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７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。
本発明によれば、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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