JP4058666B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電セルが積層されたスタック型の燃料電池及びその動作方法に関する。更に詳しくは、空気極に発生する水を発電セル毎に順次除去することができる空気給排気機構を備えるスタック型の燃料電池及びその動作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気化学的に水素と酸素を反応させることにより電気エネルギーを取り出す燃料電池は、その高機能化の要求が高まる一方、更なる小型軽量化が求められている。このような燃料電池は、内燃機関等、今日の主流である化石燃料エネルギーの代替として脚光を浴びている。燃料電池を構成する発電セルの単位発電セルから得られる電圧は小さいため、通常は複数枚のセルを積層して燃料電池を構成し、必要な電気エネルギーを得ることが出来るよう設計される。
【０００３】
発電セルは、通常、燃料である水素ガスと酸素ガスを供給する供給管に対して、並列に配設されたガス流路を有し、水素ガスと空気を供給するそれぞれの給気管から水素ガス、酸素ガスが供給される。また、発電セルから排出されるガスも排出管に対して並列に設けられたガス流路から排出管に排出される。
【０００４】
図６は、従来型の空気給排気装置を有する燃料電池の構造を簡略的に示した図であり、空気供給側のみについて示した簡略構造図である。空気供給管１０３に対して並列に接続されたガス流路１０２に空気が供給される。さらに、ガス流路１０２から発電セル１０１に空気が供給され、各発電セル１０１を通った空気は空気排出管１０４から外部に排出される。図７は、図６に示した従来型の空気給排気装置を有する燃料電池の構造の簡略図である。この従来型の空気給排気装置を有する燃料電池は、概ね空気供給管１０３、複数の発電セル１０１、ガス流路１０２及び空気排出管１０４の四種類の要素から構成され、空気供給管１０３から同時に空気を各発電セル１０１に供給することにより所要の電気エネルギーを取り出すことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、エネルギー供給装置は、小型で高性能、且つ、動作中の性能劣化が抑制されるよう設計されることが重要である。前述のような構造の燃料電池をエネルギー供給装置として用いた場合、水素と酸素の反応により、酸素が供給される空気極側では副生成物として水が生成されるため、酸素を含む空気を発電セルに供給した際の空気の流れが阻害される場合がある。よって、ガス流路へ円滑に空気を供給するとともに、水を除去することが重要になる。
【０００６】
発電を連続して行う過程において、副生成物である水がガス流路を流れる空気の障害となり、安定した発電が行われず、電気エネルギーが十分に取り出されない場合がある。安定して発電を行うためには、空気供給管１０３から十分な空気をガス流路１０２に供給することも考えられる。しかし、積層される発電セル１０１の数が多くなると、空気供給管１０３から供給される空気量に対して一つの発電セル１０１に供給される空気量の割合が小さくなり、確実に水を排出するには多くの空気を空気供給管１０３からガス流路１０２へ供給しなければならない。前記水を除去するために十分な空気量を空気供給管１０３からガス流路１０２に供給するためには、燃料電池を構成する部品等のサイズアップを招き、小型で高性能の燃料電池を作製することは困難であった。
【０００７】
空気を供給することによりガス流路１０２に蓄積される水を確実に排出するためには、図８に示すように、ガス流路１０２の入り口に発電セル１０１毎に独立して動作するバルブ１０５を設け、そのバルブ１０５の開閉を時分割で行う。バルブ１０５を開閉することにより発電セル１０１毎に空気を供給すれば、バルブ１０５を開けた時点においてその発電セル１０１にだけ空気供給を行うことができ、水を排出することができる。しかし、発電セル１０１毎にバルブ１０５を配設することは複雑な構造と部品点数の増加という欠点を招き、更に、バルブ１０５が閉じられた発電セル１０１には空気の供給が行われず、安定な発電を行うことができない。
【０００８】
また、図９に示すように、常に一定の空気量を供給するためにバルブ１０５と並列にバイパスライン１０６を設けることにより水を排出しながら一定の空気量をすべての発電セル１０１に供給する空気供給装置、及び、図１０に示すように、空気供給管１０３を空気供給管１０３ａ、１０３ｂの２系統に分けて空気を供給する空気供給装置が考えられる。これらの空気供給装置であれば、すべての発電セル１０１に対して常に十分な空気を供給することが可能であり、且つ水素と酸素が結合することにより生成される水をガス流路１０２から除去することができる。しかし、空気供給装置の構造が複雑になり、実用的な燃料電池には適さない。また、より多くの電気エネルギーを取り出す場合には、ガス流路１０２に蓄積される水も増加し、ガス流路１０２内を空気が円滑に流れることが困難になり、安定した発電が行うことが出来ない。
【０００９】
よって、本発明は、簡単な構造で、ガス流路に蓄積された水を除去することができる空気給排気機構により発電セルに空気を給排気し、安定して発電を行うことができる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、発電セルと、発電セルに空気を給排気する空気給排気機構とを備え、空気給排気機構は、それぞれ円筒状の空間を有し、発電セルに空気を供給する給気部及び発電セルから空気を排気する排気部と、発電セルにおいて給排気される空気の圧力を間欠的に変化させる圧力制御手段を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料電池では、その空気給排気機構において、スパイラル状の溝部を設けた円柱を空気供給管内に配置した構造を設け、空気供給管の内壁と円柱の表面との間には、一定量の空気を発電セルに供給することができるギャップが形成され、円柱を回転させると、定常時にガス流路に供給される空気量を超える空気が溝部を通して各発電セルに供給されるような構成とすることが好ましい。空気供給管と発電セルを繋ぐガス流路に供給される空気量が増加したことによりガス流路内の空気圧が上昇し、発電セル内に発生した水を排出することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
空気が供給されるガス流路に円滑に空気を流すとともに安定した発電を行うことができる空気給排気機構を備えた燃料電池について図面を用いて詳細に説明する。
【００１５】
先ず、図１に本実施形態の燃料電池の透視平面図を示す。燃料電池は所要の電力を発電するための発電セルが積層されて構成される。積層された発電セル１０１の端面に端板１２を配設し、燃料電池が構成される。
【００１６】
端板１２の形状は薄い板状であり、本実施形態では外形は略矩形状であるが、矩形状に限定されず、積層された発電セルと略同じ形状であればよく、発電セルの形状に応じて円形、三角形、その他の多角形状にすることもできる。端板１２には、空気供給口１３、空気排出口１４、水素供給口１５及び水素排出口１６が設けられ、これらを通して燃料である水素ガスと空気が給排気される。尚、本実施形態では、端板１２の四隅に空気、水素の給排出口が設けられているが、上記給排出口が配設される位置は端板１２の四隅に限定されず、端板１２の所要の位置に設けることできる。
