JP2010003624A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】膜電極接合体のアノード側に生成される水によって電気出力が低下することを抑制する技術を提供することを課題とする。
【解決手段】燃料と酸化剤との電気化学反応で発電する燃料電池システム１であって、電解質膜を触媒電極で挟持するように接合した膜電極接合体７と、燃料が循環する燃料循環流路Ｒであって、燃料循環流路Ｒの一部が膜電極接合体７のアノード側を通過する燃料循環流路Ｒと、膜電極接合体７のカソード側への酸化剤の供給によって生ずる陰イオンと燃料との反応により燃料中に生成される生成水を、燃料循環流路Ｒで燃料から分離する分離膜１５と、分離膜１５によって分離された生成水を大気へ蒸発させる蒸発手段４と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電する。燃料電池の電気化学反応は、イオン交換膜を陽イオンや陰イオンが透過することで実現される。

ここで、陽イオンを透過する酸性の電解質膜によって電気化学反応を実現する場合、強酸性の環境下においても優れた耐食性を発揮する白金等の貴金属触媒を使う必要がある。しかし、貴金属触媒は希少であるため、量産化やコスト削減の観点から、卑金属触媒を使った電気化学反応によって燃料電池の発電が実現されることが望まれる。そこで、触媒に耐食性を要しないアルカリ性の電解質膜で陰イオンを透過し、電気化学反応を実現する燃料電池の開発が望まれる。例えば、特許文献１には、アニオン透過膜を使った燃料電池システムが開示されている。
特開２００７−２９４２２７号公報

陰イオンを透過する電解質膜を使った膜電極接合体のカソード側へ酸化剤を与え、陰イオンと反応して水を生成する化合物を含む燃料をアノード側へ与えると、電解質膜を介してカソード側からアノード側へ透過した陰イオンによってアノード側の燃料が反応し、水を生成する。アノード側に水が生成されると燃料が希釈され、発電電力が低下する。本発明は、係る課題に鑑みなされたものであり、膜電極接合体のアノード側に生成される水による電気出力の低下を抑制する技術を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、燃料が循環する流路に燃料から水を分離する分離膜を設け、分離膜によって分離された水を大気へ蒸発させる。

詳細には、燃料と酸化剤との電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、電解質膜を触媒電極で挟持するように接合した膜電極接合体と、燃料が循環する燃料循環流路であって、該燃料循環流路の一部が前記膜電極接合体のアノード側を通過する燃料循環流路と、前記膜電極接合体のカソード側への酸化剤の供給によって生ずる陰イオンと前記燃料との反応により該燃料中に生成される生成水を、前記燃料循環流路で該燃料から分離する分離膜と、前記分離膜によって分離された前記生成水を大気へ蒸発させる蒸発手段と、を備える。

上記燃料電池システムは、陰イオンを透過するアルカリ性の電解質膜を使い、水酸化物イオン等の陰イオンと反応して水を生成する化合物を含む燃料を膜電極接合体のアノード側に流して発電することを前提としている。このような燃料を膜電極接合体のアノード側に供給し且つ酸化剤をカソード側に供給すると、カソード側で生成された陰イオンが電解質膜を透過してアノード側へ流れ、燃料と反応して水が生成される。燃料が、循環流路を循環しており、電解質膜のアノード側を繰り返し通過するように構成されている場合、電解質膜のアノード側で生成される水が循環流路を循環する燃料中に徐々に蓄積され、燃料が希釈される。

循環流路を循環している燃料中に含まれる水を除去して燃料を濃縮する場合、濃縮処理を徐々に行うことが可能である。すなわち、燃料が循環しておらず、燃料電池スタックのアノード側をワンスルーするようなシステム構成の場合、供給する燃料を濃縮したい場合は濃縮処理を一度に行う必要があるが、燃料が循環している場合はこれを徐々に濃縮してやることで所望の濃度にすることが可能である。本発明は、このような点に着目してなされたものであり、燃料循環流路で燃料から水を分離する分離膜を備える。そして、分離した水を大気へ蒸発させる。このように構成される燃料電池システムによれば、電気化学反応によって循環流路内に溜まる水が分離膜によって分離され、蒸発手段によって大気へ蒸発されるため、分離膜を介した燃料の濃縮処理によって循環流路内の燃料が徐々に濃縮される。よって、燃料と水とを徐々に分離する分離膜のようなものであっても、膜電極接合体へ供給する燃料を濃縮し、膜電極接合体のアノード側に生成される水による発電電力の低下を抑制することが可能となる。従って、燃料と水とを分離するためのタンクや弁類を設けなくても済み、システム構成を簡素化することが可能である。

