JP2008060044A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】センサ、回路などを必要とせず、低湿時の乾燥防止と過剰湿潤時での通気性の向上が図れ、ゴミなどの異物の混入を抑制することができ、小型化が可能となる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料極に燃料タンク１４から燃料を供給する一方、酸化剤極に通気孔１３から外気を供給して発電を行う燃料電池システムであって、
前記通気孔から供給された外気が流通する流路に、吸湿時において乾燥時よりも通気性を増加させる部材によって構成された通気機構１０を有する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、小型燃料電池において燃料電池内の湿度に応じて通気量を制御する通気機構を有する燃料電池システムに関する。

従来燃料電池は、様々なタイプのものが研究・開発されてきた。
中でも、固体高分子形燃料電池は、運転温度が比較的低いこと、電解質が高分子膜であること、扱いやすいこと、等の理由から車載用や家庭用の発電装置として、広く研究開発が行なわれている。
固体高分子形燃料電池は、電解質に高分子電解質膜を用い、両側に触媒電極層を備えた膜電極接合体に対し、一方の触媒電極層（アノード）に燃料（水素など）を、もう一方の触媒電極層（カソード）に酸化剤（空気など）を供給することで発電が行なわれる。
その際、生成物として水が発生する。アノード、および、カソードでの反応式は、以下の通りである。
アノード：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード：１／２ Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- →Ｈ₂Ｏ
一組の膜電極接合体の理論電圧は１．２３Ｖ程度で、通常の運転状態においては、０．７Ｖ程度で使用されることが多い。
そのため、より高い電圧が必要な場合や、高出力密度が必要な場合には、複数のセルを積層し、各燃料電池セルを電気的に直列に接続する場合が多い。
このような積層構造は燃料電池スタックと呼ばれ、通常、スタック内では、アノード流路とカソード流路は、セパレータと呼ばれる部材によって、隔離されている。
上記反応に伴い、カソードでは、水が生成する。この生成した水を、カソード流路から速やかに除去しなければ、生成した水が流路を塞ぎ、カソードへの空気の供給を阻害する、いわゆるフラッディング現象により、発電特性が著しく低下する。
一方、イオンは高分子電解質膜中を水と共に移動する。そのため、高分子電解質が乾燥していると、イオンが透過できなくなり、燃料電池の内部抵抗が増加する。
これを防ぐためには、高分子電解質膜を湿潤させておく必要がある。
すなわち、燃料電池システム内は、乾燥しすぎてもいけないし、濡れすぎてもいけない。

小型の電気機器を持ち運んで使用するためには、種々の一次電池、二次電池が使用されてきた。
しかし、最近の小型電気機器の高性能化に伴い、消費電力が大きくなり、一次電池では、小型軽量で、十分なエネルギーを供給できなくなっている。
一方、二次電池においては、繰り返し充電して使用できるという利点はあるものの、一回の充電で使用できるエネルギーは一次電池よりも更に少ない。
そして、二次電池の充電の為には、別の電源が必要である上、充電には通常数十分から数時間かかり、いつでもどこでもすぐに使用できる様にするということは困難である。
今後、電気機器のますますの小型、軽量化が進み、ワイヤレスのネットワーク環境が整うことにより、機器を持ち運んで使用する傾向が高まる中で、従来の一次電池、二次電池では機器の駆動に十分なエネルギーを供給することは困難である。

このような問題の解決策として、小型の燃料電池が注目されている。
これは、燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くであるためである。
さらに、燃料のみを交換すれば連続して使用が可能であるため、他の二次電池の様に充電に時間がかかることもない。
小型電気機器用の燃料電池の燃料としては、従来メタノールが検討されてきた。これは、メタノールが保存しやすく、また入手しやすい燃料であることが主な理由である。
また、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが効果的である。
水素を蓄える方法としては、気体のままタンクに貯蔵したり、水素吸蔵合金などの吸蔵材料を充填したタンクを使用することができる。

小型の燃料電池への空気の供給には、ファンやコンプレッサを用いた、アクティブタイプのものと、自然拡散のみによるエアーブリージングタイプのものがある。
アクティブタイプは、エアーブリージングタイプよりも出力が大きく、エアーブリージングタイプは小型化に向く傾向がある。

従来において、このような空気の供給に際して、例えば、特許文献１においては、燃料電池システムへの流入気体と流出気体の温度、湿度、流量を測定し、生成水分量との比較を行なうことにより、流入気体を供給するポンプの流量制御が行われている。
これにより、燃料電池内部に残留している水分量を高分子電解質膜に好適な水準内に制御している。
一方、通気量を周囲の水分状態に応じて受動的に制御する方法として、特許文献２に示すような方法が知られている。
これは、通気孔を水分により膨潤するフィルムと、膨潤しないフィルムとを張り合わせることにより、湿潤状態に応じて、フィルムが変位することを利用したものである。
また、同様の構成は機能性繊維によっても、実現可能である。特許文献３では、吸水自己伸張糸と非自己伸張糸のループ構造からなり、湿潤時に通気性を向上させる編織物が開示されている。
特開２００４−１９２９７３号公報 特開２０００−２１８７０９号公報 特開２００５−３６３７４号公報

