JP2005190759A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 アノード排ガスを内部に止めて運転する燃料電池において、燃料ガス流路の形状によることなく、燃料ガス流路内のガス拡散性を向上する。
【解決手段】 単セルＳＬでは、燃料ガス供給孔１５０、燃料ガス流路１１０、燃料ガス排出孔１５５の順に燃料ガスが流れる。燃料ガス排出孔１５５が排出する燃料ガスが流入する燃料ガス排出管１５８には、アノード排ガス排出弁１５９が設けられている。アノード排ガス排出弁１５９は、単セルＳＬの発電時には原則として、常時閉弁されている。ピストン機構３００は、ピストン３４０を往復駆動することで、燃料ガス流路１１０に圧力変動を生じさせる。この圧力変動により、燃料ガス流路１１０における生成水を拡散させ、燃料ガスの拡散性の低下を防ぐ。
【選択図】 図２

Description

本発明は燃料電池に関する。

燃料電池の膜電極接合体は、カソードセパレータとアノードセパレータとによって挟持されている。カソードセパレータには膜電極接合体の一面と当接した際に酸化ガス流路を形成する酸化ガス流路形成部が形成され、アノードセパレータには膜電極接合体の他面と接合した際に燃料ガス流路を形成する燃料ガス流路形成部が形成されている。カソード側では、起電反応に伴い水（生成水）が生成される。カソード側で生じた生成水は、膜電極接合体を透過してアノード側に浸入し、さらに燃料ガス流路に浸入することになる。このため、燃料ガス流路内に存在する水分により燃料ガスの拡散性が低下させられるので、起電反応が阻害されてしまい、燃料電池の性能が低下してしまう。そこで、燃料ガス流路の形状によって燃料ガス流路に圧力変動を生じさせて燃料ガスの拡散を図る技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平１１−２３３１２５ 特開平２００２−１５１１１５

しかし、燃料電池には、アノード排ガスを内部に止めて運転する燃料電池（例えば、特許文献２を参照）があり、このような燃料電池では、特に下流端に燃料ガスの流動が殆ど存在していない。従って、特許文献１に開示されたように燃料ガス流路の形状を変更しても、圧力変動が生じず、燃料ガスの拡散性は向上できない。

本発明は、上記の課題に鑑み、アノード排ガスを燃料電池内に止めて運転する燃料電池において、圧力変動を生じさせることによって、燃料ガス流路内における燃料ガスの拡散性を向上させることを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明では、次の構成を適用した。
本発明の燃料電池は、アノード排ガスを内部に止めて運転する燃料電池であって、前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入部と、前記燃料ガス導入部と連通され、前記供給された燃料ガスが上流から下流に向けて流れる燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路の圧力状態を変化させる圧力変動機構とを備えることを要旨とする。

本発明の燃料電池によれば、アノード排ガスを内部に止めて燃料電池を運転する場合でも、燃料ガス流路の圧力状態を変化させることができるので、燃料ガス流路内における水分が拡散され、燃料ガス流路内における燃料ガスの拡散性を向上することができる。

本発明の燃料電池において、前記燃料ガス流路の下流端は塞がれていても良い。このようにすれば、燃料ガス流路の下流端を塞ぐことによる、燃料ガスの拡散性の低下を抑制することができる。

本発明の燃料電池において、所定条件時に、前記燃料ガス流路と前記燃料電池外部とを連通させる連通機構を備えても良い。このようにすれば、燃料ガス流路内に滞留する水分および不純物を、燃料電池外部に排出することができるので、燃料ガス流路内に滞留する水分および不純物の蓄積に起因する燃料電池の性能低下を抑制できる。

本発明の燃料電池において、前記圧力状態の変化は、前記燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路に連通された空間との少なくとも一方の空間に、前記燃料ガス流路の下流端の圧力よりも低い圧力が生じる変化であることが望ましい。このようにすれば、圧力差（圧力勾配）によって、水分が滞留し易い下流端近傍領域から、その他の領域へと水分を移動させることができるため、水分の拡散性を向上させることができる。

