(57)【要約】【課題】燃料電池スタック全体の発電効率を向上させることを目的とする。【解決手段】燃料電池１０であって、円柱形燃料電池スタック１００を構成するように配置された複数の発電ユニット２００と、前記円柱形燃料電池スタックを回転させる駆動部５００と、前記回転の中心１２０を、前記円柱形燃料電池スタックの中心１１０から偏心させるための偏心手段（１３０〜１６０）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
円柱形燃料電池スタックを構成するように配置された複数の発電ユニットと、
前記円柱形燃料電池スタックを回転させる駆動部と、
前記回転の中心を、前記円柱形燃料電池スタックの中心から偏心させるための偏心手段と、
を備える、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記発電ユニットを回転させずに湿度過飽和状態で発電させたときの起電力がより高い発電ユニットの方が、前記回転の中心と前記発電ユニットの距離がより短くなるように、前記発電ユニットが配置されている、燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記回転の中心の位置は、前記過飽和状態で発電させたときに最も起電力が高かった発電ユニットの回転中の起電力と、前記過飽和状態で発電させたときに最も起電力が低かった発電ユニットの回転中の起電力と、の差が最も小さくなる位置である、燃料電池。
【請求項４】
回転可能な円柱形燃料電池スタックの出力最適化方法であって、
（ａ）発電ユニットを円柱形燃料電池スタックに配置する工程と、
（ｂ）円柱形燃料電池スタックの回転の中心を前記円柱形燃料電池スタックの中心から偏心させる工程と、
（ｃ）前記円柱形燃料電池スタックを回転させる工程と、
を備える、円柱形燃料電池スタックの出力最適化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のセルを円柱の半径方向に沿って放射状に配置し、遠心力によって排水を促進する燃料電池が知られている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２０８９１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の燃料電池では、セルごとの排水性は考慮されていなかった。そのため、排水を促進すると、乾き易いセルは一層乾き易くなって電圧低下を起こし、燃料電池スタック全体としては出力低下を招いてしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、燃料電池スタック全体の発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の態様をとる。
【０００７】
本発明の第１の態様は、燃料電池であって、円柱形燃料電池スタックを構成するように配置された複数の発電ユニットと、前記円柱形燃料電池スタックを回転させる駆動部と、前記回転の中心を、前記円柱形燃料電池スタックの中心から偏心させるための偏心手段とを備える。この態様によれば、発電ユニットごとに掛かる遠心力が異ならせることが可能となるため、発電ユニットごとの排水性のバランスを取り、燃料電池スタック全体の発電効率を向上させることが可能となる。
【０００８】
本発明の第１の態様において、前記発電ユニットを回転させずに湿度過飽和状態で発電させたときの起電力がより高い発電ユニットの方が、前記回転の中心と前記発電ユニットの距離がより短くなるように、前記発電ユニットが配置されていてもよい。過飽和状態での起電力が高い発電ユニットは、低い発電ユニットより、発電ユニット中の水の量が少ないと考えられるため、遠心力の小さい位置に配置することにより、排水のバランスを取ることが可能となる。
【０００９】
本発明の第１の態様において、前記回転の中心の位置は、前記過飽和状態で発電させたときに最も起電力が高かった発電ユニットの回転中の起電力と、前記過飽和状態で発電させたときに最も起電力が低かった発電ユニットの回転中の起電力と、の差が最も小さくなる位置であってもよい。この態様によれば、各発電ユニットの起電力のバランスを取り、円柱形燃料電池スタック全体として、発電効率を向上させることが可能となる。
【００１０】
本発明の第２の態様は、回転可能な円柱形燃料電池スタックの出力最適化方法であって、（ａ）発電ユニットを円柱形燃料電池スタックに配置する工程と、（ｂ）円柱形燃料電池スタックの回転の中心を前記円柱形燃料電池スタックの中心から偏心させる工程と、（ｃ）前記円柱形燃料電池スタックを回転させる工程と、を備える。この態様に寄れば、燃料電池スタック全体の発電効率を向上させることが可能となる。  
