WO2013065082A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2013065082A1
WO2013065082A1 PCT/JP2011/006102 JP2011006102W WO2013065082A1 WO 2013065082 A1 WO2013065082 A1 WO 2013065082A1 JP 2011006102 W JP2011006102 W JP 2011006102W WO 2013065082 A1 WO2013065082 A1 WO 2013065082A1
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WO
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fuel cell
air
cell module
fuel
cell system
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PCT/JP2011/006102
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翔 浦田
安尾　耕司
Original Assignee
三洋電機株式会社
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • the fuel cell system is a device that generates electrical energy from hydrogen and oxygen, and can achieve high power generation efficiency.
  • the main features of the fuel cell system are direct power generation that does not go through the process of thermal energy or kinetic energy as in the conventional power generation method, so that high power generation efficiency can be expected even on a small scale, and emissions of nitrogen compounds, etc. There are few, and noise and vibration are also small, and environmental properties are good.
  • the fuel cell system can effectively use the chemical energy of the fuel and has environmentally friendly characteristics, so it is expected as an energy supply system for the 21st century, from space use to automobiles and portable devices. It is attracting attention as a promising new power generation system that can be used in various applications from large-scale power generation to small-scale power generation, and technological development is in full swing toward practical use.
  • Fuel cells generate heat and increase in temperature with power generation. If the temperature of the fuel cell rises excessively, performance degradation due to dryout occurs. In order to prevent this, an air cooling technique using a blowing means such as a fan is known (see Patent Documents 1 to 3).
  • the present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to provide a technique capable of suppressing power consumption when the fuel cell is air-cooled.
  • An aspect of the present invention is a fuel cell system.
  • the fuel cell system includes a fuel cell including an electrolyte membrane, a cathode provided on one surface of the electrolyte membrane, and an anode provided on the other surface of the electrolyte membrane, and a cathode of the fuel cell.
  • a blower for blowing air from a blower opening provided in the vicinity of the main surface of the fuel cell across the cathode-side main surface of the fuel cell, and a main part on the cathode side of the fuel cell At least a part of the fuel cell is inclined with respect to the blowing direction at the blowing port so that at least a part of the surface receives the air blown from the blowing port.
  • FIG. 1A is a perspective view of the fuel cell system according to Embodiment 1 as viewed obliquely from above.
  • FIG. 1B is a perspective view of the fuel cell system according to Embodiment 1 as viewed obliquely from below.
  • 2A to 2D are a top view, a bottom view, a front view, and a side view, respectively, of the housing of the first embodiment.
  • FIGS. 3A and 3B are a front view and a perspective view, respectively, showing an outline of the configuration of the fuel cell system housed in the housing in relation to the first embodiment.
  • 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell module according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell module according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a blower used in Embodiment 1.
  • FIG. It is the schematic which shows the mode of the ventilation in the fuel cell system of Embodiment 1, and the form of a fuel accommodating part.
  • It is the schematic which shows the mode of the ventilation in the fuel cell system of Embodiment 4, and the form of a fuel cell module.
  • FIG. 10 is a schematic view showing a state of air blowing and a form of a fuel cell module in a fuel cell system of an eighth embodiment. It is a figure which shows the modification of the storage form of a pellet.
  • FIG. 1A is a perspective view of the fuel cell system according to Embodiment 1 as viewed obliquely from above.
  • FIG. 1B is a perspective view of the fuel cell system according to Embodiment 1 as viewed obliquely from below.
  • 2A to 2D are a top view, a bottom view, a front view, and a side view, respectively, of the housing of the first embodiment.
  • FIGS. 3A and 3B are a front view and a perspective view, respectively, showing an outline of the configuration of the fuel cell system 10 accommodated in the housing 100 in the first embodiment.
  • the fuel cell system 10 includes a housing 100, a fuel cell module 20, a fuel storage unit 30, a fuel supply unit 39, a blower unit 40, a temperature detection unit 60, and a control unit 70.
  • the fuel cell system 10 of the present embodiment is a passive fuel cell system that does not use an auxiliary machine such as a pump for supplying fuel.
  • the housing 100 contains the fuel cell module 20, the fuel storage unit 30, the air blowing unit 40, the temperature detection unit 60, and the control unit 70 in a compact form that is easy to carry. As shown in FIGS. 2A to 2D, most of the housing 100 is integrally formed, but for convenience, it is mainly divided into a base portion 110 and a protruding portion 120.
  • the base portion 110 has a rectangular parallelepiped shape, and leg portions 112 for mounting on an installation surface such as a desk are provided at both longitudinal ends of the bottom surface.
  • An air inlet 114 is provided on the bottom surface of the base 110, and outside air is taken into the base 110 through the air inlet 114.
  • the region where the air inlet 114 is provided is a concave portion with respect to the leg 112, and the leg 112 is in contact with the installation surface, and is between the installation surface and the air intake 114. A gap is created. Thereby, outside air can be taken in from the bottom surface of the base 110 in a state where the housing 100 is placed on the installation surface.
  • the number and position of the air inlets 114 are appropriately set according to the form of the air blowing unit 40 described later.
  • the upper surface of the base 110 is divided into a region M along one side along the longitudinal direction and a region N along the other side along the longitudinal direction (see FIG. 2A).
  • region M two pairs of air outlets 116 a and 116 b are provided in the vicinity of the main surface on the cathode side of the fuel cell module 20.
  • region N two sets of air outlets 116 c and 116 d are provided in the vicinity of the main surface on the cathode side of the fuel cell module 20.
  • the openings of the air outlets 116a to 116d in the present embodiment are both rectangular. However, the opening shape is not limited to this rectangular shape, and can be changed as appropriate.
  • the protruding portion 120 protrudes above the base 110 in a region sandwiched between the region M and the region N. When viewed from the side, it has an inverted T shape (see FIG. 2D).
  • the shape of the protrusion 120 when viewed from the side is a trapezoid whose upper side is the long side, and the upper part of the protrusion 120 protrudes above the regions M and N.
  • An opening 118m corresponding to the installation area of the fuel cell module 20 provided on the area M side is provided on one side of the protrusion 120 (area M side).
  • an opening 118n corresponding to the installation region of the fuel cell module 20 provided on the region N side is provided on the other side of the protrusion 120 (region N side).
  • the fuel cell module 20, the fuel storage unit 30, and the fuel supply unit 39 are accommodated in the protrusion 120 (not shown).
  • the fuel storage unit 30 stores a hydrogen storage alloy.
  • the hydrogen storage alloy can store hydrogen and release the stored hydrogen, for example, rare earth-based MmNi 4.32 Mn 0.18 Al 0.1 Fe 0.1 Co 0.3 (Mm is Misch metal).
  • the hydrogen storage alloy can be formed into a compression molded body (pellet) obtained by mixing a binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion into the above-mentioned hydrogen storage alloy powder and compression molding with a press. If necessary, a sintering process may be performed after the compression molding.
  • the fuel storage unit 30 is formed of a material such as aluminum, copper, or SUS that has good heat conductivity.
  • Fuel cell modules 20 are disposed on both sides of the fuel storage unit 30, respectively.
  • the four fuel cell modules 20 are arranged in a plane on both sides of the fuel storage unit 30 so as to overlap the four openings 118 provided in the protruding portion 120 of the housing 100.
  • the outermost member of the fuel cell module 20 is a cathode protective layer 200 described later.
  • blower 40 Details of the blower 40 and the controller 70 will be described later.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the fuel cell module 20.
  • the fuel cell module 20 has a plurality of membrane electrode assemblies 21.
  • the plurality of membrane electrode assemblies 21 are disposed in openings formed in the base material 22 and are arranged in a plane.
  • the base material 22 is formed of an insulating material such as polyacrylate.
