JP3580028B2 - Fuel cell device - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置に関し、詳しくは単セルを複数積層したスタック構造を備えた燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料が有する化学エネルギを、熱エネルギや機械エネルギを経由することなく直接電気エネルギに変換するため、高いエネルギ変換効率が実現可能な方法として知られている。燃料電池は、陽極側には酸素を含有する酸化ガスの供給を受け、陰極側には水素を含有する燃料ガスの供給を受けて、その電極部において以下に示す電気化学反応を進行する。
【０００３】
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …（１）
（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ …（２）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ …（３）
【０００４】
上記したように燃料電池における電気化学反応では水を生じる。また、燃料電池が備える電解質層の乾燥を防ぐ目的で上記燃料ガスや酸化ガスには水蒸気が加えられることがあり、燃料電池内部の所定の領域では上記水蒸気や生成水が水滴を成してガスの流路を塞いでしまうという不都合を生じることがある。以下に、固体高分子型の燃料電池を例に挙げて、燃料電池内の各部で生じる水滴の問題について説明する。
【０００５】
まず最初に、上記した水滴の生成についての説明に先だって固体高分子型燃料電池の構成について説明し、その後、このような固体高分子型燃料電池内の各部で水滴が生じる機構について説明する。固体高分子型燃料電池は、湿潤状態で良好な導電性を示す固体高分子から成る膜を電解質層として備えている。このような固体高分子型燃料電池は、通常は単セルを複数積層したスタック構造を有している。図１６は、固体高分子型燃料電池を構成する基本単位である上記単セル２２の構成を示す断面模式図である。単セル２２は、電解質膜３１と、アノード３２およびカソード３３と、セパレータ３４，３５とから構成されている。
【０００６】
アノード３２およびカソード３３は、電解質膜３１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ３４，３５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード３２およびカソード３３との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。アノード３２とセパレータ３４との間には燃料ガス流路３４Ｐが形成されており、カソード３３とセパレータ３５との間には酸化ガス流路３５Ｐが形成されている。実際に燃料電池を組み立てるときには、上記単セルを所定の枚数積層してスタック構造を形成する。このようなスタック構造を備えた固体高分子型燃料電池の内部には、スタック構造を貫通してガスの流路が設けられている。このガス流路とは、各単セルに燃料ガスまたは酸化ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドまたは酸化ガス供給マニホールド、あるいは、各単セルにおける電池反応に供された後の燃料ガスまたは酸化ガスが集められる燃料ガス排出ガスマニホールドまたは酸化ガス排出ガスマニホールドである。これらの流路はそれぞれ、燃料電池の外部に設けられた所定の燃料ガス供給装置や酸化ガス供給装置、あるいは燃料ガス排出装置や酸化ガス排出装置に接続されている。
【０００７】
次に、以上のような構成を備えた燃料電池において、水の凝縮が起こって不都合を生じ得る箇所を挙げる。
１．ガス拡散電極
２．ガス流路
ａ）各単セル内部の流路（単セル内流路）
ｂ）各単セル内流路から燃料電池内部を貫通するガス流路への出口部分
ｃ）燃料電池内部を貫通するガス流路（ガスマニホールド）
【０００８】
これらの箇所における水蒸気の凝縮は、次のようにして起こると考えられる。
まず、既述した（２）式に表わしたように、陽極側では電池反応によって水が生じるため、この電池反応で生じた水が陽極側のガス拡散電極内部において水の膜を形成してしまうことがある。さらに、既述した電池反応の進行に伴って上記電解質膜３１の陽極側に移動してきた水によって、陽極側のガス拡散電極内部に水の膜を生じてしまうこともある。すなわち、既述した（１）ないし（３）式に示した電池反応が進行する際には、上記電解質膜３１においてプロトンが陰極側から陽極側に向かって移動するが、このときプロトンは所定数の水分子と水和した状態で移動する。従って、電解質膜３１の陽極側では水が過剰な状態となり、上記した水の膜の生成につながってしまう。
【０００９】
さらに、上記電池反応によって生じた生成水や電解質膜３１内を移動してきた水は、各単セル２２内部の流路において凝縮してしまうこともある。また、このように各単セル内流路で凝縮した水は、その流路で水滴として留まるだけでなく、水滴がある程度大きくなると流路内を流れて、この各単セル内流路から上記ガスマニホールドへの出口部分に達することもある。ガスマニホールドへの出口付近では、水滴はその表面張力によって保持されるが、水滴がある程度大きくなると、さらにガスマニホールド内に流れ込むようになる。
【００１０】
ガスマニホールドにおいて生じる水滴は、上記したように各単セル内流路から流れてきたものの他に、燃料ガスや酸化ガス中に含まれる水蒸気が凝縮したものも含まれる。既述したように、陰極側では電池反応時において水が消費され、またプロトンの移動にともなって電解質膜中の水分子も陽極側に向かって移動してしまうため、燃料電池に供給される燃料ガスは所定量の水蒸気を含んで電解質膜の乾燥を防ぐ構成となっている。このような燃料ガスが含有する水蒸気は通常は過剰量であるため、各単セルにおいて電池反応に供された後の燃料ガスの排ガスにおいても、電解質膜に供給されずに残った水蒸気が含まれることとなる。
【００１１】
酸化ガスにおいては、電池反応のために水蒸気を加える必要はないが、陽極側に加圧した酸化ガスを供給する場合などのように電解質膜の乾燥が心配される場合には、酸化ガスに対しても加湿を行なう場合がある。また、各単セルから排出される酸化ガスの排ガスにおいては、前記電池反応で生じた水や電解質膜を移動してきた水が蒸発して加わるため、その蒸気圧は略飽和蒸気圧に達している。
【００１２】
このような加湿ガスが内部を流れる燃料電池において、例えばこの燃料電池の外部の温度が低下したときには、上記ガスマニホールドの壁面の温度も低下してしまい、温度が低下した領域で上記燃料ガスや酸化ガス中の水蒸気が凝縮してしまうことがある。また、燃料電池の運転温度が低下したときや、燃料電池の起動時にまだ燃料電池内部が充分に昇温していないとき等にも、飽和蒸気圧が下がることによって水蒸気の凝縮が起こる。燃料電池の運転温度の低下時や燃料電池の起動時にみられるガス中の水蒸気の凝縮は、上記ガスマニホールドだけでなく、上記単セル内流路など燃料電池内部に形成されたガス流路全体で起こり得る。
【００１３】
このような水蒸気の凝縮が起こった場合には、その凝縮場所がガス拡散電極内部であるならば、電極内でのガスの拡散が阻害されるため、ガス拡散電極においてガスの供給を受けられない領域が生じる。また、各単セル内流路で凝縮が起こった場合には、水滴によって単セル内流路が塞がれるため、やはりガス拡散電極においてガスの供給を受けられない領域が生じる。各単セル内流路からガスマニホールドへの出口部分に水滴が生じた場合には、出口を塞がれた単セル内流路に対するガスの供給が滞ってしまう。さらに、ガスマニホールドに水滴が生じた場合には、この生じた水滴が各単セル内流路との接続部を塞いでしまうおそれがある。このように、燃料電池内のどこにおいて凝縮が起こった場合にも、燃料電池内部での水の凝縮は電池性能を悪化させる原因となっていた。
【００１４】
そこで従来は、燃料電池内部の各所で水蒸気が凝縮して上記した不都合が生じてしまうのを防止するために、燃料電池に供給するガスの流量や圧力を一時的に上昇させ、凝縮した水を吹き飛ばして水滴の除去を行なう方法が提案されていた（例えば特開昭５４−１４４９３４号公報等）。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したように燃料電池に供給するガスの流量や圧力を一時的に増加させることによって凝縮水を吹き飛ばす構成とする場合には、上記ガスマニホールド内の水滴は容易に吹き飛ばすことができても、上記ガス拡散電極内や単セル内流路および単セル内流路からガスマニホールドへの出口付近で凝縮した水に対しては効果を得にくいという問題があった。これは、燃料電池に供給するガスの流量や圧力をガスの供給装置側で増加させても、実際に水滴が生じている箇所に達するガスの流量や圧力はさほど増加しないことに起因している。燃料電池は既述したように単セルを複数積層したスタック構造をとっているため、各単セルにガスが分配される時には、燃料電池が備える単セル数に応じて、ガス供給量の増加分もまた分割されてしまう。そのため、水滴が生じている箇所に供給されるガスの流量や圧力の増加量は不十分となってしまい、燃料電池に供給するガスの流量や圧力を増加させても結果的に水滴の除去が行なわれないことがあった。
【００１６】
逆に、水滴が生じている箇所に供給するガスの流量や圧力を充分に増加させて水滴の除去を効果的に行なおうとすると、流量や圧力の増加量を大過剰にする必要があり、採用し難い場合がある。特に、燃料ガスの流量または圧力を増加させて水滴の除去を行なおうとする場合には、燃料ガスの供給量を過剰にすることによって、電池反応に関わることなく排出される水素量が増加してしまうという不都合を生じる。電池反応で利用されない水素量の増大は、この燃料電池を備える燃料電池システム全体でのエネルギ効率の低下を引き起こす。特に、燃料電池を車両駆動用の電源として車載する場合のように、準備可能な燃料の量に限りがある場合には不利となる。車両駆動用の電源として燃料電池を用いる場合には、供給するガス量を増加することによって水滴を吹き飛ばす上記した構成は、車載された所定量の燃料で走行可能な距離を短縮させてしまうことになる。さらに、供給するガスの増加量を大過剰にする場合には、燃料電池にガスを供給する配管などの設備もまた大過剰の流量や圧力に耐えるものとし、ガス供給装置も大過剰の流量や圧力のガスを供給可能にする必要が生じ、装置全体の大型化などの問題を新たに引き起こすおそれがある。
【００１７】
本発明の燃料電池装置は、こうした問題を解決し、電池反応に関わることなく排出される水素量の増加と燃料電池の大型化とを抑え、燃料電池を構成する各単セルにおける排水性を向上することを目的としてなされ、次の構成を採った。
【００１８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の第１の燃料電池装置は、
単セルを複数積層したスタック構造を備え、前記単セルの各電極に対してガスの供給を受け、前記ガス中の所定の成分を用いた電気化学反応によって起電力を得る燃料電池装置において、
前記スタック構造内部において該スタック構造の積層方向に貫通して形成され、前記各単セル内部に設けられたガス流路に対して前記ガスを供給するガス供給マニホールドと、
該ガス供給マニホールドから前記各単セルに至るガスの流路において、前記単セル内ガス流路の一部に対して前記ガスの供給を一時的に停止するガス分配手段と
を備えたことを要旨とする。
【００１９】
以上のように構成された本発明の第１の燃料電池装置は、単セルを複数積層したスタック構造内部において該スタック構造の積層方向に貫通して形成されるガス供給マニホールドによって、前記単セル内部に設けられたガス流路に対するガスの供給が行なわれる。前記セルにおける各電極は、ガスの供給を受けてガス中の所定の成分を用いた電気化学反応によって起電力を得る。前記ガス供給マニホールドから前記各単セルに至るガスの流路にはガス分配手段が設けられており、このガス分配手段は、前記単セル内ガス流路の一部に対して前記ガスの供給を一時的に停止する。
【００２０】
本発明の第１の燃料電池装置によれば、ガス分配手段が、前記単セル内ガス流路の一部に対して前記ガスの供給を一時的に停止するため、ガスの供給が停止されなかった単セル内ガス流路では供給されるガスの流量および圧力が一時的に増大する。従って、ガス供給が停止されなかった単セル内ガス流路において流路を塞ぐ水滴が生じていた場合には、圧力が増大したガスによってこの水滴を吹き飛ばして、流路内から水滴を除去することができる。
【００２１】
ここで、本発明の第１の燃料電池装置では、単セル内ガス流路の一部に対して前記ガスの供給を一時的に停止することによって、他の単セル内ガス流路に供給されるガスの流量および圧力を増大させているため、燃料電池装置に外部から供給するガスの流量および圧力は変化させる必要がない。従って、外部から燃料電池装置にガスを供給する所定のガス供給装置やこのガス供給装置と燃料電池とを接続する配管などは、ガスの流量および圧力を増大させるために大型化あるいは複雑化することがない。さらに、各ガス流路に供給されるガスの流量および圧力が増大しても、本発明の第１の燃料電池装置によって消費されるガスの量は変わることがない。また、上記したガス分配手段は、前記スタック構造内に形成されたガス供給マニホールドから前記各単セルに至るガスの流路において設けられるため、燃料電池装置自体が大型化することもない。また、供給するガスの圧力を利用して水滴を吹き飛ばすため、単セル内部の流路がどのような向きに形成されていても水滴を除去することができる。
【００２２】
このような本発明の第１の燃料電池装置において、
前記単セル内ガス流路の一部は、すべての単セル内ガス流路を複数のグループに分割した中の一つであり、
前記ガス分配手段は、前記複数のグループを順次切り替えて、前記ガスの供給を一時的に停止する前記単セル内ガス流路を変更しながら前記ガス分配を行なうガス分配切り替え手段である構成も好ましい。
【００２３】
このような構成では、すべての単セル内ガス流路を複数のグループに分割し、これらのグループを順次切り替えて、前記ガスの供給を一時的に停止する単セル内ガス流路を変更する。従って、すべての単セル内ガス流路において、供給されるガスの流量および圧力が一時的に増大するため、いずれの単セル内ガス流路で水滴が形成されている場合にも、この水滴を除去することが可能となる。
【００２４】
本発明の第２の燃料電池装置は、
単セルを複数積層したスタック構造を備え、前記単セルの各電極に対してガスの供給を受け、前記ガス中の所定の成分を用いた電気化学反応によって起電力を得る燃料電池装置において、
前記スタック構造内部において該スタック構造の積層方向に貫通して形成され、前記各単セル内部に設けられたガスの流路から排出された前記ガスを、前記燃料電池装置外部に導くガス排出マニホールドと、
該ガス排出マニホールドと前記単セル内ガス流路との接続部位に可動部材を有し、該可動部材の動きによって、前記接続部位に滞留する水滴を前記ガス排出マニホールド側に掻き出す水滴除去手段と
を備えることを要旨とする。
【００２５】
以上のように構成された本発明の第２の燃料電池装置は、単セルの各電極に対してガスの供給を受け、前記ガス中の所定の成分を用いた電気化学反応によって起電力を得る。前記各単セル内部に設けられたガスの流路から排出された前記ガスは、前記単セルを複数積層したスタック構造内部において該スタック構造の積層方向に貫通して形成されるガス排出マニホールドによって、前記燃料電池装置外部に導かれる。前記ガス排出マニホールドと前記単セル内ガス流路との接続部位には可動部材が設けられており、この可動部材の動きによって、前記接続部位に滞留する水滴を前記ガス排出マニホールド側に掻き出す。
【００２６】
本発明の第２の燃料電池装置によれば、ガス排出マニホールドと単セル内ガス流路との接続部位に滞留する水滴は、水滴除去手段が備える可動部材によってガス排出マニホールド側に掻き出されるため、前記接続部位に水滴が滞留し続けてガス流路を塞ぎ、電池性能を低下させてしまうことがない。ここで、水滴を除去する可動部材は、ガス排出マニホールドと単セル内ガス流路との接続部位に設けられているため、この水滴除去手段を設けることによって燃料電池装置が大型化してしまうこともない。
【００２７】
このような本発明の第２の燃料電池装置において、
前記水滴除去手段は、
前記各単セル内ガス流路と前記ガス排出マニホールドとの接続部位において回転自在に支持され、複数設けられたファンと、
該複数設けられたファンを互いに連動して回転させる駆動機構と
を備えたこととしてもよい。
【００２８】
このような構成にすれば、複数設けられたファンは互いに連動して回転するため、いずれのファンも同様に水滴の除去を行なうことができ、水滴が滞留した接続部の位置にかかわらず水滴を除去することができる。
【００２９】
また、ここで前記ファンは、前記各単セル内ガス流路から排出されるガスの圧力によって回転駆動されることとしても良い。
【００３０】
このような場合には、前記ファンは、前記各単セル内ガス流路から排出されるガスの圧力によって回転駆動されるため、ファンを回転駆動するための装置を別途設ける必要がない。さらに、このときファンは、既述したように互いに連動して回転するため、水滴の滞留によってガス流路が塞がれてファンを駆動可能なガスを排出していない流路の接続部位に設けられたファンも、他のファンの回転に連動して回転することができる。従って、塞がれた流路の接続部位に設けられたファンも充分に回転して水滴の除去を行なうことができる。
【００３１】
あるいは、前記ファンは、所定の動力源を備えたモータによって回転駆動されることとしても良い。
【００３２】
このような場合には、前記ファンは、所定の動力源を備えたモータによって回転駆動されるため、任意の時期に所望の速さでファンを回転させることができる。このときファンは、既述したように互いに連動して回転するため、ファン全体を同調させて回転させることができ、いずれのガス流路が塞がれた場合にも同様に水滴を除去することができる。また、モータに駆動されるファンの働きによって、ガスの流路から水滴を強制的に吸い出すことも可能となり、流路の形状にかかわらず水滴の除去が容易になるという効果を奏する。
【００３３】
さらに、このような燃料電池装置において、
前記ファンが設けられた前記接続部位は、前記各単セル内部の陽極側に設けられた酸化ガス流路と、該酸化ガス流路から排出された酸化ガスを前記燃料電池装置外部に導く酸化ガス排出マニホールドとの接続部位であって、
前記ファンは、前記モータによって所定の回転力が与えられたときに、前記各単セル内部に設けられた酸化ガス流路内を負圧にすることができる構成を有し、
前記燃料電池装置に対して前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、
前記燃料電池装置と前記酸化ガス供給装置とを接続する流路に設けられ、前記燃料電池装置との接続を前記酸化ガス供給装置と外気との間で切り替え可能な弁体と、
