的空气经由空气流产生部100排出到通气管80，进而从堆栈吸气开放部24再次导入到空气流空间27。由此形成再次向燃料电池堆栈15供应从燃料电池堆栈15排出的排气的送风路径90。
经由送风路径90再次向空气流空间27供应的排气由于含有在各燃料电池单元11的阴极产生的生成水，因此变为高湿度。另外，由于穿过发热的燃料电池堆栈15上方而来，因此被加热。因为该排气从堆栈吸气开放部24再次供应，因此能够对容易干燥且容易冷却成低温的堆栈吸气开放部24附近(上游侧)的燃料电池单元11进行加湿、加热。由此，从温度及湿度的观点看，可以使上游侧的燃料电池单元11 和下游侧的燃料电池单元11的发电环境均匀。
另外，通气管主体83也可以为筒状且排气在内部穿过，但是由于上述在盖70上放置通气管主体83，盖70成为送风路径90的底面的结构能够使通气管80内部的温度接近空气流空间27，因此优选该结构。另外，从减小厚度方面考虑也优选该结构。
作为通气管主体83的材质，可以使用例如塑胶制及金属制的板等，但并不限定于此。但是，因为要通过高湿度的排气，所以在使用凝结时容易腐蚀的金属制的通气管主体的情况下，优选利用乙烯树脂等涂敷表面。
关于通气管侧壁82，也可以是与通气管主体83相同的材质，但也可以是如下简单结构：例如将厚度0.1～1.0mm左右的聚氨酯原材料等具有气密性的材料切断成宽度为0.5～3.0mm左右的带状，并粘贴在成为通气管主体83的平板上。在使用聚氨酯原材料的情况下，通过使用具有吸水性的原材料，可吸收在通气管80内部凝结的水，从而可以防止排气的流动停滞。另外，即使通气管侧壁82本身没有气密性，但若利用具有气密性的带状物等从外部堵塞，则可以得到作为通气管80的效果。进而，也可以在局部设置没有通气管侧壁82的部分，从而设置向送风路径90内取入外气的位置。由此，可以避免排气的湿度增大到所需湿度以上而防止凝结。这样，作为通气管侧壁82，可以根据需要利用其材质所具有的功能。
关于导向部81，适用即使揉成团也难以折弯且比较柔软的氯乙烯树脂等塑胶原材料。但是，并不限定于氯乙烯树脂等塑胶原材料。另外，如图4所示，其形状以将板状的材料弄圆成圆弧状，且利用带状物等堵塞侧方的结构为基本结构，但其形状也并不限定于上述的形状。只要是经过燃料电池堆栈15的阴极31表面而来的空气(从空气流空间27排出的排气)导入到通气管80，进而从堆栈吸气开放部24的一 部分再次向空气流空间再供应的形状/结构即可。
另外，不需要将从空气流空间27排出的所有排气经由通气管供应到燃料电池堆栈15。也可以在导向部81和风扇罩排气口54之间、导向部81和堆栈吸气开放部24之间具有间隙，穿过送风路径90的排气的一部分根据需要向外排出。特别是在从通气管80向堆栈吸气开放部24送风时，不需要将穿过通气管80的排气全部导入到堆栈吸气开放部24，也可以是始终从导向部81的间隙等放掉一部分排气的结构。
另外，若堆栈吸气开放部24完全被导向部81覆盖，则无法从外部供应新鲜的空气。因此，导向部81被设置成仅覆盖堆栈吸气开放部24的一部分。相对于堆栈吸气开放部24的全开放面积，连接有导向部81的部分的面积的比例并无特别限定，但5～80％左右较适当。另外，在跨越多个燃料电池单元11的列再次供应阴极排气时，在具有温度因燃料供应路径等的影响而容易上升的阴极31的燃料电池单元11所处的列，较小地分配导向部81，在温度难以提高，空气流空间的湿度容易降低的列，较大地分配导向部81等，从而还可以使发电环境最佳化。
