JP2003059514A - 燃料電池及びその動作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な構造でガス流路に蓄積された水を除去す
ることができる簡単な構造の空気給排気機構により空気
を発電セルに給排気し、安定した発電を連続して行うこ
とが出来る燃料電池を提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明は、燃料電池は、空気給排気管に
配設されたスパイラル状の溝部を有する円柱を回転させ
ることにより、発電セル毎に供給される空気量を順次増
加させることができるとともに、空気圧を順次高めるこ
とにより水を除去することができる。このとき、各発電
セルには常に一定量以上の空気が供給され、安定して発
電を行うことが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電セルが積層さ
れたスタック型の燃料電池及びその動作方法に関する。
更に詳しくは、空気極に発生する水を発電セル毎に順次
除去することができる空気給排気機構を備えるスタック
型の燃料電池及びその動作方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気化学的に水素と酸素を反応させるこ
とにより電気エネルギーを取り出す燃料電池は、その高
機能化の要求が高まる一方、更なる小型軽量化が求めら
れている。このような燃料電池は、内燃機関等、今日の
主流である化石燃料エネルギーの代替として脚光を浴び
ている。燃料電池を構成する発電セルの単位発電セルか
ら得られる電圧は小さいため、通常は複数枚のセルを積
層して燃料電池を構成し、必要な電気エネルギーを得る
ことが出来るよう設計される。

【０００３】発電セルは、通常、燃料である水素ガスと
酸素ガスを供給する供給管に対して、並列に配設された
ガス流路を有し、水素ガスと空気を供給するそれぞれの
給気管から水素ガス、酸素ガスが供給される。また、発
電セルから排出されるガスも排出管に対して並列に設け
られたガス流路から排出管に排出される。

【０００４】図６は、従来型の空気給排気装置を有する
燃料電池の構造を簡略的に示した図であり、空気供給側
のみについて示した簡略構造図である。空気供給管１０
３に対して並列に接続されたガス流路１０２に空気が供
給される。さらに、ガス流路１０２から発電セル１０１
に空気が供給され、各発電セル１０１を通った空気は空
気排出管１０４から外部に排出される。図７は、図６に
示した従来型の空気給排気装置を有する燃料電池の構造
の簡略図である。この従来型の空気給排気装置を有する
燃料電池は、概ね空気供給管１０３、複数の発電セル１
０１、ガス流路１０２及び空気排出管１０４の四種類の
要素から構成され、空気供給管１０３から同時に空気を
各発電セル１０１に供給することにより所要の電気エネ
ルギーを取り出すことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、エネルギー
供給装置は、小型で高性能、且つ、動作中の性能劣化が
抑制されるよう設計されることが重要である。前述のよ
うな構造の燃料電池をエネルギー供給装置として用いた
場合、水素と酸素の反応により、酸素が供給される空気
極側では副生成物として水が生成されるため、酸素を含
む空気を発電セルに供給した際の空気の流れが阻害され
る場合がある。よって、ガス流路へ円滑に空気を供給す
るとともに、水を除去することが重要になる。

【０００６】発電を連続して行う過程において、副生成
物である水がガス流路を流れる空気の障害となり、安定
した発電が行われず、電気エネルギーが十分に取り出さ
れない場合がある。安定して発電を行うためには、空気
供給管１０３から十分な空気をガス流路１０２に供給す
ることも考えられる。しかし、積層される発電セル１０
１の数が多くなると、空気供給管１０３から供給される
空気量に対して一つの発電セル１０１に供給される空気
量の割合が小さくなり、確実に水を排出するには多くの
空気を空気供給管１０３からガス流路１０２へ供給しな
ければならない。前記水を除去するために十分な空気量
を空気供給管１０３からガス流路１０２に供給するため
には、燃料電池を構成する部品等のサイズアップを招
き、小型で高性能の燃料電池を作製することは困難であ
った。

