(57)【要約】【課題】  燃料ガス系の構成を単純化できる燃料電池の提供。【解決手段】  電解質膜と該電解質膜の一面に設けられた燃料ガスが供給されるアノードと該電解質膜の他面に設けられた酸化剤ガスが供給されるカソードとからなるＭＥＡ１４と、該ＭＥＡの両側面にそれぞれ設けられたガス透過性のセパレータ１５、１６とを有する、可動のＭＥＡ−セパレータアッセンブリ１７と、ＭＥＡのアノード側に設けられた固定の燃料ガス室１８、および前記ＭＥＡのカソード側に設けられた固定の酸化剤ガス室１９と、ＭＥＡ−セパレータアッセンブリ１７を燃料ガス室１８に対して移動させる移動装置４０と、を備えた燃料電池１０。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と該電解質膜の一面に設けられた燃料ガスが供給されるアノードと該電解質膜の他面に設けられた酸化剤ガスが供給されるカソードとからなるＭＥＡと、該ＭＥＡの両側面にそれぞれ設けられたガス透過性のＭＥＡ支持部材とを有する、可動のＭＥＡアッセンブリと、
前記ＭＥＡのアノード側に設けられた固定の燃料ガス室、および前記ＭＥＡのカソード側に設けられた固定の酸化剤ガス室と、
前記ＭＥＡアッセンブリを前記燃料ガス室に対して移動させる移動装置と、
を備えた燃料電池。
【請求項２】
前記ＭＥＡアッセンブリの前記燃料ガス室との接触部分と、前記ＭＥＡアッセンブリの前記燃料ガス室との非接触部分との間の燃料ガスの流通を遮断する遮断部材を備えている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ＭＥＡアッセンブリが前記燃料ガス室に対して回転可能である請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記移動装置は、前記ＭＥＡアッセンブリの回転速度を変えることができる装置からなる請求項１または請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ＭＥＡアッセンブリが前記燃料ガス室に対して出没可能である請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
前記移動装置は、燃料電池の要求電力に応じて前記ＭＥＡアッセンブリの前記燃料ガス室への出没量を変える装置からなる請求項１または請求項５記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電部位を可動とした燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池は、発電部位が固定で、かつ発電部位の面積が一定であり、そこへ外部マニホールドあるいは内部マニホールドを経由したガスを流す構成をとっていた。そして、通常、燃料ガスを高ストイキメトリーで供給し、かつ、供給過剰であった燃料ガスを再度循環させていた。
たとえば特開２００３−６８３３４号公報に示すように、燃料ガスである水素ガスを高圧タンクからレギュレータ弁を介してＦＣ（Fuel Cell 、燃料電池のこと) に供給し、ＦＣで未消費の水素ガスを循環通路のポンプにより、再度、ＦＣへ供給していた。
【特許文献１】特開２００３−６８３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の燃料電池には、燃料ガスの供給系にガス通路、再循環系、制御弁等が存在するため、燃料ガスの供給系の構成が複雑になるという問題があった。
また、使用される発電部位が不変のため、寿命が比較的短いという問題もあった。
【０００４】
本発明の目的は、燃料ガス系の構成を単純化できる燃料電池を提供することにある。
【０００５】
本発明のもう一つの目的は、燃料ガス系の構成を単純化できるとともに、使用する発電部位を可変として燃料電池の耐久性を向上させることができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  電解質膜と該電解質膜の一面に設けられた燃料ガスが供給されるアノードと該電解質膜の他面に設けられた酸化剤ガスが供給されるカソードとからなるＭＥＡと、該ＭＥＡの両側面にそれぞれ設けられたガス透過性のＭＥＡ支持部材（「セパレータ」ともいう）とを有する、可動のＭＥＡアッセンブリ（「ＭＥＡ−セパレータアッセンブリ」ともいう）と、
