(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを劣化させることなく、燃料電池スタック内の水詰まりを解消できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１の一端部は、圧電素子デバイス５を介してスタック支持板３ａに取り付けられ、他端部は、スライドガイド６を介してスタック支持板３ｂに取り付けられる。スタック支持板３ａ、３ｂはスタック固定具２により、図示しないフレーム等に固定されている。燃料電池スタック１には、伸縮自在管４により、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水が供給される。コントロールユニット１３は、燃料電池スタック１の水詰まりを検出すると、圧電素子駆動回路１４へ制御信号を出力して、圧電素子駆動回路１４に駆動信号を出力させる。この駆動信号により圧電素子デバイス５が変位し、燃料電池スタック１全体を加振させる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックをシステム内に支持するための支持機構とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックと前記支持機構との間に前記燃料電池スタックを加振する加振手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加振手段は、電圧印加によって変形する圧電素子デバイスを用いたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記圧電素子デバイスは、電圧印加によって生じる圧電体の変位を液圧あるいは機械的機構を利用して増幅する変位増幅機構を内蔵したものであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記圧電素子デバイスを駆動する電力の供給源として、前記燃料電池スタックで発生した電力の一部を利用可能な構成を有することを特徴とする請求項２または請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタック内の燃料ガス通路、および酸化剤ガス通路の水詰まり状態を、直接的、あるいは間接的に検出する検出手段と、
該検出手段からの信号に応じて前記加振手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池スタック内の燃料ガス通路および酸化剤ガス通路の少なくとも一方の方向が、重力の方向とほぼ平行になるように前記燃料電池スタックを当該燃料電池システム内に設置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
第１及び第２の燃料電池スタックと、
これら燃料電池スタックを加振する少なくとも一つの加振手段と、を備え、
該加振手段は、第１及び第２の燃料電池スタックを互いに逆位相に加振することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池スタック内部の水詰まりを効果的に解消できる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムの従来技術として、特開２００１−３１９６７３号公報に記載の技術が知られている。この技術によれば、燃料電池スタックに加える圧縮応力を変化させることができる応力作用手段を有し、燃料電池スタック内部の水含有状態を排ガスの流量、圧力、温度などから求め、水含有率が過大と判定した場合に、燃料電池スタックの圧縮応力を小さくすることで、燃料電池スタック内部における水の移動スペースを拡大し、これにより内部の余分な水分の電池外への排出を促進させ、燃料電池内の含水率を良好に保ち、結果的に燃料電池システムの運転性を向上させることを目的としたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、応力作用手段を働かせることで電池内部の燃料ガス通路幅、酸化剤ガス通路幅を変化させているが、運転を続けることにより燃料電池スタックは繰り返し応力を受けることから強度的な劣化を招くという問題点があった。
【０００４】
さらにスタック内部の電極の有効面積を拡大させることなく、単にガス通路幅だけを拡大させる場合には、ガス通路内を流れるガスのうち、電極に到達することなくそのまま排出側に素通りしてしまうガスの割合が増加することになり、つまり燃料の利用率が低くなり、結果的に燃費が悪化してしまうという問題点があった。