通气管主体83部分的剖面形状优选限制了厚度的形状中最能发挥效果的形状，例如长方形，但在根据移动设备的内部结构而产生限制的情况下，也可以使用多个小圆筒状的结构等，而不作特别限定。另外，也可以考虑到通气管80内部空间中排气的流速、湿度，使剖面面积逐渐增大或逐渐减小。另外，在考虑到通气管80内部的凝结时，也可以在通气管80内部添加塑胶制等网孔，得到凝结的水沿网孔扩展的效果，以防止凝结的水妨碍阴极排气在通气管80内部流动。网孔即使贴在导向部81的内侧也有效果，也可以使凝结水穿过导向部81返回燃料系统。关于网孔，可以使用塑胶制或金属制的网孔。特别是，对网孔径没有规定，但优选40～200目左右。进而，通过使用具有吸水性的原材料，还可以抑制由通气管80内的凝结引起的气流。
虽然通过在同一平面上配置空气流产生部100和燃料电池堆栈15，可以节省厚度方向的空间，但在厚度方向的空间具有富余的情况下，不一定必须配置在同一平面上。图7表示使空气流产生部100的配置变形的例子。在图7所示的变形例中，空气流产生部100(风扇罩52)配置在盖70之上。如上所述，也可以在燃料电池堆栈15的上侧配置空气流产生部100。另外，也可以在通气管80内部埋设空气流产生部100。进而，在利用正压送风的系统中，也可以在堆栈吸气开放部25侧配置空气流产生部100，而不配置在堆栈排气开放部25侧。
另外，在本实施方式中，对由于空气流产生部100相对于空气流空间27成负压而吸引空气流空间27内的气体的情况进行了说明，但也可以是空气流产生部100侧为正压而向空气流空间27内送出气体的结构。即，也可以上下相反配置风扇51，从而使送风方向相反。本领域技术人员会明白即使成为上述结构，来自空气流空间27的排气的至少一部分也可以再次返回到空气流空间27内，从而享受加热/加湿效果。
(燃料电池单元)
接下来，对各燃料电池单元11的结构进行详细说明。图8是放大表示图1的CC′剖面的图。即在图8中详细地描绘有燃料电池单元11的结构。各燃料电池单元11包括MEA13、阴极集电体41、阳极集电体42、燃料槽部12、以及多个密封部件43。
如上所述，燃料槽部12为设置在底座10上的凹部。在燃料槽部12储存向MEA13供应的液体燃料(甲醇水溶液)。另外，在燃料槽部12插入有灯芯(Wicking)材料60。灯芯材料60以辅助燃料供应为目的插入。作为灯芯材料60的原材料例如有发泡聚氨酯等。另外，若燃料稳定地供应到MEA，则未必需要灯芯材料60。
MEA13被配置成覆盖燃料槽部12的上部开口。MEA13为大致正 方形的形状。MEA13包括固体高分子电解质膜33、阳极32、及阴极31。在固体高分子电解质膜33的一面配置有阳极32，在另一面配置有阴极31，由阳极32和阴极31挟持固体高分子电解质膜33。
MEA13将阳极32侧向下(燃料槽部12侧)配置。在MEA13的阳极32侧的周缘部配置有阳极集电体42，在阴极31侧的周缘部配置有阴极集电体41。阳极集电体42及阴极集电体31为框架状。阳极集电体42及阴极集电体41夹着MEA13的端部。即阳极32在位于阳极集电体42内侧的中央部与燃料槽部12接触。另外，阴极31在位于阴极集电体41内侧的中央部与上部空间接触。在此，阴极31上部的空间是空气流空间27。
密封部件43适当配置成填满各构成部件的间隙。由于密封部件43，液体燃料不会从燃料电池单元11泄漏。
根据上述结构，在燃料槽部12中储存的液体燃料被供应到阳极32。另一方面，空气从空气流空间27向阴极31供应。由此产生发电反应，并由阳极集电体42及阴极集电体41取出产生的电力。
另外，可以通过在固体高分子电解质膜33的两个面，将涂敷有碳母体催化剂层的碳或金属制导电性片状电极配置成涂敷有催化剂的面朝向固体高分子电解质膜33，从而得到MEA13。另外，可以通过利用两个集电体从两个面夹入MEA13，且将供应液体燃料的阳极32侧朝向燃料槽部12侧固定在底座10上，从而得到燃料电池单元11。
关于固体高分子电解质膜33，若能够传导质子，则其材质没有限定。另外，关于阴极31及阳极32的催化剂层，可以使用承载以白金微粒为主要成分的催化剂金属的催化剂层。特别是关于阳极32侧，为了防止一氧化碳中毒，优选共同承载钌等其他金属成分和白金。另外，在底座10上搭载MEA13时，可以通过螺钉、粘接来固定包含集电体 的MEA13。但是关于该固定方法不作限定。
