JP4470652B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、発電に要する流体の制御を行う燃料電池に関する。
近年では、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として、例えば水素等の燃料と酸素等の酸化剤とを反応させることにより発電を行う燃料電池が応用されている。
このような燃料電池として、従来、燃料と酸化剤とを反応させるための膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を、この膜電極接合体に燃料と酸化剤とを分離してそれぞれ供給するセパレータにより挟持して構成されるセルが複数積層されたセルスタックを有する燃料電池が知られている。さらに、複数のセルスタックを接続した燃料電池も知られている(例えば、特許文献1参照)。
この複数のセルスタックを接続した燃料電池においては、燃料電池全体の発電効率を向上させるために、各セルスタックにそれぞれ供給される燃料及び酸化剤であるガスのガス量を調整するバルブが設けられており、各セルスタックの出力電圧及び各セルスタックに対する空気圧に基づいて各バルブの開閉量を制御して、各セルスタックによる発生電力のばらつきを調整するようになっている。
特開2000−243421号公報
しかし、従来の燃料電池では、各セルに供給するガスの供給量がセル毎に調整されていないため、各セルに均等に燃料や酸化剤が行き渡らない場合があり、この場合、セル間の発電性能に差が生じ、低い電力に引きずられて、セルスタック全体の発電効率が低下するという問題があった。
また、燃料電池は、各セルに供給する燃料や酸化剤の供給量が微妙に増減するだけで、燃料と酸化剤とが反応するのに適当な平衡が崩れるため、各セルに供給する燃料や酸化剤の供給量が調整されないと、発電効率が著しく低下するという問題があった。
そこで、本発明は、各セルに供給する燃料や酸化剤の供給量をセル毎に調整することにより、発電効率の低下を防止することができる燃料電池を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、請求項1に記載のは、燃料と酸化剤とを反応させることにより発電を行う複数のセルを備えた燃料電池であって、前記複数のセルは、各セルに供給される前記燃料及び前記酸化剤の少なくともいずれか一方が流れる第1の孔及び第2の孔と、前記第1の孔と前記第2の孔との間に設けられ前記燃料及び前記酸化剤の少なくともいずれか一方が流れる溝と、前記第1の孔と前記溝との間に設けられ前記溝を流れる前記燃料及び前記酸化剤の少なくともいずれか一方の単位時間あたりの流量を検出する流量検出手段と、前記第2の孔と前記溝との間に設けられ前記溝を流れる前記燃料及び前記酸化剤の少なくともいずれか一方の供給量を調整する供給量調整手段を有し、
前記流量検出手段により検出された単位時間あたりの流量に基づいて前記供給量調整手段を制御する制御部を更に備え
前記複数のセルのいずれかにおいて、前記供給量調整手段により単位時間あたりの流量が最大となるように調整されている場合であって、前記流量検出手段により検出された単位時間あたりの流量が所定値未満である場合には、
前記制御部は、当該セル以外のセルについて単位時間あたりの流量が最小となるように前記供給量調整手段を制御することを特徴とする。
請求項に記載の発明は、燃料と酸化剤とを反応させることにより発電を行う複数のセルを備えた燃料電池であって、前記複数のセルは、各セルに供給される前記燃料及び前記酸化剤の少なくともいずれか一方であるガスが流れる第1の孔及び第2の孔と、前記第1の孔と前記第2の孔との間に設けられ前記ガスが流れる溝と、前記第1の孔と前記溝との間に前記溝を流れる前記ガスの単位時間あたりの流量を検出する流量検出手段と、前記第2の孔と前記溝との間に設けられ前記溝を流れる前記ガスの供給量を調整する供給量調整手段とをそれぞれ有し、
前記流量検出手段により検出された単位時間あたりの流量に基づいて前記供給量調整手段を制御する制御部を更に備え、
前記供給量調整手段は、印加される電圧に応じて変形する圧電素子を含み、
前記圧電素子の変形により前記第2の孔と前記溝との間を開閉して前記ガスの流れを許容又は遮断し、
前記複数のセルのいずれかにおいて、前記供給量調整手段により単位時間あたりの流量が最大となるように調整されている場合であって、前記流量検出手段により検出された単位時間あたりの流量が所定値未満である場合には、
前記制御部は、当該セル以外のセルについて単位時間あたりの流量が最小となるように前記供給量調整手段を制御することを特徴とする。
請求項10に記載の発明は、燃料と酸化剤とを反応させることにより発電を行う複数のセルを備えた燃料電池であって、前記複数のセルは、各セルに供給される前記燃料及び前記酸化剤の少なくともいずれか一方であるガスが流れる第1の孔及び第2の孔と、前記第1の孔と前記第2の孔との間に設けられ前記ガスが流れる溝と、前記第1の孔と前記溝との間に前記溝を流れる前記ガスの単位時間あたりの流量を検出する流量検出手段と、前記第2の孔と前記溝との間に設けられ前記溝を流れる前記ガスの供給量を調整する供給量調整手段とをそれぞれ有し、
前記流量検出手段により検出された単位時間あたりの流量に基づいて前記供給量調整手段を制御する制御部を更に備え、
前記供給量調整手段は、印加される電圧に応じて間隔が変わる一対の電極板を含み、
前記一対の電極板の間隔を変えることにより前記ガスの流れを許容又は遮断し、
前記複数のセルのいずれかにおいて、前記供給量調整手段により単位時間あたりの流量が最大となるように調整されている場合であって、前記流量検出手段により検出された単位時間あたりの流量が所定値未満である場合には、
前記制御部は、当該セル以外のセルについて単位時間あたりの流量が最小となるように前記供給量調整手段を制御することを特徴とする。
本発明によれば、セルに供給する燃料や酸化剤の供給量がセル毎に調整されるため、各セルに均等に燃料や酸化剤が行き渡り、セル間の発電性能が均一に維持される。また、各セルに供給する燃料や酸化剤の供給量を調整することにより、燃料と酸化剤とが反応するのに適当な平衡が維持される。
発明によれば、各セルに供給する燃料や酸化剤の単位時間あたりの流量をセル毎に調整することにより、セル間の発電性能が均一に維持されるとともに、燃料と酸化剤とが反応するのに適当な平衡が保たれるため、発電効率の低下を防止することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図1から図8を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。
図1は本実施形態による燃料電池1の斜視図であり、図2は燃料電池1の構成説明図である。図1及び図2に示すように、燃料電池1は、発電を行うセルスタックユニット2を有している。このセルスタックユニット2は、発電動作の最小単位であるセル6a,6b,6c,6d(図2参照)が積層されたセルスタック3を、セルスタック3により発電された電気を集電する第1集電板4及び第2集電板5が挟持して構成されている。
各セル6a,6b,6c,6dは、例えば燃料としての水素と例えば酸化剤としての酸素とを反応させるための互いに同一構造の膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)7,8,9,10が、この膜電極接合体7,8,9,10に水素と酸素とをそれぞれ供給するセパレータ11,12,13,14,15にそれぞれ挟持されて構成されている。なお、セパレータ12,13,14は何れも同一構造である。