また、上記燃料電池システムは、前記燃料循環流路を循環する燃料の濃度が前記電気化学反応に適する所定濃度になるように、前記蒸発手段の蒸発量を調整する蒸発量調整手段を更に備えるようにしてもよい。分離膜における燃料と水との分離作用は、分離膜の表面に存在する分離された水の量が少ないほど水が透過しやすく、その作用が促進される。分離膜における水の浸透圧が下がるためである。よって、分離膜で分離された水の蒸発量を調整してやることにより、分離膜における分離作用を調整することが可能であり、燃料循環流路を循環する燃料を所定の濃度にすることができる。なお、所定濃度とは、燃料循環流路を循環する燃料の濃度であり、例えば、膜電極接合体の濃度過電圧に起因する発電効率の低下が許容される濃度である。また、燃料の濃度とは、燃料循環流路内にある燃料と水との混合物における燃料の占める割合である。

また、前記蒸発量調整手段は、前記膜電極接合体の開放電圧に基づいて検知される前記燃料の濃度に応じて、前記蒸発手段の蒸発量を調整するようにしてもよい。膜電極接合体における電気化学反応では、電気出力が抵抗分極、活性化分極、及び濃度過電圧の三要素によって左右されることが知られており、このうち濃度過電圧は膜電極接合体のアノード側に供される燃料の濃度に支配される。このため、この燃料電池システムでは、燃料の濃度に支配される濃度過電圧の変化と共に変化する膜電極接合体の開放電圧に基づいて燃料の濃度を検知することとし、これに基づいて蒸発手段の蒸発量を調整する。これにより、燃料循環経路の燃料の濃度を制御することが可能となる。

また、上記燃料電池システムは、少なくとも一以上の分離膜と、複数の前記膜電極接合体とを積層した積層体である燃料電池スタックを備え、前記蒸発手段は、前記燃料電池スタックに積層されている各膜電極接合体のカソード側と前記分離膜の表面とへ前記酸化剤を含む空気を流す空気ファンであり、該空気を流すことで該各膜電極接合体のカソード側の触媒電極に前記酸化剤を供給し且つ該分離膜によって分離された前記生成水を大気へ蒸発させるようにしてもよい。これによれば、燃料電池スタックに酸化剤を含む空気を供給するファンの回転により、酸化剤の供給、燃料電池スタックの冷却、及び分離膜表面の水の蒸発の促進に伴う燃料の濃縮の促進という、３つの機能が同時に実現される。よって、燃料電池システム全体を極めて簡素に構成することが可能であり、システム構成を簡素化することが可能である。

また、前記蒸発量調整手段は、前記空気ファンの回転数の変更によって前記蒸発手段の蒸発量を調整するようにしてもよい。液状の水の表面を空気が流れることによる水の気化は、空気の流れが速くなるほど促進される。よって、空気ファンの回転数を変更してやることで分離膜表面の水の蒸発量を調整することが可能である。既述したように分離膜における水の透過量は分離膜表面の水の量に応じて変化するため、分離膜表面の水の蒸発量を
調整してやることで燃料の濃度を調整することが可能である。

また、前記燃料循環流路は、該燃料循環流路の燃料を循環させる循環ポンプを有し、前記蒸発量調整手段は、前記循環ポンプの回転数の変更によって前記蒸発手段の蒸発量を調整するようにしてもよい。燃料の流れを速くすると、分離膜を通過する燃料の量も多くなるため、燃料中に含まれる水の分離が促進される。このため、循環ポンプの回転数の調整によって燃料の濃度を調整することが可能である。

