燃料電池システム
【課題】システムの小型化およびシステム効率の向上が可能で、配管や配線の信頼性及びスタックの冷却性を向上させた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】単セルを複数積層させたスタックと、液体燃料を供給する燃料供給器と、酸化剤を供給する酸化剤供給器と、未使用の燃料及び生成水を収容する回収タンク１３と、燃料及び生成水を通液する配管１４ａ、１４ｂと、燃料供給器及び酸化剤供給器に係る電気配線１８のうち少なくとも１つを保持筐体１２にまとめて固定した燃料電池システム１１であり、保持筐体１２にスタックを冷却するための風を誘導する通風孔１２ｂを備える。
【解決手段】単セルを複数積層させたスタックと、液体燃料を供給する燃料供給器と、酸化剤を供給する酸化剤供給器と、未使用の燃料及び生成水を収容する回収タンク１３と、燃料及び生成水を通液する配管１４ａ、１４ｂと、燃料供給器及び酸化剤供給器に係る電気配線１８のうち少なくとも１つを保持筐体１２にまとめて固定した燃料電池システム１１であり、保持筐体１２にスタックを冷却するための風を誘導する通風孔１２ｂを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、具体的にはシステムの小型化、配管や配線の信頼性向上、さらにはスタックの冷却性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、使用される電解質の種類によって種々のタイプの燃料電池がある。なかでも固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、作動温度が低く、かつ出力密度が高いことから、車載用電源、および家庭用コージェネレーションシステム用電源などとして実用化されつつある。
【０００３】
ＰＥＦＣのなかでも直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）は、常温で液体の燃料を使用し、この燃料を水素に改質することなく、直接的に酸化して電気エネルギーを取り出す。このため、ＤＯＦＣは、改質器を備える必要がなく、小型化が容易である。また、ＤＯＦＣのなかでも、燃料としてメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、エネルギー効率および発電出力が他のＤＯＦＣよりも優れていることから、可搬型電子機器用の電源として最も有望視されている。
【０００４】
ＤＭＦＣなどの固体高分子型燃料電池は、一般に、複数の単セルを積層したスタックを有する。各単セルは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を間に挟むように配されたアノードおよびカソードとを含んでいる。アノードおよびカソードは、ともに触媒層および拡散層を含んでおり、ＤＭＦＣにおいてはアノードには燃料であるメタノール水溶液が供給され、カソードには酸化剤である空気が供給される。
【０００５】
ＤＭＦＣのアノードおよびカソードでの電気化学反応を、下記反応式（１）および（２）にそれぞれ示す。カソードに導入される酸素は、一般に、大気中から取り入れられる。
【０００６】
アノード： ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− （１）
カソード： （３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ （２）
各単セルでの上記電気化学反応における発生電圧は小さいため、ＤＭＦＣシステムは一般に複数の単セルを積層したスタックと呼ばれる構造を有する。さらに、燃料であるメタノールの供給手段としての液送ポンプ、酸化剤である空気の供給手段としての空気ポンプ、燃料や電気化学反応により生成される二酸化炭素や水を配送する配管、ポンプ類に係る電気配線などにより構成される。
【０００７】
上記のような可搬型燃料電池システムの課題は、第一に、多くの部品と複雑な配管、配線を有するためシステムの小型化が困難で、振動や衝撃による配管、配線類の断線、破損などのリスクが高くなることである。また第二に、上記の反応による発電に伴い、各セルにおいて熱が発生するため、特に、低温で作動する固体高分子型燃料電池においては、各セルが過度にヒートアップすることを防止する冷却手段を備える必要があることである。
【０００８】
この場合、一般に、スタック中に反応ガスの供給路とは別の冷媒通路を設け、該冷媒通路に冷却風等の冷媒を流す手段が知られている。
【０００９】
例えば特許文献１には冷媒通路を有した冷却プレートを含むスタック冷却に関する技術が開示されている。
【００１０】
また、特許文献２には冷却フィンを有したセパレータを含むスタック冷却に関する技術
が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２０９６３０号公報
【特許文献２】特開２０１０−０２７４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１に示される構造では、冷媒通路を有した冷却プレートを各単セル間に挟持したスタック構造なので、スタックの積層厚みが大きくなる。
【００１３】
また、スタックのみを筐体内に保持する構造で、スタックに燃料や酸化剤を供給する補機類は配管を介して該筐体外に別途配置される構成なので、システム自体が大型化したり、各部品間での配管、配線が複雑となるなどの課題を有していた。
【００１４】
一方、特許文献２においては、セパレータ側面に設けた冷却フィン間に冷媒を流す構造が開示されているが、比較的空気抵抗の高い冷却フィン間に集中的に通風する手段が何ら開示されていない。
【００１５】
本発明は、システム体積の小型化や、配管や配線の信頼性向上、更にはスタックの冷却性を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一局面は、複数の単セルが積層されたスタックと、スタックの燃料入口に液体燃料を供給する燃料供給器と、スタックの酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給器と、未使用の燃料及び生成水を収容する回収タンクと、燃料及び生成水を通液する配管と、燃料供給器及び酸化剤供給器に係る電気配線と、スタックと燃料供給器と酸化剤供給器と回収タンクと配管と電気配線とを内包する外装筐体と、外装筐体内に保持される保持筐体と、を具備し、単セルは電解質膜と電解質膜の両側にそれぞれ配置されたアノードおよびカソードとを含む膜−電極接合体と、アノードに接する面に液体燃料を供給するための燃料流路とカソードに接する面に酸化剤を供給するための酸化剤流路を形成したセパレータと、を有し、スタック、燃料供給器、酸化剤供給器、回収タンク、配管、電気配線のうち、少なくともスタックと、燃料供給器と、酸化剤供給器と、回収タンクと、を保持筐体に固定したことを特徴とする燃料電池システムに関する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、システムの小型化、配管や配線の信頼性向上、更にはスタックの冷却性を向上させた燃料電池システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の燃料電池システムに含まれる燃料電池ユニットの概略構成図
【図２】（Ａ）本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図（Ｂ）電気配線保持部の拡大図
【図３】スタックの酸化剤入口側から見た正面図
【図４】図２（Ａ）のＡ−Ａ´断面図
【図５】本発明の燃料電池システムに含まれる保持筐体の外観斜視図
【図６】直接メタノール型燃料電池の単セル構造の一例を概念的に示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照して説明する。
まず、図６を参照して、燃料電池の一例を説明する。直接メタノール型燃料電池は、通常、板状ないしはシート状の単セルを積層した構造を有している。単セルを積層したものをスタックという。なお、単セルは、それ自体が１つの燃料電池である。そして、燃料電池を１つの単セルだけから構成することも可能である。
【００２０】
単位セル２０は、直接メタノール型燃料電池の単位セルであり、高分子電解質膜２２と、高分子電解質膜２２を間に挟むように配置されたアノード２４およびカソード２６を含んでいる。高分子電解質膜２２は、水素イオン伝導性を有している。アノード２４には、燃料であるメタノールが供給され、カソード２６には、酸化剤である空気が供給される。
【００２１】
