(57)【要約】【課題】  省動力で燃料電池内部より水分を除去可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  空気と水素との電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル１００が複数積層された燃料電池１０と、空気供給手段２１から燃料電池１０に供給される空気が通過する空気供給流路２０ａとを設け、燃料電池１０には、セル１００の積層方向の両端に、燃料電池１０内に空気を導入する複数の空気入口２３ａ、２３ｂを設け、空気供給流路２０ａを空気入口２３ａ、２３ｂのそれぞれに接続する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、
酸化剤ガス供給手段（２１）から前記燃料電池（１０）に供給される酸化剤ガスが通過する酸化剤ガス供給流路（２０ａ）とを備え、
前記燃料電池（１０）には、前記セル（１００）の積層方向の両端に、前記燃料電池（１０）内に酸化剤ガスを導入する複数の酸化剤ガス入口（２３ａ、２３ｂ）が設けられており、前記酸化剤ガス供給流路（２０ａ）は、前記酸化剤ガス入口（２３ａ、２３ｂ）のそれぞれに接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、
酸化剤ガス供給手段（２１）から前記燃料電池（１０）に供給される酸化剤ガスが通過する酸化剤ガス供給流路（２０ａ）とを備え、
前記燃料電池（１０）の前記セル（１００）の積層方向の両端に、前記燃料電池（１０）から前記電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスを排出する複数の酸化剤ガス出口（２４ａ、２４ｂ）が設けられていることを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池（１０）の前記セル（１００）の積層方向の両端に、前記燃料電池（１０）から前記電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスを排出する複数の酸化剤ガス出口（２４ａ、２４ｂ）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化剤ガス供給流路（２０ａ）に設けられ、前記酸化剤ガス供給手段（２１）から供給される酸化剤ガスが、前記複数の酸化剤ガス入口（２３ａ、２３ｂ）の少なくとも１つに供給されるように、酸化剤ガスの流路を切り替える酸化剤ガス供給流路切替手段（２５）を備えることを特徴とする請求項１または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸化剤ガス供給流路切替手段（２５）は、前記燃料電池（１０）の前記セル（１００）の積層方向の両端における酸化剤ガスの圧力差によって、前記燃料電池（１０）に供給する酸化剤ガスの流路を切り替えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化剤ガス供給流路切替手段（２５）は、複数の前記酸化剤ガス入口（２３ａ、２３ｂ）のそれぞれに対応する酸化剤ガス排出口（２５１、２５２）と、
前記燃料電池（１０）の前記セル（１００）の積層方向の両端の圧力差によって作動することで、前記酸化剤ガス排出口（２５１、２５２）の流路断面積を調整する弁体（２５５）とを備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池（１０）から排出される前記電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスが、前記複数の酸化剤ガス出口（２４ａ、２４ｂ）の少なくとも１つから排出されるように、酸化剤ガスの流路を切り替える酸化剤ガス排出流路切替手段（２６）を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記酸化剤ガス排出流路切替手段（２６）は、前記燃料電池（１０）の前記セル（１００）の積層方向の両端における酸化剤ガスの圧力差によって、前記燃料電池（１０）から排出される前記電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスの流路を切り替えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記酸化剤ガス排出流路切替手段（２６）は、複数の前記酸化剤ガス出口（２４ａ、２４ｂ）のそれぞれに対応する酸化剤ガス導入口（２６０、２６１）と、