本発明の燃料電池において、前記燃料ガス流路内の水分量を検出する検出部を備え、前記圧力変動機構は、前記検出部により検出された水分量が所定水分量を超えた際に前記圧力状態の変化を生じさせるものとしてもよい。かかる構成を備えることにより、圧力変動機構を効率よく作動させることが可能となり、燃料電池の運転効率の低下を防止することができる。

本発明の燃料電池において、前記圧力変動機構は、前記燃料ガス流路外に設けられていてもよい。かかる場合には、圧力変動機構が燃料ガス流路外に設けられているので、燃料ガス流路における圧損の発生を抑制し、燃料電池内の流路における燃料ガスの拡散性を向上させることができる。

本発明の燃料電池において、前記圧力変動機構は、
ピストンと、
前記燃料ガス流路の下流端近傍に連通されている第１の連通部と、
前記燃料ガス流路の前記燃料ガス導入部近傍に連通されている第２の連通部と、
前記第１の連通部および前記第２の連通部を連通すると共に、内部を前記ピストンが摺動する摺動室とを備えても良い。

かかる場合には、水分が滞留し易いガス下流端近傍から第２の連通部を介して水分を吸引し、第１の連通部を介して水分が滞留しにくい燃料ガス導入部近傍へと水分を移動させることができる。したがって、水分の拡散性をさらに高めることができる。また、水分の不足に起因する電解質膜の損傷を防止することができる。

なお、本発明の燃料電池において、前記圧力変動機構は、前記燃料ガス流路内に設けられているものとしてもよい。かかる場合には、燃料電池を小型化できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の運転方法などの形態で実現することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．構成：
Ａ２．燃料ガスの流れ：
Ａ３．ピストン機構３００の動作：
Ａ４．効果：
Ａ５．変形例：
Ａ５ａ．水分を循環させる場合：
Ａ５ｂ．燃料ガス流路内に圧力変動手段を設ける場合：
Ｂ．第２の実施例：
Ｂ１．変形例

Ａ．第１の実施例：
Ａ１．構成：
図１および図２を参照して、第１の実施例に係る燃料電池の構成について説明する。図１は、単セルタイプの燃料電池の構成を示す側面図である。図２は、膜電極接合体と当接するアノード側のセパレータの当接面を模式的に示す説明図である。単セルＳＬは固体高分子型の燃料電池であり、燃料ガス及び酸化ガスを用いて発電を行うことで１Ｖ強の起電圧を生じる。単セルＳＬは、図１に示すように、アノードセパレータ１０１と、カソードセパレータ１０２と、各セパレータ１０１，１０２に挟持された膜電極接合体１２０とを有する。単セルＳＬは、複数個が積層されることで、スタック状の燃料電池を構成する。

アノードセパレータ１０１には、図２に示すように、燃料ガス供給孔１５０、酸化ガス供給孔１６０，燃料ガス排出孔１５５，酸化ガス排出孔１６５が各々設けられている。図示しないが、カソードセパレータ１０２にも同様に燃料ガス供給孔、酸化ガス供給孔，燃料ガス排出孔，酸化ガス排出孔が各々設けられている。燃料電池スタックを構成するために、複数個のセルＳＬが積層されると、燃料ガス供給孔１５０は燃料ガス供給マニホールドを形成し、酸化ガス供給孔１６０は酸化ガス供給マニホールドを形成し、燃料ガス排出孔１５５は燃料ガス排出マニホールド１５５を形成し、酸化ガス排出孔１６５は酸化ガス排出マニホールドを形成する。

図２に示すように、燃料ガス供給孔１５０は燃料ガス供給管１５３と連通され、燃料ガス排出孔１５５は燃料ガス排出管１５８と連通されている。燃料ガス供給管１５３には燃料ガス供給弁１５４が、燃料ガス排出管１５８にはアノード排ガス排出弁１５９が設けられている。燃料ガス供給弁１５４は、単セルＳＬ内の内圧を一定の圧力に保持する圧力制御弁である。アノード排ガス排出弁１５９は、燃料電池の運転時には原則として、常時閉弁されている。なお、説明の便宜上から図１及び図２における図示は省略したが、酸化ガス供給孔１６０および酸化ガス排出孔１６５は各々、所定の酸化ガス供給管及び酸化ガス排出管に連通されている。