【００１７】
空気供給口１３から酸素が反応する発電セル１０１の反応領域に空気を供給するためのガス流路１７が発電セルに形成されている。ガス流路１７は空気排出口１４に通じており、ガス流路１７を通して空気の供給と反応後の空気の排出が行われる。本実施形態の燃料電池では、各発電セル１０１に対して共通の空気供給口１３と空気排出口１４から空気の給排気が行われる。また、高い効率で発電を行うためには、ガス流路の形状や断面積は、要求される発電能力に合わせて設計される。尚、ガス流路１７は後述する発電セル１０１を構成するセパレータ２７の片面に形成されており、図１には、ガス流路１７の形状が容易に理解できるように端板１２を透視した透視平面図を示した。また、端板１２に設けられた水素供給口１５と水素排出口１６のガス流路１８（図示せず）も空気の流路であるガス流路１７と同じく要求される発電能力に合わせて設計される。
【００１８】
図２に、発電セル１０１を積層して構成される燃料電池の構造図である断面構造図を示す。尚、図２は発電セル１０１が積層された燃料電池の一部について示した断面構造図である。発電セル１０１は、セパレータ２１、水素拡散層２２、水素ガスが水素イオン化されるのを補助する触媒膜２３、プラスに帯電した水素イオンを移動させるための電解質である固体高分子膜２４が積層され、さらに、触媒２３が成膜され、固体高分子膜２４の反対側の面に成膜される触媒膜２５、酸素拡散層２６、及びセパレータ２７が積層して接合されることにより形成される。この単位発電セル１０１が多数積層されて燃料電池が構成される。このとき、水素拡散層２２と触媒膜２３が接合されて構成される部分が燃料極２８となり、酸素拡散層２６と触媒膜２５が接合されて構成される部分が空気極２９となる。
【００１９】
セパレータ２１には、水素供給口１５から供給される水素ガスの流路であるガス流路１８が設けられる。本実施形態では、ガス流路１８の断面形状は矩形であるが、矩形状に限定されず、半円形でも良く、また、矩形状以外の多角形状であっても良い。また、セパレータ２１は発電セルを仕切る仕切り板であり、発電セルを積層したときに水素と空気が混合するのを防止する役割を有する。さらに、隣接する発電セル１０１を直列に繋ぐための電子導電体の役割も有している。セパレータ２１を構成する材質は電子導電性が良好であり、且つ水素と空気の混合を防止するような気密性が高い材質であれば良い。また、セパレータ２１の裏面には、隣接する発電セル１０１に空気を供給するための櫛型のガス流路が設けられる。
【００２０】
ガス流路１８は水素拡散層２２と触媒膜２３で構成される燃料極２８の平面に水素ガスを供給できるように形成されていれば良い。高い発電効率を得るためには、水素ガスを効率よく燃料極１８の全面に供給できるようにガス流路１８を配設すれば良い。例えば、セパレータ２１の燃料極２８と接合される面に櫛型の流路を形成すれば、水素ガスと接触する燃料極２８の面積を大きくとることができ、効率よく発電を行うことができる。更に、ガス流路１８の幅を小さくするとともに、櫛型に配設されるガス流路１８の繰り返しの間隔を小さくすれば、さらに水素ガスと燃料極２８の接触面積を大きくすることができ、高い発電効率が得られる。例えば、本実施形態の場合、ガス流路１８は、その幅又は深さが０．８ｍｍ程度に形成される。
【００２１】
燃料極１８は、水素ガスを効率よく水素イオン化するための、水素拡散層２２と触媒膜２３が積層されることにより形成される。水素拡散層２２は水素ガスが容易に透過し触媒膜２３に到達する材質や構造を有していれば良い。例えば、水素拡散層２２は、水素ガスを容易に透過するように微細な孔が設けられた多孔質のカーボン膜を使用することができる。また、触媒膜２３はＰｔなどの触媒作用を有する金属薄膜を固体高分子膜１５の片側の面に一様に成膜し形成される。水素拡散層２２と触媒膜２３が成膜された固体高分子膜１５を積層するように接合し、燃料極２８が形成される。また、水素拡散層２２に触媒膜２３を成膜しておき、予め燃料極２８を形成し、燃料極２８と固体高分子膜１５を積層しても良い。
【００２２】
固体高分子膜１５は燃料極２８から空気極２９へ水素イオンを移動させるために設けられている。本実施形態の場合、発電セル１０１が積層されて形成される燃料電池のサイズを小型化するために、発電セル１０１の厚みは１〜２ｍｍ程度に形成される。このとき、固体高分子膜１５の膜厚は数１０μｍ程度である。水素ガスを燃料極２８に供給するとともに空気を空気極２９に供給する際のガス圧の差により固体高分子膜１５の両面に加わる圧力に差が生じ、固体高分子膜１５に負荷が加わる。固体高分子膜１５は、その両面に加わる圧力による差圧に耐えるのに十分な強度を有する。よって、固体高分子膜１５を用いた燃料電池では、水素ガスや空気のガス圧の制御や加圧が容易に行える利点がある。固体高分子膜１５の材質は、例えば、水素イオン伝導性を有するフッ素樹脂系スルホン酸膜を用いることができる。
【００２３】
空気極２９は、酸素拡散層２６と触媒膜２５が積層されて形成される。酸素拡散層２６は空気に含まれる酸素が容易に透過する材質や構造を有していれば良い。例えば、酸素拡散層２６は、酸素を容易に透過するように微細な孔が設けられた多孔質のカーボン膜を使用することが出来る。また、触媒膜２５はＰｔなどの触媒作用を有する金属薄膜を固体高分子膜１５に一様に成膜して形成することができ、酸素拡散層２６と、触媒膜２５が成膜された固体高分子膜１５を積層するように接合したときに空気極２９が形成されれば良い。また、酸素拡散層２６に触媒膜２５を成膜しておき、予め空気極２９を形成しておいても良い。
【００２４】
セパレータ２７には、空気供給口１３から供給される空気の流路であるガス流路１７が設けられている。本実施形態のガス流路１７の断面形状は矩形であるが、矩形状に限定されず、円形でも良く、また、矩形状以外の多角形状であっても良い。ガス流路１７は酸素拡散層２６と触媒膜２５の全面に効率良く空気を供給できるように配設されていれば良い。また、酸素拡散層２６と触媒膜２５は接合されたときに空気極２９を構成する。空気を効率よく空気極２９に供給するためには、ガス流路１７の幅を小さくし、櫛型に配設されるガス流路１７の繰り返しの幅を小さくすれば良い。例えば、本実施形態の場合、ガス流路１７の幅は０．８ｍｍ程度に形成される。
【００２５】
発電セル１０１が積層されて構成される発電セル１０１の積層体の一方の端面に端板１２を接合して燃料電池が形成される。積層された発電セル１０１のセパレータ２１、２７の裏面にはそれぞれ隣接する発電セルに空気及び水素ガスを供給するためのガス流路が設けられている。さらにセパレータ２１、２７は空気及び水素ガスが透過しにくい気密性と電子導電性を有しているので発電セル１０１を積層することにより、各発電セル１０１が直列に接続されることになる。発電セル１０１一枚当たりで発生することができる電圧は１Ｖ以下であるが、発電セル１０１が直列に接続されることにより燃料電池全体では高い電圧を外部に取り出すことができる。また、積層された発電セル１０１の両端には外部回路に電力を取り出すための集電体が接合される。
