JP2003208917A

JP2003208917A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2003208917A
Application number: JP2002003519A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Taniyama; 剛谷山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2003-07-25

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを回転する構造とし、回転
する構造であっても、水の除去を良好に行うことにより
発電効率の低減を防止し、しかも加工を容易とする。【解決手段】燃料電池システムは、電解質膜２が燃料
極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一
つ有する燃料電池スタックと、燃料極に燃料ガスを供給
する燃料供給管１ｂと、酸化剤極に酸化剤ガスを供給す
る酸化剤ガス供給管１ｃとを備える。燃料極、酸化剤極
の少なくとも一方の極板面に対して平行に回転軸１を設
け、回転軸１を中心として燃料電池スタックが回転可能
となっている。回転軸１の内部を経由して燃料ガス、酸
化剤ガス、スタック冷却水が供給される共に燃料ガス、
酸化剤ガス、スタック冷却水が回転軸１の軸心部から回
転半径の方向に流れる流路３ａ、４ａ、７ａを燃料電池
スタックの内部にそれぞれ形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素等の燃料ガス
と酸素等の酸化剤ガスとの反応を利用して電気エネルギ
を取り出す燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】特開２００１−１０２０８１号公報に
は、従来の燃料電池が開示されている。この燃料電池
は、燃料電池スタックの全体を円柱状に形成するととも
に、その周方向に回転可能となっており、回転軸の方向
に沿って単位セルを積層したスタック構造となってい
る。また、円柱状の外面には、空気取り込み用の羽根が
突出しており、燃料電池スタック全体の回転によって外
周部の空気を羽根で取り込み、周縁部から中心部方面へ
の空気供給溝部内に送り込むことによって、正電極（空
気極）に生成する水を押し流しながら、電池外に除去す
る構造となっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の燃料電池では、回転する燃料電池スタックの周
縁部に設けられている羽根によって、周縁部から中心部
へと空気が供給されるため、この空気流路中で生成した
水には空気の運動方向と逆の方向に遠心力が作用する。
このため、空気流路内における水の移動速度が小さくな
り、これにより、水の除去性能の向上が困難となり、結
果として燃料電池の発電効率が低くなる問題点がある。

【０００４】また、燃料電池スタックの回転軸の軸線方
向に単位セルを積層する構造のため、正負の両極板、電
解質膜、空気と水素ガスの供給用溝が形成されたプレー
ト部（セパレータ）の全てを円盤状に製作する必要があ
る。しかしながら、円盤形状への加工では、一般的及び
汎用的な長方形形状に比べて特殊な製造工程が要求され
る。このため、製造が面倒であり、しかも製造コストを
低くすることが難しい問題も有している。

【０００５】本発明は、このような従来の問題点を考慮
してなされたものであり、燃料電池スタックが回転する
構造であっても、水の除去を良好に行って発電効率の低
減を防止することができると共に、加工が容易な燃料電
池システムを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明の燃料電池システムは、電解質
膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少な
くとも一つ有する燃料電池スタックと、前記燃料極に燃
料ガスを供給する燃料供給管と、前記酸化剤極に酸化剤
ガスを供給する酸化剤ガス供給管とを備えた燃料電池シ
ステムであって、前記燃料極、酸化剤極の少なくとも一
方の極板面に対して平行に回転軸を設け、この回転軸を
中心として燃料電池スタックが回転可能となっており、
前記回転軸の内部を経由して燃料ガス、酸化剤ガス、ス
タック冷却水が供給される共に燃料ガス、酸化剤ガス、
スタック冷却水が前記回転軸の軸心部から回転半径の方
向に流れる流路を前記燃料電池スタックの内部にそれぞ
れ形成したことを特徴とする。

【０００７】請求項１記載の発明では、燃料ガス、酸化
剤ガス、スタック冷却水が回転軸の軸心部から回転半径
の方向に流れる流路を燃料電池スタックの内部に形成し
ているため、燃料ガス流路中あるいは酸化剤ガス流路中
で凝縮または生成した水に対し、燃料電池スタックの回
転による遠心力を作用させることができる。この遠心力
を有効に利用することにより、水を回転半径の周縁方向
（外側方向）に除去することができるため、燃料極と酸
化剤極の両極板上への水の付着が抑制される。従って、
極板での電気化学反応の有効面積を常に大きく確保し続
けることができ、燃料電池スタックの発電効率を常に高
く維持することが可能となる。