另外，关于向阳极32供应燃料，对直接供应液体燃料的直液法(Direct liquid method)进行了说明，但也可以利用经由PTFE(聚四氟乙烯)等的气化供应等方法。关于向阳极32侧供应燃料的方法，并不限定于在此说明的方法。
通过排列多个如上所述的燃料电池单元11，且将集电体之间电连接，从而形成燃料电池堆栈15。
如上所述，若使用本实施方式的燃料电池系统1，则通过将来自空气流空间27的排气经由气流产生部100再次送入空气流空间27，可以对比较容易干燥且容易冷却的位置的燃料电池单元进行加热、加湿。即，燃料电池单元11间的发电环境在温度、湿度方面被均匀化。
其结果，可以抑制阴极生成水及燃料穿过MEA而挥发，因此投入的单位燃料的发电效率增大。另外，还可以通过加热提高燃料电池堆栈15的温度而输出。另外，还可以通过通气管80回收燃料成分。
此时，因为在排气的循环路径中途配置有气流产生部100，因此需要少量的气流产生部100产生气流所需要的能量即可。因而，能够以低耗电进行排气的再利用。
另外，在将气流产生部100配置在燃料电池堆栈15的平面方向的情况下，还可以达到对厚度方向的省空间化，因此有利于用作移动设备用的电源。
(第二实施方式)
接着，对本发明的第二实施方式的燃料电池系统1进行说明。图9是表示本实施方式的燃料电池系统1的结构的图。与第一实施方式相 比不同点在于，未设置通气管80，而在空气流空间27内设置有隔壁26。另外，燃料电池单元11的结构等和第一实施方式相同，省略其说明。
隔壁26被设置为分割配置成2列×3行的燃料电池单元11的列间。空气流空间27由隔壁26分割为第一空气流空间27A和第二空气流空间27B。
隔壁26为可以对气流的流动进行整流的材料。即，在第一空气流空间27A和第二空气流空间27B，空气流被隔壁26分开。由此，第一空气流空间27A和第二空气流空间27B分别具有独立的堆栈吸气开放部24A、B，和堆栈排气开放部25A、B。即一个开放部由档板26分割为堆栈吸气开放部24A和堆栈排气开放部25B，另一开放部被分割为堆栈排气开放部25A和堆栈吸气开放部24B。
作为隔壁26，能够在一定程度上分开空气流即可，不需要完全分开。作为这样的原材料，可以举出发泡聚氨酯原材料等。在隔壁26具有通气性的情况下，可以经由隔壁26在燃料电池单元26的列间进行热交换，所以燃料电池堆栈15的温度分布被均匀化。
气流产生部100被配置成在堆栈排气开放部25A与燃料电池堆栈15相邻。气流产生部100和燃料电池堆栈15设置在同一平面上。气流产生部100与第一实施方式的气流产生部100相比，对设置风扇罩排气口54和风扇排气口56(在图9中未图示)的方向进行了变更。在本实施方式中，风扇罩排气口54及风扇排气口56被设置成朝向与风扇罩吸气口53的方向正交的方向。即流过第一空气流空间27A而来的排气在空气流产生部100中流动的方向在平面方向变化90°。
风扇罩排气口54和堆栈吸气开放部24B之间通过设置连接部件而成为封闭的空间。气流产生部100经由该封闭的空间在排气侧与堆栈 吸气开放部24B连通。
另外，空气流空间及封闭空间的上部(厚度方向侧)由盖70覆盖。
在该图9中，箭头表示气流流动的方向(送风路径90)。若气流产生部100驱动，则从堆栈吸气开放部24A向第一空气流空间27A内供应空气。来自第一空气流空间27A的排气经由气流产生部100及堆栈吸气开放部24B向第二空气流空间27B供应。流过第二空气流空间27B的气体经由堆栈排气开放部25B向外部排出。
根据本实施方式，在第二空气流空间27B的堆栈吸气开放部24B附近的燃料电池单元11，供应在第一空气流空间27A被加湿、加热的排气，所以可以防止干燥、冷却。