【０００７】空気を供給することによりガス流路１０２
に蓄積される水を確実に排出するためには、図８に示す
ように、ガス流路１０２の入り口に発電セル１０１毎に
独立して動作するバルブ１０５を設け、そのバルブ１０
５の開閉を時分割で行う。バルブ１０５を開閉すること
により発電セル１０１毎に空気を供給すれば、バルブ１
０５を開けた時点においてその発電セル１０１にだけ空
気供給を行うことができ、水を排出することができる。
しかし、発電セル１０１毎にバルブ１０５を配設するこ
とは複雑な構造と部品点数の増加という欠点を招き、更
に、バルブ１０５が閉じられた発電セル１０１には空気
の供給が行われず、安定な発電を行うことができない。

【０００８】また、図９に示すように、常に一定の空気
量を供給するためにバルブ１０５と並列にバイパスライ
ン１０６を設けることにより水を排出しながら一定の空
気量をすべての発電セル１０１に供給する空気供給装
置、及び、図１０に示すように、空気供給管１０３を空
気供給管１０３ａ、１０３ｂの２系統に分けて空気を供
給する空気供給装置が考えられる。これらの空気供給装
置であれば、すべての発電セル１０１に対して常に十分
な空気を供給することが可能であり、且つ水素と酸素が
結合することにより生成される水をガス流路１０２から
除去することができる。しかし、空気供給装置の構造が
複雑になり、実用的な燃料電池には適さない。また、よ
り多くの電気エネルギーを取り出す場合には、ガス流路
１０２に蓄積される水も増加し、ガス流路１０２内を空
気が円滑に流れることが困難になり、安定した発電が行
うことが出来ない。

【０００９】よって、本発明は、簡単な構造でガス流路
１０２に蓄積された水を除去することができる空気給排
気機構により発電セルに空気を給排気し、安定して発電
を行うことができる燃料電池及びその動作方法を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池は、発
電セルと、発電セルに空気を給排気する空気給排気機構
とを備え、更に、この空気給排気機構が、発電セルにお
いて給排気される空気の圧力を間欠的に変化させる圧力
制御手段を有することを特徴とする。

【００１１】本発明の燃料電池の発電セルに空気を給排
気する空気給排気機構は、スパイラル状の溝部を設けた
円柱を空気供給管内に配置した構造を有する。空気供給
管の内壁と円柱の表面との間には、一定量の空気を発電
セルに供給することができるギャップが形成され、円柱
を回転させると、定常時にガス流路に供給される空気量
を超える空気が溝部を通して各発電セルに供給される。
空気供給管と発電セルを繋ぐガス流路に供給される空気
量が増加したことによりガス流路内の空気圧が上昇し、
発電セル内に発生した水を排出することができる。

【００１２】本発明の燃料電池の圧力制御手段は、表面
にスパイラル状の溝部が形成された円柱を回転させるこ
とにより、各発電セルに供給される空気量を円柱の回転
周期で増加させることができ、発電セルに給排気される
空気の圧力を間欠的に変化させることができる。一定量
で供給される空気量及び円柱の回転周期で増加し各発電
セルへ供給される空気量は、空気供給管と円柱とのギャ
ップの断面積と、円柱に形成した溝部の断面積を変える
ことにより、所要の大きさにすることができる。また、
円柱を回転させる軸回転用モーターの回転数を変えるこ
とにより、各発電セルに供給する空気量を増加させる周
期を変えることができる。円柱の回転周期を変えること
ができるので、燃料電池で発電を行う際の様々な条件に
応じて最適な運転条件を設定することができる。

【００１３】また、本発明の燃料電池の動作方法は、所
定の圧力で空気を給排気する低圧給排気過程と、この低
圧給排気過程よりも高圧で空気を給排気する高圧給排気
過程とにより、発電セルにおいて給排気される空気の圧
力を間欠的に変化させながら燃料電池を動作させること
を特徴とする。空気供給管に対して発電セルが並列に配
置されたスタック構造の燃料電池においては、共通の空
気給排気管を通して空気の給気と排気に圧力差を設ける
ことにより、空気給排気管に対して並列に配置された発
電セル内に発生する水を除去することが出来る。

【００１４】

【発明の実施の形態】空気が供給されるガス流路に円滑
に空気を流すとともに安定した発電を行うことができる
空気給排気機構を備えた燃料電池について図面を用いて
詳細に説明する。

【００１５】先ず、図１に本実施形態の燃料電池の透視
平面図を示す。燃料電池は所要の電力を発電するための
発電セルが積層されて構成される。積層された発電セル
１０１の端面に端板１２を配設し、燃料電池が構成され
る。