各集電板4,5は、例えば金メッキ銅等の良導電体により構成されており、平面視して矩形状に形成されている。なお、各集電板4,5の外側には、絶縁材からなる絶縁板を介して、セラミック,プラスチック,ガラス,シリコンなどの材料から構成されるエンドプレート(図示しない)が設けられている。
第1集電板4の一側面には、水素を含む流体を流入させる水素流入口16が設けられており、第2集電板5の一側面には、水素流入口16から取り込まれた流体を流出させる流体流出口17が設けられている。また、第2集電板5の他側面には、酸化剤を流入させる酸素流入口18が設けられており、第1集電板4の他側面には、水素と酸素との反応により生成された反応水を含む流体を流出させる流体流出口19が設けられている。
また、第1集電板4の一端部には、水素流入口16からセルスタック3側の面に連通し水素を流通させるための水素供給孔20(図1参照)が形成されており、他端部にはセルスタック3側の面から流体流出口19に連通し反応水を含む流体を流通させる流体排出孔21が形成されている。第2集電板5の一端部には、酸素流入口18からセルスタック3側の面に連通し酸素を流通させるための酸素供給孔22(図1参照)が形成されており、他端部には流体流出口17からセルスタック3側の面に連通し後述するセル6a〜6dの各水素流通部34a〜34dのいずれかを通過する水素を含む流体が排出される流体排出孔23が形成されている。
第1集電板4のセルスタック3側の面には、セル6aに水素を供給するための水素セパレータ11が、Oリング24を介して設けられている。水素セパレータ11は、水素に対して不活性であるセラミック,プラスチック,ガラス若しくはシリコン又はこれらの複合材から構成されており、平面視して矩形状に成形されている。ここで、図3は水素セパレータ11の平面図であり、図4は図3のIV−IV面の矢視断面図であり、図5は図3のV−V面の矢視断面図である。
図3〜図5に示すように、水素セパレータ11の一端部には、第1集電板4との接合面からこの接合面と対向する面に貫通し水素を流通させる水素供給孔111と、水素流通部34aを通過した流体を流通させるための流体排出孔112とがそれぞれ形成されている。また、水素セパレータ11の他端部には、第1集電板4との接合面からこの接合面と対向する面に貫通し酸素を流通させる酸素供給孔113と、反応水を含む流体を流通させる流体排出孔114とがそれぞれ形成されている。
また、水素セパレータ11における第1集電板4との接合面と対向する面の中央部には、図3に示すように、水素用溝25aが葛折り状に形成されており、この水素用溝25aの一端部と水素供給孔111との間には、水素供給孔111から水素用溝25aに向けて水素を流通させる水素供給連通部26aが形成されている。
水素供給連通部26aの途中であって水素セパレータ11内には、図3及び図4に示すように、水素の単位時間あたりの流量を検出する流量検出手段としての水素流量センサ27aが、単位時間あたりの流量を計測するために水素流量センサ27a内に設けられた計測部28が水素供給連通部26aの内部に露出して水素供給連通部26aを流通する水素に接するように、埋設されている。
この水素流量センサ27aは、例えば、図示しないシリコン基板を有しており、このシリコン基板には、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて、キャビティ(図示しない)が形成されており、このキャビティには薄膜(図示しない)が設けられている。この薄膜上には、ヒータ(図示しない)が配設されているとともに、このヒータの両側にはガスの流通方向上流側に配置される上流側熱電対(図示しない)及び下流側に配置される下流側熱電対(図示しない)がそれぞれ設けられている。なお、これらヒータ及び熱電対が計測部28を構成している。
水素流量センサ27aには、水素流量センサ27aを駆動させて、一定間隔で、ヒータを作動させた状態で、ガスが流通することによる上流側熱電対及び下流側熱電対の温度差を起電力差として取り出すための検出用駆動手段としての水素流量計ドライバ29a(図2に図示)が、導線30を介して接続されているとともに、取り出された起電力差としての出力信号を増幅させる水素流量計アンプ31aが接続されている。なお、水素流量センサ27aを通過する流体は水素のみでない場合があるが、少なくとも供給される流体内の水素濃度は常時一定であるので計測部28は予め知っている水素濃度を考慮して純粋な水素量を計測することができる。
一方、水素用溝25aの他端部と流体排出孔112との間であって水素セパレータ11内には、セル6a内に供給される水素の供給量を調整するための水素小室32aが形成されており、水素用溝25aの他端部と流体排出孔112との間には、水素用溝25aから水素小室32aを介して流体排出孔112に向けて水素流通部34aを通過した流体を流通させる流体排出連通部33aが形成されている。
なお、水素用溝25aは、水素セパレータ11と後述の第1膜電極接合体7とが接合されることにより、水素が流通可能な水素流通部34aを形成するようになっており、この水素流通部34aと水素供給連通部26aと流体排出連通部33aとにより、水素供給孔111から供給された水素を含む流体をセル6a内において流通させて流体排出孔112から排出する水素流路35aを構成するようになっている。
セル6a内に供給される水素の供給量を調整する供給量調整手段としての水素バルブ36aが水素小室32a内に収納され、この水素バルブ36aを構成する開閉部材362が、流体排出連通部33aの水素小室32aへの入り口に対して接離可能に設けられている。
水素バルブ36aは、例えば、外縁部を水素小室32aの壁面に固定された圧電素子361を有しており、この圧電素子361における流体排出連通部33aの水素小室32aへの入り口に対応する位置には、ゴムにより形成され入り口を開閉可能な開閉部材362が設けられている。
水素バルブ36aには、水素バルブ36aを駆動させて、圧電素子361に所定の電圧を印加するための調整用駆動手段としての水素バルブドライバ44a(図2に図示)が、導線30を介して接続されており、水素バルブ36aは、圧電素子361に印加される電圧に応じて、圧電素子361が湾曲して開閉部材362が入り口に対して接離することで、流体排出連通部33aの水素小室32aへの入り口の開閉度が変更されて、水素流通部34aを経由して流体排出連通部33aから流体排出孔112へ引き出される水素の量が調整されることにより、セル6a内に供給される水素の単位時間あたりの流量を調整するようになっている。つまり、図5(A)に示すように、開閉部材362が入り口を開くと、水素流通部34a内の圧力と流体排出孔112内の圧力との差にしたがって、より高圧の水素流通部34a側の流体である水素が低圧側の流体排出孔112に移動することになり、セル6aには継続的に水素流入口16から水素が流れることになる。また、図5(B)に示すように、セル6aの開閉部材362が入り口を閉じると、セル6a内の水素流通部34a内の圧力を減じることができず、水素流入口16から取り込まれた水素は、セル6b〜6dのうち、開閉部材362が入り口を閉じていないためにセル6aの水素流通部34aより低圧になっている水素流通部34aの方に流れるので、セル6a内への水素の供給を停止することができる。
さらに、水素セパレータ11における第1集電板4との接合面と対向する面から水素セパレータ11の側面の一部にかけては金などの導電性薄膜(図示しない)が製膜されている。
