(57)【要約】【課題】セパレータ上の流路における流体流れを改善するための可動部の構成を簡素化すると共に、環境が変化する場合にも上記可動部における所望の動きを確保する。【解決手段】電解質膜と電極とを備える発電体を複数積層して成る燃料電池スタックと、燃料電池スタック内を積層方向に貫通して形成され、発電体内あるいは発電体間に形成された複数の流路に対して流体を給排するマニホールドと、マニホールドの内部において積層方向にわたって配置されるガイド部と、マニホールドの内部でマニホールドに開口する各々の流路との接続口全体と重なるように積層方向に延出するスライドバーであって、ガイド部に係合しつつ積層方向に摺動することで接続口の開口面積を変更するスライドバーと、スライドバーを前記マニホールド内で積層方向に往復摺動させる摺動機構と、を備える燃料電池装置。【選択図】図４
2010113895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置であって、
電解質膜と該電解質膜上に形成された電極とを備える発電体を、複数積層して成る燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内を積層方向に貫通して形成され、積層された前記発電体内あるいは前記発電体間に形成された複数の流路に対して流体を給排するマニホールドと、
前記マニホールドの内部において、前記積層方向にわたって配置されるガイド部と、
前記マニホールドの内部で、前記マニホールドに開口する各々の前記流路との接続口全体と重なるように前記積層方向に延出するスライドバーであって、前記ガイド部に係合しつつ前記積層方向に摺動することで、前記接続口の開口面積を変更するスライドバーと、
前記スライドバーを前記マニホールド内で前記積層方向に往復摺動させる摺動機構と
を備える燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池装置であって、
前記ガイド部における前記スライドバーと係合する第１の係合面と、前記スライドバーにおける前記ガイド部と係合する第２の係合面との一方において、他方に当接する複数の係合突起を備える
燃料電池装置。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池装置であって、
前記複数の係合突起は、前記ガイド部における前記第１の係合面であって、前記スライドバーにおける重力方向下方の面と当接する面に設けられている
燃料電池装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池装置であって、
前記ガイド部は、該ガイド部を加熱する発熱部を備える
燃料電池装置。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池装置であって、
前記複数の係合突起は、前記ガイド部における前記第１の係合面に設けられ、
前記発熱部は、前記複数の係合突起を加熱する
燃料電池装置。
【請求項６】
請求項４または５記載の燃料電池装置であって、さらに、
前記ガイド部と前記スライドバーとの係合部における温度を反映する温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池装置の起動の起動時に、前記温度センサの検出結果を取得し、前記温度が、前記ガイド部と前記スライドバーとが氷結し得る温度として定めた基準温度を超えるときには、前記燃料電池装置の起動を許可し、前記基準温度以下のときには、前記発熱部に対して駆動信号を出力して前記ガイド部の加熱を行なわせた後に、前記燃料電池装置の起動を許可する制御部と
を備える燃料電池装置。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか記載の燃料電池装置であって、
前記スライドバーは、複数の前記接続口のうちの一部の接続口と重なることで、該接続口に連通する前記流路に対して、他の流路よりも多くの前記流体を流入可能にする複数の流体付加用貫通穴が形成されている
燃料電池装置。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池装置であって、
前記スライドバーは、流体付加用貫通穴に加えて、前記他の流路に対して、略等量の流体を供給可能にする定常供給用貫通穴を備える
燃料電池装置。
【請求項９】
請求項７または８記載の燃料電池装置であって、
前記複数の流体付加用貫通穴は、一定の間隔で配置され、
前記摺動機構は、前記一定の間隔以上の往復距離で前記スライドバーを往復摺動させる
燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池が発電する際には、一般に、一方の電極において発電に伴って水が生じるため、このような生成水がガス流路において凝縮する可能性がある。また、固体高分子型燃料電池では、電解質膜の乾燥を防止するために、燃料電池に供給するガスを加湿する場合があり、このような場合には、供給ガスに加えた水蒸気がガス流路において凝縮する可能性がある。ガス流路において凝縮水が生じると、いわゆるフラッディングと呼ばれる現象が起こり、生じた凝縮水によってガス流れが抑制され、電気化学反応の効率が抑制される可能性がある。
【０００３】
また、燃料電池においては、セパレータ上に形成される流路における流体流れの問題として、上記した液水の滞留以外にも種々の問題が生じうる。例えば、セパレータ上に形成されるガス流路において、部分的に流れが悪い領域が生じて、このような領域において、凝縮水の他にも、窒素や水蒸気などの不純物が滞留する場合がある。さらに、ガス流路だけではなく、燃料電池内においてセパレータ上に形成される冷媒流路においても、部分的に流れが悪い領域が生じる不都合が起こり得る。
【０００４】
そこで、従来、このような燃料電池内における流体流れにおける問題を解決するために、種々の構成が提案されてきた。その一つとして、例えば、ガス流路におけるフラッディングを抑制するための構成として、セパレータ上に可動部を配設して、燃料電池のセパレータに形成されたガス流路の入り口部あるいは出口部を選択的に開閉し、ガス流路の形状を変更する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２５３３６６
【特許文献２】特開２００５−５２４７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、各々のガスセパレータ上に可動部を設ける場合には、ガスセパレータ上に設けた可動部の各々を、所定のタイミングで駆動する必要があるため、燃料電池全体として駆動機構が大がかりとなる。また、燃料電池の内部にガス流れを調節するための可動部を設ける場合には、燃料電池内部の環境が変化する場合であっても、可動部における所望の動きを確保する必要がある。例えば、ガスの流路において凝縮水が生じる場合や、低温条件下で燃料電池装置を起動する場合であっても、上記可動部における所望の動きを確保する必要がある。
【０００７】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、セパレータ上に形成される流体流路における流体流れを改善するための可動部の構成を簡素化すると共に、燃料電池の内部の環境が変化する場合にも、上記可動部における所望の動きを確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。
【０００９】
［適用例１］
燃料電池装置であって、
電解質膜と該電解質膜上に形成された電極とを備える発電体を、複数積層して成る燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内を積層方向に貫通して形成され、積層された前記発電体内あるいは前記発電体間に形成された複数の流路に対して流体を給排するマニホールドと、
前記マニホールドの内部において、前記積層方向にわたって配置されるガイド部と、
前記マニホールドの内部で、前記マニホールドに開口する各々の前記流路との接続口全体と重なるように前記積層方向に延出するスライドバーであって、前記ガイド部に係合しつつ前記積層方向に摺動することで、前記接続口の開口面積を変更するスライドバーと、
前記スライドバーを前記マニホールド内で前記積層方向に往復摺動させる摺動機構と
を備える燃料電池装置。
【００１０】
