JP2009070664A

JP2009070664A - 燃料電池及び燃料電池システム

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Publication number: JP2009070664A
Application number: JP2007237145A
Authority: JP
Inventors: Hirosuke Sato; 裕輔佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-04-02
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Abstract

【課題】ポンプ等の補器を省略して小型化が実現でき、単セルを積層した場合においても拡散や対流による空気の供給が可能で、単セルの性能及び発電効率を高く維持可能な燃料電池及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】
アノード電極６２及びカソード電極６３を有する膜電極複合体６ａ及びアノード電極６２に接続したアノード流路板５ａを有する単セル２ａを、カソード電極の消費酸素濃度以上の酸素を拡散により供給する間隙部１０ａをカソード電極面上にそれぞれ設けたセルスタック２と、セルスタック２を収容し、単セル２ａの積層方向に平行な方向に一方の面及び他方の面を有する収納部４ｂと、一方の面又は他方の面の少なくとも一方に配置されたダクト部４ａ、４ｃと、ダクト部４ａ、４ｃに酸素を供給するファン９０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池システムに関する。

アルコール等の液体燃料を直接発電部に供給する直接型燃料電池は、気化器や改質器等の補器が不要なため、携帯機器の小型電源等への利用が期待されている。また、燃料電池技術の発展に伴い、燃料電池の電気化学的な挙動を評価する手法等も検討されている（例えば、特許文献１参照。）。

水素を燃料とする固体高分子型燃料電池（ＰＥＭ）や直接メタノール供給型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、膜電極複合体（ＭＥＡ）をアノード流路板とカソード流路板で挟み込んだ単セルを交互に積層したスタックを有している。ＭＥＡは、固体高分子型のプロトン導電膜と、プロトン導電膜のアノード側に形成されたアノード触媒層及びアノードガス拡散層と、プロトン伝導膜のカソード側に形成されたカソード触媒層及びカソードガス拡散層が形成されている。

燃料として水とメタノールの混合溶液を利用するＤＭＦＣでは、水とメタノールの混合溶液が、アノード流路を介してＭＥＡのアノード電極へ送られる。アノード電極では、（１）式の反応が生じ、二酸化炭素が発生する。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- ・・・（１）

一方、ＭＥＡのカソード電極へは、酸化剤として空気（酸素）が送られる。カソード電極側では、（２）式の反応が生じ、水が発生する。

３／２Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ・・・（２）

カソード電極側に空気を供給する場合は、ポンプなどの補器を使用して強制的にカソード電極側に空気を供給するアクティブタイプと、ポンプ等の補器を利用せずに、気体の対流・拡散による空気循環を利用してカソード電極側に空気を供給するブリージングタイプに分類される。

しかしながら、アクティブタイプを利用する場合は、単セルそれぞれに空気を送るための補器を必要とするため、小型化が難しい。また、ポンプの騒音や電力消費の問題もあるため、携帯型電子機器等の小型電源に利用する場合には、あまり好ましくない。

一方、ブリージングタイプを利用することによりポンプが省略できるため、小型化が可能となる。しかしながら、空気循環等による単セルの温度湿度の管理が難しくなるため、各単セルの体積出力密度が低下し、発電効率が低下する場合がある。

また、ブリージングタイプの単セルを積層してスタックにすることにより、単セルを平面配置した場合に比べて、拡散や対流による空気の供給が十分に行われない場合があるため、単セルの性能及び発電効率が低下する場合がある。
特開２００５−４４６０２号公報

本発明は、ポンプ等の補器を削減して小型化が実現でき、単セルを積層した場合においても拡散や対流により酸素の供給が可能で、単セルの性能及び発電効率を高く維持可能な燃料電池及び燃料電池システムを提供する。