図2に示すように、水素セパレータ11における第1集電板4との接合面と対向する面には、第1膜電極接合体7が設けられている。第1膜電極接合体7は、平面視して水素セパレータ11と同様の矩形状に形成されプロトンを選択的に透過させる固体高分子電解質膜71を有しており、固体高分子電解質膜71の中央部であって水素セパレータ11の水素用溝25の形成部分に対応する位置には、アノード(水素極)721とカソード(酸素極)722とからなる一対の電極72が、固体高分子電解質膜71を両面より挟持して一体形成されている。そして、第1膜電極接合体7は、アノード721側が、矩形枠状に形成されたガスケット731を介して水素セパレータ11に接合されている。
固体高分子電解質膜71は、例えばパーフルオロスルホン酸イオン交換膜により構成されている。アノード721は、水素を拡散させるガス拡散層と、水素をプロトンと電子とに分離させるための触媒を担持した触媒層とにより構成され、カソード722は、酸素を拡散させるとともに反応水を排出するガス拡散層と、酸素と水素のプロトン及び電子とを反応させるための触媒を担持した触媒層とにより構成されている。
触媒層は、例えばカーボン担持白金触媒と高分子電解質と撥水材とを混合して構成されており、ガス拡散層は、例えばガス透過性及び導電性に優れたカーボンペーパーやカーボンクロスにより構成されている。
また、固体高分子電解質膜71及びガスケット73の一端部には、水素セパレータ11との接合面からこの接合面と対向する面に貫通し、セル6aに水素を供給するための水素供給孔76と、この水素供給孔76から取り込まれ一部が固体高分子電解質膜71をプロトンとして通過する流体を排出させるための流体排出孔74とがそれぞれ形成されている。また、固体高分子電解質膜71及びガスケット73の他端部には、水素セパレータ11との接合面からこの接合面と対向する面に貫通し、セル6aに酸素を供給するための酸素供給孔77と、反応水を含む流体を排出させるための流体排出孔75とがそれぞれ形成されている。
第1膜電極接合体7のカソード722側には、矩形枠状に形成されたガスケット732を介して、酸素と水素とを分離して供給するための第1両面セパレータ12が設けられている。第1両面セパレータ12は、水素及び酸素に対して不活性であるセラミック,プラスチック,ガラス,シリコン等の材料から構成され、平面視して水素セパレータ11と同様に矩形状に形成されている。
図1及び図2に示すように、第1両面セパレータ12の一端部には、第1膜電極接合体7との接合面からこの接合面と対向する面に貫通し、セル6bの固体高分子電解質膜71に水素を供給するために水素セパレータ11の水素供給孔111と連通した水素供給孔121と、水素セパレータ11の流体排出孔112と連通し、水素流通部34aと同様に設けられたセル6bの水素流通部34bを通過した流体を排出させるための流体排出孔122とがそれぞれ形成されている。また、第1両面セパレータ12の他端部には、第1膜電極接合体7との接合面からこの接合面と対向する面に貫通し、且つ水素セパレータ11の酸素供給孔113と連通し、セル6aに酸素を供給するための酸素供給孔123と、水素セパレータ11の流体排出孔114と連通し、セル6aで生成された反応水を含む流体を排出させるための流体排出孔124とがそれぞれ形成されている。
ここで、図6は、両面セパレータ12の平面図である。図6に示すように、第1両面セパレータ12の第1膜電極接合体7との接合面の中央部には、酸素用溝37aが葛折り状に形成されており、この酸素用溝37aの一端部と酸素供給孔123との間には、酸素供給孔123から酸素用溝37aに向けて酸素を流通させる酸素供給連通部38aが形成されている。
酸素供給連通部38aの途中であって第1両面セパレータ12内には、酸素の単位時間あたりの流量を検出する流量検出手段としての酸素流量センサ41aが、単位時間あたりの流量を計測する計測部(図示しない)が酸素供給連通部38aの内部に露出して連通部を流通する酸素に接するように、埋設されている。この酸素流量センサ41aは、前述の水素流量センサ27aと同様の構成を有しており、酸素流量センサ41aには、水素流量センサ27aと同様に、検出用駆動手段としての酸素流量計ドライバ42a及び酸素流量計アンプ43aが接続されている。なお、酸素流量センサ41aを通過する流体は酸素のみでない場合があるが、少なくとも供給される流体内の酸素濃度は常時一定であるので計測部は予め知っている酸素濃度を考慮して純粋な酸素量を計測することができる。
一方、酸素用溝37aの他端部と流体排出孔124との間であって第1両面セパレータ12内には、セル6a内に供給される酸素の供給量を調整するための酸素小室48が形成されており、酸素用溝37aの他端部と流体排出孔124との間には、酸素用溝37aから酸素小室48を介して流体排出孔124に向けて酸素及び反応水を含む流体を流通させる流体排出連通部39aが形成されている。
なお、第1両面セパレータ12の酸素用溝37aが設けられた一方の面と第1膜電極接合体7とが接合されることにより、酸素用溝37aが酸素及び反応水が流通可能な酸素流通部40aとして機能するようになっており、この酸素流通部40aと酸素供給連通部38aと流体排出連通部39aにより、酸素供給孔123から供給された酸素及び反応水をセル6a内において流通させて流体排出孔124から排出する酸素流路45aを構成するようになっている。
酸素小室48内には、セル6a内に供給される酸素の供給量を調整する供給量調整手段としての酸素バルブ46aが、この酸素バルブ46aを構成する開閉部材が、連通部の酸素小室48への入り口に対して接離可能に設けられている。この酸素バルブ46aは、前述の燃料バルブ36aと同様の構成を有しており、この酸素バルブ46aには、同様に調整用駆動手段としての酸素バルブドライバ47aが接続されている。
また、第1両面セパレータ12における酸素用溝37aが設けられた一方の面と反対側の面の中央部にも、水素セパレータ11の水素用溝25aと同一形状の水素用溝25bが形成されている。この水素用溝25bの一端部と水素供給孔121との間には、水素セパレータ11の水素供給連通部26aと同様に、水素供給孔121から水素用溝25bに向けて水素を流通させる水素供給連通部26bが形成されており、水素供給連通部26bの途中には水素セパレータ11の水素流量センサ27aと同様の水素流量センサ27bが設けられている。また、水素用溝25bの他端部と流体排出孔122との間には、水素セパレータ11の流体排出連通部33aと同様に、水素用溝25bから流体排出孔122に向けて水素用溝25bを通過した流体を流通させる流体排出連通部33bが形成されており、流体排出連通部33bの途中には水素セパレータ11の水素バルブ36aと同様に水素バルブ36bが設けられている。
第1両面セパレータ12には、水素流量計アンプ31aと同様の水素流量計アンプ31b、水素流量計ドライバ29aと同様の水素流量計ドライバ29b及び水素バルブドライバ44aと同様の水素バルブドライバ44bが設けられている。
さらに、第1両面セパレータ12の第1膜電極接合体7との接合面及びこの接合面と対向する面から第1両面セパレータ12の側面にかけては金などの導電性薄膜(図示しない)が製膜されている。
第1両面セパレータ12の第1膜電極接合体7との接合面と対向する面には、第1膜電極接合体7と同様の構成を有する第2膜電極接合体8が、アノード(水素極)側が第1両面セパレータ12に接合されるように設けられている。
また、第2膜電極接合体8の固体高分子電解質膜81及びガスケット83の一端部には、第1両面セパレータ12との接合面からこの接合面と対向する面に貫通し、セル6bに水素を供給するための水素供給孔86と、水素供給孔86から取り込まれ一部が固体高分子電解質膜81をプロトンとして通過する流体を排出させるための流体排出孔84とがそれぞれ形成されている。また、固体高分子電解質膜81及びガスケット83の他端部には、第1両面セパレータ12との接合面からこの接合面と対向する面に貫通し、セル6bに酸素を供給するための酸素供給孔87と、反応水を含む流体を排出させるための流体排出孔85とがそれぞれ形成されている。