アノードセパレータ１０１には、膜電極接合体１２０との当接時に、燃料ガス流路１１０を形成する燃料ガス流路形成部１１１が形成されている。燃料ガス流路形成部１１１は、燃料ガス供給孔１５０及び燃料ガス排出孔１５５と接続されており、燃料ガス供給孔１５０及び燃料ガス排出孔１５５に対して垂直の方向に設けられている。燃料ガス流路形成部１１１の面１０１ａには、リブ１１２によって複数の燃料ガス流路形成溝が形成されている。以下、燃料ガス流路形成部１１１において、燃料ガス供給孔１５０側を上流と呼び、燃料ガス排出孔１５５側を下流と呼ぶものとする。なお、カソードセパレータ１０２と膜電極接合体１２０との間には、酸化ガス供給孔１６０及び酸化ガス排出孔１６５に連通されている酸化ガス流路１３０が形成されている。

図２に示すように、単セルＳＬにはピストン機構３００が接続されている。ピストン機構３００は、ピストン３４０と、ピストン３４０が往復動する作用室としての摺動室３１０と、矢印３５０に示す往復摺動を摺動室３１０内部でピストン３４０に行わせる駆動部３３０と、連通路３１１とを有する。摺動室３１０は、連通路３１１を介して燃料ガス流路形成部１１１（燃料ガス流路１１０）に連通されている。したがって、ピストン３４０が駆動されると、摺動室３１０内の気体が連通路３１１を介して燃料ガス流路１１０に供給され、燃料ガス流路１１０内に圧力変動が発生する。なお、連通路３１１が燃料ガス流路形成部１１１に接続される接続位置は、燃料ガス流路形成部１１１の最下流部付近である。生成水を含む不純物は燃料ガス流路１１０の最下流部付近に滞留しやすいので、燃料ガス流路１１０の最下流部付近における圧力変動の変化幅を大きくする必要があるからである。

ピストン機構３００の駆動部３３０は、コンピュータ（図示せず）を内蔵している。駆動部３３０のコンピュータは、単セルＳＬの発電電圧を測定する電圧計測部１２の計測電圧に応じ、ピストン３４０を駆動する。なお、駆動部３３０は、セルＳＬの発電電圧に関わらず、ピストン３４０の駆動を行うものとしてもよい。

Ａ２．燃料ガスの流れ：
単セルＳＬにおける燃料ガスの流れは、以下の通りである。燃料ガスは、燃料ガス供給管１５３、燃料ガス供給孔１５０を介して燃料ガス流路１１０に供給される。燃料ガス流路１１０内に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給孔から燃料ガス排出孔１５５に向かって流動する。燃料ガス流路１１０内の燃料ガスは、アノード排ガス排出弁１５９を開弁した場合には、燃料ガス排出孔１５５及び燃料ガス排出管１５８経て、単セルＳＬの外部に排出される。ただし、前述のように、アノード排ガス排出弁１５９は、通常、燃料電池の運転時には、アノード排ガスを単セルＳＬの内部に止めておくために閉弁されている。そして、運転時間の経過と共に燃料ガス流路１１０における水その他の不純物の量が多くなり単セルＳＬの出力が所定値以下となると、水その他の不純物を燃料電池外部に排出するために所定の制御コンピュータ（図１，２で図示せず）により開弁される。なお、燃料ガスとともに発電に用いられる酸化ガスは、酸化ガス供給孔１６０、酸化ガス流路１３０、酸化ガス排出孔１６５の順に流動する。

単セルＳＬに供給された、燃料ガス及び酸化ガスは、起電反応において消費される。より具体的には、燃料ガス流路１１０の最上流部に供給された燃料ガスは、燃料ガス流路１１０の下流側に流動しつつ、燃料ガス流路１１０の各部で消費される。燃料ガスは、燃料ガス流路１１０の各部で消費されるため、燃料ガス流路１１０を流れる燃料ガスの流量は、下流側ほど少なくなる。燃料ガス流路１１０の最下流部では、燃料ガスの流れは殆どなくなる。燃料ガスが消費され、燃料ガス流路１１０の圧力が所定値を下回ると、燃料ガス供給弁１５４が自動的に開弁し、消費された分に相当する新たな燃料ガスが、燃料ガス供給孔１５０から燃料ガス流路１１０の最上流部に供給される。