【００１６】端板１２の形状は薄い板状であり、本実施
形態では外形は略矩形状であるが、矩形状に限定され
ず、積層された発電セルと略同じ形状であればよく、発
電セルの形状に応じて円形、三角形、その他の多角形状
にすることもできる。端板１２には、空気供給口１３、
空気排出口１４、水素供給口１５及び水素排出口１６が
設けられ、これらを通して燃料である水素ガスと空気が
給排気される。尚、本実施形態では、端板１２の四隅に
空気、水素の給排出口が設けられているが、上記給排出
口が配設される位置は端板１２の四隅に限定されず、端
板１２の所要の位置に設けることできる。

【００１７】空気供給口１３から酸素が反応する発電セ
ル１０１の反応領域に空気を供給するためのガス流路１
７が発電セルに形成されている。ガス流路１７は空気排
出口１４に通じており、ガス流路１７を通して空気の供
給と反応後の空気の排出が行われる。本実施形態の燃料
電池では、各発電セル１０１に対して共通の空気供給口
１３と空気排出口１４から空気の給排気が行われる。ま
た、高い効率で発電を行うためには、ガス流路の形状や
断面積は、要求される発電能力に合わせて設計される。
尚、ガス流路１７は後述する発電セル１０１を構成する
セパレータ２７の片面に形成されており、図１には、ガ
ス流路１７の形状が容易に理解できるように端板１２を
透視した透視平面図を示した。また、端板１２に設けら
れた水素供給口１５と水素排出口１６のガス流路１８
（図示せず）も空気の流路であるガス流路１７と同じく
要求される発電能力に合わせて設計される。

【００１８】図２に、発電セル１０１を積層して構成さ
れる燃料電池の構造図である断面構造図を示す。尚、図
２は発電セル１０１が積層された燃料電池の一部につい
て示した断面構造図である。発電セル１０１は、セパレ
ータ２１、水素拡散層２２、水素ガスが水素イオン化さ
れるのを補助する触媒膜２３、プラスに帯電した水素イ
オンを移動させるための電解質である固体高分子膜２４
が積層され、さらに、触媒２３が成膜され、固体高分子
膜２４の反対側の面に成膜される触媒膜２５、酸素拡散
層２６、及びセパレータ２７が積層して接合されること
により形成される。この単位発電セル１０１が多数積層
されて燃料電池が構成される。このとき、水素拡散層２
２と触媒膜２３が接合されて構成される部分が燃料極２
８となり、酸素拡散層２６と触媒膜２５が接合されて構
成される部分が空気極２９となる。

【００１９】セパレータ２１には、水素供給口１５から
供給される水素ガスの流路であるガス流路１８が設けら
れる。本実施形態では、ガス流路１８の断面形状は矩形
であるが、矩形状に限定されず、半円形でも良く、ま
た、矩形状以外の多角形状であっても良い。また、セパ
レータ２１は発電セルを仕切る仕切り板であり、発電セ
ルを積層したときに水素と空気が混合するのを防止する
役割を有する。さらに、隣接する発電セル１０１を直列
に繋ぐための電子導電体の役割も有している。セパレー
タ２１を構成する材質は電子導電性が良好であり、且つ
水素と空気の混合を防止するような気密性が高い材質で
あれば良い。また、セパレータ２１の裏面には、隣接す
る発電セル１０１に空気を供給するための櫛型のガス流
路が設けられる。

【００２０】ガス流路１８は水素拡散層２２と触媒膜２
３で構成される燃料極２８の平面に水素ガスを供給でき
るように形成されていれば良い。高い発電効率を得るた
めには、水素ガスを効率よく燃料極１８の全面に供給で
きるようにガス流路１８を配設すれば良い。例えば、セ
パレータ２１の燃料極２８と接合される面に櫛型の流路
を形成すれば、水素ガスと接触する燃料極２８の面積を
大きくとることができ、効率よく発電を行うことができ
る。更に、ガス流路１８の幅を小さくするとともに、櫛
型に配設されるガス流路１８の繰り返しの間隔を小さく
すれば、さらに水素ガスと燃料極２８の接触面積を大き
くすることができ、高い発電効率が得られる。例えば、
本実施形態の場合、ガス流路１８は、その幅又は深さが
０．８ｍｍ程度に形成される。