【０００８】また、請求項１記載の発明では、燃料電池
スタックの回転軸の軸線方向に対し、単位セルの極板の
方向を平行としているため、回転軸と極板面とが交差す
ることがない。このため、燃料電池を構成する単位セル
としては、汎用性のある長方形形状はもちろん、どのよ
うな形状でも回転軸周りに配置可能となり、加工が容易
で、安価に提供することが可能となる。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃
料電池システムであって、前記回転軸に対して、放射状
に単電池が配置されていることを特徴とする。

【００１０】請求項２記載の発明では、全ての単位セル
が回転軸に対して軸対称の関係を保って配置されるた
め、各単位セルの水除去性能と、燃料ガス、酸化剤ガス
及びスタック冷却水の分配性能を均一化することができ
る。これにより、各単位セルでの電気化学反応による発
生電圧、発生熱、電解質膜および極板への負荷を均一化
することができるため、結果として燃料電池システムの
安定性が向上する。また、燃料電池スタックを回転させ
ても、停止時と容積が変わらないため、無駄な空間を必
要とすることがなくなる。このため、燃料電池システム
の設置の際のスペースを有効に活用することができる。

【００１１】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の燃料電池システムであって、前記単電池における
それぞれの燃料極および酸化剤極の極板上に付着してい
る水の量または水の付着面積あるいはこれらの特性を示
すデータを検出する検出手段と、検出手段からのデータ
に基づき前記極板上の付着水量または付着面積が大きく
なるにつれて、前記回転軸を中心として回転する燃料電
池スタックの回転数を高めるように制御する制御手段と
を備えていることを特徴とする。

【００１２】請求項３記載の発明では、単電池における
それぞれの燃料極および酸化剤極の極板上に付着してい
る水の量等のデータを検出し、この検出結果に基づき、
極板上の付着水量等が大きくなるにつれて、燃料電池ス
タックの回転数を高めるように制御するため、燃料電池
スタックに付与する回転の動力としては、極板上の付着
水を除去するための必要最低限で済む。このため、燃料
電池システム全体でのエネルギ効率を高めることができ
る。

【００１３】請求項４記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電
池スタックの回転外周部に燃料ガス、酸化剤ガスのそれ
ぞれ個別の集合空間を備えると共に、前記集合空間から
燃料電池スタックの回転半径外側方向に向かって内部の
水を放出可能な弁を備えていることを特徴とする。

【００１４】請求項４記載の発明では、各単位セルの燃
料ガス流路、酸化剤ガス流路から取り除かれた水がそれ
ぞれの集合空間内に集められる。集められた水は、燃料
電池スタックが回転することによって、ガスと水の密度
の差により作用する遠心力の差によって集合空間内の回
転半径方向の内壁に沿うように存在する。この状態に対
して、弁を開くことにより、水に作用する遠心力を利用
して燃料電池スタックの外に水だけを選択的に除去する
ことができる。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスの利
用率を高めることが可能となって、燃料消費率を低くす
るができ、燃料電池システムの運転時の経済性を高める
ことができる。

【００１５】請求項５記載の発明は、請求項４記載の燃
料電池システムであって、前記集合空間内の水を放出可
能な弁は、前記燃料電池スタックの回転数が高くなるに
つれて弁開度が大きくなるように設定されていることを
特徴とする。

【００１６】請求項５記載の発明によれば、燃料電池ス
タックの回転数が高くなるにつれて弁の開度が大きくな
るため、燃料ガス、酸化剤ガスのそれぞれの集合空間内
に集められた水を燃料電池スタックの外に放出する際の
速度を、燃料電池スタックの回転数の調整によって制御
することができる。例えば、集合空間内に流れ込む水量
が急に増えた場合には、燃料電池スタックの回転速度を
増大させることにより、水に作用する遠心力を大きくし
て燃料電池スタック外への流出速度を大きくなるように
制御する。また、燃料電池スタックの回転速度を増大さ
せることにより、弁の開度も大きくなるため、放出流量
を大きくすることができる。これにより、集合空間内の
水を速やかに除去することが可能となり、その結果、燃
料電池システムの運転状態が要求負荷の変化などの理由
により急変した場合でも、水除去性能を常に高く維持す
ることができるため、燃料電池システムの運転応答性が
向上する。

【００１７】請求項６記載の発明は、請求項１〜５のい
ずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガ
スまたは酸化剤ガスを供給する圧縮機の回転軸から前記
燃料電池スタックへ回転動力を伝達する構造となってい
ることを特徴とする。