Ａ３．ピストン機構３００の動作：
起電反応に際して、カソード極にて生成された生成水が膜電極接合体１２０を介してアノード極に透過することがある。かかる場合には、燃料ガス流路１１０に水分が滞留することがある。燃料ガス流路１１０に滞留する水分は、燃料ガス流路１１０の上流部や中流部では、流動する燃料ガスにより、燃料ガス流路１１０の下流方向へと移動させられる。このため、燃料ガス流路１１０に滞留する水分は、燃料ガス流路１１０の下流側ほど多くなる。図２では、水分が滞留し易い部位２２１をハッチングにより一例として示している。

そこで、本実施例では、ピストン機構３００によって、燃料ガス流路１１０の下流側に滞留する水分を、燃料ガス流路１００全体へと拡散させる。そのため、ピストン機構３００の連通路３１１は、水分が滞留し易い部位２２１に接続されている。

ピストン機構３００は、燃料ガス流路１１０における水分の滞留量が所定の基準量以上となった場合に、ピストン３４０の駆動を開始する。水分の滞留量は、例えば、電圧計測部１２の計測電圧に基づいて特定される。すなわち、燃料ガス流路１００における水分の滞留量の増大に伴い、単セルＳＬ（燃料電池）の出力電圧が低下するので、電圧をパラメータとして用いることによって水分の滞留量を間接的に計測することができる。駆動部３３０は、電圧計測部１２の計測電圧が基準電圧以下となった場合、水分の滞留量が基準量以上になったものと判断し、ピストン３４０の駆動を開始する。ここで、基準量は、ピストン３４０の駆動エネルギと、ピストン３４０の駆動によって増大（回復）するセルＳＬの発電エネルギとが均衡する水分量以下に設定することが望ましい。

なお、燃料ガス流路１１０における水分の滞留量、すなわち、ピストン３４０の駆動の
有無を判断するために用いられるパラメータとしては種々のパラメータが用いられる。例えば、単セルＳＬの電流量、電力量の他、電圧量の変化率、電流量の変化率、電力量の変化率をパラメータとしても良い。あるいは、燃料ガス流路１１０に設けられた水分量センサ等を用いて水分の滞留量を直接計測してもよい。

ピストン３４０が駆動されると、ピストン３４０によって摺動室３１０の容量に相当する気体が、連通路３１１を介して燃料ガス流路１１０に押し出される。この結果、燃料ガス流路１１０の下流側における圧力は高くなり、燃料ガス流路１１０の中流、上流における圧力は相対的に低くなるので、燃料ガス流路１１０に圧力変動が生じ、あるいは、圧力勾配が逆転する。この圧力変動によって、水分が滞留し易い部位２２１の圧力より、その他の部位の圧力が低下し、部位２２１に滞留する水分が、その他の部位に向けて、矢印２２２（図２参照）に示すように移動する。具体的には、燃料ガス流路１１０の下流に滞留する水分は、中流、上流へと移動され、滞留水分の拡散が実現される。

Ａ４．効果：
図３は、燃料ガス流路１１０の圧力変動の態様を示す説明図である。以下、図３を参照しつつ、実施例の単セルＳＬが奏する作用効果を説明する。

図３のグラフで縦軸は、燃料ガス流路１１０の所定の計測点における圧力を示し、横軸は時間経過を示している。図３では、ピストン機構３００をセルＳＬに設けた場合（実施例の場合）の計測圧力を実線で示すと共に、ピストン機構３００をセルＳＬに設けなかった場合の計測圧力を一点鎖線により示している。

ピストン機構３００を備えない単セルＳＬの計測圧力（一点鎖線）は、時間経過に関わらず一定のままである。したがって、燃料ガス流路１１０の水分は、膜電極接合体１２０の表面上に水分の膜を容易に形成し起電反応を阻害する。また、燃料ガス流路１１０に水分が滞留することによって、燃料ガスの拡散性が低下され、単セルＳＬの運転効率が低下する。