また、前記燃料は、液体であり、前記燃料循環流路へ燃料を供給する燃料タンクであって、該燃料循環流路を循環する燃料が減ると該燃料タンク内の燃料の水頭圧力で該燃料循環流路へ燃料を供給する燃料タンクを更に備えるようにしてもよい。これによれば、膜電極接合体における電気化学反応によって燃料循環流路内の燃料が消費され、或いは燃料中に含まれる水が分離されて燃料循環流路内から除去された場合に、燃料タンク内の燃料の水頭圧力によって燃料循環流路内へ燃料が自動的に補給される。よって、燃料電池システム全体の構成を複雑にすることなく、燃料の消費や水の分離によって必要となる燃料循環流路内への燃料の補給を実現することが可能となる。

膜電極接合体のアノード側に生成される水によって電気出力が低下することを抑制することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を例示的に説明する。以下に示す実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１は本実施形態に係る燃料電池システム１を正面から構造図であり、図２は燃料電池システム１を側面から見た構造図である。図１および２に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２、燃料電池スタック２の各膜電極接合体のアノード側に供給する液体の燃料を蓄える燃料タンク３、燃料電池スタック２の各膜電極接合体のカソード側に供給する空気を送るファン４（本発明でいう、蒸発手段に相当する）、液体の燃料を循環させる燃料循環ポンプ５、及びシステムを構成する各機器を制御する電子制御装置６（本発明でいう、蒸発量調整手段に相当する）を備える。

燃料電池スタック２は、陰イオンを透過するアニオン交換膜型の燃料電池スタックであり、常温で液体もしくは１０気圧以下で液化する炭化水素系燃料（以下、単に燃料といい、本実施形態においては特にメタノールを示しているものとする）を改質せずに、発電に直接利用することできる。なお、本実施形態に係る燃料電池スタック２に適用可能な燃料としては、メタノールの他、エタノール、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、プロパン、ブタン、プロパノール、ブタノールといったアルコール類、エーテル類、炭化水素類等が例示できる。燃料電池スタック２は、陰イオンを透過するアニオン交換膜をアノード触媒電極層とカソード触媒電極層で挟持するように接合した膜電極接合体７を複数有しており、これら複数の膜電極接合体７がセパレータ１２を介して積層されることにより、所望の電圧を出力し得るように構成されている。燃料電池スタック２は、アノード触媒電極層に燃料が供給され、カソード触媒電極層に酸化剤ガスが供給されることで、以下のような電気化学反応が生じ、電気エネルギを発生する。
（アノード側） ＣＨ₃ＯＨ＋６ＯＨ―→ＣＯ₂＋５Ｈ₂Ｏ＋６ｅ^-
（カソード側） ３／２Ｏ₂＋３Ｈ₂Ｏ＋６ｅ^-→６ＯＨ^-
すなわち、燃料電池スタック２は、カソード触媒電極層の触媒反応によって生成された陰イオンをアニオン交換膜がアノード触媒電極層に透過させることで、アノード側における燃料と陰イオンとの電気化学反応が実現される。なお、この電気化学反応によってアノ
ード側に生成される水の多くはカソード側に透過し、カソード側における陰イオンの生成に寄与するが、一部が燃料中に残る。

アノード触媒電極層やカソード触媒電極層は、触媒を担持した触媒担持カーボンで構成されている。触媒担持カーボンに担持されている触媒は、膜電極接合体７の電解質膜が水酸化物イオンを透過するアルカリ性のアニオン交換膜であるため、プロトンを透過する強酸性のカチオン交換膜を使った膜電極接合体に使われるような耐食性のあるプラチナ（Ｐｔ）等の貴金属触媒ではなく、ニッケル等の卑金属触媒で構成されている。また、アニオン交換膜と各触媒電極層との間にはアイオノマが塗布されている。