【００１８】請求項６記載の発明によれば、燃料ガスま
たは酸化剤ガスを供給する圧縮機の回転軸から燃料電池
スタックへ回転動力を伝達することができるため、燃料
電池スタック専用の回転力発生装置が不要となる。この
ため、製造が容易となってコストが低減できると共に、
大型化することがないため設置スペースが小さくなる共
に、軽量とすることができる。

【００１９】

【発明の効果】請求項１の記載の発明によれば、燃料電
池スタックの内部に形成した流路によって燃料ガス、酸
化剤ガス、スタック冷却水が回転軸の軸心部から回転半
径の方向に流れるため、燃料ガス流路中あるいは酸化剤
ガス流路中で凝縮または生成した水を、燃料電池スタッ
クの回転による遠心力を利用して回転半径の周縁方向に
除去することができる。このため、燃料極と酸化剤極の
両極板上への水の付着が抑制され、極板での電気化学反
応の有効面積を常に大きく確保し続けることができ、燃
料電池スタックの発電効率を常に高く維持することが可
能となる。

【００２０】また、燃料電池スタックの回転軸の軸線方
向に対し、単位セルの極板の方向を平行としているた
め、回転軸と極板面とが交差することがなく、長方形形
状を始めとしたどのような形状の単位セルであっても回
転軸周りに配置可能となる。これにより、加工が容易
で、安価に提供することが可能となる。

【００２１】請求項２の記載の発明によれば、請求項１
の発明の効果に加えて、全ての単位セルが回転軸に対し
て軸対称の関係を保って配置されるため、各セルの水除
去性能や、燃料ガス、酸化剤ガス、スタック冷却水の分
配性能を均一化することができ、これにより、各単位セ
ルでの電気化学反応による発生電圧、発生熱、電解質膜
および極板への負荷を均一化できる。これにより、結果
として燃料電池システムの安定性を高めることができ、
信頼性が向上すると共に寿命を延ばすことが可能とな
る。

【００２２】また、請求項２の発明では、燃料電池スタ
ックを回転させても、停止時と容積が変わらないため、
無駄な空間を必要とすることがなくなり、燃料電池シス
テム設置の際のスペースを有効に活用することができ
る。

【００２３】請求項３の記載の発明によれば、請求項１
及び２の発明の効果に加えて、単電池におけるそれぞれ
の燃料極および酸化剤極の極板上に付着している水に関
するデータを検出し、極板上の付着水量等が大きくなる
につれて、燃料電池スタックの回転数を高めるように制
御するため、極板上の付着水を除去するための必要最低
限の動力で燃料電池スタックを回転させれば良く、この
ため、燃料電池システム全体でのエネルギ効率を高める
ことができる。

【００２４】請求項４の記載の発明によれば、請求項１
〜３の発明の効果に加えて、各単位セルの燃料ガス流
路、酸化剤ガス流路から取り除かれた水がそれぞれの集
合空間内に集められると共に、燃料電池スタックの回転
に伴うガスと水の密度の差による遠心力の差により、集
合空間内の回転半径方向の内壁に沿うように存在し、こ
の状態に対して、弁を開くことにより水に作用する遠心
力を利用して水だけを燃料電池スタックの外に選択的に
除去することができる。従って、燃料ガスと酸化剤ガス
の利用率を高めることが可能となって、燃料消費率を低
くするができ、燃料電池システムの運転時の経済性を高
めることができる。

【００２５】請求項５の記載の発明によれば、請求項１
〜４の発明の効果に加えて、燃料ガス、酸化剤ガスのそ
れぞれの集合空間内に集められた水を燃料電池スタック
の外に放出する際の速度を、燃料電池スタックの回転数
の調整によって制御することにより、例えば、集合空間
内に流れ込む水量が急に増えた場合には、回転速度を増
大させて水に作用する遠心力を大きくして燃料電池スタ
ック外への流出速度を大きくし、さらに、燃料電池スタ
ックの回転速度を増大させることにより、弁の開度も大
きくすることにより放出流量を大きくすることができ
る。これにより、集合空間内の水を速やかに除去するこ
とが可能となり、燃料電池システムの運転状態が要求負
荷の変化などの理由により急変した場合でも、水除去性
能を常に高く維持することができ、このため、燃料電池
システムの運転応答性が向上する。

【００２６】請求項６の記載の発明によれば、請求項１
〜５の発明の効果に加えて、燃料ガスまたは酸化剤ガス
を供給する圧縮機の回転軸から燃料電池スタックへ回転
動力を伝達することができるため、燃料電池スタック専
用の回転力発生装置が不要となり、製造が容易となって
コストが低減できると共に、大型化することがないため
設置スペースが小さり、軽量とすることができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示する実施の形
態により、具体的に説明する。なお、各実施の形態にお
いて、同一機能を有する部材には同一の符号を付して説
明する。