アノード２４、高分子電解質膜２２およびカソード２６の積層方向において、アノード２４の上にはアノード側セパレータ３６が積層され、アノード側セパレータ３６のさらに上には端板５６Ａが配置されている。また、カソード２６の上（図では下方向）にはカソード側セパレータ４６が積層され、カソード側セパレータ４６のさらに上（図では下方向）には端板５６Ｂが配置されている。なお、単位セル２０が２以上積層される場合には、端板５６Ａおよび５６Ｂは単位セル毎に設けられず、セルスタックの積層方向の両端に１つずつ配置される。
【００２２】
アノード側セパレータ３６と高分子電解質膜２２との間には、アノード２４を囲むようにガスケット５２が配置されている。カソード側セパレータ４６と高分子電解質膜２２との間には、カソード２６を囲むようにガスケット５４が配置される。ガスケット５２および５４は、それぞれ、燃料および酸化剤がアノード２４およびカソード２６から外部に漏れるのを防止する。
【００２３】
２つの端板５６Ａおよび５６Ｂは、図示しないボルトおよびバネなどにより、各セパレータとＭＥＡとを加圧するように互いに締結される。ＭＥＡと、アノード側セパレータ３６およびカソード側セパレータ４６との界面は接着性に乏しい。そのため、上記のようにして、各セパレータとＭＥＡとを加圧することにより、ＭＥＡと各セパレータとの接着性を高めることができる。その結果、ＭＥＡと各セパレータとの間の接触抵抗を低減させることができる。
【００２４】
アノード２４は、アノード触媒層２８およびアノード拡散層３０を含む。アノード触媒層２８は、高分子電解質膜２２に接している。アノード拡散層３０は、撥水処理が施されたアノード多孔質基材３４、およびその表面に形成された、撥水性の高い材料からなるアノード撥水層３２を含む。アノード撥水層３２およびアノード多孔質基材３４は、この順序で、アノード触媒層２８の高分子電解質膜２２と接している面とは反対側の面の上に積層されている。
【００２５】
カソード２６は、カソード触媒層３８およびカソード拡散層４０を含む。カソード触媒層３８は、高分子電解質膜２２のアノード触媒層２８が接している面とは反対側の面に接している。カソード拡散層４０は、撥水処理が施されたカソード多孔質基材４４、およびその表面に形成された、撥水性の高い材料からなるカソード撥水層４２を含む。カソード撥水層４２およびカソード多孔質基材４４は、この順序で、カソード触媒層３８の高分子電解質膜２２と接している面とは反対側の面の上に積層されている。
【００２６】
高分子電解質膜２２、アノード触媒層２８およびカソード触媒層３８からなる積層体は、燃料電池の発電を担っており、ＣＣＭと呼ばれている。また、ＭＥＡは、ＣＣＭと、アノード拡散層３０およびカソード拡散層４０とからなる積層体である。アノード拡散層３
０およびカソード拡散層４０は、アノード２４およびカソード２６に供給される燃料および酸化剤の均一な分散を担うとともに、生成物である水および二酸化炭素の円滑な排出を担っている。
【００２７】
アノード側セパレータ３６は、アノード多孔質基材３４との接触面に、アノード２４に燃料を供給するための燃料流路４８を有している。燃料流路４８は、例えば、上記接触面に形成され、アノード多孔質基材３４に向かって開口する凹部ないしは溝から構成される。
【００２８】
カソード側セパレータ４６は、カソード多孔質基材４４との接触面に、カソード２６に酸化剤（空気）を供給するための酸化剤流路５０を有している。酸化剤流路５０もまた、例えば、上記接触面に形成され、カソード多孔質基材４４に向かって開口する凹部ないしは溝から構成される。
【００２９】
本発明の燃料電池システムの一局面は、複数の燃料電池単セルが積層されたスタックと、燃料供給器と、酸化剤供給器と、未使用の燃料及び生成水を収容する回収タンクと、燃料及び生成水を通液する配管と、燃料供給器及び酸化剤供給器に係る電気配線と、を具備し、このうち、少なくともスタックと、燃料供給器と、酸化剤供給器と、回収タンクと、を１つの保持筐体にスタック、燃料供給器、酸化剤供給器、回収タンク、配管、電気配線の全てを固定した構成を有する。
【００３０】
図１において、燃料電池ユニット１はスタック２と酸化剤供給器７と燃料供給器１０から構成される。スタック２は複数の単セル３を積層し、天面及び底面に配置された一対の端板４を介して複数の板バネ５により所要の圧力で挟持されている。スタック２によって発電された電力は集電板６によって導通される。単セル３には、それぞれ図示しない液体燃料を導入する燃料入口と、未使用の燃料を放出する燃料出口と、酸化剤を導入する酸化剤入口と、未消費酸化剤および生成水を含む流体を放出する酸化剤出口と、を有する。
【００３１】
また端板４は、単セル３の酸化剤出口と連通し未消費酸化剤および生成水を含む流体を排出する酸化剤排出口（図示せず）と、単セル３の燃料出口と連通し未使用の燃料を排出する燃料排出口（図示せず）と、を有する。
【００３２】
さらに燃料電池ユニット１は、スタック２の酸化剤入口側に酸化剤供給器７とスタック２を直結し、対向する燃料入口側に燃料供給器１０とスタック２を直結した構成を有する。配管を介せずに燃料及び酸化剤をスタック２に供給することにより、配管に必要なスペースを必要とせず燃料電池ユニットの体積を低減できる。なお、直結させる際には、面接合させることが好ましい。
【００３３】
また燃料供給器１０は、水吸入口（図示せず）から後に説明する回収タンク１３に貯蔵された未使用の燃料及び生成水を吸引すると共に、燃料吸入口（図示せず）から高濃度の燃料を吸引し、内部で所定の濃度にミキシングされた燃料を供給する。高濃度の燃料は図示しない燃料タンクに貯蔵されている。
【００３４】
図１に示す実施例において、酸化剤供給器７は酸化剤を吐出する酸化剤ポンプ８と、吐出された酸化剤の流れを整流し、各単セルへの酸化剤供給量を均一化せしめるマニホールド９から成るが、諸条件の改良によりマニホールド９を不要とすることも可能である。
【００３５】
図２（Ａ）において、燃料電池システム１１は、保持筐体１２に燃料電池ユニット１と、未使用の燃料及び生成水を収容する回収タンク１３と、をネジ等の締結手段によって締結保持している。
【００３６】
また、保持筐体１２は、酸化剤ポンプ８や燃料供給器１０に接続される電気配線を保持している。電気配線の保持の仕方について、酸化剤ポンプ８に接続される電気配線１８を例に図２（Ａ）および図２（Ｂ）を用いて説明する。
【００３７】
酸化剤ポンプ８と酸化剤ポンプ制御基板１７は、電気配線１８によって接続される。電気配線１８は、保持筐体１２に一体に形成された複数のボス１２ｅの間に挟持されている。挟持する力は、電気配線１８の線径に合わせてボス１２ｅ間のピッチ寸法を調整する事で容易に設定できる。また電気配線１８の全長に合わせて、ボス１２ｅによる挟持箇所Ｂを複数設置することもできる。これにより電気配線１８が外部より受ける振動や衝撃によって破損・断線することを防止できる。
【００３８】
また保持筐体１２は、回収タンク１３に貯蔵した未使用の燃料及び生成水を燃料供給器１０の水吸入口１０ａに搬送する配管１４ａと、酸化剤排出口から排出された未消費酸化剤および生成水を含む流体を回収タンク１３に搬送する配管１４ｂと、燃料排出口から排出された未使用の燃料を回収タンク１３に搬送する配管（図示せず）とを保持している。配管の保持の仕方について、配管１４ａと配管１４ｂを例に図２（Ａ）および図４を用いて説明する。
【００３９】
配管１４ａおよび配管１４ｂは、可撓性のパイプから成り、保持筐体の面（１２ａ）に開口した穴１２ｄに貫通保持される。また、保持筐体１２に一体に形成された複数のボス１２ｆの間に挟持されている。これにより配管が外部より受ける振動や衝撃によって破損することを防止できる。（挟持力の調整は、電気配線における説明と同様のため省略する。）
従来の燃料電池システム構造では、スタックとポンプ類、タンクなどの各部品が筐体内においてそれぞれ個別に配置されている。故に各部品を繋ぐ配管や配線は複雑で全長が比較的長くなるため、これらの重量が増す。かつ配管や配線は各々の部品間の空間スペース内に比較的可動自在に配置されるので、特に振動や衝撃を受けやすい可搬型の燃料電池システムでは断線、破損などのリスクが高くなる。
【００４０】
このように、本発明に係る燃料電池システムでは、スタックと、燃料供給器と、酸化剤供給器と、回収タンクと、配管と、配線を一つの保持筐体にまとめて保持する構成とすることにより、システム自体の小型化が可能で、かつ配線や配管に係る信頼性も向上させた燃料電池システムを提供することができる。
【００４１】
次に、本発明の別の一局面は、保持筐体の一部には、燃料電池を冷却するための風を誘導する通風孔を備えている。
【００４２】
図３および図４を用いてスタックと保持筐体に備えた通風孔との位置関係について説明する。
【００４３】
図３において、スタック２は前述のように単セル３を積層して構成される。単セル３の構成部材であるセパレータの端部には冷却フィン３ａが設けられている。本発明によるスタック２においては、各冷却フィン３ａ同士の積層方向の隙間１５ａ、および冷却フィン３ａと板バネ５の内壁面との隙間１５ｂに冷媒である空気を流すことにより、発電時に各単セルが過度にヒートアップすることを防止している。