前記ＭＥＡのアノード側に設けられた固定の燃料ガス室、および前記ＭＥＡのカソード側に設けられた固定の酸化剤ガス室と、
前記ＭＥＡアッセンブリを前記燃料ガス室に対して移動させる移動装置と、を備えた燃料電池。
移動装置は、ＭＥＡアッセンブリのアノード側が燃料ガス室内に接触する面積を燃料電池の要求電力に応じて可変（増減）するようにＭＥＡを移動させる装置である。接触面積を要求電力に応じて可変するので、燃料ガス供給系の構成を簡素化することが可能となる。
（２）  前記ＭＥＡアッセンブリの前記燃料ガス室との接触部分と、前記ＭＥＡアッセンブリの前記燃料ガス室との非接触部分との間の燃料ガスの流通を遮断する遮断部材を備えている（１）記載の燃料電池。
（３）  前記ＭＥＡアッセンブリが、前記燃料ガス室に対して回転可能である（１）記載の燃料電池。
ＭＥＡアッセンブリは、燃料ガス室に対して回転軸を有した状態で配置され、回転軸で回転可能に構成されており、回転によってアノード側と燃料ガス室の接触部分を可変させる。好ましくは、ＭＥＡアッセンブリが円筒形状で、円筒の外表面がアノードで、その内側に電解質膜があり、その内側がカソードで、カソード内部は酸化剤ガスの流路が形成されている。
（４）  前記移動装置は、前記ＭＥＡアッセンブリの回転速度を変えることができる装置からなる（１）または（３）記載の燃料電池。
回転速度を変えることで、単位時間あたりのアノードと燃料ガス室の接触面積を増減することができる。
（５）  前記ＭＥＡアッセンブリが、前記燃料ガス室に対して出没可能である（１）記載の燃料電池。出没は、たとえば直線往復動である。
（６）  前記移動装置は、燃料電池の要求電力に応じて前記ＭＥＡアッセンブリの前記燃料ガス室への出没量を変える装置からなる（１）または（５）記載の燃料電池。出没量を変えるため、移動量が変わり、その結果、接触面積が変わる。
【発明の効果】
【０００７】
上記（１）の燃料電池によれば、ＭＥＡアッセンブリが可動であるため、従来の燃料ガスを固定の発電部位に流す思想から、ＭＥＡアッセンブリを燃料ガス室に移動させて燃料ガスをとりに行く思想に変えることができ、これによって、従来の燃料電池において必要であった、燃料ガスの過剰供給、燃料ガスの供給系、再循環系、制御弁等を不要とすることができ、燃料ガス系の構成を単純化することができる。また、移動装置によりＭＥＡアッセンブリを燃料ガス室に対して移動させることにより、発電部位を可変とすることができ、これによって一定の発電部位を使用していた従来に比べて、燃料電池の寿命を延ばすことができる。
上記（２）の燃料電池によれば、燃料ガスの流通を遮断する遮断部材を備えているので、運転停止時などにおける、燃料ガス室からの燃料ガスのリークを抑えることができる。
上記（３）の燃料電池によれば、ＭＥＡアッセンブリが燃料ガス室に対して回転可能であるので、ＭＥＡアッセンブリを回転させて発電部位を変えることにより、一定の発電部位を使用していた従来に比べて、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
上記（４）の燃料電池によれば、移動装置がＭＥＡアッセンブリの回転速度を変えることができる装置からなるので、回転速度を変えることにより、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
上記（５）の燃料電池によれば、ＭＥＡアッセンブリが燃料ガス室に出没可能であるので、要求出力に応じて、ＭＥＡアッセンブリを燃料ガス室に出没させて燃料ガス室との接触面積を変えることにより、燃料電池出力を変えることができる。
