(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスの流速を速めて、ガス排出路に滞留する水を外部へ排出させることができる燃料電池を提供する。【解決手段】表面にガス流路１４１ｃが形成されたセパレータ１４０ｃを有する単位セルと、単位セルを積層方向に貫通するガス排出路１６と、ガス排出路１６内に設けられ、ガス流路１４１ｃとガス排出路１６とを連通する連通孔１４６の開口面積を変更可能とする可動片１７と、可動片１７と連結し、可動片１７を作動させて連通孔１４６の開口面積を変動させるアクチュエータと、アクチュエータを制御する制御装置と、を備え、ガス排出路１６のパージの際に、可動片１７が連通孔１４６の鉛直方向上側から連通孔１４６を塞ぐようにアクチュエータを制御する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にガス流路が形成されたセパレータを有する単位セルと、
前記単位セルを積層方向に貫通するガス排出路と、
前記ガス排出路内に設けられ、前記ガス流路と前記ガス排出路とを連通する連通孔の開口面積を変更可能とする可動片と、
前記可動片と連結し、前記可動片を作動させて前記連通孔の開口面積を変動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを制御する制御装置と、を備え、
前記ガス排出路のパージの際に、前記可動片が前記連通孔の鉛直方向上側から前記連通孔を塞ぐように前記アクチュエータを制御することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記可動片は、前記ガス排出路にセル積層方向に沿って配設されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記制御装置は、
燃料電池に供給するガス流量が多くなるにつれて、前記連通孔の開口面積を大きくし、
燃料電池に供給するガス流量が少なくなるにつれて、前記連通孔の開口面積を小さくするように前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記可動片の前記連通孔と対峙する面に撥水処理を施すことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
表面にガス流路が形成されたセパレータを有する単位セルと、
前記単位セルを積層方向に貫通するガス排出路と、
前記ガス排出路内に設けられ、前記ガス流路と前記ガス排出路とを連通する連通孔の開口面積を変更可能とする可動片と、を有する燃料電池であって、
前記可動片は、
前記ガス排出路内の温度が高くなるにつれて、前記連通孔の開口面積を大きくし、
前記ガス排出路内の温度が低くなるにつれて、前記連通孔の開口面積を小さくする形状記憶材料で構成されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。特に、固体高分子型燃料電池内を流動するガスの流速制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、酸化剤極側で反応によって水が生成されるため、酸化剤ガス排出路や各単位セルの酸化剤ガス流路内に水分が滞留しやすい。そして、これらのガス流路に水が滞留すると、各単位セルに十分な酸化剤ガスを供給することが困難になる。
【０００３】
この現象を防止するために、燃料電池スタック内に積層方向に延在して設けられ、反応ガス流路の排出側に連通する反応ガス出口マニホールドと、前記反応ガス出口マニホールドに連通して前記燃料電池スタックの外部にかつ下方に傾斜して延在する出口配管と、前記反応ガス出口マニホールドと前記出口配管とに連通するバイパス管路とを備えている燃料電池スタックが提案されている。前記バイパス管路は、反応ガス出口マニホールドに連通する第１開口端部位置が、出口配管に連通する第２開口端部位置よりも上方に設定されている。（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００４】
このため、反応ガス出口マニホールドに存在する水は、重力の作用によりバイパス管路を通って出口配管に排出され、前記反応ガス出口マニホールド内に水が滞留することを阻止する。
【特許文献１】特開２００４−１３４１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池は、寒冷地で定置用として使用する場合、氷点下の雰囲気にさらされる。すると、燃料電池内に滞留した水が凍結してガス流路を閉塞し、次に行う起動を阻害するという問題がある。特に、燃料電池が発電を停止してガスの流れが停止すると、ガス排出路内に滞留した水が、各単位セルのガス流路へ入り込む。この状態で燃料電池内の温度が氷点下になると、凍結した水がガス流路を閉塞する。
【０００６】
しかし、上記背景技術では、反応ガス出口マニホールドに存在する水を、燃料電池の外部に接続された出口配管に排出させるだけであって、ガス排出路に存在する水を燃料電池の外部に排出させることはできない。
【０００７】