【００４４】
このように、本発明におけるスタックでは冷媒通路を有した冷却プレートを各単セル間に具備する必要がないのでスタックの総厚みが小さくなる。この効果は積層数が多くなるほど大きくなり、スタック体積の小型化に有利である。
【００４５】
スタック体積をより小さくするためには、可能な限り冷却フィン３ａ同士の積層方向の隙間１５ａおよび冷却フィン３ａと板バネ５の内壁面との隙間１５ｂを小さくすることが好ましいが、この隙間が小さくなればなるほど空気抵抗が高くなり、比較的に空気抵抗の低い他の部分に風が逃げてしまうため冷却フィン部に集中的に通風することが困難となりセルの冷却性能が悪化する。この課題について特許文献２に示される構造では何ら解決策が開示されていない。
【００４６】
そこで、本発明の燃料電池システムにおいてはスタック２の酸化剤入口面と対向する保持筐体の面１２ａにスタック２を冷却するための風を誘導する通風孔１２ｂを設けた。保持筐体の面１２ａおよび通風孔１２ｂは、スタック２の冷却フィン３ａに近接し、かつ冷媒である空気流れ方向の上流側に設けられる。なおシステム内への冷媒空気の導入には、冷却ファンなどを用いることができる。
【００４７】
また、本燃料電池システム１１を内包する外装筐体（図示せず）の内面と、保持筐体の面１２ａの端面１２ｃとを気密に接触させることにより、冷媒は通風孔１２ｂから集中的に導入され、連通した冷却フィン３ａ同士の積層方向の隙間１５ａおよび冷却フィン３ａと板バネ５の内壁面との隙間１５ｂに効率よく通風せしめ、セルの冷却性能を向上させることができる。
【００４８】
さらに、冷却フィン３ａはセパレータの酸化剤入口側面及び燃料入口側面と直交する一対の側面に、厚みがセパレータ本体に比べて小さく、スタックから保持筐体の方向へ延伸するように設けることにより、スタックの冷却性を向上することができる。
【００４９】
また、セパレータの冷却フィン同士の積層方向隙間１５ａを０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下とする事で、安定して冷却フィン間に通風させ効率的にスタックを冷却ことが可能で、かつスタックの総厚みを小さく抑えることができる。
【００５０】
以下に、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施例は、本発明を何ら限定するものではない。
【実施例】
【００５１】
図２に示されるような燃料電池システムを作製した。
【００５２】
＜アノード触媒層の作製＞
アノード触媒粒子と、これを担持する導電性の担体とを含むアノード触媒担持体を調製した。アノード触媒粒子としては、平均粒径５ｎｍの白金−ルテニウム合金微粒子（Ｐｔ：Ｒｕの原子比＝１：１）を用いた。担体としては、平均一次粒子径３０ｎｍのカーボン粒子を用いた。白金−ルテニウム合金と、カーボン粒子との合計重量に占める白金−ルテニウム合金の割合は、８０重量％とした。
【００５３】
カソード触媒粒子と、これを担持する導電性の担体とを含むカソード触媒担持体を調製した。カソード触媒粒子としては、白金粒子（平均粒径：３ｎｍ）を用いた。担体としては、平均一次粒子径が３０ｎｍのカーボン粒子を用いた。白金とカーボン粒子との合計重量に占める白金の割合は、８０重量％とした。
【００５４】
高分子電解質膜としては、厚さ５０μｍの強酸性イオン交換膜（「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２」、デュポン社製）を使用した。
【００５５】
（ＣＣＭの作製）
（アノードの形成）
アノード触媒担持体の１０ｇと、強酸性イオン交換樹脂を含有する分散液（商品名：ナフィオン分散液、「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）５重量％溶液」、米国デュポン社製）の７０ｇとを、適量の水とともに攪拌機により攪拌して混合した。得られた混合物を脱気して、アノード触媒層形成用インクを得た。
【００５６】
こうして得られたアノード触媒層形成用インクを、エアーブラシを使用したスプレー法により、高分子電解質膜の一方の表面に吹き付けるようにして塗布し、９２ｍｍ×９２ｍｍの正方形のアノード触媒層を形成した。アノード触媒層の寸法は、マスキングにより調整した。アノード触媒層形成用インクの吹き付け時には、表面温度をヒータにより調整した金属板に、高分子電解質膜を、減圧により吸着させて固定した。アノード触媒層形成用インクは、塗布中に漸次乾燥させるようにした。アノード触媒層の厚みは６１μｍであった。単位面積あたりのＰｔ−Ｒｕの量は、３ｍｇ／ｃｍ２であった。
【００５７】
（カソードの形成）
カソード触媒担持体の１０ｇと、強酸性イオン交換樹脂を含有する分散液（商品名「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）５重量％溶液」）の１００ｇとを、適量の水とともに攪拌機により攪拌して混合した。この後、得られた混合物を脱気して、カソード触媒層形成用インクを得た。
【００５８】
得られたカソード触媒層形成用インクを、アノード触媒層の形成と同様の方法で、高分子電解質膜のアノード触媒層が形成された面とは反対側の面に塗布した。これにより、９２ｍｍ×９２ｍｍの正方形のカソード触媒層を、高分子電解質膜に形成した。形成されたカソード触媒層に含まれる単位面積あたりのＰｔの量は、１ｍｇ／ｃｍ２であった。なお、アノード触媒層と、カソード触媒層とは、それぞれの中心（対角線の交点）が高分子電解質膜の厚さ方向に平行な１つの直線上に位置するように、配置した。
【００５９】
以上のようにして、ＣＣＭを作製した。
【００６０】
（ＭＥＡの作製）
（アノード多孔質基材の作製）
撥水処理が施されたカーボンペーパー（商品名「ＴＧＰ−Ｈ−０９０」、厚さ約３００μｍ、東レ（株）製）を、希釈されたＰＴＦＥのディスパージョン（商品名「Ｄ−１」、ダイキン工業（株）製）に１分間浸漬した。次いで、そのカーボンペーパーを、１００℃に温度設定された熱風乾燥機中で乾燥させた。乾燥後のカーボンペーパーを、電気炉中において、２７０℃で２時間焼成した。このようにして、ＰＴＦＥの含有量が１０重量％であるアノード多孔質基材を得た。
【００６１】
（カソード多孔質基材の作製）
撥水処理が施されたカーボンペーパーに代えて、カーボンクロス（商品名「ＡｖＣａｒｂ（商標）１０７１ＨＣＢ」、バラードマテリアルプロダクツ社製）を使用したこと以外は、アノード多孔質基材と同様にして、ＰＴＦＥの含有量が１０重量％であるカソード多孔質基材を作成した。
【００６２】
（アノード撥水層の作製）
アセチレンブラックの粉末と、ＰＴＦＥのディスパージョン（商品名「Ｄ−１」、ダイキン工業（株）製）とを攪拌機により攪拌して混合することにより、全固形分に占めるＰＴＦＥの含有量が１０重量％であり、全固形分に占めるアセチレンブラックの含有量が９０重量％である撥水層形成用インクを得た。得られた撥水層形成用インクを、エアーブラシを使用したスプレー法により、アノード多孔質基材の一方側の表面に吹き付けるように
して塗布した。その後、塗布されたインクを、１００℃に温度設定された恒温槽内で乾燥させた。次いで、撥水層形成用インクを塗布したアノード多孔質基材を、電気炉により、２７０℃で２時間焼成した。こうして、アノード多孔質基材上にアノード撥水層を形成した。
【００６３】
このようにして、アノード多孔質基材およびアノード撥水層を含むアノード拡散層を作製した。
【００６４】
（カソード撥水層の作製）
カソード多孔質基材の一方の表面に、アノード撥水層と同様にして、カソード撥水層を形成した。
【００６５】
このようにして、カソード多孔質基材およびカソード撥水層を含むカソード拡散層を作製した。
【００６６】
アノード拡散層およびカソード拡散層は、いずれも、抜き型を使用して、９２ｍｍ×９２ｍｍの正方形に成形した。
【００６７】
次に、アノード拡散層のアノード撥水層と、ＣＣＭのアノード触媒層とが接するように、アノード拡散層とＣＣＭとを積層した。また、カソード拡散層のカソード撥水層と、ＣＣＭのカソード触媒層とが接するように、カソード拡散層とＣＣＭとを積層した。
【００６８】
得られた積層体を、温度を１２５℃に設定した熱プレス装置により、５ＭＰａの圧力で１分間加圧した。これにより、アノード触媒層とアノード拡散層とを接合するとともに、カソード触媒層とカソード拡散層とを接合した。
【００６９】
以上のようにして、アノードと、高分子電解質膜と、カソードとからなる膜−電極接合体（ＭＥＡ）を得た。
【００７０】
（ガスケットの配置）
