(57)【要約】【課題】燃料電池内で生成される水の排水性を高める。【解決手段】本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池による発電のために用いられ、動作中において振動を伴う補機と、補機の動作を制御する制御装置と、を備える。補機は、燃料電池に振動が伝達されるように設置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池による発電のために用いられ、動作中において振動を伴う補機と、
前記補機の動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記補機は、前記燃料電池に前記振動が伝達されるように設置されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記補機は、前記燃料電池の上部に載置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記補機は、
（ｉ）前記燃料電池への燃料ガスの供給のために用いられる燃料ガス供給用補機と、
（ｉｉ）前記燃料電池への酸化ガスの供給のために用いられる酸化ガス供給用補機と、
（ｉｉｉ）前記燃料電池への冷却媒体の供給のために用いられる冷却媒体供給用補機と、
のうちの少なくとも一つであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧モニタを備え、
前記制御装置は、前記セル電圧の変化に応じて、前記燃料電池に伝達される振動の振動数を変化させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、水素と酸素の電気化学反応によって水が生成される。この生成水が燃料電池内に液水として滞留すると、いわゆるフラッディングが発生する可能性が高くなる。このフラッディングが発生すると、発電性能が低下し、出力電圧の低下を招くことになる。そこで、例えば、反応ガスの流路内に滞留する液水については、反応ガス流路を流れる反応ガスの流速を上昇させて排水を促進することが行なわれている。
【０００３】
しかしながら、エキスパンドメタルや発泡焼結体等の多孔体によって反応ガスの流路を構成した場合、反応ガスの流速を上昇させたとしても、反応ガスは液水の滞留部分を迂回して流れてしまい、排水の促進が十分でない可能性がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２０３５８５号公報
【特許文献２】特開２００２−３０５０１８号公報
【特許文献３】特開２００２−３６７６４２号公報
【特許文献４】特開２００４−０２２３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池内で生成される水の排水性を高める技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池による発電のために用いられ、前記発電の動作中において振動を伴う補機と、
前記複数の補機の動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記補機は、前記燃料電池に前記振動が伝達されるように設置されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
適用例１の燃料電池システムによれば、燃料電池に伝達された振動により、燃料電池内で生成された水の滞留を抑制して排水性を高めることが可能である。
【０００８】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記補機は、前記燃料電池の上部に載置されていることを特徴とする燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池全体に効率よく振動を伝達することが可能である。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２記載の燃料電池システムであって、
前記補機は、
（ｉ）前記燃料電池への燃料ガスの供給のために用いられる燃料ガス供給用補機と、
（ｉｉ）前記燃料電池への酸化ガスの供給のために用いられる酸化ガス供給用補機と、
（ｉｉｉ）前記燃料電池への冷却媒体の供給のために用いられる冷却媒体供給用補機と、
のうちの少なくとも一つであることを特徴とする燃料電池システム。
こうすれば、燃料電池システムを構成する燃料ガス供給用補機と酸化ガス供給用補機と冷却媒体供給用補機のうちの少なくとも一つを、燃料電池に振動を伝達する補機として有効に利用することができる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧モニタを備え、
前記制御装置は、前記セル電圧の変化に応じて、前記燃料電池に伝達される振動の振動数を変化させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
この燃料電池によれば、例えば、セル電圧の低下を検出することによりフラッディングの発生を検出し、振動数を増加させることで滞留する液水の排水性を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施の形態を、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００１２】
Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システムは、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型の燃料電池１００を備えている。この燃料電池１００には、電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガスと酸化ガス）と、燃料電池１００を冷却する冷却媒体が供給される。
【００１３】
燃料電池１００のアノード（図１には図示せず）には、高圧水素を貯蔵した水素タンク４０から、配管４４を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク４０の代わりに、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成しても良い。配管４４には、水素の供給を調整するため、レギュレータ４２が配置されている。燃料電池１００のアノードから排出された水素は、配管４６を介して配管４４に戻され、再び燃料電池１００に循環される。配管４６上には、燃料ガスの循環のための燃料ガス循環ポンプ４８が配置されている。
【００１４】
燃料電池１００のカソード（図１には図示せず）には、エアコンプレッサ７２から、配管７４を介して、酸化ガスとしての酸素を含む空気が供給される。燃料電池１００のカソードから排出された空気は、配管６６を介して大気中に放出される。
【００１５】
配管６６上には希釈器６０が配置されている。また、希釈器６０は、排気弁６２が配置された配管６４を介して、配管４６に接続されている。この希釈器６０は、排気弁６２を開くことにより燃料電池１００から排出される燃料ガスとしての水素を、燃料電池１００から排出される酸化ガスとしての空気により希釈する機能を有している。
【００１６】
燃料電池１００には、ラジエータ５０から、配管５４を介して、冷却媒体としての水が供給される。冷却媒体としては、水の他、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。燃料電池１００から排出された冷却媒体としての水は、配管５６を介して、ラジエータ５０に送られ、再び燃料電池１００に循環される。配管５４上には、循環のための冷却水循環ポンプ５２が配置されている。
【００１７】
また、燃料電池１００は、後述するように、複数の発電モジュールを積層したスタック構造を有しており、各発電モジュールの電圧（セル電圧）を検出するためのセル電圧モニタ２０を備えている。
【００１８】
ＭＰＵ３０は、セル電圧モニタ２０から供給されるセル電圧を監視するとともに、
レギュレータ４２、燃料ガス循環ポンプ４８、冷却水循環ポンプ５２、排気弁６２、および、エアコンプレッサ７２の動作を制御して、燃料電池１００の発電動作を制御する。
【００１９】
図２は、燃料電池１００の外観を示す概略斜視図である。燃料電池１００は、複数の発電モジュール２００を、紙面に示した積層方向に沿って複数積層したスタックを、２枚のエンドプレート３００，４００で挟持した構造を有している。また、燃料電池１００の上部には載置台５００が接続されており、載置台５００上にはエアコンプレッサ７２が載置されている。
【００２０】
上記のようにエアコンプレッサ７２が燃料電池１００上に載置されている場合には、エアコンプレッサ７２の動作中において、モータの回転による振動が載置台５００を介して燃料電池１００の各発電モジュール２００に伝達されることになる。これにより、以下で説明する効果を得ることができる。
【００２１】
図３は、発電モジュール２００の概略構成を示す断面模式図である。この発電モジュール２００は、発電体２１０と、発電体２１０を挟持する２つのガス流路部２２０，２３０と、発電体２１０および２つのガス流路部２２０，２３０を挟持する２つのセパレータ２４０，２５０と、を備える。
【００２２】
発電体２１０は、電解質膜２１２と、電解質膜２１２の各々の面上に形成された触媒電極であるアノード２１４およびカソード２１６と、を備える。
【００２３】
電解質膜２１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子電解質材料により形成される。固体高分子電解質材料としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂（例えば、ナフィオン、デュポン社製）を用いることができる。
【００２４】
アノード２１４およびカソード２１６は、発電反応を促進するための触媒として、例えば、白金、あるいは、白金合金を備えている。より具体的には、アノード２１４およびカソード２１６は、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜２１２を構成する高分子電解質と同様の高分子電解質と、を備える。
【００２５】
アノード側のガス流路部２２０は、アノード２１４の外側に配置されたガス拡散部２２２およびガス拡散部２２２の外側に配置されたガス流路形成部２２４を備えている。ガス流路形成部２２４は、ステンレス鋼やチタン，チタン合金等の発泡金属や金属メッシュ，エキスパンドメタルなど、内部に多数の細孔を備えた金属の多孔体からなる。なお、図３はエキスパンドメタルを用いた場合を例示する。このガス流路形成部２２４は、ガス拡散部２２２を介してアノード２１４に燃料ガス（水素）を供給する流路として機能する。また、ガス拡散部２２２は、カーボン性の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。こうした材料からなるガス拡散部２２２は、ガス流路形成部２２４を介して供給された燃料ガスをその厚み方向に拡散して、対応する触媒電極であるアノード２１４の全面に燃料ガスを供給する。