そこで、ガス排出路に滞留した水を外部に排出させるために、発電の停止後に、燃料電池内へ酸化剤ガスや不活性ガスを導入する方法がある。しかし、燃料電池は複数の単位セルを積層して構成されるため、ガス排出路内の壁面は凹凸を有し、ガスの流速が遅いと、ガス排出路内の壁面の凹部に滞留した水を燃料電池の外部へ十分に排出させることができない。
【０００８】
そこで本発明は、ガスの流速を速めて、ガス排出路に滞留する水を外部へ排出させることができる燃料電池の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池は、表面にガス流路が形成されたセパレータを有する単位セルと、前記単位セルを積層方向に貫通するガス排出路と、前記ガス排出路内に設けられ、前記ガス流路と前記ガス排出路とを連通する連通孔の開口面積を変更可能とする可動片と、前記可動片と連結し、前記可動片を作動させて前記連通孔の開口面積を変動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御装置と、を備え、前記ガス排出路のパージの際に前記可動片が前記連通孔の鉛直方向上側から前記連通孔を塞ぐように前記アクチュエータを制御する。
【発明の効果】
【００１０】
燃料電池のガス排出路をパージする際に、ガス排出路に設けた可動弁を回動させる。このように、可動弁を回動させることで、ガス流路とガス排出路との連通孔の開口面積を小さくして、ガスの流速を速めることができ、ガス排出路に滞留する水を燃料電池の外部へ排出させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態は固体高分子型燃料電池のガスの流速制御に関するものであり、例えば燃料電池自動車に搭載する。ただし、自動車以外に用いてもよい。
【００１２】
本実施形態の燃料電池１の制御について、図１の概略構成図を用いて説明する。
【００１３】
燃料電池１は、酸化剤ガスとしての空気を導入するコンプレッサ３を備える。コンプレッサ３は回転駆動することにより空気を加圧して燃料電池１内部へ送り出す。コンプレッサ３は、回転数を上げることによって、燃料電池１内部へ導入する空気の流速を速めて、回転数を下げることによって、燃料電池１内部へ導入する空気の流速を遅くさせる。つまり、コンプレッサ３の駆動回転数に基づいて、燃料電池１内部に導入される空気の流速（流量）を算出できる。
【００１４】
また、燃料電池１は、燃料ガスとしての水素を貯蔵する燃料ガスボンベ４を備える。そして、通常運転時（燃料電池１の発電時）には、燃料電池１内へ酸化剤ガス及び燃料ガスを導入する。導入された酸化剤ガス及び燃料ガスは、燃料電池１内部で発電反応に用いられる。反応に用いられなかった余剰の酸化剤ガス、燃料ガス、及び、反応により生成された水は、燃料電池１から排出される。
【００１５】
なお、ここでは酸化剤ガスとして空気を、燃料ガスとして燃料ガスボンベ４に貯蔵された水素を用いるが、この限りではない。
【００１６】
また、燃料電池１が発電を停止した後、燃料電池１内部に残存した生成水をパージするために、燃料電池１内部へ酸化剤ガスを導入する。なお、パージの際に導入する気体は、酸化剤ガスに限られず、不活性ガス（例えば、窒素ガス）を用いてもよい。ただし、窒素ガスを用いる場合は、燃料電池１に、窒素を貯蔵する窒素ガスボンベ（図示省略）を備える。
【００１７】
なお、燃料電池１の発電の停止後、パージする間を「停止運転時」とする。つまり、パージの間も燃料電池１は運転状態にある。
【００１８】
燃料電池１は、コントローラ２を備える。さらに、燃料電池１側面に備えられたモーターケース１４は、内部にモータ２１を有する（図３）。そして、コントローラ２は、燃料電池１のパージの際、モータ２１へパルス信号を出力することによって、モータ２１を制御する。このようにモータ２１を制御することによって、後述のように燃料電池１内部に備えられた可動弁１７を回動させて、燃料電池１内部を流動する酸化剤ガスの流速を速めることができる。
【００１９】
ここで燃料電池１について図２、図３を用いて詳しく説明する。
【００２０】
図２は燃料電池１の概略構成図である。ここでは、起電力を生じる単位燃料電池としての単位セル１０を複数積層することにより燃料電池１を構成する。ただし、一つの単位セル１０により燃料電池１を構成してもよい。
【００２１】
また、図３は燃料電池１を図２の破線で示す面ａで切断した断面図である。なお、本実施形態では、単位セル１０の積層方向が重力方向（鉛直方向）と交差し、かつ、後述する酸化剤ガス排出路１６が重力方向の下側となるように、燃料電池１を配置する。
【００２２】
燃料電池１は、複数の単位セル１０の積層方向一端に集電板１１Ａ、絶縁板１２Ａ、エンドプレート１３Ａを、もう一端に集電板１１Ｂ、絶縁板１２Ｂ、エンドプレート１３Ｂを備える。エンドプレート１３Ｂの外側に、後述する可動弁１７を作動させる減速機２０、モータ２１等を内部に有するモーターケース１４を備える。
【００２３】
燃料電池１は、積層した単位セル１０、集電板１１Ａ、１１Ｂ、絶縁板１２Ａ、１２Ｂ及びエンドプレート１３Ａ、１３Ｂの内部四隅を貫通した貫通孔に、図示しないタイロッドを挿通して、タイロッドの端部にナットを螺合することによって締結する。締結方法は、積層した単位セル１０の内部にタイロッドを貫通する方法に限られず、積層した単位セル１０を貫通させずに積層した単位セル１０の外部においてエンドプレート１３Ａ、１３Ｂの四隅を４本のタイロッドで縦貫してもよい。