  • the membrane electrode assembly 21 includes an electrolyte membrane 23, a cathode 24 provided on one surface of the electrolyte membrane 23, and an anode 25 provided on the other surface of the electrolyte membrane 23.
  • the electrolyte membrane 23 is provided so as to fill the opening provided in the base material 22.
  • air is supplied to the cathode 24 as an oxidant.
  • hydrogen is supplied to the anode 25 as a fuel gas.
  • a cell is formed by sandwiching the electrolyte membrane 23 between the pair of cathodes 24 and the anode 25, and each cell generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air.
  • a plurality of cells are formed in a planar shape.
  • the interconnector 26 is provided through the base material 22 between the adjacent membrane electrode assemblies 21.
  • the cathode 24 of one membrane electrode assembly 21 is connected to one end of the interconnector 26, and the anode 25 of the other membrane electrode assembly 21 is connected to the other end of the interconnector 26.
  • the interconnector 26 is made of a conductive material such as carbon. With the above configuration, the adjacent membrane electrode assemblies 21 are connected in series by the interconnector 26.
  • the electrolyte membrane 23 preferably exhibits good ion conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the cathode 24 and the anode 25.
  • the electrolyte membrane 23 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer, and for example, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a perfluorocarbon polymer having a phosphonic acid group or a carboxylic acid group. Etc. can be used.
  • the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark) 112.
  • non-fluorine polymers include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone.
  • the cathode 24 and the anode 25 have ion exchange resin and catalyst particles, and possibly carbon particles.
  • the ion exchange resin which the cathode 24 and the anode 25 have has a role which connects a catalyst particle and the electrolyte membrane 23, and transmits a proton between both.
  • This ion exchange resin may be formed of the same polymer material as the electrolyte membrane 23.
  • catalyst metals include Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Pt, Os, Ir, alloys selected from lanthanoid series elements and actinoid series elements, A simple substance is mentioned.
  • acetylene black, ketjen black, carbon nanotubes or the like may be used as the carbon particles.
  • the fuel cell module 20 is arranged such that the main surface on the cathode 24 side faces the outside of the fuel cell system 10.
  • the fuel cell module 20 has a cathode protective layer 200 on the cathode 24 side of the membrane electrode assembly 21.
  • the cathode protective layer 200 is a member located on the outermost side of the fuel cell module 20 on the cathode side.
  • the cathode protective layer 200 is formed of a flat plate member, and the cathode protective layer 200 is formed with a large number of through holes 201 penetrating from one main surface to the other main surface. These through holes 201 provide air permeability between the cathode 24 and the outside of the fuel cell.
  • the material of the cathode protective layer 200 is not particularly limited, and examples thereof include insulators such as anodized aluminum and polyacrylate.
  • a gas-liquid separation membrane 210 is provided between the cathode protective layer 200 and the cathode 24.
  • the gas-liquid separation membrane 210 has a function of allowing air taken in from the outside of the fuel cell and vapor generated at the cathode 24 to pass therethrough and blocking condensed water adhering to the cathode protective layer 200.
  • An example of the gas-liquid separation membrane 210 is Teflon.
  • the main surface of the fuel cell module 20 on the cathode 24 side faces outward. Therefore, the main surface of the fuel cell module 20 blown by the blower 40 is the main surface on the cathode 24 side. Therefore, the supply of air as the oxidant gas and the supply of air for cooling the fuel cell module 20 can be achieved by the blower unit 40.
  • a fuel flow path plate 28 is provided on the anode 25 side of the membrane electrode assembly 21.
  • the fuel flow path plate 28 is provided with a fuel flow path (not shown) that communicates with the fuel supply unit 39 and has a discharge port in the vicinity of the anode 25.
  • a temperature detection unit 60 is provided on the main surface of the fuel cell module 20 on the cathode side. The temperature of the fuel cell module 20 is measured by the temperature detector 60, and the temperature information of the fuel cell module 20 obtained by the temperature detector 60 is transmitted to the controller 70 described later.
  • the fuel supply unit 39 includes a hydrogen supply path and a regulator (both not shown) as main components.
  • One end of the hydrogen supply path communicates with the outlet of the fuel storage unit 30, and the other end communicates with the anodes of the pair of fuel cell modules 20 via a flow path provided in the fuel flow path plate 28.
  • a regulator is provided in the middle of the hydrogen supply path.
  • the base 110 mainly accommodates the blower 40 and the controller 70.
  • the control unit 70 is mounted on a member that forms the bottom surface of the base 110.
  • the control unit 70 includes a CPU, a ROM, a memory, and the like as a hardware configuration, and controls the operation of the blower unit 40. Specifically, when the temperature measured by the temperature detection unit 60 reaches the vicinity of the temperature at which dryout starts to occur in the fuel cell module 20, the control unit 70 starts blowing by the blowing unit 40.
  • the vicinity of the temperature at which dryout begins to occur refers to a range of 5 ° C. from temperature T at which dryout begins to occur.
  • the air blower 40 is mounted on a member that forms the bottom surface of the base 110.
  • the control unit 70 is provided on the air blowing unit 40.
  • the blower 40 is a blower mechanism for blowing air from a direction substantially orthogonal to the cathode-side main surface of the fuel cell module 20.
  • the air blower 40 includes a blower 42 as a member for performing air blowing. Specific modes of the blower 42 will be described later.
  • the air intake port 114 is provided in the center of the bottom surface of the base 110, and the air sucked from the air intake port 114 is blown by the air blowing unit 40, thereby being used for cooling the fuel cell module 20.
  • the wind generated by one blower 42 is blown to both the area M side air outlet 116a and the area N side air outlet 116c. Further, the wind generated by the other blower 42 is blown to both the area M side air outlet 116b and the area N side air outlet 116d.
  • the structure is simplified by taking charge of the air to the fuel cell modules 20 provided on both main surfaces of the fuel storage unit 30 with one blower, and the fuel cell system 10 can be made compact and save power. Can be planned.
  • FIG. 5 is a plan view showing a schematic configuration of the blower 42.
  • the blower 42 of the present embodiment is a sirocco fan.
  • the sirocco fan has a structure in which a tube 44 provided with a large number of blades 43 and an air conditioner 45 are combined, and a linear wind blows out from the exhaust port 46.
  • two sets of air conditioners 45 are provided at positions symmetrical with respect to the rotation shaft 47 of the sirocco fan, and air can be blown from the two exhaust ports 46 across the rotation shaft 47. It has become.
  • a sirocco fan is exemplified as the blower 42, but the mode of the blower 42 is not limited to this, and may be an axial fan (propeller fan), for example.
  • FIG. 6 is a schematic view showing the state of air blowing and the form of the fuel storage portion in the fuel cell system of the present embodiment. Since the fuel cell modules 20 provided on both sides of the fuel storage unit 30 appear symmetrically about the fuel storage unit 30, the fuel cell module 20 on one side of the fuel storage unit 30 may be described as an example. is there. In FIG. 6, the fuel cell module 20 is simply illustrated as one member.
  • the air blown from the blower 40 is blown from the blower opening 116 so as to cross over the cathode-side main surface of the fuel cell module 20 disposed on both main surfaces of the fuel storage unit 30.
  • air is supplied to the air conditioner 45, and air is exhausted linearly upward from the exhaust port 46.
  • the fuel cell module 20 is inclined with respect to the air blowing direction at the air outlet 116 so that the cathode-side main surface of the fuel cell module 20 receives the air blown from the air outlet 116.
  • the cathode-side main surface of the fuel cell module 20 protrudes toward the cathode side as it approaches the upper end.
  • the air blown from the blower opening 116 is supplied to any region of the main surface on the cathode side of the fuel cell module 20.