前記燃料電池装置の運転状況が所定の状況となった時に、前記弁体を切り替えて前記燃料電池装置の陽極側を外気と連絡させる酸化ガス流路切り替え制御手段と
を備えることとしても良い。
【００３４】
このような構成の燃料電池装置では、燃料電池装置の運転状況が所定の状況となった時には前記弁体を切り替えて前記燃料電池装置の陽極側を外気と連絡させる。このとき、燃料電池装置が備えるファンが、所定の動力源を備えたモータによって回転駆動されて前記酸化ガス流路内を負圧にすると、ファンの回転に伴って外気が吸引されて燃料電池装置の陽極側に供給される。
【００３５】
このような燃料電池装置によれば、前記弁体が切り替えられる前記所定の状況として、燃料電池装置の起動時や低負荷時のように電池反応のレベルが低いときを設定しておくことによって、燃料電池装置の起動時や低負荷時には吸引した外気を酸化ガスとして利用することが可能となる。したがって、電池反応のレベルが低いときには、酸化ガスを加圧したり加湿するためにエネルギを消費してしまうことがない。また、燃料電池装置の起動時や低負荷時のように燃料電池内の運転温度が低いときに加湿した酸化ガスが供給されると、燃料電池内の酸化ガス流路において水蒸気が凝縮してガス流路を塞いでしまうおそれがあるが、酸化ガスとして外気を直接利用することによって、このような水蒸気の凝縮を防ぐことができる。
【００３６】
【発明の他の態様】
本発明は、以下に示す他の態様をとることが可能である。すなわち、本発明の第１の態様としては、前記ガス分配切り替え手段と前記水滴除去手段とを備えた燃料電池装置を挙げることができる。
【００３７】
このような構成とすれば、供給するガス圧を大きくしてガス流路内の生成水および凝縮水を吹き飛ばすと共に、ガス流路とガス排出マニホールドとの接続部位に滞留する水滴を弾き飛ばして、効果的にガス流路内の水の除去を行なうことができる。特に、前記水滴除去手段が、ガス流路から排出されるガスの圧力によって回転駆動されるファンである場合には、前記ガス分配除去手段によってガスの圧力が強められたときに、前記ファンの回転数も大きくなって水を除去する効率が向上する。このような燃料電池では、水滴に閉塞されたガス流路が水平方向を向くなど水滴が排出されにくい形状であっても、流路を閉塞させる水滴を効果的に除去することができる。
【００３８】
また、本発明の第２の態様は、本発明の燃料電池装置を備えた電気自動車という構成をとることができる。電気自動車が、車両駆動用の電源として本発明の第１の燃料電池装置を搭載し、この燃料電池装置が、少なくとも燃料ガス供給マニホールド内に上記ガス分配切り替え手段を備えている場合には、燃料電池を構成する単セル内の燃料ガスの流路が水滴によって塞がれたときに、ガス分配切り替え手段によって燃料ガス流路内の燃料ガスの流量および圧力を増大させて、水滴を除去することができる。このとき、燃料電池装置に供給する燃料ガス量は変化しないため、燃料ガスによって水滴を吹き飛ばして除去しても車両に搭載されている燃料が消費されてしまうことがなく、従って、所定量の燃料によって走行可能な距離が縮められることもない。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池２０について、要部を破断した様子を模式的に表わす部分分解斜視図である。図２は、燃料電池２０を構成するスタック構造２４の構成を表わす分解斜視図、図３はスタック構造２４の外観を表わす斜視図である。まず最初に、図２および図３に基づいて、燃料電池２０を構成するスタック構造２４について説明し、次に燃料電池２０内部でのガスの流れについて説明し、続いて本発明の要部に対応するスリット構造６０の構成について説明する。
【００４０】
燃料電池２０は固体高分子型燃料電池であって、この燃料電池２０を構成する基本単位である単セル２２の構成は図１６に基づいて既述した通りである。実際に燃料電池を組み立てる時には、図２に示す形状の各部材を順次重ねて、単セル２２を複数組積層したスタック構造を形成する。図１６では、各セパレータ３４，３５の片面においてだけガス流路を成すリブが形成されているように表わされているが、実際の燃料電池２０では、図２に示すように、両面にリブを形成したセパレータ３０を用いている。セパレータ３０の片面に形成されたリブ５４は隣接するアノード３２との間で燃料ガス流路３４Ｐを形成し、セパレータ３０の他面に形成されたリブ５５は隣接する単セルが備えるカソード３３との間で酸化ガス流路３５Ｐを形成する。このようにセパレータ３０は、ガス拡散電極との間でガスの流路を形成すると共に、隣接する単セル間で燃料ガスと酸化ガスとの流れを分離する役割を果たしている。
【００４１】
ここで、電解質膜３１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜３１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が塗布されている。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、電解質膜３１上にスクリーン印刷するという方法をとった。あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質膜３１上にプレスする構成も好適である。
【００４２】
アノード３２およびカソード３３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本実施例では、アノード３２およびカソード３３をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。
【００４３】
セパレータ３０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ３０はその両面にリブ５４，５５を形成しており、既述したように、アノード３２の表面とで燃料ガス流路３４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソード３３の表面とで酸化ガス流路３５Ｐを形成する。本実施例の燃料電池２０では、各セパレータの表面に形成されたリブ５４，５５は平行に形成された複数の溝状の構造とし、セパレータの両面で、それぞれ直交する方向にリブ５４とリブ５５とを形成した。
【００４４】
また、セパレータ３０の周辺部には、４つの穴構造が設けられている。燃料ガス流路３４Ｐを形成するリブ５４を連絡する燃料ガス孔５０，５１と、酸化ガス流路３５Ｐを形成するリブ５５連絡する酸化ガス孔５２，５３である。燃料電池２０を組み立てたときには、各セパレータ３０が備える燃料ガス孔５０，５１は、燃料電池２０内部をその積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールド５６および燃料ガス排出マニホールド５７を形成する。また、各セパレータ３０が備える酸化ガス孔５２，５３は、同じく燃料電池２０内部をその積層方向に貫通する酸化ガス供給マニホールド５８および酸化ガス排出マニホールド５９を形成する。
【００４５】
以上説明した各部材を備える燃料電池２０を組み立てるときには、セパレータ３０、アノード３２、電解質膜３１、カソード３３、セパレータ３０の順序で順次重ね合わせ、その両端にさらに集電板３６，３７、絶縁板３８，３９、エンドプレート４０，４１を配置して図３に示すスタック構造２４を完成する。ここで、集電板３６，３７は緻密質カーボンや銅板などにより形成され、絶縁板３８，３９はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレート４０，４１は剛性を備えた鋼等の金属によって形成されている。また、集電板３６，３７にはそれぞれ出力端子３６Ａ，３７Ａが設けられており、燃料電池２０で生じた起電力を出力可能となっている。
【００４６】
スタック構造２４を構成するときの各部材の積層順序は上述した通りであるが、電解質膜３１の周辺部には、セパレータ３０と接する領域において所定のシール部材が設けられる。このシール部材は、各単セル内部から燃料ガスおよび酸化ガスが漏れ出すのを防ぐと共に、スタック構造２４内において燃料ガスと酸化ガスとが混合してしまうのを防止する役割を果たす。
【００４７】
エンドプレート４０は、図３に示すように２つの穴構造を備えている。一つは燃料ガス孔４２、もう一つは酸化ガス孔４４である。エンドプレート４０と隣接する絶縁板３８および集電板３６は、エンドプレート４０が備える２つの穴構造と対応する位置に同様の２つの穴構造を形成している。この燃料ガス孔４２は、セパレータ３０の備える燃料ガス孔５０の中央部に開口している。なお、燃料電池２０を動作させるときには、燃料ガス孔４２と図示しない燃料供給装置とが接続され、水素リッチな燃料ガスが燃料電池２０内部に供給される。同様に、酸化ガス孔４４は前記セパレータ３０の備える酸化ガス孔５２の中央部に対応する位置に形成されている。燃料電池２０を動作させるときには、この酸化ガス孔４４と図示しない酸化ガス供給装置とが接続され、酸素を含有する酸化ガスが燃料電池２０内部に供給される。ここで、燃料ガス供給装置と酸化ガス供給装置は、それぞれのガスに対して所定量の加湿および加圧を行なって燃料電池２０に供給する装置である。
【００４８】
また、エンドプレート４１は、エンドプレート４０とは異なる位置に２つの穴構造を備えている。絶縁板３９、集電板３７もまたエンドプレート４１と同様の位置に、それぞれ２つの穴構造を形成している。エンドプレート４１が備える穴構造の一つ燃料ガス孔４３はセパレータ３０の備える燃料ガス孔５１の中央部に対応する位置に開口している。もう一つの穴構造である酸化ガス孔４５はセパレータ３０の備える酸化ガス孔５３の中央部に対応する位置に開口している。燃料電池２０を動作させるときには、燃料ガス孔４３には図示しない燃料ガス排出装置が接続され、酸化ガス孔４５には図示しない酸化ガス排出装置が接続される。
【００４９】
以上説明した各部材からなるスタック構造２４は、その積層方向に所定の押圧力がかかった状態で保持され、燃料電池２０が完成する。スタック構造２４を押圧する構成については、本発明の要部とは関わらないため図示は省略した。スタック構造２４を押圧しながら保持するには、スタック構造２４をボルトとナットを用いて締め付ける構成としても良いし、あるいは所定の形状のスタック収納部材を用意して、このスタック収納部材の内部にスタック構造２４を収納した上でスタック収納部材の両端部を折り曲げて、スタック構造２４に押圧力を作用させる構成としても良い。
【００５０】
次に、以上のような構成を備えた燃料電池２０における燃料ガスおよび酸化ガスの流れについて説明する。燃料ガスは、上記した所定の燃料ガス供給装置から、エンドプレート４０に形成された燃料ガス孔４２を経て燃料電池２０内部に導入される。燃料電池２０内部で燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド５６を介して各単セル２２が備える燃料ガス流路３４Ｐに供給され、各単セル２２の陰極側で進行する電気化学反応に供される。燃料ガス流路３４Ｐから排出された燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド５７に集合してエンドプレート４１の燃料ガス孔４３に達し、この燃料ガス孔４３から燃料電池２０の外部へ排出されて上記所定の燃料ガス排出装置に導かれる。
【００５１】
同様に酸化ガスは、上記した所定の酸化ガス供給装置から、エンドプレート４０に形成された酸化ガス孔４４を経て燃料電池２０内部に導入される。燃料電池２０内部で酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド５８を介して各単セル２２が備える酸化ガス流路３５Ｐに供給され、各単セル２２の陽極側で進行する電気化学反応に供される。酸化ガス流路３５Ｐから排出された酸化ガスは、酸化ガス排出マニホールド５９に集合してエンドプレート４１の酸化ガス孔４５に達し、この酸化ガス孔４５から上記所定の酸化ガス排出装置に排出される。
【００５２】
次に、本発明の要部に対応するスリット構造６０の構成およびその動作について説明する。このスリット構造６０は、燃料電池２０において、既述した燃料ガス供給マニホールド５６内部に収納されている構造である。図１は、燃料ガス供給マニホールド５６内部に収納されているスリット構造６０を取り出した様子を表わす部分分解斜視図である。図１に示す燃料電池２０は、スタック構造２４を、まず、集電板３６とこの集電板３６と隣接するセパレータ３０との間、および集電板３７とこの集電板３７と隣接するセパレータ３０との間で切断し、さらに燃料ガス供給マニホールド５６の中央部においてスタックの積層方向と平行に切断した状態を示している。ここで、集電板３６と接するセパレータ３０の片面（図１中手前側）にはリブ５５の記載が省略されているが、この面はリブ５５を有しないフラットな面であっても良い。また、図４にはスリット構造６０の斜視図を示した。
【００５３】
スリット構造６０は、図４に示すように第１スリット部７０と第２スリット部８０とから構成されている。第１スリット部７０は、第１シャフト７２と複数のスリットプレート７４とを備えており、第１シャフト７２は支持部７６によって各スリットプレート７４を支持している。第１シャフト７２の一端（エンドプレート４１側）には、第１スプリング７７を備える第１保持部７８が設けられており、この第１保持部７８によって、第１スリット部７０は集電板３７に設けられた第１固着部７９に固着される（図１参照）。第１シャフト７２の他端（エンドプレート４０側）は、円盤構造を形成した第１端部７１を成しており、この第１端部７１は後述する第１カム７３と接する。
【００５４】
第２スリット部８０も同様に、第２シャフト８２と複数のスリットプレート８４とを備えており、第２シャフト８２は支持部８６によって各スリットプレート８４を支持している。第２シャフト８２の一端（エンドプレート４１側）には、第２スプリング８７を備える第２保持部８８が設けられており、この第２保持部８８によって、第２スリット部８０は集電板３７に設けられた第２固着部８９に固着される（図１参照）。第２シャフト８２の他端（エンドプレート４０側）は、円盤構造を形成した第２端部８１を成しており、この第２端部８１は後述する第２カム８３と接する。
【００５５】
前記第１カム７３と第２カム８３とはカム部６２を形成している。第１カム７３と第２カム８３とは同一形状に形成されて回転軸６４に貫通されており、所定の間隔をおいてこの回転軸６４上に固定されている。回転軸６４は、図１に示すように、セパレータ３０においてその外壁を貫通して回転自在に支持されている。回転軸６４を支持するセパレータ３０の外側にはモータ６６が取り付けられており、このモータ６６から動力の供給を受けることによって回転軸６４は回転する。第１カム７３と第２カム８３とは、互いに９０度の角度を成して前記回転軸６４に固定されており、回転軸６４がモータ６６によって駆動されても第１カム７３と第２カム８３との位置関係は変わらない。
【００５６】
燃料電池２０を組み立てるときには、既述した工程において、セパレータ３０等を既述した順序で重ね合わせて単セル２２を積層した時点で、この時形成された酸化ガス供給マニホールド５８内にスリット構造６０を配置する。ここで、第１保持部７８および第２保持部８８のそれぞれを、既述した集電板３７に設けられた第１固着部７９および第２固着部８９に固着しながら集電板３７をさらに積層して、スリット構造６０の一端を燃料電池２０内部に固定する。次に、エンドプレート４０側の端部に位置するセパレータ３０に、第１カム７３および第２カム８３を予め固定した回転軸６４を取り付ける。このとき、それぞれのカムとシャフト端部の円盤構造とが接するように配置する。ここで、各シャフト端部の円盤構造は固定された第１カム７３または第２カム８３と接しているだけであるが、各シャフトの他端に設けられたスプリングによって各シャフトには押圧力が加えられており、各シャフトは安定して保持される。回転軸６４には既述したモータ６６を取り付け、エンドプレートを含めたスタック構造２４を形成した後、スタック構造２４積層方向に既述した所定の押圧力を作用させながらこのスタック構造２４を保持することによって燃料電池２０を完成する。
【００５７】
以上のようにスリット構造６０を組み付けることによって、スリット構造６０は、カム部６２の動作に従ってスタック構造２４の積層方向に往復運動を行なうことが可能となる。各シャフトの一端（第１端部７１，第２端部８１）はカム部６２と接しており、各カムの回転に伴ってカムから受ける押圧力が変化する。各シャフトの他端（第１保持部７８，第２保持部８８）はスプリングを備えており、このスプリングはスリット構造６０を支えると共に受ける押圧力の大きさに従って伸縮する。従って、各カムが回転して各シャフトを押圧する力の大きさが変化することで、各シャフトは往復運動を行なう。このように往復運動を行なう第１シャフト７２，第２シャフト８２と、これらと一体で形成されるスリットプレート７４，８４とからなる第１スリット部７０および第２スリット部８０は、所定の剛性および耐熱性を備えて導電性を有しない材質、例えば、ガラス繊維入りのエポキシ系樹脂やフェノール系樹脂等によって形成されている。
【００５８】
次に、スリット構造６０の動作について説明する。回転軸６４がモータ６６によって駆動されて第１カム７３および第２カム８３が回転すると、各カムはその回転する角度に応じた異なる大きさの力によって、各カムが接する第１端部７１または第２端部８１に形成された円盤部を押して、対応するスリット部を変位させる。図５（ａ）ないし図８（ａ）は、カム部６２を図４に示す矢印５の方向から見た様子を表わす模式図である。また、図５（ｂ）ないし図８（ｂ）は、カム部６２が対応する（ａ）の状態にあるときの第１端部７１および第２端部８１の変位の状態を表わす模式図である。第１カム７３よび第２カム８３は、図５（ａ）に示すように、それぞれ鋭端部７３ａ，８３ａと鈍端部７３ｂ，８３ｂとを備えている。その鋭端部７３ａ，８３ａが第１端部７１あるいは第２端部８１と接する時には、対応するスリット部はエンドプレート４１側に押された状態となる。また、鋭端部７３ａ，８３ａ以外の鈍端部７３ｂ，８３ｂ等が第１端部７１あるいは第２端部８１と接するときには対応するスリット部はエンドプレート４０側に引き戻された状態となる。
【００５９】
第１スリット部７０および第２スリット部８０がカム部６２に押圧されて移動するときの動作を図９ないし図１１に示す。図９ないし図１１は、スリット構造６０が酸化ガス供給マニホールド５８内の所定の位置に設置されて動作する様子を、図１の矢印９に示す方向から表わしている。酸化ガス供給マニホールド５８上には、各単セル２２が備える酸化ガス流路３５Ｐの断面が規則的な配置で現われている。カム部６２において、第１カム７３の鋭端部７３ａ鉛直方向上向き、第２カム８３の鋭端部８３ａがエンドプレート４０側を向いているときには（図５（ａ）の状態）、図５（ｂ）に示すように、第１スリット部７０，第２スリット部８０ともにエンドプレート４０側に引き戻されているが、この状態が燃料電池２０の運転時の通常の状態である。この時各スリットプレートは図９に示す状態にある。図９の状態では、スリットプレート７４が備えるスリット７５およびスリットプレート８４が備えるスリット８５は、各酸化ガス流路３５Ｐの断面とは重なり合わないように位置しており、各酸化ガス流路３５Ｐには通常通りに酸化ガスの供給が行なわれる。