【００２４】
集電板１１Ａ、１１Ｂを、ガス不透過な導電性部材、例えば、緻密質カーボンや銅板などにより構成する。集電板１１Ａ、１１Ｂにはそれぞれ、燃料電池１で生じた起電力の取り出し部となる出力端子（図示省略）を設ける。
【００２５】
絶縁板１２Ａ、１２Ｂを、絶縁性部材、例えば、ゴムや樹脂などにより構成する。
【００２６】
エンドプレート１３Ａ、１３Ｂを、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料により構成する。
【００２７】
エンドプレート１３Ａに、燃料電池１内に酸化剤ガス（酸素含有ガス又は空気）を供給するための酸化剤ガス入口１３１ｉ、燃料電池１から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口１３１ｏ、燃料電池１内に燃料ガス（水素ガス又は水素含有ガス）を供給するための燃料ガス入口１３２ｉ、燃料電池１から燃料ガスを排出するための燃料ガス出口１３２ｏ、燃料電池１内に冷却媒体を導入するための冷却媒体入口１３３ｉ、及び、燃料電池１から冷却媒体を排出するための冷却媒体出口１３３ｏを備える。
【００２８】
また、エンドプレート１３Ｂは、酸化剤ガス排出路１６近傍となる位置、つまり、エンドプレート１３Ａに設けられた酸化剤ガス出口１３１ｏと略対峙する位置にモーターケース１４を備える。
【００２９】
モーターケース１４は、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料により構成し、エンドプレート１３Ｂに設けられたモーターケース１４と同面積の孔に組み込んで配設する。モーターケース１４は内部に減速機２０及びモータ２１を備える。
【００３０】
モータ２１をステッピングモータで構成する。そして、減速機２０を介してモータ２１を回転軸１８と接続する。モータ２１の回転角度は、減速機２０によって所定の回転角度に変換されて回転軸１８に伝達される。
【００３１】
回転軸１８を、酸化剤ガス排出路１６の長軸と平行に配設し、絶縁板１２Ａ、１２Ｂの端部に軸受け１９を螺合することによって固定する。なお、回転軸１８はこれ以外の方法によって固定してもよい。
【００３２】
軸受け１９を設けた箇所に、シール材（図示省略）を設け、シール材によって反応ガスが外部に漏洩するのを防止する。なお、絶縁板１２Ｂ側においては、軸受け１９の位置にシール材を設けず、モーターケース１４とエンドプレート１３Ｂの間にシール材を設け、反応ガスが外部に漏洩するのを防止してもよい。
【００３３】
回転軸１８には可動弁１７が連結しており、回転軸１８が回転することで、可動弁１７が回動する。
【００３４】
可動弁１７を非導電性部材により構成する。なお、可動弁１７は非導電性部材に限られず、導電性部材により構成してもよい。ただし、可動弁１７を導電性部材により構成した場合、可動弁１７と、各単位セルのセパレータ１４０ｃ又は集電板１１Ａ、１１Ｂとの間に絶縁性部材を設ける。
【００３５】
また、可動弁１７は単位セル１０の積層幅と同一の長さに構成する。なお、可動弁１７の長さは、少なくとも単位セル１０の積層幅と同一であればよく、酸化剤ガス排出路１６よりも短ければ図３に示す長さに限られない。
【００３６】
可動弁１７は、モータ２１を駆動させることで回転軸１８を中心として酸化剤ガス排出路１６内で回動する。後述のように、可動弁１７を回動させることで、連通孔１４６の開口面積を小さくすることができる。そして、連通孔１４６の開口面積を小さくして、酸化剤ガスの流速を速めることによって、酸化剤ガス排出路１６に滞留する水を燃料電池１の外部に排出することができる。
【００３７】
コントローラ２からパルス信号が出力されると、モータ２１は、当該パルス信号に同期して一定の角度だけ回転軸１８を回動させ、可動弁１７を回動させる。
【００３８】
以上の構成によって、モータ２１によって可動弁１７を酸化剤ガス排出路１６において回動させ、酸化剤ガス排出路１６内の水を燃料電池１の外部に排出することができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、酸化剤ガス排出路１６内に可動弁１７を設けるが、燃料ガス排出路においても、加湿した燃料ガスによる水の滞留が生じるため、燃料ガス排出路内に可動弁１７を設けてもよい。ただし、酸化剤ガス排出路１６及び燃料ガス排出路のいずれにも可動弁１７を設ける場合は、モータ２１及び減速機２０を共有して、可動弁１７の駆動機構を簡素化することが望ましい。
【００４０】
次に、単位セル１０の概略的な構造を図４を用いて説明する。
【００４１】
単位セル１０は、電解質膜１１０の両側に、アノード側電極１２０ａ及びカソード側電極１２０ｃを配置してなる膜−電極接合体を備える。
【００４２】
電解質膜１１０としては、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂よりなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いる。この電解質膜１１０は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００４３】