適用例１に記載の燃料電池装置では、接続口の開口面積を変更することで、各流路に流入する流体流量を変更して流路内の流体流れを改善することができ、流路内の流体流れを改善する効果を、ガイド部内でスライドバーを往復摺動させるという簡素な構成により実現することができる。このとき、スライドバーを、マニホールド内部に配置したガイド部に係合した状態で往復摺動させているため、スライドバーが往復摺動する際の抵抗を抑え、スライドバーの動きを安定化させることができる。
【００１１】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池装置であって、前記ガイド部における前記スライドバーと係合する第１の係合面と、前記スライドバーにおける前記ガイド部と係合する第２の係合面との一方において、他方に当接する複数の係合突起を備える燃料電池装置。適用例２に記載の燃料電池装置によれば、ガイド部とスライドバーとが係合する際の接触面積が抑えられるため、スライドバーが往復摺動する際の抵抗を低減することができる。
【００１２】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池装置であって、前記複数の係合突起は、前記ガイド部における前記第１の係合面であって、前記スライドバーにおける重力方向下方の面と当接する面に設けられている燃料電池装置。適用例３に記載の燃料電池装置によれば、スライドバーの重量増加を抑制しつつ、ガイド部とスライドバーとの接触面積を抑える効果を顕著に得ることができる。
【００１３】
［適用例４］
適用例１ないし３いずれか記載の燃料電池装置であって、前記ガイド部は、該ガイド部を加熱する発熱部を備える燃料電池装置。適用例４に記載の燃料電池装置によれば、ガイド部と係合するスライドバーが氷結する場合であっても、加熱によりこのような凍結状態を解消することが可能になる。そのため、液水が凍結する低温条件下においても、スライドバーが往復摺動する動作を確保することができる。
【００１４】
［適用例５］
適用例４記載の燃料電池装置であって、前記複数の係合突起は、前記ガイド部における前記第１の係合面に設けられ、前記発熱部は、前記複数の係合突起を加熱する燃料電池装置。適用例５に記載の燃料電池装置によれば、スライドバーの重量増加を抑制しつつ、ガイド部の加熱に要するエネルギ量および加熱に要する時間を削減できる。
【００１５】
［適用例６］
適用例４または５記載の燃料電池装置であって、さらに、前記ガイド部と前記スライドバーとの係合部における温度を反映する温度を検出する温度センサと、前記燃料電池装置の起動の起動時に、前記温度センサの検出結果を取得し、前記温度が、前記ガイド部と前記スライドバーとが氷結し得る温度として定めた基準温度を超えるときには、前記燃料電池装置の起動を許可し、前記基準温度以下のときには、前記発熱部に対して駆動信号を出力して前記ガイド部の加熱を行なわせた後に、前記燃料電池装置の起動を許可する制御部とを備える燃料電池装置。適用例６に記載の燃料電池装置によれば、ガイド部とスライドバーとが氷結しうる低温条件下であっても、スライドバーが往復摺動する動作を確保することができる。また、過剰な加熱の動作が抑えられるため、加熱のために消費するエネルギ量を抑制すると共に、燃料電池の過剰な加熱に起因して生じる問題を抑えることができる。
【００１６】
［適用例７］
適用例１ないし６いずれか記載の燃料電池装置であって、前記スライドバーは、複数の前記接続口のうちの一部の接続口と重なることで、該接続口に連通する前記流路に対して、他の流路よりも多くの前記流体を流入可能にする複数の流体付加用貫通穴が形成されている燃料電池装置。適用例７に記載の燃料電池装置によれば、スライドバーの往復摺動に伴って、マニホールドに開口する各々の流路において、接続口が流体付加用貫通穴と重なるときに流体流量が増加し、流体内の流体流れを改善することができる。
【００１７】
［適用例８］
適用例７記載の燃料電池装置であって、前記スライドバーは、流体付加用貫通穴に加えて、前記他の流路に対して、略等量の流体を供給可能にする定常供給用貫通穴を備える燃料電池装置。適用例８に記載の燃料電池装置によれば、マニホールドに開口する各々の流路において、接続口が定常供給用貫通穴と重なることで、流路内に流入する流体量を確保することができる。
【００１８】
［適用例９］
適用例７または８記載の燃料電池装置であって、前記複数の流体付加用貫通穴は、一定の間隔で配置され、前記摺動機構は、前記一定の間隔以上の往復距離で前記スライドバーを往復摺動させる燃料電池装置。適用例９記載の燃料電池装置によれば、燃料電池スタック内に形成されるすべての流路の接続口が、スライドバーの往復摺動に伴って、流体付加用貫通穴と重なることが可能になり、すべての流路において、流体流れの改善が可能になる。
【００１９】
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、本願の燃料電池装置を駆動用電源として搭載する移動体などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池装置１０の概略構成を模式的に表わす斜視図である。本実施例では、燃料電池装置１０は、車両の駆動用電源として車載して用いられている。燃料電池装置１０は、燃料電池スタック２０と、流体給排部２２と、付加流量調整部５０と、を備える。
【００２１】
燃料電池スタック２０は、単セル３０を複数積層することによって構成されている。図２は、燃料電池スタック２０を構成する単セル３０の構成を表わす分解斜視図、図３は、単セル３０を構成するセパレータ４０の構成を表わす平面図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池である。図２に示すように、単セル３０は、表面に電極であるアノードおよびカソードを形成した電解質膜３１を、一対のガス拡散層３２で挟持し，このサンドイッチ構造をさらに両側からセパレータ４０で挟持することによって構成されている（図２参照。ただし一方のガス拡散層３２は図示せず）。
【００２２】
電解質膜３１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜３１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する電極層が形成されている。ガス拡散層３２は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成することができる。
【００２３】
セパレータ４０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。図３（Ａ）は、セパレータ４０の一方の面の様子を表わし、図３（Ｂ）は、他方の面の様子を表わす。図３中、Ａ方向は、燃料電池装置１０を配設したときの水平方向を表わし、Ｂ方向は、燃料電池装置１０を配設したときの鉛直方向を表わす。図３に示すように、セパレータ４０は、その外周近くに、燃料電池スタック２０内を積層方向に流体が流れる流路を形成するための複数の孔部を備えている。本実施例では、燃料電池スタック２０内において、燃料ガスと酸化ガスと冷媒の３種の流体の流路が形成されている。そして、本実施例では、各々の流体に対して、供給側の流路を形成するための孔部と、排出側の流路を形成するための孔部という１対の孔部が用意されており、セパレータ４０では、全体として、６個の孔部が設けられている。すなわち、セパレータ４０の鉛直方向の１辺の近傍には、この辺に沿って鉛直方向上方から下方へと孔部４１，４２，４３が設けられており、この辺に対向する辺の近傍には、同じく辺に沿って上方から下方へと孔部４４，４５，４６が設けられている。なお、各流体が流れる流路を形成するためにセパレータ４０に形成される孔部は、供給側と排出側の１対である必要はなく、供給側および／または排出側の孔部を、複数設けても良い。また、図３に示すセパレータ４０における孔部の配置も一例であり、例えば、セパレータ４０の水平方向の辺に沿って孔部を配置しても良い。
【００２４】