【００６０】
ここで、回転軸６４が時計方向に９０゜回転し、カム部６２が図６（ａ）の状態になると、スリット構造６０と酸化ガス流路３５Ｐの断面との関係は図１０の状態になる。すなわち、第１シャフト７２がエンドプレート４１側に押圧されると共にスリットプレート７４も移動して、スリット７５は図９中右隣に配列していた酸化ガス流路３５Ｐの入り口部断面に重なる。このとき、第２シャフト８２は移動しないため、スリットプレート８４も移動しない。
【００６１】
さらに回転軸６４が時計方向に９０゜回転すると、カム部６２は図７（ａ）の状態となり、スリット構造６０と酸化ガス流路３５Ｐの断面との関係は図１１に示すようになる。図７の状態では、第１シャフト７２はエンドプレート４０側に引き戻されており、第２カム８３が第２シャフト８２をエンドプレート４１側に押圧している。従って、スリットプレート７４は図１１において左側に移動して当初の位置に戻り、スリットプレート８４は右側に移動して右隣に配列していた酸化ガス流路３５Ｐの入り口部断面に重なる。
【００６２】
さらに回転軸６４が時計方向に９０゜回転すると、カム部６２は図８（ａ）に示す状態となる。この状態では、第１シャフト７２および第２シャフト８２はエンドプレート４０側に引き戻されている。従って、スリットプレート８４もまた当初の位置に戻り、スリットプレート７４，８４は図９に示す状態となる。
【００６３】
この後さらに回転軸６４が時計方向に９０゜回転してカム部６２が図５（ａ）の状態に戻っても、第１シャフト７２および第２シャフト８２は移動することがなく、従って、スリットプレート７４，８４は図９に示す状態のまま移動しない。
【００６４】
次に、スリット構造６０の動作の制御について説明する。上述したスリット構造６０の動作は、既述したモータ６６から回転軸６４に駆動力が伝えられることによって起こる。モータ６６は、図示しない所定の制御装置と接続されている。この制御装置は、やはり図示しないセンサから、燃料電池２０が出力している電圧および電流に関する検出信号を入力可能となっている。燃料電池２０を構成する単セル２２のいずれかの内部において、凝縮水あるいは生成水によってガス流路が閉塞されると、燃料電池２０が出力する電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）に影響が表われる。前記センサが検出するＶ−Ｉ特性の変化が基準値を越えると、前記制御装置は、燃料電池２０内部においてガス流路の閉塞が起こっていると判断してモータ６６に対して駆動信号を出力する。
【００６５】
制御装置からの駆動信号を受けると、モータ６６は、所定の時間をかけて（例えば本実施例では１秒間）既述した時計回りで回転軸６４を一回転させる。このように回転軸６４が一回転する間に、スリット構造６０は既述した動作を行ない、各単セル内に形成された酸化ガス流路３５Ｐでは、その入り口部が半数ずつ所定の時間だけ（ここでは１／４秒間）塞がれる。
【００６６】
このように回転軸６４の回転と共にスリット構造６０が動作して、既述したスリットプレート７４またはスリットプレート８４が所定の酸化ガス流路３５Ｐの入り口部を塞ぐと、所定の期間、酸化ガスが供給される酸化ガス流路３５Ｐの数が半減する。従って、燃料電池２０に接続された酸化ガス供給装置から供給される酸化ガスの量および圧力が一定であっても、単セル２２内の酸化ガス流路３５Ｐに供給される酸化ガスの量および圧力が一時的に増減する。このように、供給される酸化ガスの量および圧力が一時的に増大したとき、単セル２２内のガス流路を閉塞させていた水が吹き飛ばされて流路の閉塞は解消される。
【００６７】
以上説明した本発明の燃料電池２０によれば、一時的にスタック構造２４内の酸化ガス流路３５Ｐの数を半減させることによって酸化ガス流路３５Ｐ内に供給される酸化ガスの流量および圧力を増大させるため、この酸化ガスの圧力によって酸化ガス流路３５Ｐを閉塞している水を吹き飛ばして、流路の閉塞状態を解消することができる。このとき、酸化ガスの流量および圧力の増大は、酸化ガス流路３５Ｐの数を一時的に減らすことによって実現されているため、燃料電池２０に供給される酸化ガス全体の流量および圧力を変える必要がない。また、酸化ガス流路３５Ｐの数の半減は、すべての酸化ガス流路３５Ｐを２つのグループに分けて交互に入り口部を閉じることによって実行されているため、燃料電池２０を構成するいずれの単セル２２において流路の閉塞が起こった場合にも同様の効果が得られ、流路の閉塞を解消することができる。さらに、上記スリット構造６０は酸化ガス供給マニホールド５８内に設けられているため、このスリット構造６０によって酸化ガス流路３５Ｐ内の水滴の除去を行なう構成としても燃料電池２０が大型化することがない。
【００６８】
上記実施例では、燃料電池２０を構成する単セル２２が備える酸化ガス流路３５Ｐを二つのグループに分けることとしたが、３以上のグループに分割する構成としてもよい。３以上のグループに分割して、各グループ毎に、順次酸化ガス流路３５Ｐの入り口部を開閉する構成とすれば、分割したグループ数に応じて増大させる酸化ガスの流量および圧力を調節することが可能になる。さらに、酸化ガス流路３５Ｐを３以上のグループに分割する場合に、複数のカム部６２を設けることによって、２以上の所定のグループが同調して動作可能な構成とするならば、流路が閉塞されている状態に応じて、増大させる酸化ガスの流量および圧力を増減させることが可能となる。２以上の所定のグループが同調して動作する場合と別個に動作する場合とでは、開閉される酸化ガス流路３５Ｐの数が異なるため、各酸化ガス流路３５Ｐに分配される酸化ガス量を変えることができる。
【００６９】
また、上記実施例では、各スリットプレート７４，８４はスリット７５，８５をそれぞれ７つずつ有し、１枚のスリットプレートは酸化ガス流路３５Ｐを７列ずつ（単セル７個分ずつ）開閉する構成としたが、各スリットプレート７４，８４が有するスリット７５，８５の数は任意に設定することができる。ここで、支持部７６，８６によって第１シャフト７２および第２シャフト８２と接続するスリットプレート７４，８４が、カム部６２の動作に従ってスムーズに移動するためには、５から１０セル毎に１枚のスリットプレートを設けることが好ましい。
【００７０】
このように、酸化ガス流路３５Ｐを分割するグループ数、および一枚のスリットプレートが流路の開閉を行なうセル数を変えることによって、開閉する酸化ガス流路３５Ｐの数を任意に設定することができ、これによって、酸化ガス流路３５Ｐを開閉するときに増大する酸化ガスの流量および圧力を任意に調節可能となる。
【００７１】
また、上記実施例では、所定のセンサからの入力信号によって所定の制御部がガス流路の閉塞状態を判断し、必要に応じてモータ６６を駆動する構成としたが、制御部にタイマを接続し、一定時間毎にモータ６６を駆動する構成としても良い。このような構成とすれば、電池出力に影響が出る前に所定の時間毎に水滴除去の操作が行なわれるため、水滴によってガス流路が閉塞されて電池性能が低下することがない。
【００７２】
上記実施例では、回転軸６４が一回転するのに要する時間を１秒間としたが、この時間は任意に設定することができる。ただし、水滴除去の効果を充分に得ながら連続運転している燃料電池２０の出力状態への影響を抑えるためには、回転軸６４が一回転するのに要する時間は、０．５秒から５秒間に設定することが好ましい。
【００７３】
さらに、スタック構造２４を複数接続してより高い電圧を出力可能な構成とした燃料電池においても、各スタック構造２４のそれぞれにおいてスリット構造６０を設けることによって、上記実施例の効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、複数積層した各スタック構造２４において、各スタック構造内の酸化ガス供給マニホールド５８に設けたスリット構造６０を連動させて同時に動かすならば、各スタック構造２４を構成するすべての単セル２２において、酸化ガス流路３５Ｐに供給される酸化ガスの流量と圧力とを増大させて流路の閉塞を解消できる。
【００７４】
上記実施例では、各スリットプレート７４が備えるスリット７５は各単セルと平行に配置され、スリット７５のそれぞれは、対応する１つの単セル２２が備えるすべての酸化ガス流路３５Ｐの入り口部を塞ぐことが可能な構成としたが、スリットプレート７４が備えるスリット７５を、スタック構造２４の積層方向と平行に形成することとしても良い。この場合には、スリットプレート７４を支持するシャフトは、集電板３６または集電板３７と隣接するセパレータ３０における酸化ガス孔５２内に、この酸化ガス孔５２の長手方向と平行に設置し、この酸化ガス孔５２の端部にはカム部６２と同様の構造を設け、シャフトを酸化ガス孔５２の長手方向に往復移動可動な構成とすれば良い。
【００７５】
また、上記実施例では、スリット構造６０は酸化ガス供給マニホールド５８内に設け、酸化ガス流路３５Ｐを閉塞している水を除去する構成としたが、このようなスリット構造６０を燃料ガス供給マニホールド５６内に設置し、燃料ガス流路３４Ｐを閉塞している水を除去する構成としても良い。既述したように燃料ガスは所定量の水蒸気を加えられて燃料電池２０に供給されるため、余剰の水蒸気が燃料ガス流路３４Ｐにおいて凝縮し、流路を塞いでしまうことがある。燃料ガス供給マニホールド５６内にスリット構造６０を設け、上記実施例と同様に、所定の制御部が前記Ｖ−Ｉ特性の変化を検知したときにモータ６６を駆動する構成とするならば、燃料ガス流路３４Ｐが凝縮水によって閉塞したときに、燃料ガス流路３４Ｐに供給される燃料ガスの流量および圧力を増大させることによって、流路の閉塞を容易に解消することができる。あるいは、所定時間毎にモータ６６を駆動する構成とするならば、水滴が流路を閉塞させることによって出力状態が影響されのを待つことなく、燃料ガス流路３４Ｐ内の水滴を定期的に除去することができる。
【００７６】
このような構成によって燃料ガス流路３４Ｐを閉塞している水を除去する場合には、燃料電池２０に供給する燃料ガスの流量および圧力を変化させることなく、閉塞している燃料ガス流路３４Ｐに供給される燃料ガスの流量および圧力を増大させることができる。従って、流路を閉塞している水を除去するために燃料ガスを無駄に消費してしまうことがない。このことは、燃料電池を移動用電源として用いる場合のように、準備可能な燃料の量が限られている場合には特に有利である。
【００７７】
特に、本実施例では、燃料ガス流路３４Ｐと酸化ガス流路３５Ｐとの向きは直交しており、燃料ガス流路３４Ｐが水平方向を向いているため、燃料ガス流路３４Ｐ内の生成水や凝縮水が重力の助けを借りて燃料ガス流路３４Ｐの出口方向に排出されることがない。通常このような生成水や凝縮水のうち、燃料ガス中に気化しなかったものについては、燃料ガス流路３４Ｐに供給される燃料ガスの圧力によって燃料ガス流路３４Ｐの出口方向に向かって移動可能となるだけである。従って、生成水や凝縮水の量が増えるとこのような通常の燃料ガスの圧力では排出できなくなって燃料ガス流路３４Ｐ内に滞留して流路を閉塞させてしまう。上記スリット構造６０を燃料ガス供給マニホールド５６内に設けることによって、水平方向を向く燃料ガス流路３４Ｐ内の生成水や凝縮水を、燃料ガス流路３４Ｐの出口方向に向かって積極的に排出することが可能となる。
【００７８】
以上説明した実施例では、酸化ガスおよび／または燃料ガスの供給マニホールド内に、各単セル２２内のガス流路を閉塞させている水を吹き飛ばして除去する水除去装置であるスリット構造６０を設ける構成としたが、ガスの排出マニホールド内に水除去装置を設けてガス流路内の水滴を除去することとしても良い。以下に、酸化ガス排出マニホールド５９内に、水除去装置としてのファン構造６８を設けた構成を第２実施例として示す。
【００７９】
図１２は、第２実施例の燃料電池２０ａの構成を模式的に表わす部分分解斜視図である。この燃料電池２０ａは、酸化ガス供給マニホールド５８内にはスリット構造６０を備えず、酸化ガス排出マニホールド５９内に後述するファン構造６８を備えているが、それ以外の構成については第１実施例の燃料電池２０と同様の構成を備えているため、両者で共通する部材については同様の符号を付し、詳しい説明は省略した。
【００８０】
図１２は、燃料電池２０ａにおいて、集電板３６，３７とこれらと隣接するセパレータ３０との間で切断し、さらに、酸化ガス排出マニホールド５９の中央部でこの酸化ガス排出マニホールド５９の貫通方向と平行に切断した様子を表わす。図１２に示すように、ファン構造６８は、燃料電池２０ａの酸化ガス排出マニホールド５９内に設けられた構造であり、センターシャフト９０と羽根車９２とを主な構成要素としている。
【００８１】
まず最初に、ファン構造６８の構成について説明する。センターシャフト９０は、集電板３６，３７の所定の位置に設けられた取り付け部６９に回転自在に取り付けられており、酸化ガス排出マニホールド５９の略中心部においてスタック構造２４の積層方向と平行に配置されている。羽根車９２は、センターシャフト９０上に所定の間隔で複数設けられており、この各羽根車９２はセンターシャフト９０を中心として左右対称に配置されている。ここで、羽根車９２が設けられた所定の間隔とは、燃料電池２０ａを構成する各単セル２２間の距離に相当する。この羽根車９２は、軸９３の周上に３枚の羽根９４が等間隔で形成された構造を備えている。軸９３は、センターシャフト９０とは互いに直交する位置関係にあり、後述するギアボックス９７において、回転自在にセンターシャフト９０と係合している。
【００８２】
図１３は、このセンターシャフト９０と軸９３との接続部の様子を表わす模式図である。センターシャフト９０と軸９３との接続部には、ギアボックス９７が設けられている。ギアボックス９７は、センターシャフト９０が備える歯車と軸９３が備える歯車とからなる所定のクイ違イ軸歯車によって構成されており、軸９３とセンターシャフト９０との間で各々の回転力を互いに伝達可能となっている。従って、軸９３とセンターシャフト９０とのいずれか一方が回転すると他方も回転する構造となっている。ここで、各ギアボックス間の距離は、燃料電池２０ａを構成する各単セル２２間の距離に相当し、羽根車９２が取り付けられる位置に対応している。ギアボックス９７において、センターシャフト９０が備える歯車と軸９３が備える歯車とが係合しながら回転するとき、軸９３において歯車の両端側に設けられた羽根９４は同じ方向に同じ速度で回転する。
【００８３】
以上のように構成されたファン構造６８を備えた燃料電池２０ａの運転時には、酸化ガス供給マニホールド５８から供給された酸化ガスが、各単セルを経由して酸化ガス流路３５Ｐから酸化ガス排出マニホールド５９に排出され、その酸化ガスの圧力によって上述した羽根車９２を回転させる。各羽根車９２は、既述したようにギアボックス９７によって互いに連動しているため、燃料電池２０ａが備えるすべての羽根車９２は均等に回転する。
【００８４】
次に、このようなファン構造６８が水の除去を行なう動作について説明する。図１４は、酸化ガス流路３５Ｐから酸化ガス排出マニホールド５９への出口部に、水滴Ｗが滞留している様子を模式的に表わす斜視図である。既述した電池反応によって陽極側に生じた生成水や酸化ガス流路３５Ｐ内で凝縮した凝縮水は、酸化ガス流路３５Ｐを伝わって酸化ガス排出マニホールド５９への出口部に達した後、表面張力によって水滴を形成したままその場に滞留し、図１４に示すように酸化ガス排出マニホールド５９への出口部を塞いでしまうことがある。図１５は、図１４と同様に水滴Ｗが酸化ガス排出マニホールド５９への出口部を塞いでいる様子を表わす断面模式図である。
【００８５】
上述したように酸化ガスの圧力が羽根車９２に作用すると、羽根車９２はこの酸化ガスの圧力に従って図１５中に示した矢印の方向に回転し、このとき回転する羽根９４が水滴Ｗを酸化ガス排出マニホールド５９内に弾き飛ばす。このように羽根車９２が回転することによって、酸化ガス流路３５Ｐから酸化ガス排出マニホールド５９への出口部に滞留した水滴は除去される。ここで、酸化ガス流路３５Ｐの出口部に保持されている水滴を効果的に除去するため、羽根車９２は、この羽根車９２自身の回転を妨げない範囲で上記酸化ガス流路３５Ｐの出口部に近接して設けておくことが好ましい。
【００８６】
以上のように構成された燃料電池２０ａは、酸化ガス排出マニホールド５９内に設けたファン構造６８によって酸化ガス流路３５Ｐの出口部に生じた水滴の除去を行なうため、酸化ガス流路３５Ｐが塞がれて燃料電池２０ａの電池性能が低下してしまうことがない。本実施例の燃料電池２０ａでは、各単セル毎に羽根車９２を設ける構成としたため、いずれの酸化ガス流路３５Ｐの出口部分が塞がれた場合であっても同様に水滴の除去を行なうことができる。また、このファン構造６８は、酸化ガス排出マニホールド５９内に格納されているため、ファン構造６８を設けることによって燃料電池２０ａが大型化することがない。
【００８７】
ここで、ファン構造６８を構成する各羽根車９２は、酸化ガス流路３５Ｐを流れる酸化ガスの圧力によって駆動されるため、羽根車９２を回転駆動するために特別の装置を設ける必要がなく、回転駆動のためのエネルギを消費することもない。このとき、各羽根車９２は、ギアボックス９７によって連動して回転する構造を有しているため、水滴に出口部を塞がれて酸化ガスの流れが妨げられた領域に設けられた羽根車９２においても他の羽根車９２の回転力が伝えられ、充分に回転して水滴の除去を行なうことができる。さらに、各羽根車９２は、燃料電池２０ａの運転中は上記したように酸化ガスの圧力によって常に回転駆動されるため、酸化ガス流路３５Ｐの出口部で生じた水滴を直ちに除去することができ、酸化ガス流路３５Ｐの出口部を常に水滴が除去された状態に保つことができる。
【００８８】
また、本実施例の燃料電池２０ａでは、酸化ガス排出マニホールド５９内に設置する水滴除去手段として羽根９４を備えた羽根車９２を設けることとしたが、この羽根９４の形状は、図１２に示したような板状である必要はない。羽根９４の先端部を櫛歯形状にする構成や、軸９３の周囲に羽根９４の代わりに所定の硬度を有する繊維を植え付けて羽根車９２をブラシ状に形成する構成としても良い。羽根車９２が、酸化ガスによって回転駆動可能であって、酸化ガス流路３５Ｐの出口部の水滴を掻き出し可能であれば良い。
【００８９】