  • the distance of the air blown from the air outlet 116 to the portion that reaches the main surface on the cathode side of the fuel cell module 20 increases. That is, the air blown from the portion where the distance from the fuel cell module 20 is longer at the air blowing port 116 is supplied to a region located on the upper side of the main surface on the cathode side of the fuel cell module 20.
  • the fuel storage unit 30 is divided into a plurality of slots (sections).
  • the slots 31a to 31c are located in the central portion between the pair of fuel cell modules 20, and each form a space extending from the upper end of the fuel cell module 20 to the upper surface of the control unit 70.
  • the slot 32a is located in a region closer to one fuel cell module 20 than the slot 31a.
  • the slot 32b is located in a region closer to the other fuel cell module 20 than the slot 31c. Both of the slots 32a and 32b are shorter than the slots 31a to 31c from the upper end of the fuel cell module 20.
  • the widths of the slots 32a and 32b are both designed to be equal to the widths of the slots 31a to 31c.
  • the slot 33a is located in a region closer to one fuel cell module 20 than the slot 32a.
  • the slot 33b is located in a region closer to the other fuel cell module 20 than the slot 32b.
  • the slots 33a and 33b are shorter than the slots 32a and 32b from the upper end of the fuel cell module 20, respectively.
  • the widths of the slots 33a and 33b are both designed to be equal to the widths of the slots 31a to 31c.
  • Each slot 31 stores a pellet 38 containing a hydrogen storage alloy.
  • the fuel cell module 20 is inclined with respect to the air blowing direction at the air outlet 116, the slot 31a and the one fuel cell module 20 in the portion below the slots 32a and 32b And between the slot 31c and the other fuel cell module 20, between the slot 32a and one fuel cell module 20 and between the slot 32b and the other fuel cell module 20 below the slots 33a and 33b.
  • a gap is formed between the slot 33a and one fuel cell module 20 and between the slot 33b and the other fuel cell module 20.
  • a heat conducting member 80 having good heat conductivity is provided so as to fill the gap portion. Examples of the heat conductive member 80 include aluminum, copper, and SUS.
  • the blowing amount is hardly reduced due to pressure loss. For this reason, electric power required in order to blow with a blower can be suppressed.
  • the air can be blown over the entire main surface on the cathode side of the fuel cell module 20 with a uniform air volume, variations in temperature depending on the location can be reduced, and as a result, power generation by the fuel cell can be stabilized.
  • the amount of fuel that can be stored in the fuel storage unit 30 can be increased.
  • the operating time of the system 10 can be made longer.
  • the heat conducting member 80 By installing the heat conducting member 80 in the gap generated between the fuel storage unit 30 and the fuel cell module 20, when the fuel cell module 20 is operating, the heat generated in the fuel cell module 20 is stored in the fuel.
  • the hydrogen can be efficiently transmitted to the portion 30 and the hydrogen can be released from the hydrogen storage metal accommodated in the fuel accommodating portion 30 efficiently.
  • the surface area of the fuel cell module 20 can be increased without making the fuel cell system 10 higher than when the fuel cell module 20 extends in the vertical direction. Can do. For this reason, the electric power generated in the fuel cell system 10 can be increased.
  • the entire fuel cell module 20 is inclined with respect to the air blowing direction at the air outlet 116, but the fuel cell module 20 may be partially inclined with respect to the air blowing direction at the air outlet 116.
  • air can be efficiently blown to the inclined region.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a state of air blowing in the fuel cell system 10 of the second embodiment and a form of the fuel cell module 20.
  • the side shape of the fuel cell module 20 is a concave shape or a bow shape that is recessed toward the fuel accommodating portion 30, and the fuel cell module 20 with respect to the air blowing direction at the air outlet 116. Is increased as the distance from the air outlet 116 increases.
  • the air blown from the air outlet 116 and supplied to the cathode of the fuel cell module 20 deprives the fuel cell module 20 of moisture, and then is supplied again to the fuel cell module 20 on the downstream side in the blowing direction. It becomes easy to be done. For this reason, it is possible to suppress the occurrence of dryout in the fuel cell module 20 on the downstream side in the blowing direction.
  • This embodiment is suitable when the fuel cell system 10 performs high-output power generation (low-efficiency power generation) with a large calorific value.
  • high output power generation when fuel capable of supplying energy for 100 Wh is input, energy for 60 Wh is consumed as heat, and the remaining energy for 40 Wh is supplied as electricity.
  • the calorific value is large, the temperature of the fuel cell becomes high, and the amount of evaporation of generated water generated in the fuel cell increases. For this reason, when the fuel cell system 10 is high-output power generation, dryout is likely to occur. Therefore, when the fuel cell system 10 performs high-output power generation, the dry-out can be effectively suppressed by applying this embodiment.
  • this embodiment is suitable for use in an area where the surrounding environment is low humidity (dry) and high temperature.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a state of air blowing in the fuel cell system 10 of the third embodiment and a form of the fuel cell module 20.
  • the side surface shape of the fuel cell module 20 is a convex shape or a curved shape projecting toward the opposite side of the fuel housing portion 30, and the air blowing direction at the air outlet 116.
  • the inclination angle of the fuel cell module 20 with respect to the angle increases as the air outlet 116 approaches.
  • the air blown from the air blowing port 116 and supplied to the cathode of the fuel cell module 20 is easily diffused to the outside of the fuel cell module 20 after depriving the fuel cell module 20 of moisture. . For this reason, it can suppress that flooding arises in the fuel cell module 20 of the ventilation direction downstream.
  • This embodiment is suitable when the fuel cell system 10 performs low power generation (high efficiency power generation) with a small calorific value.
  • low-power power generation when fuel capable of supplying 100 Wh of energy is input, 35 Wh of energy is consumed as heat, and the remaining 65 Wh of energy is supplied as electricity.
  • the calorific value is small, the temperature of the fuel cell does not become so high, and the amount of evaporation of the produced water generated in the fuel cell decreases. For this reason, when the fuel cell system 10 is low power generation, flooding is likely to occur. Therefore, when the fuel cell system 10 performs low-output power generation, flooding can be effectively suppressed by applying this embodiment.
  • this embodiment is suitable for use in an area where the surrounding environment is high humidity and low temperature.
  • the fuel channel plate 28 is formed with a predetermined curvature, and then the flexible membrane electrode joint is formed.
  • the fuel cell module 20 can be manufactured by bonding the body 21 to the fuel flow path plate 28.
  • FIG. 9 is a schematic view showing a state of air blowing in the fuel cell system 10 of the fourth embodiment and a form of the fuel cell module 20.
  • a plurality of fuel cell modules 20 formed in a planar shape are arranged side by side, and a plurality of fuel cell modules 20 form a polygonal surface.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the state of air blowing and the form of the fuel cell module 20 in the fuel cell system 10 of the fifth embodiment.
  • a plurality of fuel cell modules 20 formed in a planar shape are arranged side by side, and a plurality of fuel cell modules 20 form a polygonal surface.
  • Embodiment 4 and Embodiment 5 when a gap arises in the adjacent fuel cell module 20, it is preferable to fill the gap with a heat transfer material or the like.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the state of air blowing and the form of the fuel cell module 20 in the fuel cell system 10 of the sixth embodiment.
  • the side shape of the fuel cell module 20 is the same as that of the fuel storage unit 30.
  • the fuel cell module 20 has an indented shape or an arcuately curved shape, and the inclination angle of the fuel cell module 20 with respect to the air blowing direction at the air blowing port 116 increases as the distance from the air blowing port 116 increases.
  • the inclination angle of the fuel cell module 20 with respect to the blowing direction at the blowing port 116 decreases as the distance from the blowing port 116 increases.