【００２６】
カソード側のガス流路部２３０は、アノード側のガス流路部２２０と同様に、カソード２１６の外側に配置されたガス拡散部２３２およびガス拡散部２３２の外側に配置されたガス流路形成部２３４を備えている。このガス流路形成部２３４は、ガス流路形成部２２４と同様に、ガス拡散部２３２を介してカソード２１６に酸化ガス（空気、より具体的に酸素）を供給する流路として機能する。また、ガス拡散部２３２は、ガス流路形成部２３４を介して供給された酸化ガスをその厚み方向に拡散して、対応する触媒電極であるカソード２１６の全面に酸化ガスを供給する。
【００２７】
なお、ガス流路形成部２２４，２３４は、金メッキ処理やホーニング処理等の親水化処理により親水性を高める処理が施されている。また、ガス拡散部２２２，２３２は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系部材を用いた撥水化処理により撥水性を高める処理が施されている。
【００２８】
発電体２１０における電気化学反応により生成された水は、エアコンプレッサ７２から伝達された振動により、ガス拡散部２２２，２３４の内部から外部への排出が促進される。また、ガス流路形成部２２４，２３４から排出された水は、振動によりガス流路形成部２２４，２３４との接触が促進される。また、ガス流と形成部２２４，２３４に接触した水は振動によりガス流路形成部２２４，２３４内の移動が促進される。以上により、発電体２１０で生成された水の移動を促進し、排出を促進することが可能である。この結果、電気化学反応により生成された水の滞留によりフラッディグが発生し、発電性能が低下して出力電圧の低下を招くことを抑制することが可能となる。
【００２９】
Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例としての燃料電池システムの動作を示す説明図である。第２実施例の燃料電池システムは、図１に示した第１実施例の燃料電池システム１０の構成と同じであり、ＭＰＵ３０によるエアコンプレッサ（ＡＣＰ）７２の制御動作に特徴を有している。
【００３０】
図４に示すように、ＭＰＵ３２は、セル電圧モニタ２０から供給されるセル電圧を監視し、セル電圧の低下時に、エアコンプレッサ７２の回転数を増加させることにより、振動数を増加させる。これにより、燃料電池１００に対して、より多くの振動を加えて、フラッディングの発生によるセル電圧の低下の原因となる滞留した水の移動の促進を増大させ、排水の促進を増大させることができる。この結果、低下した発電性能の回復を図り、セル電圧の回復を図ることが可能である。
【００３１】
Ｃ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３２】
上記実施例では、燃料電池１００上にエアコンプレッサ７２を載置した場合を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、燃料ガス循環ポンプ４８や冷却水循環ポンプ５２等を載置する構成であってもよい。すなわち、燃料電池による発電のために用いられ、発電の動作中において振動を伴う補機を燃料電池の上部に載置するようにすればよい。また、１つの補機に限定されるものではなく、複数の補記を載置する構成であってもよい。
【００３３】
また、上記実施例では、燃料電池の上部に、載置台を介して補機を載置する場合を例に説明しているが、直接燃料電池の上部に載置するようにしてもよい。さらに、燃料電池の上部に載置する場合に限定されるものではなく、燃料電池に補機の振動が伝達されるように補機を設置する構成であれば、どのような構成であってもよい。例えば、燃料電池の側部や下部に補機が接続されるようにしてもよい。
【００３４】
また、上記実施例では、セル電圧の低下時に、エアコンプレッサ７２の回転数を増加させることにより、振動数を増加させる場合を例に説明している。しかしながら、補機の種類によっては、回転数を低下させることにより、振動数が大きくなるものもある。したがって、このような補機を用いた場合には、セル電圧の低下時に、回転数を低下させることにより、振動数を増加させるようにすればよい。すなわち、セル電圧の変化に応じて、燃料電池に伝達する振動の振動数を変化させるようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００の外観を示す概略斜視図である。
【図３】発電モジュール２００の概略構成を示す断面模式図である。
【図４】第２実施例としての燃料電池システムの動作を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０…燃料電池システム
２０…セル電圧モニタ
４０…水素タンク
４２…レギュレータ
４４…配管
４６…配管
４８…燃料ガス循環ポンプ
５０…ラジエータ
５２…冷却水循環ポンプ
５４…配管
５６…配管
６０…希釈器
６２…排気弁
６４…配管
６６…配管
７２…エアコンプレッサ
７４…配管
１００…燃料電池
２００…発電モジュール
２１０…発電体
２１２…電解質膜
２１４…アノード
２１６…カソード
２２０…ガス流路部
２２２…ガス拡散部
２２４…ガス流路形成部
２３０…ガス流路部
２３２…ガス拡散部
２３４…ガス流路形成部
２４０…セパレータ
２５０…セパレータ
３００…エンドプレート
４００…エンドプレート
５００…載置台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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