上記（６）の燃料電池によれば、移動装置が燃料電池の要求電力に応じてＭＥＡアッセンブリの燃料ガス室への出没量を変える装置からなるので、燃料電池の要求電力に応じて出没量を増加させることにより、燃料電池の要求電力に対応できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の燃料電池を図１−図９を参照して説明する。
図１〜図４は本発明の実施例１を示し、図５、図６は本発明の実施例２を示し、図７〜図９は本発明の実施例３を示す。本発明の全実施例に共通する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
【０００９】
まず、本発明の全実施例に共通する部分を、図１〜図４を参照して説明する。
本発明の燃料電池１０は、低温型燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【００１０】
燃料電池１０は、図１〜図４に示すように、
（イ）電解質膜１１と電解質膜１１の一面に設けられた燃料ガス（たとえば、水素）が供給されるアノード１２と電解質膜１１の他面に設けられた酸化剤ガス（たとえば、エア）が供給されるカソード１３とからなるＭＥＡ１４と、ＭＥＡ１４の両側面にそれぞれ設けられたガス透過性のＭＥＡ支持部材１５、１６とを有する、可動のＭＥＡアッセンブリ１７と、
（ロ）ＭＥＡ１４のアノード１２側に設けられた固定の燃料ガス室１８、およびＭＥＡ１４のカソード１３側に設けられた固定の酸化剤ガス室１９と、
（ハ）ＭＥＡアッセンブリ１７を燃料ガス室１８に対して移動させる移動装置４０と、
を備えている。
酸化剤ガス室１９は、特定の容器内の室であってもよいし、単に大気開放の構造であってもよい。
ＭＥＡアッセンブリ１７は、従来の多層積層型のスタック構造と異なり、１層である。
【００１１】
ＭＥＡ支持部材１５、１６は、ガス透過性を有するように、たとえばメッシュ部材（たとえば、金メッシュ）、または多数の貫通小孔をもつ孔あき板からなる。ＭＥＡ支持部材１５、１６は、金属材、またはカーボンなどからなる。
ＭＥＡ支持部材１５、１６には、それぞれ、スリップリング２０、２１が接触し、ＭＥＡアッセンブリ１７と外部回路２２との間を通電し、電気（電子）の取り出しを行う。
【００１２】
ＭＥＡアッセンブリ１７はアノード１２の一部の領域のみが燃料ガス室１８と接触し、かつ、燃料ガス室１８と接触する部分の領域の面積が可変となるように、燃料ガス室１８に対して可動である。ＭＥＡアッセンブリ１７の燃料ガス室１８と接触する部分は発電部２３を構成する。ＭＥＡアッセンブリ１７の燃料ガス室１８と接触しない部分は非発電部２４であり、非発電部２４のアノード側は不活性ガス（たとえば窒素）室２５に接触する。ＭＥＡアッセンブリ１７のカソード１３側は、発電部２１も非発電部２２も、酸化剤ガス室１９に接触する。
燃料電池１０は、さらに、ＭＥＡアッセンブリ１７の燃料ガス室１８との接触部分（発電部）２３と、ＭＥＡアッセンブリ１７の燃料ガス室１８との非接触部分２４（非発電部または発電抑制部）との間の燃料ガスの流通を遮断する遮断部材２６を備えている。遮断部材２６は、たとえば円柱棒型ガイドコロからなる。
【００１３】
発電部２３では、アノード１２側で、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード１３側で酸素と水素イオンおよび電子（アノードで生成した電子が外部回路を通してくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
【００１４】
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
酸化剤ガス室１９には、エア源２７からのエアが加湿器２８、弁２９を介して供給され、酸化剤ガス室１９で一部が発電で消費された後、大気に排気される。
酸化剤ガス室１９の内側は冷却水通路３０となっており、そこに冷却水タンク３１からの冷却水が冷却水ポンプ３２で送られて循環され、ＭＥＡアッセンブリ１７を冷却する。
移動装置４０は、ＭＥＡアッセンブリ１７を燃料ガス室１８に対して移動させるアクチュエータ４１（たとえば、モータ）を有する。
【００１５】