しかしながら、上記従来例における特許文献１のような燃料電池の湿度制御方法では、湿度センサ、制御回路、風量変更手段が必要となる。
そのため、システムの大型化、補器の消費電力の増大を招く恐れがあり、特に、小型の燃料電池には適していないものである。
また、上記従来例における特許文献２、３のように、受動的な水分に応じて通気量を制御するものは、主に、衣料用素材などに用いられ、発汗時の通気性向上と、通常時の保温性の両立を目指すものであり、燃料電池システムに用いることは意図されていない。
また、これらの素材は水に完全に濡れることが前提とされており、空気中の水蒸気程度では、ほとんど機能せず、燃料電池の通気部分に単に設置しただけでは、十分な効果を得るのが困難なものである。

本発明は、上記課題に鑑み、センサ、回路などを必要とせず、低湿時の乾燥防止と過剰湿潤時での通気性の向上が図れ、ゴミなどの異物の混入を抑制することができ、小型化が可能となる燃料電池システムの提供を目的とするものである。

本発明は、以下のように構成した燃料電池システムを提供するものである。
本発明の燃料電池システムは、燃料極に燃料を供給する一方、酸化剤極に通気孔から外気を供給して発電を行う燃料電池システムであって、
前記通気孔から供給された外気が流通する流路に、吸湿時において乾燥時よりも通気性を増加させる部材によって構成された通気機構を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記通気機構が、複数のセグメントに分かれた構成を有し、前記各セグメントがそれぞれの乾湿状態に応じて独立して動作することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記通気性を増加させる部材が、通気孔を有する固定部材と通気孔を有する可動部材と吸水膨潤材料とを備え、
前記通気孔を有する可動部材が、前記吸水膨潤材料の吸水による変形で移動することによって、通気量を調整することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記通気性を増加させる部材が、通気孔を有する基板と、
該基板の通気孔に設けられた吸水膨潤材料と非膨潤材料からなる変形部を備え、該変形部が吸水時の膨潤量の差で変形することによって、通気量を調整することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記吸水膨潤材料が、前記外気が流通する流路において、前記通気機構に水が供給される方向に面して配設されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記通気機構が、少なくとも一部に半導体基板を用いて構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記通気性を増加させる部材が、織編物で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記織編物が、吸水自己伸張糸と非自己伸張糸とからなることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記織編物が、湿潤時に捲縮率が低下する捲縮繊維と、非捲縮または湿潤時に捲縮が実質的に変化しない捲縮を有する繊維とを含むことを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記織編物が、吸湿性ポリマが加撚された合成繊維を含むことを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記通気機構に水を供給する水供給機構を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記水供給機構が、前記発電により生成される水を保持するための保水部を備えていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記保水部が、前記発電により生成される水の結露部に構成されることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記通気機構が、前記保水部と隣接して設けられ、または水流路を介して該保水部と接続されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記発電に伴う発熱を放熱する放熱部を備え、前記通気機構が該放熱部と隣接して設けられ、または水流路を介して該放熱部と接続されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、吸熱反応を伴って前記燃料極に燃料を供給する燃料タンクを備え、前記通気機構が該燃料タンクが隣接して設けられ、または水流路を介して該燃料タンクと接続されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記通気機構が、前記外気を酸化剤極に供給する通気孔から前記酸化剤極までの間の酸化剤流路に設置されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記通気機構が、前記酸化剤流路と隣接して設けられ、または水流路を介して該酸化剤流路と接続されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記外気の供給が、ファン、またはコンプレッサによって行なわれることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記通気機構が、燃料電池を構成する発電セルよりも、前記ファンまたはコンプレッサによる外気の流れの下流に配設されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記通気機構が、前記燃料電池の発電セルよりも、前記ファンあるいはコンプレッサによる流れの上流に設置され、
放熱部が前記燃料電池の発電セルよりも、前記ファンあるいはコンプレッサによる流れの下流に設置され、該通気機構と該放熱部との間が、水流路によって接続されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記外気を供給する供給口と排出をする排出口とを共用した通気孔を有し、
前記通気機構が、該通気孔と、燃料電池を構成する発電セルとの間に設置されていることを特徴とする。