これに対して、ピストン機構３００を備える単セルＳＬの計測圧力（実線）は、時間経過に応じて動的に変化、すなわち、圧力勾配の変動が周期的に発生する。したがって、燃料ガス流路１１０の下流近傍に滞留する水分が、燃料ガス流路１１０の中流、上流といった他の領域に移動させられるので、燃料ガス流路１１０に滞留する水分を拡散させることができる。この結果、滞留水分による膜電極接合体１２０表面の被覆を防止または低減することが可能となり、さらに、燃料ガス流路１１０を流れる燃料ガスの拡散性を向上させることができる。

本実施例に係る単セルＳＬでは、ピストン機構３００によって燃料ガス流路１１０の圧力状態が変動されるので、燃料ガス流路におけるガス拡散性の低下を抑制することができる。したがって、ガス拡散性の低下に起因して単セルＳＬの出力が、アノード排ガス排出弁１５９の開弁時期を判断する所定値以下となるまでの期間を長くすることができる。このため、燃料ガス流路内に残留していた燃料ガスがアノード排ガス排出弁１５９の開弁により燃料電池外部に排出されることに起因する燃費悪化を抑制できる。なお、本実施例では、燃料ガス流路１１０からアノード排ガスを排出可能な構成を備える単セルＳＬを例にとって説明したが、燃料ガス流路１１０の末端が塞がれており、アノード排ガスを排出しない構成を備える単セルＳＬを用いても同様の作用効果を得ることができる。

また、本実施例に係る単セルＳＬによれば、ピストン機構３００によって燃料ガス流路１１０の圧力状態を変動させるので、燃料ガス流路１１０を流れる燃料ガスの流量に依存することなく水分を拡散させることができる。したがって発電を停止した場合など、燃料ガス流路１１０全体の燃料ガスの流量が少ない場合でも、水分を拡散させることができる。

なお、上記実施例では、燃料ガス流路１１０の水分を例にとって説明を行ったが、上述の技術は、燃料ガス流路１１０中における窒素を始めとする種々の不純物の拡散性を向上させるために用いることができる。

Ａ５．変形例：
Ａ５ａ．水分を循環させる場合：
図４を用いて、単セルＳＬに備えられるピストン機構３００の変形例について説明する。図４は、連通路３１１，４１１を介して水分を循環させる場合のピストン機構３００の変形例を示す説明図である。なお、ピストン機構３００'を除く単セルＳＬ１の構成は、第１の実施例に係る単セルＳＬと同様であるから同一の符号を付してその説明を省略する。また、ピストン機構３００'の構成のうちピストン機構３００と同一の構成についても同一の符号を付してその説明を省略する。

本変形例におけるピストン機構３００'は、連通路３１１に加えて、連通路４１１を備えている。連通路４１１は、その一端が燃料ガス流路１１０の最上流部、すなわち、水分が滞留し難い領域２２４、と連通され、他端がピストン機構３００'の摺動室３１０と連通されている。

各連通路４１１，３１１には、それぞれ逆止弁４１２，３１２が配置されている。これら逆止弁４１２，３１２は、連通路４１１，３１１を流れる気体の流れを一方向に規制する。具体的には、逆止弁４１２は、連通路４１１における流れを、摺動室３１０から燃料ガス流路１１０への流れのみに規制する。また、逆止弁３１２は、連通路３１１における流れを、燃料ガス流路１１０から摺動室３１０への流れのみに規制する。

本変形例のピストン機構３００'によれば、ピストン３４０が駆動されると、最下流の部位２２１に滞留する水分が連通路３１１、逆止弁３１２を介して摺動室３１０へと吸引され、摺動室３１０に吸引された水分は連通路４１１、逆止弁４１２を介して最上流の領域２２４へと運ばれる。したがって、最下流の部位２２１から水分が除去され、燃料ガス流路１１０における燃料ガスの拡散性が向上されると共に滞留水分による膜電極接合体１２０の被覆を防止または低減することができる。さらに、除去された水分は、滞留水分の少ない最上流の領域２２４へと運ばれるので、滞留水分の拡散を図ることができると共に、燃料ガスを加湿することができる。