上記の本発明の全実施例に共通する部分の作用を説明する。
まず、ＭＥＡアッセンブリ１７が可動であるため、従来の燃料ガスを固定の発電部位に流す思想から、ＭＥＡアッセンブリ１７を燃料ガス室１８に移動させて燃料ガスをとりに行く思想に変えることができ、これによって、従来の燃料電池において必要であった、燃料ガスの過剰供給、燃料ガスの供給系、再循環系、制御弁等を不要とすることができ、燃料ガス系の構成を単純化することができる。
また、移動装置４０によりＭＥＡアッセンブリ１７を燃料ガス室１８に対して移動させることにより、発電部２３（ＭＥＡアッセンブリ１７のうち発電する部位）を可変とすることができ、これによって一定かつ不変の発電部位を使用していた従来型燃料電池に比べて、燃料電池１０の耐久性を改善でき、燃料電池１０の寿命を延ばすことができる。ＭＥＡアッセンブリ１７の使用部位が変化することによって耐久性を改善できる理由は、使用部位が損傷しても損傷部位以外の部位が使用できること、および時間的に連続的に使用するよりも間欠的に使用する方が損傷しにくいためである。
【００１６】
また、燃料ガス室１８から不活性ガス室２５への燃料ガスの流通を遮断する遮断部材２６を備えているので、運転停止時などにおける、燃料ガス室１８から不活性ガス室２５への燃料ガスのリークを抑えることができる。
【００１７】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を説明する。
〔実施例１〕
本発明の実施例１では、図１〜図４に示すように、ＭＥＡアッセンブリ１７は中空円筒状をしており、中空円筒の軸芯まわりに回転可能である。ＭＥＡアッセンブリ１７は、固定の燃料ガス室１８に対して回転可能である。
ＭＥＡアッセンブリ１７は、電解質膜１１の外周側にアノード１２があり、電解質膜１１の内周側にカソード１３がある。ＭＥＡアッセンブリ１７の外側に燃料ガス室１８と不活性ガス室２５が位置しており、ＭＥＡアッセンブリ１７のうち燃料ガス室１８に接触する部分が発電部２３を構成しており、ＭＥＡアッセンブリ１７のうち不活性ガス室２５に接触する部分が非発電部２４を構成している。燃料ガス室１８と不活性ガス室２５とは壁で仕切られている。ＭＥＡアッセンブリ１７の内周側は酸化剤ガス室１９であり、酸化剤ガス室１９のさらに内周側が冷却水通路３０となっている。
移動装置４０は、モータ４１を有しており、モータ４１はＭＥＡアッセンブリ１７をＭＥＡアッセンブリ１７軸芯まわりに回転させる。
【００１８】
本発明の実施例１の作用については、ＭＥＡアッセンブリ１７が円筒状で回転するため、アノード１２、電解質膜１１を満遍なく使うことができ、アノード１２、電解質膜１１の一部のみを使う場合に比べて、アノード１２、電解質膜１１の耐久性を上げることができる。
【００１９】
〔実施例２〕
本発明の実施例２では、図５、図６に示すように、ＭＥＡアッセンブリ１７が車輪状に作成されており、車輪の中心軸まわりに回転可能である。
ＭＥＡ１４は、電解質膜１１と、電解質膜１１を軸方向に挟む一対のアノード１２とカソード１３とからなる。ＭＥＡ支持部材１５、１６はＭＥＡ１４を軸方向両側から挟む。
車輪状ＭＥＡアッセンブリ１７の一部を挟んで、燃料ガス室１８と酸化剤ガス室１９とが対向して、固定して設けられている。また、車輪状ＭＥＡアッセンブリ１７の一部を挟んで、スリップリング２０、２１が対向して設けられている。
移動装置４０は、モータ４１を有しており、モータ４１はＭＥＡアッセンブリ１７をＭＥＡアッセンブリ１７軸芯まわりに回転させる。ＭＥＡアッセンブリ１７の回転速度は移動装置４０の回転速度を変えることにより可変である。
【００２０】
本発明の実施例２の作用については、ＭＥＡアッセンブリ１７が車輪状で回転するため、アノード１２、電解質膜１１を満遍なく使うことができ、アノード１２、電解質膜１１の一部のみを使う場合に比べて、アノード１２、電解質膜１１の耐久性を上げることができる。
【００２１】
〔実施例３〕
本発明の実施例３では、図７〜図９に示すように、ＭＥＡアッセンブリ１７が筒状中空体に作成されており、筒状の軸芯方向に移動可能である。ＭＥＡアッセンブリ１７は回転はしない。