  • dryout can be suppressed by supplying moisture from the upstream side in the blowing direction on the downstream side in the blowing direction. Furthermore, since the fuel cell module 20 is prevented from being excessively supplied with air containing moisture on the downstream side in the blowing direction, the amount of water in the fuel cell module 20 on the downstream side in the blowing direction is prevented from excessively increasing. can do.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing the state of air blowing and the form of the fuel cell module 20 in the fuel cell system 10 of the seventh embodiment.
  • the side shape of the fuel cell module 20 is different from that of the fuel storage unit 30 in the vicinity of the air outlet 116 (for example, the lower half region of the fuel cell module 20).
  • the shape of the fuel cell module 20 that protrudes toward the opposite side is curved in a convex shape or an arcuate shape, and the inclination angle of the fuel cell module 20 with respect to the air blowing direction at the air blowing port 116 is smaller as it is closer to the air blowing port 116.
  • the inclination angle of the fuel cell module 20 with respect to the blowing direction at the blowing port 116 becomes larger as it is closer to the blowing port 116.
  • the fuel cell module 20 on the upstream side in the blowing direction can be prevented from becoming too dry.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the state of air blowing and the form of the fuel cell module 20 in the fuel cell system 10 of the eighth embodiment.
  • the air outlet 116 and the air outlet 116 'whose air blowing directions are opposite to each other are provided in a region where the fuel cell module 20 is divided into two regions.
  • FIG. 13 the air is sent upward (solid arrow W in FIG. 13) from the air outlet 116, and the air is blown downward (solid arrow W 'in FIG. 13) from the air outlet 116'.
  • the fuel cell module 20 blows in the air blowing direction at the air outlet 116 so that the cathode-side main surface of the fuel cell module 20 receives air blown from the air outlet. It is inclined with respect to. In other words, the cathode-side main surface of the fuel cell module 20 protrudes toward the cathode side as it approaches the upper end. On the other hand, the fuel cell module 20 is inclined with respect to the air blowing direction at the air outlet 116 ′ so that the cathode-side main surface of the fuel cell module 20 receives air blown from the air outlet at a portion below the air outlet 116 ′. is doing.
  • the air blowing unit 40 is provided at a position where the fuel cell module 20 is divided into two.
  • the air blower 40 has a blower 42.
  • the blower 42 is an axial fan that can reverse the rotation direction, and the rotation direction of the blower 42 is switched by the control unit 70.
  • the blower 40 blows air toward one side of the divided fuel cell modules 20 when the blower 42 rotates in the forward direction (solid arrow W in FIG. 13). Further, when the blower 42 rotates in the reverse direction, the blower 42 blows air toward the other side of the divided fuel cell modules 20 (solid arrow W ′ in FIG. 13). That is, the air blowing unit 40 blows air individually or sequentially to the fuel cell module 20 divided into two.
  • the control unit 70 may switch the rotation direction of the blower 42 at regular intervals, or may switch the rotation direction of the blower 42 so that cooling of the divided region of the fuel cell module 20 with higher temperature is prioritized. .
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained. Furthermore, in this embodiment, since the maximum reach distance from each air outlet to the main surface on the cathode side of the fuel cell module 20 can be shortened compared to the first embodiment, the cooling efficiency of the fuel cell module 20 is improved. Can be increased.
  • a pellet-shaped hydrogen storage alloy is stored in the fuel storage unit 30, but the fuel storage mode is not limited to this, and the fuel storage unit 30 is filled with hydrogen gas. Also good.
  • the shape of the fuel storage unit 30 can be changed as appropriate, so that the gap between the fuel storage unit and the fuel cell as in each embodiment. Therefore, it is not necessary to provide the heat conductive member 80 having good heat conductivity.
  • a plurality of cells are arranged in a planar shape, but the plurality of cells may be replaced with a single cell.