厚み０．２５ｍｍのエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）のシートを、９５ｍｍ×９５ｍｍの正方形に裁断した。さらに、このシートの中央部分を、９３ｍｍ×９３ｍｍのサイズに開口するようにくり抜いた。このようにして、２枚のガスケットを得た。
【００７１】
一方のガスケットの中央の開口部に、アノードをはめ込むように配置し、他方のガスケットの中央の開口部に、カソードをはめ込むように配置した。
【００７２】
（セパレータの作製）
セパレータの素材として、厚み１．２ｍｍ、サイズ９５ｍｍ×１１０ｍｍの長方形の樹脂含浸黒鉛板を準備した。この黒鉛板の片面を切削して、メタノール水溶液をアノードに供給する燃料流路を形成した。セパレータの短辺側端部の一方には、燃料流路の入口を形成し、短辺側端部の他方には、燃料流路の出口を形成した。このようにして、アノード側流路を作製した。
【００７３】
同様に、アノード側流路と反対面を切削して、酸化剤としての空気をカソードに供給する空気流路を形成した。セパレータの短辺側端部の一方（燃料流路入口と対向する側）には、空気流路の入口を形成し、短辺側端部の他方（燃料流路出口と対向する側）には、空気流路の出口を形成した。このようにして、カソード側流路を作製した。
【００７４】
燃料流路および空気流路を構成する溝の断面サイズは、いずれも、幅１ｍｍ、深さ０．
４ｍｍとした。また、燃料流路および空気流路は、それぞれ、アノード拡散層およびカソード拡散層の各部に満遍なく燃料および空気を供給し得るサーペンタイン型とした。
【００７５】
また黒鉛板の長辺側端面の両側には厚み０．７ｍｍの冷却フィン部を形成した。
【００７６】
アノード側流路がアノード拡散層と接するように、ＭＥＡと積層した。またカソード側流路がカソード拡散層と接するように、ＭＥＡと積層した。
【００７７】
こうして得られたセパレータに挟持されたＭＥＡを２０セル分積層し、その積層方向の両端に、厚さ７ｍｍのガラスエポキシ樹脂からなる一対の端板を配置した。各端板と、各セパレータとの間には、表面に金メッキが施された厚さ２ｍｍの銅板からなる集電板を配置した。
【００７８】
その状態で、一対の端板を、断面がＣ型の板バネ６個を用いて互いに締結し、ＭＥＡと各セパレータとを加圧した。
【００７９】
この時、各セパレータの冷却フィン同士の積層方向の隙間は１．０ｍｍであった。また冷却フィン端部と板バネ内壁面との隙間は３．２ｍｍであった。
【００８０】
以上のようにして、サイズが９５ｍｍ×１１６ｍｍであるＤＭＦＣのスタックを得た。
【００８１】
次に、ＤＭＦＣのスタックを使用して、図１および図２に示す燃料電池システムを構築した。
【００８２】
スタック２の空気流路入口側面には、角筒状のマニホールド９と、酸化剤ポンプ８から成る酸化剤供給器７を面接合した。
【００８３】
スタック２の燃料流路入口側面には、燃料供給器１０を面接合した。燃料供給器１０の具体的構成は、シーアイ化成（株）製の液送ポンプＰＴ０９Ａ−１２−０３を３個とミキシング室から構成される。第１ポンプにてシステム外に設けられた燃料タンクから高濃度燃料を吸引し、第２ポンプで回収タンク１３に貯蔵された未使用の燃料及び生成水（低濃度燃料）を吸引する。それぞれの燃料はミキシング室内で所要の濃度に調整され、第３ポンプにてスタックの燃料流路入口に供給される。
【００８４】
こうして燃料電池ユニット１を構築した。
【００８５】
次に燃料電池ユニット１と回収タンク１３とを保持筐体１２にネジ締結した。
【００８６】
各部品間を繋ぐ配管及び配線は、図２の説明の通り、保持筐体１２に保持した。
各配管にはエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）のチューブを使用した。
【００８７】
以上のようにして得た燃料電池システム１１と、スタック冷却用ファンを外装筐体に収容した。スタック冷却用ファンの風量は２００Ｌ／ｍｉｎに調整した。
【００８８】
アノードには、４ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を、１０ｍＬ／ｍｉｎの流量で供給した。カソードには、無加湿の空気を、１５Ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。燃料電池の出力電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電子負荷装置「ＰＬＺ１６４ＷＡ」（菊水電子工業（株）製）に接続し、２００ｍＡ／ｃｍ２の一定の電流密度となるように調節して、連続発電を行った。
【００８９】
室温２５℃環境下での発電開始３０分経過時のセパレータ表面温度を測定した。具体的には２０セル積層の中央部の３枚のセパレータについて測定した結果、平均値は５９．３℃となった。
上記と同様のシステムを構成しながら、保持筐体１２が無い状態の燃料電池システムを構成した。
【００９０】
同様に発電開始３０分経過時のセパレータ表面温度を測定した結果、平均値は６４．３℃となった。
【００９１】
以上のように本発明の燃料電池システムは保持筐体１２に設けられた通風孔１２ｂの効果により、冷却フィン部に効率よく通風され、冷却性能が向上したことを確認した。
【００９２】
以上、説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムによれば、スタックに燃料供給器と酸化剤供給器とを配管を介せずに直結することで燃料電池ユニットの小型化が可能である。さらには燃料電池ユニットと回収タンクと配管、及び配線類を一つの保持筐体にまとめて保持することで、配線や配管に係る信頼性も向上させることができる。さらに保持筐体に通風孔を設けることでスタックの冷却効果を向上させ安定した発電が可能な燃料電池システムを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明の燃料電池システムは、小型化が要求され、かつ振動や衝撃を受けやすい可搬型の燃料電池システムとして有用である。例えば、ホームユースの発電装置、工事用発電機、電動スクーター及び電動シニアカー、ノートパソコン、及びワイヤレススピーカーなどの電源用途として利用することができる。
【符号の説明】
【００９４】
１ 燃料電池ユニット
２ スタック
３ 単セル
３ａ 冷却フィン
４ 端板
５ 板バネ
６ 集電板
７ 酸化剤供給器
８ 酸化剤ポンプ
９ マニホールド
１０ 燃料供給器
１１ 燃料電池システム
１２ 保持筐体
１２ａ 保持筐体の面
１２ｂ 通風孔
１２ｃ 保持筐体の面１２ａの端面
１２ｄ 保持筐体の面１２ａの穴
１２ｅ、１２ｆ ボス
１３ 回収タンク
１４ａ、１４ｂ 配管
１５ａ 冷却フィン３ａ同士の積層方向の隙間
１５ｂ 冷却フィン３ａと板バネ５の内壁面との隙間
１７ 酸化剤ポンプ制御基板
１８ 電気配線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、具体的にはシステムの小型化、配管や配線の信頼性向上、さらにはスタックの冷却性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、使用される電解質の種類によって種々のタイプの燃料電池がある。なかでも固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、作動温度が低く、かつ出力密度が高いことから、車載用電源、および家庭用コージェネレーションシステム用電源などとして実用化されつつある。
【０００３】
ＰＥＦＣのなかでも直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）は、常温で液体の燃料を使用し、この燃料を水素に改質することなく、直接的に酸化して電気エネルギーを取り出す。このため、ＤＯＦＣは、改質器を備える必要がなく、小型化が容易である。また、ＤＯＦＣのなかでも、燃料としてメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、エネルギー効率および発電出力が他のＤＯＦＣよりも優れていることから、可搬型電子機器用の電源として最も有望視されている。
【０００４】
ＤＭＦＣなどの固体高分子型燃料電池は、一般に、複数の単セルを積層したスタックを有する。各単セルは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を間に挟むように配されたアノードおよびカソードとを含んでいる。アノードおよびカソードは、ともに触媒層および拡散層を含んでおり、ＤＭＦＣにおいてはアノードには燃料であるメタノール水溶液が供給され、カソードには酸化剤である空気が供給される。
【０００５】
ＤＭＦＣのアノードおよびカソードでの電気化学反応を、下記反応式（１）および（２）にそれぞれ示す。カソードに導入される酸素は、一般に、大気中から取り入れられる。
【０００６】