本発明によれば、センサ、回路などを必要とせず、低湿時の乾燥防止と過剰湿潤時での通気性の向上が図れ、ゴミなどの異物の混入を抑制することができ、小型化が可能となる燃料電池システムを実現することができる。

本発明の実施形態について説明する。
本実施形態の燃料電池システムは、通気機構と、発電によって生成する水を収集して通気機構へ供給する水供給機構とを有する。
通気機構は、吸水によって膨張する部材を有し、膨張によって通気機構の通気量が増加する。
また、水供給機構は、燃料電池システム中の生成水が結露する箇所、すなわち、排気が通過する箇所であって、かつ、燃料電池セルとの間の他の箇所よりも温度が低い箇所に構成される。
このような箇所には、酸化剤流路、放熱部、保水部、吸熱反応を伴う場合の燃料タンク表面などがある。
なお、本発明において、上記酸化剤流路とは、燃料電池システム内における通気孔から供給された外気が流通する流路を指している。
すなわち、通気孔から燃料電池の酸化剤極（カソード）への流路、カソード内に設けられた流路、カソードから外気を排出するための流路を指している。
これに対し、以下の実施例等で説明する燃料流路とは、燃料電池システム内における燃料容器から供給された燃料が流通する流路を指している。
すなわち、燃料容器から燃料電池へ燃料を導くための流路、燃料電池中のアノードへ燃料を供給するための流路、アノード内に設けられた流路、燃料電池から燃料電池内の燃料を外部へ排出するための排出機構までの流路を指している。

上記通気機構は、発電開始時には、通気機構は、乾燥しているため、通気量は小さく、燃料電池内の湿度を高める働きをする。
発電に伴い、水が生成し、燃料電池内の湿度が高まると、水を収集する部分に水が溜まり、通気機構へと水が導かれる。
通気機構が濡れると、通気量が増加することで、燃料電池内の湿度を下げることができる。
これによって、流路が生成水によって塞がれ、発電特性が低下するのを防ぐことができる。

本実施形態の構成によれば、センサ、回路などを必要とせずに、カソード内の湿度が最適に保たれるように、通気量を調整することができる。
すなわち、低湿時には通気量を少なくし、燃料電池内部の湿度を高めて電解質膜の乾燥を防ぐことができる。
一方、高湿時には通気量を多くして、燃料電池内の水分を蒸散させ、流路が水滴によって塞がれるのを防ぐことができる。
また、本通気機構はフィルタとしての役割も果たし、外部からのゴミが燃料電池内に入りにくくすることができる。
また、本通気機構は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する際に、流速のばらつきをなくし、各燃料電池セルに均一に供給する拡散整流機構の役割も果たしている。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した燃料電池システムについて説明する。図１に、本実施例における燃料電池システムの概要を説明するための斜視図を示す。
また、図２に本実施例における燃料電池システムの概要を説明するためのシステム図を示す。
図１及び図２において、１０は通気機構、１１は燃料電池セル、１２は電極、１３は通気孔、１４は燃料タンク、１５は燃料供給弁である。
また、１６は酸化剤極（カソード）、１７は高分子電解質膜、１８は燃料極（アノード）、１９は燃料電池筐体、２１は酸化剤流路である。

本実施例において、燃料タンク１４には燃料が蓄えられており、燃料流路を通過して燃料電池セル１１のアノード（燃料極）１８に供給される。
また、燃料流路内には燃料タンク１４から燃料電池セル１１への燃料の供給を制御する燃料供給弁１５が設けられている。
一方、酸化剤としては、大気を通気孔１３から自然拡散によって取り込むことができる。
通気孔１３から取り入れられた空気はカソード（酸化剤極）１６に供給される。発電された電力は電極１２を介して外部機器に供給される。反応によって生成した水の大部分は、水蒸気として、通気孔１３を介して外部に放出される。

燃料電池の発電に伴う物質移動は、以下のとおりである。
例えば、単セルの燃料電池で発電電流を１Ａとすると、発電に必要な水素は６．９６ｃｃ／ｍｉｎ、酸素は３．４８ｃｃ／ｍｉｎである。
また、発生する水は水蒸気で６．９６ｃｃ／ｍｉｎ（０．０００３２ｍｏｌ／ｍｉｎ）である。
発電に必要な酸素を供給するための空気量は１６．６ｃｃ／ｍｉｎである。
一方、発生した水を水蒸気として放出するために必要な空気量は、温度によって大きく変化するが、２０℃では３０１ｃｃ／ｍｉｎ、４０℃では９５．６ｃｃ／ｍｉｎ、６０℃では３５．５ｃｃ／ｍｉｎとなる。
従って、燃料電池においては、生成した水を水蒸気のみで排出する場合には、酸素の供給よりも、生成した水を排出するために、より多くの空気を必要とする。また、温度によって、水を排出するために必要な空気量は大きく変化する。
燃料電池セル１１が、より多くの発電電力を得るため、複数の単セルからなる積層構造（スタック）を有する場合、発電に必要な水素と酸素の量、排出しなければならない水の量は、積層数倍される。