【００２１】燃料極１８は、水素ガスを効率よく水素イ
オン化するための、水素拡散層２２と触媒膜２３が積層
されることにより形成される。水素拡散層２２は水素ガ
スが容易に透過し触媒膜２３に到達する材質や構造を有
していれば良い。例えば、水素拡散層２２は、水素ガス
を容易に透過するように微細な孔が設けられた多孔質の
カーボン膜を使用することができる。また、触媒膜２３
はＰｔなどの触媒作用を有する金属薄膜を固体高分子膜
１５の片側の面に一様に成膜し形成される。水素拡散層
２２と触媒膜２３が成膜された固体高分子膜１５を積層
するように接合し、燃料極２８が形成される。また、水
素拡散層２２に触媒膜２３を成膜しておき、予め燃料極
２８を形成し、燃料極２８と固体高分子膜１５を積層し
ても良い。

【００２２】固体高分子膜１５は燃料極２８から空気極
２９へ水素イオンを移動させるために設けられている。
本実施形態の場合、発電セル１０１が積層されて形成さ
れる燃料電池のサイズを小型化するために、発電セル１
０１の厚みは１〜２ｍｍ程度に形成される。このとき、
固体高分子膜１５の膜厚は数１０μｍ程度である。水素
ガスを燃料極２８に供給するとともに空気を空気極２９
に供給する際のガス圧の差により固体高分子膜１５の両
面に加わる圧力に差が生じ、固体高分子膜１５に負荷が
加わる。固体高分子膜１５は、その両面に加わる圧力に
よる差圧に耐えるのに十分な強度を有する。よって、固
体高分子膜１５を用いた燃料電池では、水素ガスや空気
のガス圧の制御や加圧が容易に行える利点がある。固体
高分子膜１５の材質は、例えば、水素イオン伝導性を有
するフッ素樹脂系スルホン酸膜を用いることができる。

【００２３】空気極２９は、酸素拡散層２６と触媒膜２
５が積層されて形成される。酸素拡散層２６は空気に含
まれる酸素が容易に透過する材質や構造を有していれば
良い。例えば、酸素拡散層２６は、酸素を容易に透過す
るように微細な孔が設けられた多孔質のカーボン膜を使
用することが出来る。また、触媒膜２５はＰｔなどの触
媒作用を有する金属薄膜を固体高分子膜１５に一様に成
膜して形成することができ、酸素拡散層２６と、触媒膜
２５が成膜された固体高分子膜１５を積層するように接
合したときに空気極２９が形成されれば良い。また、酸
素拡散層２６に触媒膜２５を成膜しておき、予め空気極
２９を形成しておいても良い。

【００２４】セパレータ２７には、空気供給口１３から
供給される空気の流路であるガス流路１７が設けられて
いる。本実施形態のガス流路１７の断面形状は矩形であ
るが、矩形状に限定されず、円形でも良く、また、矩形
状以外の多角形状であっても良い。ガス流路１７は酸素
拡散層２６と触媒膜２５の全面に効率良く空気を供給で
きるように配設されていれば良い。また、酸素拡散層２
６と触媒膜２５は接合されたときに空気極２９を構成す
る。空気を効率よく空気極２９に供給するためには、ガ
ス流路１７の幅を小さくし、櫛型に配設されるガス流路
１７の繰り返しの幅を小さくすれば良い。例えば、本実
施形態の場合、ガス流路１７の幅は０．８ｍｍ程度に形
成される。

【００２５】発電セル１０１が積層されて構成される発
電セル１０１の積層体の一方の端面に端板１２を接合し
て燃料電池が形成される。積層された発電セル１０１の
セパレータ２１、２７の裏面にはそれぞれ隣接する発電
セルに空気及び水素ガスを供給するためのガス流路が設
けられている。さらにセパレータ２１、２７は空気及び
水素ガスが透過しにくい気密性と電子導電性を有してい
るので発電セル１０１を積層することにより、各発電セ
ル１０１が直列に接続されることになる。発電セル１０
１一枚当たりで発生することができる電圧は１Ｖ以下で
あるが、発電セル１０１が直列に接続されることにより
燃料電池全体では高い電圧を外部に取り出すことができ
る。また、積層された発電セル１０１の両端には外部回
路に電力を取り出すための集電体が接合される。