前記燃料電池（１０）の前記セル（１００）の積層方向の両端の圧力差によって作動することで、前記酸化剤ガス導入口（２６０、２６１）の流路断面積を調整する弁体（２６５）とを備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶およびポータブル発電機等の移動体用発電機、あるいは家庭用発電機に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素と空気（酸素）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。燃料電池のセルの積層方向における両端のセルは、外気との接触面積が大きいため冷却されやすく、電気化学反応で生じた生成水が凝縮しやすい。さらに、燃料電池システムでは、一般的に、空気が燃料電池（ＦＣスタック）のセルの積層方向に供給され、セル内部を通過した後で空気入口と同じ端面から排出されるように構成されているため、空気入口から遠い奥側のセル内部での空気流量は少なくなる。これにより、燃料電池の空気入口から遠い奥側のセル内部には生成水が滞留しやすくなる。そして、この奥側のセルに滞留した生成水がセパレータで形成された流路を閉塞すると、フラッディングと呼ばれる状態となって空気の流通が阻害され、燃料電池の出力が低下する。
【０００３】
このため、燃料電池に供給する空気の過剰率を上げることによって生成水を燃料電池外へ押し出すことが行われている。
【０００４】
また、燃料電池の空気入口と空気出口を切り替えて空気の流れの方向を逆転させることによって、電解質の含水率を均一化する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１５８０２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池システムのように、空気入口と空気出口を切り替えても、奥側にあるセルの空気流量が少なくなる点は改善されず、空気入口から離れた奥側のセルでは、生成水が滞留しやすいという問題がある。
【０００６】
また、燃料電池に供給する空気の過剰率を上げることによって生成水を燃料電池外へ押し出す場合には、空気ポンプの消費動力が増大するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑み、省動力で燃料電池内部より水分を除去可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、酸化剤ガス供給手段（２１）から燃料電池（１０）に供給される酸化剤ガスが通過する酸化剤ガス供給流路（２０ａ）とを備え、燃料電池（１０）には、セル（１００）の積層方向の両端に、燃料電池（１０）内に酸化剤ガスを導入する複数の酸化剤ガス入口（２３ａ、２３ｂ）が設けられており、酸化剤ガス供給流路（２０ａ）は、酸化剤ガス入口（２３ａ、２３ｂ）のそれぞれに接続されていることを特徴としている。
【０００９】
このように、燃料電池（１０）のセル（１００）の積層方向の両端から酸化剤ガスを供給することで、各セル（１００）における酸化剤ガス入口（２３ａ、２３ｂ）側の圧力が高くなり、生成水を効率よく押し流すことができる。このため、省動力で燃料電池（１０）内部より水分を除去することが可能となる。
【００１０】
また、請求項２および３に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、酸化剤ガス供給手段（２１）から燃料電池（１０）に供給される酸化剤ガスが通過する酸化剤ガス供給流路（２０ａ）とを備え、燃料電池（１０）のセル（１００）の積層方向の両端に、燃料電池（１０）から電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスを排出する複数の酸化剤ガス出口（２４ａ、２４ｂ）が設けられていることを備えることを特徴としている。
【００１１】
このように、生成水が滞留しやすい燃料電池（１０）のセル（１００）の積層方向の両端から未反応の酸化剤ガスを排出することで、各セル（１００）における酸化剤ガス出口（２４ａ、２４ｂ）側の圧力が低くなり、生成水を効率よく押し流すことができる。このため、省動力で燃料電池（１０）内部より水分を除去することが可能となる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明では、前記酸化剤ガス供給流路（２０ａ）に設けられ、酸化剤ガス供給手段（２１）から供給される酸化剤ガスが、複数の酸化剤ガス入口（２３ａ、２３ｂ）の少なくとも１つに供給されるように、酸化剤ガスの流路を切り替える酸化剤ガス供給流路切替手段（２５）を備えることを特徴としている。
【００１３】
これにより、酸化剤ガスを燃料電池（１０）に供給する際に、燃料電池（１０）のセル（１００）の積層方向の片側から供給するか、燃料電池（１０）のセル（１００）の積層方向の両側から供給するかを切り替えることができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明のように、酸化剤ガス供給流路切替手段（２５）は、燃料電池（１０）のセル（１００）の積層方向の両端における酸化剤ガスの圧力差によって、燃料電池（１０）に供給する酸化剤ガスの流路を切り替えることができる。これにより、酸化剤ガス供給流路切替手段（２５）を作動させるのに新たな動力を必要としないため、燃料電池（１０）に供給する酸化剤ガスの流路を、省動力で切り替えることができる。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明では、酸化剤ガス供給流路切替手段（２５）は、複数の酸化剤ガス入口（２３ａ、２３ｂ）のそれぞれに対応する酸化剤ガス排出口（２５１、２５２）と、燃料電池（１０）のセル（１００）の積層方向の両端の圧力差によって作動することで、酸化剤ガス排出口（２５１、２５２）の流路断面積を調整する弁体（２５５）とを備えることを特徴としている。
