(57)【要約】【課題】本発明は、燃料電池の運転状態が変化した場合に最適な発電効率を得ることのできる燃料電池及び該燃料電池を用いた車両の提供を目的とする。【解決手段】本発明は、発電部に振動を付加する振動付加手段を備える燃料電池において、燃料電池の運転状態に基づいて振動の付加状態を変更することを特徴とする燃料電池を提供することにより、前記目的を達成したものである。また、本発明は、前記燃料電池を備えることを特徴とする車両を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電部に振動を付加する振動付加手段を備える燃料電池において、
燃料電池の運転状態に基づいて振動の付加状態を変更することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記振動付加手段が、音波、超音波、機械的振動、電波及び電磁波からなる群より選択される一以上を用いた手段である、請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記運転状態が、燃料電池のガス圧、流量、流速、温度、発電量のうち少なくとも一つである、請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記振動の付加状態は、振動の周波数、振幅のうち少なくとも一方により設定される、請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の燃料電池を備えることを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電部に振動を付加することで最適な発電効率を得ることのできる燃料電池及び該燃料電池を用いた車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発電効率等の性能を向上させた燃料電池が種々利用されているが、燃料電池の燃料ガス（水素ガス）、酸化ガス（空気ガス）が流通する供給ガス通路には必然的に水が発生し、この水が供給ガスに悪影響を与え、発電効率の低下を招いていた。そこで、近年、発電部に振動を付加することにより、発電効率を向上させた燃料電池の開発が進められている。
【０００３】
例えば、特開２００２−３０５０１８号公報では、電池の触媒層近傍からの水の排除を促進し、長期間の運転時や大電流の電池出力時における電極層の過剰な水濡れに起因する電池性能の低下を防止することを目的とした固体高分子型燃料電池が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
この燃料電池は、一対の電極層からなる接合体と、前記電極層にガスを供給するためのガス供給流路および前記電極層からガスを排出するためのガス排出流路を備えた導電性のセパレータが交互に積層して配された発電部、並びに前記発電部に振動を付加する振動付加手段を具備するものである。
【０００５】
そして、該公報には、この燃料電池が振動付加手段によって、生成水や結露水等の水分除去、水分付着抑制することが開示されている。しかし、このような燃料電池では、要求電力が幅広く、頻繁に変化する場合、燃料電池のガス圧、流量、流速、温度、発電量等の各運転状態に応じた最適な発電効率を得ることが困難といった問題がある。
【０００６】
この従来の技術では、付加される振動が燃料電池の運転状態（ガス圧、流量、流速、温度、発電量等）に対して固定であったため、燃料電池の全ての運転状態に対応できない。
【特許文献１】特開２００２−３０５０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的は、燃料電池の運転状態が変化した場合に最適な発電効率を得ることのできる燃料電池を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、燃料電池の運転状態が変化した場合に最適な発電効率を有する車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、（１）発電部に振動を付加する振動付加手段を備える燃料電池において、
燃料電池の運転状態に基づいて振動の付加状態を変更することを特徴とする燃料電池を提供することにより、前記目的を達成したものである。
【００１０】
かかる構成からなる本発明によれば、燃料電池の運転状態が変化した場合に最適な発電効率を得ることができる。ここで、運転状態とは、ガス圧、流量、流速、温度、発電量等を含む。
【００１１】
また、本発明は、（２）前記振動付加手段が、音波、超音波、機械的振動、電波及び電磁波からなる群より選択される一以上を用いた手段である、１記載の燃料電池：（３）前記運転状態が、燃料電池のガス圧、流量、流速、温度、発電量のうち少なくとも一つである、１又は２記載の燃料電池：（４）前記振動の付加状態は、振動の周波数、振幅のうち少なくとも一方により設定される、１〜３の何れかに記載の燃料電池：をそれぞれ提供するものである。これらの発明によれば、燃料電池の運転状態が変化した場合に最適な発電効率を一層容易に得ることができる。