  • a slot (hollow part) extending in the vertical direction is formed in the fuel storage unit 30 and a plurality of pellets 38 are stacked in the vertical direction in each slot.
  • the storage form is not limited to this.
  • a plurality of slots 37 extend in the horizontal direction in the fuel accommodating portion 30, and an opening 39 of each slot 37 intersects a pair of tapered side surfaces to which the fuel cell module is attached. It may be formed on at least one of the side surfaces of the pair.
  • the fuel cell unit 20 is formed of a material such as aluminum, copper, or SUS having good heat conductivity, so that the fuel cell module 20 does not incorporate the heat conduction member 80 used in the above-described embodiment.
  • the length of the flow path required for supplying hydrogen to the fuel supply unit 39 shown in FIG. It can be shortened.
  • the present invention is applicable to a fuel cell system.

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Abstract

　燃料電池システム１０は、水素吸蔵合金を収容する燃料収容部３０と、燃料収容部３０の両側にそれぞれ配設された燃料電池モジュール２０を有する。燃料電池モジュール２０の下方に、送風部４０が設けられている。送風部４０は、燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面を横切るように送風を行うための部材である。燃料電池モジュール２０は、送風口１１６から送風された空気を受けるように、送風口１１６における送風方向に対して傾斜している。

Description

燃料電池システム
　本発明は、燃料電池システムに関する。
　燃料電池システムは水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池システムの主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ることがない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池システムは燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
　燃料電池は発電に伴い発熱し、温度が上昇する。燃料電池の温度が過度に上昇すると、ドライアウトによる性能低下が生じる。その防止のために、ファンなどの送風手段を用いた空冷技術が知られている（特許文献１～３参照）。
特開２００８－２５１３３８号公報 特開２００９－２３８５９２号公報 特開２００７－１８４１５７号公報
　従来の燃料電池用の空冷技術は、送風のための流路を必要としている。このため、流路入口で圧損が生じることにより、ファンの補機電力が増大するという課題がある。また、流路の設置により、燃料電池表面からの放熱が阻害される。そのため、空冷を常に行う必要がある。
　このように従来の燃料電池用の空冷技術には克服すべき課題が残されており、特に、燃料および酸化剤の供給に補機を用いないパッシブ型の燃料電池に適した空冷技術が求められている。
　本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池を空冷する際の電力消費を抑制することができる技術の提供にある。
　本発明のある態様は、燃料電池システムである。当該燃料電池システムは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられているカソードと、前記電解質膜の他方の面に設けられているアノードとを含む燃料電池と、前記燃料電池のカソード側の主表面の近傍に設けられている送風口から前記燃料電池の前記カソード側の主表面上を横切るように空気を送風するための送風部と、を備え、前記燃料電池のカソード側の主表面の少なくとも一部が前記送風口から送風された空気を受けるように、前記燃料電池の少なくとも一部が前記送風口における送風方向に対して傾斜していることを特徴とする。
　本発明によれば、燃料電池を空冷する際の電力消費を抑制することができる。
図１（Ａ）は、実施の形態１に係る燃料電池システムを斜め上方から見た斜視図である。図１（Ｂ）は、実施の形態１に係る燃料電池システムを斜め下方から見た斜視図である。 図２（Ａ）～（Ｄ）は、それぞれ実施の形態１の筐体の上面図、底面図、正面図および側面図である。 図３（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、実施の形態１に関し、筐体に収容された燃料電池システムの構成の概略を示す正面図および斜視図である。 実施の形態１に係る燃料電池モジュールの概略構成を示す断面図である。 実施の形態１で用いられる送風機の概略構成を示す平面図である。 実施の形態１の燃料電池システムにおける送風の様子および燃料収容部の形態を示す概略図である。 実施の形態２の燃料電池システムにおける送風の様子および燃料電池モジュールの形態を示す概略図である。 実施の形態３の燃料電池システムにおける送風の様子および燃料電池モジュールの形態を示す概略図である。 実施の形態４の燃料電池システムにおける送風の様子および燃料電池モジュールの形態を示す概略図である。 実施の形態５の燃料電池システムにおける送風の様子および燃料電池モジュールの形態を示す概略図である。 実施の形態６の燃料電池システムにおける送風の様子および燃料電池モジュールの形態を示す概略図である。 実施の形態７の燃料電池システムにおける送風の様子および燃料電池モジュールの形態を示す概略図である。 実施の形態８の燃料電池システムにおける送風の様子および燃料電池モジュールの形態を示す概略図である。 ペレットの格納形態の変形例を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
　（実施の形態１）
　図１（Ａ）は、実施の形態１に係る燃料電池システムを斜め上方から見た斜視図である。図１（Ｂ）は、実施の形態１に係る燃料電池システムを斜め下方から見た斜視図である。図２（Ａ）～（Ｄ）は、それぞれ実施の形態１の筐体の上面図、底面図、正面図および側面図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、実施の形態１に関し、筐体１００に収容された燃料電池システム１０の構成の概略を示す正面図および斜視図である。
　燃料電池システム１０は、筐体１００、燃料電池モジュール２０、燃料収容部３０、燃料供給部３９、送風部４０、温度検出部６０および制御部７０を備える。本実施の形態の燃料電池システム１０は、燃料の供給にポンプなどの補機を使用しないパッシブ型の燃料電池システムである。
　筐体１００は、燃料電池モジュール２０、燃料収容部３０、送風部４０、温度検出部６０および制御部７０を持ち運びに容易な形態でコンパクトに収容している。図２（Ａ）～（Ｄ）に示すように、筐体１００の大部分は一体的に形成されているが、便宜的に主に基部１１０と突出部１２０とに分けられる。
　基部１１０は直方体形状であり、底面の長手方向両端部に机などの設置面に載置するための脚部１１２が設けられている。基部１１０の底面には吸気口１１４が設けられており、吸気口１１４を介して外気が基部１１０の中に取り込まれる。基部１１０の底面は、吸気口１１４が設けられている領域が脚部１１２に対して凹部になっており、脚部１１２が設置面に接した状態で、設置面と吸気口１１４との間に隙間が生じるようになっている。これにより、筐体１００を設置面に載置した状態で、基部１１０の底面から外気を取り込むことができる。吸気口１１４の数および位置は、後述する送風部４０の形態に応じて適宜設定される。
　また、基部１１０の上面は、長手方向に沿った一方の辺に沿った領域Ｍと、長手方向に沿った他方の辺に沿った領域Ｎに分けられている（図２（Ａ）参照）。領域Ｍには、燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面の近傍に、２組の送風口１１６ａ、１１６ｂが設けられている。また、領域Ｎには、燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面の近傍に、２組の送風口１１６ｃ、１１６ｄが設けられている。本実施の形態の送風口１１６ａ～ｄの開口形状は、ともに長方形である。ただし、開口形状はこの長方形に限定されず、適宜変更することができる。
　突出部１２０は、領域Ｍと領域Ｎに挟まれた領域において、基部１１０の上方に突出している。側面方向から見ると逆Ｔ字形状になっている（図２（Ｄ）参照）。また、突出部１２０を側面方向から見たときの形状は、上部が長辺側となるような台形をなしており、突出部１２０の上部は領域Ｍおよび領域Ｎの上方にせり出している。突出部１２０の一方の側（領域Ｍの側）には、領域Ｍ側に設けられた燃料電池モジュール２０の設置領域に応じた開口１１８ｍが設けられている。同様に、突出部１２０の他方の側（領域Ｎの側）には、領域Ｎ側に設けられた燃料電池モジュール２０の設置領域に応じた開口１１８ｎが設けられている。
　図３（Ｂ）に示すように、突出部１２０（図示せず）の中には、燃料電池モジュール２０、燃料収容部３０、燃料供給部３９が収容されている。