アノード： ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− （１）
カソード： （３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ （２）
各単セルでの上記電気化学反応における発生電圧は小さいため、ＤＭＦＣシステムは一般に複数の単セルを積層したスタックと呼ばれる構造を有する。さらに、燃料であるメタノールの供給手段としての液送ポンプ、酸化剤である空気の供給手段としての空気ポンプ、燃料や電気化学反応により生成される二酸化炭素や水を配送する配管、ポンプ類に係る電気配線などにより構成される。
【０００７】
上記のような可搬型燃料電池システムの課題は、第一に、多くの部品と複雑な配管、配線を有するためシステムの小型化が困難で、振動や衝撃による配管、配線類の断線、破損などのリスクが高くなることである。また第二に、上記の反応による発電に伴い、各セルにおいて熱が発生するため、特に、低温で作動する固体高分子型燃料電池においては、各セルが過度にヒートアップすることを防止する冷却手段を備える必要があることである。
【０００８】
この場合、一般に、スタック中に反応ガスの供給路とは別の冷媒通路を設け、該冷媒通路に冷却風等の冷媒を流す手段が知られている。
【０００９】
例えば特許文献１には冷媒通路を有した冷却プレートを含むスタック冷却に関する技術が開示されている。
【００１０】
また、特許文献２には冷却フィンを有したセパレータを含むスタック冷却に関する技術
が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２０９６３０号公報
【特許文献２】特開２０１０−０２７４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１に示される構造では、冷媒通路を有した冷却プレートを各単セル間に挟持したスタック構造なので、スタックの積層厚みが大きくなる。
【００１３】
また、スタックのみを筐体内に保持する構造で、スタックに燃料や酸化剤を供給する補機類は配管を介して該筐体外に別途配置される構成なので、システム自体が大型化したり、各部品間での配管、配線が複雑となるなどの課題を有していた。
【００１４】
一方、特許文献２においては、セパレータ側面に設けた冷却フィン間に冷媒を流す構造が開示されているが、比較的空気抵抗の高い冷却フィン間に集中的に通風する手段が何ら開示されていない。
【００１５】
本発明は、システム体積の小型化や、配管や配線の信頼性向上、更にはスタックの冷却性を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一局面は、複数の単セルが積層されたスタックと、スタックの燃料入口に液体燃料を供給する燃料供給器と、スタックの酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給器と、未使用の燃料及び生成水を収容する回収タンクと、燃料及び生成水を通液する配管と、燃料供給器及び酸化剤供給器に係る電気配線と、スタックと燃料供給器と酸化剤供給器と回収タンクと配管と電気配線とを内包する外装筐体と、外装筐体内に保持される保持筐体と、を具備し、単セルは電解質膜と電解質膜の両側にそれぞれ配置されたアノードおよびカソードとを含む膜−電極接合体と、アノードに接する面に液体燃料を供給するための燃料流路とカソードに接する面に酸化剤を供給するための酸化剤流路を形成したセパレータと、を有し、スタック、燃料供給器、酸化剤供給器、回収タンク、配管、電気配線のうち、少なくともスタックと、燃料供給器と、酸化剤供給器と、回収タンクと、を保持筐体に固定したことを特徴とする燃料電池システムに関する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、システムの小型化、配管や配線の信頼性向上、更にはスタックの冷却性を向上させた燃料電池システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の燃料電池システムに含まれる燃料電池ユニットの概略構成図
【図２】（Ａ）本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図（Ｂ）電気配線保持部の拡大図
【図３】スタックの酸化剤入口側から見た正面図
【図４】図２（Ａ）のＡ−Ａ´断面図
【図５】本発明の燃料電池システムに含まれる保持筐体の外観斜視図
【図６】直接メタノール型燃料電池の単セル構造の一例を概念的に示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照して説明する。
まず、図６を参照して、燃料電池の一例を説明する。直接メタノール型燃料電池は、通常、板状ないしはシート状の単セルを積層した構造を有している。単セルを積層したものをスタックという。なお、単セルは、それ自体が１つの燃料電池である。そして、燃料電池を１つの単セルだけから構成することも可能である。
【００２０】
単位セル２０は、直接メタノール型燃料電池の単位セルであり、高分子電解質膜２２と、高分子電解質膜２２を間に挟むように配置されたアノード２４およびカソード２６を含んでいる。高分子電解質膜２２は、水素イオン伝導性を有している。アノード２４には、燃料であるメタノールが供給され、カソード２６には、酸化剤である空気が供給される。
【００２１】
アノード２４、高分子電解質膜２２およびカソード２６の積層方向において、アノード２４の上にはアノード側セパレータ３６が積層され、アノード側セパレータ３６のさらに上には端板５６Ａが配置されている。また、カソード２６の上（図では下方向）にはカソード側セパレータ４６が積層され、カソード側セパレータ４６のさらに上（図では下方向）には端板５６Ｂが配置されている。なお、単位セル２０が２以上積層される場合には、端板５６Ａおよび５６Ｂは単位セル毎に設けられず、セルスタックの積層方向の両端に１つずつ配置される。
【００２２】
アノード側セパレータ３６と高分子電解質膜２２との間には、アノード２４を囲むようにガスケット５２が配置されている。カソード側セパレータ４６と高分子電解質膜２２との間には、カソード２６を囲むようにガスケット５４が配置される。ガスケット５２および５４は、それぞれ、燃料および酸化剤がアノード２４およびカソード２６から外部に漏れるのを防止する。
【００２３】
２つの端板５６Ａおよび５６Ｂは、図示しないボルトおよびバネなどにより、各セパレータとＭＥＡとを加圧するように互いに締結される。ＭＥＡと、アノード側セパレータ３６およびカソード側セパレータ４６との界面は接着性に乏しい。そのため、上記のようにして、各セパレータとＭＥＡとを加圧することにより、ＭＥＡと各セパレータとの接着性を高めることができる。その結果、ＭＥＡと各セパレータとの間の接触抵抗を低減させることができる。
【００２４】
アノード２４は、アノード触媒層２８およびアノード拡散層３０を含む。アノード触媒層２８は、高分子電解質膜２２に接している。アノード拡散層３０は、撥水処理が施されたアノード多孔質基材３４、およびその表面に形成された、撥水性の高い材料からなるアノード撥水層３２を含む。アノード撥水層３２およびアノード多孔質基材３４は、この順序で、アノード触媒層２８の高分子電解質膜２２と接している面とは反対側の面の上に積層されている。
【００２５】
カソード２６は、カソード触媒層３８およびカソード拡散層４０を含む。カソード触媒層３８は、高分子電解質膜２２のアノード触媒層２８が接している面とは反対側の面に接している。カソード拡散層４０は、撥水処理が施されたカソード多孔質基材４４、およびその表面に形成された、撥水性の高い材料からなるカソード撥水層４２を含む。カソード撥水層４２およびカソード多孔質基材４４は、この順序で、カソード触媒層３８の高分子電解質膜２２と接している面とは反対側の面の上に積層されている。
【００２６】
高分子電解質膜２２、アノード触媒層２８およびカソード触媒層３８からなる積層体は、燃料電池の発電を担っており、ＣＣＭと呼ばれている。また、ＭＥＡは、ＣＣＭと、アノード拡散層３０およびカソード拡散層４０とからなる積層体である。アノード拡散層３
０およびカソード拡散層４０は、アノード２４およびカソード２６に供給される燃料および酸化剤の均一な分散を担うとともに、生成物である水および二酸化炭素の円滑な排出を担っている。
【００２７】
アノード側セパレータ３６は、アノード多孔質基材３４との接触面に、アノード２４に燃料を供給するための燃料流路４８を有している。燃料流路４８は、例えば、上記接触面に形成され、アノード多孔質基材３４に向かって開口する凹部ないしは溝から構成される。
【００２８】