【００１６】
これにより、燃料電池（１０）のセル（１００）の積層方向の両端における酸化剤ガスの圧力差に対応して、酸化剤ガス入口（２３ａ、２３ｂ）に供給される酸化剤ガス流量を調節することができる。
【００１７】
また、請求項７に記載の発明では、燃料電池（１０）から排出される電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスが、複数の酸化剤ガス出口（２４ａ、２４ｂ）の少なくとも１つから排出されるように、酸化剤ガスの流路を切り替える酸化剤ガス排出流路切替手段（２６）を備えることを特徴としている。
【００１８】
これにより、未反応の酸化剤ガスを燃料電池（１０）から排出する際に、燃料電池（１０）のセル（１００）の積層方向の片側から排出するか、燃料電池（１０）のセル（１００）の積層方向の両側から排出するかを切り替えることができる。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明のように、酸化剤ガス排出流路切替手段（２６）は、燃料電池（１０）のセル（１００）の積層方向の両端における酸化剤ガスの圧力差によって、燃料電池（１０）から排出される電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスの流路を切り替えることができる。これにより、酸化剤ガス排出流路切替手段（２６）を作動させるのに新たな動力を必要としないため、燃料電池（１０）から排出される未反応の酸化剤ガスの流路を、省動力で切り替えることができる。
【００２０】
また、請求項９に記載の発明では、酸化剤ガス排出流路切替手段（２６）は、複数の酸化剤ガス出口（２４ａ、２４ｂ）のそれぞれに対応する酸化剤ガス導入口（２６０、２６１）と、燃料電池（１０）のセル（１００）の積層方向の両端の圧力差によって作動することで、酸化剤ガス導入口（２６０、２６１）の流路断面積を調整する弁体（２６５）とを備えることを特徴としている。
【００２１】
これにより、燃料電池（１０）のセル（１００）の積層方向の両端における酸化剤ガスの圧力差に対応して、酸化剤ガス出口（２４ａ、２４ｂ）から排出される酸化剤ガス流量を調節することができる。
【００２２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（第１実施形態）      
以下、本発明の第１実施形態について図１および図２に基づいて説明する。図１は、本第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。
【００２４】
図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０（ＦＣスタック）を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１や２次電池（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当する。
【００２５】
本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。セルは、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電解質・電極接合体）と、このＭＥＡを挟持する空気側セパレータおよび水素側セパレータで構成されている。空気側セパレータには、セル内に空気を流すための空気流路溝が形成されている。セパレータは、カーボン材または導電性金属よりなる板状部材からなる。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００２６】
（負極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（正極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素排出流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化剤ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
【００２７】
空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。
【００２８】
空気排出流路２０ｂには、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整するための空気調圧弁２５が設けられている。
【００２９】