第2膜電極接合体8のカソード(酸素極)側には、第2両面セパレータ13,第3膜電極接合体9,第3両面セパレータ14,第4膜電極接合体10がこの順に積層され設けられており、第3膜電極接合体9及び第4膜電極接合体10は第1膜電極接合体7と同様の構成を有している。
第1両面セパレータ12と第2膜電極接合体8とが接合されることにより、水素流通部34aと同様に水素が流通可能な水素流通部34bが形成されるようになっており、この水素流通部34bと水素供給連通部26bと流体排出連通部33bとにより、水素供給孔から供給された水素を含む流体をセル6b内において流通させて流体排出孔122から排出する水素流路35bを構成するようになっている。
第2両面セパレータ13及び第3両面セパレータ14は、第1両面セパレータ12と同様の構成を有している。そのため、第2両面セパレータ13については、第1両面セパレータ12の各部に対応する部分の符号は図6において括弧書きで示す。第3両面セパレータ14についても同様に、第1両面セパレータ12の各部に対応する部分の封号は図6において括弧書きで示す。
第2両面セパレータ13及び第3両面セパレータ14は、第1両面セパレータ12の酸素流量センサ41aと同様の酸素流量センサ41b、41c、酸素バルブ46aと同様の酸素バルブ46b,46c、水素流量センサ27aと同様の水素流量センサ27b及び水素バルブ36bと同様の水素バルブ36c,36dがそれぞれ設けられており、これらには、導線30を介して、酸素流量計アンプ43aと同様の酸素流量計アンプ43b,43c、酸素流量計ドライバ42aと同様の酸素流量計ドライバ42b,42c、酸素バルブドライバ47aと同様の酸素バルブドライバ47b,47c、水素流量計アンプ31bと同様の水素流量計アンプ31c,31d、水素流量計ドライバ29bと同様の水素流量計ドライバ29c,29d及び水素バルブドライバ44bと同様の水素バルブドライバ44c,44dがそれぞれ接続されている。
また、第2膜電極接合体8と第2両面セパレータ13とが接合されることにより、酸素流通部40aと同様に酸素及び反応水が流通可能な酸素流通部40bが形成され、この酸素流通部40bと、酸素供給連通部38aと同様の酸素供給連通部38bと、酸素排出連通部39bとにより、酸素流路45aと同様に、酸素流入口18に連結された酸素供給孔123から供給された酸素及び反応水をセル6b内において流通させて流体排出孔134から排出する酸素流路45bを構成するようになっている。
第3膜電極接合体9の固体高分子電解質膜91及びガスケット93の一端部には、第2両面セパレータ13との接合面からこの接合面と対向する面に貫通し、セル6cに水素を供給するための水素供給孔96と、水素供給孔96から取り込まれ一部が固体高分子電解質膜91をプロトンとして通過する流体を排出させるための流体排出孔94とがそれぞれ形成されている。また、固体高分子電解質膜91及びガスケット93の他端部には、第2両面セパレータ13との接合面からこの接合面と対向する面に貫通し、セル6cに酸素を供給するための酸素供給孔97と、反応水を含む流体を排出させるための流体排出孔95とがそれぞれ形成されている。
また、第2両面セパレータ13と第3膜電極接合体9とが接合されることにより、水素流通部34bと同様に水素が流通可能な水素流通部34cが形成されるようになっており、この水素流通部34cと、水素供給連通部26bと同様の水素供給連通部26cと、流体排出連通部33bと同様の流体排出連通部33cとより、水素供給孔131から供給された水素を含む流体をセル6c内において流通させて流体排出孔132から排出する水素流路35cを構成するようになっている。
第2両面セパレータ13の一端部には、第2膜電極接合体8との接合面から第3膜電極接合体9との接合面まで貫通し、セル6cの固体高分子電解質膜71に水素を供給するために第1両面セパレータ12の水素供給孔121と連通した水素供給孔131と、第1両面セパレータ12の流体排出孔122と連通し、水素流通部34aと同様に設けられたセル6cの水素流通部34cを通過した流体を排出させるための流体排出孔132とがそれぞれ形成されている。また、第2両面セパレータ13の他端部には、第2膜電極接合体8との接合面から第3膜電極接合体9との接合面まで貫通し、且つ第1両面セパレータ12の酸素供給孔123と連通し、セル6bに酸素を供給するための酸素供給孔133と、第1両面セパレータ12の流体排出孔124と連通し、セル6bで生成された反応水を含む流体を排出させるための流体排出孔134とがそれぞれ形成されている。
同様に、第3膜電極接合体9と第3両面セパレータ14とが接合されることにより、酸素及び反応水が流通可能な酸素流通部40cが形成され、この酸素流通部40cと、酸素供給連通部38aと同様の酸素供給連通部38cと、酸素排出連通部39aと同様の酸素排出連通部39cとにより、酸素供給孔133から供給された酸素及び反応水をセル6c内において流通させて流体排出孔144から排出する酸素流路45cを構成するようになっている。
第3両面セパレータ14の一端部には、第3膜電極接合体9との接合面から第4膜電極接合体10との接合面まで貫通し、セル6dの固体高分子電解質膜71に水素を供給するために第2両面セパレータ13の水素供給孔131と連通した水素供給孔141と、第2両面セパレータ13の流体排出孔132と連通し、水素流通部34aと同様に設けられたセル6dの水素流通部34dを通過した流体を排出させるための流体排出孔142と、がそれぞれ形成されている。また、第3両面セパレータ14の他端部には、第3膜電極接合体9との接合面から第4膜電極接合体10との接合面まで貫通し、且つ第2両面セパレータ13の酸素供給孔133と連通し、セル6cに酸素を供給するための酸素供給孔143と、第2両面セパレータ13の流体排出孔134と連通し、セル6cで生成された反応水を含む流体を排出させるための流体排出孔144とがそれぞれ形成されている。
第4膜電極接合体10の固体高分子電解質膜101及びガスケット103の一端部には、第3両面セパレータ14との接合面からこの接合面と対向する面に貫通し、セル6dに水素を供給するための水素供給孔106と、水素供給孔106から取り込まれ一部が固体高分子電解質膜101をプロトンとして通過する流体を排出させるための流体排出孔104とがそれぞれ形成されている。また、固体高分子電解質膜101及びガスケット103の他端部には、第3両面セパレータ14との接合面からこの接合面と対向する面に貫通し、セル6dに酸素を供給するための酸素供給孔107と、反応水を含む流体を排出させるための流体排出孔105とがそれぞれ形成されている。
また、第3両面セパレータ14と第4膜電極接合体10とが接合されることにより、水素流通部34bと同様に水素が流通可能な水素流通部34dが形成されるようになっており、この水素流通部34dと、水素供給連通部26bと同様の水素供給連通部26dと、流体排出連通部33bと同様の流体排出連通部33dとより、水素供給孔から供給された水素を含む流体をセル6d内において流通させて流体排出孔142から排出する水素流路35dを構成するようになっている。
第4膜電極接合体10のカソード722側には、矩形枠状に形成された第4膜電極接合体10のガスケット73を介して、第4膜電極接合体10に対して酸素を供給するための酸素セパレータ15が設けられている。酸素セパレータ15は、酸素に対して不活性であるセラミック,プラスチック,ガラス,シリコン等の材料から構成され、平面視して水素セパレータ11等と同様に矩形状に形成されている。