カソード側セパレータ４６は、カソード多孔質基材４４との接触面に、カソード２６に酸化剤（空気）を供給するための酸化剤流路５０を有している。酸化剤流路５０もまた、例えば、上記接触面に形成され、カソード多孔質基材４４に向かって開口する凹部ないしは溝から構成される。
【００２９】
本発明の燃料電池システムの一局面は、複数の燃料電池単セルが積層されたスタックと、燃料供給器と、酸化剤供給器と、未使用の燃料及び生成水を収容する回収タンクと、燃料及び生成水を通液する配管と、燃料供給器及び酸化剤供給器に係る電気配線と、を具備し、このうち、少なくともスタックと、燃料供給器と、酸化剤供給器と、回収タンクと、を１つの保持筐体にスタック、燃料供給器、酸化剤供給器、回収タンク、配管、電気配線の全てを固定した構成を有する。
【００３０】
図１において、燃料電池ユニット１はスタック２と酸化剤供給器７と燃料供給器１０から構成される。スタック２は複数の単セル３を積層し、天面及び底面に配置された一対の端板４を介して複数の板バネ５により所要の圧力で挟持されている。スタック２によって発電された電力は集電板６によって導通される。単セル３には、それぞれ図示しない液体燃料を導入する燃料入口と、未使用の燃料を放出する燃料出口と、酸化剤を導入する酸化剤入口と、未消費酸化剤および生成水を含む流体を放出する酸化剤出口と、を有する。
【００３１】
また端板４は、単セル３の酸化剤出口と連通し未消費酸化剤および生成水を含む流体を排出する酸化剤排出口（図示せず）と、単セル３の燃料出口と連通し未使用の燃料を排出する燃料排出口（図示せず）と、を有する。
【００３２】
さらに燃料電池ユニット１は、スタック２の酸化剤入口側に酸化剤供給器７とスタック２を直結し、対向する燃料入口側に燃料供給器１０とスタック２を直結した構成を有する。配管を介せずに燃料及び酸化剤をスタック２に供給することにより、配管に必要なスペースを必要とせず燃料電池ユニットの体積を低減できる。なお、直結させる際には、面接合させることが好ましい。
【００３３】
また燃料供給器１０は、水吸入口（図示せず）から後に説明する回収タンク１３に貯蔵された未使用の燃料及び生成水を吸引すると共に、燃料吸入口（図示せず）から高濃度の燃料を吸引し、内部で所定の濃度にミキシングされた燃料を供給する。高濃度の燃料は図示しない燃料タンクに貯蔵されている。
【００３４】
図１に示す実施例において、酸化剤供給器７は酸化剤を吐出する酸化剤ポンプ８と、吐出された酸化剤の流れを整流し、各単セルへの酸化剤供給量を均一化せしめるマニホールド９から成るが、諸条件の改良によりマニホールド９を不要とすることも可能である。
【００３５】
図２（Ａ）において、燃料電池システム１１は、保持筐体１２に燃料電池ユニット１と、未使用の燃料及び生成水を収容する回収タンク１３と、をネジ等の締結手段によって締結保持している。
【００３６】
また、保持筐体１２は、酸化剤ポンプ８や燃料供給器１０に接続される電気配線を保持している。電気配線の保持の仕方について、酸化剤ポンプ８に接続される電気配線１８を例に図２（Ａ）および図２（Ｂ）を用いて説明する。
【００３７】
酸化剤ポンプ８と酸化剤ポンプ制御基板１７は、電気配線１８によって接続される。電気配線１８は、保持筐体１２に一体に形成された複数のボス１２ｅの間に挟持されている。挟持する力は、電気配線１８の線径に合わせてボス１２ｅ間のピッチ寸法を調整する事で容易に設定できる。また電気配線１８の全長に合わせて、ボス１２ｅによる挟持箇所Ｂを複数設置することもできる。これにより電気配線１８が外部より受ける振動や衝撃によって破損・断線することを防止できる。
【００３８】
また保持筐体１２は、回収タンク１３に貯蔵した未使用の燃料及び生成水を燃料供給器１０の水吸入口１０ａに搬送する配管１４ａと、酸化剤排出口から排出された未消費酸化剤および生成水を含む流体を回収タンク１３に搬送する配管１４ｂと、燃料排出口から排出された未使用の燃料を回収タンク１３に搬送する配管（図示せず）とを保持している。配管の保持の仕方について、配管１４ａと配管１４ｂを例に図２（Ａ）および図４を用いて説明する。
【００３９】
配管１４ａおよび配管１４ｂは、可撓性のパイプから成り、保持筐体の面（１２ａ）に開口した穴１２ｄに貫通保持される。また、保持筐体１２に一体に形成された複数のボス１２ｆの間に挟持されている。これにより配管が外部より受ける振動や衝撃によって破損することを防止できる。（挟持力の調整は、電気配線における説明と同様のため省略する。）
従来の燃料電池システム構造では、スタックとポンプ類、タンクなどの各部品が筐体内においてそれぞれ個別に配置されている。故に各部品を繋ぐ配管や配線は複雑で全長が比較的長くなるため、これらの重量が増す。かつ配管や配線は各々の部品間の空間スペース内に比較的可動自在に配置されるので、特に振動や衝撃を受けやすい可搬型の燃料電池システムでは断線、破損などのリスクが高くなる。
【００４０】
このように、本発明に係る燃料電池システムでは、スタックと、燃料供給器と、酸化剤供給器と、回収タンクと、配管と、配線を一つの保持筐体にまとめて保持する構成とすることにより、システム自体の小型化が可能で、かつ配線や配管に係る信頼性も向上させた燃料電池システムを提供することができる。
【００４１】
次に、本発明の別の一局面は、保持筐体の一部には、燃料電池を冷却するための風を誘導する通風孔を備えている。
【００４２】
図３および図４を用いてスタックと保持筐体に備えた通風孔との位置関係について説明する。
【００４３】
図３において、スタック２は前述のように単セル３を積層して構成される。単セル３の構成部材であるセパレータの端部には冷却フィン３ａが設けられている。本発明によるスタック２においては、各冷却フィン３ａ同士の積層方向の隙間１５ａ、および冷却フィン３ａと板バネ５の内壁面との隙間１５ｂに冷媒である空気を流すことにより、発電時に各単セルが過度にヒートアップすることを防止している。
【００４４】
このように、本発明におけるスタックでは冷媒通路を有した冷却プレートを各単セル間に具備する必要がないのでスタックの総厚みが小さくなる。この効果は積層数が多くなるほど大きくなり、スタック体積の小型化に有利である。
【００４５】
スタック体積をより小さくするためには、可能な限り冷却フィン３ａ同士の積層方向の隙間１５ａおよび冷却フィン３ａと板バネ５の内壁面との隙間１５ｂを小さくすることが好ましいが、この隙間が小さくなればなるほど空気抵抗が高くなり、比較的に空気抵抗の低い他の部分に風が逃げてしまうため冷却フィン部に集中的に通風することが困難となりセルの冷却性能が悪化する。この課題について特許文献２に示される構造では何ら解決策が開示されていない。
【００４６】
そこで、本発明の燃料電池システムにおいてはスタック２の酸化剤入口面と対向する保持筐体の面１２ａにスタック２を冷却するための風を誘導する通風孔１２ｂを設けた。保持筐体の面１２ａおよび通風孔１２ｂは、スタック２の冷却フィン３ａに近接し、かつ冷媒である空気流れ方向の上流側に設けられる。なおシステム内への冷媒空気の導入には、冷却ファンなどを用いることができる。
【００４７】
また、本燃料電池システム１１を内包する外装筐体（図示せず）の内面と、保持筐体の面１２ａの端面１２ｃとを気密に接触させることにより、冷媒は通風孔１２ｂから集中的に導入され、連通した冷却フィン３ａ同士の積層方向の隙間１５ａおよび冷却フィン３ａと板バネ５の内壁面との隙間１５ｂに効率よく通風せしめ、セルの冷却性能を向上させることができる。
【００４８】
さらに、冷却フィン３ａはセパレータの酸化剤入口側面及び燃料入口側面と直交する一対の側面に、厚みがセパレータ本体に比べて小さく、スタックから保持筐体の方向へ延伸するように設けることにより、スタックの冷却性を向上することができる。
【００４９】
また、セパレータの冷却フィン同士の積層方向隙間１５ａを０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下とする事で、安定して冷却フィン間に通風させ効率的にスタックを冷却ことが可能で、かつスタックの総厚みを小さく抑えることができる。
【００５０】
以下に、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施例は、本発明を何ら限定するものではない。
【実施例】
【００５１】
図２に示されるような燃料電池システムを作製した。
【００５２】
＜アノード触媒層の作製＞
アノード触媒粒子と、これを担持する導電性の担体とを含むアノード触媒担持体を調製した。アノード触媒粒子としては、平均粒径５ｎｍの白金−ルテニウム合金微粒子（Ｐｔ：Ｒｕの原子比＝１：１）を用いた。担体としては、平均一次粒子径３０ｎｍのカーボン粒子を用いた。白金−ルテニウム合金と、カーボン粒子との合計重量に占める白金−ルテニウム合金の割合は、８０重量％とした。
【００５３】