本実施例では、酸化剤流路２１（酸化剤極１６、筐体通気孔１３までの間）には、水分に応じて通気量が変化する通気機構１０が設けられている。
水分に応じて通気量が変化する部材には、繊維状のものや、通気孔を有した板状のものがある。
繊維状のものでは、例えば、ポリエーテルエステルのような吸水性伸張材料からなる繊維と、ポリエステルのような非伸張材料からなる繊維とからなる織物がある。
その他には、ポリエステル成分とポリイミド成分がサイドバイサイド型に接合された繊維も使用できる。
さらには、蒸気繊維を縒り合わせることにより、吸湿時に立体的な構造変化を起こさせ、さらに通気性を向上させることもできる。

本実施例における通気機構の構成例として、図３に示す第１の形態、あるいは図４に示す第２の形態を採ることができる。
図３に示す第１の形態では、通気孔を有した２枚の板１０５、１０６の間に、吸水膨張部材１０１を挟んだ構成となっている。
２枚の板の一方は、固定されており、もう一方は、変位させることができる。
２枚の板の通気孔は、互い違いの配置となっており、吸水膨張部材１０１が水分を吸うと、膨張し、２枚の通気板の間隔が広がり、通気性が向上する。
また、図４に示す第２の形態では、通気孔を有した２枚の板１０５、１０６の間が通気孔が互い違いになるように重ね合わせてあり、一方は固定され、一方は変位できるようになっている。
可動型の通気板１０５は、吸水膨張部材１０１に隣接している。吸水膨張部材１０１が水分を吸うと、膨張し、可動型の通気板１０５が変位することで、２枚の板の通気孔の重なり面積が増加し、通気量が増加する。
ここで、吸水膨張部材１０１にはポリアクリルアミドゲル、水分で膨張するゴム材料などを用いることができる。
通気板は、ステンレスやアルミなどの金属を、エッチングや切削、プレスなどによって作製することができる。また、プラスティック材料を射出成型しても良い。

さらに、別の通気機構の構成例として、図５の断面図に示す第３の形態を採ることができる。図６は図５に示す第３の形態の上面図である。
これは、通気孔を有する基板１０３の表面に吸水膨張材料１０１と吸水性非膨張材料１０２からなるフラップ１０７を作製する。
フラップ１０７が水分を吸収すると、膨張率の差から、フラップに応力が発生し、反りが生じる。
これにより通気孔の面積が変化し、通気量が変化する。基板１０３は、通気板は、ステンレスやアルミなどの金属を、エッチングや切削、プレスなどによって作製することができる。
また、プラスティック材料を射出成型しても良い。
特に、シリコンなどの半導体基板をフォトリソグラフィによりパターニング後、異方性ウェットエッチングや、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によってエッチングして作製すると、小型化することができる。

つぎに、図７に基づいて、フォトリソグラフィーを用いて上記第３の形態の通気機構を作製する作製工程について説明する。
図７（ａ）に示す第１の工程は、シリコンウェハからなる基盤１０３上に、犠牲層１１１をパターニングする工程である。
シリコンウェハには、両面研磨、厚さ３００μｍ程度のものを使用する。
まず、シリコンウェハを熱酸化し、表面に１μｍ程度のシリコン酸化物層を成膜する。
次に裏面をレジストで保護し、表面の酸化物層をフッ酸によって、エッチング除去する。
次に表面にアルミニウムを真空蒸着によって成膜し、フォトリソグラフィを用いてパターニングを行い、エッチングする。

図７（ｂ）に示す第２の工程は、吸水膨張材料１０１、および、吸水非膨張材料１０２を成膜、パターニングする工程である。
吸水膨張材料には、セルロースなどを使用でき、吸水非膨張材料１０２には、ポリイミドなどの有機材料のほか、各種金属薄膜を使用できる。
まず、基板表面に、セルロースをスピンコート後、乾燥させ、ポリイミドをスピンコートする。
フォトグラフィーを用いてパターニングを行い、プラズマによって、エッチングを行う。
この場合、予め厚膜レジストでパターニングを行った後に、吸水膨張材料１０１、および、吸水非膨張材料１０２を成膜し、リフトオフによって、余分な部分を取り除いても良い。

図７（ｃ）に示す第３の工程は、通気孔１０４を作製する工程である。
裏面のシリコン酸化物層をフォトリソグラフィを用いてパターニングを行い、フッ酸によってエッチングする。
その後、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によって、垂直にシリコン基板をエッチングする。エッチングは、ＫＯＨやＴＭＡＨによる異方性ウェットエッチングを用いても良い。