【００２８】（第１実施の形態）図１〜図３は、本発明
の第１の実施の形態を示し、図１は燃料電池システムの
全体を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３
は図１のＢ−Ｂ線断面図である。

【００２９】図１に示すように、燃料電池スタック１０
０は、回転軸１を有し、この回転軸１を軸心として矢印
Ｍ方向に回転可能となっている。燃料電池スタック１０
０の回転軸１は三重管構造となっており、中心部から外
側へ向けて順に、冷却水が供給されるスタック冷却水供
給管１ａ、燃料ガスが供給される燃料ガス供給管１ｂ、
酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給管１ｃとなって
いる。

【００３０】燃料電池スタック１００では、図３に示す
ように、回転軸１に対して平行な方向に沿ってセル負電
極１２及びセル正電極１３の各面が位置するように固定
されている。すなわち、セル負電極１２とセル正電極１
３に挟まれている電解質膜２の面と、回転軸１との方向
が平行の関係を保つようにこれらが固定されている。電
解質膜２に対し、酸化剤ガス流路４を有するカソード側
セパレータ６が正電極１３側に密着されており、燃料ガ
ス流路３を有するアノード側セパレータ５が負極１２側
に密着されている。

【００３１】図１に示すように、酸化剤ガス流路４、燃
料ガス流路３及びスタック冷却水流路７は、燃料電池ス
タック１００の内部に設けられると共に、それぞれが回
転軸１の酸化剤ガス供給管１ｃ、燃料ガス供給管１ｂ及
びスタック冷却水供給管１ａに接続されている。また、
酸化剤ガス流路４、燃料ガス流路３及びスタック冷却水
流路７は、回転軸１の軸心部から燃料電池スタックの回
転半径の方向に向かって延びており、供給されたそれぞ
れの流体が回転軸１から半径方向に流れるようになって
いる。

【００３２】そして、三重管構造の回転軸１内から供給
された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４を通る際に正電
極１３に到達し、また回転軸１内から供給された燃料ガ
スは燃料ガス流路３を通る際に負電極１２に到達し、こ
れにより、電解質膜２を挟んで電気化学的反応を起こし
て電力を発生させる。

【００３３】この実施の形態では、回転軸１の回りに一
直線上に２つの単電池を配置してあり、図３に示すよう
に、一方の負電極１２から一直線上におけるもう一方の
正電極１３の間を導電線１４で接続することにより二層
のスタック構造としている。電位的な層の最上部の正電
極１３には、燃料電池スタック１００で発生した電力を
外部に取り出すためのスタック正電極８が設置される一
方、電位的な層の最下部の負電極１２にはスタック負電
極９が設置されている。また、電位的な層の最上部の電
極と最下部の電極間は、電気的に絶縁されている。

【００３４】図２に示すように、燃料電池スタック１０
０の外側には、円筒上の正電極１０と円筒状の負電極１
１とが同心円状に配置されており、これらの電極１０、
１１のそれぞれに接触するようにスタック正電極８及び
スタック負電極９が回転半径方向に位置ずれした状態で
燃料電池スタック１００の外側面に設けられている。

【００３５】回転軸１の中心部のスタック冷却水供給管
１ａから供給されたスタック冷却水は、アノード側セパ
レータ５またはカソード側セパレータ６中に設けられた
スタック冷却水流路７を流れる際に、電解質膜２を挟ん
で行われる電気化学反応の余分な反応熱を奪って、電池
外に排出する。このことにより、電池温度を適正に保つ
作用を奏する。

【００３６】この実施の形態の構成によれば、燃料電池
の発電中に、供給ガス中の水分の凝縮水あるいは電池内
の反応によって燃料ガス流路４内または酸化剤ガス流路
５内で生成水が発生した場合でも、燃料ガス、酸化剤ガ
スが回転軸１の中心から外側に向かって流れる流路を有
しているため、燃料電池スタック１００を回転軸１のま
わりに回転させることにより水に遠心力を作用させるこ
とができ、これにより、燃料電池の外に水を除去するこ
とができる。このように、正電極１３と負電極１２の両
極板上への水の付着が抑制されるため、電気化学反応を
起こさせる極板の有効面積を常に大きく確保し続けるこ
とができ、燃料電池の発電効率を常に高く維持できる。