另外，因在厚度方向上没有通气管80，所以与第一实施方式相比，可以进一步节省厚度方向的空间。因而，更有利于用作要求省空间化的移动设备用的电源。
另外，在本实施方式中，气流产生部100和堆栈吸气开放部24B之间的空间为封闭的情况进行了说明，但也可以根据需要，为了取入新鲜的空气(含大量氧气的空气)，打开一部分而从外部流入空气。若来自第一空气流空间27A的排气的至少一部分被供应到第二空气流空间27B，则可以在第二空气流空间27B的上游侧得到加热、加湿效果。
(实施例的说明)
以下，为了举出具体例对本发明进行说明，以由本发明人进行的实验结果为实施例，和比较例进行比较来说明。
(实施例1)
实施例1使用的燃料电池系统为图1所示结构的燃料电池系统。下面对燃料电池单元的结构进行说明。首先，准备承载催化剂碳微粒，该承载催化剂碳微粒在碳粒子(Lion公司制Ketjen Black EC600JD)上承载有重量比为50％的粒径在3～5nm范围内的白金微粒。在1g该承载催化剂碳微粒中加入DUPONT公司制的5重量％Nafion溶液(商品名：DE521，“Nafion”为DUPONT公司的注册商标)并搅拌，得到阴极形成用的催化剂浆糊。以1～8mg/cm2的涂敷量将该催化剂浆糊涂敷在作为基材的碳纸(Carbon paper)(Toray公司制的TGP-H-120)上并干燥，从而制作4cm×4cm的阴极31。另一方面，除了取代白金微粒，使用粒径在3～5nm范围内的白金(Pt)-钌(Ru)合金微粒(Ru的比例为50at％)以外，通过与得到上述阴极形成用催化剂浆糊相同的条件，得到阳极形成用催化剂浆糊。除使用该催化剂浆糊以外，在和上述阴极的制作条件相同的条件下制作阳极32。
接着，准备由DUPONT公司制的Nafion117(数平均分子量为250000)构成的8cm×8cm×厚度180μm的膜作为固体高分子电解质膜33。以碳纸成为外侧的方向，将上述阴极31配置在该膜的厚度方向的一个面。以碳纸成为外侧的方向，将上述阳极32配置在另一面。而且，从各碳纸外侧进行热压。由此得到阴极31及阳极32与固体高分子电解质膜33接合的MEA(电极-电解质膜接合体)13。
接着，在阴极31和阳极32上配置通过由不锈钢(SUS316)组成的外部尺寸为6×6cm2、厚度1mm、宽度11mm的矩形框状的框板构成的集电体41、42。另外，在固体高分子电解质膜33和阳极集电体42之间，配置由硅橡胶制的外部尺寸为6×6cm2、厚度0.3mm、宽度10mm的矩形框状的框板构成的密封部件43。另外，在固体高分子电解质膜33和阴极集电体41之间等，配置由硅橡胶制的外部尺寸6×6cm2、厚度0.3mm、宽度10mm的矩形框状的框板构成的密封部件43作为另一密封部件。切断向集电体41、42外露出的固体高分子电解质膜33。
作为构成燃料电池系统1的底座10，准备外部尺寸为19.5cm×14.5cm×厚度1cm的丙烯制的底座。在底座10内部，形成六个凹部作为燃料电池槽部12，以将燃料电池单元11排列成2列×3行。形成从堆栈燃料入口21供应燃料，使燃料在所有燃料电池单元11通过之后，从堆栈燃料出口22排出的流路结构。各燃料槽部12是内部尺寸为4×4cm、深度5mm的容器，在燃料槽部12内部插入由聚氨酯原材料构成的灯芯材料60作为燃料保持材料。
在上述燃料槽部12配置MEA13、阴极集电体41、阳极集电体42、及密封部件43，由预定数量的螺钉固定为一体，得到实施例1的燃料电池单元11及燃料电池单元12的集电体即燃料电池堆栈15。
在电连接方面，经由集电体将相邻的燃料电池单元11串联连接。在图1中从位于左下的燃料电池单元引出负极端子152，从位于右下的燃料电池单元引出正极端子151。