アノード側電極１２０ａ及びカソード側電極１２０ｃを、電解質膜１１０側から電極触媒層及びガス拡散層とで構成する。
【００４４】
電極触媒層は、触媒、例えば白金又は白金と他の金属からなる合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を、電極の表面に一様に塗布してなる。アノード側電極１２０ａとカソード側電極１２０ｃの電極触媒層は、互いに電解質膜１１０を介装して対向するように、電解質膜１１０の両面に接合する。
【００４５】
ガス拡散層は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、例えば炭素繊維からなるカーボンクロス、カーボンペーパ、又は、カーボンフエルト等からなる。
【００４６】
アノード側電極１２０ａ及びカソード側電極１２０ｃの外周には、それぞれガスケット材１３０ａ、１３０ｃを配置する。ガスケット材１３０ａ、１３０ｃは、ゴム状弾性材料、例えば、シリコーンゴム、ＥＰＤＭまたはフッ素ゴムなどを用いる。このガスケット材１３０ａ、１３０ｃは、単位セル１０を構成する各部品を積層した際に、電解質膜１１０とセパレータ１４０ａ、１４０ｃの隙間を保持し、膜-電極接合体とセパレータ１４０ａ、１４０ｃの間のガスをシールする役割を担う。
【００４７】
アノード側電極１２０ａ、カソード側電極１２０ｃの外側には、それぞれセパレータ１４０ａ、１４０ｃを配置する。セパレータ１４０ａ、１４０ｃを、十分な導電性、強度及び耐食性を有する材料、例えばカーボン材料をプレスすることにより形成する。セパレータ１４０ａ、１４０ｃは、十分な耐食性が実現可能であれば、金属などの他の材料を用いてもよい。
【００４８】
セパレータ１４０ａの表面には、アノード側電極１２０ａに燃料ガス（水素含有ガス）を供給するための燃料ガス流路１４１ａを設ける。セパレータ１４０ａのもう一方の表面には、冷却媒体流路１４２ａを設ける。
【００４９】
セパレータ１４０ｃの表面には、カソード側電極１２０ｃに酸化剤ガス（酸素含有ガス又は空気）を供給するための酸化剤ガス流路１４１ｃを設ける。セパレータ１４０ｃのもう一方の表面には、冷却媒体流路１４２ｃを設ける。
【００５０】
図５は、図２の矢視Ａ方向から見たセパレータ１４０ｃを中心とした概略構造を示す平面図である。
【００５１】
図５（Ａ）は、セパレータ１４０ｃを中心とした全体的な平面図である。ここでは、カソード側電極１２０ｃと対峙する面を図示する。
【００５２】
図５（Ａ）の下側を重力方向として、セパレータ１４０ｃを、横長四辺形に構成する。ただし、セパレータ１４０ｃの形状は、横長四辺形に限られず、例えば、正方形や縦長四辺形であってもよい。
【００５３】
セパレータ１４０ｃの一端に、燃料電池１の積層方向に貫通する孔により構成された、所定幅の酸化剤ガス供給マニホールド１４３ｉ、冷却媒体供給マニホールド１４４ｉ及び燃料ガス供給マニホールド１４５ｏを設ける。また、セパレータ１４０ｃのもう一端に、それぞれ酸化剤ガス供給マニホールド１４３ｉ、冷却媒体供給マニホールド１４４ｉ、燃料ガス供給マニホールド１４５ｏと対角をなす位置に、燃料電池１の積層方向に貫通する孔により構成された、所定幅の燃料ガス排出マニホールド１４５ｏ、冷却媒体排出マニホールド１４４ｏ及び酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏを設ける。
【００５４】
これらのマニホールドを、いずれも横長四辺形に構成する。なお、マニホールドの形状は、横長四辺形に限られない。また、酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏの、重力方向上側の辺を上辺３０、重力方向左側の辺を左辺３１、重力方向下側の辺を下辺３２、重力方向右側の辺を右辺３３とする。なお、ここでは後述するセパレータ１４０ｃの酸化剤ガス流路１４１ｃと近い方の辺を右辺３３とし、酸化剤ガス流路１４１ｃから遠い方の辺を左辺３１とする。
【００５５】
酸化剤ガス供給マニホールド１４３ｉ、冷却媒体供給マニホールド１４４ｉ、燃料ガス供給マニホールド１４５ｉ、酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏ、冷却媒体排出マニホールド１４４ｏ、燃料ガス排出マニホールド１４５ｏは、セパレータ１４０ａなどにも設けられ、単位セル１０を積層することで、それぞれ酸化剤ガス供給路１５、冷却媒体供給路（図示省略）、燃料ガス供給路（図示省略）、酸化剤ガス排出路１６、冷却媒体排出路（図示省略）、燃料ガス排出路（図示省略）を構成する。
【００５６】
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）における酸化剤排出マニホールド１４３ｏ付近の拡大図である。
【００５７】