【００１１】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、電池スタックの出力最適化方法、燃料電池のフラッディング抑制方法等様々な形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。図１（Ａ）は、全体図であり、図１（Ｂ）は、燃料電池スタック１００を上から見た平面図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、モータ５００と、燃料ガスタンク６００と、空気取り入れ部７００と、ラジエータ８００と、多ポートロータリージョイント９００とを備える。燃料電池スタック１００は、略円柱形の形状をしており、燃料電池スタック１００の上部には、図１（Ｂ）に示すように、円環状配管６４０、７４０、８４０が配置されている。モータ５００は、回転軸１２０と接続されている。この回転軸１２０は、燃料電池スタック１００の円柱の中心１１０から偏心した位置に配置されている。燃料ガスタンク６００と燃料電池スタック１００の円環状配管６４０とは、配管６２０と、多ポートロータリージョイント９００と、フレキシブル配管６３０により接続されている。空気取り入れ部７００と燃料電池スタック１００の円環状配管７４０とは、配管７２０と、多ポートロータリージョイント９００と、フレキシブル配管７３０により接続されており、配管７２０上には、空気を圧縮するためのコンプレッサ７１０が配置されている。ラジエータ８００と燃料電池スタック１００の円環状配管８４０とは、配管８２０と、多ポートロータリージョイント９００と、フレキシブル配管８３０により接続されており、配管８２０上には、冷媒を燃料電池スタック１００に送るためのポンプ８１０が配置されている。ここで、多ポートロータリージョイント９００は、固定配管から各種機械装置の回転部分に、複数の流体を供給したり、排出したりするために使用される装置であり、回転軸１２０の延長線上に配置されている。
【００１３】
図２は、燃料電池スタック１００を図１に示す２−２切断線で切ったときの断面を示す説明図である。燃料電池スタック１００は、発電ユニット２００と、セパレータ３００と、絶縁プレート４００を備えている。本実施例では、発電ユニット２００とセパレータ３００は複数あり、半径に沿って放射状に交互に配置されている。また、本実施例では、絶縁プレート４００は１枚あり、例えば、絶縁性の樹脂で構成されている。絶縁プレート４００を挟むセパレータ３００には、それぞれ、燃料電池スタック１００から電力を取り出すための出力端子５１０、５２０が接続されている。
【００１４】
図３は、発電ユニット２００とセパレータ３００の構成を詳しく説明する説明図である。
発電ユニット２００は、膜電極接合体２１０と、ガス拡散層２２０、２３０と、シールガスケット２６０を備える。膜電極接合体２１０は、電解質膜と、電解質膜の表面に配置された触媒を備える。電解質膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いることが可能である。また、触媒としては、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を用いることが可能である。これらの触媒は、例えばカーボン粒子上に担持されて電解質膜上に塗布される。ガス拡散層２２０、２３０は、膜電極接合体２１０の両面に配置されている。ガス拡散層２２０、２３０としては、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いることが可能である。シールガスケット２６０は、膜電極接合体２１０の外縁を囲うように形成されている。シールガスケット２６０は、たとえば射出成形により、膜電極接合体２１０と一体に成形される。
【００１５】
セパレータ３００は、カソードセパレータ３１０と、アノードセパレータ３６０とを備える。カソードセパレータ３１０及びアノードセパレータ３６０は、上から見た断面が略台形、横から見た断面が矩形の形状を有する、例えば金属製の中空箱状部材である。中空箱状とすることにより、内部が中空となり各セパレータ３１０、３６０の軽量化が可能となる。また、各セパレータ３１０、３６０の各面を構成する板状部材を組み合わせることにより、容易に製造することが可能となる。
【００１６】