酸素セパレータ15の一端部には、第4膜電極接合体10との接合面から第2集電板5との接合面に貫通し水素を流通させる水素供給孔151と、水素流通部34dを通過した流体を流通させるための流体排出孔152とがそれぞれ形成されている。また、酸素セパレータ15の他端部には、第4膜電極接合体10との接合面から集電板との接合面に貫通し酸素を流通させる酸素供給孔153と、反応水を含む流体を流通させる流体排出孔154とがそれぞれ形成されている。
酸素セパレータ15の第4膜電極接合体10との接合面の中央部には、酸素用溝37aと同様の酸素用溝37dが葛折り状に形成されており、この酸素用溝37dの一端部と酸素供給孔との間には、酸素供給連通部38aと同様に、酸素供給孔から酸素用溝37dに向けて酸素を流通させる酸素供給連通部38dが形成されている。酸素供給連通部38の途中であって酸素セパレータ15内には、第1両面セパレータ12の酸素流量センサ41aと同様に、酸素流量センサ41dが設けられており、酸素流量センサ41dには、酸素流量計ドライバ42d及び酸素流量計アンプ43dが接続されている。
一方、酸素用溝37dの他端部と流体排出孔154との間であって酸素セパレータ15内には、セル6d内に供給される酸素の供給量を調整するための酸素小室48が形成されており、酸素用溝37dの他端部と流体排出孔154との間には、酸素用溝37dから酸素小室48を介して流体排出孔154に向けて酸素及び反応水を流通させる流体排出連通部39dが形成されている。
なお、酸素用溝37dは、酸素セパレータ15と第4膜電極接合体10とが接合されることにより、酸素流通部40aと同様に酸素及び反応水が流通可能な酸素流通部40dを形成するようになっており、この酸素流通部40dと酸素供給連通部38dと流体排出連通部39dとにより、酸素供給孔から供給された酸素及び反応水をセル6d内において流通させて流体排出孔154から排出する酸素流路45dを構成するようになっている。酸素小室48内には、第1両面セパレータ12と同様に、酸素バルブ46dが設けられており、この酸素バルブ46dには、酸素バルブドライバ47dが接続されている。
さらに、酸素セパレータ15の第4膜電極接合体10との接合面から酸素セパレータ15の側面の一部にかけては金などの導電性薄膜が製膜されている。
また、酸素セパレータ15の第4膜電極接合体10との接合面と対向する面には、Oリング50を介して第2集電板5が接合されている。
集電板4,5、セパレータ11,12,13,14,15及び膜電極接合体7,8,9,10がねじ孔161に挿入されたねじによって互いにねじ止めされ接合されることにより、水素供給孔20,111,121,131,141、流体排出孔112,74,122,84,132,94,142,104,152,23、酸素供給孔22,113,123及び流体排出孔21,114,75,124,85,134,95,144,105,154が、集電板4,5、セパレータ11,12,13,14,15及び膜電極接合体7,8,9,10の積層方向にそれぞれ一連に連なるようになっている。
これにより、セルスタックユニット2の一側部には、図1に示すように、水素流入口16から酸素セパレータ15まで連通し水素を各セル6a,6b,6c,6dに供給する水素供給マニホールド51、及び、水素セパレータ11から流体流出口17まで連通し水素流通部34aを通過した流体を流体流出口17より排出させる流体排出マニホールド52が形成され、他側部には、酸素流入口18から水素セパレータ11まで連通し酸素を各セル6a,6b,6c,6dに供給する酸素供給マニホールド53、及び、酸素セパレータ15から流体流出口19まで連通し反応により生成された反応水を含む流体を流体流出口19より排出させる流体排出マニホールド54が形成されている。
なお、図2に示すように、燃料セパレータ11、第1膜電極接合体7及び第1両面セパレータ12のカソード側により一つのセル6aが構成され、同様に、第1両面セパレータ12、第2膜電極接合体8及び第2両面セパレータ13のカソード側により一つのセル6bが構成され、第2両面セパレータ13のアノード側、第3膜電極接合体9及び第3両面セパレータ14のカソード側により一つのセル6cが構成され、第3両面セパレータ14のアノード側、第4膜電極接合体10及び酸素セパレータ15により一つのセル6dが構成されている。
また、集電板4,5、セパレータ11,12,13,14,15及び膜電極接合体7,8,9,10が接合されることにより、各セル6a,6b,6c,6d及び集電板4,5は、セパレータ11,12,13,14,15の表面に設けられた導電性薄膜を介して、電気的に直列に接続されている。
また、本実施形態による燃料電池1は制御部55を有する。制御部55は、たとえば、CPU、RAM、ROMからなり(いずれも図示せず)、ROMに記録された処理プログラムをRAMに展開してCPUによりこの処理プログラムを実行して、燃料電池1を構成する各部を制御する。
特に、本実施形態による燃料電池1では、制御部55には、水素流量計ドライバ29a,29b,29c,29d、酸素流量計ドライバ42a,42b,42c,42d、水素流量計アンプ31a,31b,31c,31d及び酸素流量計アンプ43a,43b,43c,43dがそれぞれ接続されており、制御部55は、水素流量計ドライバ29a,29b,29c,29d及び酸素流量計ドライバ42a,42b,42c,42dに対して、一定間隔で、水素流量センサ27a,27b,27c,27d及び酸素流量センサ41a,41b,41c,41dにより検出された起電力差としての出力信号を、水素流量計アンプ31a,31b,31c,31d及び酸素流量計アンプ43a,43b,43c,43dを介してそれぞれ出力させる指示信号を発生するようになっている。
また、制御部55には、水素バルブドライバ44a,44b,44c,44d及び酸素バルブドライバ47a,47b,47c,47dがそれぞれ接続されており、制御部55は、流量計アンプ31a,31b,31c,31dにより増幅された水素流量センサ27a,27b,27c,27d及び酸素流量センサ41a,41b,41c,41dからの出力信号に基づいて、各セル6a,6b,6c,6dに供給され流路を流通する水素及び酸素の流量をそれぞれ算出するとともに、算出された流量に基づいて、所定の水素バルブドライバ44a,44b,44c,44d及び酸素バルブドライバ47a,47b,47c,47dに対して、所定の水素バルブ36a,36b,36c,36d及び酸素バルブ46a,46b,46c,46dの圧電素子361に所定の電圧を印加させる指示信号を発生するようになっている。
具体的には、本実施形態においては、予め、各バルブドライバ44,47により圧電素子361に印加可能な複数の電圧値が設定されており、各バルブ36,46は、印加される電圧値に応じて複数段階で開閉するようになっている。
そして、制御部55は、各水素流量センサ27により検出された起電力値に基づいて算出した各セル6a,6b,6c,6dの水素の単位時間あたりの流量について最大値と最小値とを求め、単位時間あたりの流量が最大となっているセル6a,6b,6c,6dのいずれかに設けられた水素バルブ36a〜36dのいずれかに接続されている水素バルブドライバ44a〜44dのいずれかに対して、1段階高い電圧を印加させる指示信号を出力することにより、当該水素バルブ36a〜36dのいずれかを1段階閉めるように制御するとともに、単位時間あたりの流量が最小となっているセル66a,6b,6c,6dのいずれかにに設けられた水素バルブ36a〜36dのいずれかに接続されている水素バルブドライバ44a〜44dのいずれかに対して、1段階低い電圧を印加させる指示信号を出力することにより、当該水素バルブ36a〜36dのいずれかを1段階開いてセル6a,6b,6c,6dでの水素の供給量を均等となるように制御するようになっている。