図７（ｄ）に示す第４の工程は、犠牲層１１１を除去する工程である。
裏面のシリコン酸化物層をフッ酸で除去後、さらに、塩酸などで犠牲層１１１をエッチングする。
サイドエッチングにより、犠牲層１１１は除去され、フラップ１０７は基板１０３からリリースされる。
以上の工程によって、図５、図６に示す通気機構が完成する。
吸水膨張材料１０１を図６（ｂ）に示すように、個々のフラップ間を接続するようにパターニングすれば、吸水膨張材料１０１の一部が濡れると、水分は吸水膨張材料１０１上を速やかに拡散する。
従って、ほぼ同時に全てのフラップを駆動することができ、通気量を少ない水分で大幅に変えることができる。

一方、吸水膨張材料１０１を図６（ａ）に示すように、個々のフラップ間を接続しないようにパターニングすれば、各々のフラップ１０７は独立して動作する。
従って例えば、燃料電池スタックの一部のセルのみが水分過剰になっていたりした場合に、他のセルに影響を与えずに、水分過剰セルのみの通気性を向上させることができる。
例えば、通気機構として、ポリエーテルエステルと、ポリエステルからなる織物を使用した場合の乾燥時と湿潤時の空気の流量特性を図８に示す。
通気面積は２０ｍｍ×２０ｍｍである。膜が湿潤することにより、通気量は約２倍に増加した。

このようにして作製した通気機構を燃料電池に設置する。
本実施例では、図９に示すように、通気機構１０を空気取り込み口と酸化剤流路との間に設け、さらに、酸化剤流路に接するように配置する。
この場合、酸化剤流路には、発泡金属体などを使用すると、外気の取り込みとスタック間の電気的接続を効率よく行うことができる。
発電により、生成した水は酸化剤流路中で結露する。結露した水は、酸化剤流路を通って、通気機構まで導かれる。
特に、水は、毛管現象によって、通気機構まで移動する。通気機構が濡れると、通気量が増大するため、酸化剤流路内の水分は、蒸散しやすくなり、フラッディング現象を抑制することができる。

さらに、酸化剤流路２１と通気機構１０を接触して配置できない場合は、図１０に示すように、水流路２２を間に設けても良い。
水流路には、発泡ウレタンやポリアクリルアミドからなる部材を用いることで、毛管現象を利用して、水を酸化剤流路２１から通気機構１０まで輸送することができる。
また、通気機構１０を燃料電池セル、および、燃料流路に対して重力下方方向に設けると、水滴が重力によって下方に移動しやすいため、より効率よく通気機構１０に生成水を導くことができる。一方、通気機構１０を燃料電池セル、および、燃料流路に対して重力上方方向に設けると、生成水が重力によって下方に移動しようとする力と、通気機構の毛管効果によって上方に吸い上げられようとする力が相殺して、燃料電池内の水分布を均一に保つことができる。従って、燃料電池セルを構成する部材（高分子電解質膜やガス拡散部材）の濡れ性に合わせて、システムをより乾燥させて使用したい場合には下方に、湿潤させて使用したい場合には上方に設けると、効果的である。
例えば、通気機構として、ポリエーテルエステルと、ポリエステルからなる織物を使用した場合、濡れることにより、乾燥時の約２倍に向上されることができる。
これにより、燃料電池の運転可能な出力範囲を広げるとともに、より長時間安定に駆動することが可能となる。

［実施例２］
実施例２においては、保水部を設けた構成例について説明する。
図１１に、本実施例の構成例を説明するための図を示す。
図１１には実施例１と同じ構成には同一の符号が付されているので、共通する部分の説明は省略する。
図１１において、２３は保水部である。
本実施例の燃料電池の構成は、通気機構は実施例１と同様であるが、生成した水を保持したり、電解質膜を加湿するための保水部２３を有する構成が、実施例１と異なっている。
保水部には、ポリアクリルアミドゲル、スポンジ状ポリビニルアルコール、セルロースなどの吸水性の材料が使用される。

本実施例では、図１１に示すように、通気機構１０を酸化剤流路２１に設け、さらに、保水部２３に接するように配置する。
発電により、生成した水は保水部で貯えられる。貯えられた水の一部は、通気機構まで導かれる。
通気機構が濡れると、通気量が増大するため、酸化剤流路内の水分は、蒸散しやすくなり、フラッディング現象を抑制することができる。
特に、通気機構１０は吸水部を有するので、燃料電池の保水部としての機能を果たさせることも可能である。

さらに、保水部２３と通気機構１０を接触して配置できない場合は、図１２に示すように、水流路２２を間に設けても良い。
水流路２２には、発泡ウレタンやポリアクリルアミドからなる部材を用いることで、毛管現象で、水を保水部２３から通気機構１０まで輸送することができる。