水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された水素タンク３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける水素タンク３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２と、水素への加湿を行う加湿器３３が設けられている。
【００３０】
水素排出流路３０ｂは、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループに構成されており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、燃料電池１０での未使用水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素排出流路３０ｂには、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３４が設けられている。
【００３１】
燃料電池制御部４０（ＦＣ−ＥＣＵ）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、燃料電池制御部４０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、３３、空気調圧弁２５、水素調圧弁３２、水素ポンプ３４に制御信号を出力する。
【００３２】
図２は、本第１実施形態の燃料電池システムの要部を示す模式図である。図２では、水素流路３０の図示を省略している。なお、図中の矢印は燃料電池１０内の空気の流れを示している。
【００３３】
図２に示すように、燃料電池１０のセル１００の積層方向の両端（以下、燃料電池１０の両端という）には、燃料電池１０に空気を供給する第１の空気入口２３ａおよび第２の空気入口２３ｂがそれぞれ設けられている。また、空気供給流路２０ａは、加湿器２２と第１の空気入口２３ａとの間で分岐して、２つの空気入口２３ａ、２３ｂに接続している。
第１の空気入口２３ａから導入された空気は、燃料電池１０の中央付近より紙面左側のセル１００に供給される。また、第２の空気入口２３ｂから導入された空気は、燃料電池１０の中央付近より紙面右側のセル１００に供給される。途中、空気は各セル１００の内部に流入し、紙面上側から下側に向かって流れる。そして、各セル１００の内部を通過した空気が合流して、燃料電池１０の空気出口２４から排出される。
【００３４】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を説明する。
【００３５】
燃料電池システムによる発電を開始するには、空気ポンプ２１および水素ポンプ３４を運転させ、水素調圧弁３２を開放させる。この状態で、空気ポンプ２１から空気供給流路２０ａに導入された空気は、加湿器２２で加湿され、第１の空気入口２３ａおよび第２の空気入口２３ｂから燃料電池１０に供給される。
【００３６】
図２中の矢印で示すように、第１の空気入口２３ａおよび第２の空気入口２３ｂから燃料電池１０内に供給された空気は、上述のように燃料電池１０の各セル１００に供給される。そして、水素タンク３１から水素供給流路３０ａを介して供給された水素と電気化学反応し、電気エネルギを発生させる。
【００３７】
電気化学反応に用いられなかった空気（オフガス）は、燃料電池１０から空気排出流路２０ｂに排出され、さらに空気排出流路２０ｂから大気中に放出される。同様に、電気化学反応に用いられなかった未使用水素は、水素ポンプ３４により燃料電池１０に再供給される。
【００３８】
また、この電気化学反応により、空気極側では水が生成する。この燃料電池１０内部の水分は、オフガスとともに空気出口２４から外部に排出される。
【００３９】
このとき、第１の空気入口２３ａおよび第２の空気入口２３ｂにより燃料電池１０の両端から空気を燃料電池１０内に導入することで、燃料電池１０の両端近傍にあるセル１００の空気入口側の圧力を大きくすることができ、各セル１００における空気入口側と空気出口側の圧力差を大きくすることができる。このため、空気がセル１００内を通過する際の空気の流速が速くなり、セル１００内に滞留した生成水を空気で押し流し、効率よく燃料電池１０外へ排出することができる。
【００４０】
このように、燃料電池１０の両端から供給された空気の流体エネルギで生成水を押し流すことができ、省動力で燃料電池１０内部より水分を除去することが可能となる。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、空気出口２４ａ、２４ｂを燃料電池１０の両端に設けた点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
図３は、本第２実施形態の燃料電池システムの要部を示す模式図である。図３では、水素流路３０の図示を省略している。図３に示すように、燃料電池１０の両端には、燃料電池１０からオフガスを排出する第１の空気出口２４ａおよび第２の空気出口２４ｂがそれぞれ設けられている。これらの空気出口２４ａ、２４ｂは、ともに空気排出流路２０ｂに接続されている。