また、制御部55は、各セル6a,6b,6c,6dに供給される水素の単位時間あたりの流量を調整した後に、各酸素流量センサ41により検出された起電力値に基づいて算出した各セル6a,6b,6c,6dの酸素の単位時間あたりの流量について最大値と最小値とを求め、単位時間あたりの流量が最大となっているセル6に設けられた酸素バルブ46に接続されている酸素バルブドライバ47に対して、1段階高い電圧を印加させる指示信号を出力することにより、当該酸素バルブ46を1段階閉めるように制御するとともに、単位時間あたりの流量が最小となっているセル6に設けられた酸素バルブ46に接続されている酸素バルブドライバ47に対して、1段階低い電圧を印加させる指示信号を出力することにより、当該酸素バルブ46を1段階開いてしてセル6a,6b,6c,6dでの酸素の供給量を均等となるように制御するようになっている。
また、制御部55は、各セル6a,6b,6c,6dに供給される水素や酸素の単位時間あたりの流量が調整された結果、圧電素子361に電圧が印加されておらず、全開となっている水素バルブ36,酸素46がある場合には、当該バルブ36,46が設けられている水素流路35,酸素流路45に設けられた水素流量センサ27,酸素流量センサ41から起電力差を出力させるように、当該流量センサ27,41に接続されている流量計ドライバ29,42に対して指示信号を送信するようになっている。そして、制御部55は、流量センサ27,41より出力され流量計アンプ31,42により増幅された起電力差に基づいて起電力に要した水素及び酸素の単位時間あたりの流量を算出し、算出された単位時間あたりの流量が所定値未満である場合には、当該水素バルブ36,酸素バルブ46以外の水素バルブ36,酸素バルブ46にそれぞれ接続されている水素バルブドライバ47,酸素バルブドライバ44に対して、当該水素バルブ36,酸素バルブ46以外の水素バルブ36,酸素バルブ46が全閉となる電圧を印加させる指示信号を出力するようになっている。
次に、本実施形態の作用について説明する。
発電を行う際には、燃料電池1には、水素流入口16より水素を含む流体が供給され、供給された水素を含む流体が水素供給マニホールド51に流入する。水素供給マニホールド51に流入した水素を含む流体は、各セル6において水素供給マニホールド51に連通されている水素流路35にそれぞれ流入する。同時に、酸素流入口18より酸素を含む流体が供給され、供給された酸素を含む流体が酸素供給マニホールド53に流入し、各セル6において酸素供給マニホールド53に連通されている酸素流路45にそれぞれ流入する。
各セル6において、水素流路35に流入した流体中の水素が、水素流通部34を流通することにより、水素がアノード721に触れてプロトンと電子とに分離されて、電子はセパレータ11,12,13,14,15に設けられた導電性薄膜を介して集電板より外部回路に対して出力され、プロトンは固体高分子電解質膜71を通過してカソード722側に到達する。一方、酸素流路45に流入した流体中の酸素は、酸素流通部40を流通することによりカソード722に触れて、アノード721側から到達した水素のプロトンと反応して反応水が生成される。
ここで、本実施形態による燃料電池1においては、発電を行う際には、各セル6に供給される水素及び酸素の供給量が調整されるとともに、各セル6の流路35,45に供給される流体中に水素を含む流体に含まれている水や反応水等による詰りが生じた場合には、この詰りの除去が行われる。以下、酸素及び酸素の供給量の調整、及び流路35,45の詰りの除去処理について、図7を参照して説明する。
一定時間が経過すると(S1=Yes)、制御部55により各水素流量計ドライバ29に対して、各水素流量センサ27から起電力差としての出力信号を出力させる指示信号が発信され、これにより出力され各水素流量計アンプ31を介して増幅された起電力差に基づいて、各セル6の水素流路35に流通する水素の単位時間あたりの流量がそれぞれ算出される(S2)。
そして、制御部55により、算出した各セル6の単位時間あたりの流量について最大値と最小値が互いに異なっているかどうかを判定し(S3)、互いに異なっていれば、制御部55により単位時間あたりの流量が最大となっているセル6に設けられた水素バルブ36に接続されている水素バルブドライバ44に対して、1段階高い電圧を印加させる指示信号が発信され、水素バルブドライバ44が駆動することにより当該水素バルブ36が1段階閉まるとともに、制御部55により単位時間あたりの流量が最小となっているセル6に設けられた水素バルブ36に接続されている水素バルブドライバ44に対して、1段階低い電圧を印加させる指示信号が発信され、水素バルブドライバ44が駆動することにより当該水素バルブ36が1段階開く(S4)。また互いに異なっていなければステップS14に移る。
次に、水素流路35の詰まりの除去処理(後述のS6からS13)が既になされたか否かが判断され(S5)、なされていない場合には(S5=NO)、水素バルブ36の開閉度を調整する際に、いずれかの水素バルブ36が全開となるように水素バルブドライバ44に指示信号が発信されたか否かが判断される(S6)。かかる指示信号が発信され、いずれかの水素バルブ36が全開となっている場合には(S6=Yes)、所定時間経過後(S7=Yes)、制御部55により、全開となっている水素バルブ36が設けられている水素流路35に設けられた水素流量センサ27から起電力差を出力させ当該水素流路35に流れる水素の単位時間あたりの流量を算出する(S8)。
そして、制御部55により算出された単位時間あたりの流量が、詰まっていない状態で全開となっている場合の単位時間あたりの流量として設定された所定値未満であるか否かが判断される(S9)。所定値未満である場合には(S9=Yes)、水素流路35内において流体中に含まれる水によって詰りが生じていると判断し、当該水素流路35に設けられている水素バルブ36以外の水素バルブ36が全閉となるように制御して(S10)、水素供給マニホールド51から供給されるすることにより、全開となっている水素バルブ36が設けられているセル6にのみ水素を含む流体が供給されるため、水素流路35内の圧力と流速が上がり、水素流路35内の詰りの原因が流体排出マニホールド52から排出される。
その後、所定時間経過後(S11=Yes)、再度、全開となっている水素バルブ36が設けられている水素流路35に設けられた水素流量センサ27から起電力差を出力させ当該水素流路35に流れる水素の単位時間あたりの流量を算出し(S12)、算出された単位時間あたりの流量が所定値未満であるか否かが判断され(S13)、所定値未満である場合には(S13=Yes)、S10以下のステップが繰り返される。なお、S8からS13のステップは、詰まっていると思われる水素バルブ36が複数ある場合、全開となっている全ての水素バルブ36について、1つずつ順次行われる。
詰まりの除去処理が行われた結果、全開となっている水素バルブ36が設けられている水素流路35における水素の単位時間あたりの流量が所定値未満でなくなった場合には(S13=NO)、再度S2からS4のステップが行われることにより、各セル6に供給される水素の供給量が調整される。
一方、詰まりの除去処理を行うまでもなく全開となっている水素バルブ36が設けられている水素流路35における水素の単位時間あたりの流量が所定値未満でない場合(S9=NO)、全開となっているバルブがなかった場合(S6=NO)、及び、詰まりの除去処理が行われ、再度各セル6に供給される水素の供給量が調整された後には(S5=Yes)、制御部55により各酸素流量計ドライバ42に対して、各酸素流量センサ41から起電力差としての出力信号を出力させる指示信号が発信され、これにより出力され酸素流量計アンプ43を介して増幅された起電力差に基づいて、各セル6の酸素流路45に流通する酸素の単位時間あたりの流量が算出される(S14)。