また、第２実施例の燃料電池２０ａにおいて、さらに、酸化ガス供給マニホールド５８内に第１実施例と同様のスリット構造６０を設ける構成も好適である。このような場合には、通常はファン構造６８によって酸化ガス流路３５Ｐの出口部を閉塞する水滴が除去され、いずれかの単セル２２内部において生成水または凝縮水が流路を塞いで電池性能が低下したときにはスリット構造６０が動作する。スリット構造６０の動作によって酸化ガス流路３５Ｐに供給される酸化ガスの流量および圧力が一時的に増大し、流路を閉塞させていた生成水や凝縮水が酸化ガス流路３５Ｐの出口付近に向かって吹き飛ばされる。このように酸化ガスの流量および圧力が増大することによって、ファン構造６８の羽根車９２の回転速度も速くなり、酸化ガスに吹き飛ばされた生成水および凝縮水は速やかに酸化ガス排出マニホールド５９側に排出される。
【００９０】
第２実施例の燃料電池２０ａでは、ファン構造６８を酸化ガス排出マニホールド５９内に設ける構成としたが、燃料ガス排出マニホールド５７内に同様のファン構造を設けることとしても良い。このような構成とすれば、加湿された燃料ガス中の水蒸気が燃料ガス流路３４Ｐ内で凝縮して燃料ガス流路３４Ｐの出口部を塞いだ時に、回転する羽根車によって水滴を除去して流路の閉塞を解消することができる。
【００９１】
このとき同時に燃料ガス供給マニホールド内にスリット構造６０を設けるならば、燃料ガス流路３４Ｐ内の生成水および凝縮水をさらに効果的に除去することができる。燃料電池２０ａでは、燃料ガス流路３４Ｐは水平方向に形成されているため、燃料ガス流路３４Ｐ内に生じた水滴が重力によって燃料ガス流路３４Ｐの出口部に運ばれることがない。従って、スリット構造６０の動作によって酸化ガスの流量および圧力を増大させ、水滴を積極的に燃料ガス流路３４Ｐの出口部に運ぶことで、ファン構造６８が燃料ガス流路３４Ｐにおける水滴を除去する効果を高めることができる。さらに、スリット構造６０の動作で燃料ガスの流量および圧力が増大することによって、羽根車９２の回転速度も大きくなり、ファン構造６８が水滴を除去する効果が向上する。
【００９２】
上記第２実施例の燃料電池２０ａでは、ファン構造６８は酸化ガス流路３５Ｐに供給される酸化ガスの圧力によって駆動されたが、ファン構造６８を駆動させるための駆動装置を設ける構成も好適である。以下に、第３実施例として、モータ６７によって駆動されるファン構造６８ｂを備える燃料電池２０ｂについて説明する。ここで、第３実施例の燃料電池２０ｂは、モータ６７によってファン構造６８ｂが駆動される以外の構成は第２実施例の燃料電池２０ａと同様であるため、共通する部材については同じ符号を付し、詳しい説明は省略する。
【００９３】
燃料電池２０ｂは、図１２に示した燃料電池２０ａと同様に構成されているが、軸９３を回転自在に支持する取り付け部６９においてモータ６７を備えており、このモータ６７によって軸９３を駆動可能となっている。このモータ６７は燃料電池２０ｂ外の所定の電源と接続されており、必要な電力の供給を得ている。あるいは、モータ６７と燃料電池２０ｂとを接続して、モータ６７は燃料電池２０ｂからの出力を利用する構成としても良い。ここでモータ６７は、第１実施例の燃料電池２０に備えられたモータ６６と同様に、流路内の水滴に起因して電池性能が低下したと所定の制御部が判断したときに駆動される。
【００９４】
モータ６７によって軸９３が回転駆動されると、この回転力はギアボックス９７を介して各羽根車９２に伝えられてこれらの羽根車９２を回転駆動する。このギアボックス９７の働きで、各羽根車９２は互いに同調して同じ速度で回転する。羽根車９２が回転すると、図１５に示す第２実施例の場合と同様に、羽根車９２によって酸化ガス流路３５Ｐの出口部に生じた水滴が酸化ガス排出マニホールド５９側に掻き出される。
【００９５】
このような構成の第３実施例の燃料電池２０ｂによれば、第２実施例の燃料電池２０ａと同様に、各単セル毎に羽根車９２を設ける構成としたため、いずれの酸化ガス流路３５Ｐの出口部分が塞がれた場合であっても同様に水滴の除去を行なうことができる。また、このファン構造６８ｂは、酸化ガス排出マニホールド５９内に格納されているため、ファン構造６８ｂを設けることによって燃料電池２０ｂが大型化することがない。さらに、第３実施例の燃料電池２０ｂでは、モータ６７を用いてセンターシャフト９０を回転させるため、任意の速さで羽根車９２を回転させ、水滴を弾き飛ばす力の強さを調節することができる。もとより、燃料ガス排出マニホールド５７内においてもファン構造６８ｂを設け、燃料ガス流路３４Ｐの出口部に生じた水滴を排出する構成としてもよい。
【００９６】
燃料ガス排出マニホールド５７内にファン構造６８ｂを設ける場合には、水平方向を向く燃料ガス流路３４Ｐにおいて、さらに有利に水滴を除去することが可能となる。ファン構造６８ｂでは、モータ６７によって羽根車９２が回転駆動されるため、第２実施例のファン構造６８のように供給されるガスの圧力によって羽根車９２を回転させる場合に比べてより大きな力によって羽根車９２を回転させることができる。すなわち、供給されるガスの圧力によって回転する場合よりも大きな駆動力を加えることによって羽根車９２をより速く回転させ、燃料ガス流路３４Ｐから燃料ガスを強制的に排出させることが可能となる。従って、水平方向を向く燃料ガス流路３４Ｐ内の水滴を積極的に吸い出して、燃料ガス流路３４Ｐの出口部で弾き飛ばして除去することが可能となる。
【００９７】
さらに、モータ６７によってファン構造６８ｂを駆動する構成を備える場合には、上記したように水平方向を向く流路内の水滴を除去する際に有利であるばかりでなく、燃料電池の起動時における暖機運転中において、単セル２２内のガス流路に残留した水や凝縮水を効果的に排出することができるという効果を奏する。燃料電池２０ｂによる発電を終了する時には燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止するが、発電を止めると燃料電池２０ｂ内部の温度が低下するために、燃料電池２０ｂ内部でガス中の水蒸気の凝縮が見られる。温度が低下すると飽和蒸気圧が低下するため、燃料電池２０ｂ内に残留する燃料ガスおよび酸化ガス中の水蒸気が凝縮してガス流路内で水滴を生じてしまう。このようにして生じた水滴は、再び燃料電池２０ｂを起動しようとするときにガス流路を塞いでしまってガスの拡散を妨げる。
【００９８】
ここで、モータ６７によって駆動されるファン構造６８ｂをガス排出マニホールド内に設けておけば、モータ６７によって強制的に羽根車９２を回転駆動することによって、単セル２２内のガス流路から水滴を吸い出し、ガス排出マニホールド側に吹き飛ばして流路を塞いでいた水滴を除去することができる。酸化ガス供給マニホールド５８と燃料ガス排出マニホールド５７との両方においてファン構造６８ｂを設けておけば、燃料電池の起動時には、各モータ６７を駆動することによって、燃料電池内の各流路で凝縮した水滴を同時に除去することができる。
【００９９】
また、第３実施例の燃料電池２０ｂを備えた燃料電池システムは、システム起動時や低負荷時には、酸化ガス供給マニホールド５８を大気開放することによって酸化ガスとして大気中の酸素を直接利用することが可能となる。以下に、このような燃料電池システム２６を第４実施例として説明する。燃料電池システムの起動時や低負荷時には、進行する電池反応が低レベルであるため、加圧した酸素を陽極側に送り込んで多量の酸素を供給する必要がない。この燃料電池システム２６は、ファン構造６８ｂによる吸引力を利用して、酸化ガスとして外気を取り込む構成を有している。図１６は、燃料電池システム２６の構成を模式的に表わす説明図である。
【０１００】
第３実施例の燃料電池２０ｂを備えた第４実施例の燃料電池システム２６では、酸化ガス供給マニホールド５８に開口する酸化ガス孔４４と、この酸化ガス孔４４と接続する既述した酸化ガス供給装置との間に流路の切替を行なう三方弁９８が設けられている。また、酸化ガス孔４５と、この酸化ガス孔４５と接続する既述した酸化ガス排出装置との間にも流路の切り替えを行なう三方弁９９が設けられている。システム起動時や低負荷時には、これらの三方弁９８，９９を操作して流路の切り替えを行ない、酸化ガス供給マニホールド５８および酸化ガス排出マニホールド５９を外気に開放する。このように酸化ガス流路を外気に開放したときには、モータ６７を駆動して羽根車９２を回転させ、この各羽根車９２の回転に伴う吸引力によって陽極に空気を供給する。なお、陽極側に供給する空気の圧力は、モータ６７の回転数を制御することによって調節可能である。
【０１０１】
また、固体高分子型燃料電池では、陽極側に加圧した酸化ガスを供給することによって電解質膜表面が乾いてしまうのを防ぐ目的で酸化ガスの加湿を行なうことがあるが、燃料電池システム２６では外気を吸引して利用するため酸化ガスの圧力が低く、このような電解質膜の乾燥を考慮する必要がない。従って、大気中に含まれる水蒸気で対応可能となる。
【０１０２】
このような構成の燃料電池システム２６によれば、電池反応が低レベルで陽極において消費される酸素量が少ないときに、酸化ガスの加圧や加湿のために無駄にエネルギを消費してしまうことがない。また、このように酸化ガスとして外気を直接利用する構成は、システム起動時のように燃料電池２０ｂ内の温度が充分に上昇していないときにガス流路内で水蒸気が凝縮してしまうのを防ぐという効果をも奏する。燃料電池２０ｂ内の温度が低い内に、加湿した酸化ガスあるいは加圧によって昇温した酸化ガスを送り込むと、燃料電池２０ｂ内部でこの酸化ガスが降温して水蒸気の凝縮が起こるおそれがあるが、空気を直接供給する場合には、燃料電池２０ｂ内の温度は外気以上であるためこのような水蒸気の凝縮は起こらない。また、燃料電池２０ｂの負荷が低下して燃料電池２０ｂ内部が降温した場合にも、同様に外気を直接利用することによって、飽和蒸気圧の低下による水蒸気の凝縮を防ぐとともに、酸化ガスの加圧に要するエネルギを削減することができる。
【０１０３】
既述した第１ないし第３実施例の燃料電池は、特に、この燃料電池を車両駆動用の電源として車載する場合のように、移動用の電源として用いる場合に有利である。第１実施例の燃料電池２０を搭載した電気自動車では、単セル２２内部の水滴を吹き飛ばすために供給するガスの圧力を増加させる必要がないことから配管を大型強化する必要がなく、また、水滴を除去する装置はガスマニホールド内に設けられているため装置自体が大型化することがない。このように大型化を抑える構成は、設置可能な面積に厳しい制約がある車載時には特に好ましい。また、燃料ガス供給マニホールド５６内にスリット構造６０を設ける場合には、供給する燃料ガス量を増加させることなく流路内の水滴を除去することが可能となるため、搭載している燃料を無駄に消費してしまうことがない。電池反応に用いずに消費してしまう燃料ガス量の増加は車両の走行距離の短縮につながるが、上記スリット構造６０を燃料ガス供給マニホールド５６内に設けることによって、走行距離を短縮させること無く燃料電池内の水滴を除去することが可能となる。
【０１０４】
また、第２実施例の燃料電池２０ａまたは第３実施例の燃料電池２０ｂを車両に搭載する場合には、ガスマニホールド内に設けたファン構造６８によって水滴の除去を行なうため、走行中の車両の傾き具合によって排水効率が大きく影響されることがないという効果を奏する。排水が、羽根車９２の回転力による吸い出しと掻き出しによるため、車両が傾いた場合であっても充分に水滴の除去を行なうことができる。
【０１０５】
以上説明した実施例では燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、本発明は固体高分子型燃料電池以外にも、スタック構造を備えて内部に生じた生成水や凝縮水が電池反応を阻害する他の燃料電池（例えばりん酸型燃料電池等）にも適用可能であって、同様の効果を得ることができる。
【０１０６】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である燃料電池２０の構成を表わす部分分解斜視図である。
【図２】スタック構造２４の構成を表わす分解斜視図である。
【図３】スタック構造２４の外観を表わす斜視図である。
【図４】スリット構造６０の外観を表わす斜視図である。
【図５】カム部６２およびスリット構造６０の動作を表わす説明図である。
【図６】カム部６２およびスリット構造６０の動作を表わす説明図である。
【図７】カム部６２およびスリット構造６０の動作を表わす説明図である。
【図８】カム部６２およびスリット構造６０の動作を表わす説明図である。
【図９】スリットプレート７４，８４の動作を表わす説明図である。
【図１０】スリットプレート７４，８４の動作を表わす説明図である。
【図１１】スリットプレート７４，８４の動作を表わす説明図である。
【図１２】第２実施例の燃料電池２０ａの構成を表わす部分分解斜視図である。
【図１３】ギアボックス９７の構成を表わす説明図である。
【図１４】酸化ガス流路３５Ｐの出口部に水滴が滞留する様子を表わす説明図である。
【図１５】酸化ガス流路３５Ｐの出口部に水滴が滞留する様子を模式的に表わす断面図である。
【図１６】第４実施例の燃料電池システム２６の構成の概略を表わす説明図である。
【図１７】単セル２２の構成を模式的に表わす断面図である。
【符号の説明】
２０，２０ａ，２０ｂ…燃料電池
２２…単セル
２４…スタック構造
２６…燃料電池システム
３０…セパレータ
３１…電解質膜
３２…アノード
３３…カソード
３４，３５…セパレータ
３４Ｐ…燃料ガス流路
３５Ｐ…酸化ガス流路
３６，３７…集電板
３６Ａ，３７Ａ…出力端子
３８，３９…絶縁板
４０，４１…エンドプレート
４２，４３，５０，５１…燃料ガス孔
４４，４５，５２，５３…酸化ガス孔
５４，５５…リブ
５６…燃料ガス供給マニホールド
５７…燃料ガス排出マニホールド
５８…酸化ガス供給マニホールド
５９…酸化ガス排出マニホールド
６０…スリット構造
６２…カム部
６４…回転軸
６６，６７…モータ
６８，６８ｂ…ファン構造
６９…取り付け部
７０…第１スリット部
７１…第１端部
７２…第１シャフト
７３…第１カム
７３ａ，８３ａ…鋭端部
７３ｂ，８３ｂ…鈍端部
７４，８４…スリットプレート
７５，８５…スリット
７６，８６…支持部
７７…第１スプリング
７８…第１保持部
７９…第１固着部
８０…第２スリット部
８１…第２端部
８２…第２シャフト
８３…第２カム
８７…第２スプリング
８８…第２保持部
８９…第２固着部
９０…センターシャフト
９２…羽根車
９３…軸
９４…羽根
９７…ギアボックス
９８，９９…三方弁[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell device, and more particularly, to a fuel cell device having a stack structure in which a plurality of single cells are stacked.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is known as a method capable of realizing high energy conversion efficiency because it directly converts chemical energy of fuel into electric energy without passing through thermal energy or mechanical energy. In a fuel cell, an oxidizing gas containing oxygen is supplied to an anode side, and a fuel gas containing hydrogen is supplied to a cathode side, and the following electrochemical reaction proceeds at its electrode portion.
[0003]
H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ … (1)
(1/2) O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ O ... (2)
H ₂ + (1/2) O ₂ → H ₂ O ... (3)
[0004]
As described above, the electrochemical reaction in the fuel cell produces water. In addition, water vapor may be added to the fuel gas or the oxidizing gas for the purpose of preventing the electrolyte layer provided in the fuel cell from drying, and in a predetermined region inside the fuel cell, the water vapor and the generated water form water droplets to form a gas. In some cases, the flow path may be blocked. Hereinafter, the problem of water droplets generated in each part of the fuel cell will be described by taking a polymer electrolyte fuel cell as an example.
[0005]
First, prior to the description of the above-described generation of water droplets, the configuration of the polymer electrolyte fuel cell will be described, and then, the mechanism of generation of water droplets in each part in such a polymer electrolyte fuel cell will be described. The polymer electrolyte fuel cell includes a membrane made of a polymer having good conductivity in a wet state as an electrolyte layer. Such a polymer electrolyte fuel cell usually has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the single cell 22 which is a basic unit constituting the polymer electrolyte fuel cell. The single cell 22 includes an electrolyte membrane 31, an anode 32 and a cathode 33, and separators 34 and 35.