【００４３】
燃料電池１０の空気入口２３から導入された空気は、燃料電池１０の空気入口２３から遠い奥側に向かって流れる途中で各セル１００の内部に流入し、紙面上側から下側に向かって流れる。そして、燃料電池１０の中央付近より紙面左側の各セル１００を通過した空気は、合流して燃料電池１０の第１の空気出口２４ａから排出される。また、燃料電池１０の中央付近より紙面右側の各セル１００を通過した空気は、合流して燃料電池１０の第２の空気出口２４ｂから排出される。
【００４４】
このとき、燃料電池１０の第１の空気出口２４ａおよび第２の空気出口２４ｂにより燃料電池１０の両端から空気を排出することで、燃料電池１０の両端近傍にあるセル１００の空気出口側の圧力を小さくすることができ、各セル１００における空気入口側と空気出口側の圧力差を大きくすることができる。このため、空気がセル１００内を通過する際の空気の流速が速くなり、セル１００内に滞留した生成水を空気で押し流し、効率よく燃料電池１０外へ排出することができる。
【００４５】
このように、燃料電池１０の両端から空気を排出することで、空気の流体エネルギで生成水を押し流すことができ、省動力で燃料電池１０内部より水分を除去することが可能となる。
【００４６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図４に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態と比較して、空気入口２３ａ、２３ｂおよび空気出口２４ａ、２４ｂを、それぞれ燃料電池１０の両端に設けた点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４７】
図４は、本第３実施形態の燃料電池システムの要部を示す模式図である。図４では、水素流路３０の図示を省略している。図４に示すように、燃料電池１０の両端には、燃料電池１０に空気を供給する第１の空気入口２３ａおよび第２の空気入口２３ｂがそれぞれ設けられている。これらの空気入口２３ａ、２３ｂは、ともに空気供給流路２０ａに接続されている。また、空気供給流路２０ａは、加湿器２２と第１の空気入口２３ａとの間で分岐して、２つの空気入口２３ａ、２３ｂに接続している。
【００４８】
燃料電池１０の両端には、燃料電池１０からオフガスを排出する第１の空気出口２４ａおよび第２の空気出口２４ｂがそれぞれ設けられている。これらの空気出口２４ａ、２４ｂは、ともに空気排出流路２０ｂに接続されている。
【００４９】
第１の空気入口２３ａから導入された空気は、燃料電池の中央付近より紙面左側のセル１００に供給される。また、第２の空気入口２３ｂから導入された空気は、燃料電池１０の中央付近より紙面右側のセル１００に供給される。途中、各セル１００の内部に流入し、紙面上側から下側に向かって流れる。そして、燃料電池１０の中央付近より紙面左側の各セル１００内部を通過した空気は、合流して燃料電池１０の第１の空気出口２４ａから排出される。また、燃料電池１０の中央付近より紙面右側の各セル１００内部を通過した空気は、合流して燃料電池１０の第２の空気出口２４ｂから排出される。
【００５０】
このとき、第１の空気入口２３ａおよび第２の空気入口２３ｂから燃料電池１０に空気を供給することで、燃料電池１０の両端近傍にあるセル１００の空気入口側の圧力を大きくすることができる。さらに、第１の空気出口２４ａおよび第２の空気出口２４ｂから空気を排出することで、燃料電池１０の両端近傍にあるセル１００の空気出口側の圧力が小さくすることができる。これにより、燃料電池１０の両端近傍にあるセル１００における空気入口側と空気出口側の圧力差を大きくすることができるため、空気がセル１００内を通過する際の空気の流速が速くなり、セル１００内に滞留した生成水を空気で押し流し、効率よく燃料電池１０外へ排出することができる。
【００５１】
このように、空気を燃料電池１０の両端から供給し、さらに両端から排出することで、空気の流体エネルギで生成水を押し流すことができ、省動力で燃料電池１０内部より水分を除去することが可能となる。
【００５２】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図５および図６に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態と比較して、燃料電池１０に空気を供給する流路を切り替えることができる空気供給流路切替バルブ２５を設けた点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５３】
図５は本第４実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、図６は本第４実施形態に係る空気供給流路切替バルブ２５を示す模式図である。図６（ａ）は通常時における空気供給流路切替バルブ２５の状態を示し、図６（ｂ）は空気流量低下時における空気供給流路切替バルブ２５の状態を示している。
【００５４】