図４は、カソードセパレータ３１０を膜電極接合体２１０側から見た図である。カソードセパレータ３１０の表面には、溝３１５が設けられている。溝３１５は、酸化ガスの流路として機能する。ここで、溝３１５は、例えば、プレスにより容易に形成することが可能である。溝３１５は、円環状配管７４０と接続されている。
【００１７】
図５は、カソードセパレータ３１０をアノードセパレータ３６０側から見た図である。カソードセパレータ３１０の表面には、溝３２０が設けられている。溝３２０は、冷媒の流路として機能する。ここで、溝３２０は、例えば、プレスにより容易に形成することが可能である。溝３２０は、円環状配管８４０と接続されている。
【００１８】
図６は、アノードセパレータ３６０を膜電極接合体２１０側から見た図である。アノードセパレータ３６０の表面には、溝３６５が設けられている。溝３６５は、燃料ガスの流路として機能する。ここで、溝３６５は、例えば、プレスにより容易に形成することが可能である。溝３６５は、円環状配管６４０と接続されている。
【００１９】
図７は、アノードセパレータ３６０をカソードセパレータ３１０側から見た図である。アノードセパレータ３６０の表面には、溝３７０が設けられている。溝３７０は、冷媒の流路として機能する。ここで、溝３７０は、例えば、プレスにより容易に形成することが可能である。溝３７０は、円環状配管８４０と接続されている。なお、カソードセパレータ３１０の溝３２０とアノードセパレータ３６０の溝３７０とは、重なる位置に形成されており、溝３２０と溝３７０は、合体して冷媒流路３５０を形成する。
【００２０】
図８は、燃料電池スタック１００への発電ユニット２００の配置を説明するフローチャートである。発電ユニット２００を過飽和に加湿した状態で発電させて、各発電ユニットの起電力を測定する（ステップＳ８００）。このとき、発電ユニット２００を燃料電池スタック１００に組んだ状態で起電力を測定してもよく、組まずに起電力を測定してもよい。なお、発電ユニット２００を燃料電池スタック１００に組んだ状態で測定する場合には、燃料電池スタック１００を回転させないで測定を行う。次に、起電力の大きい順に発電ユニットに番号を振る（ステップＳ８１０）。
【００２１】
図９は、発電ユニットの相対湿度と起電力の関係を示す説明図である。一般に、相対湿度が低いと、電解質膜が乾燥し易いため、起電力は小さくなる。一方、相対湿度が高すぎると、水分が過多となって反応ガス流路中に液滴が生じ、液滴が反応ガスの拡散を抑制するため、起電力が小さくなる。水分が過多となり、ガスの拡散を阻害することで，電池の性能を下げてしまう現象を「フラッディング」とも呼ぶ。
【００２２】
図１０は、図９に示すグラフに、起電力の測定結果をプロットした説明図である。本実施例では、起電力の測定を過飽和状態で行っているので、測定結果は、相対湿度が１００％の線よりも右側にプロットされる。ここで、起電力の高い順に１、２、３と番号を付すので、測定結果と発電ユニット２００に付された番号は、図に示すように対応する。図を見れば分かるように、大きな数字が付された発電ユニット２００は、排水を促進して流路中の相対湿度を下げれば、起電力を上げることが可能になると期待される。
【００２３】
図１１は、燃料電池スタック１００を回転させたときの遠心力と発電ユニット２００からの水分持ち去り量の関係を示す説明図である。これによれば、遠心力が大きくなると、水分持ち去り量が多くなる。すなわち、発電ユニット２００からの水分の排水を促進するためには、遠心力を大きくすればよいことが分かる。
【００２４】
図１２は、角速度一定で燃料電池スタック１００を回転させたときの回転半径と遠心力の関係を示す説明図である。角速度一定ならば、回転半径と遠心力は比例する。すなわち、発電ユニット２００からの水分の排水を促進するためには、発電ユニット２００の回転半径を大きくすればよいことが分かる。
【００２５】
図１３は、発電ユニット２００の回転半径と起電力の関係を示す説明図である。ここでは、ｘ番目とｘ＋１番目の発電ユニット２００に関する回転半径と起電力の関係を示している。一般に発電ユニット２００の回転半径が小さくなるほど遠心力が弱くなり、排水が促進され難い。この結果、流路中の相対湿度が高くなる。一方、発電ユニット２００の回転半径が大きくなるほど遠心力が強くなり、排水が促進され易い。この結果、電解質膜が乾燥し易くなる。また、発電ユニット２００により起電力が最大になる回転半径は異なるが、回転半径が大きくなると、起電力が増加し、起電力が最大になる回転半径を超えると起電力は小さくなる。ここで、ｘ番目とｘ＋１番目の発電ユニット２００の起電力がピークとなる回転半径を比べると、回転させない状態での起電力が高いｘ番目の発電ユニット２００の回転半径の方が、ｘ＋１番目の発電ユニット２００の回転半径よりも短い。したがって、各発電ユニット２００について、それぞれ、起電力が最大になるような回転半径に設定すれば、燃料電池スタック１００の発電効率を向上させることが可能となる。