本願発明の態様によれば、アノード電極及びカソード電極を有する膜電極複合体及びアノード電極に接続したアノード流路板を有する複数の単セルを、カソード電極の消費酸素濃度以上の酸素をカソード電極面上に拡散により供給する間隙部をカソード電極面上にそれぞれ設けたセルスタックと、セルスタックを収容し、単セルの積層方向に平行な方向に一方の面及び他方の面を有する収納部と、一方の面又は他方の面の少なくとも一方に配置され、間隙部と連通するダクト部と、ダクト部に酸素を供給するファンとを備える燃料電池が提供される。

本願発明の他の態様によれば、アノード電極及びカソード電極を有する膜電極複合体及びアノード電極に接続したアノード流路板を有する複数の単セルと、カソード電極の消費酸素濃度以上の酸素をカソード電極面上に拡散により供給する間隙部を有する様にカソード電極面上にそれぞれ設けた板とを備える燃料電池が提供される。

本願発明の他の態様によれば、上記燃料電池と、セルスタックから排出される排出物と高濃度燃料とを混合してセルスタックに供給するための燃料を貯蔵する混合タンクと、燃料をセルスタックに循環させる循環ポンプとを備える燃料電池システムが提供される。

本発明によれば、ポンプ等の補器を削減して小型化が実現でき、単セルを積層した場合においても拡散や対流により酸素の供給が可能で、単セルの性能及び発電効率を高く維持可能な燃料電池および燃料電池システムが提供できる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載においては、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。

（燃料電池システム）
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料電池１から排出される排出物を、燃料タンク２０に貯蔵された高濃度燃料と混合させ、燃料電池１へ供給するための燃料を調製する混合タンク４０と、燃料を燃料電池１へ循環させる循環ポンプ５０と、燃料電池システムの一連の動作を制御するプロセッサ１００とを備える。

燃料タンク２０は、ラインＬ１を介して制御弁２１に接続されている。制御弁２１は、ラインＬ２を介して燃料ポンプ３０に接続されている。燃料ポンプ３０は、ラインＬ３を介して混合タンク４０に接続されている。混合タンク４０は、ラインＬ４を介して循環ポンプ５０に接続されている。循環ポンプ５０は、ラインＬ５を介して濃度センサ７０に接続されている。濃度センサ７０は、ラインＬ６を介して圧力調整機構８０に接続されている。圧力調整機構８０はラインＬ７を介して燃料電池１に接続されている。

燃料電池１には、空気（酸素）を供給するためのファン９０が接続されている。燃料電池１のアノード側の流路の出口側には、絞り９１が配置されている。絞り９１は、ラインＬ８を介して混合タンク４０に接続されている。燃料電池１のカソード側の流路の出口側には、二酸化炭素等の副生成物を燃料電池１の外部へ排出するためのラインＬ９が接続されている。

燃料タンク２０は密閉構造を有する。高濃度燃料としては、例えば純度９９．９％以上のメタノール液又は濃度が１０ｍｏｌ／Ｌ以上のメタノールと水の混合溶液等が利用可能である。高濃度燃料は、燃料ポンプ３０によりラインＬ１、制御弁２１、ラインＬ２、ラインＬ３を通って混合タンク４０に供給される。

混合タンク４０には、各種センサが設けられている。センサとしては、例えば、燃料の液面の高さを測定し、燃料の残量を検出するための水位センサ、或いは、混合タンク４０の傾き具合を測定し燃料の送給能力を検出するための傾斜センサ等を用いることができる。センサの検出結果は、プロセッサ１００に出力される。

循環ポンプ５０は、混合タンク４０内の燃料をラインＬ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７を介して燃料電池１へ供給するとともに燃料電池１から排出された排出物をラインＬ８を介して混合タンク４０に循環させる。

濃度センサ７０は、ラインＬ５とＬ６との間を流れる燃料の濃度をモニタし、モニタ結果をプロセッサ１００へ出力する。圧力調整機構８０は、ラインＬ６を介して供給された燃料の圧力を調整し、ラインＬ７を介して燃料電池１に燃料を供給する。

プロセッサ１００は、例えば、燃料電池１が発電した電力を給電対象機器に供給するための動作や燃料電池システム内の各機器の動作等を制御する。プロセッサ１００は、制御部１０１、モニタ部１０２、電源回路１０３を少なくとも備える。