Ａ５ｂ．燃料ガス流路内に圧力変動手段を設ける場合：
図５を参照しつつ、第１の実施例の変形例として、ピストンを燃料ガス流路１１０内部に設ける場合の変形例を説明する。図５は、燃料ガス流路１１０内部にピストン５００を設けた単セルＳＬ２内部を模式的に示す説明図である。

単セルＳＬ２には、第１の実施例における連通路３１１及びピストン機構３００（図２参照）に変えて、ピストン５００と駆動部５２０とが設けられている。ピストン５００及び駆動部５２０は各々、単セルＳＬ２に５組設けられている。５つのピストン５００は各々、対応して設けられた駆動部５２０によって駆動されることで、矢印５３０に示す往復摺動を行う。駆動部５２０は、例えば、電磁コイル、モータ等によって実現され、例えば、単セルＳＬ２の運転と同時にピストン５００を往復摺動させる。

５つのピストン５００は、燃料ガス流路１１０内部を摺動することで、燃料ガス流路１１０に圧力変動を生み出す。この結果、水分が滞留し易い部位２２１の水分は、矢印５１０方向に向かって移動し、滞留水分が拡散される。すなわち、ピストン５００が下方へ移動すると、下流の部位２２１が加圧され、水分が上流へと移動する。一方、ピストンが上方へ移動すると下流の部位２２１の圧力が低下し、上流、中流における燃料ガスが下流へと移動しやすくなる。

以上説明したセルＳＬ２によれば、ピストン５００の往復摺動により、燃料ガス流路１１０の下流の部位２２１が加圧され、燃料ガス流路１１０の下流の部位２２１に滞留している水分が燃料ガス流路１１０の中流、上流へと移動される。この結果、燃料ガス流路１１０の下流における燃料ガスの拡散性が向上される。また、燃料ガス流路１１０に圧力変動を生じさせる圧力変動手段としてのピストン５００および駆動部５２０が燃料ガス流路１１０内部に設けられているため、燃料電池を小型化できる。なお、ピストン５００の断面形状は、往復摺動時の、燃料ガス流路１１０における圧損の低減と、燃料ガス流路１１０の閉塞の抑制とのために、小さくすることが望ましい。ピストン５００の断面形状は、例えば、半月状、三日月状であるものとしてもよい。

図６を参照して、圧力変動手段を燃料ガス流路１１０内部に設ける場合の第２の変形例を説明する。図６は、燃料ガス流路１１０内部にスクリュー６００を設けたセルＳＬ３の内部を模式的に示す説明図である。

セルＳＬ３には、図５のピストン５００、ピストン駆動部５２０に代えて、スクリュー６００、スクリュー駆動部６２０が設けられている。５つのスクリュー駆動部６２０は各々、対応するスクリュー６００を、矢印６３０方向に回転させる。スクリュー駆動部６２０は、例えば、電磁コイル、モータ等によって実現され、例えば、単セルＳＬ３の運転と同時にスクリュー６００を回転させる。スクリュー６００は、矢印６３０方向に回転することで、水分が滞留し易い部位２２１に圧力変動を発生させる。また、スクリュー６００の回転によって、部位２２１の水分は、矢印６１０方向に移動させられる。

以上説明したセルＳＬ３によれば、スクリュー６００の回転運動により、燃料ガス流路１１０の下流の部位２２１が加圧され、燃料ガス流路１１０の下流の部位２２１に滞留している水分が燃料ガス流路１１０の中流、上流へと移動される。この結果、燃料ガス流路１１０の下流における燃料ガスの拡散性が向上される。また、単セルＳＬ３を小型化することができる。

Ｂ．第２の実施例：
図７を参照して、第２の実施例に係る燃料電池スタックについて説明する。図７は、ピストン機構７００が設けられた燃料電池スタック１０００の内部構成を模式的に示す説明図である。

燃料電池スタック１０００は、例えば、第１の実施例に係る単セルＳＬ１が積層されることによって形成される。燃料電池スタック１０００は、セルＳＬａ〜ＳＬｆにわたってスタック積層方向に伸びる燃料ガス供給マニホールド１５０，燃料ガス排出マニホールド１５５を有する。マニホールド１５０，１５５は各々、セルＳＬａ〜ＳＬｆに設けられた孔（図１、図２の燃料ガス供給孔１５０，燃料ガス排出孔１５５に相当する）により構成されている。燃料ガス供給マニホールド１５０は燃料ガス供給管１５３に接続されており、燃料ガス排出マニホールド１５５は燃料ガス排出管１５８に接続されている。燃料電池スタック１０００に設けられたピストン機構７００の摺動室７１０は、燃料ガス排出マニホールド１５５に接続されている。