【００２６】
次に、図３に、本実施形態の燃料電池に使用される空気給排気機構を示す。酸素を含む空気を供給する空気供給管３５は円筒状の形状を有している。空気供給管３５の一方の端部には空気供給管３５へ空気を供給するための空気供給用ポンプ３１が繋がれている。他方の端部は密封されており、該端部の中心に回転軸３３を挿入するための挿入口３４が形成され、空気供給管３５に供給された空気が漏れないように挿入口３４に回転軸３３が挿入されている。回転軸３３は、空気供給管３５の外部に設置される軸回転用モーター３２に接続され、軸回転用モーター３２から発生する回転力により回転する。
【００２７】
空気供給管３５の内部には、発電セル１０１に供給される空気の空気量及び空気圧を調整するために空気供給管３５内の空気の流れの一部を遮蔽し、調整するための円柱３６が配設されている。空気供給管３５の断面形状は円形であり、空気供給管３５へ空気供給口１３を介して空気供給用ポンプ３１から空気が供給される。空気供給管３５には、発電セル１０１に空気を送気するための供給口３８が形成されている。供給口３８は、発電セル１０１が配置された間隔毎に形成され、すべての供給口３８は同じ形状で等しいサイズになるように形成される。本実施形態では円形に形成されるが、供給口３８のすべてが同じ形状、サイズで形成されていれば良く、供給口３８の形状は円形に限定されず、矩形状、三角形状、その他多角形状でも良い。
【００２８】
空気供給管３５の内部に配設された円柱３６は回転軸３３を介して軸回転用モーター３２の回転力によりその長手方向に平行な軸を中心に回転する。円柱３６の表面には、発電セル１０１に供給する空気の空気量及び空気圧を選択的に調整することが出来る溝部３７が形成されている。溝部３７は円柱３６の長手方向に沿ってスパイラル状に形成され、円柱３６の端部からもう一方の端部にかけて、円柱３６の全体に形成される。円柱３６の断面の直径は空気供給管３５の断面の直径よりやや小さいサイズとし、円柱３６は空気供給管３５内で円滑に回転することができる。
【００２９】
供給口３８には、発電セル１０１に空気を送気するためのガス流路１７が接続されており、空気供給用ポンプ３１から送気された空気が空気供給管３５内を通って供給口３８からガス流路１７に供給される構造になっている。ガス流路１７に供給された空気は、櫛型のガス流路１７を通り、酸素拡散層２６の表面に接触する。酸素拡散層２６は多孔質であり容易に酸素が透過するので、酸素拡散層２６の面全体に酸素が拡散しながらその裏面に酸素が透過する。酸素は酸素拡散層２６を透過し、触媒２５が成膜された固体高分子膜１５の表面付近に到達する。このとき、ガス流路１７が櫛型に経路を有しているので、酸素拡散層２６全体に酸素が容易に拡散し、電気化学的反応が効率良く行われる。
【００３０】
一方、電極セル１１に空気を供給するとともに、水素供給口１５からは一定の流量で水素ガスが水素供給管５１を通して発電セル１０１の水素ガスのガス流路１８に供給される。櫛型に配設されたガス流路１８に供給された水素ガスは水素拡散層２２に拡散し、水素拡散層２２の裏面に接合された触媒膜２３に到達する。このとき、酸素拡散層２６に酸素が効率良く拡散するのと同様に、ガス流路１８が櫛型に配設されているので、水素ガスは効率よく水素拡散層２２に拡散し、触媒膜２３の表面全体に到達する。触媒２３に到達した水素ガスは、水素イオンとなって固体高分子膜１５中を移動し、触媒膜２５と酸素拡散層２６で構成される空気極２９で酸素と結合して水が形成される。
【００３１】
酸素が減少した空気と、水素イオンと酸素が結合して形成された水は、ガス流路１７を通って、ガス流路１７に繋がる排出口４０から空気排出管４１に排出される。空気排出管４１は円筒形であり、端部は密閉され、他方の端部には空気排出口１４が開口している。空気排出管４１に排出された使用済みの空気と発電により発生した水が空気排出口１４から燃料電池の外部に排出される。このとき、ガス流路１７に供給される空気の空気圧が低いと水が排出されない場合がある。特に、発電量が増加し、水素と酸素の電気化学的な反応が活発になるとそれに伴い発生する水の量が増加し、この水によりガス流路１７を塞いでしまう場合がある。燃料電池を小型化し、且つ発電効率を上げることにより高性能化を図った場合、ガス流路１７の断面積を小さくし、且つ空気極２９に接触する空気量を大きくするためガス流路１７の櫛型形状の繰り返し間隔をより細かく形成することが重要になる。このとき、円滑に水がガス流路１７から排出されないと、酸素を含む空気が空気極２９に供給されなくなり、所要の発電を行うことが出来なくなる。
【００３２】
図４は、空気供給管３５の断面を示した断面構造図である。空気供給管３５の断面の直径より小さい直径を有する円柱３６の中心軸は空気供給管３５の中心軸と一致するように配置される。空気供給ポンプ３１から一様な供給量、空気圧で供給される空気は、円柱３６と空気供給管３５の長手方向に沿って一様な幅を有するギャップ４０を通して流れ、供給口３８からガス流路１７に供給される。
【００３３】
このとき、軸回転用モーター３２で発生する回転力により円柱３６が回転軸３３を中心として矢印の方向に回転する。円柱３６の表面には溝部３７が円柱の軸方向に沿ってスパイラル状に形成されており、図４（ａ）に示すように、円柱３６が回転するとともに溝部３７も矢印方向に回転する。本実施形態では、溝部３７の断面形状は矩形状であるが半円形状でもよく、その他の多角形状であっても良い。円柱の軸方向に沿ってスパイラル状に形成された溝部３７は、円柱３６の何れの断面においても同じ形状であればよく、すべての供給口３８に溝部３７が対面するような範囲内の円柱３６の表面に溝部３７が形成されていれば良い。
【００３４】
円柱３６が回転すると、図４（ｂ）に示すような供給口３８と向かい合うように溝部３７が配置される。このとき、円柱３６の表面と空気供給管３５の内壁で挟まれるギャップ４２に対して、溝部３７と供給口３８が向かい合って形成されるギャップ４３の断面積は大きくなる。ギャップ４２に供給される空気量に対して、ギャップ４３には円柱３６の端部の溝部３７を通って多くの空気が供給されるので、溝部３７が供給口３８に向かい合わない場合と比較して供給口３８には多くの空気が供給されることになる。溝部３７が供給口３８と向かい合ったときに供給口３８を通ってガス流路１７に空気が流れ込んだ場合、流れ込む空気量は多くが、ガス流路１７の断面積の大きさは一定であるため、ガス流路１７内における空気圧がギャップ４２から空気が供給される場合に比べて高くなる。高い空気圧で供給される空気により、空気極２９に空気を供給するガス流路１７内に蓄積される水が空気排出管４１に押し出される。このとき、円柱３６の表面には溝部３７が円柱３６の軸に沿う方向にスパイラル状に形成されるので、それぞれの各ガス流路１７には順次高い空気圧の空気が流れ込むことになり、ガス流路１７に蓄積される水が順次空気排出管４１に排出される。ガス流路１７に蓄積された水を順次排出しながら一定量の空気をガス流路１７に供給することができるので、水の排出を行わない発電セル１０１には水が排出されるガス流路に比べて低い圧力で常に一定量の空気が供給されることになり、安定して発電を行うことができる。