制御部１０１は、例えば、制御弁２１、燃料ポンプ３０、循環ポンプ５０、濃度センサ７０、圧力調整機構８０、燃料電池１及びファン９０等へ制御信号を出力し、各種機器の動作を制御する、或いは、燃料電池１から得られる電力の給電対象機器への供給を制御する。モニタ部１０２は、濃度センサ７０が検知する燃料濃度や、燃料電池システム内に設置される様々な検知器から出力される温度、圧力、流量等のモニタ結果を監視する。電源回路１０３は、例えば、燃料ポンプ３０又は循環ポンプ５０等の補器に供給するための電源を生成する、或いは、燃料電池１から供給される電圧を昇圧又は降圧して給電対象機器に供給するための電源を生成する。プロセッサ１００には、各種プロセスデータやプログラムを保存するためのメモリ１０４が搭載されていてもよい。

（燃料電池）
図２に示すように、燃料電池１は、複数の単セル（第１の単セル２ａ、第２の単セル２ｂ、第３の単セル２ｃ、・・・・）を図中のｙ軸方向（図中ｚ軸の矢印方向を上とした場合の容器４の上面及び下面と実質的に平行な方向）に積層したセルスタック２を有している。セルスタック２は、容器４の中に収納されている。

容器４は、隔膜３ａ、３ｂによってダクト部４ａ、収納部４ｂ及びダクト部４ｃに仕切られている。ダクト部４ａ、４ｃは、図１のファン９０から供給された空気を流通させる空間である。収納部４ｂは、セルスタック２を収納する空間である。隔膜３ａ，３ｂとしては、空気が透過可能な多孔質樹脂製の薄膜等を用いることができる。

容器４内に隔膜３ａ、３ｂを配置することにより、ファン９０からダクト部４ａ、４ｃ内に空気を供給した場合においても、単セル２ａ、２ｂ、２ｃ、・・・のカソード空間の湿度を適切に保持できる。なお、ファン９０からダクト部４ａ、４ｃに空気を供給してもカソード空間の湿度を維持できる場合は、隔膜３ａ、３ｂは配置しなくてもよい。ダクト部４ａ、４ｃを配置する代わりに、外気に対してオープンな空間を収納部４ｂの周辺に設けるようにしても構わない。

図３に示すように、第１の単セル２ａは、アノード電極及びカソード電極を有する第１膜電極複合体（ＭＥＡ）６ａと、第１ＭＥＡ６ａのアノード電極に接続された第１アノード流路板５ａとを備える。第２の単セル２ｂは、アノード電極及びカソード電極を有する第２ＭＥＡ６ｂと、第２ＭＥＡ６ｂのアノード電極に接続された第２アノード流路板５ｂとを備える。第３の単セル２ｃは、アノード電極及びカソード電極を有する第３ＭＥＡ６ｃと、第３ＭＥＡ６ｃのアノード電極に接続された第３アノード流路板５ｃとを備える。第１ＭＥＡ６ａ、第２ＭＥＡ６ｂ、第３ＭＥＡ６ｃは、ｚ方向に長さ２Ｌを有している。

第１ＭＥＡ６ａのカソード電極と第２アノード流路板５ｂとの間には、距離ｈを有する間隙部１０ａが形成されている。第２ＭＥＡ６ｂのカソード電極と第３アノード流路板５ｃとの間には、距離ｈを有する間隙部１０ｂが形成されている。第３ＭＥＡ６ｃのカソード電極と第４アノード流路板（図示せず）との間には、距離ｈを有する間隙部１０ｃが形成されている。間隙部１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、隔膜３ａ、３ｂを介してそれぞれダクト部４ａ、４ｃ内の酸素を間隙部１０ａ、１０ｂ、１０ｃへ供給可能になっている。