【００２６】次に、図３に、本実施形態の燃料電池に使
用される空気給排気機構を示す。酸素を含む空気を供給
する空気供給管３５は円筒状の形状を有している。空気
供給管３５の一方の端部には空気供給管３５へ空気を供
給するための空気供給用ポンプ３１が繋がれている。他
方の端部は密封されており、該端部の中心に回転軸３３
を挿入するための挿入口３４が形成され、空気供給管３
５に供給された空気が漏れないように挿入口３４に回転
軸３３が挿入されている。回転軸３３は、空気供給管３
５の外部に設置される軸回転用モーター３２に接続さ
れ、軸回転用モーター３２から発生する回転力により回
転する。

【００２７】空気供給管３５の内部には、発電セル１０
１に供給される空気の空気量及び空気圧を調整するため
に空気供給管３５内の空気の流れの一部を遮蔽し、調整
するための円柱３６が配設されている。空気供給管３５
の断面形状は円形であり、空気供給管３５へ空気供給口
１３を介して空気供給用ポンプ３１から空気が供給され
る。空気供給管３５には、発電セル１０１に空気を送気
するための供給口３８が形成されている。供給口３８
は、発電セル１０１が配置された間隔毎に形成され、す
べての供給口３８は同じ形状で等しいサイズになるよう
に形成される。本実施形態では円形に形成されるが、供
給口３８のすべてが同じ形状、サイズで形成されていれ
ば良く、供給口３８の形状は円形に限定されず、矩形
状、三角形状、その他多角形状でも良い。

【００２８】空気供給管３５の内部に配設された円柱３
６は回転軸３３を介して軸回転用モーター３２の回転力
によりその長手方向に平行な軸を中心に回転する。円柱
３６の表面には、発電セル１０１に供給する空気の空気
量及び空気圧を選択的に調整することが出来る溝部３７
が形成されている。溝部３７は円柱３６の長手方向に沿
ってスパイラル状に形成され、円柱３６の端部からもう
一方の端部にかけて、円柱３６の全体に形成される。円
柱３６の断面の直径は空気供給管３５の断面の直径より
やや小さいサイズとし、円柱３６は空気供給管３５内で
円滑に回転することができる。

【００２９】供給口３８には、発電セル１０１に空気を
送気するためのガス流路１７が接続されており、空気供
給用ポンプ３１から送気された空気が空気供給管３５内
を通って供給口３８からガス流路１７に供給される構造
になっている。ガス流路１７に供給された空気は、櫛型
のガス流路１７を通り、酸素拡散層２６の表面に接触す
る。酸素拡散層２６は多孔質であり容易に酸素が透過す
るので、酸素拡散層２６の面全体に酸素が拡散しながら
その裏面に酸素が透過する。酸素は酸素拡散層２６を透
過し、触媒２５が成膜された固体高分子膜１５の表面付
近に到達する。このとき、ガス流路１７が櫛型に経路を
有しているので、酸素拡散層２６全体に酸素が容易に拡
散し、電気化学的反応が効率良く行われる。

【００３０】一方、電極セル１１に空気を供給するとと
もに、水素供給口１５からは一定の流量で水素ガスが水
素供給管５１を通して発電セル１０１の水素ガスのガス
流路１８に供給される。櫛型に配設されたガス流路１８
に供給された水素ガスは水素拡散層２２に拡散し、水素
拡散層２２の裏面に接合された触媒膜２３に到達する。
このとき、酸素拡散層２６に酸素が効率良く拡散するの
と同様に、ガス流路１８が櫛型に配設されているので、
水素ガスは効率よく水素拡散層２２に拡散し、触媒膜２
３の表面全体に到達する。触媒２３に到達した水素ガス
は、水素イオンとなって固体高分子膜１５中を移動し、
触媒膜２５と酸素拡散層２６で構成される空気極２９で
酸素と結合して水が形成される。