また、燃料電池スタック２は、膜電極接合体７およびセパレータ１２のみならず、燃料中に含まれる水を燃料と分離する分子ふるい膜である分離膜１５を更に備えている。分離膜１５は、メタノール分子と水分子との大きさの違いに着目し、メタノール分子よりも小さく水分子よりも大きい内径を有する多数の細孔によってメタノール分子をろ過して水分子を取り出す高分子製の膜である。また、燃料電池スタック２は、積層された膜電極接合体７から電力を取り出す導電性の板であるターミナル１６を二つ備える。２つのターミナル１６は、一方が積層体の陽極側の端部付近に配置され、他方が積層体の陰極側の端部付近に配置されることで、２つのターミナル１６の間に挟持された各膜電極接合体７の電力を取り出す。

ところで、燃料電池スタック２は、陰極側のターミナル１６の更に陰極側に、ダミーセル１７を有する。ダミーセル１７は、２つのターミナル１６の間に挟持される膜電極接合体７およびセパレータ１２と同様の構成である。すなわち、ダミーセル１７は、上述した膜電極接合体７およびセパレータ１２で構成されており、燃料や酸化剤が供給される。しかし、ダミーセル１７は、発電電力を供給することを目的としておらず、燃料電池スタック２（或いは膜電極接合体７）の開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）を検知することを目的とする。すなわち、ダミーセル１７は、開放電圧を目的とするものであるからその両極は図示されていない電圧センサに接続されており、ターミナル１６を介した負荷への電力の供給は行われないようになっている。図示しない電圧センサは、電子制御装置６に内蔵されており、各種機器類の制御パラメータとして用いられる。

燃料循環ポンプ５は、燃料電池スタック２の内部に設けられる下流側燃料マニホールド８から上流側燃料マニホールド９へ燃料を送るポンプであり、膜電極接合体７のアノード触媒電極層を通過する燃料循環流路Ｒの燃料を循環させる。すなわち、燃料循環ポンプ５は、吸込側が下流側燃料マニホールド８に接続されており、吐出側が上流側燃料マニホールド９に接続されていることにより、燃料電池スタック２内の燃料を循環させる。燃料循環ポンプ５の駆動により、反応済の燃料がアノード触媒電極層に滞留することによる電気化学反応の低下が防止される。

燃料循環ポンプ５から送られた燃料を各膜電極接合体７へ分岐させる上流側燃料マニホールド９は、燃料電池スタック２内をセルの積層方向に沿って貫くように構成されており、且つ燃料電池スタック２内の上面に近い部分に設けられている。また、上流側燃料マニホールド９によって各膜電極接合体７へ分岐された燃料を合流させる下流側燃料マニホールド８は、上流側燃料マニホールド９と同様、燃料電池スタック２内をセルの積層方向に沿って貫くように構成されており、且つ燃料電池スタック２内の下面に近い部分に設けられている。上流側燃料マニホールド９と下流側燃料マニホールド８が燃料電池スタック２内でこのように配置されていることに鑑み、燃料循環ポンプ５は、配管の取り回しを簡潔にするため、燃料電池スタック２の積層方向における端部にある陽極側エンドプレート１０に取り付けられている。

燃料タンク３は、上述した燃料を蓄えるタンクであり、燃料電池スタック２の積層方向の両端にある陽極側エンドプレート１０と陰極側エンドプレート１１とに支持される形で燃料電池スタック２の上に搭載されている。燃料タンク３の下側にはタンク内の燃料を抜き出す配管が設けられており、該配管の他端が燃料循環ポンプ５と上流側燃料マニホールド９とを繋ぐ配管に接続されている。燃料タンク３は、燃料電池スタック２の上に搭載されているため、燃料循環ポンプ５や燃料電池スタック２、配管類で構成される燃料循環流路Ｒのヘッドタンク的な役割を果たす。すなわち、燃料循環流路Ｒ内の燃料が電気化学反応によって消費されると燃料タンク３から燃料循環流路Ｒへ燃料が供給され、燃料循環流路Ｒの燃料の温度が変化して膨張収縮をした場合、その体積の変化を燃料タンク３内の燃料が吸収する。

ファン４は、図示しない電動機によって回転されることで、燃料電池スタック２のカソード側に酸化剤ガスである空気を流す。ファン４は、セルの積層体である燃料電池スタック２の積層方向と交差する方向の面に設けられており、電動機によって回転されることで、積層された各膜電極接合体７のカソード側に空気を流す。