【００３５】
図５に各ガス流路１７に供給される空気量の時間変化を示したガス流量図を示す。空気供給ポンプ３１から供給される空気を一定量に保持するための円柱３６に形成された溝部３７はスパイラル状に形成されているので、円柱３６が回転することにより、溝部３７が各供給口３８に対面するタイミングに一定の時間差が生じる。全ての発電セル１０１には溝部３７が形成されていない円柱３６の表面と空気供給管３５の内壁の間のギャップ４２を通って一定の空気量５１が常に供給される。
【００３６】
図５（ａ）は第１番目の発電セルへ供給される空気量の時間変化を示した図である。供給口３８に溝部３７が対面したとき、常に供給される空気量５１に加えて増加分５２が供給口３８に供給される。溝部３７の断面積の大きさに応じて空気の増加分５２を調整することができる。例えば、溝部３７の幅を大きく取り、溝部３７を深く形成することにより溝部３７を流れる空気量を増加させることができ、溝部３７が供給口３８と対面したときに供給口３８に流れ込む空気量を大きくすることができるとともにガス流路１７内の空気圧を高くすることができる。さらに円柱３６が回転すると、第２番目の発電セルに空気を供給する供給口３８と溝部３７が対面する位置になり、図５（ｂ）に示すようにガス流路１７に供給される一定の空気量５１に対して供給される空気量が増加分５２だけ増加する。このとき、第２番目の発電セル１０１に空気を供給するガス流路１７内の空気圧が高くなる。このように順次溝部３７が各発電セル１０１に空気を供給する供給口３８と対面する位置に配置され、図５（ｃ）に示すように、第ｎ番目の発電セル１０１への空気の増加分５２によりガス流路１７に蓄積される水を順次排出することができる。スパイラル状に溝部３７が形成された円柱３６を回転させることにより、順次ガス流路１７に高い圧力で空気が供給され、ガス流路１７に蓄積された水が排出される。例えば、空気の増加量５２を空気量５１の２倍以上になるように溝部３７の幅や深さを形成しておけば、ガス流路１７に蓄積された水を十分に排出することができる。このとき、溝部３７と供給口３８が対面しない範囲に配設されている発電セル１０１には、一定に空気量５１が供給されるので安定した発電を行うことができる。
【００３７】
また、供給する空気を増加させる周期は、円柱３６を回転させる軸回転用モーター３２の回転数を変えることにより変更される。この回転周期５３は、燃料電池の発電能力、温度等の運転条件により適切な周期で供給される空気が増加するように軸回転用モーター３２の回転数を設定することができる。
【００３８】
また、空気供給管３５に発電セル１０１に供給する空気量を調整する円柱３６を配置するのみに留まらず、空気排出管４１に排出する空気量を調整する円柱を配置することによっても同様にガス流路１７内の空気圧を調整することができ、ガス流路１７に蓄積される水を排出することができる。表面にスパイラル状の溝部が形成された円柱を空気供給管３５と空気排出管４１の両方に挿入し空気の給排気時の空気圧を調整することにより、空気供給管３５内にのみ溝部３７が形成された円柱３６を挿入して空気の供給量を調整する場合に比べ、より効果的に水を排出することができ、安定した発電を継続して行うことができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、発電セルに対しての空気給排気機構を備えると共に、その空気の圧力を間欠的に変化させるための圧力制御手段を備えるようにしたので、発電セルに供給する空気の圧力を調整することができ、発電セルへの空気の供給路であるガス流路内に蓄積される水を効率良く排出することができる。
【００４０】
さらに、ガス流路内の水を排出するとともに、常に一定の空気量を発電セルに供給することができるので安定した発電を連続して行うことができる。また、簡単な空気給排気機構で発電による副生成物である水を排出することができるので、小型で高性能の燃料電池を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の空気給排気装置を備えるスタック型燃料電池の平面構造を示す透視平面図である。
【図２】本発明の実施形態の空気給排気装置を備えるスタック型燃料電池の断面構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態の空気給排気装置を備えるスタック型燃料電池の構造を簡略化して示した簡略構造図である。
【図４】本発明の実施形態の空気給排気装置の空気供給管の断面構造を示す構造断面図であって、（ａ）は一定量の空気が発電セルに供給される場合の溝部の位置を示す構造断面図であり、（ｂ）は発電セルへ供給される空気量が増加する場合の溝部の位置を示す断面構造図である。
【図５】本発明の実施形態の空気給排気装置から発電セルに供給される空気量の時間変化を示した空気量の時間変化図であり、（ａ）は第１番目の発電セルへの空気量の時間変化図、（ｂ）は第２番目の発電セルへの空気量の時間変化図、（ｃ）は第ｎ番目の発電セルへの空気量の時間変化図である。
【図６】空気給排気装置から空気が給排気される従来型のスタック型燃料電池の構造を簡略化して示した模式構造図である。
【図７】空気給排気装置から空気給排気される従来型のスタック型燃料電池の構造を簡略化して示した簡略図である。
【図８】各ガス流路にバルブが設けられた空気給排気装置から空気が供給される従来型のスタック型燃料電池の構造を簡略化して示した簡略図である。
【図９】各ガス流路に設けられたバルブと並列にバイパスラインが配置された空気給排気装置から空気が供給される従来型のスタック型燃料電池の構造を簡略化して示した簡略図である。
【図１０】各ガス流路に設けられたバルブと、二系統の空気供給管を備える空気給排気装置から空気が供給される従来型のスタック型燃料電池の構造を簡略化して示した簡略図である。
【符号の説明】
１１ 発電セル
１２ 端板
１３ 空気供給口
１４ 空気排出口
１５ 固体高分子膜
１５ 水素供給口
１６ 水素排出口
１７、１８、１０２ガス流路
２１、２７ セパレータ
２２ 水素拡散層
２３、２５ 触媒膜
２４ 固体高分子膜
２６ 酸素拡散層
２８ 燃料極
２９ 空気極
３１ 空気供給用ポンプ
３２ 軸回転用モーター
３３ 回転軸
３４ 挿入口
３５、１０３、１０３ａ、１０３ｂ 空気供給管
３６ 円柱
３７ 溝部
３８ 供給口
４０ 排出口
４１、１０４ 空気排出管
４２ ギャップ
４３ ギャップ
５３ 回転周期
１０１ 発電セル
１０５ バルブ
１０６ バイパスライン
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電セルが積層されたスタック型の燃料電池及びその動作方法に関する。更に詳しくは、空気極に発生する水を発電セル毎に順次除去することができる空気給排気機構を備えるスタック型の燃料電池及びその動作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気化学的に水素と酸素を反応させることにより電気エネルギーを取り出す燃料電池は、その高機能化の要求が高まる一方、更なる小型軽量化が求められている。このような燃料電池は、内燃機関等、今日の主流である化石燃料エネルギーの代替として脚光を浴びている。燃料電池を構成する発電セルの単位発電セルから得られる電圧は小さいため、通常は複数枚のセルを積層して燃料電池を構成し、必要な電気エネルギーを得ることが出来るよう設計される。