酸化剤ガス流路１４１ｃと酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏとは、連通孔１４６によって連通する。つまり、酸化剤ガス供給マニホールド１４３ｉから導入された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路１４１ｃを流動して、連通孔１４６を介して酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏへ排出される。
【００５８】
酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏの領域内では、酸化剤ガス排出路１６内に設けた可動弁１７が、回転軸１８を中心として、酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏの上辺３０と平行な状態（開状態）から、酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏの右辺３３と平行な状態（閉状態）までの間を回転軸１８の回転角度、すなわちモータ２１の回転角度に応じて変位する。回転軸１８は右辺３１の上部側、つまり連通孔１４６の重力方向上側に設けられる。
【００５９】
なお、可動弁１７を、酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏの右辺３３の長さより僅かに短く構成する。これにより、可動弁１７が閉状態の場合に可動弁１７と酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏの下辺３２との間に隙間部１４７が形成される。つまり、閉状態の可動弁１７は、連通孔１４６を完全には遮断せずに連通孔１４６の上部を遮断し、連通孔１４６の下部、すなわち、重力方向下側に最小の開口面積となる隙間部１４７を形成する。そして、酸化剤ガスは、隙間部１４７を通じて酸化剤ガス流路１４１ｃから酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏへ排出される。このとき、酸化剤ガスは、流速を速めて酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏへ排出されるため、その流速によって、酸化剤ガス排出路１６に滞留した水を燃料電池１の外部へ排出することができる。一方、可動弁１７が開状態の場合、酸化剤ガス流路１４１ｃから排出された酸化剤ガスは、可動弁１７に流動を妨げられることなく酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏへ排出される。
【００６０】
燃料電池１起動中の単位セル１０における発電反応は次のようになる。
【００６１】
燃料ガスを、燃料ガス入口１３２ｉから燃料電池１内に導入すると、導入した燃料ガスは、燃料ガス供給路を流動して、各単位セル１０のセパレータ１４０ａから燃料ガス流路１４１ａを介してアノード側電極１２０ａに供給される。そして、アノード側電極１２０ａにおける発電反応により、プロトン及び電子を生成する。プロトンは電解質膜１１０を透過してカソード側へ移動し、電子は外部回路へ流れる。反応に利用されなかった余剰の燃料ガスは、燃料ガス排出路を流動して、燃料ガス出口１３２ｏから排出される。
【００６２】
一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス入口１３１ｉから燃料電池１内に導入すると、導入した酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給路１５を流動して、各単位セル１０のセパレータ１４０ｃから酸化剤ガス流路１４１ｃを介してカソード側電極１２０ｃに供給される。そして、アノード側の発電反応により生じたプロトン及び外部回路からの電子と、酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して水が生成される。反応に利用されなかった余剰の酸化剤ガスは、反応により生じた生成水とともに、酸化剤ガス排出路１６を流動して、酸化剤ガス出口１３１ｏから排出される。
【００６３】
なお、燃料電池１の起動中は、可動弁１７は常に開放状態を維持する。
【００６４】
燃料電池１の発電を停止すると、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給が停止され、いずれのガスも流れを停止する。すると、酸化剤ガス排出路１６内に滞留した水や、燃料ガス排出路に導入された燃料ガスが燃料電池１内に残存する。そこで、燃料電池１の発電の停止後に、酸化剤ガス１３２ｉ及び燃料ガス入口１３１ｉから燃料電池１内部へ酸化剤ガス又は不活性ガスを導入して、燃料電池１内部に残存した水分や燃料ガスを燃料電池１外部へ排出（パージ）する。
【００６５】
このとき、酸化剤ガス等の流速が遅いと、酸化剤ガス排出路１６内に滞留した水が、燃料電池１の外部へ十分に排出されない。よって、本実施形態では、酸化剤ガス排出路１６に設けた可動弁１７を回動させて、酸化剤ガスの流速を速める。
【００６６】
なお、通常運転時も可動弁１７を作動させて、酸化剤ガス排出路１６内の圧力を制御してもよい。このように、通常運転時に酸化剤ガス排出路１６内の滞留水を積極的に排出することで、発電停止時に素早く酸化剤ガス排出路１６内の滞留水を排出できる。