【００３７】さらに、燃料電池スタック１００の回転軸
１の方向に対して、その極板面の方向を平行にした状態
で回転軸１周りに単位セルを配置しているため、燃料電
池スタック１００の回転軸１と極板面とが交差すること
がない。このため、単位セルとして、汎用性のある長方
形形状はもちろん、どのような形状でも回転軸周りに配
置可能となるばかりでなく、加工が容易で、安価に提供
することが可能となる。

【００３８】なお、この実施の形態では、回転軸１を燃
料極または酸化剤極のいずれか一方に対して平行に配置
してもよい。

【００３９】（第２実施の形態）図４は、本発明の第２
実施の形態の燃料電池システムの全体斜視図、図５は図
４のＣ−Ｃ線断面図である。

【００４０】この実施の形態において、燃料電池スタッ
ク２００の回転軸１の構造は第１の実施の形態と同様と
なっているが、扇型セパレータ１５を用いるものであ
り、この扇型セパレータ１５に対して、電解質膜２を交
互に組み合わせて円柱形状の燃料電池スタック２００と
している。

【００４１】それぞれの扇型セパレータ１５の内部に
は、燃料ガス流路３、酸化剤ガス流路４及びスタック冷
却水流路７が設けられている。燃料ガス流路３、酸化剤
ガス流路４及びスタック冷却水流路７は、回転軸１の燃
料ガス供給管１ｂ、酸化剤ガス供給管１ｃ、スタック冷
却水供給管１ａのそれぞれに接続されていると共に、扇
型セパレータ１５内で、回転軸１の軸心部から回転半径
の方向に延びる用に設けられている。

【００４２】この実施の形態では、回転軸１の回りに８
つの単電池を配置してある。単電池を構成する扇型セパ
レータ１５は、導電性の材料によって作製されており、
隣り合う単電池を直列に接続している。そして、一番目
の単電池と八番目の単電池の間のセパレータ１５には、
電気絶縁膜１６が設けられ、一番目の単電池の正電極１
３には、燃料電池スタック２００で発生した電力を外部
に取り出すためのスタック正電極８が設けられ、また、
八番目の単電池の負電極１２にはスタック負電極９が設
置されている。

【００４３】このような構成では、第１の実施の形態と
同様な作用を有しているのに加えて、回転軸１に対し
て、放射状に単電池を配置してあるため、全ての単位セ
ルが回転軸１に対して常に軸対称の関係を保つ。このた
め、燃料電池スタックの回転時に各単位セルの水除去性
能と、燃料ガス、酸化剤ガス、スタック冷却水の分配性
能とを均一化することができる。これにより、各単位セ
ルでの電気化学反応による発生電圧、発生熱、電解質膜
および極板への負荷を均一化できるので、結果として燃
料電池システムの安定性が高められ、信頼性も向上し、
寿命を延ばすことが可能となる。

【００４４】さらに、燃料電池スタック２００を回転さ
せても、停止時と容積が変わらないため、燃料電池シス
テムの設置の際のスペースを有効に活用することができ
る。

【００４５】（第３の実施の形態）図６〜図９は、本発
明の第３実施の形態を示す。この実施の形態では、単電
池におけるそれぞれの燃料極および酸化剤極の極板上に
付着している水の量または水の付着面積あるいはこれら
の特性を表示するデータを検出し、極板上の付着水量ま
たは付着面積が大きくなるにつれて、回転軸１を中心と
して回転する燃料電池スタックの回転数を高めるように
制御するものである。

【００４６】図８は、この実施の形態における燃料電池
システムの構成を示している。セル電圧検出装置２０
は、回転している燃料電池スタック１７を構成する各単
位セルの発生電圧を検出する。検出された各セルの電圧
信号はコントロールユニット１９に出力されることによ
って、演算処理の後、対応するスタック要求回転数にす
るための回転数制御信号を、スタック回転手段１８に送
信して回転数制御を行なうようになっている。

【００４７】なお、図６は、この実施の形態における制
御要求値を求める際に必要な単位セルの極板上の水付着
面積と、そのセルでの発生電圧の関係を示している。図
６に示すように、燃料ガスあるいは酸化剤ガスが燃料電
池スタック内の各流路３、４を通過する際に、供給ガス
中の水分の凝縮水や、電池内での反応による生成水が電
極表面に付着して覆う面積が大きくなるにつれて、発電
反応を阻害するため、そのセルでの発生電圧が低くな
る。