［実施例３］
実施例３においては、放熱部を設けた構成例について説明する。
図１３に、本実施例の構成例を説明するための図を示す。
図１３には実施例１と同じ構成には同一の符号が付されているので、共通する部分の説明は省略する。
図１３において、２４は放熱部である。
本実施例の燃料電池の構成は、通気機構は実施例１と同様であるが、発電に伴う発熱に対し、放熱するための放熱部２４を有する構成が、実施例１と異なっている。
放熱部は、金属やカーボンなどの高熱伝導材料からなり、より放熱効率を向上させる場合には、放熱部２４をフィン型にしたり、ファンによって冷却する。

本実施例では、図１３に示すように、通気機構１０を酸化剤流路２１に設け、さらに、放熱部２４に接するように配置する。
放熱部２４は外気によって冷却されるため、燃料電池システム内の他の部分よりも温度が低くなる。
従って、発電によって生成した水は放熱部によって結露しやすい。
結露した水は、通気機構１０まで導かれる。通気機構１０が濡れると、通気量が増大するため、酸化剤流路内の水分は、蒸散しやすくなり、フラッディング現象を抑制することができる。
特に、通気機構１０の通気孔を有する部材に金属材料を使用していれば、通気機構を放熱部材として使用することができ、燃料電池の発電に伴い発生する熱を効率よく放熱するとともに、通気量を制御することができる。
また、放熱部では、通気機構から水が蒸発することによる潜熱を放熱に利用することができ、放熱効率をより高めることができる。同時に、通気機構に溜まった水をより蒸発させやすいため、余分な水を効果的に蒸散させることができる。

さらに、放熱部２４と通気機構１０を接触して配置できない場合は、図１４に示すように、水流路２２を間に設けても良い。
水流路には、発泡ウレタンやポリアクリルアミドからなる部材を用いることで、毛管現象で、水を放熱部２４から通気機構１０まで輸送することができる。

［実施例４］
実施例４においては、燃料タンクに水素吸蔵合金を充填した構成例について説明する。
図１５に、本実施例の構成例を説明するための図を示す。
図１５には上記各実施例と同じ構成には同一の符号が付されているので、共通する部分の説明は省略する。
本実施例の燃料電池の構成は、通気機構は実施例１と同様であるが、燃料タンクに水素吸蔵合金が充填されている。水素吸蔵合金には、例えば、ＬａＮｉ₅が使用できる。

本実施例では、図１５に示すように、通気機構１０を酸化剤流路２１に設け、さらに、燃料タンク１４に接するように配置する。
水素吸蔵合金は吸熱反応に従って、水素を放出するため、水素の消費に伴い、燃料タンク１４の温度は低下する。
例えば、ＬａＮｉ₅では、水素１ｍｏｌあたり、約３０ｋＪの熱を吸熱する。この際、タンク表面の温度は１０℃程度低下する。
従って、発電によって生成した水は燃料タンク１４の表面で結露しやすい。
結露した水は、通気機構まで導かれる。通気機構１０が濡れると、通気量が増大するため、酸化剤流路内の水分は、蒸散しやすくなり、フラッディング現象を抑制することができる。

さらに、燃料タンク１４と通気機構１０を接触して配置できない場合は、図１６に示すように、水流路２２を間に設けても良い。
水流路には、発泡ウレタンやポリアクリルアミドからなる部材を用いることで、毛管現象で、水を燃料タンク１４から通気機構１０まで輸送することができる。

［実施例５］
実施例５においては、空気の取り入れにファンを使用する構成例について説明する。
図１７に、本実施例の構成例を説明するための図を示す。
図１７には上記実施例と同じ構成には同一の符号が付されているので、共通する部分の説明は省略する。
図１７において、２０はファンである。
本実施例の燃料電池の構成は、通気機構は実施例１と同様であるが、発電に伴う発熱に対し、放熱するためのファン２０を有している。
このようなファン２０を用いるため、実施例１の自然拡散によるよりも、多くの空気を取り込むことができ、発電電流を大きくすることができる。
本実施例では、ファン２０から空気を燃料電池へ空気を取り込むための取り入れ口と、余分な空気を水蒸気と共に排出するための排出口を有する。