【００２６】
図２に示すように、本実施例では、若い番号の発電ユニット２００の回転半径が短くなるように燃料電池スタック１００に発電ユニット２００を配置する（ステップＳ８２０）。すなわち回転軸１２０に最も近い位置にＮ＝１の発電ユニット２００を配置し、Ｎ＝１の発電ユニット２００の両側にＮ＝２とＮ＝３の発電ユニット２００を配置する。Ｎ＝４とＮ＝５の発電ユニット２００は、それぞれＮ＝２とＮ＝３の発電ユニット２００の回転方向の両外側に配置する。Ｎ＝ｎ−１とＮ＝ｎの発電ユニットまで配置したら、絶縁プレート４００を配置する。この場合、絶縁プレート４００は、起電力が最も小さな２つの発電ユニット２００に挟まれる。
【００２７】
次に、燃料電池スタック１００を回転させて、回転状態での各発電ユニット２００の起電力を測定する（ステップＳ８３０）。各発電ユニット２００の起電力に差がある場合には、回転軸の位置を調整する（ステップＳ８４０）。
【００２８】
図４に示すように、燃料電池スタック１００の半径をＲ、発電ユニット２００の半径方向の長さをＬとすると、燃料電池スタック１００の中心１１０と、回転軸１２０との間の偏心距離δは、
０≦δ≦Ｒ−Ｌ
を満たす値とすることが好ましい。
【００２９】
回転中の各発電ユニットの起電力をＶ（１）、Ｖ（２）…Ｖ（ｎ）とする。ここでｎは過飽和状態での起電力測定により付された番号であり、Ｖ（ｎ）は、非回転状態で最も小さな起電力を示す発電ユニットの起電力値である。Ｖ（１）＞Ｖ（ｎ）の場合には、Ｎ＝ｎの発電ユニットに掛かる遠心力が強くなるように回転軸１２０を移動させる。具体的には、偏心距離δが長くなるように、すなわち、回転軸１２０を外側に移動させる。一方、Ｖ（１）＜Ｖ（ｎ）の場合には、Ｎ＝ｎの発電ユニットに掛かる遠心力が弱くなるように回転軸１２０を移動させる。具体的には、偏心距離δが短くなるように、すなわち、回転軸１２０を燃料電池スタックの中心１１０方向に移動させる。Ｖ（１）とＶ（ｎ）の差が最も小さくなる（｜Ｖ（１）−Ｖ（ｎ）｜が最も小さくなる）位置を回転軸１２０の最終的な位置として採用する。
【００３０】
図１４は、回転軸１２０を移動させる手段の一例を示す説明図である。燃料電池スタック１００は、開口部１５０を有する天板１４０を備える。回転軸１２０は、開口部１５０を貫通し、開口部１５０の中を移動可能に設定されている。回転軸１２０は、開口部１５０を貫通する位置において、軸受け部材１３０で支持されている。軸受け部材１３０は、例えばボルト１６０により天板１４０と固定されている。すなわち、回転軸１２０を、開口部１５０中のどの位置で固定するかにより、偏心距離δを変更することが可能である。なお、偏心距離δが変わっても、反応ガス、及び冷媒は、フレキシブル配管６３０、７３０、８３０を介して供給されるため、配管については長さを調整する必要がない。
【００３１】
以上のように、本実施例によれば、燃料電池スタック１００の中心と、燃料電池スタック１００の回転中心とを偏心させているので、発電ユニット２００ごとに掛かる遠心力を異ならせ、発電ユニット２００ごとの排水性のバランスを取ることが可能となる。その結果、燃料電池スタック１００全体の発電効率を向上させることが可能となる。
【００３２】
また、本実施例によれば、発電ユニット２００を回転させずに過飽和状態で発電させたときの起電力が高い発電ユニット２００の方が、起電力が低い発電ユニット２００より、回転軸１２０と前記発電ユニット２００の距離が短くなるように、発電ユニット２００が配置されていてもよい。こうすれば、起電力の大きな発電ユニット２００に掛かる遠心力を弱くし、起電力の小さな発電ユニット２００に掛かる遠心力を強くすることが可能となる。
【００３３】
また、本実施例によれば、Ｖ（１）とＶ（ｎ）の差が最も小さくなる位置を回転軸１２０の最終的な位置として採用しているため、各発電ユニット２００間の起電力の差を小さくすることが可能となる。そうすると、燃料電池スタック全体として起電力を大きくし、発電効率を高めることが可能となる。
【００３４】
また、本実施例によれば、天板１４０と軸受け部材１３０とを固定する位置を変えることにより、容易に偏心距離δを変えることが可能となる。また、これにより、起電力の経年変化に対しても柔軟に対応することが可能となる。