セパレータ４０の一方の面には、３つの折れ曲がり部を有しつつ孔部４１と孔部４３とを連絡する凹部である流路形成部４７が設けられている（図３（Ａ）参照）。また、セパレータ４０の他方の面には、３つの折れ曲がり部を有しつつ孔部４４と孔部４６とを連絡する凹部である流路形成部４８が設けられている（図３（Ｂ）参照）。図２に示すようにセパレータ４０が電極を備える電解質膜２１およびガス拡散層３２と共に積層されて単セル３０を形成するときには、各流路形成部は、隣接するガス拡散層３２との間で単セル内ガス流路を形成する。すなわち、孔部４１と孔部４３とを連絡する流路形成部４７は、隣接するカソード側ガス拡散層との間に単セル内酸化ガス流路を形成し、孔部４４と孔部４６とを連絡する流路形成部４８は、隣接するアノード側ガス拡散層との間に単セル内燃料ガス流路を形成する。
【００２５】
図２、図３では、流路形成部４７，４８は、ガスの流れ方向を反転させる折れ曲がり部を有しつつ、全体として平坦な底面を有する凹部として表わしている。しかしながら、実際には、流路形成部４７，４８は、底面が平坦な凹部である必要はなく、例えば凹部の底面から突出する複数の凸部を設けて、隣接する部材間の接触抵抗を抑制して集電性を高めればよい。このような流路形成部４７，４８の底面から突出するように設ける凸部としては、例えば、互いに離間する複数の凸部を流路形成部全体にわたって配置しても良く、あるいは、流路形成部に接続する２つの孔部間を連通させる複数の溝状流路を形成する線状の凸部であっても良い。また、流路形成部４７，４８を、平坦な底面を有する凹部として、この凹部内に、導電性およびガス透過性を有する多孔質体をはめ込み、多孔質体内によって単セル内ガス流路を形成することとしても良い。
【００２６】
燃料電池スタック２０を製造する際には、単セル３０を所定数積層し、その両端にさらに、出力端子を備える集電板、絶縁板、剛性の高いエンドプレートを順次重ね合わせる。このように単セル３０を積層することにより、セパレータ４０に形成された各孔部は、燃料電池スタック２０内を積層方向に貫通するマニホールドを形成する。具体的には、孔部４１は、流路形成部４７が形成する各単セル内酸化ガス流路に酸化ガスを分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図３中、Ｏ2 inと表わす）、孔部４３は、各単セル内酸化ガス流路から酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドを形成する（図３中、Ｏ2 outと表わす）。同様に、孔部４６は、流路形成部４８が形成する各単セル内燃料ガス流路に燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図３中、Ｈ2 inと表わす）、孔部４４は、各単セル内燃料ガス流路から燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドを形成する（図３中、Ｈ2 outと表わす）。図３では、単セル内ガス流路における酸化ガスあるいは燃料ガスの流れる向きを、流路形成部４７，４８上に矢印で示している。
【００２７】
なお、燃料電池スタック２０は、流体流路として、酸化ガスの流路および燃料ガスの流路に加えて、冷媒流路を備えている。すなわち、各単セル３０の間、あるいは単セル３０を所定数積層するごとに、セパレータ面に平行に冷媒を導くセル間冷媒流路が形成されている。セパレータ４０の孔部４２は、上記した各セル間冷媒流路に冷媒を分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図３中、CLT inと表わす）、孔部４５は、各セル間冷媒流路から冷媒が集合する冷媒排出マニホールドを形成する（図３中、CLT outと表わす）。ここで、図２および図３に表わしたセパレータ４０では、単セル内酸化ガス流路を形成する流路形成部４７と単セル内燃料ガス流路を形成する流路形成部４８とが、それぞれの面に形成されることとしているが、セル間冷媒流路を形成するためには、単セル内ガス流路を形成するための流路形成部が一方の面のみに形成されて、他方の面には、冷媒流路を形成するための凹部を形成されたセパレータを用いれば良い。セル間冷媒流路のための凹部と流路形成部４７とがそれぞれの面に形成されたセパレータと、セル間冷媒流路のための凹部と流路形成部４８とがそれぞれの面に形成されたセパレータとを用いて単セルを組み立て、この単セルを複数積層することにより、各単セル間にセル間冷媒流路が形成された燃料電池スタックを製造することができる。
【００２８】
上記のように組み立てられた燃料電池スタック２０は、その積層方向に所定の押圧力がかかった状態で保持される。燃料電池スタック２０を押圧・保持する構成については、図示は省略した。
【００２９】
流体給排部２２は、図１に示すように、燃料電池スタック２０に接続して設けられ、燃料電池スタック２０に対して流体を給排する。すなわち、流体給排部２２には、燃料電池スタック２０内に形成される各マニホールドに接続する接続流路が形成されている。図１では、流体給排部２２において、孔部４１が形成する酸化ガス供給マニホールドに接続する接続流路２５と、孔部４３が形成する酸化ガス排出マニホールドに接続する接続流路２６とが表わされているが、他のマニホールドに接続する接続流路も、流体給排部２２内において同様に形成されている。そして、流体給排部２２の端面においては、各接続流路の開口部が形成され、各開口部には、各々の流体を給排するための装置が接続される。例えば、酸化ガス供給マニホールドに接続する接続流路２５の開口部には、空気を取り込んで圧縮するブロワなどの図示しない酸化ガス供給装置が接続される。また、酸化ガス排出マニホールドに接続する接続流路２６の開口部には、排出された酸化ガスを外部に導く図示しない酸化ガス排出装置が接続される。
【００３０】
付加流量調整部５０は、図１に示すように、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドのそれぞれの内部に配置されるスライドバー５１と、スライドバー５１の一方の端部側に配置される弾性部５５と、流体給排部２２内に配置されるカム部５２と、流体給排部２２上に取り付けられるカム駆動モータ５３と、を備えている。図４は、付加流量調整部５０を構成するカム駆動モータ５３以外の各部を分解した状態で示す説明図である。
【００３１】
スライドバー５１は、細長い薄板状部材であって、燃料電池スタック２０における積層された単セル３０全体の積層方向の長さよりも、若干長く形成されている。スライドバー５１には、その厚み方向に貫通して設けられた複数の孔部が設けられている。図５（Ａ）は、本実施例のスライドバー５１に形成された孔部の形状を模式的に表わす平面図である。スライドバー５１における孔部としては、スライドバー５１の面の中ほどに一定の間隔で形成された付加供給口５６と、隣り合う付加供給口５６間であって、スライドバー５１の長手方向の２辺のそれぞれの近傍において、各辺に沿って延出する形状に形成された定常供給口５７と、が設けられている。
【００３２】
また、付加流量調整部５０は、さらに、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドのそれぞれの内部に配置されて、スライドバー５１が積層方向に往復移動可能となるようにスライドバー５１を収納するガイド部５４を備えている。ガイド部５４は、スライドバー５１よりも若干長く形成されており、孔部４１，４２が形成する酸化ガスマニホールドの内壁に嵌り込む略四角柱状の枠体として形成されている。図６は、孔部４３が形成する酸化ガス排出マニホールド内に嵌め込まれて、内部にスライドバー５１を収納したガイド部５４の断面の様子を模式的に表わす説明図であるが、孔部４１が形成する酸化ガス供給マニホールド内の様子も同様である。図６に表わす断面の位置は、図４に表わしたガイド部５４において、６−６断面として示している。図６中、Ａ方向は、燃料電池装置１０を配設したときの水平方向を表わし、Ｂ方向は、燃料電池装置１０を配設したときの鉛直方向を表わす。
【００３３】