ＭＥＡ１４は、筒状の電解質膜１１と、電解質膜１１を内外周から挟む一対のアノード１２とカソード１３とからなる。図示例では外周側がアノード１２で、内周側がカソード１３である。ＭＥＡ支持部材１５、１６はＭＥＡ１４を内外周から挟む。
ＭＥＡアッセンブリ１７の外側に、燃料ガス室１８と不活性ガス室２５とが壁を隔てて、固定して設けられている。ＭＥＡアッセンブリ１７は燃料ガス室１８と不活性ガス室２５との両側にまたがる方向に移動可能であり、燃料ガス室１８に出没可能である。筒状  ＭＥＡアッセンブリ１７の内部は酸化剤ガス室１９である。筒状ＭＥＡアッセンブリ１７を挟んで、スリップリング２０、２１が対向して設けられている。外周側のスリップリングは鼓状、内周側のスリップリングはビヤ樽状である。
移動装置４０は、モータ４１を有しており、モータ４１はＭＥＡアッセンブリ１７をＭＥＡアッセンブリ１７の軸方向にストロークさせる。このストロークにより、ＭＥＡアッセンブリ１７の燃料ガス室１８との接触面積が変わる。
【００２２】
図８に示すように、要求電力に応じて、ＭＥＡアッセンブリ１７の燃料ガス室１８との接触面積を増やすようにする。図示例では、必要電力に応じて、ＭＥＡアッセンブリ１７の位置を上昇させる。制御は、たとえばＰＩＤ制御である。
図９は制御の一例をフローチャートで示す。ステップ１０１で要求出力信号を読み込む。ステップ１０２で、要求出力信号が高出力か低出力かを判定し、高出力であればステップ１０３に進み、ＭＥＡアッセンブリ１７を上昇させ、かつ、ＭＥＡアッセンブリ１７の燃料ガス室１８との接触面積を大とする。ステップ１０２で、要求出力信号が低出力であればステップ１０４に進み、ＭＥＡアッセンブリ１７を下降させ、かつ、ＭＥＡアッセンブリ１７の燃料ガス室１８との接触面積を小とする。その後ステップ１０１に戻り、サイクルを繰り返す。これによって、燃料電池１０は、要求主力に応じた出力を出すようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例１の燃料電池の断面図である。
【図２】本発明の実施例１の燃料電池のＭＥＡアッセンブリ１７の、図１よりも拡大した断面図である。
【図３】本発明の実施例１の燃料電池の一部の斜視図である。
【図４】本発明の実施例１の燃料電池の酸化剤ガス、冷却水の系統図である。
【図５】本発明の実施例２の燃料電池の正面図である。
【図６】本発明の実施例２の燃料電池の側面図である。
【図７】本発明の実施例３の燃料電池の断面図である。
【図８】本発明の実施例３の燃料電池の位置／燃料電池要求電力の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例３の燃料電池の出力制御のフローチャートである。
【符号の説明】
【００２４】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  アノード
１３  カドード
１４  ＭＥＡ
１５、１６  ＭＥＡ支持部材
１７  ＭＥＡアッセンブリ
１８  燃料ガス室
１９  酸化剤ガス室
２０、２１  スリップリング
２２  外部回路
２３  発電部
２４  非発電部
２５  不活性ガス室
２６  遮断部材
２７  エア源
２８  加湿器
２９  弁
３０  冷却水通路
３１  冷却水タンク
３２  冷却水ポンプ
４０  移動装置
４１  アクチュエータ（たとえば、モータ）
【図１】
2005166428.tif 000003
【図２】
2005166428.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005166428.tif 000006
【図５】
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【図６】
2005166428.tif 000008
【図７】
2005166428.tif 000009
【図８】
2005166428.tif 000010
【図９】
2005166428.tif 000011