【００３１】酸素が減少した空気と、水素イオンと酸素
が結合して形成された水は、ガス流路１７を通って、ガ
ス流路１７に繋がる排出口４０から空気排出管４１に排
出される。空気排出管４１は円筒形であり、端部は密閉
され、他方の端部には空気排出口１４が開口している。
空気排出管４１に排出された使用済みの空気と発電によ
り発生した水が空気排出口１４から燃料電池の外部に排
出される。このとき、ガス流路１７に供給される空気の
空気圧が低いと水が排出されない場合がある。特に、発
電量が増加し、水素と酸素の電気化学的な反応が活発に
なるとそれに伴い発生する水の量が増加し、この水によ
りガス流路１７を塞いでしまう場合がある。燃料電池を
小型化し、且つ発電効率を上げることにより高性能化を
図った場合、ガス流路１７の断面積を小さくし、且つ空
気極２９に接触する空気量を大きくするためガス流路１
７の櫛型形状の繰り返し間隔をより細かく形成すること
が重要になる。このとき、円滑に水がガス流路１７から
排出されないと、酸素を含む空気が空気極２９に供給さ
れなくなり、所要の発電を行うことが出来なくなる。

【００３２】図４は、空気供給管３５の断面を示した断
面構造図である。空気供給管３５の断面の直径より小さ
い直径を有する円柱３６の中心軸は空気供給管３５の中
心軸と一致するように配置される。空気供給ポンプ３１
から一様な供給量、空気圧で供給される空気は、円柱３
６と空気供給管３５の長手方向に沿って一様な幅を有す
るギャップ４０を通して流れ、供給口３８からガス流路
１７に供給される。

【００３３】このとき、軸回転用モーター３２で発生す
る回転力により円柱３６が回転軸３３を中心として矢印
の方向に回転する。円柱３６の表面には溝部３７が円柱
の軸方向に沿ってスパイラル状に形成されており、図４
（ａ）に示すように、円柱３６が回転するとともに溝部
３７も矢印方向に回転する。本実施形態では、溝部３７
の断面形状は矩形状であるが半円形状でもよく、その他
の多角形状であっても良い。円柱の軸方向に沿ってスパ
イラル状に形成された溝部３７は、円柱３６の何れの断
面においても同じ形状であればよく、すべての供給口３
８に溝部３７が対面するような範囲内の円柱３６の表面
に溝部３７が形成されていれば良い。

【００３４】円柱３６が回転すると、図４（ｂ）に示す
ような供給口３８と向かい合うように溝部３７が配置さ
れる。このとき、円柱３６の表面と空気供給管３５の内
壁で挟まれるギャップ４２に対して、溝部３７と供給口
３８が向かい合って形成されるギャップ４３の断面積は
大きくなる。ギャップ４２に供給される空気量に対し
て、ギャップ４３には円柱３６の端部の溝部３７を通っ
て多くの空気が供給されるので、溝部３７が供給口３８
に向かい合わない場合と比較して供給口３８には多くの
空気が供給されることになる。溝部３７が供給口３８と
向かい合ったときに供給口３８を通ってガス流路１７に
空気が流れ込んだ場合、流れ込む空気量は多くが、ガス
流路１７の断面積の大きさは一定であるため、ガス流路
１７内における空気圧がギャップ４２から空気が供給さ
れる場合に比べて高くなる。高い空気圧で供給される空
気により、空気極２９に空気を供給するガス流路１７内
に蓄積される水が空気排出管４１に押し出される。この
とき、円柱３６の表面には溝部３７が円柱３６の軸に沿
う方向にスパイラル状に形成されるので、それぞれの各
ガス流路１７には順次高い空気圧の空気が流れ込むこと
になり、ガス流路１７に蓄積される水が順次空気排出管
４１に排出される。ガス流路１７に蓄積された水を順次
排出しながら一定量の空気をガス流路１７に供給するこ
とができるので、水の排出を行わない発電セル１０１に
は水が排出されるガス流路に比べて低い圧力で常に一定
量の空気が供給されることになり、安定して発電を行う
ことができる。

【００３５】図５に各ガス流路１７に供給される空気量
の時間変化を示したガス流量図を示す。空気供給ポンプ
３１から供給される空気を一定量に保持するための円柱
３６に形成された溝部３７はスパイラル状に形成されて
いるので、円柱３６が回転することにより、溝部３７が
各供給口３８に対面するタイミングに一定の時間差が生
じる。全ての発電セル１０１には溝部３７が形成されて
いない円柱３６の表面と空気供給管３５の内壁の間のギ
ャップ４２を通って一定の空気量５１が常に供給され
る。