【００６７】
可動弁１７を閉状態とした場合の作用について、図６を用いて説明する。
【００６８】
図６（Ａ）は、可動弁１７を設けない従来の燃料電池のセパレータ１５０ｃの拡大平面図である。
【００６９】
パージのために燃料電池に導入された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路１５１ｃを流動して、酸化剤極側で反応によって生成された水をともなって、酸化剤ガス排出マニホールド１５３ｏへ排出される。ここでは、連通孔１５６の開口部は遮られていないため、酸化剤ガスの流速は、連通孔１５６の全範囲でほぼ均一になる。
【００７０】
このとき、酸化剤ガスの流速が遅いと、酸化剤ガス排出路１６に滞留した生成水は、燃料電池１の外部へ押し出されず、酸化剤ガス排出路１６に水が残存する。
【００７１】
これに対して本実施形態の燃料電池１は、図６（Ｂ）に示すように酸化剤ガス排出路１６内に可動弁１７を設け、パージの際に可動弁１７を閉状態に変化させる。
【００７２】
可動弁１７が閉状態に変化すると、酸化剤ガスは、可動弁１７と酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏの下辺３２との間に形成された隙間部１４７から酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏへ排出される。つまり、開状態の連通孔１４６と比較して隙間部１４７の開口面積は小さいため、開状態の連通孔１４６を通過する酸化剤ガスの流速と比較して、閉状態の連通孔１４６を通過する酸化剤ガスの流速は速くなる。
【００７３】
このように、可動弁１７が連通孔１４６を略閉塞することによって、連通孔１４６の開口面積を小さくして、隙間部１４７を流通する酸化剤ガスの流速を速めることができる。そして、酸化剤ガスの流速が速まると、酸化剤ガス排出路１６に滞留した水が燃料電池１の外部へ排出されやすくなる。そのため、燃料電池１の停止時に酸化剤ガス排出路１６内における水の滞留を抑制することができ、例えば氷点下になった場合に、水の凍結による流路の凍結を抑制することができる。
【００７４】
なお、可動弁１７は、平面に限られず、酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏの形態に合わせて曲面により構成してもよい。
【００７５】
図７では、酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏを、上辺３０から右辺３３にかけて曲線で構成する。つまり、連通孔１４６を円弧状に構成する。
【００７６】
また、可動弁１７を、連通孔１４６の円弧と同形状の円弧で構成する。回転軸１８を、連通孔１４６の上辺３０側の一端近傍に設ける。そして、可動弁１７は、回転軸１８から下辺３２までの円弧の長さより僅かに短く構成する。これにより、可動弁１７が回転軸１８を中心に回動すると、開状態と閉状態とに変化して、連通孔１４６の開口面積が変動する。
【００７７】
可動弁１７が開状態の場合、酸化剤ガス流路１４１ｃから排出された酸化剤ガスは、可動弁１７によって流れを妨げられることなく酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏへ排出される。また、可動弁１７が閉状態の場合、連通孔１４６は可動弁１７によって略閉塞されるが、可動弁１７と酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏの下辺３２との間に形成された隙間部１４７から排出される。隙間部１４７から排出された酸化剤ガスは流速が速まり、酸化剤ガス排出路１６に滞留した水を燃料電池１の外に排出することができる。
【００７８】
このように、酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏの形状に応じて、可動弁１７の形状を変形させることによって、平板状の可動弁１７を用いた場合と同様の効果を得られる。
【００７９】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００８０】
表面に酸化剤ガス流路１４１ｃが形成されたセパレータ１４０ｃを有する単位セル１０と、単位セル１０を積層方向に貫通する酸化剤ガス排出路１６と、酸化剤ガス排出路１６内に設けられ、酸化剤ガス流路１４１ｃと酸化剤ガス排出路１６とを連通する連通孔１４６の開口面積を変更可能とする可動弁１７と、可動弁１７と連結し、可動弁１７を作動させて連通孔１４６の開口面積を変動させるモータ２１と、モータ２１を制御するコントローラ２と、を備え、酸化剤ガス排出路１６のパージの際に、可動弁１７が連通孔１４６の鉛直方向上側から連通孔１４６を塞ぐようにモータ２１を制御する。
【００８１】
これにより、酸化剤ガス流路１４１ｃと酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏとの連通孔１４６の一部を閉塞する。連通孔１４６の開口面積を小さくすることで、連通孔１４６を通過する酸化剤ガスの流速を速めて酸化剤ガス排出路１６に滞留する水を燃料電池１の外部へ排出させることができる。