【０００５】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、燃料電池スタックを劣化させることなく、燃料電池スタック内の水詰まりを効果的に解消できる燃料電池システムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックをシステム内に支持するための支持機構とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックと前記支持機構との間に前記燃料電池スタックを加振する加振手段を備えたことを要旨とする。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池スタックを加振する加振手段を設けたので、燃料電池スタック内部に繰り返し圧縮応力を作用させず、燃料電池スタック全体に一様な振動を与えて、電池内の余分な水を電池外に排出することができ、結果として燃料電池システムの耐久性、信頼性を高めることが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図９は、本発明に係る燃料電池システムに用いる固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）における単位セル電池の構成を説明する模式断面図である。
【０００９】
図９において、イオン導電性を有する固体高分子膜１２８を挟んで、アノード電極１２９、カソード電極１３０が配置され、アノード電極１２９に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給溝１３１、カソード電極１３０に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝１３２、それぞれの供給溝の外側には導電性を有するガス不透過性のアノードセパレータ１３３、カソードセパレータ１３４、アノードセパレータ１３３のさらに外側には、導電性を有するガスおよび水不透過性の水セパレータ１３５、発電に伴って発生する余分の熱を取り除くことにより、燃料電池スタック温度を適正に保つためのスタック冷却水を流す冷却水供給溝１３６が配設されており、１２８〜１３６によって単位セル（単電池）１３７が構成されている。
【００１０】
燃料電池スタック１は、この単位セルを図示しない圧縮手段でスタック内部の圧縮応力が一定になるように複数積層したものである。
【００１１】
このような固体高分子電解質型燃料電池においては、アノード電極１２９に燃料ガスを、カソード電極１３０に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単位セルの一対の電極間で電気化学反応により、以下のように起電力が生じる。
【００１２】
【化１】
アノード反応：　Ｈ２　→　２Ｈ＋＋２ｅ−　　　　　　　　…（１）
カソード反応：　２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−　→　Ｈ２Ｏ　　…（２）
すなわち、通常、燃料ガスとしては水素が使用され、酸化剤ガスとしては空気が使用されるが、まず、アノード電極１２９に水素、カソード電極１３０に空気をそれぞれ供給すると、アノード電極１２９では、供給された水素は水素イオンと電子に解離する。そして水素イオンは固体高分子膜１２８を通り、電子は外部回路を通って、それぞれカソード電極１３０に移動する。
【００１３】
一方、カソード電極１３０においては、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子が反応して水を生成する。このとき外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。つまり、アノード電極１２９とカソード電極１３０においては、それぞれ上述した化学反応式に示す反応が進行する。なお、生成された水は、未反応ガスと共に電池外に排出される。
【００１４】
ところで、単位セル１３７の起電力は、１Ｖ以下と低いため、通常の実用型燃料電池システムは、数十〜数百の単位セル１３７を積層した燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックによる発電を行なっている。
【００１５】
固体高分子膜１２８としては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロロカーボンスルホン酸（ＮａｆｉｏｎＲ：米国デュポン社商標）が知られている。この膜は、分子中に水素イオンの交換基をもち、飽和含水することにより水素イオン導電性電解質として機能すると共に、燃料と酸化剤を分離する機能も有する。逆に、膜の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなり、燃料と酸化剤が混合するクロスオーバが発生し、電池での発電が不可能となる。このため、固体高分子膜は飽和含水としておくことが望ましい。
【００１６】
発電によりアノード電極で分離した水素イオンが固体高分子膜を通りカソード電極に移動する時に、水も一緒に移動するために、アノード電極側では固体高分子膜は乾燥する傾向にある。また、供給する燃料又は空気の含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入り口付近で固体高分子膜は乾燥する傾向にある。上記の理由から、固体高分子電解質型燃料電池には、予め加湿した燃料と酸化剤を供給すること、もしくは燃料電池内で反応生成された水を使っての固体高分子膜の湿潤が一般的に行われている。