【００１２】
また、本発明は、（５）１〜４の何れかに記載の燃料電池を備えることを特徴とする車両を提供するものである。
【００１３】
この本発明によれば、燃料電池の運転状態が変化した場合に最適な発電効率を有する車両を提供することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池の運転状態が変化した場合に最適な発電効率を得ることのできる燃料電池、並びに燃料電池の運転状態が変化した場合に最適な発電効率を有する車両を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の最良の実施形態としての実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、斯かる実施例により何等制限されるものではない。
【００１６】
本発明の燃料電池についての一例を挙げて、その作用を説明する。図１は、本発明に係る燃料電池の運転状態に基づいて振動の付加状態を変更する一例を示す概略断面図である。図１に示すように、この燃料電池は、発電部（セル）としてＭＥＡ６と、該ＭＥＡ６にそれぞれ隣接する供給ガス流路１４としての、燃料ガス流路及び酸化ガス流路が設けられた複数のセパレータ２とから構成される。セパレータ２における燃料ガス流路及び酸化ガス流路１４，１４には、それぞれ燃料ガス（水素ガス）及び酸化ガス（空気ガス）とともに生成水が存在する。
【００１７】
そして、燃料電池の各運転状態に応じた最適振動を、直接的又は間接的に燃料電池（燃料ガス、酸化ガス及び生成水）へ付加すると、燃料ガス、酸化ガス及び生成水のうち少なくとも一つに変化が起こる。即ち、燃料ガス流路１４中の水素ガス及び酸化ガス流路１４中の空気ガスに振動を付加すると、図２に示すように、水素ガス及び空気ガスの拡散が起こり、また図３に示すように、滞留している生成水の霧化が起こる。尚、図２及び図３は、図１の○印部を拡大して示すもので、振動を付加した際に滞留する生成水が霧化する状態を示す模式的な説明図である。
【００１８】
この燃料ガス、酸化ガス、生成水への振動の付加により、供給ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の拡散性が向上し、供給ガスを構成する分子のＭＥＡ６への衝突回数が増大する。これにより、発電部への供給ガスの到達が促進され、供給ガス利用率が最大化する。また、流路１４内の生成水への振動付加により、水の内圧と表面張力のバランスが崩れ、水が微粒子化する。これにより、ＭＥＡ６表面の水形態が変化し、水のバリヤ効果が薄れ、供給ガスを構成する分子のＭＥＡ６への衝突が向上する。この作用は、セパレータ２のガス流路１４内に生成水或いは加湿水が存在するため、水と供給ガスとの二相流を形成することに起因すると推察される。二相流の形態は、振動付加前ではフロス流或いはスラグ流の形態にあり、振動付加後にはミスト流或いはアニューラーミスト流の形態となると推測される。
【００１９】
また、水素ガス（Ｈ2）、空気ガス（Ｏ2）、及び生成水（Ｈ2Ｏ）はそれぞれ異なる固有の振動数を有しているため、各運転状態での最適振動としてこれら固有の各振動数に応じて変化させた振動を付与することが好ましい。その他、Ｈ2、Ｏ2、Ｈ2Ｏの３つのうちの代表の固有振動数に合わせて振動してもよい。また、３つの各固有振動数に合わせて別々に振動を付加してもよい。
【００２０】
振動付加の対象としては、例えば、燃料電池スタック全体であってもよく、また特定の部分、例えば滞留水が多く含まれる部分を中心とした箇所であってもよい。その一例として、ガス出口側のスタック領域であってもよい。また、特定の部分としては、各セルのセパレータに形成されたガス流路内等であってもよい。
【００２１】
このように、本発明の燃料電池はその運転状態に基づいて振動の付加状態を変更する手段を設けたため、発電部への供給ガスの到達促進のために他の手段、例えば圧力、温度を上げる手段を設けた場合の大きなコンプレッサやヒータの必要性、供給ガスの疎化からの発電効率の悪化といった問題を解決することが可能となる。
【実施例１】
【００２２】
実施例１の燃料電池の全体構成を図４に示す。図４に示すように、実施例１の燃料電池１００は、セパレータ２が複数積層されてなる燃料電池スタック１と、発電部としてのスタック１に振動を付加する振動付加装置３と、該振動付加装置３を制御するための制御装置４と、を備えている。また、制御装置４は、燃料電池１００外部のＰＣＵ（Power Control Unit）からの、ガス圧、流量、流速、温度、発電量等の運転状態の情報を元に、その運転状態の最適振動を設定する。この最適振動は、振動の周波数や振幅を調整することによって得られる。ここで、振動付加装置３としては、圧電素子又は超音波発生素子等を備える装置が例示される。
【００２３】