図３は、燃料電池スタック２内を流れる燃料、及び酸化剤ガスである空気の流れを示す説明図である。図３に示すように、燃料循環ポンプ５によって循環される燃料がセパレータ１２に設けられた燃料流路１３を通過することによって、膜電極接合体７のアノード触媒電極層に燃料が供給される。また、ファン４によって流れる空気がセパレータ１２に設けられた空気流路１４を通過することによって、膜電極接合体７のカソード触媒電極層に酸化剤ガスが供給される。なお、分離膜１５も、膜電極接合体７と同様、セパレータ１２を介して燃料電池スタック２に積層されている。よって、燃料流路１３を流れる燃料中に含まれる水は分離膜１５を透過して空気流路１４側へ移動する。そして、空気流路１４側へ移動した水は、空気流路１４を流れる、分離膜１５の表面を通過する空気によって持ち去られる（蒸発する）。

電子制御装置６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び入出力インターフェース等で構成されており
、ファン４や燃料循環ポンプ５を制御する。また、電子制御装置６は、燃料電池スタック２の出力電圧や出力電流を検出する図示しないセンサと電気的に接続されており、燃料電池スタック２の出力電圧や出力電流を計測する。電子制御装置６は、燃料電池スタック２と電気的に接続される図示しない負荷や二次電池の各種データを取得し、これらのデータに基づいて燃料電池スタック２の発電を制御することで電力の供給を制御する。

次に、燃料電池システム１の動作について説明する。図示しない燃料電池システム１のメインスイッチがオンにされると、電子制御装置６は、次のような処理を行ってシステムを起動する。すなわち、燃料電池システム１のメインスイッチがオンにされると、電子制御装置６は、燃料循環ポンプ５の電動機に二次電池からの電力を供給する。これにより、燃料循環ポンプ５が駆動し、燃料が循環し始める。換言すると、燃料電池スタック２の膜電極接合体７のアノード側を燃料が流れ始める。燃料循環ポンプ５は、回転数制御等が特に施されることは無く、電動機の定格能力で駆動する。また、電子制御装置６は、燃料循環ポンプ５の駆動と同時に、ファン４の電動機に二次電池からの電力を供給する。これにより、ファン４が駆動し、燃料電池スタック２の膜電極接合体のカソード側を空気が流れ始める。更に、電子制御装置６は、燃料電池スタック２の電気出力を負荷と接続する。これにより、燃料電池スタック２では、アノード触媒電極層に供給される燃料、カソード触媒電極層に供給される空気中に含まれる酸素、及びアノード側から透過してきたカソード触媒電極層の表面に付着している水によって電気化学反応が生じ、電気エネルギが発生する。すなわち、燃料電池システム１が起動し、電力の供給が開始される。

なお、ファン４は、電子制御装置６に制御される図示しないインバータ装置によって回転数が制御可能な電動機によって駆動されており、電子制御装置６からの指令に応じて通風量を調整することが可能である。電子制御装置６は、燃料電池スタック２の温度を計測する図示しない温度センサからの信号を受けて燃料電池スタック２の温度を検知し、燃料電池スタック２が過熱しないようにファン４の回転数を調整する。すなわち、ファン４は、燃料電池スタック２のカソード側に酸化剤を含む空気を供給すると共に、燃料電池スタック２の冷却も兼ね備える。

ところで、膜電極接合体７を介した燃料と酸化剤ガスとの電気化学反応により、膜電極接合体７のアノード側では次のような現象が生じる。図４は、発電中の膜電極接合体７の状態を示す図である。膜電極接合体７のカソード触媒電極層では、触媒の作用によって陰イオンである水酸化物イオンが生成される。水酸化物イオンは、アニオン交換膜を通ってアノード側に移動する。アノード側に移動した水酸化物イオンは、アノード触媒電極層の触媒作用によってメタノールと反応し、二酸化炭素と水を生成する。アノード側における化学反応によって発生した電子が負荷を介してカソード側に流れることで電力が発生する。アノード側に発生した水の多くはアニオン交換膜を介してカソード側に透過するが、一部がアノード側に残留することで燃料が水に希釈される。