　燃料収容部３０には水素吸蔵合金が収容されている。水素吸蔵合金は、水素の吸蔵と、吸蔵した水素の放出とが可能であり、たとえば、希土類系のＭｍＮｉ4.32Ｍｎ0.18Ａｌ0.1Ｆｅ0.1Ｃｏ0.3（Ｍｍはミッシュメタル）である。なお、水素吸蔵合金は、希土類系の合金に限られず、たとえばＴｉ－Ｍｎ系合金、Ｔｉ－Ｆｅ系合金、Ｔｉ－Ｚｒ系合金、Ｍｇ－Ｎｉ系合金、Ｚｒ－Ｍｎ系合金等であってもよい。具体的には、水素吸蔵合金としてＬａＮｉ５合金、Ｍｇ２Ｎｉ合金、Ｔｉ１＋ｘＣｒ２－ｙＭｎｙ（ｘ＝０．１～０．３、ｙ＝０～１．０）合金などを挙げることができる。水素吸蔵合金は、上述した水素吸蔵合金の粉末にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）デイスパージョンなどの結着剤を混合し、プレス機で圧縮成形した圧縮成形体（ペレット）とすることができる。必要に応じて、圧縮成形後に焼結処理がなされていてもよい。燃料収容部３０は伝熱性が良好な、アルミ、銅、ＳＵＳなどの材料で形成される。
　燃料収容部３０の両側にそれぞれ燃料電池モジュール２０が配設されている。本実施の形態では、燃料収容部３０の両側に、それぞれ、筐体１００の突出部１２０に設けられた４つの開口部１１８と重なるように４つの燃料電池モジュール２０が平面配列されている。なお、燃料電池モジュール２０の最外となる部材は後述するカソード保護層２００である。
　送風部４０および制御部７０の詳細については後述する。
　図４は、燃料電池モジュール２０の概略構成を示す断面図である。燃料電池モジュール２０は、複数の膜電極接合体２１を有する。複数の膜電極接合体２１は、基材２２に形成された開口内に配設され、平面配列されている。基材２２は、ポリアクリレートなどの絶縁性の材料により形成される。
　膜電極接合体２１は、電解質膜２３、電解質膜２３の一方の面に設けられているカソード２４、および電解質膜２３の他方の面に設けられているアノード２５を有する。電解質膜２３は、基材２２に設けられた開口部を充填するように設けられている。カソード２４には、酸化剤としてたとえば空気が供給される。一方、アノード２５には燃料ガスとしてたとえば水素が供給される。一対のカソード２４とアノード２５との間に電解質膜２３が狭持されることによりセルが構成され、各セルは水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。本実施形態の燃料電池モジュール２０では、複数のセルが平面状に形成されている。
　インターコネクタ２６は、隣接する膜電極接合体２１の間において、基材２２を貫通して設けられている。隣接する膜電極接合体２１において、一方の膜電極接合体２１のカソード２４がインターコネクタ２６の一端に接続され、他方の膜電極接合体２１のアノード２５がインターコネクタ２６の他端に接続されている。インターコネクタ２６はカーボンなどの導電性の材料で形成されている。以上の構成により、隣接する膜電極接合体２１同士はインターコネクタ２６により直列接続されている。
　電解質膜２３は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、カソード２４とアノード２５との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜２３は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。
　カソード２４およびアノード２５は、イオン交換樹脂ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子を有する。カソード２４およびアノード２５が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜２３を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。このイオン交換樹脂は、電解質膜２３と同様の高分子材料から形成されてよい。触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。
　燃料電池モジュール２０は、カソード２４側の主表面が燃料電池システム１０の外部側を向くように配置されている。また、燃料電池モジュール２０は、膜電極接合体２１のカソード２４側にカソード保護層２００を有する。カソード保護層２００は、燃料電池モジュール２０のカソード側の最外に位置する部材である。カソード保護層２００は、平板状の部材で形成されており、カソード保護層２００には一方の主表面から他方の主表面に貫通する多数の貫通孔２０１が形成されている。これらの貫通孔２０１によりカソード２４と燃料電池外部との間の通気性が得られている。カソード保護層２００の材料は特に限定されないが、たとえば、アルマイト処理したアルミニウムやポリアクリレートなどの絶縁体が挙げられる。カソード保護層２００とカソード２４との間に気液分離膜２１０が設けられている。気液分離膜２１０は、燃料電池外部から取り入れられた空気や、カソード２４で生じた蒸気を通過させ、かつ、カソード保護層２００に付着した凝縮水を遮断する機能を有する。気液分離膜２１０としては、たとえばテフロンが挙げられる。
　本実施形態では、燃料電池モジュール２０のカソード２４側の主表面が外側を向いている。したがって、送風部４０により送風される燃料電池モジュール２０の主表面は、カソード２４側の主表面である。そのため、送風部４０によって、酸化剤ガスとしての空気の供給と、燃料電池モジュール２０冷却用の空気の供給とを達成することができる。
　膜電極接合体２１のアノード２５側には、燃料流路板２８が設けられている。燃料流路板２８には、燃料供給部３９に連通するとともに、アノード２５の近傍に吐出口を有する燃料流路（図示せず）が設けられている。
　燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面には、温度検出部６０が設けられている。温度検出部６０により燃料電池モジュール２０の温度が測定され、温度検出部６０で得られた燃料電池モジュール２０の温度情報が後述する制御部７０に送信される。
　燃料供給部３９は、水素供給路およびレギュレータ（ともに図示せず）を主な構成として備える。水素供給路は、一端が燃料収容部３０の出口と連通し、他端が燃料流路板２８に設けられた流路を介して一対の燃料電池モジュール２０のアノードと連通している。水素供給路の途中にレギュレータが設けられている。レギュレータにより、水素吸蔵合金から水素が放出される際に、一対の燃料電池モジュール２０に供給される水素の圧力が低減される。これにより、燃料電池モジュール２０のアノード触媒層が保護される。
　図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、基部１１０に、主に送風部４０および制御部７０が収容されている。
　制御部７０は、基部１１０の底面をなす部材に搭載されている。制御部７０は、ハードウェア構成として、ＣＰＵ、ＲＯＭ、メモリ等を有し、送風部４０の動作を制御する。具体的には、制御部７０は、温度検出部６０によって測定された温度が、燃料電池モジュール２０でドライアウトが生じ始める温度近傍に達したとき、送風部４０による送風を開始させる。ドライアウトが生じ始める温度近傍とは、ドライアウトが生じ始める温度Ｔから５℃の範囲をいう。
　送風部４０は、基部１１０の底面をなす部材に搭載されている。また、制御部７０は送風部４０の上に設けられている。送風部４０は、燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面に対して略直交する方向から送風を行うための送風機構である。送風部４０は、送風を行うための部材として送風機４２を有する。送風機４２の具体的な態様については後述する。吸気口１１４は基部１１０の底面中央部に設けられており、吸気口１１４から吸引された空気が送風部４０によって送風されることで、燃料電池モジュール２０の冷却に利用される。一方の送風機４２で発生した風は、領域Ｍ側の送風口１１６ａ、領域Ｎ側の送風口１１６ｃの両方に送風される。また、他方の送風機４２で発生した風は、領域Ｍ側の送風口１１６ｂ、領域Ｎ側の送風口１１６ｄの両方に送風される。このように、一つの送風機で、燃料収容部３０の両主表面にそれぞれ設けられた燃料電池モジュール２０への送風を担うことにより構成を簡単化し、燃料電池システム１０のコンパクト化および省電力化を図ることができる。
　図５は、送風機４２の概略構成を示す平面図である。本実施の形態の送風機４２はシロッコファンである。シロッコファンは多数の羽根４３を備えた筒４４と整風器４５を組み合わせた構造になっており、排気口４６から直線状の風が吹き出す。本実施の形態では、シロッコファンの回転軸４７に対して対称となる位置に、２組の整風器４５が設けられており、回転軸４７を挟んだ２箇所の排気口４６から送風が可能になっている。なお、本実施の形態では、送風機４２としてシロッコファンが例示されているが、送風機４２の態様はこれに限られず、たとえば軸流ファン（プロペラファン）であってもよい。
　図６は、本実施の形態の燃料電池システムにおける送風の様子および燃料収容部の形態を示す概略図である。燃料収容部３０の両側にそれぞれ設けられた燃料電池モジュール２０は燃料収容部３０を中心として対称に表れるため、燃料収容部３０の一方の側の燃料電池モジュール２０を例に取って説明する場合がある。なお、図６では、燃料電池モジュール２０が一つの部材として簡略化して記載されている。
　送風部４０から送風された空気は、燃料収容部３０の両主面にそれぞれ配置されている燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面上を横切るように送風口１１６から送風される。送風機４２に設けられた羽根４３が回転することにより、整風器４５に空気が供給され、排気口４６から上方に向けて直線的に空気が排気される。