[0006]
The anode 32 and the cathode 33 are gas diffusion electrodes having a sandwich structure sandwiching the electrolyte membrane 31 from both sides. The separators 34 and 35 form a flow path for the fuel gas and the oxidizing gas between the anode 32 and the cathode 33 while further sandwiching the sandwich structure from both sides. A fuel gas flow path 34P is formed between the anode 32 and the separator 34, and an oxidizing gas flow path 35P is formed between the cathode 33 and the separator 35. When actually assembling the fuel cell, a predetermined number of the unit cells are stacked to form a stack structure. Inside the polymer electrolyte fuel cell having such a stack structure, a gas flow path is provided through the stack structure. The gas flow path is a fuel gas supply manifold or an oxidizing gas supply manifold for supplying a fuel gas or an oxidizing gas to each unit cell, or a fuel gas or an oxidizing gas after being subjected to a battery reaction in each unit cell. Is a fuel gas exhaust gas manifold or an oxidizing gas exhaust gas manifold from which is collected. Each of these flow paths is connected to a predetermined fuel gas supply device or oxidizing gas supply device provided outside the fuel cell, or to a fuel gas discharging device or oxidizing gas discharging device.
[0007]
Next, in the fuel cell having the above-described configuration, locations where condensation of water may occur to cause inconvenience will be described.
1. Gas diffusion electrode
2. Gas flow path
a) Flow path inside each single cell (flow path inside single cell)
b) Exit portion from each single cell flow path to a gas flow path penetrating the fuel cell
c) Gas flow path (gas manifold) penetrating inside the fuel cell
[0008]
It is considered that the condensation of water vapor at these points occurs as follows.
First, as shown in the above-described equation (2), water is generated by the battery reaction on the anode side, and the water generated by the battery reaction forms a water film inside the gas diffusion electrode on the anode side. Sometimes. Further, the water that has moved to the anode side of the electrolyte membrane 31 with the progress of the battery reaction described above may form a water film inside the gas diffusion electrode on the anode side. That is, when the battery reaction shown in the above-described equations (1) to (3) proceeds, protons move from the cathode side to the anode side in the electrolyte membrane 31. Move in a state of hydration with water molecules. Therefore, water is excessive on the anode side of the electrolyte membrane 31, which leads to the generation of the above-mentioned water membrane.
[0009]
Further, the water generated by the battery reaction and the water moving in the electrolyte membrane 31 may be condensed in the flow path inside each unit cell 22. In addition, the water condensed in the flow path in each single cell as described above not only stays as a water droplet in the flow path, but also flows in the flow path when the water droplet becomes large to some extent, and the gas flows from the flow path in each single cell. It may reach the outlet to the manifold. In the vicinity of the outlet to the gas manifold, the water droplet is held by its surface tension. However, when the water droplet becomes large to some extent, it flows into the gas manifold further.
[0010]
The water droplets generated in the gas manifold include, as described above, water flowing from each single cell flow path, as well as water vapor condensed in fuel gas and oxidizing gas. As described above, on the cathode side, water is consumed during the cell reaction, and water molecules in the electrolyte membrane also move toward the anode side due to the movement of protons. The gas includes a predetermined amount of water vapor to prevent the electrolyte membrane from drying. Since the water vapor contained in such a fuel gas is usually in an excessive amount, even in the exhaust gas of the fuel gas after being subjected to the battery reaction in each single cell, the water vapor remaining without being supplied to the electrolyte membrane is included. It will be.
[0011]
In the case of oxidizing gas, it is not necessary to add water vapor for the battery reaction.However, when there is a concern about drying of the electrolyte membrane, such as when a pressurized oxidizing gas is supplied to the anode side, the oxidizing gas is not added. However, humidification may be performed. Further, in the exhaust gas of the oxidizing gas discharged from each single cell, since the water generated by the battery reaction and the water that has moved through the electrolyte membrane are evaporated and added, the vapor pressure thereof reaches a substantially saturated vapor pressure. .
[0012]
In a fuel cell in which such a humidified gas flows, for example, when the temperature outside the fuel cell decreases, the temperature of the wall surface of the gas manifold also decreases. Water vapor in the gas may condense. Also, when the operating temperature of the fuel cell is lowered, or when the inside of the fuel cell is not yet sufficiently heated when the fuel cell is started, condensation of water vapor occurs due to a decrease in the saturated vapor pressure. Condensation of water vapor in gas when the operating temperature of the fuel cell is lowered or when the fuel cell is started up is caused not only in the gas manifold described above but also in the entire gas flow path formed inside the fuel cell such as the single cell flow path. It can happen.
[0013]
When such condensation of water vapor occurs, if the condensation site is inside the gas diffusion electrode, gas diffusion in the electrode is inhibited, so that gas cannot be supplied to the gas diffusion electrode. Regions arise. When condensation occurs in each single-cell flow path, the single-cell flow path is blocked by water droplets, so that a gas diffusion electrode also has a region where gas cannot be supplied. If water droplets are generated at the outlet from each of the single-cell channels to the gas manifold, the supply of gas to the single-cell channels whose outlets are blocked will be delayed. Further, when water droplets are generated in the gas manifold, there is a possibility that the generated water droplets may block the connection with each of the single-cell channels. Thus, wherever condensation occurs in the fuel cell, water condensation inside the fuel cell has been a cause of deteriorating cell performance.
[0014]
Therefore, conventionally, in order to prevent the above-described inconvenience from occurring due to condensation of water vapor at various points inside the fuel cell, the flow rate and pressure of the gas supplied to the fuel cell are temporarily increased to reduce the condensed water. There has been proposed a method of removing water droplets by blowing them off (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-144934).
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the condensed water is blown off by temporarily increasing the flow rate and pressure of the gas supplied to the fuel cell as described above, even if the water droplets in the gas manifold can be easily blown off, However, there is a problem that it is difficult to obtain an effect on water condensed in the gas diffusion electrode, the flow path in the single cell, and the outlet from the flow path in the single cell to the gas manifold. This is because even if the flow rate and the pressure of the gas supplied to the fuel cell are increased on the gas supply device side, the flow rate and the pressure of the gas actually reaching the location where the water droplet is generated do not increase so much. . Since the fuel cell has a stack structure in which a plurality of unit cells are stacked as described above, when gas is distributed to each unit cell, the amount of gas supply increases according to the number of unit cells provided in the fuel cell. Are also split. For this reason, the amount of increase in the flow rate and pressure of the gas supplied to the location where water droplets are generated is insufficient, and even when the flow rate and pressure of the gas supplied to the fuel cell are increased, the water droplets cannot be removed as a result. Sometimes it was not done.
[0016]
Conversely, if it is desired to effectively increase the flow rate and pressure of the gas to be supplied to the location where the water droplets are generated and to remove the water drops effectively, the amount of increase in the flow rate and the pressure needs to be excessively large. It may be difficult to adopt. In particular, when attempting to remove water droplets by increasing the flow rate or pressure of the fuel gas, by increasing the supply amount of the fuel gas, the amount of hydrogen discharged without involving the cell reaction increases. Inconvenience. An increase in the amount of hydrogen not used in the cell reaction causes a decrease in energy efficiency of the entire fuel cell system including the fuel cell. This is particularly disadvantageous when the amount of fuel that can be prepared is limited, such as when a fuel cell is mounted on a vehicle as a power source for driving a vehicle. When a fuel cell is used as a power source for driving a vehicle, the above-described configuration in which water droplets are blown off by increasing the amount of supplied gas reduces the distance that can be traveled with a predetermined amount of fuel mounted on a vehicle. Become. Furthermore, if the amount of increase in the supplied gas is made to be a large excess, facilities such as piping for supplying gas to the fuel cell shall also withstand a large excess flow rate and pressure, and the gas supply device will have a large excess flow rate and pressure. It becomes necessary to be able to supply gas at a pressure, which may cause another problem such as an increase in the size of the entire apparatus.
[0017]
The fuel cell device of the present invention solves these problems, suppresses an increase in the amount of hydrogen discharged without being involved in the cell reaction, suppresses an increase in the size of the fuel cell, and improves the drainage performance of each unit cell constituting the fuel cell. It has the following configuration.
[0018]
[Means for Solving the Problems and Their Functions and Effects]
The first fuel cell device of the present invention comprises:
A fuel cell device comprising a stack structure in which a plurality of single cells are stacked, receiving gas supply to each electrode of the single cell, and obtaining an electromotive force by an electrochemical reaction using a predetermined component in the gas,
A gas supply manifold formed inside the stack structure and penetrating in the stacking direction of the stack structure, and supplying the gas to a gas flow path provided inside each of the single cells;
In a gas flow path from the gas supply manifold to each of the single cells, gas distribution means for temporarily stopping supply of the gas to a part of the single cell gas flow path;
The gist is that it is provided.
[0019]
The first fuel cell device of the present invention having the above-described configuration is configured such that a gas supply manifold formed in the stack structure in which a plurality of single cells are stacked is formed inside the single cell by a gas supply manifold formed in the stacking direction of the stack structure. The gas is supplied to the gas flow path provided in. Each electrode in the cell receives a gas supply and obtains an electromotive force by an electrochemical reaction using a predetermined component in the gas. Gas distribution means is provided in a gas flow path from the gas supply manifold to each of the single cells, and the gas distribution means supplies the gas to a part of the single cell gas flow path. Stop temporarily.
[0020]
According to the first fuel cell device of the present invention, since the gas distribution unit temporarily stops the supply of the gas to a part of the gas passage in the single cell, the gas supply is not stopped. In the gas flow path in the single cell, the flow rate and pressure of the supplied gas temporarily increase. Therefore, in the case where a water droplet that blocks the flow path is generated in the gas flow path in the single cell in which the gas supply is not stopped, the water droplet is removed from the flow path by blowing off the water droplet by the gas having increased pressure. Can be.
[0021]
Here, in the first fuel cell device of the present invention, by temporarily stopping the supply of the gas to a part of the gas flow path in the single cell, the gas is supplied to another gas flow path in the single cell. Since the flow rate and pressure of the gas are increased, it is not necessary to change the flow rate and pressure of the gas supplied from the outside to the fuel cell device. Therefore, a predetermined gas supply device for supplying gas from the outside to the fuel cell device and a pipe connecting the gas supply device and the fuel cell, etc., must be enlarged or complicated in order to increase the flow rate and pressure of the gas. There is no. Further, even if the flow rate and pressure of the gas supplied to each gas flow path increase, the amount of gas consumed by the first fuel cell device of the present invention does not change. Further, since the above-described gas distribution means is provided in a gas flow path from the gas supply manifold formed in the stack structure to each of the single cells, the fuel cell device itself does not become large. Further, since water droplets are blown off using the pressure of the supplied gas, the water droplets can be removed regardless of the direction of the flow path inside the single cell.
[0022]
In such a first fuel cell device of the present invention,
Part of the gas flow path in the single cell is one of all gas flow paths in the single cell divided into a plurality of groups,
It is also preferable that the gas distribution means is a gas distribution switching means for sequentially switching the plurality of groups and performing the gas distribution while changing the gas flow path in the single cell for temporarily stopping the gas supply. .
[0023]
In such a configuration, all the gas flow paths in the single cell are divided into a plurality of groups, and the groups are sequentially switched to change the gas flow path in the single cell for temporarily stopping the gas supply. Therefore, since the flow rate and pressure of the supplied gas are temporarily increased in all the gas flow paths in the single cell, the water drops are formed in any of the gas flow paths in the single cell. It can be removed.
[0024]
The second fuel cell device of the present invention comprises:
A fuel cell device comprising a stack structure in which a plurality of single cells are stacked, receiving gas supply to each electrode of the single cell, and obtaining an electromotive force by an electrochemical reaction using a predetermined component in the gas,
A gas discharge manifold formed inside the stack structure to penetrate in the stacking direction of the stack structure and guide the gas discharged from a gas flow path provided inside each unit cell to the outside of the fuel cell device; ,
A water drop removing unit that has a movable member at a connection portion between the gas discharge manifold and the gas flow path in the single cell, and that, by the movement of the movable member, drips water remaining at the connection portion to the gas discharge manifold side.
The gist is to provide
[0025]
In the second fuel cell device of the present invention configured as described above, gas is supplied to each electrode of the single cell, and an electromotive force is obtained by an electrochemical reaction using a predetermined component in the gas. . The gas discharged from the gas flow path provided in each of the single cells, by a gas discharge manifold formed in the stacking direction of the stack structure in a stack structure in which a plurality of the single cells are stacked, It is guided outside the fuel cell device. A movable member is provided at a connection portion between the gas discharge manifold and the gas flow path in the single cell, and water droplets staying at the connection portion are scraped to the gas discharge manifold side by the movement of the movable member.
[0026]
According to the second fuel cell device of the present invention, the water droplets staying at the connection portion between the gas discharge manifold and the gas flow path in the single cell are scraped to the gas discharge manifold side by the movable member provided in the water droplet removing means. In addition, it is possible to prevent the water droplets from staying at the connection portion to block the gas flow path, thereby lowering the battery performance. Here, since the movable member for removing water droplets is provided at a connection portion between the gas discharge manifold and the gas flow path in the single cell, the provision of the water droplet removal means may increase the size of the fuel cell device. Absent.
[0027]
In such a second fuel cell device of the present invention,
The water droplet removing means,
A rotatably supported fan at a connection portion between each of the single-cell gas flow paths and the gas discharge manifold, and a plurality of provided fans;
A drive mechanism for rotating the plurality of provided fans in conjunction with each other;
May be provided.
[0028]
With such a configuration, the plurality of fans rotate in conjunction with each other, so that any of the fans can remove water droplets similarly, regardless of the position of the connection portion where the water droplets have accumulated. Can be removed.
[0029]
Here, the fan may be driven to rotate by the pressure of the gas discharged from each of the gas channels in the single cell.
[0030]
In such a case, the fan is driven to rotate by the pressure of the gas discharged from each of the gas channels in the single cell, so that it is not necessary to separately provide a device for driving the fan. Further, at this time, since the fans rotate in conjunction with each other as described above, the gas flow path is blocked by the stagnation of water droplets, and the fan is provided at a connection portion of the flow path that does not discharge gas that can drive the fan. This fan can also rotate in conjunction with the rotation of the other fans. Therefore, the fan provided at the connection portion of the closed flow path can also rotate sufficiently to remove water droplets.
[0031]
Alternatively, the fan may be driven to rotate by a motor having a predetermined power source.
[0032]
In such a case, since the fan is driven to rotate by a motor having a predetermined power source, the fan can be rotated at a desired speed at any time. At this time, the fans rotate in conjunction with each other as described above, so that the entire fan can be tuned and rotated, and when any of the gas passages is blocked, water drops can be removed in the same manner. Can be. In addition, the function of the fan driven by the motor makes it possible to forcibly extract water droplets from the gas flow path, and thus has the effect of easily removing water droplets regardless of the shape of the flow path.
[0033]
Further, in such a fuel cell device,
The connection portion provided with the fan includes an oxidizing gas passage provided on the anode side inside each of the single cells, and an oxidizing gas for guiding the oxidizing gas discharged from the oxidizing gas passage to the outside of the fuel cell device. The connection part with the discharge manifold,
The fan has a configuration in which when a predetermined rotational force is given by the motor, the inside of the oxidizing gas flow path provided inside each of the single cells can be set to a negative pressure,
An oxidizing gas supply device that supplies the oxidizing gas to the fuel cell device;
A valve body that is provided in a flow path that connects the fuel cell device and the oxidizing gas supply device, and that can switch a connection with the fuel cell device between the oxidizing gas supply device and outside air;
When the operating condition of the fuel cell device has reached a predetermined condition, an oxidizing gas flow path switching control means for switching the valve element to communicate the anode side of the fuel cell device with outside air.
May be provided.
[0034]
In the fuel cell device having such a configuration, when the operating condition of the fuel cell device becomes a predetermined condition, the valve body is switched so that the anode side of the fuel cell device communicates with the outside air. At this time, when the fan provided in the fuel cell device is driven to rotate by a motor having a predetermined power source to make the inside of the oxidizing gas flow path a negative pressure, the outside air is sucked with the rotation of the fan and the fuel cell device is taken out. Is supplied to the anode side.
[0035]
According to such a fuel cell device, by setting the time when the level of the battery reaction is low, such as when the fuel cell device is started or at a low load, as the predetermined condition in which the valve element is switched, When the fuel cell device is started or when the load is low, the outside air sucked can be used as the oxidizing gas. Therefore, when the level of the battery reaction is low, energy is not consumed for pressurizing or humidifying the oxidizing gas. Further, when the humidified oxidizing gas is supplied when the operating temperature in the fuel cell is low, such as when the fuel cell device is started or when the load is low, steam is condensed in the oxidizing gas flow path in the fuel cell and the gas is condensed. Although there is a possibility of blocking the flow path, such condensation of water vapor can be prevented by directly using the outside air as the oxidizing gas.
[0036]
Other aspects of the invention
The present invention can take other aspects described below. That is, as a first aspect of the present invention, a fuel cell device including the gas distribution switching means and the water droplet removing means can be mentioned.
[0037]
With such a configuration, the supplied gas pressure is increased to blow off generated water and condensed water in the gas flow path, and to flick off water drops remaining at a connection portion between the gas flow path and the gas discharge manifold, The water in the gas flow path can be effectively removed. In particular, when the water droplet removing unit is a fan that is driven to rotate by the pressure of the gas discharged from the gas flow path, when the gas pressure is increased by the gas distribution removing unit, the rotation of the fan is reduced. As the number increases, the efficiency of removing water increases. In such a fuel cell, even if the gas flow path closed by water droplets has a shape in which water droplets are hardly discharged, such as a horizontal direction, water droplets blocking the flow path can be effectively removed.
[0038]
Further, the second aspect of the present invention can be configured as an electric vehicle including the fuel cell device of the present invention. When the electric vehicle is equipped with the first fuel cell device of the present invention as a power source for driving the vehicle, and the fuel cell device includes the gas distribution switching means in at least the fuel gas supply manifold, When the flow path of the fuel gas in the single cell constituting the battery is blocked by water droplets, the flow rate and pressure of the fuel gas in the fuel gas flow channel are increased by the gas distribution switching means to remove water droplets. Can be. At this time, since the amount of fuel gas supplied to the fuel cell device does not change, the fuel mounted on the vehicle is not consumed even if water droplets are blown off and removed by the fuel gas. The travelable distance is not shortened.