かかる構成により、燃料電池の運転状態が変化した場合に最適な発電効率を得ることを可能としたものである。即ち、燃料電池の運転状態を、ＰＣＵによりガス圧、流量、流速、温度、発電量等から把握し、その運転状態の最適振動を周波数及び振幅として設定する。これを受けて、制御装置４は、振動付加装置３に対して、設定した当該周波数及び振幅で以ってスタック１に振動を付与するように制御する。振動付加装置３は、燃料電池の運転条件（ガス圧、流量、流速、温度、発電量等）とは独立しているため、各運転状態に最適な振動（周波数、振幅）の制御が可能である。また、小型化、省電力化の観点からは、ガス圧ができるだけ低くなるように運転し、その背反として低下するガス拡散性を振動付加で補うことが好ましい。
【００２４】
実施例１の燃料電池１００における燃料電池スタック１中のセパレータ２の平面図を図５に示す。振動付加装置３は、各セパレータ２に対して最低限、図５に破線で示す振動付加範囲５の範囲内に対して振動を付加すればよい。
【００２５】
また、図６は、図５に示すセパレータ２のＡ−Ａ方向断面図である。図６に示すように、セパレータ２における酸化ガス流路１４中の空気（Ｏ2等の空気分子）７及び燃料ガス流路１４中の水素（Ｈ2である水素分子）８それぞれの周囲には滞留水９が存在している。そして、振動付加装置３は、図５の振動付加範囲５の範囲内に、制御装置４からの信号による所望の周波数及び振幅の振動１０を付与する。
【００２６】
また、ＭＥＡ６表面と燃料ガス（空気、水素）との間に水が存在する場合、水がバリヤとして機能し、燃料ガスがＭＥＡ６へ到達することができず、発電に寄与する燃料ガス量が不十分となり、延いては燃料電池の発電効率が低下する。
【００２７】
これにより、滞留水９のバリヤ機能を排除し、供給ガス（空気分子７、水素分子８）を十分にＭＥＡ６へ到達させて、発電に寄与する燃料ガス量を十分な量とし（最大化させることができ）、燃料電池の発電効率を向上させることができる。この作用は、供給ガス（具体的には、空気分子７及び水素分子８の供給ガス分子）及び生成水（滞留水９）に、燃料電池の運転状態に応じた所望の振動が付加され、燃料ガス及び酸化ガスの拡散性が向上し、供給ガス分子のＭＥＡ６への衝突回数が向上する（最大化する）こと、並びに生成水による燃料ガス分子のＭＥＡ６への衝突阻害が抑制される（最小化する）ことに起因するものと推察される。
【００２８】
振動付加装置３により発電部としてのセルに与えられる振動１０は、音波、超音波、機械的振動、電波及び電磁波からなる群より選択される一以上を用いて発生させることが好適である。
【００２９】
図７及び図８は、図６に示すセパレータ２におけるＢ部の拡大図である。図７は、振動を付加した状態を示し、図８は振動を付加していない状態を示す。
【００３０】
本発明に係る振動の付加状態にするため、セパレータ２に対して振動１０が付加されたときには、図７に示すように、ミスト状に滞留水１３が分散され、酸素分子１１と水素分子１２がＭＥＡ６に衝突する回数は増加する。
【００３１】
尚、セパレータ２に対して振動１０が付加されない場合には、図８に示すように、滞留水９がバリヤとなり、酸素分子１１と水素分子１２のＭＥＡ６への衝突をブロックする。
【００３２】
以上、本発明の好ましい実施例に基づいて本発明を詳述したが、本発明はかかる実施例に限られず、その他の実施例に適宜変更できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、燃料電池の運転状態が変化した場合に最適な発電効率を得ることのできる燃料電池、並びに燃料電池の運転状態が変化した場合に最適な発電効率を有する車両として、産業上利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本発明に係る燃料電池の運転状態に基づいて振動の付加状態を変更する一例を示す概略断面図である。
【図２】図２は、振動を付加した際の供給ガスの状態を示す模式的な説明図である。
【図３】図３は、振動を付加した際の生成水の状態を示す模式的な説明図である。
【図４】図４は、実施例１の燃料電池を示す全体構成図である。
【図５】図５は、実施例１の燃料電池におけるセパレータの平面図である。
【図６】図６は、図５に示すセパレータのＡ−Ａ方向断面図である。
【図７】図７は、図６に示すセパレータにおけるＢ部の拡大図であって、振動を付加したときの状態を示す。
【図８】図８は、図６に示すセパレータにおけるＢ部の拡大図であって、振動を付加していない状態を示す。
【符号の説明】
【００３５】
１００…燃料電池、１・・・燃料電池スタック、２・・・セパレータ、３・・・振動付加装置、４・・・制御装置、５・・・振動付加範囲、６・・・ＭＥＡ、７・・・空気分子、８・・・水素分子、９・・・滞留水、１０・・・振動、１１…酸素分子、１２…水素分子、１３…滞留水（ミスト状）、１４…供給ガス流路
【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】
2005183082.tif 000008
【図７】
2005183082.tif 000009
【図８】
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