【００１７】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を説明する概略構成図であり、図９に示した燃料電池スタックを用いている。
【００１８】
図１において、燃料電池スタック１と一方のスタック支持板であるスタック支持板３ａとの間に、燃料電池スタック１を加振する加振手段としての圧電素子デバイス５（例えばピエゾ素子）を挟むように配置し、かつ圧電素子デバイス５の一面は燃料電池スタック１と固定され、対向する他面は、スタック支持板３ａに固定されている。
【００１９】
また燃料電池スタック１の圧電素子デバイス５が無い反対側の面には、スライドガイド６がスタック支持板３ｂに設けられた案内穴にそって平行移動可能の状態で燃料電池スタック１と固定されている。２つのスタック支持板３ａ，３ｂはスタック固定具２によって、燃料電池システム内の所定の位置に固定されている。また燃料電池スタック１の側面には、燃料ガス供給口７、燃料ガス排出口８、酸化剤ガス供給口９、酸化剤ガス排出口１０、冷却水供給口１１、冷却水排出口１２、がそれぞれ設けられ、それぞれの供給口及び排出口と、スタック支持板３ａ及び３ｂとの間は、距離変化を吸収できる伸縮自在管４で連結されている。
【００２０】
燃料電池スタック１へは、燃料ガス供給口７、伸縮自在管４を通って燃料ガスが送り込まれ、酸化剤ガス供給口９、伸縮自在管４を通って酸化剤ガスが送り込まれ、電池内部での電気化学的反応により燃料ガスの持つ化学結合のエネルギが電気エネルギに変換される。電気化学的反応に携わらなかった余剰の燃料ガスは燃料電池スタック１から伸縮自在管４、燃料ガス排出口８を通って排出され、また余剰の酸化剤ガスも伸縮自在管４、酸化剤ガス排出口１０を通って排出される。
【００２１】
さらに上記の電池内部の電気化学的反応の際に発生する熱を電池外に除去する目的で、冷却水供給口１１、伸縮自在管４を通して冷却水が燃料電池スタック１に供給され、電池内の熱を奪った後、伸縮自在管４、冷却水排出口１２を通って排出される。
【００２２】
圧電素子デバイス５は、圧電素子駆動回路１４からの駆動信号に従って駆動される。駆動回路１４へは高電圧電源１５から駆動電力が、コントロールユニット１３からは圧電素子デバイス５の制御信号が入力される構成になっている。
【００２３】
図２は、第１実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池スタックの動きを説明する図であり、図３は、本発明の第１実施形態の燃料電池システムにおける圧電素子デバイスの変位と圧電素子への印加電圧との関係を説明する図である。
【００２４】
圧電素子に電圧を印加することで素子の変位を変える場合、一般的には図３のように電圧上昇時と下降時とで印加電圧に対する変位量が異なるという特性をもっている。このため、変位を正確に制御する必要があるときには、単なる印加電圧値だけなく電圧変化の履歴も把握しておかねばならない。しかし、図２のように単に圧電素子の変位Δｙ＝ｙ１−ｙ０の振幅で燃料電池スタック１に振動を与えるだけで十分な場合は、電圧変化履歴を気にする必要はない。
【００２５】
圧電素子の変位がｙ１の状態で印加電圧を急に遮断した場合には、圧電素子が元の変位ｙ０に戻る際に圧電素子から逆に電荷を発生するので、これをなんらかの方法で回収して次に電圧を印加する時の補助として使えば、外部から供給する電力の節約も可能である。
【００２６】
上記の反応生成水や加湿ガスの凝縮水などが、アノード電極１２９やカソード電極１３０の極板上に付着し、極板を覆う面積が大きくなる水詰まり状態では、上述の電気化学反応を阻害することになり、発電効率の低下を招く。
【００２７】
本実施形態の構成であれば、コントロールユニット１３からの制御信号を変化させることで圧電素子デバイス５の変位を制御することができ、つまり燃料電池スタック１にスタック内部の圧縮応力を一定に保ったまま振動を与えることが可能となる。この振動によりスタック内部の余分な水を電池外に効率よく排出することができ、結果として燃料電池システムの耐久性、信頼性を高めることが可能となる。
【００２８】
さらにスタック内部の圧縮応力を一定に保ったままであるから、ガス通路内を流れるガスのうちが電極に到達することなくそのまま排出側に素通りしてしまうことも無く、燃料の利用率低下も無く、燃費を悪化させずに水つまりを解消できる。
【００２９】
〔第２実施形態〕
図４は、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の要部断面図であり、上述の第１実施形態の燃料電池システムに対して異なる部分のみの説明図である。
【００３０】