【００８２】
また、可動弁１７は、酸化剤ガス排出路１６に単位セル１０積層方向に沿って配設される。これにより、可動弁１７が、酸化剤ガス流路１４１ｃと酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏとの連通孔１４６の一部を閉塞する。そして、連通孔１４６の開口面積を小さくすることで、連通孔１４６を通過する酸化剤ガスの流速を速めて、酸化剤極側において反応により生成された水を、燃料電池１の外部へ排出させることができる。
【００８３】
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８４】
本実施形態では、燃料電池１に導入された酸化剤ガスの流速に応じて、可動弁１７の開度を変化させる。
【００８５】
図８は、酸化剤ガスの流速と可動弁１７の開度との関係を示したグラフである。
【００８６】
縦軸は、可動弁１７の開度を示す。「大」は、可動弁１７の開度が大きい、つまり、可動弁１７が酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏの上辺３０と平行の位置にあって、連通孔１４６の開口面積が大きいことを示す。「小」は、可動弁１７の開度が小さい、つまり、可動弁１７が酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏの右辺３３と平行の位置にあって、連通孔１４６の開口面積が小さいことを示す。可動弁１７は、開度「大」から「小」までの間を段階的に変位する。
【００８７】
横軸は、酸化剤ガス排出路１６内を流動する酸化剤ガスの流速を示す。酸化剤ガスの流速は、コンプレッサ３の回転数に基づいて算出される。コンプレッサ３の回転数が多いときは、燃料電池１に導入される酸化剤ガスの流速は速くなる。この場合、連通孔１４６の開口面積を小さくする必要はないため、可動弁１７の開度を大きくして、コンプレッサ３により導入される酸化剤ガスの流速によって、酸化剤ガス排出路１６に滞留した水は燃料電池１の外に排出される。
【００８８】
一方、コンプレッサ３の回転数が少ないときは、燃料電池１に導入される酸化剤ガスの流速は遅くなる。この場合、コンプレッサ３により導入された酸化剤ガスの流速では酸化剤ガス排出路１６に滞留した水が十分に燃料電池１の外部に排出されないため、連通孔１４６の開口面積を小さくして、酸化剤ガスの流速を速くする必要がある。つまり、酸化剤ガスの流速が遅い場合は、可動弁１７の開度を小さくする。
【００８９】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００９０】
コントローラ２は、燃料電池１に供給するガス流量が多くなるにつれて、連通孔１４６の開口面積を大きくし、燃料電池１に供給するガス流量が少なくなるにつれて、連通孔１４６の開口面積を小さくするようにモータ２１を制御する。
【００９１】
これにより、酸化剤ガスの流量が多く、酸化剤ガス排出路１６内の流速が十分確保されている場合は、可動弁１７の開度を大きくすることにより、圧力損失を小さく抑え、コンプレッサ３の負荷を軽減できる。つまり、酸化剤ガスの流量を多くすることなく、酸化剤ガス排出路１６内の水を燃料電池１の外へ排出することができるため、コンプレッサ３の負荷を軽減できる。
【００９２】
一方、酸化剤ガスの流量が少なく、酸化剤ガス排出路１６内の流速が十分ではない場合は、可動弁１７の開度を小さくすることにより、連通孔１４６の開口面積を小さくして、酸化剤ガスの流速を速くできる。
【００９３】
また、酸化剤ガスの流量を多くすることによって生じる燃料電池１の破損、劣化を抑制できる。
【００９４】
次に、第３の実施形態について、図９を用いて説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００９５】
可動弁１７を閉状態へ変化した場合、酸化剤ガスは、隙間部１４７を介して酸化剤ガス流路１４１ｃから酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏへ排出される。このとき、可動弁１７は、連通孔１４６と平行に位置する。そのため、可動弁１７の連通孔１４６と対峙する面１７０に、生成水を含んだ酸化剤ガスが吹きつけられ、面１７０に水滴が付着する。そして、可動弁１７に水が付着した状態で燃料電池１が氷点下の状態に晒されると、可動弁１７と連通孔１４６との間で水が凍結して、可動弁１７が閉状態に固定されてしまう。
【００９６】
本実施形態では、可動弁１７の面１７０に撥水処理部１４８を設ける。これにより、面１７０に吹きつけられた水は隙間部１４７へ流下する。そして、隙間部１４７へ流下した水は、流速を増した酸化剤ガスによって、酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏへ排出される。
【００９７】
このように、可動弁１７の面１７０に撥水部１４８を設けることによって、可動弁１７とセパレータ１４０ｃとの間に水が滞留するのを防止できる。
【００９８】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００９９】
