JP2005243481A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【構成】 燃料電池スタック４の中央部にセンター端子８を設け、左右のサブスタック１２，１３をセンター端子８に関して対称に並列に接続する。サブスタック１２，１３には空気ポンプ１６から空気を供給し、セパレータでの空気供給溝の配置をセンター端子８の左右のセパレータで鏡面対称にする。燃料電池スタック４は燃料タンク１４内に設置し、液体燃料は対流などで自然供給する。
【効果】 燃料電池スタック４をセンター端子８の左右で並列に接続して使用できる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、メタノール、イソプロパノール、ブタノール、ジメチルエーテルなどの液体燃料を、例えば水と混合して燃料極に直接供給するようにした燃料電池スタックに関する。

携帯用や家庭用などの小形電源として、メタノール−水などの液体燃料を用いた燃料電池が検討されている。このような燃料電池では所望の電圧が得られるように、単セルを複数直列に接続して燃料電池スタックとするが、出力電圧が妥当でかつ必要量の電流が得られるように、燃料電池スタックを並列に接続する必要が生じることも多い。スタックとスタックとを外部で並列に接続すると、配線スペースが必要で、かつ配線作業自体も煩瑣である。

この発明の課題は、燃料電池スタックから所望の電圧を取り出すのを容易にすることにある。
請求項２の発明での追加の課題は、１つの空気ポンプで燃料電池スタック全体に空気を供給できるようにすることにある。
請求項３，４の発明での追加の課題は、燃料電池スタックを液体燃料中に浸して燃料ポンプを不要にすると共に、液体燃料の導電性による中央の出力端子の腐蝕を防止することにある。

この発明は、固体電解質膜に燃料極と空気極とを接続したＭＥＡをセパレータを介して複数直列に接続し、セパレータの空気極側に空気供給溝を、燃料極側に燃料供給溝を設けて、燃料極に液体燃料を、空気極に空気を供給するようにした燃料電池スタックにおいて、該スタックの直列方向での中央部に出力端子を設けると共に、該出力端子を境に前記スタックを左サブスタックと右サブスタックとに分割し、かつ該左右のサブスタックでの燃料極と空気極を、前記出力端子に関して対称に配置したことを特徴とする。

好ましくは、前記左サブスタックと右サブスタックで、セパレータの空気供給溝の配置を鏡面対称にする。

また好ましくは、燃料電池スタックを燃料タンク中に設置するように構成すると共に、前記出力端子を正極とする。
特に好ましくは、前記出力端子を炭素もしくは耐蝕性金属で構成する。

この発明では、燃料電池スタックの中央部に出力端子を設け、その左右のサブスタックを並列に用いるので、燃料電池スタックから電圧が１／２で電流容量が２倍の出力を簡単に取り出すことができる。

ここで、中央の出力端子の左右でセパレータの空気供給溝の配置を鏡面対称にすると、即ち、左側のサブスタックのセパレータと右側のサブスタックのセパレータとで、空気供給溝の配置を鏡面対称にすると、左右のサブスタックで空気の供給方向が揃い、１つの空気ポンプでスタック全体に対して空気を供給できる。

燃料電池を燃料タンク中に設置するように構成すると、燃料を自然供給できるので、燃料ポンプが不要になる。この反面で、液体燃料中には副生成物の蟻酸などの導電性物質が含まれるため、燃料電池スタックにより生じる電界により、電蝕が生じる恐れがある。電蝕は正極側で起きやすいので、中央の出力端子を正極とすると、左右両端の端子は電蝕を受けにくく、中央の出力端子に対して集中的に電蝕に対する対策を施せばよいことになる。このため電蝕に対する対策が容易になる。
好ましくは中央の出力端子を炭素、ＳＵＳあるいは高クロム合金などの耐蝕性金属で構成し、十分な耐蝕性を持たせる。