図４に示すように、間隙部１０ａ内には、第１の単セル２ａと第２の単セル２ｂとを電気的に接続するコンタクト（カソード流路板）８ａが配置されている。図３に示すように、間隙部１０ｂ内には、第２の単セル２ｂと第３の単セル２ｃを電気的に接続するコンタクト（カソード流路板）８ｂが配置されている。間隙部１０ｃ内には、第３の単セル２ｃと第４の単セル（図示せず）とを電気的に接続するコンタクト（カソード流路板）８ｃが配置されている。コンタクト８ａ、８ｂ、８ｃの形状は特に限定されない。

このように、第１〜第３ＭＥＡ６ａ、６ｂ、６ｃのカソード電極面上に距離ｈを有する間隙部１０ａ、１０ｂ、１０ｃを形成することにより、気体の透過・拡散による空気循環を利用して酸化剤としての空気（酸素）を第１〜第３ＭＥＡ６ａ、６ｂ、６ｃに満遍なく供給できる。その結果、カソード電極面上に空気を供給するために必要な補器が削減できるため、装置の小型化が図れる。

図５（ａ）に、第１ＭＥＡ６ａの構成例を示す。第１ＭＥＡ６ａは、プロトン伝導膜６１とプロトン伝導膜６１を介して互いに対向するアノード電極６２及びカソード電極６３を備える。プロトン伝導膜６１は、他の部材とのシール部分が形成されているため、カソード電極６３の面積に比べて大きい。本発明の実施の形態では、長さ２Ｌ（又はＬ）を、プロトン伝導膜６１又は第１ＭＥＡ６ａ全体の長さではなく、カソード電極６３の長さとして定義する。

図６に、第１ＭＥＡ６ａと第２アノード流路板５ｂとの間に形成された間隙部１０ａの酸素濃度変化のモデルを表す。図６の例においては、間隙部１０ａの両端がダクト部４ａ、４ｃと連通している。このときの間隙部１０ａのｙ方向の距離をｈとすると、間隙部１０ａに対向する第１ＭＥＡ６ａのカソード電極のｚ方向の長さは２Ｌと定義される。

ダクト部４ａ、４ｃに流れる空気の酸素濃度は均一であると仮定すると、カソード電極では、電流密度ｉに応じて、上述の（２）式に従って酸素が消費される。なお、（２）式における電流密度ｉは、メタノールがプロトン伝導膜６１を通じてカソード電極６３へとクロスオーバーし、酸素と反応して消費される誤差を含む。カソード電極面の酸素の消費量がｚ方向で均一と仮定し、酸素濃度に関して物質収支をとると、（３）式に示す微分方程式と境界条件（Ｂ.Ｃ）が得られる。

∂²C /∂z²=i /(４ＦｈD_O2), B.C. ∂C/∂z (0)=0, C(L)=C_out ・・・（３）

ここでＦはファラデー定数、Ｄ_O2は酸素の拡散係数、Ｃ_outはダクト部の酸素濃度を示す。（３）式を積分することにより、例えば第１ＭＥＡ６ａと第２アノード流路板５ｂとの間に形成される間隙部１０ａの酸素分布濃度は、（４）式で示される。

C(z)= i(z²−L²)/(８ＦｈＤ_O2)+Ｃ_out ・・・（４）

酸素濃度を間隙部１０ａの濃度で規格化し、温度６０℃、電流密度ｉが１５０ｍＡ／ｃｍ²、６０℃における酸素の拡散係数ＤO2を０．２６ｃｍ²／ｓ、酸素濃度Ｃoutを７．７×１０^-6ｍｏｌ／ｃｍ²とした場合に、距離ｈをパラメータとしてプロットしたものを図７に示す。