可動弁１７の連通孔１４６と対峙する面１７０に撥水処理を施す。これにより、可動弁１７とセパレータ１４０ｃとの間に水が滞留するのを防止できる。
【０１００】
次に、第４の実施形態について、図１０を用いて説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１０１】
通常、酸化剤ガス排出路１６内の温度が高い場合、酸化剤ガスの飽和蒸気圧が上昇するため、酸化剤ガス排出路１６内の滞留水は蒸発し、水蒸気となり除去される。しかし、酸化剤ガス排出路１６内の温度が低い場合、水の蒸発はほとんど生じない。よってこの場合、酸化剤ガス排出路１６内に滞留した水を、燃料電池１の外部へ排出させるためには、酸化剤ガスの流速に頼るのみである。
【０１０２】
本実施形態では、酸化剤ガス排出路１６に、酸化剤ガス排出路１６内の温度に応じて形状が変化する形状記憶弁２７を設ける。形状記憶弁２７は、酸化剤ガス排出路１６内の温度が低いときは、連通孔１４６を略閉塞する状態に変化し、酸化剤ガス排出路１６内の温度が高いときは、連通孔１４６を開放する状態に変化する。
【０１０３】
よって、酸化剤ガス排出路１６内の温度が低いときは、連通孔１４６の開口面積が小さくなり、酸化剤ガス流路１４１ｃから酸化剤ガス排出マニホールド１４３ｏへ排出される酸化剤ガスの流速が速くなり、酸化剤ガス排出路１６に滞留した水を排出することができる。
【０１０４】
なお、形状記憶弁２７を、燃料電池１の起動中に、酸化剤ガス排出路１６を流動する酸化剤ガスの温度によっては開度、すなわち開口面積が変化せず、常に開放状態を維持するように温度の設定をする。そして、燃料電池１のパージの際には、酸化剤ガス排出路１６内部の温度に応じて、形状記憶弁２７は形状を変化させて、酸化剤ガスの流速を調整する。
【０１０５】
このように、可動弁１７として形状記憶弁２７を用いることによって、燃料電池１にモーターケース１４、減速機２０及びモータ２１を設ける必要がなく、また、コントローラ２を設ける必要もない。
【０１０６】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【０１０７】
表面に酸化剤ガス流路１４１ｃが形成されたセパレータ１４０ｃを有する単位セル１０と、単位セル１０を積層方向に貫通する酸化剤ガス排出路１６と、酸化剤ガス排出路１６内に設けられ、酸化剤ガス流路１４１ｃと酸化剤ガス排出路１６とを連通する連通孔１４６の開口面積を変更可能とする可動弁１７と、を有する燃料電池１であって、可動弁１７は、酸化剤ガス排出路１６内の温度が高くなるにつれて、連通孔１４６の開口面積を大きくし、酸化剤ガス排出路１６内の温度が低くなるにつれて、連通孔１４６の開口面積を小さくする形状記憶材料で構成される。
【０１０８】
これにより、酸化剤ガス排出路１６内の温度が低く水が滞留しやすい場合は、連通孔１４６の開口面積を小さくして、酸化剤ガスの流速を速くする。また、酸化剤ガス排出路１６内の温度が高く蒸発によって水が滞留しにくい場合は、連通孔１４６の開口面積を大きくして流速損失を最小限に抑えることができる。
【０１０９】
なお、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を為し得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明は、燃料電池に適用することができる。特に、燃料電池のガス排出路のパージの際に、ガスの流速を速める必要がある固体高分子型燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】燃料電池を中心とする構成図である。
【図２】燃料電池スタックを示す斜視図である。
【図３】燃料電池スタックを示す断面図である。
【図４】単位セルの構造を示す断面図である。
【図５】セパレータを中心とする構造を示す平面図である。
【図６】閉状態の可動弁を示す平面図である。
【図７】可動弁の変形例を示す平面図である。
【図８】第２の実施形態に用いる弁開度と流速の関係を示すグラフである。
【図９】第３の実施形態に用いる撥水処理を施した可動弁を示す平面図である。
【図１０】第４の実施形態に用いる形状記憶部材で構成される可動弁を示す平面図である。
【符号の説明】
【０１１２】
１  燃料電池スタック
２  コントローラ
１０  単位セル
１６  酸化剤ガス排出路
１７  可動弁
１８  回転軸
２０  減速機
２１  モータ
２７  形状記憶弁
１４０ａ、１４０ｃ  セパレータ
１４１ａ、１４１ｃ  酸化剤ガス流路
１４３ｏ  酸化剤ガス排出マニホールド
１４６  連通孔
１４７  隙間部
１４８  撥水処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006185797.tif 000008
【図７】
2006185797.tif 000009
【図８】
2006185797.tif 000010
【図９】
2006185797.tif 000011
【図１０】
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