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図１１に、実施例とその変形とを示す。図１〜図７に実施例を示すと、２は燃料電池システムで、４は燃料電池スタックであり、６，７は左右の端子で、ＳＵＳなどの端子板を用い、これらは予め互いに接続しておいても、あるいは使用時に接続するようにしても良い。燃料電池スタック４の中央部にセンター端子８を設け、その材質には炭素やＳＵＳあるいは高クロム合金などの耐蝕性材料を用いる。またこれらの表面を窒化チタンあるいは炭化チタンなどにより表面処理して、耐蝕性をさらに向上させても良い。実施例では図７に示すセンター端子８のように、炭素基質８ｂの周囲に無電界などのＮｉメッキ８ｃを施し、その表面側に金メッキ８ｄを積層したものを用いた。これは、炭素基質８ｂに対してＮｉメッキ８ｃを介して耐蝕性の金の層を設けることにより、導電性と耐蝕性とを向上させたものである。

図１に戻り、端子６〜８にはターミナル９〜１１を設け、好ましくはセンター端子８を正極（空気極側）とし、両端の端子６，７を負極（燃料極側）とし、燃料電池スタック４はセンター端子８の左右で一対のサブスタック１２，１３に分割されている。そして各サブスタック１２，１３内ではＭＥＡやセパレータは直列に接続され、かつ右側のサブスタック１２と左側のサブスタック１３とでは、燃料極や空気極の配置は、センター端子８に関して左右対称である。サブスタック１２，１３で、空気極はセンター端子８を向いた側にあり、燃料極は左右の端子６，７を向いた側にある。

燃料電池スタック４は例えば燃料タンク１４中に設置して、メタノール−水などの液体燃料１５中に沈め、空気ポンプ１６から燃料電池スタック４の空気極に空気を供給し、排空気をラジエター１７で冷却し、気液分離器１８で水を分離し、分離した水を燃料タンク１４内に戻すようにする。また燃料電池スタック４内では、燃料極でＣＯ2が発生するので、発生したＣＯ2を例えば左右一対のＣＯ2出口２０，２０から排出するようにする。ＣＯ2出口２０には、例えば気液分離膜を用い、あるいはコイル状に巻いたチューブなどを用い、液体燃料１５をこぼさずにＣＯ2を排出できるようにする。そして燃料タンク１４内では燃料電池スタック４からの発熱や、燃料極で発生するＣＯ2に伴う上昇力などで、図の下から上へと液体燃料１５を対流させて、燃料極に液体燃料を自然供給する。

２２は燃料カセットで、２３は排液溜、２４は収縮膨張自在な袋などを用いた燃料溜で、これらの間には例えば可動壁２５を設ける。また２６は活性炭やゼオライト、シリカゲルなどのフィルタで、排液溜２３の空気から蟻酸やメタノールなどの有機物を除去する。そして気液分離器１８で水を分離された排空気は、排液溜２３へと送られ、排空気中に含まれる液体は排液溜２３に残り、残った空気からメタノールや蟻酸などを除去したものが排出される。また燃料溜２４からは燃料ポンプ２８を介して高濃度のメタノール−水燃料などが、燃料タンク１４へ補給される。３０は制御部で、燃料電池システム２の状態として、燃料電池スタック４の温度と、液体燃料１５の燃料濃度、並びに液体燃料１５の液面高さなどを図示しないセンサで求めて、ポンプ１６，２８を制御すると共に、ラジエター１７をオン／オフさせる。

例えば液体燃料１５の液面が低下すると、ラジエター１７をオンさせて、気液分離器１８で分離する水の量を増し、分離した水を燃料タンク１４内に回収して液面の低下を防止する。液体燃料１５の液面が高い場合、ラジエター１７をオフし、空気極での生成水は排液溜２３に回収する。液体燃料１５の燃料濃度を図示しない燃料センサで検出し、これに応じて燃料ポンプ２８により高濃度燃料を補充する。また燃料電池システム２の出力などに応じて空気ポンプ１６を制御する。

図２に、センター端子８の左右でのＭＥＡ３２やセパレータ３４，３５の配置を示す。セパレータ間の隙間の周囲はパッキング３１で囲まれ、その内側にＭＥＡ３２が設けてある。ＭＥＡ３２は例えばプロトン導電体膜の一面に空気極を、他面に燃料極を設けたもので、空気極側が正極、燃料極側が負極となり、センター端子８が正極に接続されている。実施例ではセンター端子８を炭素質としたので、その左右両面に空気供給溝３６を設けて、セパレータを兼用している。しかしながらこれに代えて、センター端子８の左右に空気供給溝のみを設けたセパレータを別途に設けても良い。