[0039]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In order to further clarify the configuration and operation of the present invention described above, embodiments of the present invention will be described below based on examples. FIG. 1 is a partially exploded perspective view schematically showing a main part of a fuel cell 20 according to a preferred embodiment of the present invention, in which a main part is broken. FIG. 2 is an exploded perspective view showing a configuration of a stack structure 24 constituting the fuel cell 20, and FIG. 3 is a perspective view showing an appearance of the stack structure 24. First, the stack structure 24 constituting the fuel cell 20 will be described with reference to FIGS. 2 and 3, and then the gas flow inside the fuel cell 20 will be described. The configuration of the slit structure 60 will be described.
[0040]
The fuel cell 20 is a polymer electrolyte fuel cell, and the configuration of the unit cell 22, which is a basic unit constituting the fuel cell 20, is as described above with reference to FIG. When actually assembling the fuel cell, each member having the shape shown in FIG. 2 is sequentially stacked to form a stack structure in which a plurality of unit cells 22 are stacked. FIG. 16 shows that ribs forming a gas flow path are formed only on one surface of each of the separators 34 and 35, but in an actual fuel cell 20, as shown in FIG. Is used. The rib 54 formed on one surface of the separator 30 forms a fuel gas flow path 34P with the adjacent anode 32, and the rib 55 formed on the other surface of the separator 30 is connected to the cathode 33 of the adjacent unit cell. An oxidizing gas flow path 35P is formed between them. As described above, the separator 30 has a role of forming a gas flow path between the gas diffusion electrode and the separator 30 and separating the flow of the fuel gas and the oxidizing gas between the adjacent single cells.
[0041]
Here, the electrolyte membrane 31 is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluorine-based resin, and has good electric conductivity in a wet state. In this example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) was used. The surface of the electrolyte membrane 31 is coated with platinum as a catalyst or an alloy composed of platinum and another metal. As a method of applying the catalyst, a carbon powder supporting platinum or an alloy of platinum and another metal is prepared, the carbon powder supporting the catalyst is dispersed in an appropriate organic solvent, and an electrolyte solution (for example, Aldrich Chemical) is used. (Nafion Solution) was added to form an appropriate paste, and screen printing was performed on the electrolyte membrane 31. Alternatively, a configuration in which a paste containing the carbon powder supporting the catalyst is formed into a film to form a sheet and the sheet is pressed on the electrolyte membrane 31 is also suitable.
[0042]
The anode 32 and the cathode 33 are both formed of a carbon cloth woven with a yarn made of carbon fiber. In the present embodiment, the anode 32 and the cathode 33 are formed of carbon cloth. However, a configuration formed of carbon paper or carbon felt made of carbon fiber is also suitable.
[0043]
The separator 30 is formed of a gas-impermeable conductive member, for example, a dense carbon that is made of carbon by compressing carbon. The separator 30 has ribs 54 and 55 formed on both surfaces thereof. As described above, the fuel gas flow path 34P is formed with the surface of the anode 32, and the oxidizing gas flow is formed with the surface of the cathode 33 of the adjacent single cell. The flow path 35P is formed. In the fuel cell 20 of this embodiment, the ribs 54 and 55 formed on the surface of each separator have a plurality of groove-like structures formed in parallel, and the ribs 54 and 55 are formed on both surfaces of the separator in orthogonal directions. And formed.
[0044]
Further, four hole structures are provided in the peripheral portion of the separator 30. The fuel gas holes 50 and 51 communicate with the ribs 54 forming the fuel gas flow path 34P, and the oxidizing gas holes 52 and 53 communicate with the ribs 55 forming the oxidizing gas flow path 35P. When the fuel cell 20 is assembled, the fuel gas holes 50 and 51 provided in each separator 30 form a fuel gas supply manifold 56 and a fuel gas discharge manifold 57 that penetrate inside the fuel cell 20 in the stacking direction. The oxidizing gas holes 52 and 53 provided in each separator 30 form an oxidizing gas supply manifold 58 and an oxidizing gas discharge manifold 59 which also penetrate the fuel cell 20 in the stacking direction.
[0045]
When assembling the fuel cell 20 including the above-described members, the separator 30, the anode 32, the electrolyte membrane 31, the cathode 33, and the separator 30 are sequentially stacked in this order, and current collecting plates 36, 37, and an insulating plate 38 are provided at both ends. , 39 and end plates 40 and 41 are arranged to complete the stack structure 24 shown in FIG. Here, the current collecting plates 36 and 37 are formed of dense carbon or a copper plate, the insulating plates 38 and 39 are formed of an insulating member such as rubber or resin, and the end plates 40 and 41 are formed of rigid steel or the like. Formed of metal. The current collector plates 36 and 37 are provided with output terminals 36A and 37A, respectively, so that the electromotive force generated in the fuel cell 20 can be output.
[0046]
The stacking order of each member when forming the stack structure 24 is as described above, but a predetermined sealing member is provided around the electrolyte membrane 31 in a region in contact with the separator 30. The sealing member serves to prevent the fuel gas and the oxidizing gas from leaking from the inside of each unit cell and to prevent the fuel gas and the oxidizing gas from being mixed in the stack structure 24.
[0047]
The end plate 40 has two hole structures as shown in FIG. One is a fuel gas hole 42 and the other is an oxidizing gas hole 44. The insulating plate 38 and the current collecting plate 36 adjacent to the end plate 40 form two similar hole structures at positions corresponding to the two hole structures of the end plate 40. The fuel gas hole 42 opens at the center of the fuel gas hole 50 provided in the separator 30. When the fuel cell 20 is operated, the fuel gas hole 42 is connected to a fuel supply device (not shown), and a hydrogen-rich fuel gas is supplied into the fuel cell 20. Similarly, the oxidizing gas hole 44 is formed at a position corresponding to the center of the oxidizing gas hole 52 provided in the separator 30. When operating the fuel cell 20, the oxidizing gas hole 44 is connected to an oxidizing gas supply device (not shown), and an oxidizing gas containing oxygen is supplied into the fuel cell 20. Here, the fuel gas supply device and the oxidizing gas supply device are devices that humidify and pressurize a predetermined amount of each gas and supply the gas to the fuel cell 20.
[0048]
The end plate 41 has two hole structures at positions different from those of the end plate 40. The insulating plate 39 and the current collecting plate 37 also have two hole structures at the same position as the end plate 41. One fuel gas hole 43 of the hole structure provided in the end plate 41 is opened at a position corresponding to the center of the fuel gas hole 51 provided in the separator 30. The oxidizing gas hole 45 having another hole structure is opened at a position corresponding to the center of the oxidizing gas hole 53 provided in the separator 30. When the fuel cell 20 is operated, a fuel gas exhaust device (not shown) is connected to the fuel gas hole 43, and an oxidizing gas exhaust device (not shown) is connected to the oxidizing gas hole 45.
[0049]
The stack structure 24 composed of the members described above is held in a state where a predetermined pressing force is applied in the stacking direction, and the fuel cell 20 is completed. The configuration for pressing the stack structure 24 is not shown because it is not related to the main part of the present invention. In order to hold the stack structure 24 while pressing it, the stack structure 24 may be tightened using bolts and nuts, or a stack storage member of a predetermined shape may be prepared, and the stack storage member may be stacked inside the stack storage member. After the structure 24 is housed, both ends of the stack housing member may be bent to apply a pressing force to the stack structure 24.
[0050]
Next, the flow of the fuel gas and the oxidizing gas in the fuel cell 20 having the above configuration will be described. The fuel gas is introduced into the fuel cell 20 from the predetermined fuel gas supply device through the fuel gas holes 42 formed in the end plate 40. Inside the fuel cell 20, the fuel gas is supplied to the fuel gas flow path 34P of each unit cell 22 via the fuel gas supply manifold 56, and is subjected to an electrochemical reaction that proceeds on the cathode side of each unit cell 22. The fuel gas discharged from the fuel gas flow path 34P is collected in the fuel gas discharge manifold 57 and reaches the fuel gas holes 43 of the end plate 41. The fuel gas is discharged from the fuel gas holes 43 to the outside of the fuel cell 20 and the predetermined fuel gas is discharged. To the fuel gas discharge device.
[0051]
Similarly, the oxidizing gas is introduced into the fuel cell 20 from the above-described predetermined oxidizing gas supply device through the oxidizing gas holes 44 formed in the end plate 40. The oxidizing gas inside the fuel cell 20 is supplied to the oxidizing gas flow path 35P of each unit cell 22 via the oxidizing gas supply manifold 58, and is subjected to an electrochemical reaction that proceeds on the anode side of each unit cell 22. The oxidizing gas discharged from the oxidizing gas passage 35P gathers in the oxidizing gas discharge manifold 59, reaches the oxidizing gas holes 45 of the end plate 41, and is discharged from the oxidizing gas holes 45 to the predetermined oxidizing gas discharging device. .
[0052]
Next, the configuration and operation of the slit structure 60 corresponding to the main part of the present invention will be described. The slit structure 60 is a structure housed in the fuel gas supply manifold 56 described above in the fuel cell 20. FIG. 1 is a partially exploded perspective view showing a state in which a slit structure 60 housed inside the fuel gas supply manifold 56 is taken out. In the fuel cell 20 shown in FIG. 1, the stack structure 24 is formed by first separating the current collector 36 between the current collector 36 and the separator 30 adjacent thereto, and the current collector 37 and the separator adjacent to the current collector 37. 30 and a state where the fuel gas supply manifold 56 is further cut in the center of the fuel gas supply manifold 56 in parallel with the stacking direction of the stack. Here, the rib 55 is omitted on one surface (the front side in FIG. 1) of the separator 30 in contact with the current collector plate 36, but this surface may be a flat surface having no rib 55. FIG. 4 is a perspective view of the slit structure 60.
[0053]
The slit structure 60 includes a first slit portion 70 and a second slit portion 80 as shown in FIG. The first slit section 70 includes a first shaft 72 and a plurality of slit plates 74, and the first shaft 72 supports each slit plate 74 by a support section 76. At one end of the first shaft 72 (on the end plate 41 side), a first holding portion 78 including a first spring 77 is provided, and the first slit portion 70 allows the current collecting plate 37 (See FIG. 1). The other end (the end plate 40 side) of the first shaft 72 forms a first end 71 having a disc structure, and the first end 71 contacts a first cam 73 described later.
[0054]
Similarly, the second slit portion 80 includes a second shaft 82 and a plurality of slit plates 84, and the second shaft 82 supports each slit plate 84 by a support portion 86. At one end of the second shaft 82 (on the end plate 41 side), a second holding portion 88 including a second spring 87 is provided. (See FIG. 1). The other end (the end plate 40 side) of the second shaft 82 forms a second end 81 having a disc structure, and the second end 81 contacts a second cam 83 described later.
[0055]
The first cam 73 and the second cam 83 form a cam portion 62. The first cam 73 and the second cam 83 are formed in the same shape, penetrate the rotary shaft 64, and are fixed on the rotary shaft 64 at a predetermined interval. As shown in FIG. 1, the rotation shaft 64 is rotatably supported through the outer wall of the separator 30. A motor 66 is attached to the outside of the separator 30 that supports the rotating shaft 64, and the rotating shaft 64 rotates by receiving power from the motor 66. The first cam 73 and the second cam 83 are fixed to the rotation shaft 64 at an angle of 90 degrees to each other. Even when the rotation shaft 64 is driven by the motor 66, the first cam 73 and the second cam 83 The positional relationship with 83 does not change.
[0056]
When assembling the fuel cell 20, in the above-described steps, when the single cells 22 are stacked by stacking the separators 30 and the like in the order described above, the slit structure 60 is formed in the oxidizing gas supply manifold 58 formed at this time. Deploy. Here, while the first holding portion 78 and the second holding portion 88 are respectively fixed to the first fixing portion 79 and the second fixing portion 89 provided on the current collecting plate 37 described above, the current collecting plate 37 is further attached. After stacking, one end of the slit structure 60 is fixed inside the fuel cell 20. Next, the rotating shaft 64 to which the first cam 73 and the second cam 83 are fixed in advance is attached to the separator 30 located at the end on the end plate 40 side. At this time, the cams and the disk structure at the end of the shaft are arranged so as to be in contact with each other. Here, the disk structure at the end of each shaft is only in contact with the fixed first cam 73 or the second cam 83, but a pressing force is applied to each shaft by a spring provided at the other end of each shaft. In addition, each shaft is stably held. After the above-described motor 66 is attached to the rotating shaft 64 to form the stack structure 24 including the end plate, the stack structure 24 is held while applying the above-described predetermined pressing force in the stacking direction of the stack structure 24. Thus, the fuel cell 20 is completed.
[0057]
By assembling the slit structure 60 as described above, the slit structure 60 can reciprocate in the stacking direction of the stack structure 24 in accordance with the operation of the cam portion 62. One end (first end 71, second end 81) of each shaft is in contact with the cam portion 62, and the pressing force received from the cam changes as each cam rotates. The other end (the first holding portion 78 and the second holding portion 88) of each shaft is provided with a spring, which supports the slit structure 60 and expands and contracts according to the magnitude of the pressing force received. Therefore, each shaft reciprocates as each cam rotates and the magnitude of the force pressing each shaft changes. The first slit portion 70 and the second slit portion 80 including the first shaft 72 and the second shaft 82 which reciprocate in this manner and the slit plates 74 and 84 formed integrally therewith have a predetermined rigidity and a predetermined rigidity. It is formed of a heat-resistant and non-conductive material such as an epoxy resin or a phenol resin containing glass fiber.
[0058]
Next, the operation of the slit structure 60 will be described. When the rotating shaft 64 is driven by the motor 66 to rotate the first cam 73 and the second cam 83, the cams are brought into contact with the first end 71 or the first end 71 or the respective cams by forces of different magnitudes according to the angle of rotation. The disk portion formed at the second end portion 81 is pushed to displace the corresponding slit portion. FIGS. 5A to 8A are schematic diagrams showing the appearance of the cam portion 62 viewed from the direction of the arrow 5 shown in FIG. FIGS. 5B to 8B are schematic views showing the state of displacement of the first end 71 and the second end 81 when the cam portion 62 is in the corresponding state of FIG. is there. As shown in FIG. 5A, the first cam 73 and the second cam 83 have sharp ends 73a and 83a and blunt ends 73b and 83b, respectively. When the sharp ends 73a and 83a are in contact with the first end 71 or the second end 81, the corresponding slits are pressed toward the end plate 41. When the blunt ends 73b, 83b, etc. other than the sharp ends 73a, 83a come into contact with the first end 71 or the second end 81, the corresponding slits are pulled back to the end plate 40 side.
[0059]
The operation when the first slit portion 70 and the second slit portion 80 move while being pressed by the cam portion 62 is shown in FIGS. FIGS. 9 to 11 show how the slit structure 60 operates at a predetermined position in the oxidizing gas supply manifold 58 from the direction indicated by the arrow 9 in FIG. On the oxidizing gas supply manifold 58, the cross section of the oxidizing gas flow path 35P included in each single cell 22 appears in a regular arrangement. In the cam portion 62, when the acute end portion 73a of the first cam 73 faces vertically upward and the acute end portion 83a of the second cam 83 faces the end plate 40 side (the state of FIG. 5A), FIG. As shown in b), both the first slit portion 70 and the second slit portion 80 are pulled back to the end plate 40 side, but this state is a normal state when the fuel cell 20 is operating. At this time, each slit plate is in the state shown in FIG. In the state of FIG. 9, the slit 75 provided in the slit plate 74 and the slit 85 provided in the slit plate 84 are positioned so as not to overlap with the cross section of each oxidizing gas flow path 35P. The oxidizing gas is supplied as usual.
[0060]
Here, when the rotation shaft 64 rotates 90 ° clockwise and the cam portion 62 is in the state of FIG. 6A, the relationship between the slit structure 60 and the cross section of the oxidizing gas flow path 35P is in the state of FIG. . That is, the first shaft 72 is pressed toward the end plate 41 and the slit plate 74 is also moved, so that the slit 75 overlaps the cross section of the entrance of the oxidizing gas flow path 35P arranged on the right side in FIG. At this time, since the second shaft 82 does not move, the slit plate 84 does not move.
[0061]
When the rotating shaft 64 further rotates clockwise by 90 °, the cam portion 62 is in the state shown in FIG. 7A, and the relationship between the slit structure 60 and the cross section of the oxidizing gas flow path 35P is as shown in FIG. In the state of FIG. 7, the first shaft 72 has been pulled back toward the end plate 40, and the second cam 83 has pressed the second shaft 82 toward the end plate 41. Therefore, the slit plate 74 moves to the left in FIG. 11 and returns to the initial position, and the slit plate 84 moves to the right and overlaps the cross section of the entrance of the oxidizing gas flow path 35P arranged on the right side.
[0062]
When the rotation shaft 64 further rotates 90 ° clockwise, the cam portion 62 is in the state shown in FIG. In this state, the first shaft 72 and the second shaft 82 are pulled back to the end plate 40 side. Therefore, the slit plate 84 also returns to the initial position, and the slit plates 74 and 84 are in the state shown in FIG.
[0063]
After this, even if the rotating shaft 64 further rotates 90 ° clockwise and the cam portion 62 returns to the state shown in FIG. 5A, the first shaft 72 and the second shaft 82 do not move, The plates 74 and 84 do not move in the state shown in FIG.