ガイド部５４は、積層されたセパレータ４０の孔部４３が形成する酸化ガス排出マニホールドの内壁に沿った形状の外壁部６０を備えている。この外壁部６０は、酸化ガス排出マニホールドの内壁面のうち、各々の単セル内に形成された単セル内酸化ガス流路と連通する流出口が形成される面以外の３つの面全体を覆う形状を有している。外壁部６０が有する３つの面のうち、鉛直方向下方の面を底面６１、鉛直方向上方の面を上面６２と呼ぶ（図６参照）。ガイド部５４は、さらに、外壁部６０の底面６１の単セル内酸化ガス流路側の端部において底面６１から鉛直方向上方に延出する第１の爪部６３と、外壁部６０の上面６２の単セル内酸化ガス流路側の端部において上面６２から鉛直方向下方に延出する第２の爪部６４とを備えている。また、ガイド部５４は、さらに、第１の爪部６３の近傍において、底面６１から鉛直方向上方に延出する第３の爪部６５を備えると共に、第２の爪部６４の近傍において、上面６２から鉛直方向下方に延出する第４の爪部６６を備えている。これらの第１ないし第４の爪部は、ガイド部５４の積層方向全体にわたって形成されている。上記第１の爪部６３および第３の爪部６５と、底面６１の単セル内酸化ガス流路側端部とによって、下部ガイド溝６７が形成される。また、第２の爪部６４および第４の爪部６６と、上面６２の単セル内酸化ガス流路側端部とによって、上部ガイド溝６８が形成される。これらの下部ガイド溝６７および上部ガイド溝６８に対して、スライドバー５１が嵌合される。
【００３４】
下部ガイド溝６７および上部ガイド溝６８では、その内壁面（スライドバー５１と接する側の面）に複数の凸部６９が形成されている。具体的には、第１および第３の爪部における下部ガイド溝６７内側の面と、下部ガイド溝６７における底面、および、第２および第４の爪部における上部ガイド溝６８内側の面と、上部ガイド溝６８における上面、のそれぞれにおいて、積層方向に所定の間隔を設けながら、複数の凸部６９が形成されている。スライドバー５１が下部ガイド溝６７および上部ガイド溝６８に嵌め込まれる際には、スライドバー５１は、上記した各凸部６９の頭頂部に当接するように嵌め込まれる。
【００３５】
燃料電池装置１０を組み立てる際には、既述したように単セルを積層して燃料電池スタック２０を組み立てた後に、孔部４３が形成する酸化ガス排出マニホールド内にガイド部５４を圧入し、さらに、ガイド部５４における下部ガイド溝６７および上部ガイド溝６８にスライドバー５１を嵌め込む。既述した説明では、孔部４３が形成する空間を酸化ガス排出マニホールドと呼んでいるが、実際には、ガイド部５４の内部において、外壁部６０とスライドバー５１によって囲まれる空間が、酸化ガスを積層方向に導く流路となる。すなわち、このような燃料電池装置１０において発電を行なう際には、スライドバー５１に形成された付加供給口５６および定常供給口５７を介して、燃料電池スタック２０が備える各単セル内酸化ガス流路から、上記ガイド部５４内の流路へと酸化ガスが流出する。燃料電池スタック２０において、セパレータ４０の孔部４１が形成する酸化ガス供給マニホールドにおいても同様にガイド部５４およびスライドバー５１が嵌め込まれ、ガイド部５４内に流路が形成される。そして、スライドバー５１に形成された付加供給口５６および定常供給口５７を介して、燃料電池スタック２０が備える各単セル内酸化ガス流路へと、上記ガイド部５４内の流路から酸化ガスが流入する。なお、以下の説明では、このようなガイド部５４内に形成される空間としての流路もまた、酸化ガス排出マニホールドあるいは酸化ガス供給マニホールドと呼ぶこととする。付加供給口５６および定常供給口５７を介した酸化ガスの給排については、後に詳しく説明する。
【００３６】
ガイド部５４は、セパレータ４０の孔部４１，４３が形成する酸化ガスマニホールドに嵌め込まれるため、各単セル間を短絡させることのない、少なくとも表面が絶縁された材料によって形成されている。具体的には、ガイド部５４は、燃料電池の運転温度における充分な耐熱性と絶縁性を有する樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂、あるいはガラス繊維入りのエポキシ系樹脂やフェノール系樹脂等によって形成することができる。また、金属材料、例えばステンレス鋼をガイド部５４の形状に成形した後に、その表面を、上記した樹脂材料によって被覆しても良い。あるいは、炭素材料、例えばカーボンファイバーをガイド部５４の形状に成形した後に、その表面を、上記した樹脂材料によって被覆しても良い。内部でスライドバー５１が摺動するのに耐える強度および硬度と絶縁性、さらに、高温かつ酸性水が存在する燃料電池内部の環境に耐える耐腐食性を有していればよい。なお、スライドバー５１も、ガイド部５４と同様の材料によって形成すればよい。ただし、ガイド部５４の内部に収納されるスライドバー５１においては、表面の絶縁性は必ずしも必要ではない。
【００３７】
ガイド部５４においては、さらに、各凸部６９を加熱するための加熱部７０が設けられている。図７は、加熱部７０の構成を模式的に表わす説明図である。図７では、説明の簡素化のために、下部ガイド溝６７の一部の様子として、下部ガイド溝６７の底面のみに複数の凸部６９および加熱部７０を設けた様子を表わしているが、第１の爪部６３および第３の爪部６５の内壁面においても、底面と同様に複数の凸部６９および加熱部７０が設けられている。また、上部ガイド溝６８においても同様に、上面と、第２の爪部６４および第４の爪部６６の内壁面において、複数の凸部６９および加熱部７０が設けられている。
【００３８】
図７に示すように、加熱部７０は、導線部７１と発熱抵抗部７２とを備えるヒータとして構成されている。導線部７１は、例えば銅線によって構成されており、下部ガイド溝６７の底面を構成する外壁部６０の内部において、下部ガイド溝６７の底面の中央部近傍で積層方向にわたって伸長するように設けられている。発熱抵抗部７２は、積層方向に伸長する導線部７１の途中において、凸部６９の下部に対応する位置に設けられている。この発熱抵抗部７２は、導線部７１よりも抵抗が高い材料、例えばニクロム線によって構成されており、加熱部７０に通電することにより発熱抵抗部７２を発熱させ、各凸部６９を加熱することが可能となる。例えば、ガイド部５４を既述した樹脂によって形成する場合には、ガイド部５４の成型時に、凸部６９に対応して発熱抵抗部７２が設けられるように金型内の所定の位置に加熱部７０となる部材を配置して樹脂成形を行なうことで、内部に加熱部７０が配置されたガイド部５４を作製することができる。加熱部７０は、燃料電池装置１０の低温起動時に用いるものであり、燃料電池装置１０の低温起動時における加熱部７０を用いた動作については、後に詳しく説明する。
【００３９】
弾性部５５は、酸化ガス供給マニホールドあるいは酸化ガス排出マニホールド内に収納されて、スライドバー５１の一方の端部に接続されると共に、上記マニホールドの、流体給排部２２が配設されない側の端部に配置されている。そして、スライドバー５１に対して積層方向に付勢力を生じつつ、加えられる押圧力に従って積層方向に伸縮する。このような弾性部５５は、例えばコイルバネによって構成することができる。
【００４０】
カム部５２は、図４に示すように、スライドバー５１の端部のうち、弾性部５５側とは異なる他方の端部に当接するように、流体給排部２２内に配置されている。カム部５２は、第１カム７４と、第２カム７５と、回転軸７６とを備えている。第１カム７４と第２カム７５とは、同一形状に形成されて、同様の位置で回転軸７６に貫通されており、所定の間隔をおいて、互いに所定の角度を成すように回転軸７６上に固定されている。回転軸７６は、流体給排部２２の外部へと突出して設けられており、流体給排部２２上に取り付けられたカム駆動モータ５３によって回転駆動される。ここで、第１カム７４は、酸化ガス供給マニホールド内に配置されたスライドバー５１の端部に当接するように配置されており、第２カム７５は、酸化ガス排出マニホールド内に配置されたスライドバー５１の端部に当接するように配置されている。既述したように、各スライドバー５１の一方の端部には、スライドバー５１に付勢力を加える弾性部５５が設けられているため、他方の端部にカム７４，７５を当接させることにより、スライドバー５１は安定して保持される。そして、回転軸７６を駆動してカム７４，７５を回転させることにより、カム７４，７５からスライドバー５１に加えられる押圧力が変化すると共に、弾性部５５が伸縮して、スライドバー５１は、下部ガイド溝６７および上部ガイド溝６８に沿って摺動し、往復運動する。なお、カム７４，７５の形状は、スライドバー５１の往復距離が、スライドバー５１において一定の間隔で設けられた付加供給口５６間の間隔以上の長さとなるように形成されている。これにより、燃料電池スタック２０内に形成されるすべての単セル内酸化ガス流路の流入口および流出口が、スライドバー５１の往復摺動に伴って付加供給口５６と重なることが可能になる。
【００４１】
ここで、第１カム７４は、流体給排部２２内において、接続流路２５内に配置されており、第２カム７５は、接続流路２６内に配置されている。回転軸７６はこれらの接続流路を貫通して配置されており、接続流路２５，２６の壁面には、回転軸７６が貫通する箇所に、例えばＯリング等のシール部材が配置されており、酸化ガスの流路におけるシール性が確保されている。