本実施例においては、図１８に示すように、空気取り入れ口には上流側通気孔２５が、排出口には、本発明の通気機構１０を設置する。
ファン２０によって送られる空気は、通気機構１０で抑制され、流量が調整される。燃料電池の発電に伴い水が生成すると、湿った空気（および細かな水滴）が、通気機構１０を通過する。
そのため、通気機構１０が濡れると、通気量が増大するため、酸化剤流路内の水分は、蒸散しやすくなり、フラッディング現象を抑制することができる。
さらには、通気機構上の水も通過する空気によって、蒸散される。
特に、実施例１、実施例２、実施例３、実施例４に示すように、通気機構が燃料電池の水分を集めやすい部材と接触するように配置されることにより、通気機構１０はより効果的に働く。
例えば、通気機構として、ポリエーテルエステルと、ポリエステルからなる織物を使用することができる。
ファンには小型ＤＣファンを使用し、通気面積を１ｃｍ×１ｃｍとした場合、乾燥時の通気量が１９０ｃｃ／ｍｉｎであったのに対し、湿潤時には３８５ｃｃ／ｍｉｎに増加することができる。
これにより、燃料電池の運転可能出力範囲を広げるとともに、より長時間安定に駆動することが可能となる。

［実施例６］
本発明の実施例６について説明する。
図１９に、本実施例における燃料電池システムの概要図を示す。
図１９には上記各実施例と同じ構成には同一の符号が付されているので、共通する部分の説明は省略する。
図１９において、２６は下流側通気孔である。
本実施例で用いる通気機構の構成は、実施例１と同様である。
本実施例で用いる燃料電池システムは、実施例５と同様に、空気の取り入れにファン２０を使用する。
本実施例では、空気取り入れ口には本発明の通気機構１０が、排出口には、下流側通気孔２６が設置される。
この場合、通気機構を燃料電池の生成水によって濡らすため、例えば、図１９に示すように、酸化剤流路の燃料電池セルよりも下流側に放熱部２４を設けて、生成水を結露させ、水流路２２によって、結露した水を通気機構１０に導く。
放熱部２４、および、水流路２２の構成は、実施例３と同様である。
このようにすることで、下流の放熱板で結露した生成水が水流路によって通気機構１０を濡らし、通気量を制御することができる。
さらには、通気機構で回収された水によって、燃料電池セルを加湿することができる。
また、放熱部のかわりに、実施例２のように保水部を設けたり、さらに実施例１のように酸化剤流路と放熱部、あるいは、保水部を接するように配置することで、生成水を効率よく回収することができる。

［実施例７］
本発明の実施例７について説明する。
図２０に、本実施例における燃料電池システムの概要図を示す。
図２０には上記各実施例と同じ構成には同一の符号が付されているので、共通する部分の説明は省略する。
本実施例で用いる通気機構の構成は、実施例１と同様である。実施例５と同様に、空気の取り入れにファン２０を使用するが、空気取り入れ口と排出口が共通となっており、通気機構１０が設置されている。
通気機構１０を通って取り入れられた空気は、燃料電池セル１１に供給された後、筐体内部で内壁などに衝突して向きを変え、再び、通気機構１０を通って排出される。
この場合、排出される空気によって、通気機構１０が濡らされ、通気量が制御されると共に、排出される空気によって、通気機構上の水も蒸散される。さらに、取り入れられる空気は通気機構１０を通過する際に通気機構１０上の水によって加湿される。
特に、実施例１、実施例２、実施例３、実施例４に示すように、通気機構が燃料電池の水分を集めやすい部材と接触するように配置されることにより、通気機構１０はより効果的に働く。

本発明の上記各実施例の通気機構の構成によれば、外部からのゴミの混入を防ぐと共に、センサ、回路などを必要とせずに、カソード内の湿度が最適に保たれるように、通気量を調整することができ、燃料電池を小型化、低消費電力化に極めて有用である。

本発明の実施例１における通気機構を有する燃料電池システムの概要を説明するための斜視図。 本発明の実施例１における通気機構を有する燃料電池システムの概要を説明するためのシステム図。 本発明の実施例１における通気機構の第１の形態を説明するための断面図。 本発明の実施例１における通気機構の第２の形態を説明するための断面図。 本発明の実施例１における通気機構の第３の形態を説明するための断面図。 本発明の実施例１における通気機構の第３の形態を説明するための上面図。 本発明の実施例１における通気機構の第３の形態を半導体加工技術を用いて作製する際の工程図。 本発明の実施例１における通気機構において、ポリエーテルエステルと、ポリエステルからなる織物を使用した場合の、乾燥時と湿潤時の空気の流量特性を示す図。 本発明の実施例１における通気機構を有する燃料電池を説明するための断面図。 本発明の実施例１における酸化剤流路と通気機構との間に水流路を設けた構成例を説明するための断面図。 本発明の実施例２における通気機構を有する燃料電池に保水部を設けた構成例を説明するための断面図。 本発明の実施例２における保水部と通気機構との間に水流路を設けた構成例を説明するための断面図。 本発明の実施例３における通気機構を有する燃料電池に放熱部を設けた構成例を説明するための断面図。 本発明の実施例３における放熱部と通気機構との間に水流路を設けた構成例を説明するための断面図。 本発明の実施例４における通気機構を有する燃料電池システムにおいて、水素吸蔵合金による燃料タンクを用いた構成例を説明するための断面図。 本発明の実施例４における燃料タンクと通気機構との間に水流路を設けた構成例を説明するための断面図。 本発明の実施例５における空気の取り入れにファンを使用する構成例の概要を説明するための斜視図。 本発明の実施例５における空気取り入れ口に上流側通気孔を、排出口に通気機構を設置した構成例を説明するための断面図。 本発明の実施例６における空気の取り入れにファンを使用する構成例において、空気取り入れ口に通気機構を、排出口に下流側通気孔を設置した構成例を説明するための断面図。 本発明の実施例７における空気の取り入れにファンを使用する構成例において、空気取り入れ口と排出口が共通となっている構成例を説明するための断面図。