更に、ｚ＝０の時にＣ（ｚ）＞０とする境界条件を（４）式に代入すると、空気の拡散により酸素を供給できる距離は、（５）式で示される。

Ｌ＜（（８ＦｈＤ_O2）Ｃ_out／ｉ）^0.5 ・・・（５）

したがって、Ｌの大きさを、（５）式を満たすＬより長くすると、ＭＥＡのカソード電極６３面上に供給される酸素が不足する領域が生じる。酸素が不足する部分では、発電反応が十分に進行しないため、起電力はほぼ０に近くなる。一方、ＭＥＡ６ａ〜６ｃを挟持するアノード流路板５ａ〜５ｃ及びコンタクト８ａ〜８ｃの電気伝導率はＭＥＡ６ａ〜６ｃに比べて高いため、単セルは全体としてほぼ等電位となる。その結果、酸素が供給され、発電反応が進行している領域の電位もほぼ０に近くなる。しかしながら、電位が０に近くなっても燃料は供給され続ける場合、発電を伴わずに無駄に消費される燃料の量が急激に増大する。その結果、燃料利用効率が低下する。また、他の単セルが起電力を生じている場合に、電位０近くの単セルにも強制的に電流が流されると、単セルが転極したり、破壊される現象が生じ得るため、燃料電池１全体にダメージが加わる場合がある。

これに対し、（５）式を満たす関係を有する燃料電池１によれば、カソード電極で消費される酸素濃度以上の酸素をカソード電極面上に拡散により供給できるため、カソード電極面における酸素不足領域の形成を抑制できる。その結果、単セルの性能劣化を抑制できるとともに、燃料の無駄な消費を抑制でき、発電効率を高くできる。例えば、図３の間隙部１０ａ、１０ｂ、１０ｃの距離ｈを１ｍｍ、第１〜第３の単セル２ａ、２ｂ、２ｃのカソード電極の長さ２Ｌを１５ｍｍとするような燃料電池１であれば、良好な発電を行うことが可能である。

図８に、図２に示す燃料電池１において、カソード電極の長さＬを０．４ｃｍで固定し、間隙部の距離ｈを変化させた場合の電流密度の実験結果を示す。図８の実線は、図７に示す場合と同様の運転条件で、長さＬを０．４ｃｍとした場合の理論上の限界電流密度を示している。図８の実線より電流密度が低い領域は、図６のｚ＝０の領域において酸素濃度が０とならない部分を示している。図８の結果から分かるように、距離ｈを０．０５ｃｍ、０．１ｃｍ、０．１５ｃｍ、０．２ｃｍとして実験を行った場合のいずれにおいても、カソード電極面に酸素不足領域をもたらすことなく良好に発電を行えることが分かる。

（第１の変形例）
第１の変形例に係る燃料電池１は、図９及び図１０に示すように、単セル２ａ、２ｂ、２ｃに空気を供給するためのダクト部４ａが、容器４の一方の面側のみに配置されている点が、図３及び図４に示す燃料電池１と異なる。

第１ＭＥＡ６ａのカソード電極と第２アノード流路板５ｂは、コンタクト８ａを介して距離ｈを有して離間し、第１ＭＥＡ６ａのカソード電極の表面に対して一定の空間（間隙部１０ａ）を与えるように配置されている。第２ＭＥＡ６ｂのカソード電極と第３アノード流路板５ｃは、コンタクト８ｂを介して距離ｈを有して離間し、第２ＭＥＡ６ｂのカソード電極の表面に対して一定の空間（間隙部１０ｂ）を与えるように配置されている。第３ＭＥＡ６ｃのカソード電極とそのカソード電極と対向するアノード流路板（図示せず）は、コンタクト８ｃを介して距離ｈを有して離間し、第３ＭＥＡ６ｃのカソード電極の表面に対して一定の空間（間隙部１０ｃ）を与えるように配置されている。

このように、コンタクト８ａ、８ｂ、８ｃを介して、カソード電極表面に対し距離ｈで規定される間隙部１０ａ、１０ｂ、１０ｃを配置することにより、ポンプ等の補器を削減しても、気体の透過・拡散による空気循環を利用してカソード電極側に空気を供給できる。なお、図９及び図１０に示す例では、容器４の一方の面側のみにダクト部４ａ、４ｃが配置されているので、（５）式の適用に際しては、第１ＭＥＡ６ａ、第２ＭＥＡ６ｂ、第３ＭＥＡ６ｃのｚ方向のカソード電極の長さはＬとなるように定義される。