【００４２】
図１においては、燃料電池装置１０が、燃料電池スタック２０と、流体給排部２２と、付加流量調整部５０とを備える様子を表わしているが、燃料電池装置１０は、さらに、燃料電池装置１０における発電制御を行なう制御部８０を備えている。図８は、燃料電池装置１０の構成の要部を、機能ブロックによって表わす説明図である。上記したように、制御部８０は、燃料電池装置１０の一部を構成するものであるが、さらに、後述する２次電池８６の出力制御や、負荷８８の制御も行なうため、図８では、制御部８０を燃料電池装置１０の外部に表わしている。
【００４３】
図８に示すように、燃料電池装置１０は、さらに、燃料電池スタック２０に対して水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、から成るガス供給部８４を備えている。また、燃料電池装置１０は、さらに、ガイド部５４の温度を検出するための温度センサ８２を備えている。この温度センサ８２は、後述するように、ガイド部５４内に収納されるスライドバー５１が凍結しているか否かを判断する際に参照するためのものである。すなわち、燃料電池のカソードでは発電に伴って水が生じるため、ガス流路においては凝縮水が生じる可能性があり、このような凝縮水が残留する状態で燃料電池スタック２０の温度が氷点下になると、水が凍結することによって、ガイド部５４内のスライドバー５１が氷結する場合がある。燃料電池装置１０では温度センサ８２の検出結果を用いて、このようなスライドバー５１の氷結の有無を判断している。そのため、温度センサ８２は、ガイド部５４の温度を反映して、上記凍結の有無の判断に用いることができる温度を検出できればよく、必ずしもガイド部５４に設ける必要はない。また、温度センサ８２は、燃料電池スタック２０内のどこか１カ所に設ければ良く、例えば、ガイド部５４の近傍であって、燃料電池スタック２０内で最も温度が下がりやすい箇所に設ければよい。
【００４４】
負荷８８は、燃料電池装置１０から電力の供給を受けて駆動される装置である。本実施例では、燃料電池装置１０を車両の駆動用電源として車載して用いているため、負荷８８には車両の駆動用モータが含まれる。
【００４５】
２次電池８６は、燃料電池装置１０に併設されており、燃料電池装置１０に加えて、あるいは燃料電池装置１０に代えて、負荷８８に対して電力を供給可能に接続されている。また、必要に応じて、加熱部７０あるいはカム駆動モータ５３等、燃料電池装置１０を構成する各部に対して駆動のための電力を供給可能となるように接続されている。
【００４６】
制御部８０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部８０は、負荷要求に係る情報（例えば図示しない車速センサやアクセル開度センサから検出信号）や、燃料電池装置１０の状態を検出するための種々のセンサからの検出信号を取得して、燃料電池装置１０の各部に駆動信号を出力する。
【００４７】
Ｂ．付加流量調整部５０の動作：
スライドバー５１を備える付加流量調整部５０は、各単セル内酸化ガス流路を流れる酸化ガス流量を周期的に変更して、単セル内酸化ガス流路内に凝縮水が滞留することに起因するフラッディングや、単セル内酸化ガス流路内のガス流れの悪い領域での不純物の滞留を抑制するための装置である。既述したように、セパレータ４０の孔部４１が形成する酸化ガス供給マニホールドから各単セル内酸化ガス流路へと酸化ガスが分配される際、あるいは、孔部４３が形成する酸化ガス排出マニホールドへと各単セル内酸化ガス流路から酸化ガスが集合する際には、マニホールド内に配置されたスライドバー５１に形成された付加供給口５６および定常供給口５７を介して、酸化ガスが流れる。ここで、付加供給口５６は、スライドバー５１の面の中ほどに一定の間隔で形成されており、定常供給口５７は、隣り合う付加供給口５６間において、スライドバー５１の長手方向の２辺のそれぞれに沿って形成されている。
【００４８】
例えば、酸化ガス供給マニホールド内に配置されたスライドバー５１において、付加供給口５６が、いずれかの単セルの単セル内酸化ガス流路の流入口と重なるときには、この単セル内酸化ガス流路内へは、付加供給口５６を介して酸化ガスが流入する。そして、付加供給口５６と重ならない他の単セル内酸化ガス流路の流入口は、付加供給口５６間に形成される定常供給口５７と重なるため、付加供給口５６を介して酸化ガスが流入する。ここで、付加供給口５６は、定常供給口５７よりも大きく形成されているため、付加供給口５６と重なる流入口は、定常供給口５７と重なる流入口よりも、スライドバー５１を介した開口面積が大きくなる。そのため、付加供給口５６と流入口が重なる単セル内酸化ガス流路に対しては、他の単セル内酸化ガス流路よりも多くの酸化ガスが流入可能となり、上記他の単セル内酸化ガス流路に対しては、いずれも略等量の酸化ガスが流入する。酸化ガス排出マニホールドに配置されるスライドバー５１においても同様であり、流出口が付加供給口５６と重なる単セル内酸化ガス流路からは、他の単セル内酸化ガス流路に比べてより多くの酸化ガスが流出可能となり、他の単セル内酸化ガス流路からは、いずれも略等量の酸化ガスが流出可能となる。
【００４９】
本実施例の燃料電池装置１０は、上記のように、スライドバー５１を用いて、一部の単セル内酸化ガス流路を流れる酸化ガス流量を、他の単セル内酸化ガス流路を流れる酸化ガス流量よりも多くすることにより、燃料電池スタック２０に供給する酸化ガス流量の増大を抑制しつつ、単セル内酸化ガス流路内における凝縮水の滞留を抑制している。以下、スライドバー５１を用いて酸化ガス流量を増大させる動作についてさらに説明する。
【００５０】
一般に燃料電池では、発電のために理論的に必要とされるガス量よりも多くのガスを供給して発電性能を確保している。ここで、理論的に必要とされるガス量に対する実際に供給したガス量の比（以下、ストイキ比と呼ぶ）を１．２として発電を行なっているときに、単セル内酸化ガス流路における凝縮水の滞留を解消する目的で供給ガス量を増やす方策として、例えば燃料電池スタック２０に供給する酸化ガスにおけるストイキ比を１．８に増加させる方策も考えられる。しかしながら、このような方策は、酸化ガス供給装置における消費エネルギ量が大きく増大してしまうために採用し難い。
【００５１】
これに対して、本実施例では、付加供給口５６および定常供給口５７の形状を適宜設定することにより、燃料電池スタック２０に供給する酸化ガスにおけるストイキ比の増加量を抑えつつ、付加供給口５６と連通する単セル内酸化ガス流路を流れる酸化ガスのストイキ比を効果的に増加させることができる。すなわち、燃料電池スタック２０に供給する酸化ガス流量の増加を抑えつつ、一部の単セル内酸化ガス流路におけるガス流量を効果的に増加させることができる。例えば、１つの付加供給口５６が１つの単セル内酸化ガス流路とのみ連通する形状であって、付加供給口５６が、連続して配置される単セルの６つに１つの割合で流入口と重なるように設けられているとする。そして、各単セルにおいて確保したい酸化ガスのストイキ比が１．２である場合に、燃料電池スタック２０に対してストイキ比が１．３となるように酸化ガスを供給すると、付加供給口５６と定常供給口５７の形状を適宜設定することにより、定常供給口５７と連通する他の単セルにおける酸化ガスのストイキ比として１．２を確保しつつ、付加供給口５６と連通する単セルにおける酸化ガスのストイキ比としては１．８を確保することが可能になる。定常供給口５７と連通する他の単セルにおいては、ストイキ比が１．３から１．２へと０．１ずつ抑えられるため、他の単セル５つごとに「０．１×５＝０．５」に相当する酸化ガスが過剰となる。この過剰量は、付加供給口５６と連通する単セルに供給可能となるため、このような単セルでは、「１．３＋０．５＝１．８」に相当する酸化ガス量が得られるのである。このように、一部の単セル内酸化ガス流路における酸化ガス流量を増大させることにより、ガス流による吹き飛ばしの効果を利用して、当該単セル内酸化ガス流路における液水の滞留を抑制・解消することができる。
【００５２】