符号の説明

１０：通気機構
１１：燃料電池セル
１２：電極
１３：通気孔
１４：燃料タンク
１５：燃料供給弁
１６：酸化剤極（カソード）
１７：高分子電解質膜
１８：燃料極（アノード）
１９：燃料電池筐体
２０：ファン
２１：酸化剤流路
２２：水流路
２３：保水部
２４：放熱部
１０１：吸水膨張部材
１０２：吸水非膨張部材
１０３：基板
１０４：通気孔
１０５：可動通気板
１０６：固定通気板
１０７：フラップ
１１１：犠牲層

Claims (22)

1. 燃料極に燃料を供給する一方、酸化剤極に通気孔から外気を供給して発電を行う燃料電池システムであって、
   前記通気孔から供給された外気が流通する流路に、吸湿時において乾燥時よりも通気性を増加させる部材によって構成された通気機構を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記通気機構は、複数のセグメントに分かれた構成を有し、前記各セグメントがそれぞれの乾湿状態に応じて独立して動作することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記通気性を増加させる部材が、通気孔を有する固定部材と通気孔を有する可動部材と吸水膨潤材料とを備え、
   前記通気孔を有する可動部材が、前記吸水膨潤材料の吸水による変形で移動することによって、通気量を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記通気性を増加させる部材が、通気孔を有する基板と、該基板の通気孔に設けられた吸水膨潤材料と非膨潤材料からなる変形部を備え、該変形部が吸水時の膨潤量の差で変形することによって、通気量を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記吸水膨潤材料は、前記外気が流通する流路において、前記通気機構に水が供給される方向に面して配設されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記通気機構は、少なくとも一部に半導体基板を用いて構成されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記通気性を増加させる部材が、織編物で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
8. 前記織編物が、吸水自己伸張糸と非自己伸張糸とからなることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記織編物が、湿潤時に捲縮率が低下する捲縮繊維と、非捲縮または湿潤時に捲縮が実質的に変化しない捲縮を有する繊維とを含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
10. 前記織編物は、吸湿性ポリマが加撚された合成繊維を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
11. 前記通気機構に水を供給する水供給機構を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記水供給機構は、前記発電により生成される水を保持するための保水部を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記保水部は、前記発電により生成される水の結露部に構成されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記通気機構が、前記保水部と隣接して設けられ、または水流路を介して該保水部と接続されていることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記発電に伴う発熱を放熱する放熱部を備え、前記通気機構が該放熱部と隣接して設けられ、または水流路を介して該放熱部と接続されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
16. 吸熱反応を伴って前記燃料極に燃料を供給する燃料タンクを備え、前記通気機構が該燃料タンクと隣接して設けられ、または水流路を介して該燃料タンクと接続されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
17. 前記通気機構が、前記外気を酸化剤極に供給する通気孔から前記酸化剤極までの間の酸化剤流路に設置されていることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
18. 前記通気機構が、前記酸化剤流路と隣接して設けられ、または水流路を介して該酸化剤流路と接続されていることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。
19. 前記外気の供給が、ファン、またはコンプレッサによって行なわれることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
20. 前記通気機構が、燃料電池を構成する発電セルよりも、前記ファンまたはコンプレッサによる外気の流れの下流に配設されていることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池システム。
21. 前記通気機構が、前記燃料電池の発電セルよりも、前記ファンあるいはコンプレッサによる流れの上流に設置され、
    放熱部が前記燃料電池の発電セルよりも、前記ファンあるいはコンプレッサによる流れの下流に設置され、該通気機構と該放熱部との間が、水流路によって接続されていることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池システム。
22. 前記外気を供給する供給口と排出をする排出口とを共用した通気孔を有し、
    前記通気機構が、該通気孔と、燃料電池を構成する発電セルとの間に設置されていることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池システム。

Images