以上説明した燃料電池スタック１０００によれば、ピストン７４０が往復摺動することによって、摺動室７１０内の気体が燃料ガス排出マニホールド１５５を介して各燃料ガス流路１１０に送られるので、燃料ガス流路１１０および燃料ガスマニホールド１５５に圧力変動を発生させることができる。この結果、燃料ガス流路１１０および燃料ガスマニホールド１５５に滞留する水分を拡散させて、燃料ガスの拡散性を向上させることができる。さらに、燃料電池スタック１０００では、１つのピストン機構７００によって各燃料ガス流路１１０に圧力変動を発生させるので、複数のピストン機構を設けた場合よりも、燃料電池スタックの構成を簡略化することができる。

Ｂ１．変形例：
図８を参照して、第２の実施例の変形例としての燃料電池スタック１０００Ａを説明する。図８は、直列に接続された燃料ガス流路１１０ａ〜１１０ｆを有する燃料電池スタック１０００Ａの内部構成を模式的に示す説明図である。

図８の燃料電池スタック１０００Ａは、図７の燃料ガス供給マニホールド１５０及び燃料ガス排出マニホールド１５５に代えて、燃料ガス連通路８５１〜８５７を有する。図示するように、燃料ガス連通路８５２〜８５６は、燃料ガス流路１１０ａ〜１１０ｆを直列に連通する。燃料ガス連通路８５１は、燃料ガス供給管１５３および燃料ガス流路１１０ａと接続されており、燃料ガス連通路８５７は、燃料ガス流路１１０ｆおよび燃料ガス排出管１５８と接続されている。以下、このようにして直列に接続された燃料ガスの流路・通路をスタック貫通流路８５０と呼ぶ。燃料電池スタック１０００Ａに設けられたピストン機構８００の摺動室８１０は、スタック貫通流路８５０の最下流部に位置する燃料ガス連通路８５７に接続している。

図８において、燃料ガス供給管１５３からスタック貫通流路８５０に供給された燃料ガスは、燃料ガス連通路８５１、燃料ガス流路１１０ａ、燃料ガス連通路８５２、燃料ガス流路１１０ｂ、...、燃料ガス流路１１０ｆ、燃料ガス連通路８５７の順に流れる。

したがって、燃料電池スタック１０００Ａのスタック貫通流路８５０において、生成水（水分）が最も滞留し易いのは、スタック貫通流路８５０の下流側（燃料ガス排出管１５８側）である。

そこで、本変形例における燃料電池スタック１０００Ａでは、ピストン機構８００の摺動室８１０とスタック貫通流路８５０の下流側（燃料ガス連通路８５７）とを連通し、ピストン８４０を駆動することで、スタック貫通流路８５０に圧力変動を発生させる。より具体的には、ピストン８４０の駆動によって、摺動室８１０内の気体がスタック貫通流路８５０に押し出され、スタック貫通流路８５０の下流側の圧力が増大し、スタック貫通流路８５０の上流側の圧力が相対的に低下する。この結果、スタック貫通流路８５０の圧力勾配が変動し、スタック貫通流路８５０の下流側、例えば、燃料ガス流路１１０ｆに滞留する水分が、矢印８２２方向に移動させられる。したがって、スタック貫通流路８５０の下流に滞留する水分をスタック貫通流路８５０の中流、上流へと拡散させることが可能となり、スタック貫通流路８５０を流れる燃料ガスの拡散性を向上させることができる。

以上、実施例に基づき本発明にかかる燃料電池を説明してきたが、上述した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得る。