本実施例では、上記のように付加供給口５６と順次連通することによって、すべての単セル内酸化ガス流路において流量を増大させる動作が可能となるように、スライドバー５１に設けられる隣り合う付加供給口５６間の幅と、第１カム７４および第２カム７５の回転に伴うスライドバー５１の往復運動幅が設定されている。なお、各々の付加供給口５６は、１つの単セルとのみ連通する形状とするのではなく、連続して配置される複数の単セルと連通可能としても良い。燃料電池スタック２０を構成する単セルのうちの一部の単セルが備える単セル内酸化ガス流路において、より多くの酸化ガスを流入可能とすることにより、単セル内酸化ガス流路における凝縮水の滞留を解消する同様の効果が得られる。
【００５３】
なお、本実施例では、既述したように、第１カム７４と第２カム７５とは、互いに所定の角度を成すように回転軸７６上に固定されている。また、酸化ガス供給マニホールド側と酸化ガス排出マニホールド側とでは、同じ形状のスライドバー５１を用いている。このような構成とすることにより、各々の単セル内酸化ガス流路において、付加供給口５６を介して酸化ガス供給マニホールドと連通するタイミングと、付加供給口５６を介して酸化ガス排出マニホールドと連通するタイミングとの間に、一定の時間差を設けることができる。このように時間差を設けることにより、付加供給口５６と連通する単セル内酸化ガス流路では、一瞬内部の圧力を高めてその後にガスが排出され、液水を吹き飛ばす効果を高めることができる。上記のような時間差は、例えば、単セル内酸化ガス流路内を酸化ガスが通過するのに要する時間を考慮して設定すれば良い。ただし、例えば流路形状が単純であるために流路抵抗が小さく、単セル内酸化ガス流路内を酸化ガスが通過するのに要する時間を考慮する必要がない場合には、単セル内酸化ガス流路において入り口側と出口側のそれぞれが付加供給口５６と連通するタイミングを同調させることとしても良い。
【００５４】
また、本実施例では、スライドバー５１は、付加供給口５６および定常供給口５７として、図５（Ａ）に示す形状の供給口を有することとしたが、異なる構成としても良い。スライドバー５１に設けられる付加供給口５６および定常供給口５７の形状の他の一例を、図５（Ｂ）に示す。あるいは、スライドバー５１において、図５（Ｃ）に示すように、付加供給口５６のみを設け、定常供給口５７は設けないこととしても良い。この場合には、付加供給口５６と連通しない他の単セル内酸化ガス流路に対する略等量の酸化ガスの給排は、スライドバー５１と、下部ガイド溝６７および上部ガイド溝６８との間の空隙を介して行なえば良い。このように、スライドバー５１の周囲の空隙を介して各単セル内酸化ガス流路に対して酸化ガスを給排する場合には、酸化ガスの給排量を所望の量とするために、下部ガイド溝６７を構成する第１の爪部６３および／または上部ガイド溝６８を構成する第２の爪部６４において、例えば一定の間隔で切り欠き部を設けても良い。
【００５５】
Ｃ．低温起動時の制御：
燃料電池内のガス流路では、発電に伴ってカソードで生じる生成水や、燃料電池に供給されるガスを加湿することによって加えられた水蒸気に起因して、凝縮水が生じる可能性がある。このようにガス流路内に凝縮水が滞留した状態で燃料電池装置１０が停止して、停止中に、燃料電池装置１０が配置されている環境の温度が０℃未満に低下した場合には、ガス流路内に滞留する凝縮水が凍結し得る。本実施例の燃料電池装置１０においては、発電停止中に、スライドバー５１を収納するガイド部５４内で凝縮水が凍結すると、次回起動時に氷結したスライドバー５１を動かすことができなくなってしまう。そこで、本実施例の燃料電池装置１０では、起動時には、ガイド部５４内での凍結の有無を判断して、凍結していると判断されるときには、加熱部７０による加熱を行なっている。
【００５６】
図９は、燃料電池装置１０の起動時に、制御部８０において実行される起動時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、制御部８０に対して燃料電池装置１０の起動指示が入力されたとき、例えば、燃料電池装置１０を搭載する車両においてイグニションスイッチがオンになったときに、制御部８０のＣＰＵにおいて実行される。
【００５７】
本ルーチンが起動されると、制御部８０は、まず、温度センサ８２から検出温度Ｔを取得する（ステップＳ１００）。そして、取得した検出温度Ｔから、ガイド部５４の温度が０℃未満であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。本実施例では、温度センサ８２をガイド部５４に設けているため、検出温度Ｔが０℃未満であるか否かを判断する。ステップＳ１１０で検出温度Ｔが０℃未満である場合には、スライドバー５１がガイド部５４内で凍結していると判断される。そのため、制御部８０は、加熱部７０を駆動、すなわち、加熱部７０に通電を開始すると共に、制御部８０内に備えるタイマをリセットして経過時間を０に設定する（ステップＳ１２０）。加熱部７０に通電を開始することにより加熱部７０の発熱抵抗部７２が発熱し、下部ガイド溝６７および上部ガイド溝６８の内壁面に形成された凸部６９が加熱されて、ガイド溝内の氷が融解する。なお、燃料電池装置１０の起動時に加熱部７０に通電する際には、２次電池８６から加熱部７０へと電力が供給される。また、このように凍結状態が検出されて加熱部７０を駆動するときには燃料電池による発電は開始しないが、燃料電池装置１０を搭載する車両の走行を開始する場合には、２次電池８６から車両の駆動用モータへと電力供給すればよい。
【００５８】
加熱部７０に対する通電を開始すると、次に制御部８０は、温度センサ８２から検出温度Ｔを取得すると共に、タイマを参照して、加熱部７０への通電を開始してからの経過時間ｔを取得する（ステップ１３０）。そして、取得した検出温度Ｔが０℃以上であって、且つ、経過時間ｔが所定の基準時間ｔaを超えているか否かを判断する（ステップＳ１４０）。ここで、検出温度Ｔが０℃以上である場合には、温度センサ８２の近傍では氷が融解していると判断することができる。そして、本実施例では、さらに加熱を開始してからの経過時間ｔが所定の基準時間ｔaを超える条件を課して、ガイド部５４内全体で氷が融解していると判断している。なお、ステップＳ１４０における判断は、ガイド部５４全体で凍結が解消しているか否かを判断できればよいため、例えば、基準時間ｔaを充分に長く設定する場合には、経過時間ｔのみに基づいて判断を行なっても良い。また、加熱部７０による加熱を開始してから充分に昇温するまでの時間は、加熱を開始するときの燃料電池スタック２０の温度と、燃料電池スタック２０の熱容量によって定まる。そのため、加熱開始時の検出温度Ｔと、ガイド部５４全体で凍結が解消するのに要する加熱時間との関係を予め実験的に求めて制御部８０内にマップとして記憶しておき、ステップＳ１４０では、ステップＳ１００で取得した加熱開始時の検出温度Ｔに基づいて、上記マップを参照して得られる所要経過時間が経過したか否かを判断しても良い。
【００５９】
ステップＳ１４０において、取得した検出温度Ｔが０℃以上であって、且つ、経過時間ｔが所定の基準時間ｔaを超えており、凍結が解消されていると判断されるときには、制御部８０は、燃料電池装置１０による発電の開始を許可して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。制御部８０によって発電開始が許可されると、燃料電池スタック２０に対して所定の大きさの負荷が接続されつつ、ガス供給部８４によって燃料電池スタック２０へとガス供給が開始されて、燃料電池スタック２０が発電を開始する。そして、カム駆動モータ５３の駆動が開始されて、スライドバー５１の往復移動が開始される。
【００６０】
なお、ステップＳ１４０において、取得した検出温度Ｔが０℃以上であって、且つ、経過時間ｔが所定の基準時間ｔaを超えているという条件を満たさず、凍結が解消されていないと判断されるときには、制御部８０は、ステップＳ１３０に戻って、同様の判断を繰り返して行なう。また、ステップＳ１１０において検出温度Ｔが０℃以上であると判断されたときには、スライドバー５１がガイド部５４内で凍結していないと判断され、加熱を行なう必要はないため、制御部８０は、ステップＳ１５０に移行して燃料電池装置１０による発電開始を許可して、本ルーチンを終了する。
【００６１】
以上のように構成された本実施例の燃料電池装置１０によれば、各単セル内酸化ガス流路における凝縮水の滞留を抑制すると共に、ガス流れの悪い領域における窒素や水蒸気などの不純物の滞留を抑制することができると共に、このような効果を、ガイド部５４内でスライドバー５１を摺動させるという簡素な構成により実現することができる。このとき、スライドバー５１は、酸化ガスマニホールドを形成するガイド部５４内に収納されると共に、スライドバー５１を駆動するためのカムは、流体給排部２２内の接続流路２５，２６内に収納されるため、付加流量調整部５０を設けることに起因する燃料電池装置全体の大型化を抑制することもできる。