【０００３】
発電セルは、通常、燃料である水素ガスと酸素ガスを供給する供給管に対して、並列に配設されたガス流路を有し、水素ガスと空気を供給するそれぞれの給気管から水素ガス、酸素ガスが供給される。また、発電セルから排出されるガスも排出管に対して並列に設けられたガス流路から排出管に排出される。
【０００４】
図６は、従来型の空気給排気装置を有する燃料電池の構造を簡略的に示した図であり、空気供給側のみについて示した簡略構造図である。空気供給管１０３に対して並列に接続されたガス流路１０２に空気が供給される。さらに、ガス流路１０２から発電セル１０１に空気が供給され、各発電セル１０１を通った空気は空気排出管１０４から外部に排出される。図７は、図６に示した従来型の空気給排気装置を有する燃料電池の構造の簡略図である。この従来型の空気給排気装置を有する燃料電池は、概ね空気供給管１０３、複数の発電セル１０１、ガス流路１０２及び空気排出管１０４の四種類の要素から構成され、空気供給管１０３から同時に空気を各発電セル１０１に供給することにより所要の電気エネルギーを取り出すことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、エネルギー供給装置は、小型で高性能、且つ、動作中の性能劣化が抑制されるよう設計されることが重要である。前述のような構造の燃料電池をエネルギー供給装置として用いた場合、水素と酸素の反応により、酸素が供給される空気極側では副生成物として水が生成されるため、酸素を含む空気を発電セルに供給した際の空気の流れが阻害される場合がある。よって、ガス流路へ円滑に空気を供給するとともに、水を除去することが重要になる。
【０００６】
発電を連続して行う過程において、副生成物である水がガス流路を流れる空気の障害となり、安定した発電が行われず、電気エネルギーが十分に取り出されない場合がある。安定して発電を行うためには、空気供給管１０３から十分な空気をガス流路１０２に供給することも考えられる。しかし、積層される発電セル１０１の数が多くなると、空気供給管１０３から供給される空気量に対して一つの発電セル１０１に供給される空気量の割合が小さくなり、確実に水を排出するには多くの空気を空気供給管１０３からガス流路１０２へ供給しなければならない。前記水を除去するために十分な空気量を空気供給管１０３からガス流路１０２に供給するためには、燃料電池を構成する部品等のサイズアップを招き、小型で高性能の燃料電池を作製することは困難であった。
【０００７】
空気を供給することによりガス流路１０２に蓄積される水を確実に排出するためには、図８に示すように、ガス流路１０２の入り口に発電セル１０１毎に独立して動作するバルブ１０５を設け、そのバルブ１０５の開閉を時分割で行う。バルブ１０５を開閉することにより発電セル１０１毎に空気を供給すれば、バルブ１０５を開けた時点においてその発電セル１０１にだけ空気供給を行うことができ、水を排出することができる。しかし、発電セル１０１毎にバルブ１０５を配設することは複雑な構造と部品点数の増加という欠点を招き、更に、バルブ１０５が閉じられた発電セル１０１には空気の供給が行われず、安定な発電を行うことができない。
【０００８】
また、図９に示すように、常に一定の空気量を供給するためにバルブ１０５と並列にバイパスライン１０６を設けることにより水を排出しながら一定の空気量をすべての発電セル１０１に供給する空気供給装置、及び、図１０に示すように、空気供給管１０３を空気供給管１０３ａ、１０３ｂの２系統に分けて空気を供給する空気供給装置が考えられる。これらの空気供給装置であれば、すべての発電セル１０１に対して常に十分な空気を供給することが可能であり、且つ水素と酸素が結合することにより生成される水をガス流路１０２から除去することができる。しかし、空気供給装置の構造が複雑になり、実用的な燃料電池には適さない。また、より多くの電気エネルギーを取り出す場合には、ガス流路１０２に蓄積される水も増加し、ガス流路１０２内を空気が円滑に流れることが困難になり、安定した発電が行うことが出来ない。
【０００９】
よって、本発明は、簡単な構造で、ガス流路に蓄積された水を除去することができる空気給排気機構により発電セルに空気を給排気し、安定して発電を行うことができる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、発電セルと、発電セルに空気を給排気する空気給排気機構とを備え、空気給排気機構は、それぞれ円筒状の空間を有し、発電セルに空気を供給する給気部及び発電セルから空気を排気する排気部と、発電セルにおいて給排気される空気の圧力を間欠的に変化させる圧力制御手段を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料電池では、その空気給排気機構において、スパイラル状の溝部を設けた円柱を空気供給管内に配置した構造を設け、空気供給管の内壁と円柱の表面との間には、一定量の空気を発電セルに供給することができるギャップが形成され、円柱を回転させると、定常時にガス流路に供給される空気量を超える空気が溝部を通して各発電セルに供給されるような構成とすることが好ましい。空気供給管と発電セルを繋ぐガス流路に供給される空気量が増加したことによりガス流路内の空気圧が上昇し、発電セル内に発生した水を排出することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
空気が供給されるガス流路に円滑に空気を流すとともに安定した発電を行うことができる空気給排気機構を備えた燃料電池について図面を用いて詳細に説明する。
【００１５】
先ず、図１に本実施形態の燃料電池の透視平面図を示す。燃料電池は所要の電力を発電するための発電セルが積層されて構成される。積層された発電セル１０１の端面に端板１２を配設し、燃料電池が構成される。
【００１６】
端板１２の形状は薄い板状であり、本実施形態では外形は略矩形状であるが、矩形状に限定されず、積層された発電セルと略同じ形状であればよく、発電セルの形状に応じて円形、三角形、その他の多角形状にすることもできる。端板１２には、空気供給口１３、空気排出口１４、水素供給口１５及び水素排出口１６が設けられ、これらを通して燃料である水素ガスと空気が給排気される。尚、本実施形態では、端板１２の四隅に空気、水素の給排出口が設けられているが、上記給排出口が配設される位置は端板１２の四隅に限定されず、端板１２の所要の位置に設けることできる。
【００１７】