【００４８】また、図７は、この実施の形態における遠
心力によって、水を除去するための燃料電池スタックの
要求回転数との関係を示している。水が極板表面に付着
して覆う面積が大きくなり、これにつれて、水に作用す
る遠心力を増加させて水除去性能を高める必要がある。
このため、スタックの要求回転数も高くなる関係となる
ように制御するものである。

【００４９】図６及び図７で示す関係を考慮し、この実
施の形態では、極板面上の水付着面積を直接測定する代
りに、その特性を表す各セルの発生電圧を測定し、この
値が低くなるにつれて対応する回転数より燃料電池スタ
ックを回転させる制御を行なう。

【００５０】図９はこの実施の形態における燃料電池ス
タックの回転数を制御するフローチャートである。図９
に示すように、まず、ステップＳ１で各セルの発生電圧
を読み込み、ステップＳ２で各セルの電圧が１時間ステ
ップ前の値と比較される。比較の結果、その差が許容変
化幅以内であれば、水除去性能を変更する必要なしとし
て、ステップＳ３に移って現在の電圧値を１時間ステッ
プ前の値としてメモリ内に格納する。一方、ステップＳ
２において、差が許容変化幅を超えた場合には、水除去
性能の変更する必要ありとして、ステップＳ４に移行す
る。ステップＳ４では、現在のセル電圧値に対応するス
タック回転数制御信号に変更し、現在の電圧値を１時間
ステップ前の値としてメモリ内に格納する。

【００５１】このような実施の形態では、燃料電池スタ
ック１７に与える回転の動力が、極板上の付着水を除去
するために必要な最低限の動力で済むため、燃料電池シ
ステム全体でのエネルギ効率を高くすることが可能とな
る。

【００５２】（第４の実施の形態）図１０は、本発明の
第４の実施の形態の燃料電池システムを示す断面図であ
る。

【００５３】この実施の形態においても、燃料ガス、酸
化剤ガス、スタック冷却水が、回転軸１における燃料ガ
ス供給管１ｂ、酸化剤ガス供給管１ｃ、スタック冷却水
供給管１ａのそれぞれから供給される。燃料電池スタッ
クの内部では、燃料ガス流路３、酸化剤ガス流路４及び
スタック冷却水流路７が回転軸１の軸心部から回転半径
の方向にそれぞれ延びている。これらの流路は、回転軸
１の軸方向に沿って外周部に設けられた集合空間３ａ、
４ａ、７ａに連通している。なお、燃料ガス供給管１
ｂ、酸化剤ガス供給管１ｃ及びスタック冷却水供給管１
ａにおける回転軸１の終端部分には、水及びガス不透過
性のエンドプレート２１によって塞がれている。

【００５４】また、燃料ガス流路３と連通する燃料ガス
の集合空間３ａには、燃料電池スタックの外部と連通す
る流路が形成されており、この流路には開閉調整が可能
な水放出弁２３が取り付けられている。従って、燃料電
池の発電中に燃料ガス流路３側の集合空間３ａに集めら
れた水は、水放出弁２３の開閉を制御することにより、
燃料電池の外に配置することができる。

【００５５】酸化剤ガス流路４と連通する酸化剤ガスの
集合空間４ａには、燃料電池スタックの外部と連通する
通路が形成されており、この流路には開閉調整可能な水
放出弁２２が設けられている。これにより燃料電池の発
電中に燃料ガス流路３側の集合空間３ａに集められた水
は、水放出弁２２の開閉を制御することにより、燃料電
池の外に配置することができる。

【００５６】このような実施の形態において、燃料電池
スタックが回転しているときには、ガスと水の密度の差
によって作用する遠心力の差により集められた水は、集
合空間４ａ、３ａ内の回転半径方向の内壁に沿うように
存在する。このとき、水放出弁２２または２３を開くこ
とにより、水に作用する遠心力を利用して燃料電池スタ
ックの外に水だけを選択的に除去することができる。こ
れにより、燃料ガスと酸化剤ガスの利用率を高めること
が可能となり、燃料消費率を低くすることができ、結果
として、燃料電池システムの運転時の経済性を高めるこ
とができる。

【００５７】（第５の実施の形態）図１１及び図１２
は、本発明の第５実施の形態における燃料電池システム
の水放出を行う弁の動作を示している。

【００５８】燃料電池スタックの外殻２９上には、燃料
電池スタック内部の燃料ガスもしくは酸化剤ガスの集合
空間３ａ、４ａ（図１０参照）と、スタックの殻外とを
連通する連絡流路２８が開口している。この連絡流路２
８は弁２４によって開閉可能となっている。