（第２の変形例）
第２の変形例に係る燃料電池１は、図１１に示すように、第１ＭＥＡ６ａのカソード電極と第２ＭＥＡ６ｂのカソード電極とが、距離２ｈを介して互いに向かい合って配置されている点が、図３及び図４に示す燃料電池１と異なる。

図１１に示す燃料電池１によれば、第１の単セル２ａのカソード電極と第２の単セル２ｂのカソード電極との間に距離２ｈで規定される間隙部を形成することにより、ポンプ等の補器を削減しても、気体の透過・拡散による空気循環を利用してカソード電極側に、消費酸素濃度以上の酸素を供給することができるとともに、単セルの性能及び発電効率を高く維持可能な燃料電池１および燃料電池１を利用した燃料電池システムを得ることができる。

（第３の変形例）
第１の変形例に係る燃料電池１は、図１２に示すように、第１の単セル２ａ、第２の単セル２ｂ、第３の単セル２ｃ、・・・がそれぞれ多孔体７ａ、７ｂ、７ｃ、・・・を備える点が、図３及び図４に示す燃料電池１と異なる。

多孔体７ａは、第１ＭＥＡ６ａのカソード電極側に配置されている。多孔体７ｂは、第２ＭＥＡ６ｂのカソード電極側に配置されている。多孔体７ｃは、第３ＭＥＡ６ｃのカソード電極側に配置されている。多孔体７ａ、７ｂ、７ｃとしては、気孔を有する多孔質材料、例えば、孔径数μｍの有するカーボンペーパー、カーボンクロス等を用いることができる。例えば、多孔体７ａの気孔率をε、厚みをｄ、多孔体７ａの第１ＭＥＡ６ａのカソード電極側と対向する面の表面から第２アノード流路板５ｂまでの距離ｈ１とすると、上記の（５）式に加えて、以下の（６）式の関係を満たすように、第１〜第３のＭＥＡ６ａ、６ｂ、６ｃの大きさを決定することが望ましい。

ｈ＝ｈ１＋εｄ・・・（６）

図１２に示す燃料電池１によれば、（５）式及び（６）式を満たす大きさの単セル２ａ、２ｂ、２ｃが配置されることにより、性能及び発電効率を高く維持可能な燃料電池１及び燃料電池１を利用した燃料電池システムを得ることができる。

（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が可能である。

図１３に示すように、燃料電池１のダクト部４ａの内部に、単セル２ａ、２ｂ、２ｃ・・・と熱的に連結し、単セル２ａ、２ｂ、２ｃの放熱を行うための放熱フィン９が形成されてもよい。

放熱フィン９の形状は、例えば、図１４に示すように、アノード流路板５ａの一部を延長させるように形成してもよい。図示を省略したコンタクトの一部をダクト部４ａ、４ｃ側に延長して、放熱フィンにしても構わない。また、図１４及び図１５に示すように、燃料電池１の温度及び湿度をより管理しやすくするために、単セル２ａ、２ｂ、２ｃの端部を、多孔体構造物１２で覆ってもよい。

図１６に示すように、幅２Ｌを有する単セル２ａ、２ｂ、２ｃを、単セル２ａ、２ｂ、２ｃ間に距離ｈほど離間させて、収納部４ｂの下面に対してそれぞれ斜めに配置することにより、燃料電池１の薄型化を図ることができる。

図１７に示すように、平板１５上に平面状に第１の単セル２ａ及び第２の単セル２ｂを配置する場合は、図１８に示すように、第１ＭＥＡ６ａ及び第２ＭＥＡ６ｂから上方に距離ｈの間隙部１０ａ、１０ｂを備えるように板１１を配置する。図１８に示すように、第１ＭＥＡ６ａ及び第２ＭＥＡ６ｂの周囲には隔膜１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが形成されており、隔膜１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを介して間隙部１０ａ、１０ｂへ空気（酸素）が供給される。このような構成にすることにより、ポンプ等の補器を削減しても気体の透過・拡散による空気循環を利用して第１ＭＥＡ６ａ及び第２ＭＥＡ６ｂのカソード電極側に空気を供給することができるとともに、カソード電極が乾燥しすぎることを防ぐことが可能となる。また、第１の単セル２ａ及び第２の単セル２ｂの温度が高い場合にも、カソード電極の乾燥を低減させることが可能となる。