[0064]
Next, control of the operation of the slit structure 60 will be described. The above-described operation of the slit structure 60 occurs when a driving force is transmitted from the motor 66 to the rotating shaft 64 as described above. The motor 66 is connected to a predetermined control device (not shown). This control device is also capable of inputting detection signals relating to the voltage and current output from the fuel cell 20 from a sensor (not shown). If the gas flow path is blocked by condensed water or generated water inside any of the single cells 22 constituting the fuel cell 20, the voltage-current characteristics (VI characteristics) output by the fuel cell 20 are affected. Appears. When the change in the VI characteristic detected by the sensor exceeds a reference value, the control device determines that the gas flow path is blocked in the fuel cell 20 and outputs a drive signal to the motor 66. I do.
[0065]
Upon receiving the drive signal from the control device, the motor 66 takes the predetermined time (for example, one second in the present embodiment) to rotate the rotary shaft 64 once clockwise as described above. As described above, while the rotation shaft 64 makes one rotation, the slit structure 60 performs the above-described operation, and in the oxidizing gas flow path 35P formed in each single cell, the entrances thereof are half each for a predetermined time ( Here, it is closed for 1/4 second.
[0066]
In this way, when the slit structure 60 operates with the rotation of the rotating shaft 64 and the slit plate 74 or the slit plate 84 blocks the entrance of the predetermined oxidizing gas flow path 35P, the oxidizing gas is supplied for a predetermined period. The number of oxidizing gas channels 35P to be performed is reduced by half. Therefore, even if the amount and pressure of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply device connected to the fuel cell 20 are constant, the amount and the pressure of the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas flow path 35P in the single cell 22 Increases or decreases temporarily. As described above, when the amount and pressure of the supplied oxidizing gas are temporarily increased, the water that has blocked the gas flow path in the single cell 22 is blown off, and the flow path is closed.
[0067]
According to the above-described fuel cell 20 of the present invention, the flow rate and the pressure of the oxidizing gas supplied into the oxidizing gas passage 35P are temporarily reduced by halving the number of the oxidizing gas passages 35P in the stack structure 24. In order to increase the pressure, the water blocking the oxidizing gas flow path 35P is blown off by the pressure of the oxidizing gas, so that the closed state of the flow path can be eliminated. At this time, since the increase in the flow rate and the pressure of the oxidizing gas is realized by temporarily reducing the number of the oxidizing gas flow paths 35P, it is necessary to change the flow rate and the pressure of the entire oxidizing gas supplied to the fuel cell 20. There is no. In addition, since the number of the oxidizing gas flow paths 35P is reduced by half by dividing all the oxidizing gas flow paths 35P into two groups and closing the entrances alternately, any one of the fuel cells 20 may be formed. Similar effects can be obtained when the flow path is blocked in the cell 22, and the flow path can be prevented from being blocked. Further, since the slit structure 60 is provided in the oxidizing gas supply manifold 58, even if the slit structure 60 is used to remove water droplets in the oxidizing gas flow path 35P, the fuel cell 20 does not increase in size. .
[0068]
In the above embodiment, the oxidizing gas flow path 35P provided in the single cell 22 constituting the fuel cell 20 is divided into two groups, but may be divided into three or more groups. If the structure is divided into three or more groups and the entrance of the oxidizing gas flow path 35P is sequentially opened and closed for each group, the flow rate and pressure of the oxidizing gas to be increased according to the number of divided groups can be adjusted. Becomes possible. Furthermore, in the case where the oxidizing gas flow path 35P is divided into three or more groups, by providing a plurality of cam portions 62 so that two or more predetermined groups can operate in synchronization, the flow path becomes The flow rate and pressure of the oxidizing gas to be increased can be increased or decreased according to the closed state. The number of oxidizing gas passages 35P that are opened and closed differs between the case where two or more predetermined groups operate synchronously and the case where they operate separately, so that the amount of oxidizing gas distributed to each oxidizing gas passage 35P is reduced. Can be changed.
[0069]
In the above embodiment, each of the slit plates 74 and 84 has seven slits 75 and 85, respectively, and one slit plate opens and closes the oxidizing gas flow path 35P in seven rows (for seven single cells). However, the number of slits 75, 85 of each slit plate 74, 84 can be set arbitrarily. Here, in order for the slit plates 74 and 84 connected to the first shaft 72 and the second shaft 82 by the support portions 76 and 86 to move smoothly according to the operation of the cam portion 62, one slit plate is provided every 5 to 10 cells. It is preferable to provide a slit plate.
[0070]
Thus, by changing the number of groups that divide the oxidizing gas flow path 35P and the number of cells in which one slit plate opens and closes the flow path, the number of oxidizing gas flow paths 35P that can be opened and closed can be arbitrarily set. Accordingly, the flow rate and pressure of the oxidizing gas, which increase when the oxidizing gas flow path 35P is opened and closed, can be arbitrarily adjusted.
[0071]
Further, in the above-described embodiment, the predetermined control unit determines the closed state of the gas flow path based on the input signal from the predetermined sensor, and drives the motor 66 as necessary, but a timer is connected to the control unit. Alternatively, the motor 66 may be driven at regular intervals. With such a configuration, the operation of removing water droplets is performed at predetermined time intervals before the battery output is affected, so that the gas flow path is not blocked by the water droplets and the battery performance does not deteriorate.
[0072]
In the above embodiment, the time required for the rotation shaft 64 to make one rotation is 1 second, but this time can be set arbitrarily. However, in order to suppress the influence on the output state of the fuel cell 20 which is continuously operated while sufficiently obtaining the effect of removing water droplets, the time required for one rotation of the rotating shaft 64 is 0.5 seconds to 5 seconds. Preferably, it is set to seconds.
[0073]
Further, even in a fuel cell in which a plurality of stack structures 24 are connected to each other so as to be able to output a higher voltage, by providing the slit structure 60 in each of the stack structures 24, the same effect as the above embodiment can be obtained. Obtainable. That is, in each of the stack structures 24 in which a plurality of layers are stacked, if the slit structures 60 provided in the oxidizing gas supply manifold 58 in each of the stack structures are simultaneously moved in conjunction with each other, in all the single cells 22 constituting each of the stack structures 24, The flow rate and pressure of the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas flow path 35P can be increased to eliminate the blockage of the flow path.
[0074]
In the above embodiment, the slits 75 provided in each slit plate 74 are arranged in parallel with each single cell, and each of the slits 75 blocks the entrances of all the oxidizing gas flow paths 35P provided in the corresponding single cell 22. However, the slit 75 provided in the slit plate 74 may be formed parallel to the stacking direction of the stack structure 24. In this case, the shaft supporting the slit plate 74 is installed in the oxidizing gas hole 52 of the separator 30 adjacent to the current collecting plate 36 or the current collecting plate 37 in parallel with the longitudinal direction of the oxidizing gas hole 52, The end of the oxidizing gas hole 52 may be provided with the same structure as the cam portion 62, and the shaft may be configured to be reciprocally movable in the longitudinal direction of the oxidizing gas hole 52.
[0075]
Further, in the above-described embodiment, the slit structure 60 is provided in the oxidizing gas supply manifold 58 to remove water blocking the oxidizing gas flow path 35P. The fuel gas passage 34 </ b> P may be disposed inside the fuel gas passage 34 </ b> P to remove water blocking the fuel gas passage 34 </ b> P. As described above, since a predetermined amount of water vapor is added to the fuel gas and supplied to the fuel cell 20, the excess water vapor may condense in the fuel gas flow path 34P and block the flow path. If a slit structure 60 is provided in the fuel gas supply manifold 56 and a predetermined control unit drives the motor 66 when a change in the VI characteristic is detected as in the above-described embodiment, the fuel gas When the flow path 34P is closed by the condensed water, the flow path and the pressure of the fuel gas supplied to the fuel gas flow path 34P are increased, so that the flow path can be easily closed. Alternatively, if the motor 66 is driven at predetermined time intervals, the water droplets in the fuel gas flow path 34P are periodically removed without waiting for the output state to be affected by the water drops closing the flow path. can do.
[0076]
In the case of removing the water blocking the fuel gas flow path 34P by such a configuration, the fuel gas flow path 34P closed without changing the flow rate and pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell 20 is changed. The flow rate and pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell can be increased. Therefore, there is no wasteful consumption of the fuel gas for removing the water blocking the flow path. This is particularly advantageous when the amount of fuel that can be prepared is limited, such as when a fuel cell is used as a mobile power source.
[0077]
In particular, in the present embodiment, the directions of the fuel gas flow path 34P and the oxidizing gas flow path 35P are orthogonal, and the fuel gas flow path 34P is oriented in the horizontal direction. The condensed water and the condensed water are not discharged toward the outlet of the fuel gas passage 34P with the aid of gravity. Normally, of such generated water and condensed water, those not vaporized in the fuel gas, move toward the outlet direction of the fuel gas passage 34P due to the pressure of the fuel gas supplied to the fuel gas passage 34P. It is only possible. Therefore, when the amount of the generated water or the condensed water increases, the fuel cannot be discharged under such normal pressure of the fuel gas, and stays in the fuel gas flow path 34P to block the flow path. By providing the slit structure 60 in the fuel gas supply manifold 56, the generated water or condensed water in the fuel gas flow path 34P facing in the horizontal direction is positively discharged toward the exit direction of the fuel gas flow path 34P. It becomes possible.
[0078]
In the embodiment described above, the slit structure 60 which is a water removing device that blows and removes water closing the gas flow path in each unit cell 22 is provided in the supply manifold of the oxidizing gas and / or the fuel gas. Although the configuration is adopted, a water removing device may be provided in the gas discharge manifold to remove water droplets in the gas flow path. Hereinafter, a configuration in which a fan structure 68 as a water removing device is provided in the oxidizing gas discharge manifold 59 will be described as a second embodiment.
[0079]
FIG. 12 is a partially exploded perspective view schematically illustrating the configuration of the fuel cell 20a according to the second embodiment. The fuel cell 20a does not include the slit structure 60 in the oxidizing gas supply manifold 58, but includes a fan structure 68 described later in the oxidizing gas discharge manifold 59. Other configurations are the same as those of the first embodiment. Since the fuel cell 20 has the same configuration as that of the fuel cell 20, members common to both are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0080]
FIG. 12 shows the fuel cell 20a in which the current collector plates 36 and 37 are cut between the separators 30 adjacent thereto, and the fuel cell 20a is further cut at the center of the oxidant gas discharge manifold 59 in the direction in which the oxidant gas discharge manifold 59 penetrates. It shows a state of cutting in parallel. As shown in FIG. 12, the fan structure 68 is a structure provided in the oxidizing gas discharge manifold 59 of the fuel cell 20a, and has a center shaft 90 and an impeller 92 as main components.
[0081]
First, the configuration of the fan structure 68 will be described. The center shaft 90 is rotatably mounted on a mounting portion 69 provided at a predetermined position on the current collector plates 36 and 37, and is substantially parallel to the stacking direction of the stack structure 24 at a substantially central portion of the oxidizing gas discharge manifold 59. Are located. A plurality of impellers 92 are provided on the center shaft 90 at predetermined intervals, and the respective impellers 92 are arranged symmetrically about the center shaft 90. Here, the predetermined interval at which the impeller 92 is provided corresponds to the distance between the individual cells 22 constituting the fuel cell 20a. The impeller 92 has a structure in which three blades 94 are formed at equal intervals on the circumference of a shaft 93. The shaft 93 has a positional relationship orthogonal to the center shaft 90 and is rotatably engaged with the center shaft 90 in a gear box 97 described later.
[0082]
FIG. 13 is a schematic diagram showing a state of a connection portion between the center shaft 90 and the shaft 93. A gear box 97 is provided at the connection between the center shaft 90 and the shaft 93. The gear box 97 is constituted by a predetermined quip shaft gear composed of a gear provided on the center shaft 90 and a gear provided on the shaft 93, and transmits each rotational force between the shaft 93 and the center shaft 90. It is possible. Therefore, when one of the shaft 93 and the center shaft 90 rotates, the other also rotates. Here, the distance between the gearboxes corresponds to the distance between the individual cells 22 constituting the fuel cell 20a, and corresponds to the position where the impeller 92 is mounted. In the gear box 97, when the gear provided on the center shaft 90 and the gear provided on the shaft 93 rotate while engaging with each other, the blades 94 provided on both ends of the gear on the shaft 93 rotate in the same direction at the same speed.
[0083]
During operation of the fuel cell 20a having the fan structure 68 configured as described above, the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply manifold 58 is supplied from the oxidizing gas passage 35P through each single cell to the oxidizing gas discharge manifold. The impeller 92 is rotated by the pressure of the oxidizing gas. Since the respective impellers 92 are linked to each other by the gear box 97 as described above, all the impellers 92 included in the fuel cell 20a rotate equally.
[0084]
Next, the operation of such a fan structure 68 for removing water will be described. FIG. 14 is a perspective view schematically illustrating a state in which water droplets W are staying at the outlet from the oxidizing gas flow path 35 </ b> P to the oxidizing gas discharge manifold 59. The water produced on the anode side by the above-described battery reaction and the condensed water condensed in the oxidizing gas flow path 35P reach the outlet to the oxidizing gas discharge manifold 59 through the oxidizing gas flow path 35P, and then reach the surface. In some cases, the water droplets stay at the spot while being formed due to the tension, and may block the outlet to the oxidizing gas discharge manifold 59 as shown in FIG. FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a water droplet W blocks the outlet to the oxidizing gas discharge manifold 59 as in FIG.
[0085]
When the pressure of the oxidizing gas acts on the impeller 92 as described above, the impeller 92 rotates in the direction of the arrow shown in FIG. 15 according to the pressure of the oxidizing gas, and the rotating blade 94 oxidizes the water droplet W at this time. Flick it into the gas exhaust manifold 59. By the rotation of the impeller 92 in this manner, water droplets staying at the outlet from the oxidizing gas flow path 35P to the oxidizing gas discharge manifold 59 are removed. Here, in order to effectively remove water droplets held at the outlet portion of the oxidizing gas flow path 35P, the impeller 92 is moved out of the oxidizing gas flow path 35P within a range that does not hinder the rotation of the impeller 92 itself. It is preferable to provide it near the part.
[0086]
In the fuel cell 20a configured as described above, the fan structure 68 provided in the oxidizing gas discharge manifold 59 removes water droplets generated at the outlet of the oxidizing gas passage 35P. There is no possibility that the cell performance of the fuel cell 20a will be degraded. In the fuel cell 20a of this embodiment, since the impeller 92 is provided for each single cell, water droplets are similarly removed even when the outlet of any of the oxidizing gas channels 35P is closed. be able to. Since the fan structure 68 is stored in the oxidizing gas discharge manifold 59, the provision of the fan structure 68 does not increase the size of the fuel cell 20a.
[0087]
Here, since each impeller 92 constituting the fan structure 68 is driven by the pressure of the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flow path 35P, there is no need to provide a special device to rotationally drive the impeller 92. No energy is consumed for rotational driving. At this time, since each impeller 92 has a structure that rotates in conjunction with the gear box 97, the impeller provided in a region where the outlet portion is blocked by water droplets and the flow of the oxidizing gas is obstructed. Also at 92, the rotational force of the other impeller 92 is transmitted, and the impeller can rotate sufficiently to remove water droplets. Furthermore, since each impeller 92 is constantly driven to rotate by the pressure of the oxidizing gas during the operation of the fuel cell 20a, water droplets generated at the outlet of the oxidizing gas passage 35P can be immediately removed. In addition, the outlet of the oxidizing gas flow path 35P can always be kept in a state where water droplets are removed.
[0088]
Further, in the fuel cell 20a of the present embodiment, an impeller 92 having a blade 94 is provided as a water droplet removing means installed in the oxidizing gas discharge manifold 59. The shape of the blade 94 is shown in FIG. It does not need to be plate-like. A configuration in which the tip of the blade 94 is formed in a comb tooth shape or a configuration in which a fiber having a predetermined hardness is planted around the shaft 93 instead of the blade 94 to form the impeller 92 in a brush shape is also possible. It is sufficient that the impeller 92 can be driven to rotate by the oxidizing gas and can scrape out water droplets at the outlet of the oxidizing gas flow path 35P.
[0089]
Further, in the fuel cell 20a of the second embodiment, a configuration in which a slit structure 60 similar to that of the first embodiment is further provided in the oxidizing gas supply manifold 58 is also suitable. In such a case, the fan structure 68 normally removes water droplets that block the outlet of the oxidizing gas flow path 35P, and the generated water or condensed water blocks the flow path inside any one of the single cells 22 to reduce the battery performance. Is reduced, the slit structure 60 operates. Due to the operation of the slit structure 60, the flow rate and pressure of the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas flow path 35P temporarily increase, and the generated water and condensed water closing the flow path are located near the outlet of the oxidizing gas flow path 35P. It is blown away. By increasing the flow rate and pressure of the oxidizing gas in this way, the rotation speed of the impeller 92 of the fan structure 68 also increases, and the generated water and condensed water blown off by the oxidizing gas are quickly moved to the oxidizing gas discharge manifold 59 side. Is discharged.
[0090]
In the fuel cell 20a of the second embodiment, the fan structure 68 is provided in the oxidizing gas discharge manifold 59, but a similar fan structure may be provided in the fuel gas discharge manifold 57. With such a configuration, when the water vapor in the humidified fuel gas condenses in the fuel gas passage 34P and closes the outlet of the fuel gas passage 34P, the rotating impeller removes water droplets. Blockage of the flow path can be eliminated.
[0091]
At this time, if the slit structure 60 is provided in the fuel gas supply manifold at the same time, generated water and condensed water in the fuel gas flow path 34P can be more effectively removed. In the fuel cell 20a, since the fuel gas flow path 34P is formed in the horizontal direction, water droplets generated in the fuel gas flow path 34P are not carried to the outlet of the fuel gas flow path 34P by gravity. Therefore, the fan structure 68 removes the water droplets in the fuel gas flow path 34P by increasing the flow rate and pressure of the oxidizing gas by the operation of the slit structure 60 and positively transporting the water droplets to the outlet of the fuel gas flow path 34P. The effect can be enhanced. Further, as the flow rate and pressure of the fuel gas are increased by the operation of the slit structure 60, the rotation speed of the impeller 92 is also increased, and the effect of the fan structure 68 for removing water droplets is improved.