単セルタイプの燃料電池の構成を示す側面図である。 膜電極接合体と当接するアノード側のセパレータの当接面を模式的に示す説明図である。 燃料ガス流路１１０の圧力変動の態様を示す説明図である。 水分を循環させるピストン機構３００'を設けた単セルＳＬ１の内部を模式的に示す説明図である。 燃料ガス流路１１０内部にピストン５００を設けた単セルＳＬ２の内部を模式的に示す説明図である。 燃料ガス流路１１０内部にスクリュー６００を設けたセルＳＬ３の内部を模式的に示す説明図である。 ピストン機構７００が設けられた燃料電池スタック１０００の内部構成を模式的に示す説明図である。 直列に接続された燃料ガス流路１１０ａ〜１１０ｆを有する燃料電池スタック１０００Ａの内部構成を模式的に示す説明図である。

符号の説明

ＳＬ...単セル
１０１...アノード側セパレータ
１０２...カソード側セパレータ
１０２ａ...膜電極接合体との当接面
１１０...燃料ガス流路
１１１...燃料ガス流路形成溝
１５０...燃料ガス供給孔
１５５...燃料ガス排出孔
１５３...燃料ガス供給管
１５４...燃料ガス供給弁
１５８...燃料ガス排出管
１５９...アノード排ガス排出弁
１３０...酸化ガス流路
１３０...酸化ガス流路形成溝
１６０...酸化ガス供給孔
１６５...酸化ガス排出孔
１２０...膜電極接合体
３００...ピストン機構
３１０...摺動室
３１１...連通路
３３０...駆動部
３２０...ブロック部
３４０...ピストン
３５０...ピストンの往復動の態様を示す矢印
１２...電圧計測部
ＳＬ１...単セル
３００'...ピストン機構
４１１...連通路
３１２，４１２...逆止弁
２２４...水分が滞留しにくい部位
ＳＬ２...単セル
５００...ピストン
５１０...水分の移動態様を示す矢印
５２０...駆動部
５３０...ピストンの往復動の態様を示す矢印
ＳＬ３...単セル
６００...スクリュー
６２０...スクリュー駆動部
６１０...水分の移動態様を示す矢印
６３０...スクリューの回転方向を示す矢印
１０００...燃料電池スタック
ＳＬａ〜ＳＬｆ...単セル
Ｓｐ１〜Ｓｐ７...セパレータ
７００...ピストン機構
７１０...摺動室
７４０...ピストン
１０００Ａ...燃料電池スタック
８００...ピストン機構
８１０...摺動室
８４０...ピストン
１１０ａ〜１１０ｆ...燃料ガス流路
８５１〜８５７...燃料ガス連通路
８５０...スタック貫通流路

Claims (7)

1. アノード排ガスを内部に止めて運転する燃料電池であって、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス導入部と、
   前記燃料ガス導入部と連通され、前記供給された燃料ガスが上流から下流に向けて流れる燃料ガス流路と、
   前記燃料ガス流路の圧力状態を変化させる圧力変動機構とを備える燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、さらに、
   所定条件時に、前記燃料ガス流路と前記燃料電池外部とを連通させる連通機構を備える燃料電池。
3. 請求項１ないし請求項２のいずれか一の請求項に記載の燃料電池において、
   前記圧力状態の変化は、前記燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路に連通された空間との少なくとも一方の空間に、前記燃料ガス流路の下流端の圧力よりも低い圧力が生じる変化である燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一の請求項に記載の燃料電池において、さらに、
   前記燃料ガス流路内の水分量を検出する検出部を備え、
   前記圧力変動機構は、前記検出部により検出された水分量が所定水分量を超えた際に前記圧力状態の変化を生じさせる燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一の請求項に記載の燃料電池において、
   前記圧力変動機構は、前記燃料ガス流路外に設けられている燃料電池。
6. 請求項５に記載の燃料電池において、
   前記圧力変動機構は、
   ピストンと、
   前記燃料ガス流路の下流端近傍に連通されている第１の連通部と、
   前記燃料ガス流路の前記燃料ガス導入部近傍に連通されている第２の連通部と、
   前記第１の連通部および前記第２の連通部とを連通すると共に内部を、前記ピストンが摺動する摺動室とを備える燃料電池。
7. 請求項１ないし請求項４のいずれか一の請求項に記載の燃料電池において、
   前記圧力変動機構は、前記燃料ガス流路内に設けられている燃料電池。

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