【００６２】
さらに、スライドバー５１を往復摺動させて単セル内酸化ガス流路において周期的にガス流量を増加させる際に、摺動するスライドバー５１を導く下部ガイド溝６７および上部ガイド溝６８を設けているため、スライドバー５１が摺動する際の抵抗を低減することができる。すなわち、燃料電池スタック２０内において、孔部４１，４３によって形成される空間の内壁面は、燃料電池スタック２０内で隣り合って配置されるセパレータ４０間の微細なずれ等のために、平坦面ではなく、表面に多数のがたつき（微細な段差や凹凸）を有している。このような空間をそのままガス流路として用いて、空間内にスライドバー５１を配置しようとすると、スライドバー５１の摺動の際に、上記した表面のがたつきが抵抗となり、動きが不安定になると共に、スライドバー５１を摺動させるために、カム駆動モータ５３においてより多くのエネルギを要することになる。本実施例では、上記孔部４１，４３が形成する空間内に、別部材であるガイド部５４を挿入して、このガイド部５４内でスライドバー５１を往復移動させているため、表面が平坦なガイド溝内でスライドバー５１を摺動させることができる。そのため、スライドバー５１が摺動する際の抵抗を抑え、スライドバー５１の動きを安定化させると共に、スライドバー５１の駆動に要するエネルギを抑制することができる。
【００６３】
また、本実施例の燃料電池装置１０によれば、ガイド部５４に設けられてスライドバー５１を導く下部ガイド溝６７および上部ガイド溝６８の内壁面において、頭頂部がスライドバー５１に当接する複数の凸部６９が設けられているため、ガイド溝の内壁面とスライドバー５１との接触面積を抑えることができる。このように接触面積を小さくすることにより、スライドバー５１が摺動する際の抵抗を低減することができる。
【００６４】
ここで、燃料電池においては、発電に伴って電極で生じた水がガス流路で凝縮したり、燃料電池に供給するガスが加湿されている場合には、供給ガスに加えられた水蒸気がガス流路で凝縮する可能性がある。このような凝縮水が酸化ガスマニホールド内のスライドバー５１の近傍で生じると、ガイド溝の内壁面とスライドバー５１との間の隙間が凝縮水によって埋められて、スライドバー５１が摺動する際の抵抗が大きくなる可能性がある。本実施例では、ガイド溝の内壁面に凸部６９を設けて、ガイド溝の内壁面とスライドバー５１との接触面積を小さくしているため、スライドバー５１の近傍で凝縮水が生じて、ガイド溝の内壁面とスライドバー５１との間の隙間が凝縮水に埋められても、このような抵抗の増大を抑制できる。すなわち、凝縮水が生じても、接触部である凸部６９の頭頂部とスライドバー５１との間には凝縮水が滞留し難いため、凝縮水に起因するスライドバー５１が摺動する際の抵抗の上昇を抑制することができる。
【００６５】
なお、本実施例では、ガイド溝の内壁面のすべて、すなわち、下部ガイド溝６７および上部ガイド溝６８の内壁面の各々に、複数の凸部６９が形成されているが、異なる構成としても良い。例えば、下部ガイド溝６７の３つの内壁面と、上部ガイド溝６８の３つの内壁面のうちの、一部の内壁面だけに、複数の凸部６９を設けても良い。ただし、ガイド溝の内壁面とスライドバー５１との接触面積を抑えることによる既述した効果を高めるためには、鉛直方向下方側、具体的には下部ガイド溝６７の内壁面に複数の凸部６９を設けることが望ましく、特に、少なくとも下部ガイド溝６７における底面に複数の凸部６９を設けることが望ましい。
【００６６】
また、本実施例では、複数の凸部６９を、ガイド溝の内壁面側に設けたが、スライドバー５１側に設けても良く、この場合にも、両者の接触面積を小さくすることによる既述した効果が得られる。ただし、駆動対象のスライドバー５１の重量増加に起因する駆動エネルギの増大を抑制するためには、凸部６９はガイド溝側に設ける方が望ましい。
【００６７】
また、本実施例の燃料電池装置１０によれば、ガイド部５４内に加熱部７０を設けて各凸部６９を加熱可能となっているため、氷点下の環境下においてガイド溝内で凝縮水が凍結する場合であっても、凸部６９近傍で凍結した氷を加熱し溶融させて、スライドバー５１の往復運動を確保することができる。特に、本実施例では、ガイド部５４において、凸部６９の頭頂部でのみスライドバー５１と接触することとし、この凸部６９のみを加熱する構成となっているため、スライドバー５１の氷結を効率良く解除することができる。すなわち、ガイド部５４を構成する限られた部位だけを加熱するため、スライドバー５１の氷結を解除するための加熱に要するエネルギ量を抑制すると共に、スライドバー５１の氷結を加熱により解除するために要する時間を短縮することができる。
【００６８】
なお、本実施例では、複数の凸部６９をガイド溝の内壁面のすべてに設けると共に、すべての凸部に対して発熱抵抗部７２が配置されるように加熱部７０を設けたが、異なる構成としても良い。一般に凝縮水は、鉛直方向下方に滞留し、滞留した凝縮水が凍結することによってスライドバー５１が氷結する。そのため、少なくとも下部ガイド溝の内壁面に設けた凸部６９、特に、下部ガイド溝６７の底面に設けた凸部６９が加熱されるように、加熱部７０を設けることが望ましい。
【００６９】
本実施例では、加熱部７０は、導線部７１と発熱抵抗部７２とを備えることとしたが、異なる構成としても良い。例えば、ガイド部５４を、金属材料や炭素材料等の導電性材料を成形することによって基材部を作製した後に、この基材部の表面を樹脂材料で被覆して作製する場合には、上記基材部全体によって加熱部を構成しても良い。この場合には、基材部全体に通電することにより、基材部全体を発熱させて、凍結を解消することができる。
【００７０】
さらに、本実施例の燃料電池装置１０によれば、低温起動時には、ガイド部５４の温度を検出することによって加熱部７０による加熱の要否を判断すると共に、その後にスライドバー５１の氷結が解消されたと判断されたときには加熱部７０による加熱を停止する制御を行なうため、スライドバー５１の氷結を解消する際に消費するエネルギ量を抑え、燃料電池装置１０を構成する各部材の熱による劣化を抑制することができる。また、燃料電池スタック２０内部の過剰な加熱を抑制できるため、燃料電池スタック２０の内部温度が上昇しすぎることに起因する不都合、例えば、電解質膜の含水量が低下することによる内部抵抗の増大といった不都合を抑制することができる。
【００７１】
本実施例では、上記のように加熱部７０による加熱を行なう際に、図９のステップＳ１４０においてガイド部５４の全体で凍結が解消したと判断されたときに、ステップＳ１５０において、発電を開始すると共に付加流量調整部５０の駆動を開始（スライドバー５１の往復移動を開始）しているが、異なる構成としても良い。例えば、発電開始のタイミングを、スライドバー５１の往復移動開始のタイミングよりも早めても良い。具体的には、ステップＳ１４０でガイド部５４全体の凍結が解消されたと判断される前に、燃料電池による発電を開始して、ステップＳ１４０で凍結解消が判断されたときには、付加流量調整部５０の駆動を開始すれば良い。このような構成とすれば、発電を開始することにより生じる熱をさらに利用してガイド部５４をさらに昇温させることができ、ガイド部５４全体で凍結が解消されるまでの時間を短縮することができる。すなわち、付加流量調整部５０の駆動を開始するためにステップＳ１４０と同様の判断を行なう際に、ガイド部５４全体で凍結が解消していることを判断する基準時間ｔaを、より短く設定することができる。なお、燃料電池の起動時には、燃料電池スタック２０が充分に昇温するまでは発電量を抑制した運転を行なえば良く、発電量を抑えることにより生じる生成水量も抑制されてフラッディングの可能性も抑えられるため、付加流量調整部５０を駆動しなくても、支障なく発電を開始することができる。
【００７２】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７３】
Ｄ１．変形例１：