ここで、膜電極接合体７における電気化学反応では、電解質膜や触媒電極の電気抵抗に起因する抵抗分極、電極反応の活性化エネルギに起因する活性化分極、及び電極反応の進行に伴って電極表面における反応物の濃度が減少することに起因する濃度過電圧（濃度分極或いは拡散分極ともいう）が発生することが知られている。図５は、開放電圧と燃料濃度との関係（一点鎖線）、及び燃料循環ポンプ５の吐出量と燃料濃度との関係（実線）を示したグラフである。図５に示すように、燃料電池の開放電圧は、燃料濃度が濃くなるに従って高くなってゆくが、ある上限を境に反転し、低くなっていく。濃度過電圧が、電極表面における反応物の濃度が減少することに起因するものであることから燃料の濃度や流速に対する依存性が強く、燃料濃度が薄い場合はこのような濃度過電圧に起因する電圧降下量が大きい。このため、燃料濃度を濃くすることによる電圧降下量の低減ができる半面、燃料濃度が濃くなり過ぎると、電解質膜を介したアノード側からカソード側への燃料の透過量が増えることに起因する、すなわち、燃料のクロスオーバに起因する電圧降下量が増大する。なお、燃料が濃くなると粘性が増大してポンプの吐出量が減少する。このような特性に鑑み、本実施形態に係る燃料電池システム１では、メタノール水溶液である燃料の濃度を１０〜３０％に制御する。この制御目標値の下限が本発明でいう所定濃度に相当するものであり、下限である１０％という値は濃度過電圧に起因する電力損失が抑制され、許容できる発電効率の低下量の下限である。なお、上限である３０％という値は電解質膜における燃料のクロスオーバの影響が抑制され、発電効率の低下に多大な影響を及ぼさない値である。このような数値は単なる例示であり、本発明でいう所定濃度はこのような数値に限定されるものではない。すなわち、所定濃度とは、例えば、燃料電池システムに要求される発電効率を満たす程度に、濃度過電圧に起因する電力損失、及び燃料のクロスオーバに起因する電力損失の影響が抑制される燃料の濃度である。

以下、本実施形態に係る燃料電池システム１の燃料の濃度制御について詳述する。図６は、電子制御装置６が実行する燃料電池システム１の処理内容のフロー図である。電子制御装置６は、燃料電池システム１のメインスイッチのオン操作によって燃料循環ポンプ５およびファン４を起動し、燃料電池スタック２の発電を開始したら（Ｓ１０１）、ダミーセル１７の開放電圧に関するパラメータを取得する（Ｓ１０２）。

電子制御装置６は、ステップＳ１０３で燃料電池スタック２のダミーセル１７の開放電圧に関するパラメータを取得したら、取得したパラメータに基づいて燃料電池スタック２内に供給されている燃料の濃度が所定濃度を満たしているか否かを判定する（Ｓ１０３）
。判定にあたり、電子制御装置６は、自身のメモリに予め格納されている上述した図５に示すような燃料濃度―開放電圧特性マップを参照し、ステップＳ１０２で取得した燃料電池スタック２のダミーセル１７の開放電圧のパラメータから燃料の濃度が所定の濃度であるか否かを判定する。電子制御装置６は、燃料の濃度が所定濃度未満である場合、燃料中に含まれる水を除去するため、後述するステップＳ１０５の処理を実行する。他方、電子制御装置６は、燃料の濃度が所定濃度以上である場合、ステップＳ１０４の処理を実行する。電子制御装置６は、燃料の濃度が所定濃度以上である場合、燃料循環ポンプ５を定格回転数で駆動すると共に、燃料電池スタック２の温度が定格運転温度に保たれるようにファン４の電動機の回転数を制御する（Ｓ１０４）。