本実施形態における圧電素子デバイスは、電圧印加によって生じる圧電体の変位を液圧あるいは機械的機構を利用して増幅する変位増幅機構を内蔵したものである点が第１実施形態と異なる。その他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００３１】
本実施形態における圧電素子デバイスは、スタック支持板３ａに固定された圧電素子本体５ａ、燃料電池スタック１に固定されたピストン５ｂ、一端をスタック支持板３ａに固定されもう一端をピストン５ｂに固定された戻りばね５ｃ、液体容器５ｅの密閉された空間内に圧力伝達液体５ｄが満たされ、圧力伝達液体５ｄは圧電素子本体５ａとピストン５ｂの両方に接するような構造になっている。
【００３２】
また、スタック支持板３ａには固定ガイド５ｆ、ピストン５ｂには可動ガイド５ｇがそれぞれ固定され、固定ガイド５ｆに対して可動ガイド５ｇが図中左右に滑動可能となっている。
【００３３】
さらに圧力伝達液体５ｄが圧電素子本体５ａと接する部分の面積より、ピストン５ｂと接する部分の面積のほうが小さくなっており、かつピストン５ｂは圧力伝達液体５ｄが外部に漏れない状態のまま左右移動できる構成になっており、上記以外は前述の第１実施形態と同じである。
【００３４】
図５は、第２実施形態の燃料電池システムにおける変位拡大機構の動作を説明する図である。
【００３５】
駆動回路からの駆動信号を受けて圧電素子本体５ａが図の右方向へｕ０の変位を生じたとき、圧電素子本体５ａ、ピストン５ｂと圧力伝達液体５ｄが接する面積をそれぞれＡ０、Ａ１（＜Ａ０）とすると、ピストン５ｂの変位はｕ１（＞ｕ０）となる。特に、圧力伝達液体５ｄが非圧縮性液体、または圧力による圧縮が無視できる液体とし、圧電素子本体５ａの変位による液体容器５ｅの変形が無視できるとすれば、ｕ１は、次の式（１）で示され、変位の拡大率は、（Ａ０／Ａ１）となる。
【００３６】
【数１】
ｕ１＝（Ａ０／Ａ１）ｕ０　　　　　…（１）
このように、圧電素子本体５ａの変位ｕ０がピストン５ｂの変位ｕ１として拡大されるとともに、戻りばね５ｃに変位ｕ１分のエネルギが蓄積される。圧電素子本体５ａの変位が再びゼロに戻ると、上述の戻りばね５ｃに蓄えられたエネルギを使ってピストン５ｂは元の位置に戻される。以上の動作を繰り返すことによって、拡大された振幅で燃料電池スタック１を振動させることができる。
【００３７】
本実施形態の構成であれば、圧電素子本体５ａのみの発生変位が小さい場合でも、燃料電池スタック１に与える振動の振幅を大きくとることができ、水の電池外への排出性能がさらに高まることになり、燃料電池システムの運転性、安定性の向上が期待できる。
【００３８】
〔第３実施形態〕
図６は、本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態の概略構成図である。
【００３９】
本実施形態では、燃料電池スタック１内の電気化学的反応で発生した高電圧の電力を、それを利用すべく設置されたモーターやヒーター等の負荷装置１６に送りつつ、その一部を圧電素子駆動回路１４に供給可能な構成となっており、上記以外は前述の第１実施形態、あるいは第２実施形態と同じである。
【００４０】
本実施形態の構成であれば、圧電素子の駆動に必要な高電圧の電源、あるいは昇圧装置を独立して新たに設ける必要がなくなり、燃料電池システムの構成を簡素化することができ、重量面、コスト面、メンテナンスのしやすさの面で有利となる。
【００４１】
図７は、第１〜３実施形態における圧電素子デバイスの動きを制御するためのフローチャートである。
【００４２】
ステップＳ１１で燃料電池システムの各部からの燃料電池スタック内部の水詰まり状態に関係する信号を読み込み、水詰まり状態を表す信号値を算出し、ステップＳ１２で前のステップで得られた水詰まり状態信号値が、その許容される上限のしきい値に達しているか、つまり水詰まりを解消する必要性があるかを判定する。
【００４３】
水詰まり状態の検出は、具体的にはスタックの発電電圧を測定し、所望の電圧に達していない場合を水つまりと判定できる。より精度良く検出するには各セル、あるいは数枚のセル群毎に電圧検出を出来るようにしておき、電圧のばらつきから判定することも出来る。その他様々な水詰まり検出手段が公知であるがいずれの方法を用いても良い。
【００４４】
水詰まり状態信号値がしきい値に達していない場合は、水詰まりについては問題なしと判断してステップＳ１１に戻されるが、しきい値に達していた場合は、ステップＳ１３に移って、コントロールユニットから圧電素子駆動回路に駆動開始の制御信号が送られ、次に駆動回路から圧電素子デバイスに駆動信号が送られ始めることで圧電デバイスが燃料電池スタックを振動し始める。
【００４５】
続いてステップＳ１４にて、水詰まり状態信号値が正常値に戻ったか、つまり水詰まりが解消されたかを判定し、まだ正常値になっていない場合は正常値になるまでステップＳ１４をループする。正常値に戻ったと判定された場合にはステップＳ１５に移ってコントロールユニットから圧電素子駆動回路への駆動停止の制御信号が送られ、次に駆動回路から圧電素子デバイスに駆動信号の送信を停止することで燃料電池スタックの振動を停止して制御を終了する。