また、図１〜図１７に示す燃料電池１においては、アノード流路板とアノード電極とを直接接続する例を示しているが、必要に応じて、アノード流路板とアノード電極との間に多孔体等を挿入しても構わない。

このように、本発明は、この開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によって表されるものであり、実施段階においては、その要旨を逸脱しない範囲で変形して具体化できる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの一例を示すブロック図である。図１の燃料電池の一例を示す斜視図である。図２のＡ−Ａ方向からみた断面図である。図２のＢ−Ｂ方向からみた断面図である。図５（ａ）は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの単セルを示す概略図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す単セルのカソード電極面側からみた平面図である。図２のｙ−ｚ断面における単セル２ａと単セル２ｂとの間の空間の酸素濃度の変化を示す説明図である。単セルの幅Ｌと酸素濃度の関係を示すグラフである。単セルの幅Ｌを０．４ｃｍとした場合の電流密度と距離ｈとの関係を示すグラフである。本発明の第１の変形例に係る燃料電池の一例を示す断面図である。図９に示す燃料電池をｚ−ｘ方向からみた場合の断面図である。本発明の第２の変形例に係る燃料電池の一例を示す断面図である。本発明の第３の変形例に係る燃料電池の一例を示す断面図である。本発明のその他の実施の形態に係る燃料電池の一例を示す断面図である。本発明のその他の実施の形態に係る燃料電池の一例を示す断面図である。図１４に示す燃料電池をｚ−ｘ方向からみた場合の断面図断面図である。本発明のその他の実施の形態に係る燃料電池の一例を示す断面図である。本発明のその他の実施の形態に係る燃料電池であり、平板状に単セルを配置した場合の一例を示す断面図である。図１７に示す燃料電池をｃ−ｃ断面からみた場合の断面図である。

符号の説明

１…燃料電池
２…セルスタック
２ａ…第１の単セル
２ｂ…第２の単セル
２ｃ…第３の単セル
３ａ，３ｂ…隔膜
４…容器
４ａ…ダクト部
４ｂ…収納部
４ｃ…ダクト部
５ａ…第１のアノード流路板
５ｂ…第２のアノード流路板
５ｃ…第３のアノード流路板
６ａ…ＭＥＡ
６ｂ…ＭＥＡ
６ｃ…ＭＥＡ
７ａ…多孔体
７ｂ…多孔体
７ｃ…多孔体
８ａ…コンタクト
８ｂ…コンタクト
８ｃ…コンタクト
９…放熱フィン
１１…板
１２…多孔体構造物
１３ａ…隔膜
２０…燃料タンク
２１…制御弁
３０…燃料ポンプ
４０…混合タンク
５０…循環ポンプ
６１…プロトン伝導膜
６２…アノード電極
６３…カソード電極
７０…濃度センサ
８０…圧力調整機構
９０…ファン
１００…プロセッサ
１０１…制御部
１０２…モニタ部
１０３…電源回路
１０４…メモリ