【００３５】
変形例：
本実施例では、非回転時の起電力が最も大きな発電ユニット２００の回転半径が短くなるように燃料電池スタック１００に発電ユニット２００を配置し、起電力が最も小さな２つの発電ユニット２００に絶縁プレート４００が挟まれるように構成しているが、逆に、起電力が最も小さな発電ユニット２００の回転半径が長くなるように燃料電池スタック１００に発電ユニット２００を配置し、起電力が最も大きな２つの発電ユニット２００に絶縁プレート４００が挟まれるように構成してもよい。
【００３６】
本実施例では、燃料排ガス、酸化排ガスは、大気中に放出される構成であるが、燃料ガスについては、多ポートロータリージョイント９００を通る排気管を介して回収してもよい。また、燃料ガスについては、排気部を設けず、供給した燃料ガスを使い切る構成にしてもよい。冷媒流路については、多ポートロータリージョイント９００を通る排水管を介してラジエータ８００に環流される構成にしてもよい。
【００３７】
本実施例においては、偏心距離δは、０よりも大きな値であるとして説明したが、偏心距離δは、発電ユニット２００の起電力のバラツキにより異なる。例えば、発電ユニット２００の起電力のバラツキが少なければ、偏心距離δを０とする場合もあり得る。
【００３８】
本実施例では、説明しなかったが、燃料電池スタック１００を偏心させた場合には、バランスを取るための錘を配置しても良い。燃料電池スタック１００の回転のバランスを取ることが可能となる。
【００３９】
本実施例では、各セパレータ３１０、３６０は、中空箱状であるとして説明したが、セパレータ３１０、３６０としては様々な構成のものを用いることが可能である。例えば
中空でない充填構造であってもよい。
【００４０】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック１００を図１に示す２−２切断線で切ったときの断面を示す説明図である。
【図３】発電ユニット２００とセパレータ３００の構成を詳しく説明する説明図である。
【図４】カソードセパレータ３１０を膜電極接合体２１０側から見た図である。
【図５】カソードセパレータ３１０をアノードセパレータ３６０側から見た図である。
【図６】アノードセパレータ３６０を膜電極接合体２１０側から見た図である。
【図７】アノードセパレータ３６０をカソードセパレータ３１０側から見た図である。
【図８】燃料電池スタック１００への発電ユニット２００の配置を説明するフローチャートである。
【図９】発電ユニットの相対湿度と起電力の関係を示す説明図である。
【図１０】図９に示すグラフに起電力の測定結果をプロットした説明図である。
【図１１】燃料電池スタック１００を回転させたときの遠心力と発電ユニット２００からの水分持ち去り量の関係を示す説明図である。
【図１２】角速度一定で燃料電池スタック１００を回転させたときの回転半径と遠心力の関係を示す説明図である。
【図１３】発電ユニット２００の回転半径と起電力の関係を示す説明図である。
【図１４】回転軸１２０を移動させる手段の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１１０…中心
１２０…回転軸
１３０…軸受け部材
１４０…天板
１５０…開口部
１６０…ボルト
２００…発電ユニット
２１０…膜電極接合体
２２０、２３０…ガス拡散層
２６０…シールガスケット
３００…セパレータ
３１０…カソードセパレータ
３１５、３２０…溝
３５０…冷媒流路
３６０…アノードセパレータ
３６５、３７０…溝
４００…絶縁プレート
５００…出力端子
５００…モータ
６００…燃料ガスタンク
６２０、７２０、７３０…配管
６３０、７３０、８３０…フレキシブル配管
６４０、７４０、８４０…円環状配管
７００…空気取り入れ部
７１０…コンプレッサ
８００…ラジエータ
８１０…ポンプ
９００…多ポートロータリージョイント
【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】
2009259631.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009259631.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2009259631.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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