電子制御装置６は、ステップＳ１０３の処理によって燃料中に含まれる水を除去することを決定すると、ファン４の電動機の回転数を制御する図示しないインバータを制御してファン４の回転数を上げ、分離膜の表面を通過する空気の量を増やす（Ｓ１０５）。ファン４の回転数は、上述したステップＳ１０４の処理のように燃料電池スタック２の温度に応じて決定するのではなく、例えば、ファン４の最大回転数等に設定する。ファン４の回転数が上がって分離膜の表面を通過する空気の量が増えることにより、分離膜を透過して表面に析出してきた水の気化が促進される。気化が促進されて分離膜の表面が乾くと分離膜の裏側における水の浸透が促進され、燃料中に含まれる水の除去が促進される。すなわち、燃料の濃縮が促進される。

上述したステップＳ１０４、或いはステップＳ１０５の処理が完了したら、電子制御装置６は、発電を継続するか否かを判定する（Ｓ１０６）。すなわち、電子制御装置６は、燃料電池システム１のメインスイッチがオンのままであれば、上述したステップＳ１０２以降の処理を再び実行する。他方、電子制御装置６は、燃料電池システム１のメインスイッチがオフになれば、次のステップＳ１０６の処理を実行することにより燃料電池システム１の発電を停止する。なお、ステップＳ１０５の処理の実行によって燃料が所定濃度に達すれば、本ステップＳ１０６の処理を経てから再び実行されるステップＳ１０２、及びＳ１０３の処理により、通常運転（Ｓ１０４）に戻る。

上述したステップＳ１０６の処理によって燃料電池システム１の発電の停止処理が選択されると、電子制御装置６は、燃料電池スタック２に接続されている電気的な負荷を切り離すと共に、燃料循環ポンプ５およびファン４を停止する（Ｓ１０７）。これにより、電気化学反応が止まり、燃料電池システム１の停止処理が完了する。

以上、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料から水を分離する分離膜を膜電極接合体７と同様に燃料電池スタック２に積層するだけで燃料を濃縮することが可能であるため、燃料電池システム１のシステム構成を複雑にすることなく、反応生成水によって希釈される燃料を濃縮することが可能になる。これにより、燃料中に生成される反応生成水による燃料の希釈化が防止され、発電電力の低下を防ぐことが可能になる。

＜変形例＞
以下、上述した実施形態の変形例について説明する。上述した実施形態では、ファン４の回転数を調整して燃料の濃度を制御していたが、上記実施形態は、次のように変形してもよい。すなわち、本変形例は、上述した実施形態のステップＳ１０５の処理を変形したものであり、ファン４の回転数のみならず、燃料循環ポンプ５の回転数も上げる。これによれば、分離膜の裏面を通過する燃料の量が増大するので分離膜の表面側への水の透過が促進され、燃料中に含まれる水の除去が促進される。換言すると、燃料が速やかに濃縮される。

以上、本変形例によれば、反応生成水によって希釈された燃料の濃縮が速やかに行われ
るため、燃料の希釈化によって低下した電気出力を速やかに回復させることが可能である。

また、上述した実施形態では分離膜の大きさ等について特に言及しなかったが、分離膜の大きさは、燃料電池システムの規模や使用環境、すなわち、循環する燃料の量や燃料循環ポンプの性能、空気ファンの性能、或いは地域の気象特性（例えば、湿潤気候の地域であったり、乾燥気候の地域であったりといった、空気による分離膜表面の水の除去の速度に影響を与える気象特性）といった条件に応じて適宜調整することが望ましい。図７は、燃料循環ポンプや空気ファンの性能が高いか、或いは燃料電池システムが使用される使用環境が乾燥地域であることにより、分離膜の大きさを小さくすることができる場合の、分離膜の変形例を示す図である。分離膜による燃料の濃縮性能を下げたい場合は、例えば、図７に示すように、分離膜１５や、分離膜１５と接するセパレータ１２の燃料流路１３の大きさを小さくする。これにより、分離膜１５の面積が小さくなるため、透過する水の量が減って濃縮性能が下がる。