実施例では、スライドバー５１は、長手方向にわたって等間隔に設けられた付加供給口５６を有することとしたが、異なる構成としても良い。例えば、酸化ガス供給マニホールドあるいは酸化ガス排出マニホールド内において、凝縮水が滞留し易い部位が決まっている場合には、スライドバー５１において、このような部位に対応する部分の付加供給口５６の密度を、他の部分よりも高めても良い。あるいは、スライドバー５１において、特に凝縮水が滞留しやすいマニホールド内の部位に対応する部分だけに付加供給口５６を設け、他の部分には定常供給口５７だけを設けても良い。
【００７４】
Ｄ２．変形例２：
実施例では、ガイド部５４において、ガイド溝の内壁面に凸部６９を設けることとしたが、凸部６９を設けないガイド部を用いることとしても良い。この場合にも、スライドバー５１の動きを導くガイド部を設けることで、スライドバー５１が摺動する際の抵抗を低減する同様の効果が得られる。また、低温起動時に実施例と同様の制御を行なうならば、スライドバー５１の氷結解消の確保と、ガイド部５４の加熱に要するエネルギ量の抑制という、同様の効果を得ることができる。
【００７５】
Ｄ３．変形例３：
実施例では、スライドバー５１が摺動するガイド溝を有するガイド部５４を、酸化ガスマニホールドの長手方向に延びる側面である４つの内壁面のうち、３つの内壁面を覆う形状に別体で形成して、上記マニホールド内に圧入したが、異なる構成としても良い。例えば、ガイド部の形状を、マニホールドの上記３つの内壁面を覆うことなく、スライドバー５１を導くガイド溝のみを備える形状としても良い。この場合には、ガイド溝を備えるガイド部は、セパレータに設けた孔部が形成するマニホールド内において、各単セル内酸化ガス流路の流入口あるいは流出口の近傍に接着させればよい。
【００７６】
Ｄ４．変形例４：
実施例では、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドの両方に、スライドバー５１を収納するガイド部５４を配置したが、いずれか一方のマニホールドのみに配置しても良い。いずれか一方のマニホールドのみにおいて、付加流量調整部５０のスライドバー５１を駆動する場合にも、各単セル内酸化ガス流路における流量を周期的に変更することによる同様の効果が得られる。ただし、マニホールドや単セル内酸化ガス流路における圧力が変動することに起因するガスの局所的な逆流を抑制するためには、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドの両方に、スライドバー５１を収納するガイド部５４を設けることが望ましい。
【００７７】
また、セパレータ４０において、酸化ガス供給マニホールドあるいは酸化ガス排出マニホールドを形成するための孔部を複数設け、供給マニホールドあるいは排出マニホールドを分割して形成する場合には、各々の孔部が形成するマニホールドごとに、スライドバー５１を収納したガイド部５４を設ければよい。この場合には、供給側あるいは排出側の複数のスライドバー５１の動き、すなわち、各単セル内酸化ガス流路を流れる酸化ガスの流量を増加させるタイミングを同調させることが望ましい。
【００７８】
Ｄ５．変形例５：
実施例では、スライドバー５１を内部に収納したガイド部５４と、弾性部５５と、カム部５２を、燃料電池スタック２０および流体給排部２２内に配置し、カム駆動モータ５３のみを流体給排部２２外に配置したが、異なる構成としても良い。例えば、カム駆動モータ５３に加えて、カム部５２を流体給排部２２外に配置しても良い。この場合には、カム部５２が備える各カム７４，７５における変位をスライドバー５１に伝達するために、両端がそれぞれ上記カムおよびスライドバー５１の端部に当接する伝達部材を、流体給排部２２内に配置すればよい。このとき、酸化ガスマニホールドにおけるガスシール性を確保するためには、例えば、酸化ガスマニホールドに連続して設けられてガスシール性が確保された中空のシール部を流体給排部２２内に設け、このシール部内で上記伝達部材を摺動させればよい。あるいは、弾性部５５を、カム部５２が配置される側と同じ側に配置しても良い。このとき、弾性部５５は、流体給排部２２の内部に配置しても良く、外部に配置しても良い。弾性部５５を流体給排部２２の外部に配置する場合には、例えば、スライドバー５１の一端に当接しつつ流体給排部２２内に配置された上記伝達部材と、カム部５２が備える各カムと、に端部が当接するように、弾性部５５を配置すればよい。
【００７９】
Ｄ６．変形例６：
実施例では、酸化ガスを給排するマニホールドにおいて、スライドバー５１を収納するガイド部５４を配置したが、酸化ガスのマニホールドに加えて、あるいは酸化ガスのマニホールドに代えて、燃料ガスおよび／または冷媒を給排するマニホールドにおいて、同様の付加流量調整部を設けても良い。燃料ガスの流路においても、燃料ガス中に含まれる水蒸気に起因して凝縮水が生じる可能性があり、さらに、電解質膜を介してカソード側から移動した水蒸気や窒素などの不純物が、ガス流れの悪い領域に滞留する可能性がある。燃料ガスのマニホールドに付加流量調整部を設けることによって、上記した凝縮水や不純物の滞留を抑制する同様の効果が得られる。冷媒流路においても同様に、冷媒のマニホールドに付加流量調整部を設けることによって、冷媒流れを改善することができ、例えばセル間冷媒流路において冷媒流れが悪い領域での不純物の滞留を抑制することができる。
【００８０】
また、実施例では、単セル内酸化ガス流路を３つの折れ曲がり部を有する形状に形成しているため、セパレータ４０に設ける孔部において、酸化ガス供給マニホールドを形成する孔部４１と、酸化ガス排出マニホールドを形成する孔部４３とは、セパレータの同じ辺に沿って配置しているが、異なる構成としても良い。ここで、実施例では、酸化ガス供給マニホールドを形成する孔部４１と酸化ガス排出マニホールドを形成する孔部４３とが、セパレータ４０の同じ辺に沿って配置されているため、各々のマニホールド内に配置したスライドバー５１を駆動するためのカム７４，７５は、同一の回転軸７６に固着させて駆動している。これに対して、例えば単セル内酸化ガス流路を２つの折れ曲がり部を有する形状とすることにより、酸化ガス供給マニホールドを形成する孔部と酸化ガス排出マニホールドを形成する孔部とが、セパレータの異なる辺に沿って配置される場合には、各々のスライドバー５１を駆動するためのカムを回転させるために、別々の駆動軸を用いればよい。あるいは、第１の流体（例えば酸化ガス）のマニホールドと第２の流体（例えば燃料ガスあるいは冷媒）のマニホールドの両方に付加流量調整部を設ける場合であって、第１の流体のマニホールドの一方を形成する孔部と、第２の流体のマニホールドの一方を形成する孔部とが、セパレータの同じ辺に沿って配置されている場合には、各々のマニホールド内に配置されたスライドバー５１を駆動するために設ける２つのカムを、共通の回転軸に固着させて駆動しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】燃料電池装置１０の概略構成を模式的に表わす斜視図である。
【図２】単セル３０の構成を表わす分解斜視図である。
【図３】セパレータ４０の構成を表わす平面図である。
【図４】付加流量調整部５０を構成する各部を分解した状態で示す説明図である。
【図５】スライドバーに形成された孔部の形状を模式的に表わす平面図である。
【図６】スライドバー５１を収納したガイド部５４の断面模式図である。
【図７】加熱部７０の構成を模式的に表わす説明図である。
【図８】燃料電池装置１０の構成を、機能ブロックによって表わす説明図である。
【図９】起動時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【符号の説明】
【００８２】
１０…燃料電池装置
２０…燃料電池スタック
２１…電解質膜
２２…流体給排部
２５，２６…接続流路
３０…単セル
３１…電解質膜
３２…ガス拡散層
４０…セパレータ
４１〜４６…孔部
４７，４８…流路形成部
５０…付加流量調整部
５１…スライドバー
５２…カム部
５３…カム駆動モータ
５４…ガイド部
５５…弾性部
５６…付加供給口
５７…定常供給口
６０…外壁部
６１…底面
６２…上面
６３〜６６…爪部
６７…下部ガイド溝
６８…上部ガイド溝
６９…凸部
７０…加熱部
７１…導線部
７２…発熱抵抗部
７４，７５…カム
７６…回転軸
８０…制御部
８２…温度センサ
８４…ガス供給部
８８…負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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