【００３６】図５（ａ）は第１番目の発電セルへ供給さ
れる空気量の時間変化を示した図である。供給口３８に
溝部３７が対面したとき、常に供給される空気量５１に
加えて増加分５２が供給口３８に供給される。溝部３７
の断面積の大きさに応じて空気の増加分５２を調整する
ことができる。例えば、溝部３７の幅を大きく取り、溝
部３７を深く形成することにより溝部３７を流れる空気
量を増加させることができ、溝部３７が供給口３８と対
面したときに供給口３８に流れ込む空気量を大きくする
ことができるとともにガス流路１７内の空気圧を高くす
ることができる。さらに円柱３６が回転すると、第２番
目の発電セルに空気を供給する供給口３８と溝部３７が
対面する位置になり、図５（ｂ）に示すようにガス流路
１７に供給される一定の空気量５１に対して供給される
空気量が増加分５２だけ増加する。このとき、第２番目
の発電セル１０１に空気を供給するガス流路１７内の空
気圧が高くなる。このように順次溝部３７が各発電セル
１０１に空気を供給する供給口３８と対面する位置に配
置され、図５（ｃ）に示すように、第ｎ番目の発電セル
１０１への空気の増加分５２によりガス流路１７に蓄積
される水を順次排出することができる。スパイラル状に
溝部３７が形成された円柱３６を回転させることによ
り、順次ガス流路１７に高い圧力で空気が供給され、ガ
ス流路１７に蓄積された水が排出される。例えば、空気
の増加量５２を空気量５１の２倍以上になるように溝部
３７の幅や深さを形成しておけば、ガス流路１７に蓄積
された水を十分に排出することができる。このとき、溝
部３７と供給口３８が対面しない範囲に配設されている
発電セル１０１には、一定に空気量５１が供給されるの
で安定した発電を行うことができる。

【００３７】また、供給する空気を増加させる周期は、
円柱３６を回転させる軸回転用モーター３２の回転数を
変えることにより変更される。この回転周期５３は、燃
料電池の発電能力、温度等の運転条件により適切な周期
で供給される空気が増加するように軸回転用モーター３
２の回転数を設定することができる。

【００３８】また、空気供給管３５に発電セル１０１に
供給する空気量を調整する円柱３６を配置するのみに留
まらず、空気排出管４１に排出する空気量を調整する円
柱を配置することによっても同様にガス流路１７内の空
気圧を調整することができ、ガス流路１７に蓄積される
水を排出することができる。表面にスパイラル状の溝部
が形成された円柱を空気供給管３５と空気排出管４１の
両方に挿入し空気の給排気時の空気圧を調整することに
より、空気供給管３５内にのみ溝部３７が形成された円
柱３６を挿入して空気の供給量を調整する場合に比べ、
より効果的に水を排出することができ、安定した発電を
継続して行うことができる。

【００３９】

【発明の効果】空気給排気管に並列に接続される発電セ
ルに空気を供給する際、スパイラル状の溝部が形成され
た円柱を空気給排気管内で回転させることにより、発電
セルに供給する空気の圧力を調整することができ、発電
セルへの空気の供給路であるガス流路内に蓄積される水
を効率良く排出することができる。

【００４０】さらに、ガス流路内の水を排出するととも
に、常に一定の空気量を発電セルに供給することができ
るので安定した発電を連続して行うことができる。ま
た、簡単な空気給排気機構で発電による副生成物である
水を排出することができるので、小型で高性能の燃料電
池を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の空気給排気装置を備えるス
タック型燃料電池の平面構造を示す透視平面図である。

【図２】本発明の実施形態の空気給排気装置を備えるス
タック型燃料電池の断面構造を示す断面図である。

【図３】本発明の実施形態の空気給排気装置を備えるス
タック型燃料電池の構造を簡略化して示した簡略構造図
である。

【図４】本発明の実施形態の空気給排気装置の空気供給
管の断面構造を示す構造断面図であって、（ａ）は一定
量の空気が発電セルに供給される場合の溝部の位置を示
す構造断面図であり、（ｂ）は発電セルへ供給される空
気量が増加する場合の溝部の位置を示す断面構造図であ
る。