カソード触媒粒子と、これを担持する導電性の担体とを含むカソード触媒担持体を調製した。カソード触媒粒子としては、白金粒子（平均粒径：３ｎｍ）を用いた。担体としては、平均一次粒子径が３０ｎｍのカーボン粒子を用いた。白金とカーボン粒子との合計重量に占める白金の割合は、８０重量％とした。
【００５４】
高分子電解質膜としては、厚さ５０μｍの強酸性イオン交換膜（「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２」、デュポン社製）を使用した。
【００５５】
（ＣＣＭの作製）
（アノードの形成）
アノード触媒担持体の１０ｇと、強酸性イオン交換樹脂を含有する分散液（商品名：ナフィオン分散液、「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）５重量％溶液」、米国デュポン社製）の７０ｇとを、適量の水とともに攪拌機により攪拌して混合した。得られた混合物を脱気して、アノード触媒層形成用インクを得た。
【００５６】
こうして得られたアノード触媒層形成用インクを、エアーブラシを使用したスプレー法により、高分子電解質膜の一方の表面に吹き付けるようにして塗布し、９２ｍｍ×９２ｍｍの正方形のアノード触媒層を形成した。アノード触媒層の寸法は、マスキングにより調整した。アノード触媒層形成用インクの吹き付け時には、表面温度をヒータにより調整した金属板に、高分子電解質膜を、減圧により吸着させて固定した。アノード触媒層形成用インクは、塗布中に漸次乾燥させるようにした。アノード触媒層の厚みは６１μｍであった。単位面積あたりのＰｔ−Ｒｕの量は、３ｍｇ／ｃｍ２であった。
【００５７】
（カソードの形成）
カソード触媒担持体の１０ｇと、強酸性イオン交換樹脂を含有する分散液（商品名「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）５重量％溶液」）の１００ｇとを、適量の水とともに攪拌機により攪拌して混合した。この後、得られた混合物を脱気して、カソード触媒層形成用インクを得た。
【００５８】
得られたカソード触媒層形成用インクを、アノード触媒層の形成と同様の方法で、高分子電解質膜のアノード触媒層が形成された面とは反対側の面に塗布した。これにより、９２ｍｍ×９２ｍｍの正方形のカソード触媒層を、高分子電解質膜に形成した。形成されたカソード触媒層に含まれる単位面積あたりのＰｔの量は、１ｍｇ／ｃｍ２であった。なお、アノード触媒層と、カソード触媒層とは、それぞれの中心（対角線の交点）が高分子電解質膜の厚さ方向に平行な１つの直線上に位置するように、配置した。
【００５９】
以上のようにして、ＣＣＭを作製した。
【００６０】
（ＭＥＡの作製）
（アノード多孔質基材の作製）
撥水処理が施されたカーボンペーパー（商品名「ＴＧＰ−Ｈ−０９０」、厚さ約３００μｍ、東レ（株）製）を、希釈されたＰＴＦＥのディスパージョン（商品名「Ｄ−１」、ダイキン工業（株）製）に１分間浸漬した。次いで、そのカーボンペーパーを、１００℃に温度設定された熱風乾燥機中で乾燥させた。乾燥後のカーボンペーパーを、電気炉中において、２７０℃で２時間焼成した。このようにして、ＰＴＦＥの含有量が１０重量％であるアノード多孔質基材を得た。
【００６１】
（カソード多孔質基材の作製）
撥水処理が施されたカーボンペーパーに代えて、カーボンクロス（商品名「ＡｖＣａｒｂ（商標）１０７１ＨＣＢ」、バラードマテリアルプロダクツ社製）を使用したこと以外は、アノード多孔質基材と同様にして、ＰＴＦＥの含有量が１０重量％であるカソード多孔質基材を作成した。
【００６２】
（アノード撥水層の作製）
アセチレンブラックの粉末と、ＰＴＦＥのディスパージョン（商品名「Ｄ−１」、ダイキン工業（株）製）とを攪拌機により攪拌して混合することにより、全固形分に占めるＰＴＦＥの含有量が１０重量％であり、全固形分に占めるアセチレンブラックの含有量が９０重量％である撥水層形成用インクを得た。得られた撥水層形成用インクを、エアーブラシを使用したスプレー法により、アノード多孔質基材の一方側の表面に吹き付けるように
して塗布した。その後、塗布されたインクを、１００℃に温度設定された恒温槽内で乾燥させた。次いで、撥水層形成用インクを塗布したアノード多孔質基材を、電気炉により、２７０℃で２時間焼成した。こうして、アノード多孔質基材上にアノード撥水層を形成した。
【００６３】
このようにして、アノード多孔質基材およびアノード撥水層を含むアノード拡散層を作製した。
【００６４】
（カソード撥水層の作製）
カソード多孔質基材の一方の表面に、アノード撥水層と同様にして、カソード撥水層を形成した。
【００６５】
このようにして、カソード多孔質基材およびカソード撥水層を含むカソード拡散層を作製した。
【００６６】
アノード拡散層およびカソード拡散層は、いずれも、抜き型を使用して、９２ｍｍ×９２ｍｍの正方形に成形した。
【００６７】
次に、アノード拡散層のアノード撥水層と、ＣＣＭのアノード触媒層とが接するように、アノード拡散層とＣＣＭとを積層した。また、カソード拡散層のカソード撥水層と、ＣＣＭのカソード触媒層とが接するように、カソード拡散層とＣＣＭとを積層した。
【００６８】
得られた積層体を、温度を１２５℃に設定した熱プレス装置により、５ＭＰａの圧力で１分間加圧した。これにより、アノード触媒層とアノード拡散層とを接合するとともに、カソード触媒層とカソード拡散層とを接合した。
【００６９】
以上のようにして、アノードと、高分子電解質膜と、カソードとからなる膜−電極接合体（ＭＥＡ）を得た。
【００７０】
（ガスケットの配置）
厚み０．２５ｍｍのエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）のシートを、９５ｍｍ×９５ｍｍの正方形に裁断した。さらに、このシートの中央部分を、９３ｍｍ×９３ｍｍのサイズに開口するようにくり抜いた。このようにして、２枚のガスケットを得た。
【００７１】
一方のガスケットの中央の開口部に、アノードをはめ込むように配置し、他方のガスケットの中央の開口部に、カソードをはめ込むように配置した。
【００７２】
（セパレータの作製）
セパレータの素材として、厚み１．２ｍｍ、サイズ９５ｍｍ×１１０ｍｍの長方形の樹脂含浸黒鉛板を準備した。この黒鉛板の片面を切削して、メタノール水溶液をアノードに供給する燃料流路を形成した。セパレータの短辺側端部の一方には、燃料流路の入口を形成し、短辺側端部の他方には、燃料流路の出口を形成した。このようにして、アノード側流路を作製した。
【００７３】
同様に、アノード側流路と反対面を切削して、酸化剤としての空気をカソードに供給する空気流路を形成した。セパレータの短辺側端部の一方（燃料流路入口と対向する側）には、空気流路の入口を形成し、短辺側端部の他方（燃料流路出口と対向する側）には、空気流路の出口を形成した。このようにして、カソード側流路を作製した。
【００７４】
燃料流路および空気流路を構成する溝の断面サイズは、いずれも、幅１ｍｍ、深さ０．
４ｍｍとした。また、燃料流路および空気流路は、それぞれ、アノード拡散層およびカソード拡散層の各部に満遍なく燃料および空気を供給し得るサーペンタイン型とした。
【００７５】
また黒鉛板の長辺側端面の両側には厚み０．７ｍｍの冷却フィン部を形成した。
【００７６】
アノード側流路がアノード拡散層と接するように、ＭＥＡと積層した。またカソード側流路がカソード拡散層と接するように、ＭＥＡと積層した。
【００７７】
こうして得られたセパレータに挟持されたＭＥＡを２０セル分積層し、その積層方向の両端に、厚さ７ｍｍのガラスエポキシ樹脂からなる一対の端板を配置した。各端板と、各セパレータとの間には、表面に金メッキが施された厚さ２ｍｍの銅板からなる集電板を配置した。
【００７８】
その状態で、一対の端板を、断面がＣ型の板バネ６個を用いて互いに締結し、ＭＥＡと各セパレータとを加圧した。
【００７９】
この時、各セパレータの冷却フィン同士の積層方向の隙間は１．０ｍｍであった。また冷却フィン端部と板バネ内壁面との隙間は３．２ｍｍであった。
【００８０】
以上のようにして、サイズが９５ｍｍ×１１６ｍｍであるＤＭＦＣのスタックを得た。
【００８１】
次に、ＤＭＦＣのスタックを使用して、図１および図２に示す燃料電池システムを構築した。
【００８２】
スタック２の空気流路入口側面には、角筒状のマニホールド９と、酸化剤ポンプ８から成る酸化剤供給器７を面接合した。
【００８３】
スタック２の燃料流路入口側面には、燃料供給器１０を面接合した。燃料供給器１０の具体的構成は、シーアイ化成（株）製の液送ポンプＰＴ０９Ａ−１２−０３を３個とミキシング室から構成される。第１ポンプにてシステム外に設けられた燃料タンクから高濃度燃料を吸引し、第２ポンプで回収タンク１３に貯蔵された未使用の燃料及び生成水（低濃度燃料）を吸引する。それぞれの燃料はミキシング室内で所要の濃度に調整され、第３ポンプにてスタックの燃料流路入口に供給される。
【００８４】