【００５９】また、連絡流路２８上には弁座部２６が覆
っている。弁座部２６は外殻２９から立ち上がってお
り、その側面には開口２６ａが形成されている。また弁
座部２６の内部には弁ばね２７が取り付けられており、
上述した弁２４はこの弁ばね２７に取り付けられること
により、弁ばね２７の付勢力で連絡流路２８を封鎖する
ようになっている。なお、連絡流路２８の周囲にはリン
グ状のシール部材２５が設けられている。

【００６０】この実施の形態では、燃料電池スタックの
回転速度を高めることによって、弁２４に対して弁ばね
２７の押し付け力と逆向きに作用する遠心力が大きくな
るため、弁２４が開く。そして、回転速度が大きくなる
のにつれて、弁２４の開度が大きくなる。

【００６１】このような構造では、燃料電池スタックの
回転外周部の燃料ガス、酸化剤ガスのそれぞれ個別の集
合空間３ａ、４ａ内に集められた水を燃料電池外に放出
する速度を、燃料電池スタックの回転数を調整すること
により制御することができる。すなわち、各ガス流路に
ある集合空間内３ａ、４ａに流れ込む水量が急に増えた
場合に、燃料電池スタックの回転速度を上げることで水
に作用する遠心力が大きくなり、これにより電池外への
流出速度が大きくなる効果に加え、弁２４の開度も大き
くなる。このため、さらに一層、水の放出流量を大きく
することができるため、すばやく集合空間内の水を除去
することが可能となる。従って、例えば、燃料電池シス
テムの運転状態が要求負荷の変化などの理由により急変
した場合でも、水除去性能を常に高く維持することがで
き、燃料電池システムの運転応答性が向上する。

【００６２】（第６の実施の形態）図１３及び図１４は
本発明の第６実施の形態を示し、燃料電池スタック１７
に対して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３８が取
り付けられている。酸化剤ガス流路３８は、圧縮機３３
及び圧縮機３３に取り付けられた回転ばね３３ａを内部
に有しており、圧縮機３３の回転により酸化剤ガスを燃
料電池スタック１７の酸化剤ガス流路４に供給するよう
になっている。

【００６３】この実施の形態では、圧縮機３３が圧縮機
モータ３２によって回転させられるようになっており、
この圧縮機３３の回転軸から減速機３４とクラッチ軸継
手３５を介して、燃料電池スタック１７の回転軸へ回転
動力が伝えられる。

【００６４】また、各単位セルの発生電圧を検出するセ
ル電圧検出装置２０からの各セル電圧信号、スタック回
転数検出器３０からのスタック回転数信号、圧縮機モー
タ回転数検出器３１からの圧縮機モータ回転数信号がコ
ントロールユニット１９内に取り込まれる。コントロー
ルユニット１９では、演算処理の後、適切なクラッチ面
圧制御信号をクラッチ軸継手３５に送信し、これによ
り、クラッチ部の摩擦力を変化させる。これにより伝達
する軸動力を変化させて、燃料電池スタックの回転数制
御を行う。

【００６５】図１４は、この実施の形態における燃料電
池スタックの回転数を制御するためのフローチャートで
ある。図１４に示すように、各セルの発生電圧を読み込
み（ステップ１１）、各セルの電圧が１時間ステップ前
の値と比較され（ステップ１２）、その差が許容変化幅
以内であれば、水除去性能を変更する必要なしとして、
現在の電圧値を１時間ステップ前の値としてメモリ内に
格納する（ステップ１３）。

【００６６】一方、ステップＳ１２において、差が許容
変化幅を超えた湯合には、水除去性能の変更する必要あ
りとして、現在のセル電圧値に対応するスタック回転数
目標値Ｎｔを決定し、現在の電圧値を１時間ステップ前
の値としてメモリ内に格納する（ステップ２３）。

【００６７】次に、ステップＳ２４に移り、現在の圧縮
機モータの回転数とスタック回転数Ｎｃの読み込みを行
ない、燃料電池スタックの現在の回転数Ｎｃが目標回転
数Ｎｔより小さいかどうかを判定する（ステップ２
５）。そして、ステップ２５において、回転数Ｎｃが目
標回転数Ｎｔより小さいと判定された場合には、クラッ
チ面圧を増加させて、スタックの回転数を高める制御を
行なう（ステップ２６）。