実施例の燃料電池スタック４の等価回路を図３に示すと、センター端子８に接続したターミナル１１が正極となり、端子６，７に接続したターミナル９，１０が負極となり、右サブスタック１２と左サブスタック１３とは並列に接続されている。また各サブスタック１２，１３内では複数のＭＥＡが直列に接続されている。図３のような単純な配置に代えて、図４の直並列の配置を用いても良い。この場合、右側のサブスタック１２ｂ、１２ｃが直列で、左側のサブスタック１３ｂ、１３ｃも直列で、かつサブスタック１２ｂとサブスタック１３ｂが並列、サブスタック１２ｃとサブスタック１３ｃが並列である。

実施例では、燃料電池スタック４にセンター端子８を設けることにより、出力電圧が１／２で、電流容量が２倍の燃料電池スタックを構成することができる。また物理的に独立な２つの並列スタックを用いる場合、両端の端子６，７間のボルト締めなどの組み付け作業を２回行う必要があるが、実施例では１スタック分の組付けでよい。さらに複数のサブスタックを並列に用いると、いずれかのＭＥＡで状態が悪化した際に、そのＭＥＡを含むサブスタックに加わる負荷を軽減し、並列に接続した他方のサブスタックの負担をその分大きくすることにより、ＭＥＡが劣化するのを防止できるとの効果もある。

図２に戻り、ＭＥＡ３２はセンター端子８側が空気極、その反対側が燃料極で、空気供給溝３６のパターンは、センター端子８の左右で鏡面対称にしてある。空気供給溝３６のパターンの一例を図５に示すと、４０は空気供給穴、４２は排空気排出穴で、上側の空気供給穴４０から空気を空気供給溝３６に供給して下側の排空気排出穴４２から排空気を排出する。セパレータ３４とセパレータ３５とで、これらの配置が鏡面対称なので、いずれのサブスタックでも正極がセンター端子８の方を向くように組み立てると、空気供給穴４０はセンター端子８の左右で直線上に揃い、同様に排空気排出穴４２もセンター端子８の左右で直線上に揃うことになる。このため１つの空気ポンプから空気を供給し、例えば空気ポンプの反対側の１つの出口から排空気を排出できる。

図６に、セパレータ３４，３５での燃料供給溝３８の配置を示す。燃料は燃料電池スタックでの発熱や燃料極でのＣＯ2の発生などのために、対流により下から上へと供給され、このため燃料供給溝３８はセパレータ３４，３５を下から上へと貫通する直線状の溝としてある。そして実施例の場合、燃料供給溝３８に関して鏡面対称を意識する必要はない。

図８，図９に、空気の供給方向と排出方向とを燃料電池スタックの一方に集約した変形例を示す。図８は燃料電池スタック５０を水平面からやや傾けて示し、５２は前記の実施例と同様のセンター端子で正極であり、５３，５４は両端の端子で負極である。センター端子５２の左右に前記と同様のサブスタック５６，５７があり、例えば端子５３の左下隅から空気を空気供給穴５８へ供給し、空気供給穴５８は端子５４の付近でＵ字状に折り返して空気供給穴５９となる。そして空気供給穴５９から空気供給溝６２へ空気を供給し、排空気排出穴６０へと排空気を排出して、例えば端子５３の右下隅から排気する。他の点では、燃料電池スタック５０は実施例の燃料電池スタックと同様である。

図８，図９の燃料電池スタック５０では、空気が空気供給穴５８を通る間に昇温し、冷えた空気により空気極の活性が低下するのを防止できる。また空気と燃料電池スタック５０とが熱交換を行う長さを大きくし、燃料電池スタック５０の熱管理も容易になる。空気供給溝６２には、端子５４に近い側のセパレータから優先して空気が供給され、排空気排出穴６０では端子５３に近い側のセパレータから優先して空気が排出されるので、全体として各セパレータに均一に空気の供給／排出が行われる。そして空気ポンプやラジエターなどを端子５３側に集約できるので、燃料電池システムをコンパクトにできる。