こうして燃料電池ユニット１を構築した。
【００８５】
次に燃料電池ユニット１と回収タンク１３とを保持筐体１２にネジ締結した。
【００８６】
各部品間を繋ぐ配管及び配線は、図２の説明の通り、保持筐体１２に保持した。
各配管にはエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）のチューブを使用した。
【００８７】
以上のようにして得た燃料電池システム１１と、スタック冷却用ファンを外装筐体に収容した。スタック冷却用ファンの風量は２００Ｌ／ｍｉｎに調整した。
【００８８】
アノードには、４ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を、１０ｍＬ／ｍｉｎの流量で供給した。カソードには、無加湿の空気を、１５Ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。燃料電池の出力電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電子負荷装置「ＰＬＺ１６４ＷＡ」（菊水電子工業（株）製）に接続し、２００ｍＡ／ｃｍ２の一定の電流密度となるように調節して、連続発電を行った。
【００８９】
室温２５℃環境下での発電開始３０分経過時のセパレータ表面温度を測定した。具体的には２０セル積層の中央部の３枚のセパレータについて測定した結果、平均値は５９．３℃となった。
上記と同様のシステムを構成しながら、保持筐体１２が無い状態の燃料電池システムを構成した。
【００９０】
同様に発電開始３０分経過時のセパレータ表面温度を測定した結果、平均値は６４．３℃となった。
【００９１】
以上のように本発明の燃料電池システムは保持筐体１２に設けられた通風孔１２ｂの効果により、冷却フィン部に効率よく通風され、冷却性能が向上したことを確認した。
【００９２】
以上、説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムによれば、スタックに燃料供給器と酸化剤供給器とを配管を介せずに直結することで燃料電池ユニットの小型化が可能である。さらには燃料電池ユニットと回収タンクと配管、及び配線類を一つの保持筐体にまとめて保持することで、配線や配管に係る信頼性も向上させることができる。さらに保持筐体に通風孔を設けることでスタックの冷却効果を向上させ安定した発電が可能な燃料電池システムを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明の燃料電池システムは、小型化が要求され、かつ振動や衝撃を受けやすい可搬型の燃料電池システムとして有用である。例えば、ホームユースの発電装置、工事用発電機、電動スクーター及び電動シニアカー、ノートパソコン、及びワイヤレススピーカーなどの電源用途として利用することができる。
【符号の説明】
【００９４】
１ 燃料電池ユニット
２ スタック
３ 単セル
３ａ 冷却フィン
４ 端板
５ 板バネ
６ 集電板
７ 酸化剤供給器
８ 酸化剤ポンプ
９ マニホールド
１０ 燃料供給器
１１ 燃料電池システム
１２ 保持筐体
１２ａ 保持筐体の面
１２ｂ 通風孔
１２ｃ 保持筐体の面１２ａの端面
１２ｄ 保持筐体の面１２ａの穴
１２ｅ、１２ｆ ボス
１３ 回収タンク
１４ａ、１４ｂ 配管
１５ａ 冷却フィン３ａ同士の積層方向の隙間
１５ｂ 冷却フィン３ａと板バネ５の内壁面との隙間
１７ 酸化剤ポンプ制御基板
１８ 電気配線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と前記電解質膜の両側にそれぞれ配置されたアノードおよびカソードとを含む膜−電極接合体と、前記アノードに接する面に前記液体燃料を供給するための燃料流路と前記カソードに接する面に前記酸化剤を供給するための酸化剤流路とを形成したセパレータと、を有する単セルを複数積層させたスタックと、
前記スタックの燃料入口に液体燃料を供給する燃料供給器と、
前記スタックの酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給器と、
未使用の燃料及び生成水を収容する回収タンクと、
前記燃料及び前記生成水を通液する配管と、
前記燃料供給器及び酸化剤供給器に係る電気配線と、
前記スタックと前記燃料供給器と前記酸化剤供給器と前記回収タンクと前記配管と前記電気配線とを内包する外装筐体と、
前記外装筐体内に保持される保持筐体と、を具備し、
少なくとも前記スタックと、前記燃料供給器と、前記酸化剤供給器と、前記回収タンクと、を前記保持筐体内に固定したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記スタックを冷却するための冷却ファンを有し、前記スタックの酸化剤入口面または燃料入口面と対向する前記保持筐体の面の少なくとも一部に、前記スタックを冷却するための風を誘導する通風孔を備えた請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記スタックを冷却するための冷却ファンを有した請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料供給器および前記酸化剤供給器を前記スタックの端面に面接合させたことを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記セパレータの酸化剤入口側面及び燃料入口側面と直交する一対の側面に、厚みがセパレータ本体に比べて小さく前記スタックから前記保持筐体の方向へ延伸した冷却フィンを設けた請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記セパレータの冷却フィン同士の積層方向隙間が０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下である請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項１】
電解質膜と前記電解質膜の両側にそれぞれ配置されたアノードおよびカソードとを含む膜−電極接合体と、前記アノードに接する面に前記液体燃料を供給するための燃料流路と前記カソードに接する面に前記酸化剤を供給するための酸化剤流路とを形成したセパレータと、を有する単セルを複数積層させたスタックと、
前記スタックの燃料入口に液体燃料を供給する燃料供給器と、
前記スタックの酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給器と、
未使用の燃料及び生成水を収容する回収タンクと、
前記燃料及び前記生成水を通液する配管と、
前記燃料供給器及び酸化剤供給器に係る電気配線と、
前記スタックと前記燃料供給器と前記酸化剤供給器と前記回収タンクと前記配管と前記電気配線とを内包する外装筐体と、
前記外装筐体内に保持される保持筐体と、を具備し、
少なくとも前記スタックと、前記燃料供給器と、前記酸化剤供給器と、前記回収タンクと、を前記保持筐体内に固定したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記スタックを冷却するための冷却ファンを有し、前記スタックの酸化剤入口面または燃料入口面と対向する前記保持筐体の面の少なくとも一部に、前記スタックを冷却するための風を誘導する通風孔を備えた請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記スタックを冷却するための冷却ファンを有した請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料供給器および前記酸化剤供給器を前記スタックの端面に面接合させたことを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記セパレータの酸化剤入口側面及び燃料入口側面と直交する一対の側面に、厚みがセパレータ本体に比べて小さく前記スタックから前記保持筐体の方向へ延伸した冷却フィンを設けた請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記セパレータの冷却フィン同士の積層方向隙間が０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下である請求項５記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−７７４２９（Ｐ２０１３−７７４２９Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１６３３６（Ｐ２０１１−２１６３３６）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]