空気供給口１３から酸素が反応する発電セル１０１の反応領域に空気を供給するためのガス流路１７が発電セルに形成されている。ガス流路１７は空気排出口１４に通じており、ガス流路１７を通して空気の供給と反応後の空気の排出が行われる。本実施形態の燃料電池では、各発電セル１０１に対して共通の空気供給口１３と空気排出口１４から空気の給排気が行われる。また、高い効率で発電を行うためには、ガス流路の形状や断面積は、要求される発電能力に合わせて設計される。尚、ガス流路１７は後述する発電セル１０１を構成するセパレータ２７の片面に形成されており、図１には、ガス流路１７の形状が容易に理解できるように端板１２を透視した透視平面図を示した。また、端板１２に設けられた水素供給口１５と水素排出口１６のガス流路１８（図示せず）も空気の流路であるガス流路１７と同じく要求される発電能力に合わせて設計される。
【００１８】
図２に、発電セル１０１を積層して構成される燃料電池の構造図である断面構造図を示す。尚、図２は発電セル１０１が積層された燃料電池の一部について示した断面構造図である。発電セル１０１は、セパレータ２１、水素拡散層２２、水素ガスが水素イオン化されるのを補助する触媒膜２３、プラスに帯電した水素イオンを移動させるための電解質である固体高分子膜２４が積層され、さらに、触媒２３が成膜され、固体高分子膜２４の反対側の面に成膜される触媒膜２５、酸素拡散層２６、及びセパレータ２７が積層して接合されることにより形成される。この単位発電セル１０１が多数積層されて燃料電池が構成される。このとき、水素拡散層２２と触媒膜２３が接合されて構成される部分が燃料極２８となり、酸素拡散層２６と触媒膜２５が接合されて構成される部分が空気極２９となる。
【００１９】
セパレータ２１には、水素供給口１５から供給される水素ガスの流路であるガス流路１８が設けられる。本実施形態では、ガス流路１８の断面形状は矩形であるが、矩形状に限定されず、半円形でも良く、また、矩形状以外の多角形状であっても良い。また、セパレータ２１は発電セルを仕切る仕切り板であり、発電セルを積層したときに水素と空気が混合するのを防止する役割を有する。さらに、隣接する発電セル１０１を直列に繋ぐための電子導電体の役割も有している。セパレータ２１を構成する材質は電子導電性が良好であり、且つ水素と空気の混合を防止するような気密性が高い材質であれば良い。また、セパレータ２１の裏面には、隣接する発電セル１０１に空気を供給するための櫛型のガス流路が設けられる。
【００２０】
ガス流路１８は水素拡散層２２と触媒膜２３で構成される燃料極２８の平面に水素ガスを供給できるように形成されていれば良い。高い発電効率を得るためには、水素ガスを効率よく燃料極１８の全面に供給できるようにガス流路１８を配設すれば良い。例えば、セパレータ２１の燃料極２８と接合される面に櫛型の流路を形成すれば、水素ガスと接触する燃料極２８の面積を大きくとることができ、効率よく発電を行うことができる。更に、ガス流路１８の幅を小さくするとともに、櫛型に配設されるガス流路１８の繰り返しの間隔を小さくすれば、さらに水素ガスと燃料極２８の接触面積を大きくすることができ、高い発電効率が得られる。例えば、本実施形態の場合、ガス流路１８は、その幅又は深さが０．８ｍｍ程度に形成される。
【００２１】
燃料極１８は、水素ガスを効率よく水素イオン化するための、水素拡散層２２と触媒膜２３が積層されることにより形成される。水素拡散層２２は水素ガスが容易に透過し触媒膜２３に到達する材質や構造を有していれば良い。例えば、水素拡散層２２は、水素ガスを容易に透過するように微細な孔が設けられた多孔質のカーボン膜を使用することができる。また、触媒膜２３はＰｔなどの触媒作用を有する金属薄膜を固体高分子膜１５の片側の面に一様に成膜し形成される。水素拡散層２２と触媒膜２３が成膜された固体高分子膜１５を積層するように接合し、燃料極２８が形成される。また、水素拡散層２２に触媒膜２３を成膜しておき、予め燃料極２８を形成し、燃料極２８と固体高分子膜１５を積層しても良い。
【００２２】
固体高分子膜１５は燃料極２８から空気極２９へ水素イオンを移動させるために設けられている。本実施形態の場合、発電セル１０１が積層されて形成される燃料電池のサイズを小型化するために、発電セル１０１の厚みは１〜２ｍｍ程度に形成される。このとき、固体高分子膜１５の膜厚は数１０μｍ程度である。水素ガスを燃料極２８に供給するとともに空気を空気極２９に供給する際のガス圧の差により固体高分子膜１５の両面に加わる圧力に差が生じ、固体高分子膜１５に負荷が加わる。固体高分子膜１５は、その両面に加わる圧力による差圧に耐えるのに十分な強度を有する。よって、固体高分子膜１５を用いた燃料電池では、水素ガスや空気のガス圧の制御や加圧が容易に行える利点がある。固体高分子膜１５の材質は、例えば、水素イオン伝導性を有するフッ素樹脂系スルホン酸膜を用いることができる。
【００２３】
空気極２９は、酸素拡散層２６と触媒膜２５が積層されて形成される。酸素拡散層２６は空気に含まれる酸素が容易に透過する材質や構造を有していれば良い。例えば、酸素拡散層２６は、酸素を容易に透過するように微細な孔が設けられた多孔質のカーボン膜を使用することが出来る。また、触媒膜２５はＰｔなどの触媒作用を有する金属薄膜を固体高分子膜１５に一様に成膜して形成することができ、酸素拡散層２６と、触媒膜２５が成膜された固体高分子膜１５を積層するように接合したときに空気極２９が形成されれば良い。また、酸素拡散層２６に触媒膜２５を成膜しておき、予め空気極２９を形成しておいても良い。
【００２４】
セパレータ２７には、空気供給口１３から供給される空気の流路であるガス流路１７が設けられている。本実施形態のガス流路１７の断面形状は矩形であるが、矩形状に限定されず、円形でも良く、また、矩形状以外の多角形状であっても良い。ガス流路１７は酸素拡散層２６と触媒膜２５の全面に効率良く空気を供給できるように配設されていれば良い。また、酸素拡散層２６と触媒膜２５は接合されたときに空気極２９を構成する。空気を効率よく空気極２９に供給するためには、ガス流路１７の幅を小さくし、櫛型に配設されるガス流路１７の繰り返しの幅を小さくすれば良い。例えば、本実施形態の場合、ガス流路１７の幅は０．８ｍｍ程度に形成される。
【００２５】
発電セル１０１が積層されて構成される発電セル１０１の積層体の一方の端面に端板１２を接合して燃料電池が形成される。積層された発電セル１０１のセパレータ２１、２７の裏面にはそれぞれ隣接する発電セルに空気及び水素ガスを供給するためのガス流路が設けられている。さらにセパレータ２１、２７は空気及び水素ガスが透過しにくい気密性と電子導電性を有しているので発電セル１０１を積層することにより、各発電セル１０１が直列に接続されることになる。発電セル１０１一枚当たりで発生することができる電圧は１Ｖ以下であるが、発電セル１０１が直列に接続されることにより燃料電池全体では高い電圧を外部に取り出すことができる。また、積層された発電セル１０１の両端には外部回路に電力を取り出すための集電体が接合される。
【００２６】
次に、図３に、本実施形態の燃料電池に使用される空気給排気機構を示す。酸素を含む空気を供給する空気供給管３５は円筒状の形状を有している。空気供給管３５の一方の端部には空気供給管３５へ空気を供給するための空気供給用ポンプ３１が繋がれている。他方の端部は密封されており、該端部の中心に回転軸３３を挿入するための挿入口３４が形成され、空気供給管３５に供給された空気が漏れないように挿入口３４に回転軸３３が挿入されている。回転軸３３は、空気供給管３５の外部に設置される軸回転用モーター３２に接続され、軸回転用モーター３２から発生する回転力により回転する。