また、図８は、燃料循環ポンプや空気ファンの性能が低いか、或いは燃料電池システムが使用される使用環境が湿潤地域であることにより、分離膜の大きさを大きくする必要がある場合の、燃料電池システムの変形例である。分離膜による燃料の濃縮性能を上げたい場合は、例えば、図８に示すように、分離膜１５を複数にする。これにより、透過する水の量が増えて濃縮性能が上がる。なお、このように複数の分離膜１５とセパレータ１２で構成される積層部分を、膜電極接合体７を積層した積層部分と分離してもよい。すなわち、燃料電池システムを、分離膜１５を積層したスタックと、膜電極接合体７を積層したスタックとで構成してもよい。この場合、膜電極接合体７を積層したスタックを循環する燃料は、分離膜１５を積層したスタックも通過するようにする。

なお、上記実施形態および変形例では、燃料と水との分子の大きさの違いを利用する分子ふるい膜を使っていたが、ポリビニールアルコール（ＰＶＡ）やポリイミド、キトサン等の高分子膜やゼオライトによるパーベーパレーション法（ＰＶ法）を使って燃料と水とを分離してもよい。

燃料電池システムを正面から見た構造図。 燃料電池システムを側面から見た構造図。 燃料と空気の流れを示す説明図。 発電中の膜電極接合体の状態図。 開放電圧と燃料濃度との関係、及び吐出量と燃料濃度との関係を示したグラフ。 燃料電池システムの動作フロー図。 分離膜の変形例を示す図。 燃料電池システムの変形例に係る構造図。

符号の説明

１・・・燃料電池システム
２・・・燃料電池スタック
３・・・燃料タンク
４・・・ファン
５・・・燃料循環ポンプ
６・・・電子制御装置
７・・・膜電極接合体
８・・・下流側燃料マニホールド
９・・・上流側燃料マニホールド
１０・・・陽極側エンドプレート
１１・・・陰極側エンドプレート
１２・・・セパレータ
１３・・・燃料流路
１４・・・空気流路
１５・・・分離膜
１６・・・ターミナル
１７・・・ダミーセル

Claims (8)

1. 燃料と酸化剤との電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、
   電解質膜を触媒電極で挟持するように接合した膜電極接合体と、
   燃料が循環する燃料循環流路であって、該燃料循環流路の一部が前記膜電極接合体のアノード側を通過する燃料循環流路と、
   前記膜電極接合体のカソード側への酸化剤の供給によって生ずる陰イオンと前記燃料との反応により該燃料中に生成される生成水を、前記燃料循環流路で該燃料から分離する分離膜と、
   前記分離膜によって分離された前記生成水を大気へ蒸発させる蒸発手段と、を備える、
   燃料電池システム。
2. 前記燃料循環流路を循環する燃料の濃度が前記電気化学反応に適する所定濃度になるように、前記蒸発手段の蒸発量を調整する蒸発量調整手段を更に備える、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記所定濃度は、前記膜電極接合体の濃度過電圧に起因する発電効率の低下が許容される濃度である、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記蒸発量調整手段は、前記膜電極接合体の開放電圧に基づいて検知される前記燃料の濃度に応じて、前記蒸発手段の蒸発量を調整する、
   請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 少なくとも一以上の分離膜と、複数の前記膜電極接合体とを積層した積層体である燃料電池スタックを備え、
   前記蒸発手段は、前記燃料電池スタックに積層されている各膜電極接合体のカソード側と前記分離膜の表面とへ前記酸化剤を含む空気を流す空気ファンであり、該空気を流すことで該各膜電極接合体のカソード側の触媒電極に前記酸化剤を供給し且つ該分離膜によって分離された前記生成水を大気へ蒸発させる、
   請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記蒸発量調整手段は、前記空気ファンの回転数の変更によって前記蒸発手段の蒸発量を調整する、
   請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料循環流路は、該燃料循環流路の燃料を循環させる循環ポンプを有し、
   前記蒸発量調整手段は、前記循環ポンプの回転数の変更によって前記蒸発手段の蒸発量を調整する、
   請求項１から６の何れか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料は、液体であり、
   前記燃料循環流路へ燃料を供給する燃料タンクであって、該燃料循環流路を循環する燃料が減ると該燃料タンク内の燃料の水頭圧力で該燃料循環流路へ燃料を供給する燃料タンクを更に備える、
   請求項１から７の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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