　本実施の形態では、燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面が送風口１１６から送風された空気を受けるように、燃料電池モジュール２０が送風口１１６における送風方向に対して傾斜している。言い換えると、燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面は、上端に近づくにつれてカソード側の方へせり出している。これにより、送風口１１６から送風された空気は、燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面のいずれかの領域に供給される。送風口１１６から送風される空気は、送風口１１６において燃料電池モジュール２０からの距離が長くなるほど、燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面に到達する部分までの距離が長くなる。すなわち、送風口１１６において燃料電池モジュール２０からの距離がより長い部分から送風された空気は、燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面においてより上部に位置する領域に供給される。
　本実施の形態では、図６に示すように、燃料収容部３０は複数のスロット（区画）に分割されている。スロット３１ａ～３１ｃは、一対の燃料電池モジュール２０の間の中央部分に位置しており、それぞれ燃料電池モジュール２０の上端から制御部７０の上面にまで延在する空間を形成している。スロット３２ａは、スロット３１ａより一方の燃料電池モジュール２０に近い領域に位置している。また、スロット３２ｂは、スロット３１ｃより他方の燃料電池モジュール２０に近い領域に位置している。スロット３２ａ、３２ｂは、ともに、燃料電池モジュール２０の上端からの長さがスロット３１ａ～３１ｃより短い。スロット３２ａ、３２ｂの幅は、ともに、スロット３１ａ～３１ｃの各幅と同等となるように設計されている。また、スロット３３ａは、スロット３２ａより一方の燃料電池モジュール２０に近い領域に位置している。また、スロット３３ｂは、スロット３２ｂより他方の燃料電池モジュール２０に近い領域に位置している。スロット３３ａ、３３ｂは、それぞれ、燃料電池モジュール２０の上端からの長さがスロット３２ａ、３２ｂより短い。スロット３３ａ、３３ｂの幅は、ともに、スロット３１ａ～３１ｃの各幅と同等となるように設計されている。各スロット３１には、水素吸蔵合金を含むペレット３８が格納される。
　本実施の形態では、上述したように、燃料電池モジュール２０が送風口１１６における送風方向に対して傾斜しているため、スロット３２ａ、３２ｂより下方の部分におけるスロット３１ａと一方の燃料電池モジュール２０との間およびスロット３１ｃと他方の燃料電池モジュール２０との間、スロット３３ａ、３３ｂより下方の部分におけるスロット３２ａと一方の燃料電池モジュール２０との間およびスロット３２ｂと他方の燃料電池モジュール２０との間、ならびに、スロット３３ａと一方の燃料電池モジュール２０との間およびスロット３３ｂと他方の燃料電池モジュール２０との間に隙間が生じる。この隙間部分を埋めるように、熱伝導性が良好な熱伝導部材８０が設けられている。熱伝導部材８０として、たとえば、アルミ、銅、ＳＵＳが挙げられる。
　以上説明した燃料電池システム１０によれば、送風のための流路を要しないため、送風量が圧損により低減することがほとんどない。このため、送風機で送風を行うために必要な電力を抑制することができる。
　燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面全体に均一な風量で送風することができるため、場所による温度のばらつきを低減することができ、ひいては、燃料電池による発電を安定化させることができる。
　燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面のある箇所で発生した熱や水蒸気が別の箇所に与える影響を低減することができるため、燃料電池の発電を安定化させることができる。
　燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面が流路に遮られることなく外部に露出しているため、送風機を使用しないときでも、燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面からの放熱を確保することができ、燃料電池システム１０全体の放熱性を向上させることができる。
　燃料電池のドライアウト温度に応じてファンを動作させることにより、燃料電池モジュール２０でドライアウトが生じることを抑制することができ、ひいては燃料電池モジュール２０による発電を安定化させることができる。
　送風口における送風方向に対して燃料電池モジュール２０が傾斜することによって生じる空間にも燃料収容部３０を設けることで、燃料収容部３０に収容可能な燃料量を増やすことができ、ひいては、燃料電池システム１０の動作時間をより長時間にすることができる。
　　燃料収容部３０と燃料電池モジュール２０との間に生じた隙間に熱伝導部材８０を設置することにより、燃料電池モジュール２０が動作している場合に、燃料電池モジュール２０で生じた熱を燃料収容部３０に効率良く伝えることができ、燃料収容部３０に収容された水素吸蔵金属からの水素の放出を効率良く行うことができる。
　また、燃料電池モジュール２０を傾斜させることにより、燃料電池モジュール２０が鉛直方向に延在している場合に比べて、燃料電池システム１０を高くすることなく、燃料電池モジュール２０の表面積を増大させることができる。このため、燃料電池システム１０で発生する電力を増大させることができる。
　なお、本実施の形態では、燃料電池モジュール２０全体が送風口１１６における送風方向に対して傾斜しているが、燃料電池モジュール２０が部分的に送風口１１６における送風方向に対して傾斜していれば、傾斜した領域に空気を効率良く送風することができる。
（実施の形態２）
　実施の形態２の燃料電池システム１０の基本的な構成は、実施の形態１の燃料電池システム１０と同様である。以下、実施の形態２の燃料電池システムについて、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
　図７は、実施の形態２の燃料電池システム１０における送風の様子および燃料電池モジュール２０の形態を示す概略図である。本実施の形態では、燃料電池モジュール２０の側面形状は、燃料収容部３０の方へ凹んだ凹状または弓状に湾曲した形状になっており、かつ、送風口１１６における送風方向に対する燃料電池モジュール２０の傾斜角が、送風口１１６から遠くなるにつれて大きくなっている。
　本実施の形態によれば、送風口１１６から送風され、燃料電池モジュール２０のカソードに供給された空気は燃料電池モジュール２０から湿気を奪った後、送風方向下流側の燃料電池モジュール２０に再度供給されやすくなる。このため、送風方向下流側の燃料電池モジュール２０においてドライアウトが生じることを抑制することができる。なお、送風口１１６から送風される空気の量は、燃料電池モジュール２０から離れる位置ほど多くなるようにすることが望ましい。これによれば、湿気を含んだ空気が燃料電池システム１０の外に逃がさないようにすることができる。
　本実施の形態は、燃料電池システム１０が発熱量が大きい高出力発電（低効率発電）を行う場合に適している。たとえば、高出力発電では、１００Ｗｈ分のエネルギを供給することができる燃料が投入されたとき、６０Ｗｈ分のエネルギが熱として消費され、残りの４０Ｗｈ分のエネルギが電気として供給される。このように発熱量が大きい場合には、燃料電池の温度が高温になり、燃料電池で生じた生成水の蒸発量が多くなる。このため、燃料電池システム１０が高出力発電の場合にはドライアウトが生じやすくなる。したがって、燃料電池システム１０が高出力発電を行う場合に、本実施の形態を適用することにより、ドライアウトを効果的に抑制することができる。また、本実施の形態は、周辺環境が低湿度（乾燥）、高温になる地域での使用に適している。
（実施の形態３）
　実施の形態３の燃料電池システム１０の基本的な構成は、実施の形態１の燃料電池システム１０と同様である。以下、実施の形態３の燃料電池システムについて、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
　図８は、実施の形態３の燃料電池システム１０における送風の様子および燃料電池モジュール２０の形態を示す概略図である。本実施の形態では、燃料電池モジュール２０の側面形状は、燃料収容部３０とは反対側の方へ突出した凸状または弓状に湾曲した形状になっており、かつ、送風口１１６における送風方向に対する燃料電池モジュール２０の傾斜角が、送風口１１６に近づくにつれて大きくなっている。
　本実施の形態によれば、送風口１１６からの送風され、燃料電池モジュール２０のカソードに供給された空気は燃料電池モジュール２０から湿気を奪った後、燃料電池モジュール２０の外側へ拡散しやすくなる。このため、送風方向下流側の燃料電池モジュール２０においてフラッディングが生じることを抑制することができる。
　本実施の形態は、燃料電池システム１０が発熱量が小さい低出力発電（高効率発電）を行う場合に適している。たとえば、低出力発電では、１００Ｗｈ分のエネルギを供給することができる燃料が投入されたとき、３５Ｗｈ分のエネルギが熱として消費され、残りの６５Ｗｈ分のエネルギが電気として供給される。このように発熱量が小さい場合には、燃料電池の温度があまり高温にならないため、燃料電池で生じた生成水の蒸発量が少なくなる。このため、燃料電池システム１０が低出力発電の場合にはフラッディングが生じやすくなる。したがって、燃料電池システム１０が低出力発電を行う場合に、本実施の形態を適用することにより、フラッディングを効果的に抑制することができる。また、本実施の形態は、周辺環境が高湿度、低温になる地域での使用に適している。
　なお、実施の形態２および実施の形態３のように、燃料電池モジュール２０が湾曲している場合には、燃料流路板２８を所定の曲率で形成した後、可撓性を有する膜電極接合体２１を燃料流路板２８に貼り合わせることにより燃料電池モジュール２０の作製が可能である。
（実施の形態４）
　実施の形態４の燃料電池システム１０の基本的な構成は、実施の形態２の燃料電池システム１０と同様である。以下、実施の形態４の燃料電池システムについて、実施の形態２と異なる部分を中心に説明する。
　図９は、実施の形態４の燃料電池システム１０における送風の様子および燃料電池モジュール２０の形態を示す概略図である。本実施の形態では、平面状に形成された複数の燃料電池モジュール２０が並設されており、複数の燃料電池モジュール２０により多角面が形成されている。