【００２７】
空気供給管３５の内部には、発電セル１０１に供給される空気の空気量及び空気圧を調整するために空気供給管３５内の空気の流れの一部を遮蔽し、調整するための円柱３６が配設されている。空気供給管３５の断面形状は円形であり、空気供給管３５へ空気供給口１３を介して空気供給用ポンプ３１から空気が供給される。空気供給管３５には、発電セル１０１に空気を送気するための供給口３８が形成されている。供給口３８は、発電セル１０１が配置された間隔毎に形成され、すべての供給口３８は同じ形状で等しいサイズになるように形成される。本実施形態では円形に形成されるが、供給口３８のすべてが同じ形状、サイズで形成されていれば良く、供給口３８の形状は円形に限定されず、矩形状、三角形状、その他多角形状でも良い。
【００２８】
空気供給管３５の内部に配設された円柱３６は回転軸３３を介して軸回転用モーター３２の回転力によりその長手方向に平行な軸を中心に回転する。円柱３６の表面には、発電セル１０１に供給する空気の空気量及び空気圧を選択的に調整することが出来る溝部３７が形成されている。溝部３７は円柱３６の長手方向に沿ってスパイラル状に形成され、円柱３６の端部からもう一方の端部にかけて、円柱３６の全体に形成される。円柱３６の断面の直径は空気供給管３５の断面の直径よりやや小さいサイズとし、円柱３６は空気供給管３５内で円滑に回転することができる。
【００２９】
供給口３８には、発電セル１０１に空気を送気するためのガス流路１７が接続されており、空気供給用ポンプ３１から送気された空気が空気供給管３５内を通って供給口３８からガス流路１７に供給される構造になっている。ガス流路１７に供給された空気は、櫛型のガス流路１７を通り、酸素拡散層２６の表面に接触する。酸素拡散層２６は多孔質であり容易に酸素が透過するので、酸素拡散層２６の面全体に酸素が拡散しながらその裏面に酸素が透過する。酸素は酸素拡散層２６を透過し、触媒２５が成膜された固体高分子膜１５の表面付近に到達する。このとき、ガス流路１７が櫛型に経路を有しているので、酸素拡散層２６全体に酸素が容易に拡散し、電気化学的反応が効率良く行われる。
【００３０】
一方、電極セル１１に空気を供給するとともに、水素供給口１５からは一定の流量で水素ガスが水素供給管５１を通して発電セル１０１の水素ガスのガス流路１８に供給される。櫛型に配設されたガス流路１８に供給された水素ガスは水素拡散層２２に拡散し、水素拡散層２２の裏面に接合された触媒膜２３に到達する。このとき、酸素拡散層２６に酸素が効率良く拡散するのと同様に、ガス流路１８が櫛型に配設されているので、水素ガスは効率よく水素拡散層２２に拡散し、触媒膜２３の表面全体に到達する。触媒２３に到達した水素ガスは、水素イオンとなって固体高分子膜１５中を移動し、触媒膜２５と酸素拡散層２６で構成される空気極２９で酸素と結合して水が形成される。
【００３１】
酸素が減少した空気と、水素イオンと酸素が結合して形成された水は、ガス流路１７を通って、ガス流路１７に繋がる排出口４０から空気排出管４１に排出される。空気排出管４１は円筒形であり、端部は密閉され、他方の端部には空気排出口１４が開口している。空気排出管４１に排出された使用済みの空気と発電により発生した水が空気排出口１４から燃料電池の外部に排出される。このとき、ガス流路１７に供給される空気の空気圧が低いと水が排出されない場合がある。特に、発電量が増加し、水素と酸素の電気化学的な反応が活発になるとそれに伴い発生する水の量が増加し、この水によりガス流路１７を塞いでしまう場合がある。燃料電池を小型化し、且つ発電効率を上げることにより高性能化を図った場合、ガス流路１７の断面積を小さくし、且つ空気極２９に接触する空気量を大きくするためガス流路１７の櫛型形状の繰り返し間隔をより細かく形成することが重要になる。このとき、円滑に水がガス流路１７から排出されないと、酸素を含む空気が空気極２９に供給されなくなり、所要の発電を行うことが出来なくなる。
【００３２】
図４は、空気供給管３５の断面を示した断面構造図である。空気供給管３５の断面の直径より小さい直径を有する円柱３６の中心軸は空気供給管３５の中心軸と一致するように配置される。空気供給ポンプ３１から一様な供給量、空気圧で供給される空気は、円柱３６と空気供給管３５の長手方向に沿って一様な幅を有するギャップ４０を通して流れ、供給口３８からガス流路１７に供給される。
【００３３】
このとき、軸回転用モーター３２で発生する回転力により円柱３６が回転軸３３を中心として矢印の方向に回転する。円柱３６の表面には溝部３７が円柱の軸方向に沿ってスパイラル状に形成されており、図４（ａ）に示すように、円柱３６が回転するとともに溝部３７も矢印方向に回転する。本実施形態では、溝部３７の断面形状は矩形状であるが半円形状でもよく、その他の多角形状であっても良い。円柱の軸方向に沿ってスパイラル状に形成された溝部３７は、円柱３６の何れの断面においても同じ形状であればよく、すべての供給口３８に溝部３７が対面するような範囲内の円柱３６の表面に溝部３７が形成されていれば良い。
【００３４】
円柱３６が回転すると、図４（ｂ）に示すような供給口３８と向かい合うように溝部３７が配置される。このとき、円柱３６の表面と空気供給管３５の内壁で挟まれるギャップ４２に対して、溝部３７と供給口３８が向かい合って形成されるギャップ４３の断面積は大きくなる。ギャップ４２に供給される空気量に対して、ギャップ４３には円柱３６の端部の溝部３７を通って多くの空気が供給されるので、溝部３７が供給口３８に向かい合わない場合と比較して供給口３８には多くの空気が供給されることになる。溝部３７が供給口３８と向かい合ったときに供給口３８を通ってガス流路１７に空気が流れ込んだ場合、流れ込む空気量は多くが、ガス流路１７の断面積の大きさは一定であるため、ガス流路１７内における空気圧がギャップ４２から空気が供給される場合に比べて高くなる。高い空気圧で供給される空気により、空気極２９に空気を供給するガス流路１７内に蓄積される水が空気排出管４１に押し出される。このとき、円柱３６の表面には溝部３７が円柱３６の軸に沿う方向にスパイラル状に形成されるので、それぞれの各ガス流路１７には順次高い空気圧の空気が流れ込むことになり、ガス流路１７に蓄積される水が順次空気排出管４１に排出される。ガス流路１７に蓄積された水を順次排出しながら一定量の空気をガス流路１７に供給することができるので、水の排出を行わない発電セル１０１には水が排出されるガス流路に比べて低い圧力で常に一定量の空気が供給されることになり、安定して発電を行うことができる。
【００３５】
図５に各ガス流路１７に供給される空気量の時間変化を示したガス流量図を示す。空気供給ポンプ３１から供給される空気を一定量に保持するための円柱３６に形成された溝部３７はスパイラル状に形成されているので、円柱３６が回転することにより、溝部３７が各供給口３８に対面するタイミングに一定の時間差が生じる。全ての発電セル１０１には溝部３７が形成されていない円柱３６の表面と空気供給管３５の内壁の間のギャップ４２を通って一定の空気量５１が常に供給される。