Claims

アノード電極及びカソード電極を有する膜電極複合体及び前記アノード電極に接続したアノード流路板を有する複数の単セルを、前記カソード電極の消費酸素濃度以上の酸素を前記カソード電極面上に拡散により供給する間隙部を前記カソード電極面上にそれぞれ設けたセルスタックと、
前記セルスタックを収容し、前記単セルの積層方向に平行な方向に一方の面及び他方の面を有する収納部と、
前記一方の面又は他方の面の少なくとも一方に配置され、前記間隙部と連通するダクト部と、
前記ダクト部に前記酸素を供給するファン
とを備えることを特徴とする燃料電池。
前記セルスタックが、
第１アノード電極及び第１カソード電極を有する第１膜電極複合体及び前記第１アノード電極に接続した第１アノード流路板を含む第１の単セルと、
第２アノード電極及び第２カソード電極を有する第２膜電極複合体及び前記第１カソード電極に対向し前記第２アノード電極に接続した第２アノード流路板を含む第２の単セルと、
前記第１カソード電極と前記第２アノード流路板との間の前記間隙部に配置され、前記第１の単セルと前記第２の単セルとを電気的に接続するコンタクト
とを備え、
Ｆをファラデー定数、Ｄ_O2を酸素の拡散係数、Ｃ_outを外気の酸素濃度、ｉを発電時の電流密度、ｈを前記第１カソード電極と前記第２アノード流路板との間の前記間隙部の距離とし、前記他方の面に垂直な方向の前記カソード電極面の長さを、前記カソード電極が前記一方の面又は他方の面いずれか一方の前記ダクト部と連通している場合をＬ、前記カソード電極が前記一方の面及び他方の面の前記ダクト部と連通している場合を２Ｌとした場合に、

Ｌ＜（（８ＦｈＤ_O2）Ｃ_out／ｉ）^0.5

の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記セルスタックが、
第１アノード電極及び第１カソード電極を有する第１膜電極複合体及び前記第１アノード電極に接続した第１アノード流路板を含む第１の単セルと、
第２アノード電極及び前記第１カソード電極に対向する第２カソード電極を有する第２膜電極複合体及び前記第２アノード電極に接続した第２アノード流路板を含む第２の単セルと、
前記第１カソード電極と前記第２カソード電極との間の前記間隙部に配置され、前記第１の単セルと前記第２の単セルとを電気的に接続するコンタクト
とを備え、
Ｆをファラデー定数、Ｄ_O2を酸素の拡散係数、Ｃ_outを外気の酸素濃度、ｉを発電時の電流密度、２ｈを前記第１カソード電極と前記第２カソード電極との間の前記間隙部の距離とし、前記他方の面に垂直な方向の前記カソード電極面の長さを、前記カソード電極が前記一方の面又は他方の面いずれか一方の前記ダクト部と連通している場合をＬ、前記カソード電極が前記一方の面及び他方の面の前記ダクト部と連通している場合を２Ｌとした場合に、

Ｌ＜（（８ＦｈＤ_O2）Ｃ_out／ｉ）^0.5

の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記第１カソード電極と接する多孔体を更に備え、前記多孔体の気孔率をε、前記多孔体の厚みをｄ、前記多孔体の表面と前記第２アノード流路板との間の前記間隙部の距離をｈ１とした場合に、ｈ＝ｈ１＋εｄの関係を更に満たすことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
前記ダクト部と前記収納部との間に、前記酸素の透過を許容する隔膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
アノード電極及びカソード電極を有する膜電極複合体及び前記アノード電極に接続したアノード流路板を有する複数の単セルと、
前記カソード電極の消費酸素濃度以上の酸素を前記カソード電極面上に拡散により供給する間隙部を有する様に前記カソード電極面上にそれぞれ設けた板
とを備えることを特徴とする燃料電池。
前記単セルが、
アノード電極及びカソード電極を有する膜電極複合体及び前記アノード電極に接続したアノード流路板を含み、
Ｆをファラデー定数、Ｄ_O2を酸素の拡散係数、Ｃ_outを外気の酸素濃度、ｉを発電時の電流密度、ｈを前記カソード電極と前記板との間の前記間隙部の距離とし、前記カソード電極面の長さを２Ｌとした場合に、

Ｌ＜（（８ＦｈＤ_O2）Ｃ_out／ｉ）^0.5

の関係を満たすことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池と、
前記セルスタックから排出される排出物と高濃度燃料とを混合して前記セルスタックに供給するための燃料を貯蔵する混合タンクと、
前記燃料を前記セルスタックに循環させる循環ポンプ
とを備えることを特徴とする燃料電池システム。