将如上所述形成的燃料电池堆栈15载置在底面为厚度1mm×深度20cm×宽度15cm的铝制框体14。铝制框体14表面粘贴聚丙烯制的粘接片进行绝缘。如图1所示，短边方向的两侧弯曲成为隔板，燃料电池堆栈的上面利用盖70覆盖。
通过利用框体14及盖70覆盖燃料电池堆栈15，在燃料电池堆栈的上下形成开放部分。在该开放部分，阴极31和盖70的距离为1.2mm左右。从如上所述形成的开放部分即从空气流空间27一侧导入空气，并从另一侧排出，从而能够在燃料电池单元11的阴极31表面上形成空气流。另外，通过使用小型风扇51且利用具有风扇吸气口55和风扇排气口56这两个开放部的风扇罩52覆盖，可以对空气流进行整流。
在风扇罩52和盖70的上表面部分的接缝处没有台阶。另外，为 了该接缝处气密，粘贴塑胶带。而且，如图1剖视图所示，将通气管80设置在风扇罩52及盖70之上。作为通气管侧壁82，以宽度1mm切断厚度0.5mm的聚氨酯材料并使其具有气密性。两个导向部81分别与风扇罩排气口54及堆栈吸气开放部24连接。如图1(DD′剖视图)所示，导向部81弄圆成圆弧状，并利用带状物堵塞其侧面。
如上所述，从没有分配导向部81的堆栈吸气开放部24吸入新鲜的空气，经过了阴极31的阴极排气经由通气管80被再次供应。
(实施例2)
下面对实施例2中使用的燃料电池单元的结构进行说明。MEA的制作方法及结构和实施例1相同，燃料电池堆栈15的结构也和实施例1相同。在后文中没有涉及的其他条件也相同。
实施例2在通气管侧壁82的一部分设置有开放部分。具体地说，在将通气管80的长度一分为三的位置，在每一侧的两处共4处设置间隙。间隙的宽度为2mm。
(实施例3)
下面对实施例3中使用的燃料电池单元的结构进行说明。MEA的制作方法及结构和实施例1相同，燃料电池堆栈15的结构也和实施例1相同。在后文中没有涉及的其他条件也相同。
如图7所示，实施例3在通气管80的中央部分设置有风扇51。在该结构的情况下，由于流过空气流空间29的空气的速度减慢，因此将发电时的风量设为实施例1及实施例2的1.5倍。
(实施例4)
下面对实施例4中使用的燃料电池单元的结构进行说明。MEA的制作方法及结构和实施例1相同，燃料电池堆栈15的结构也和实施例 1相同。在后文中没有涉及的其他条件也相同。在本实施例中，如下设计框体14的结构。
如图9所示，实施例4在由两列构成的燃料电池单元11的右侧列后方设置风扇51。在右侧列和左侧列之间设置用于隔开空气流的隔壁26。使风扇51的排气与送风方向垂直，从而向左侧列送风。因此，发电时外气直接送入右侧列，右侧列的阴极排气被送入左侧列。
(比较例1)
下面对比较例1中使用的燃料电池单元的结构进行说明。MEA的制作方法及结构和实施例1相同，燃料电池堆栈15的结构也和实施例1相同。在后文中没有涉及的其他条件也相同。
如图10所示，比较例1为没有通气管80的通常的送风方法。因此，外气始终吸入到堆栈吸气开放部24，阴极排气经由堆栈排气开放部25、风扇51直接向外放出。
(实验结果)
对实施例1～4以及比较例1进行如下发电试验。以10ml/min的流速向各燃料电池堆栈15循环供应10vol％甲醇水溶液1000ml，在25℃、50％的大气环境下，利用与100mA/cm2电流密度相当的电流值进行3小时发电试验。每0.5、1、2、3小时监测当时的电压变化。图11表示各条件下的结果。
在比较例1中，虽然始终稳定地发电，但位于空气流上游的MEA13容易被外气冷却，另外阴极31的湿度低且有干燥的倾向，因此与实施例1～4相比电压较低。另外，由于阴极排气直接向外排出，因此燃料利用率为10.0g/h，与后述的实施例比较时较差。
在实施例1中，因经过了阴极31而升温的高湿度的阴极排气直接 被在此供应，因此位于空气流上游的MEA13的温度充分高且达到适度的湿度，整体上电压升高。关于燃料利用率，由于空气流空间29的湿度充分升高，因此可以抑制阴极生成水蒸发及经过了MEA13的燃料成分挥发，能够没有浪费地消耗所投入的燃料。