そして、制御部55により、算出した各セル6の酸素の単位時間あたりの流量の最大値と最小値が互いに異なっているかどうかを判定し(S15)、互いに異なっていれば、制御部55により単位時間あたりの流量が最大となっているセル6に設けられた酸素バルブ46に接続されている酸素バルブドライバ47に対して、1段階高い電圧を印加させる指示信号が発信され、酸素バルブドライバ47が駆動することにより当該酸素バルブ46が1段階閉まるとともに、制御部55により単位時間あたりの流量が最小となっているセル6に設けられた酸素バルブ46に接続されている酸素バルブドライバ47に対して、1段階低い電圧を印加させる指示信号が発信され、酸素バルブドライバ47が駆動することにより当該酸素バルブ46が1段階開く(S16)。また酸素の単位時間あたりの流量の最大値と最小値が互いに異なっていなければステップS1に戻る。
次に、酸素流路45の詰まりの除去処理(後述のS18からS25)が既になされたか否かが判断され(S17)、なされていない場合には(S17=NO)、酸素バルブ46の開閉度を調整する際に、いずれかの酸素バルブ46が全開となるように、酸素バルブドライバ47に指示信号が発信されたか否かが判断される(S18)。かかる指示信号が発信され、いずれかの酸素バルブ46が全開となっている場合には(S18=Yes)、所定時間経過後(S19=Yes)、制御部55により、全開となっている酸素バルブ46が設けられている酸素流路45に設けられた酸素流量センサ41から起電力差を出力させ当該酸素流路45に流れる酸素の単位時間あたりの流量を算出する(S20)。
そして、算出された単位時間あたりの流量が、詰まっていない状態で全開となっている場合の単位時間あたりの流量として設定された所定値未満であるか否かが判断され(S21)、所定値未満である場合には(S21=Yes)、詰まっていると判断され、当該酸素流路45に設けられている酸素バルブ46以外の酸素バルブ46が全閉となるように制御して(S22)、当該酸素流路45内の圧力と流速を上げ、反応水等の酸素流路45内の詰りの原因を流体排出マニホールド54から排出する。
その後、所定時間経過後(S23=Yes)、再度、全開となっている酸素バルブ46が設けられている酸素流路45に設けられた酸素流量センサ41から起電力差を出力させ当該酸素流路45に流れる酸素の単位時間あたりの流量を算出し(S24)、算出した単位時間あたりの流量が所定値未満であるか否かを判断して(S25)、所定値未満である場合には(S25=Yes)、S22以下のステップを繰り返す。なお、S20からS25のステップは、全開となっている全ての酸素バルブ46について、1つずつ順次行われる。
詰まりの除去処理が行われた結果、全開となっている酸素バルブ46が設けられている酸素流路45における酸素の単位時間あたりの流量が所定値未満でなくなった場合には(S25=NO)、再度S14からS16のステップが行われることにより、各セル6に供給される酸素の供給量が調整される。
一方、詰まりの除去処理を行うまでもなく全開となっている酸素バルブ46が設けられている酸素流路45における酸素の単位時間あたりの流量が所定値未満でない場合(S21=NO)、全開となっている酸素バルブ46がなかった場合(S18=NO)、及び、詰まりの除去処理が行われ、再度各セル6に供給される酸素の供給量が調整された後には(S17=Yes)、S1以下のステップを繰り返すことにより、一定間隔で水素及び酸素の各セル6毎の供給量の調整及び流路35,45の詰まりの除去処理が行われる。
このように、流路35,45の詰りが生じている場合にはその詰りを除去した上で、各セル6の流路35,45を流れる水素及び酸素の単位時間あたりの流量に基づいて、当該セル6に供給する水素及び酸素の供給量が調整されるため、各セル6に均等に水素及び酸素が行き渡り、セル6間の発電性能が均一に維持されるとともに、水素と酸素とが反応するのに適当な平衡が維持される。本実施形態においては、水素の供給量の調整を行った後に酸素の供給量の調整を行うため、より水素と酸素とが反応するのに適当な平衡が維持される。また、バルブ36,46は、各セル6の流路35,45の下流側に設けられているため、水素及び酸素の供給量が調整されても、流路35,45内の圧力が維持され、流路35,45内に水素及び酸素が均一に行き渡った状態が保たれる。
なお、各セル6において水素流通部34aを通過する前に水素を含む流体は、水素流通部34aを通過後に、水素流路35に連通する流体排出マニホールド52を通って流体流出口17より排出される。また、各セル6において酸素流路45を流通し反応に用いられなかった酸素と、水素との反応により生成された反応水とは、酸素流路45に連通する流体排出マニホールド54を通って流体流出口19より排出される。
以上より、本実施形態に係る燃料電池1によれば、水素及び酸素の供給量をセル6毎に調整することにより、セル6間の発電性能が均一に維持されるとともに、水素と酸素とが反応するのに適当な平衡が保たれるため、発電効率の低下を防止することができる。
特に、バルブを流路35,45の下流側に設けたことにより、水素及び酸素の供給量を調整した際に、流路35,45内の圧力が維持され、流路35,45内には水素や酸素が均一に行き渡った状態がたもたれるため、より発電効率の低下を防止することができる。
なお、酸素として空気を酸素流入口18より取り入れる場合においては、必要以上の空気をセル6内に取り込むと、セル6内の温度や湿度が下がってしまい、発電性能が低下する。このような観点からも、セル6内に供給される酸素の供給量を調整することにより、発電効率の低下を防止することができる。
さらに、各セル6の流路35,45内の詰りを除去することによっても、セル6間の発電性能を均一に維持して、より発電効率の低下を防止することができる。
なお、本実施形態においては、予めバルブドライバ44,47によりバルブ36,46に印加可能な複数の電圧値を設定しておき、バルブ36,46は、印加される電圧値に応じて複数段階で開閉するようにしたが、電圧の印加及び停止を行う時間のデューティー比に応じてバルブの開閉度を制御するようにしてもよい。
また、本実施形態においては、水素バルブ36を圧電素子361とゴムにより形成され、各セル6a〜6dの流体排出連通部33の水素小室32a〜32dへの入り口を開閉可能な開閉部材362とにより構成したが、MEMSを用いて作製されたバルブを用いるようにしてもよい。例えば、チャンバを有し、このチャンバの一端にはダイアフラムが形成されているとともに、他端にはチャンバを挟持する電極板が設けられたバルブを、流体排出連通部33の水素小室32a〜32dへの入り口に対応する位置にダイアフラムが配置されるように設けるようにするとよい。これにより、電極板に印加する電圧応じて発生する静電力が変化することによって電極板の間隔が変化し、ダイアフラムの膨張度が変化することにより、入り口の開閉度が変更される。
また、本実施形態においては、バルブドライバ44,47及び流量計ドライバ29,42を各セル6の外部に設けるようにしたが、図8に示すように、これらバルブドライバ44,47及び流量計ドライバ29,42を1つのICチップ56として、各セパレータ11,12,13,14,15上であって各バルブ36,46及び流量センサ27,41の近傍に設けるようにしてもよい。このようにすれば、ハード及びソフトの変更を行うことなく、セル6の積層数を増減させて、出力電圧、出力電力を変更することが可能となる。
また、本実施形態においては、複数のセル6を積層したが、これに限らず、横に並列に配置させてもよい。