実施例では燃料電池スタックを液体燃料中に沈めるものを示したが、燃料ポンプで燃料極側に燃料を供給するものでも良い。このような場合に用いるセパレータ７４，７５の配置を図１０，図１１に示す。他の点では実施例と同様で、中央のセンター端子の左右で２つのサブスタックを構成し、セパレータ７４は例えば中央の端子の右側のサブスタック用のセパレータで、セパレータ７５は左側のサブスタック用のセパレータである。４０は空気供給穴、４２は排空気排出穴で、３６が空気供給溝で、これらは中央の端子に関して左右鏡面対称である。７６は燃料供給穴、７８は排燃料排出穴で、７９は燃料供給溝であり、燃料供給溝７９の配置も中央の端子を境に左右のサブスタックで鏡面対称である。このため、左右のサブスタックの間で、空気供給穴４０や排空気排出穴４２が整列し、同様に燃料供給穴７６や排燃料排出穴７８も整列する。このため１つの燃料スタックを２つのサブスタックに分割しても、空気ポンプと燃料ポンプは各１台でよい。

実施例の燃料電池スタックを用いた燃料電池システムのレイアウトを示す図 実施例の燃料電池スタックでのセンター端子と周囲のセパレータとを示す平面図 実施例の燃料電池スタックの等価回路を示す回路図 変形例の燃料電池スタックの等価回路を示す回路図 実施例の燃料電池スタックでの、センター端子の左右のセパレータの鏡面対称な空気供給溝を示す図 実施例の燃料電池スタックでの、センター端子の左右のセパレータの燃料供給溝を示す図 実施例の燃料電池スタックでの、Ａｕ−Ｎｉメッキを施した炭素質のセンター端子を示す図 第２の変形例の燃料電池スタックを傾けて示した図で、空気供給穴と排空気排出穴とを示す 第２の変形例の燃料電池スタックでの、センター端子の左右のセパレータの鏡面対称な空気供給溝を示す図 第３の変形例での、センター端子の左右のセパレータでの空気供給溝を示す図 第３の変形例での、センター端子の左右のセパレータでの燃料供給溝を示す図

符号の説明

２ 燃料電池システム
４ 燃料電池スタック
６，７ 端子
８ センター端子
８ｂ 炭素基質
８ｃ Ｎｉメッキ
８ｄ 金メッキ
９〜１１ ターミナル
１２，１３ サブスタック
１２ｂ〜１３ｃ サブスタック
１４ 燃料タンク
１５ 液体燃料
１６ 空気ポンプ
１７ ラジエター
１８ 気液分離器
２０ ＣＯ2出口
２２ 燃料カセット
２３ 排液溜
２４ 燃料溜
２５ 可動壁
２６ フィルタ
２８ 燃料ポンプ
３０ 制御部
３１ パッキング
３２ ＭＥＡ
３４，３５ セパレータ
３６ 空気供給溝
３８ 燃料供給溝
４０ 空気供給穴
４２ 排空気排出穴
５０ 燃料電池スタック
５２ センター端子
５３，５４ 端子
５６，５７ サブスタック
５８，５９ 空気供給穴
６０ 排空気排出穴
６２ 空気供給溝
７４，７５ セパレータ
７６ 燃料供給穴
７８ 排燃料排出穴
７９ 燃料供給溝

Claims (4)

1. 固体電解質膜に燃料極と空気極とを接続したＭＥＡをセパレータを介して複数直列に接続し、セパレータの空気極側に空気供給溝を、燃料極側に燃料供給溝を設けて、燃料極に液体燃料を、空気極に空気を供給するようにした燃料電池スタックにおいて、 該スタックの直列方向での中央部に出力端子を設けると共に、該出力端子を境に前記スタックを左サブスタックと右サブスタックとに分割し、かつ該左右のサブスタックでの燃料極と空気極を、前記出力端子に関して対称に配置したことを特徴とする、燃料電池スタック。
2. 前記左サブスタックと右サブスタックで、セパレータの空気供給溝の配置を鏡面対称にしたことを特徴とする、請求項１の燃料電池スタック。
3. 燃料電池スタックを燃料タンク中に設置するように構成すると共に、前記出力端子を正極としたことを特徴とする、請求項１または２の燃料電池スタック。
4. 前記出力端子を炭素もしくは耐蝕性金属で構成したことを特徴とする、請求項３の燃料電池スタック。
   

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