図５および図６（ａ）、（ｂ）に示すように、空気供給流路２０ａにおける分岐点には、空気供給流路切替バルブ２５が設けられている。
【００５５】
空気供給流路切替バルブ２５には、空気導入口２５０、第１の空気排出口２５１、第２の空気排出口２５２、空気出口側圧力受部２５３、空気入口側圧力受部２５４および弁体２５５が設けられており、弁体２５５が紙面上下方向に動くことによって、空気の流路の切り替えが可能になっている。
【００５６】
空気導入口２５０は、空気供給流路２０ａにおける上流側に接続され、空気供給流路切替バルブ２５内に空気を導入する。
【００５７】
第１の空気排出口２５１の下流側は燃料電池１０の第１の空気入口２３ａに接続され、第２の空気排出口２５２の下流側は第２の空気入口２３ｂに接続されている。空気供給流路切替バルブ２５内に導入された空気は、第１の空気排出口２５１もしくは第２の空気排出口２５２から排出される。第１の空気排出口２５１から排出された空気は、第１の空気入口２３ａから燃料電池１０内部に流入する。第２の空気排出口２５２から排出された空気は、第２の空気入口２３ｂから燃料電池１０内部に流入する。
【００５８】
弁体２５５の一端（紙面上側）は空気出口側圧力受部２５３として構成され、弁体２５５の他端（紙面下側）は空気入口側圧力受部２５４として構成されている。空気出口側圧力受部２５３は、第２の空気出口２４ｂに接続され、第２の空気出口２４ｂ部分の空気圧を受ける。空気入口側圧力受部２５４は第１の空気入口２３ａに接続され、第１の空気入口２３ａ部分の空気圧を受ける。これにより、燃料電池１０の両端における空気の圧力差によって、弁体２５５を動かすことができる。そして、弁体２５５が紙面上下方向に移動することによって、第１の空気排出口２５１のみを開くか、第１の空気排出口２５１および第２の空気排出口２５２を開くかを切り替えるようになっている。
【００５９】
このとき、空気排出口２５１、２５２の流路断面積は、第１の空気入口２３ａ側の端にあるセル１００の空気入口側と第２の空気出口２４ｂ側の端にあるセル１００の空気出口側との圧力差に応じて変化する。このため、各空気入口２３ａ、２３ｂに供給される空気の流量は、燃料電池１０の両端における空気の圧力差によって変化する。
【００６０】
次に、上記構成の空気供給流路切替バルブ２５による空気供給流路の切り替えについて、図６（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。
【００６１】
図６（ａ）に示すように、第２の空気出口２４ｂ側の端の方のセル１００に生成水が滞留していない状態のとき（以下、通常時という）は、弁体２５５を紙面下側へ動かす力（＝第２の空気出口２４ｂ側の圧力×圧力受部２５３の面積）よりも、弁体２５５を紙面上側へ動かす力（＝第１の空気入口２３ａ側の圧力×圧力受部２５４の面積）の方が高いため、弁体２５５が紙面上側に押し上げられ、第１の空気排出口２５１のみが開いた状態になっており、燃料電池１０の第１の空気入口２３ａにのみ空気が供給される。
また、図６（ｂ）に示すように、第２の空気出口２４ｂ側の端の方のセル１００に生成水が滞留し、空気の流量が低下した場合は、第２の空気出口２４ｂ部分の空気圧が通常時よりも上昇する。これにより、空気出口側圧力受部２５３にかかる圧力が上昇し、弁体２５５が紙面下側に押し下げられ、第１の空気排出口２５１に加え第２の空気排出口２５２が開く。これにより、燃料電池１０の両端から燃料電池１０に空気を供給することができる。
【００６２】
以上説明したように、空気供給流路切替バルブ２２５は、燃料電池１０の両端における空気の圧力差によって作動するため、空気供給流路切替バルブ２２５を作動させるための動力を必要としない。したがって、省動力で燃料電池１０に供給する空気の流路を切り替えることが可能となる。
【００６３】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図７および図８に基づいて説明する。本第５実施形態は、上記第２実施形態と比較して、燃料電池１０から空気を排出する流路を切り替えることができる空気排出流路切替バルブ２６を設けた点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６４】
図７は本第５実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、図８は本第５実施形態に係る空気排出流路切替バルブ２６を示す模式図である。図８（ａ）は通常時における空気排出流路切替バルブ２６の状態を示し、図８（ｂ）は空気流量低下時における空気排出流路切替バルブ２６の状態を示している。
【００６５】
図７および図８（ａ）、（ｂ）に示すように、空気排出流路２０ｂにおける分岐点には、空気排出流路切替バルブ２６が設けられている。
【００６６】
空気排出流路切替バルブ２６には、第１の排気導入口２６０、第２の排気導入口２６１、空気排出口２６２、空気入口側圧力受部２６３、空気出口側圧力受部２６４、および弁体２６５が設けられており、弁体２６５が紙面上下方向に動くことによって、空気の流路の切り替えが可能になっている。なお、排気導入口２６０、２６１は、本発明の酸化剤ガス導入口に相当する。