本発明による燃料電池の一実施形態の構成を示す斜視図である。 本実施形態による燃料電池の構成を示す説明図である。 本実施形態による燃料電池を構成する燃料セパレータの平面図である。 図3のIV−IV断面図である。 図3のV−V断面図であり、(A)は水素バルブが開いている状態を示し、(B)は水素バルブが閉じた状態を示したものである。 本実施形態による燃料電池を構成する両面セパレータの平面図である。 本実施形態による燃料電池における水素及び酸素の供給量の調整と流路の除去処理のフローチャートである。 本実施形態による燃料電池を構成するセパレータの変形例を示す平面図である。
符号の説明
1 燃料電池
6 セル
11 燃料セパレータ
12 第1両面セパレータ
13 第2両面セパレータ
14 第3両面セパレータ
15 酸素セパレータ
27 水素流量センサ
29 水素流量計ドライバ
35 水素流路
36 水素バルブ
41 酸素流量センサ
42 酸素流量計ドライバ
44 水素バルブドライバ
45 酸素流路
46 酸素バルブ
47 酸素バルブドライバ
55 制御部
56 ICチップ

Claims (13)

  1. 燃料と酸化剤とを反応させることにより発電を行う複数のセルを備えた燃料電池であって、
    前記複数のセルは、各セルに供給される前記燃料及び前記酸化剤の少なくともいずれか一方であるガスが流れる第1の孔及び第2の孔と、前記第1の孔と前記第2の孔との間に設けられ前記ガスが流れる溝と、前記第1の孔と前記溝との間に設けられ前記溝を流れる前記ガスの単位時間あたりの流量を検出する流量検出手段と、前記第2の孔と前記溝との間に設けられ前記溝を流れる前記ガスの供給量を調整する供給量調整手段とをそれぞれ有し、
    前記流量検出手段により検出された単位時間あたりの流量に基づいて前記供給量調整手段を制御する制御部を更に備え
    前記複数のセルのいずれかにおいて、前記供給量調整手段により単位時間あたりの流量が最大となるように調整されている場合であって、前記流量検出手段により検出された単位時間あたりの流量が所定値未満である場合には、
    前記制御部は、当該セル以外のセルについて単位時間あたりの流量が最小となるように前記供給量調整手段を制御することを特徴とする燃料電池。
  2. 前記供給量調整手段は、印加される電圧に応じて変形する圧電素子を含み、
    前記圧電素子の変形により前記第2の孔と前記溝との間を開閉して前記ガスの流れを許容又は遮断することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
  3. 前記複数のセルは、それぞれ、前記第2の孔と前記溝との間に設けられ、入り口を介して前記溝と連通する小室を更に備え、
    前記供給量調整手段は、前記圧電素子に設けられた開閉部材を前記小室の入り口に接離することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。
  4. 前記開閉部材はゴムにより形成されていることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。
  5. 前記供給量調整手段は、印加される電圧に応じて間隔が変わる一対の電極板を含み、
    前記一対の電極板の間隔を変えることにより前記ガスの流量を変更することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
  6. 前記複数のセルは、それぞれ、前記第2の孔と前記溝との間に設けられ、入り口を介して前記溝と連通する小室を更に備え、
    前記供給量調整手段は、前記一対の電極板に挟持されたダイヤフラムを変形させて前記小室の入り口の開閉度を変更することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池。
  7. 燃料と酸化剤とを反応させることにより発電を行う複数のセルを備えた燃料電池であって、
    前記複数のセルは、各セルに供給される前記燃料及び前記酸化剤の少なくともいずれか一方であるガスが流れる第1の孔及び第2の孔と、前記第1の孔と前記第2の孔との間に設けられ前記ガスが流れる溝と、前記第1の孔と前記溝との間に前記溝を流れる前記ガスの単位時間あたりの流量を検出する流量検出手段と、前記第2の孔と前記溝との間に設けられ前記溝を流れる前記ガスの供給量を調整する供給量調整手段とをそれぞれ有し、
    前記流量検出手段により検出された単位時間あたりの流量に基づいて前記供給量調整手段を制御する制御部を更に備え、
    前記供給量調整手段は、印加される電圧に応じて変形する圧電素子を含み、
    前記圧電素子の変形により前記第2の孔と前記溝との間を開閉して前記ガスの流れを許容又は遮断し、
    前記複数のセルのいずれかにおいて、前記供給量調整手段により単位時間あたりの流量が最大となるように調整されている場合であって、前記流量検出手段により検出された単位時間あたりの流量が所定値未満である場合には、
    前記制御部は、当該セル以外のセルについて単位時間あたりの流量が最小となるように前記供給量調整手段を制御することを特徴とする燃料電池。
  8. 前記複数のセルは、それぞれ、前記第2の孔と前記溝との間に設けられ、入り口を介して前記溝と連通する小室を更に備え、
    前記供給量調整手段は、前記圧電素子に設けられた開閉部材を前記小室の入り口に接離することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池。
  9. 前記開閉部材はゴムにより形成されていることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池。
  10. 燃料と酸化剤とを反応させることにより発電を行う複数のセルを備えた燃料電池であって、
    前記複数のセルは、各セルに供給される前記燃料及び前記酸化剤の少なくともいずれか一方であるガスが流れる第1の孔及び第2の孔と、前記第1の孔と前記第2の孔との間に設けられ前記ガスが流れる溝と、前記第1の孔と前記溝との間に前記溝を流れる前記ガスの単位時間あたりの流量を検出する流量検出手段と、前記第2の孔と前記溝との間に設けられ前記溝を流れる前記ガスの供給量を調整する供給量調整手段とをそれぞれ有し、
    前記流量検出手段により検出された単位時間あたりの流量に基づいて前記供給量調整手段を制御する制御部を更に備え、
    前記供給量調整手段は、印加される電圧に応じて間隔が変わる一対の電極板を含み、
    前記一対の電極板の間隔を変えることにより前記ガスの流れを許容又は遮断し、
    前記複数のセルのいずれかにおいて、前記供給量調整手段により単位時間あたりの流量が最大となるように調整されている場合であって、前記流量検出手段により検出された単位時間あたりの流量が所定値未満である場合には、
    前記制御部は、当該セル以外のセルについて単位時間あたりの流量が最小となるように前記供給量調整手段を制御することを特徴とする燃料電池。
  11. 前記複数のセルは、それぞれ、前記第2の孔と前記溝との間に設けられ、入り口を介して前記溝と連通する小室を更に備え、
    前記供給量調整手段は、前記一対の電極板に挟持されたダイヤフラムを変形させて前記小室の入り口の開閉度を変更することを特徴とする請求項10に記載の燃料電池。
  12. 前記供給量調整手段を駆動させる調整用駆動手段及び前記流量検出手段を駆動させる検出用駆動手段を前記複数のセルのそれぞれに設けたことを特徴とする請求項1、7〜10及び11のいずれか一項に記載の燃料電池。
  13. 前記供給量調整手段は、前記溝の下流側に設けられていることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の燃料電池。
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