【００４６】
上述の制御方法と前述までの構成であれば、電池内部の余分な水を排出する必要があると判定された時のみ圧電素子デバイスへ駆動電力を供給することができるので、電力の無駄を省くことで燃料電池システム全体の電力収支を良好とすることができる。
【００４７】
〔第４実施形態〕
図８は、本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態を説明する概略構成図である。本実施形態では、燃料ガス供給溝２２、酸化剤ガス供給溝２１、固体電解質膜２３を一組とする燃料電池単位セルを複数枚積層することで燃料電池スタック１を構成するにあたって、燃料ガス供給溝２２内を燃料ガスが流れる方向と、酸化剤ガス供給溝２１内を酸化剤ガスが流れる方向とを重力の作用する方向に対してほぼ平行になるように設置し、上述の各単位セルへは燃料ガス供給マニホールド１８から燃料ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド１７から酸化剤ガスが供給されるとともに、各単位セルで消費できなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス排出マニホールド２０に集められ、余剰の酸化剤ガスは酸化剤ガス排出マニホールド１９に集められる構造になっており、上記以外は前述までの第１〜第３実施形態のいずれかと同じである。
【００４８】
本実施形態では、圧電素子デバイスを駆動することにより発生する燃料電池スタック全体の振動によって、単位セルを構成する燃料ガス供給溝２２内、または酸化剤ガス供給溝２１内のそれぞれの電極部から引き離された液水が、重力の作用によってスムースに各排出マニホールドに集められた後、電池外に押し出すことが可能となる。これにより電池内の水を除去する性能がさらに高まるため、燃料電池システムの運転性のさらなる改善がされる。
【００４９】
〔第５実施形態〕
尚、以上説明した第１〜第４実施形態においては、燃料電池スタックを一つとしたが、燃料電池スタックを複数備える燃料電池システムの場合、加振手段は、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとを互いに逆位相に加振するように構成する。
【００５０】
この場合、加振手段は、第１の燃料電池スタックを加振する第１の加振手段と、第２の燃料電池スタックを加振する第２の加振手段とを設け、第１、第２の加振手段を互いに逆位相に駆動してもよいし、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとを一つの加振手段を挟むように配置し、一つの加振手段により第１、第２の燃料電池スタックを互いに逆方向に変位させることにより、逆位相の駆動を生じてもよい。
【００５１】
これにより、燃料電池スタックの加振によりスタック支持板側が受ける反作用が互いに打ち消されて、燃料電池スタックを固定するフレーム等に与える振動／騒音が小さくなり、特に車載用の燃料電池システムに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を説明する概略構成図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池スタックの加振手段による動きを説明する図である。
【図３】第１実施形態における圧電素子デバイスの印加電圧と変位との関係を示す図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を説明する概略構成図である。
【図５】第２実施形態における変位拡大機構の動作説明図である。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態を説明する概略構成図である。
【図７】第１乃至第３実施形態におけるコントロールユニットによる圧電素子デバイスの制御フローチャートである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態の要部を説明する断面図である。
【図９】本発明に係る燃料電池システムに用いる固体高分子電解質型燃料電池の単位セルの模式断面図である。
【符号の説明】
１　燃料電池スタック
２　スタック固定具
３ａ　スタック支持板
３ｂ　スタック支持板
４　伸縮自在管
５　圧電素子デバイス
６　スライドガイド
７　燃料ガス供給口
８　燃料ガス排出口
９　酸化剤ガス供給口
１０　酸化剤ガス排出口
１１　冷却水供給口
１２　冷却水排出口
１３　コントロールユニット
１４　圧電素子駆動回路
１５　高電圧電源
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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