　本実施の形態によれば、実施の形態２と同様な効果を得ることができる。　
（実施の形態５）
　実施の形態５の燃料電池システム１０の基本的な構成は、実施の形態３の燃料電池システム１０と同様である。以下、実施の形態５の燃料電池システムについて、実施の形態２と異なる部分を中心に説明する。
　図１０は、実施の形態５の燃料電池システム１０における送風の様子および燃料電池モジュール２０の形態を示す概略図である。本実施の形態では、平面状に形成された複数の燃料電池モジュール２０が並設されており、複数の燃料電池モジュール２０により多角面が形成されている。
　本実施の形態によれば、実施の形態３と同様な効果を得ることができる。
　なお、実施の形態４および実施の形態５において、隣接する燃料電池モジュール２０に隙間が生じる場合には、当該隙間を、伝熱材などで充填することが好ましい。
（実施の形態６）
　実施の形態６の燃料電池システム１０の基本的な構成は、実施の形態２の燃料電池システム１０と同様である。以下、実施の形態６の燃料電池システムについて、実施の形態２と異なる部分を中心に説明する。
　図１１は、実施の形態６の燃料電池システム１０における送風の様子および燃料電池モジュール２０の形態を示す概略図である。本実施の形態では、実施の形態２と同様に、送風口１１６の近傍（たとえば、燃料電池モジュール２０の下半分の領域）においては、燃料電池モジュール２０の側面形状が、燃料収容部３０の方へ凹んだ凹状または弓状に湾曲した形状になっており、かつ、送風口１１６における送風方向に対する燃料電池モジュール２０の傾斜角が、送風口１１６から遠くなるにつれて大きくなっている。逆に、燃料電池モジュール２０の上半分の領域では、送風口１１６における送風方向に対する燃料電池モジュール２０の傾斜角が、送風口１１６から遠くなるにつれて小さくなっている。
　本実施の形態によれば、実施の形態２と同様に、送風方向下流側において、送風方向上流側から水分を供給することによりドライアウトを抑制することができる。さらに、送風方向下流側において、湿気を含んだ空気が燃料電池モジュール２０が過剰に供給されることが抑制されるため、送風方向下流側の燃料電池モジュール２０において水分量が多くなり過ぎることを抑制することができる。
（実施の形態７）
　実施の形態７の燃料電池システム１０の基本的な構成は、実施の形態３の燃料電池システム１０と同様である。以下、実施の形態７の燃料電池システムについて、実施の形態３と異なる部分を中心に説明する。
　図１２は、実施の形態７の燃料電池システム１０における送風の様子および燃料電池モジュール２０の形態を示す概略図である。本実施の形態では、実施の形態３と同様に、送風口１１６の近傍（たとえば、燃料電池モジュール２０の下半分の領域）においては、燃料電池モジュール２０の側面形状が、燃料収容部３０とは反対側の方へ突出した凸状または弓状に湾曲した形状になっており、かつ、送風口１１６における送風方向に対する燃料電池モジュール２０の傾斜角が、送風口１１６に近いほど小さくなっている。逆に、燃料電池モジュール２０の上半分の領域では、送風口１１６における送風方向に対する燃料電池モジュール２０の傾斜角が、送風口１１６に近いほど大きくなっている。
　本実施の形態によれば、実施の形態２と同様に、送風方向上流側において、湿気が多い空気が燃料電池モジュール２０から離れる方へ拡散しやすくなるため、送風方向上流側の燃料電池モジュール２０においてフラッディングを抑制することができる。さらに、送風方向下流側においては、湿気を含んだ空気が燃料電池モジュール２０に供給されやすくなるため、送風方向下流側の燃料電池モジュール２０がドライになり過ぎることを抑制することができる。
（実施の形態８）
　図１３は、実施の形態８の燃料電池システム１０における送風の様子および燃料電池モジュール２０の形態を示す概略図である。
　本実施の形態では、送風方向が互いに反対方向を向いた送風口１１６、および送風口１１６’が燃料電池モジュール２０を２つの領域に分割する領域に設けられている。
　図１３において、送風口１１６から、それぞれ上向き（図１３の実線矢印Ｗ）の送風が行われ、送風口１１６’から下向き（図１３の実線矢印Ｗ’）の送風が行われる。
　送風口１１６より上方部分において、実施の形態１と同様に、燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面が送風口から送風された空気を受けるように、燃料電池モジュール２０が送風口１１６における送風方向に対して傾斜している。言い換えると、燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面は、上端に近づくにつれてカソード側の方へせり出している。一方、送風口１１６’より下方部分において、燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面が送風口から送風された空気を受けるように、燃料電池モジュール２０が送風口１１６’における送風方向に対して傾斜している。
　本実施の形態では、送風部４０は、燃料電池モジュール２０を２分割する位置に設けられている。送風部４０は送風機４２を有する。送風機４２は、回転方向を逆転させることが可能な軸流ファンであり、制御部７０によって送風機４２の回転方向が切り替えられる。送風部４０は、送風機４２が順方向に回転したとき、分割された燃料電池モジュール２０のうち一方の側に向けて送風する（図１３の実線矢印Ｗ）。また、送風機４２が逆方向に回転したとき、分割された燃料電池モジュール２０のうち他方の側に向けて送風する（図１３の実線矢印Ｗ’）。すなわち、送風部４０は、２分割された燃料電池モジュール２０に個別、あるいは順に送風する。制御部７０は、一定時間毎に送風機４２の回転方向を切り替えてもよいし、温度が高い方の燃料電池モジュール２０の分割領域の冷却を優先するように送風機４２の回転方向を切り替えてもよい。
　これによれば、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。さらに、本実施の形態では、各送風口から燃料電池モジュール２０のカソード側の主表面までの最大到達距離を実施の形態１に比べて短くすることができるため、燃料電池モジュール２０の冷却効率を高めることができる。
　本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
　たとえば、上述の各実施の形態では、燃料収容部３０にペレット状の水素吸蔵合金が格納されているが、燃料の貯蔵形態はこれに限られず、燃料収容部３０に水素ガスが充填されていてもよい。燃料収容部３０に水素ガスが充填されている場合には、燃料収容部３０の形状を適宜変更することができるため、各実施の形態のように、燃料収容部と前記燃料電池との隙間部分を埋めるように、熱伝導性が良好な熱伝導部材８０を設けずに済む。
　また、上述の各実施の形態では、燃料電池モジュール２０では、複数のセルが平面状に配列されているが、複数のセルを単セルに置き換えてもよい。
　また、上述の各実施の形態では、燃料収容部３０に鉛直方向に延在するスロット（中空部）が形成され、複数のペレット３８が各スロット内で垂直方向に積層されているが、ペレット３８の格納形態はこれに限られない。たとえば、図１４に示すように、燃料収容部３０に複数のスロット３７が水平方向に延在し、かつ各スロット３７の開口３９が燃料電池モジュールが取り付けられるテーパ状の一対の側面と交差する１対の側面の少なくとも一方に形成されていてもよい。この場合、燃料収容部３０が伝熱性が良好な、アルミ、銅、ＳＵＳなどの材料で形成されることにより、上述の実施の形態で用いた熱伝導部材８０を組み込むことなく、燃料電池モジュール２０で生じた熱をペレット３８に伝達させることができる。また、テーパ状の一対の側面と交差する１対の側面の少なくとも一方に開口３９を設けることにより、図３に示した燃料供給部３９へ水素を供給するために必要な流路の長さを短縮することができる。
１０　燃料電池システム、２０　燃料電池モジュール、３０　燃料収容部、３２　燃料供給部、３８　ペレット、４０　送風部、６０　温度検出部、７０　制御部、８０　熱伝導部材、１００　筐体、１１０　基部、１１６　送風口、１２０　突出部
　本発明は、燃料電池システムに適用可能である。

Claims (6)

  1. 　電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられているカソードと、前記電解質膜の他方の面に設けられているアノードとを含む燃料電池と、
    　前記燃料電池のカソード側の主表面の近傍に設けられている送風口から前記燃料電池の前記カソード側の主表面上を横切るように空気を送風するための送風部と、
    　を備え、
    　前記燃料電池のカソード側の主表面の少なくとも一部が前記送風口から送風された空気を受けるように、前記燃料電池の少なくとも一部が前記送風口における送風方向に対して傾斜していることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 　前記送風方向に対する前記燃料電池の傾斜角が、前記送風口から遠くなるにつれて大きくなっている請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記送風方向に対する前記燃料電池の傾斜角が、前記送風口に近づくにつれて大きくなっている請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記燃料電池のカソード側の面が湾曲している請求項２または３に記載の燃料電池システム。
  5. 　平面状の前記燃料電池を複数有し、
    　当該複数の燃料電池の前記カソード側の面が多角面を形成している請求項２または３に記載の燃料電池システム。
  6. 　前記燃料電池の前記アノードの側に、燃料収容部と、
    　前記燃料収容部と前記燃料電池との隙間に設けられた熱伝導部材と、
    　をさらに備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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