关于实施例2，趋势和实施例1相同，但由于在通气管侧壁82具有间隙，因此温度上升被抑制，和实施例1相比电压本身略微降低。但是，由于空气流空间29的水分的绝对量减少，因此框体14内部的凝结被抑制，从2小时一直到3小时不会引起电压降低。另外，和比较例1比较时，燃料利用率较比较例1显示出良好的值(少的值)，但比实施例1略差。比实施例1较差的原因可以认为在于，因为在通气管侧壁82设置有间隙，所以阴极排气容易排出到外气中。
在实施例3中得到几乎和实施例1相同的结果。但是，在从2小时至3小时的期间发现电压稍微降低。可以认为这是由于不是风扇51直接送风的结构，因此引起了一些凝结。关于燃料利用效率，由于使阴极排气循环，因此得到与实施例1大体相同的值。
在实施例4中，虽然发电初期在空气流上游稍微存在干燥的倾向，但随着发电的持续达到适当的湿度条件。因此，在1小时以后可以得到稳定的电压。但是，随着发电的持续，在比风扇51靠下游的部分凝结增多，因此虽然整体上电压提高，但从2小时一直到3小时电压降低。由于不使阴极排气循环，因此燃料利用效率为比实施例1稍差的值，但与比较例1相比则是十分好的值。
如上所述，若使用实施例1～4所示本发明的方法，则阴极31的干燥降低，另外堆栈温度也升高，因此整体输出提高。所以，可以利用更低的电流值得到所需电压，进而由于阴极生成水的挥发及经过了MEA的燃料的挥发也被抑制，因此投入的单位燃料的发电时间增加。其结果，可长时间持续比现有方法稳定的发电。该方法在如平面堆栈 型燃料电池的需要高耗电的燃料电池堆栈中有效，可以实现在PC等需要较高输出的移动设备上搭载燃料电池。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池堆栈，在同一平面上配置有多个燃料电池单元；
框体，隔着空气流空间覆盖上述燃料电池堆栈的一个面；
空气流产生部，具有风扇，在上述空气流空间内形成空气流；以及
送风路径，被设置成使从上述空气流空间排出的排气经由上述空气流产生部再次导入上述空气流空间。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
上述空气流空间在堆栈吸气开放部和堆栈排气开放部开放，
上述送风路径被设置成使上述堆栈排气开放部经由上述空气流产生部与上述堆栈吸气开放部的至少一部分连通，
上述空气流空间在上述堆栈吸气开放部的一部分与上述送风路径连通，并在上述堆栈吸气开放部的另一部分与外部连通，
来自上述堆栈排气开放部的排气和外部的空气从上述堆栈吸气开放部向上述空气流空间供应。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
上述风扇在上述燃料电池堆栈的平面方向上与上述燃料电池堆栈平行地配置。
4.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
上述多个燃料电池单元被配置成具有多个列，
上述空气流空间在上述多个列之间由隔壁分割，该隔壁对空气流进行整流，
上述送风路径被设置成，使从上述多个列中的一列排出的排气经由上述空气流产生部被供应到上述多个列内的其它列。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，
上述空气流产生部具有风扇，
上述空气流产生部、上述燃料电池堆栈、及上述送风路径被配置在同一平面上，
上述空气流产生部、上述燃料电池堆栈、及上述送风路径被容纳在一个上述框体，
上述空气流空间在上述一个列与上述空气流产生部的吸气侧连通，在上述其它列与上述空气流产生部的排气侧连通。
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