【００６８】一方、ステップＳ２５において、現在のス
タック回転数Ｎｃが目標回転数Ｎｔと比較して等しい
か、もしくは大きいと判定した場合には、ステップＳ３
６に移行する。ステップＳ３６では、ＮｃがＮｔを超過
しているのか、それとも等しいのかについて比較する。
超過していると判定された場合にはステップＳ３７でク
ラッチ面圧を減少させて、スタックの回転数を低くする
制御を行ない、ステップＳ３６で等しいと判定された場
合にはステップＳ４７に移行して現在のクラッチ面圧を
維持するように制御を行なう。

【００６９】このような実施の形態では、酸化剤ガスの
圧縮機３３の回転軸から減速機３４とクラッチ式軸継手
３５を介して燃料電池スタックの回転動力を伝達するこ
とができ、かつクラッチ面圧を調整することにより伝達
される回転動力を変化させることができる。これによ
り、燃料電池スタックの回転数を任意の設定値とするこ
とが可能となり、燃料電池スタックの水除去性能を高く
維持することができる。これに加えて、燃料電池スタッ
ク専用の回転動力発生装置が不要となるため、製造コス
ト面、重量面、スペース面でより有利な燃料電池システ
ムとすることができる。

【００７０】なお、この実施の形態では酸化剤ガス流路
３８を燃料電池スタックに接続しているが、これに限ら
ず燃料ガスを供給する燃料ガス流路を燃料電池スタック
に接続しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態の燃料電池システムを
示す斜視図である。

【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。

【図３】図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。

【図４】本発明の第２実施の形態の燃料電池システムを
示す斜視図である。

【図５】図４におけるＣ−Ｃ線断面図である。

【図６】本発明の第３実施の形態における水付着面積と
発電電圧との関係を示す特性図である。

【図７】本発明の第３実施の形態における水付着面積と
燃料電池スタックの回転数との関係を示す特性図であ
る。

【図８】本発明の第３実施の形態の燃料電池システムを
示すブロック図である。

【図９】本発明の第３実施の形態の制御を説明するフロ
ーチャートである。

【図１０】本発明の第４実施の形態の燃料電池システム
を示す断面図である。

【図１１】本発明の第５実施の形態の燃料電池システム
における弁の動作を説明する断面図である。

【図１２】本発明の第５実施の形態における弁の動作の
断面図である。

【図１３】本発明の第６実施の形態の燃料電池システム
を示す断面図である。

【図１４】第６実施の形態の制御を示すフローチャート
である。

【符号の説明】

１回転軸１ａスタック冷却水供給管１ｂ燃料ガス供給管１ｃ酸化剤ガス供給管２電解質膜３燃料ガス流路３ａ燃料ガスの集合空間４酸化剤ガス流路４ａ酸化剤ガスの集合空間７冷却水流路１７燃料電池スタック２４弁１００、２００燃料電池スタック

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配
置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタッ
クと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管
とを備えた燃料電池システムであって、前記燃料極、前記酸化剤極の少なくとも一方の極板面に
対して平行に回転軸を設け、該回転軸を中心として前記
燃料電池スタックが回転可能とされ、前記回転軸の内部
を経由して燃料ガス、酸化剤ガス、スタック冷却水が供
給される共に燃料ガス、酸化剤ガス、スタック冷却水が
前記回転軸の軸心部から回転半径の方向に流れる流路を
前記燃料電池スタックの内部にそれぞれ形成したことを
特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記回転軸に対して、放射状に単電池が
配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電
池システム。
【請求項３】前記単電池におけるそれぞれの前記燃料
極および前記酸化剤極の極板上に付着している水の量の
データまたは水の付着面積のデータあるいはこれらの特
性を示すデータを検出する検出手段と、前記検出手段か
らのデータに基づき前記極板上の付着水量または付着面
積が大きくなるにしたがって、前記回転軸を中心として
回転する前記燃料電池スタックの回転数を高めるように
制御する制御手段とを備えていることを特徴とする請求
項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】前記燃料電池スタックの回転外周部に燃
料ガス、酸化剤ガスのそれぞれ個別の集合空間を備える
と共に、前記集合空間から前記燃料電池スタックの回転
半径外側方向に向かって内部の水を放出可能な弁を備え
ていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
の燃料電池システム。
【請求項５】前記集合空間内の水を放出可能な弁は、
前記燃料電池スタックの回転数が高くなるにつれて弁開
度が大きくなるように設定されていることを特徴とする
請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】前記燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給す
る圧縮機の回転軸と、前記燃料電池スタックとは連動回
転可能に設けられていることを特徴とする請求項１〜５
のいずれかに記載の燃料電池システム。