【００３６】
図５（ａ）は第１番目の発電セルへ供給される空気量の時間変化を示した図である。供給口３８に溝部３７が対面したとき、常に供給される空気量５１に加えて増加分５２が供給口３８に供給される。溝部３７の断面積の大きさに応じて空気の増加分５２を調整することができる。例えば、溝部３７の幅を大きく取り、溝部３７を深く形成することにより溝部３７を流れる空気量を増加させることができ、溝部３７が供給口３８と対面したときに供給口３８に流れ込む空気量を大きくすることができるとともにガス流路１７内の空気圧を高くすることができる。さらに円柱３６が回転すると、第２番目の発電セルに空気を供給する供給口３８と溝部３７が対面する位置になり、図５（ｂ）に示すようにガス流路１７に供給される一定の空気量５１に対して供給される空気量が増加分５２だけ増加する。このとき、第２番目の発電セル１０１に空気を供給するガス流路１７内の空気圧が高くなる。このように順次溝部３７が各発電セル１０１に空気を供給する供給口３８と対面する位置に配置され、図５（ｃ）に示すように、第ｎ番目の発電セル１０１への空気の増加分５２によりガス流路１７に蓄積される水を順次排出することができる。スパイラル状に溝部３７が形成された円柱３６を回転させることにより、順次ガス流路１７に高い圧力で空気が供給され、ガス流路１７に蓄積された水が排出される。例えば、空気の増加量５２を空気量５１の２倍以上になるように溝部３７の幅や深さを形成しておけば、ガス流路１７に蓄積された水を十分に排出することができる。このとき、溝部３７と供給口３８が対面しない範囲に配設されている発電セル１０１には、一定に空気量５１が供給されるので安定した発電を行うことができる。
【００３７】
また、供給する空気を増加させる周期は、円柱３６を回転させる軸回転用モーター３２の回転数を変えることにより変更される。この回転周期５３は、燃料電池の発電能力、温度等の運転条件により適切な周期で供給される空気が増加するように軸回転用モーター３２の回転数を設定することができる。
【００３８】
また、空気供給管３５に発電セル１０１に供給する空気量を調整する円柱３６を配置するのみに留まらず、空気排出管４１に排出する空気量を調整する円柱を配置することによっても同様にガス流路１７内の空気圧を調整することができ、ガス流路１７に蓄積される水を排出することができる。表面にスパイラル状の溝部が形成された円柱を空気供給管３５と空気排出管４１の両方に挿入し空気の給排気時の空気圧を調整することにより、空気供給管３５内にのみ溝部３７が形成された円柱３６を挿入して空気の供給量を調整する場合に比べ、より効果的に水を排出することができ、安定した発電を継続して行うことができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、発電セルに対しての空気給排気機構を備えると共に、その空気の圧力を間欠的に変化させるための圧力制御手段を備えるようにしたので、発電セルに供給する空気の圧力を調整することができ、発電セルへの空気の供給路であるガス流路内に蓄積される水を効率良く排出することができる。
【００４０】
さらに、ガス流路内の水を排出するとともに、常に一定の空気量を発電セルに供給することができるので安定した発電を連続して行うことができる。また、簡単な空気給排気機構で発電による副生成物である水を排出することができるので、小型で高性能の燃料電池を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の空気給排気装置を備えるスタック型燃料電池の平面構造を示す透視平面図である。
【図２】本発明の実施形態の空気給排気装置を備えるスタック型燃料電池の断面構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態の空気給排気装置を備えるスタック型燃料電池の構造を簡略化して示した簡略構造図である。
【図４】本発明の実施形態の空気給排気装置の空気供給管の断面構造を示す構造断面図であって、（ａ）は一定量の空気が発電セルに供給される場合の溝部の位置を示す構造断面図であり、（ｂ）は発電セルへ供給される空気量が増加する場合の溝部の位置を示す断面構造図である。
【図５】本発明の実施形態の空気給排気装置から発電セルに供給される空気量の時間変化を示した空気量の時間変化図であり、（ａ）は第１番目の発電セルへの空気量の時間変化図、（ｂ）は第２番目の発電セルへの空気量の時間変化図、（ｃ）は第ｎ番目の発電セルへの空気量の時間変化図である。
【図６】空気給排気装置から空気が給排気される従来型のスタック型燃料電池の構造を簡略化して示した模式構造図である。
【図７】空気給排気装置から空気給排気される従来型のスタック型燃料電池の構造を簡略化して示した簡略図である。
【図８】各ガス流路にバルブが設けられた空気給排気装置から空気が供給される従来型のスタック型燃料電池の構造を簡略化して示した簡略図である。
【図９】各ガス流路に設けられたバルブと並列にバイパスラインが配置された空気給排気装置から空気が供給される従来型のスタック型燃料電池の構造を簡略化して示した簡略図である。
【図１０】各ガス流路に設けられたバルブと、二系統の空気供給管を備える空気給排気装置から空気が供給される従来型のスタック型燃料電池の構造を簡略化して示した簡略図である。
【符号の説明】
１１ 発電セル
１２ 端板
１３ 空気供給口
１４ 空気排出口
１５ 固体高分子膜
１５ 水素供給口
１６ 水素排出口
１７、１８、１０２ガス流路
２１、２７ セパレータ
２２ 水素拡散層
２３、２５ 触媒膜
２４ 固体高分子膜
２６ 酸素拡散層
２８ 燃料極
２９ 空気極
３１ 空気供給用ポンプ
３２ 軸回転用モーター
３３ 回転軸
３４ 挿入口
３５、１０３、１０３ａ、１０３ｂ 空気供給管
３６ 円柱
３７ 溝部
３８ 供給口
４０ 排出口
４１、１０４ 空気排出管
４２ ギャップ
４３ ギャップ
５３ 回転周期
１０１ 発電セル
１０５ バルブ
１０６ バイパスライン
Claims (4)
- 発電セルと、前記発電セルに空気を給排気する空気給排気機構とを備え、前記空気給排気機構は、それぞれ円筒状の空間を有し、前記発電セルに空気を供給する給気部及び前記発電セルから空気を排気する排気部と、
前記発電セルにおいて給排気される空気の圧力を間欠的に変化させる圧力制御手段を有する
ことを特徴とする燃料電池。 - 前記圧力制御手段は、空気を遮蔽する円柱状遮蔽体と、前記円柱状遮蔽体に設けられた溝部から構成される
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 - 前記溝部は前記円柱状遮蔽体の表面にスパイラル状に形成されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
- 前記円柱状遮蔽体が回転することにより間欠的に圧力が制御された空気が発電セルに給排気されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
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