【図５】本発明の実施形態の空気給排気装置から発電セ
ルに供給される空気量の時間変化を示した空気量の時間
変化図であり、（ａ）は第１番目の発電セルへの空気量
の時間変化図、（ｂ）は第２番目の発電セルへの空気量
の時間変化図、（ｃ）は第ｎ番目の発電セルへの空気量
の時間変化図である。

【図６】空気給排気装置から空気が給排気される従来型
のスタック型燃料電池の構造を簡略化して示した模式構
造図である。

【図７】空気給排気装置から空気給排気される従来型の
スタック型燃料電池の構造を簡略化して示した簡略図で
ある。

【図８】各ガス流路にバルブが設けられた空気給排気装
置から空気が供給される従来型のスタック型燃料電池の
構造を簡略化して示した簡略図である。

【図９】各ガス流路に設けられたバルブと並列にバイパ
スラインが配置された空気給排気装置から空気が供給さ
れる従来型のスタック型燃料電池の構造を簡略化して示
した簡略図である。

【図１０】各ガス流路に設けられたバルブと、二系統の
空気供給管を備える空気給排気装置から空気が供給され
る従来型のスタック型燃料電池の構造を簡略化して示し
た簡略図である。

【符号の説明】

１１ 発電セル １２ 端板 １３ 空気供給口 １４ 空気排出口 １５ 固体高分子膜 １５ 水素供給口 １６ 水素排出口 １７、１８、１０２ガス流路 ２１、２７ セパレータ ２２ 水素拡散層 ２３、２５ 触媒膜 ２４ 固体高分子膜 ２６ 酸素拡散層 ２８ 燃料極 ２９ 空気極 ３１ 空気供給用ポンプ ３２ 軸回転用モーター ３３ 回転軸 ３４ 挿入口 ３５、１０３、１０３ａ、１０３ｂ 空気供給管 ３６ 円柱 ３７ 溝部 ３８ 供給口 ４０ 排出口 ４１、１０４ 空気排出管 ４２ ギャップ ４３ ギャップ ５３ 回転周期 １０１ 発電セル １０５ バルブ １０６ バイパスライン

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発電セルと、発電セルに空気を給排気する
   空気給排気機構とを備え、前記空気給排気機構は、発電
   セルにおいて給排気される空気の圧力を間欠的に変化さ
   せる圧力制御手段を有することを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】前記発電セルを複数有し、前記圧力制御手
   段は、各発電セルに給排気される空気の圧力を発電セル
   毎に変化させる機能を有することを特徴とする請求項１
   記載の燃料電池。
3. 【請求項３】前記空気給排気機構における空気の流量は
   略一定であることを特徴とする請求項１記載の燃料電
   池。
4. 【請求項４】前記空気給排気機構は、前記発電セルに空
   気を供給する給気部及び前記発電セルから空気を排気す
   る排気部を有することを特徴とする請求項１記載の燃料
   電池。
5. 【請求項５】前記給気部及び前記排気部は円筒状の空間
   を有することを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
6. 【請求項６】前記圧力制御手段は、空気を遮蔽する円柱
   状遮蔽体と、前記円柱状遮蔽体に設けられた溝部から構
   成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
7. 【請求項７】前記溝部は前記円柱状遮蔽体の表面にスパ
   イラル状に形成されることを特徴とする請求項６記載の
   燃料電池。
8. 【請求項８】前記円柱状遮蔽体が回転することにより間
   欠的に圧力が制御された空気が発電セルに給排気される
   ことを特徴とする６記載の燃料電池。
9. 【請求項９】前記圧力制御手段により発電セルに発生す
   る水を排出することを特徴とする請求項１記載の燃料電
   池。
10. 【請求項１０】発電セルに空気を給排気して燃料電池に
    起電力を得る燃料電池の動作方法において、所定の圧力
    で空気を給排気する低圧給排気過程と、前記低圧給排気
    過程よりも高圧で空気を給排気する高圧給排気過程とに
    より、発電セルにおいて給排気される空気の圧力を間欠
    的に変化させながら燃料電池を動作させることを特徴と
    する燃料電池の動作方法。