[0092]
In the fuel cell 20a of the second embodiment, the fan structure 68 is driven by the pressure of the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas flow path 35P. However, a configuration in which a driving device for driving the fan structure 68 is also preferable. is there. Hereinafter, as a third embodiment, a fuel cell 20b including a fan structure 68b driven by a motor 67 will be described. Here, the fuel cell 20b of the third embodiment has the same configuration as that of the fuel cell 20a of the second embodiment except that the fan structure 68b is driven by the motor 67. However, detailed description is omitted.
[0093]
The fuel cell 20b has the same configuration as the fuel cell 20a shown in FIG. 12, but includes a motor 67 at a mounting portion 69 that rotatably supports the shaft 93, and the shaft 93 can be driven by the motor 67. It has become. The motor 67 is connected to a predetermined power source outside the fuel cell 20b, and obtains necessary power. Alternatively, the motor 67 may be connected to the fuel cell 20b so that the motor 67 uses the output from the fuel cell 20b. Here, similarly to the motor 66 provided in the fuel cell 20 of the first embodiment, the motor 67 is driven when a predetermined control unit determines that the cell performance has been reduced due to water droplets in the flow path. You.
[0094]
When the shaft 93 is rotationally driven by the motor 67, this rotational force is transmitted to each impeller 92 via the gear box 97, and drives these impellers 92 to rotate. By the operation of the gear box 97, the respective impellers 92 rotate at the same speed in synchronization with each other. When the impeller 92 rotates, water drops generated at the outlet of the oxidizing gas flow path 35P are scraped out to the oxidizing gas discharge manifold 59 side by the impeller 92, as in the case of the second embodiment shown in FIG.
[0095]
According to the fuel cell 20b of the third embodiment having such a configuration, the impeller 92 is provided for each single cell, similarly to the fuel cell 20a of the second embodiment. Even when the outlet portion is closed, water droplets can be removed in the same manner. Since the fan structure 68b is stored in the oxidizing gas discharge manifold 59, the provision of the fan structure 68b does not increase the size of the fuel cell 20b. Furthermore, in the fuel cell 20b of the third embodiment, since the center shaft 90 is rotated using the motor 67, it is possible to rotate the impeller 92 at an arbitrary speed and adjust the strength of the force to repel water drops. it can. Of course, the fan structure 68b may be provided in the fuel gas discharge manifold 57 to discharge water droplets generated at the outlet of the fuel gas flow path 34P.
[0096]
When the fan structure 68b is provided in the fuel gas discharge manifold 57, water droplets can be more advantageously removed in the fuel gas flow path 34P facing in the horizontal direction. In the fan structure 68b, the impeller 92 is rotationally driven by the motor 67, so that the impeller 92 is rotated by a larger force than when the impeller 92 is rotated by the pressure of the supplied gas as in the fan structure 68 of the second embodiment. The impeller 92 can be rotated. That is, it is possible to rotate the impeller 92 faster by applying a greater driving force than when rotating by the pressure of the supplied gas, and to forcibly discharge the fuel gas from the fuel gas flow path 34P. Therefore, it becomes possible to positively suck out water droplets in the fuel gas flow path 34P facing in the horizontal direction, and to flip and remove the water drops at the outlet of the fuel gas flow path 34P.
[0097]
Further, when a structure for driving the fan structure 68b by the motor 67 is provided, it is advantageous not only for removing water droplets in the horizontally oriented flow path as described above, but also for warming up the fuel cell during startup. During operation of the machine, there is an effect that water and condensed water remaining in the gas flow path in the single cell 22 can be effectively discharged. When the power generation by the fuel cell 20b is completed, the supply of the fuel gas and the oxidizing gas is stopped. However, when the power generation is stopped, the temperature inside the fuel cell 20b decreases. Can be When the temperature decreases, the saturated vapor pressure decreases, so that the water vapor in the fuel gas and the oxidizing gas remaining in the fuel cell 20b condenses and generates water droplets in the gas flow path. The water droplets generated in this way block the gas flow path when trying to start the fuel cell 20b again, thereby preventing gas diffusion.
[0098]
Here, if the fan structure 68b driven by the motor 67 is provided in the gas discharge manifold, the impeller 92 is forcibly driven to rotate by the motor 67, whereby water droplets are discharged from the gas flow path in the single cell 22. Water can be sucked out and blown off to the gas discharge manifold side to remove water droplets that have blocked the flow path. If fan structures 68b are provided in both the oxidizing gas supply manifold 58 and the fuel gas discharge manifold 57, when the fuel cell is started, the water droplets condensed in each flow path in the fuel cell by driving each motor 67. Can be removed simultaneously.
[0099]
Further, in the fuel cell system including the fuel cell 20b of the third embodiment, when the system is started or at a low load, the oxygen in the atmosphere can be directly used as the oxidizing gas by opening the oxidizing gas supply manifold 58 to the atmosphere. It becomes possible. Hereinafter, such a fuel cell system 26 will be described as a fourth embodiment. When the fuel cell system is started or the load is low, the progress of the cell reaction is at a low level, so that it is not necessary to supply pressurized oxygen to the anode side to supply a large amount of oxygen. The fuel cell system 26 has a configuration in which outside air is taken in as oxidizing gas by using the suction force of the fan structure 68b. FIG. 16 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system 26.
[0100]
In the fuel cell system 26 of the fourth embodiment including the fuel cell 20b of the third embodiment, the oxidizing gas hole 44 opened in the oxidizing gas supply manifold 58 and the oxidizing gas supply described above connected to the oxidizing gas hole 44 are provided. A three-way valve 98 for switching the flow path is provided between the apparatus and the apparatus. Further, a three-way valve 99 for switching the flow path is provided between the oxidizing gas hole 45 and the above-described oxidizing gas discharging device connected to the oxidizing gas hole 45. When the system is started or when the load is low, the three-way valves 98 and 99 are operated to switch the flow paths, and the oxidizing gas supply manifold 58 and the oxidizing gas discharge manifold 59 are opened to the outside air. When the oxidizing gas flow path is thus opened to the outside air, the motor 67 is driven to rotate the impeller 92, and air is supplied to the anode by the suction force accompanying the rotation of each impeller 92. The pressure of the air supplied to the anode side can be adjusted by controlling the number of rotations of the motor 67.
[0101]
In a polymer electrolyte fuel cell, oxidizing gas may be humidified by supplying a pressurized oxidizing gas to the anode side to prevent the electrolyte membrane surface from drying out. In this case, the pressure of the oxidizing gas is low because the outside air is sucked and used, and it is not necessary to consider such drying of the electrolyte membrane. Therefore, it can be handled by the water vapor contained in the atmosphere.
[0102]
According to the fuel cell system 26 having such a configuration, when the cell reaction is at a low level and the amount of oxygen consumed at the anode is small, energy is wasted due to pressurization and humidification of the oxidizing gas. There is no. Further, such a configuration in which the outside air is directly used as the oxidizing gas prevents the water vapor from condensing in the gas passage when the temperature in the fuel cell 20b is not sufficiently increased, such as at the time of starting the system. It also has the effect of preventing. If the humidified oxidizing gas or the oxidizing gas whose temperature has been increased by pressurization is fed into the fuel cell 20b while the temperature inside the fuel cell 20b is low, the oxidizing gas may be cooled down inside the fuel cell 20b and condensation of water vapor may occur. When the air is directly supplied, the temperature inside the fuel cell 20b is higher than the outside air, and thus such condensation of water vapor does not occur. Also, when the load on the fuel cell 20b is reduced and the temperature inside the fuel cell 20b is lowered, the outside air is also directly used to prevent condensation of water vapor due to a decrease in saturated vapor pressure and pressurization of the oxidizing gas. Energy required for the operation can be reduced.
[0103]
The fuel cells of the first to third embodiments described above are particularly advantageous when used as a power source for transportation, such as when the fuel cell is mounted on a vehicle as a power source for driving a vehicle. In the electric vehicle equipped with the fuel cell 20 of the first embodiment, it is not necessary to increase the pressure of the gas supplied to blow off the water droplets inside the single cell 22, so that it is not necessary to reinforce the pipes in a large size. Since the device for removing the gas is provided in the gas manifold, the size of the device itself does not increase. Such a configuration that suppresses an increase in size is particularly preferable when the vehicle is mounted on a vehicle where there is a strict restriction on the installable area. Further, when the slit structure 60 is provided in the fuel gas supply manifold 56, it is possible to remove water droplets in the flow path without increasing the amount of fuel gas to be supplied. Is not consumed. An increase in the amount of fuel gas consumed without being used for the battery reaction leads to a reduction in the travel distance of the vehicle. However, by providing the slit structure 60 in the fuel gas supply manifold 56, the fuel can be reduced without reducing the travel distance. Water drops in the battery can be removed.
[0104]
When the fuel cell 20a according to the second embodiment or the fuel cell 20b according to the third embodiment is mounted on a vehicle, water drops are removed by a fan structure 68 provided in a gas manifold. The effect is obtained that the drainage efficiency is not greatly affected by the inclination. Since the drainage is caused by the suction and the scraping due to the rotational force of the impeller 92, even when the vehicle is inclined, the water droplets can be sufficiently removed.
[0105]
In the above-described embodiment, the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell. However, the present invention is not limited to the polymer electrolyte fuel cell, and the generated water and condensed water generated inside the fuel cell having a stack structure can perform a cell reaction. The present invention can be applied to other fuel cells (for example, a phosphoric acid fuel cell or the like) that inhibit the same, and the same effect can be obtained.
[0106]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments at all, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially exploded perspective view showing a configuration of a fuel cell 20 according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating a configuration of a stack structure 24.
FIG. 3 is a perspective view illustrating an appearance of a stack structure 24. FIG.
FIG. 4 is a perspective view illustrating an appearance of a slit structure 60.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing operations of a cam portion 62 and a slit structure 60.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing operations of a cam portion 62 and a slit structure 60.
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating operations of a cam portion 62 and a slit structure 60.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing operations of the cam portion 62 and the slit structure 60.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the operation of the slit plates 74 and 84.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing operations of slit plates 74 and 84.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing operations of slit plates 74 and 84.
FIG. 12 is a partially exploded perspective view illustrating a configuration of a fuel cell 20a according to a second embodiment.
FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a gear box 97.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing a state in which water droplets stay at an outlet of an oxidizing gas flow path 35P.
FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing a state in which water droplets stay at an outlet of an oxidizing gas flow path 35P.
FIG. 16 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 26 according to a fourth embodiment.
FIG. 17 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a single cell 22.
[Explanation of symbols]
20, 20a, 20b ... fuel cell
22 Single cell
24 ... Stack structure
26 ... Fuel cell system
30 ... separator
31 ... Electrolyte membrane
32 ... Anode
33 ... Cathode
34, 35 ... separator
34P ... Fuel gas flow path
35P: Oxidizing gas flow path
36, 37 ... current collector
36A, 37A ... output terminal
38, 39 ... insulating plate
40, 41 ... end plate
42, 43, 50, 51 ... fuel gas holes
44, 45, 52, 53 ... oxidizing gas holes
54, 55 ... rib
56… Fuel gas supply manifold
57 ... Fuel gas exhaust manifold
58 oxidizing gas supply manifold
59 ... Oxidizing gas discharge manifold
60 ... Slit structure
62 ... Cam part
64 ... Rotary axis
66, 67 ... motor
68, 68b ... fan structure
69… Mounting part
70: 1st slit part
71: first end
72 ... first shaft
73 ... First cam
73a, 83a ... sharp end
73b, 83b ... blunt end
74, 84 ... Slit plate
75, 85… Slit
76,86 ... Support
77 ... 1st spring
78: first holding unit
79: first fixing portion
80: Second slit part
81: second end
82: Second shaft
83 ... second cam
87 ... second spring
88: second holding portion
89: second fixing portion
90 ... Center shaft
92 ... impeller
93 ... axis
94 ... feather
97 ... Gear box
98,99… Three-way valve

Claims (7)

単セルを複数積層したスタック構造を備え、前記単セルの各電極に対してガスの供給を受け、前記ガス中の所定の成分を用いた電気化学反応によって起電力を得る燃料電池装置において、
前記スタック構造内部において該スタック構造の積層方向に貫通して形成され、前記各単セル内部に設けられたガス流路に対して前記ガスを供給するガス供給マニホールドと、
該ガス供給マニホールドから前記各単セルに至るガスの流路において、前記単セル内ガス流路の一部に対して前記ガスの供給を一時的に停止するガス分配手段と
を備えた燃料電池装置。A fuel cell device comprising a stack structure in which a plurality of single cells are stacked, receiving gas supply to each electrode of the single cell, and obtaining an electromotive force by an electrochemical reaction using a predetermined component in the gas,
A gas supply manifold formed inside the stack structure and penetrating in the stacking direction of the stack structure, and supplying the gas to a gas flow path provided inside each of the single cells;
A gas distribution unit for temporarily stopping supply of the gas to a part of the gas flow path in the single cell in a gas flow path from the gas supply manifold to each of the single cells; . 請求項１記載の燃料電池装置において、
前記単セル内ガス流路の一部は、すべての単セル内ガス流路を複数のグループに分割した中の一つであり、
前記ガス分配手段は、前記複数のグループを順次切り替えて、前記ガスの供給を一時的に停止する前記単セル内ガス流路を変更しながら前記ガス分配を行なうガス分配切り替え手段である
燃料電池装置。The fuel cell device according to claim 1,
Part of the gas flow path in the single cell is one of all gas flow paths in the single cell divided into a plurality of groups,
The fuel cell device, wherein the gas distribution unit is a gas distribution switching unit that sequentially switches the plurality of groups and distributes the gas while changing the gas flow path in the single cell for temporarily stopping the gas supply. . 単セルを複数積層したスタック構造を備え、前記単セルの各電極に対してガスの供給を受け、前記ガス中の所定の成分を用いた電気化学反応によって起電力を得る燃料電池装置において、
前記スタック構造内部において該スタック構造の積層方向に貫通して形成され、前記各単セル内部に設けられたガスの流路から排出された前記ガスを、前記燃料電池装置外部に導くガス排出マニホールドと、
該ガス排出マニホールドと前記単セル内ガス流路との接続部位に可動部材を有し、該可動部材の動きによって、前記接続部位に滞留する水滴を前記ガス排出マニホールド側に掻き出す水滴除去手段と
を備えた燃料電池装置。A fuel cell device comprising a stack structure in which a plurality of single cells are stacked, receiving gas supply to each electrode of the single cell, and obtaining an electromotive force by an electrochemical reaction using a predetermined component in the gas,
A gas discharge manifold formed inside the stack structure to penetrate in the stacking direction of the stack structure and guide the gas discharged from a gas flow path provided inside each unit cell to the outside of the fuel cell device; ,
A movable member at a connection portion between the gas discharge manifold and the gas flow path in the single cell; Equipped fuel cell device. 請求項３記載の燃料電池装置であって、
前記水滴除去手段は、
前記各単セル内ガス流路と前記ガス排出マニホールドとの接続部位において回転自在に支持され、複数設けられたファンと、
該複数設けられたファンを互いに連動して回転させる駆動機構と
を備えた燃料電池装置。The fuel cell device according to claim 3, wherein
The water droplet removing means,
A rotatably supported fan at a connection portion between each of the single-cell gas flow paths and the gas discharge manifold, and a plurality of provided fans;
A drive mechanism for rotating the plurality of fans in conjunction with each other. 前記ファンは、前記各単セル内ガス流路から排出されるガスの圧力によって回転駆動される請求項４記載の燃料電池装置。The fuel cell device according to claim 4, wherein the fan is driven to rotate by a pressure of gas discharged from each of the gas flow paths in the single cell. 前記ファンは、所定の動力源を備えたモータによって回転駆動される請求項４記載の燃料電池装置。The fuel cell device according to claim 4, wherein the fan is driven to rotate by a motor having a predetermined power source. 請求項６記載の燃料電池装置であって、
前記ファンが設けられた前記接続部位は、前記各単セル内部の陽極側に設けられた酸化ガス流路と、該酸化ガス流路から排出された酸化ガスを前記燃料電池装置外部に導く酸化ガス排出マニホールドとの接続部位であって、
前記ファンは、前記モータによって所定の回転力が与えられたときに、前記各単セル内部に設けられた酸化ガス流路内を負圧にすることができる構成を有し、
前記燃料電池装置に対して前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、
前記燃料電池装置と前記酸化ガス供給装置とを接続する流路に設けられ、前記燃料電池装置との接続を前記酸化ガス供給装置と外気との間で切り替え可能な弁体と、
前記燃料電池装置の運転状況が所定の状況となった時に、前記弁体を切り替えて前記燃料電池装置の陽極側を外気と連絡させる酸化ガス流路切り替え制御手段と
を備える燃料電池装置。The fuel cell device according to claim 6, wherein
The connection portion provided with the fan includes an oxidizing gas passage provided on the anode side inside each of the single cells, and an oxidizing gas for guiding the oxidizing gas discharged from the oxidizing gas passage to the outside of the fuel cell device. The connection part with the discharge manifold,
The fan has a configuration in which when a predetermined rotational force is given by the motor, the inside of the oxidizing gas flow path provided inside each of the single cells can be set to a negative pressure,
An oxidizing gas supply device that supplies the oxidizing gas to the fuel cell device;
A valve body that is provided in a flow path that connects the fuel cell device and the oxidizing gas supply device, and that can switch a connection with the fuel cell device between the oxidizing gas supply device and outside air;
A fuel cell device comprising: an oxidizing gas flow path switching control unit that switches the valve body to connect the anode side of the fuel cell device to the outside air when an operation state of the fuel cell device becomes a predetermined state.

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