【００６７】
第１の排気導入口２６０の上流側は燃料電池１０の第１の空気出口２４ａに接続され、第１の空気出口２４ａから排出されたオフガスを空気排出流路切替バルブ２６内に導入する。第２の排気導入口２６１の上流側は第２の空気出口２４ｂに接続され、第２の空気出口２４ｂから排出されたオフガスを空気排出流路切替バルブ２６内に導入する。
【００６８】
空気排出口２６２は、空気排出流路２０ｂにおける下流側に接続され、空気排出流路切替バルブ２６内のオフガスを排出する。
【００６９】
弁体２６５の一端（紙面上側）は、空気入口側圧力受部２６３として構成され、弁体２６５の他端（紙面下側）は空気出口側圧力受部２６４として構成されている。空気入口側圧力受部２６３は、第１の空気入口２３ａに接続され、第１の空気入口２３ａ部分の空気圧を受ける。空気出口側圧力受部２６４は、第２の空気出口２４ｂに接続され、第２の空気出口２４ｂ部分の空気圧を受ける。これにより、燃料電池１０の両端における空気の圧力差によって、弁体２６５を動かすことができる。そして、弁体２６５が紙面上下方向に移動することによって、第１の排気導入口２６０のみを開くか、第１の排気導入口２６０および第２の排気導入口２６１を開くかを切り替えるようになっている。
【００７０】
このとき、排気導入口２６０、２６１の流路断面積は、第１の空気入口２３ａ側の端にあるセル１００の空気入口側と第２の空気出口２４ｂ側の端にあるセル１００の空気出口側との圧力差によって変化する。このため、各空気出口２４ａ、２４ｂから排出される空気の流量は、燃料電池１０の両端における空気の圧力差によって変化する。
【００７１】
次に、上記構成の空気排出流路切替バルブ２６による空気排出流路の切り替えについて、図８（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。
【００７２】
図８（ａ）に示すように、通常時には、弁体２６５を紙面下側へ動かす力（＝第２の空気出口２４ｂ側の圧力×圧力受部２６４の面積）よりも、弁体２６５を紙面上側へ動かす力（第１の空気入口２３ａ側の圧力×圧力受部２６３の面積）の方が高いため、弁体２６５が紙面下側に押し下げられ、第１の排気導入口２６０のみが開いた状態になっており、燃料電池１０の第１の空気出口２４ａのみから空気が排出される。
【００７３】
また、図８（ｂ）に示すように、第２の空気出口２４ｂ側の端の方のセル１００に生成水が滞留し、空気の流量が低下した場合は、第２の空気出口２４ｂ部分の空気圧が通常時よりも上昇する。これにより、空気出口側圧力受部２６４にかかる圧力が上昇し、弁体２６５が紙面上側に押し上げられ、第１の排気導入口２６０に加え第２の排気導入口２６１が開く。これにより、燃料電池１０の両端から燃料電池１０内の空気を排出することができる。
【００７４】
以上説明したように、空気排出流路切替バルブ２６は、燃料電池１０の両端における空気の圧力差によって作動するため、空気排出流路切替バルブ２６を作動させるための動力を必要としない。したがって、省動力で燃料電池１０から排出される空気の流路を切り替えることが可能となる。
【００７５】
（他の実施形態）
なお、上記第４実施形態において、第１の空気排出口２５１のみを開くか、第１の空気排出口２５１および第２の空気排出口２５２を開くかを切り替えるようにしたが、第１の空気排出口２５１と第２の空気排出口２５２のうちどちらか一方のみを開くようにしてもよい。
【００７６】
また、上記第５実施形態において、第１の排気導入口２６０のみを開くか、第１の排気導入口２６０および第２の排気導入口２６１を開くかを切り替えるようにしたが、第１の排気導入口２６０と第２の排気導入口２６１のうちどちらか一方のみを開くようにしてもよい。
【００７７】
また、上記第４実施形態において、弁体２５５の圧力受部２５３、２５４の面積は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、上記第５実施形態において、弁体２６５の圧力受部２６３、２６４の面積は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００７８】
また、弁体２５５、２６５には、圧力がかかっていないときに弁体２５５、２６５を図６または図８における紙面上側あるいは紙面下側のいずれか一方に押しつけるためのスプリングを設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す模式図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す模式図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す模式図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図６】（ａ）は本発明の第４実施形態に係る通常時における空気供給流路切替バルブの状態を示す模式図で、（ｂ）は空気流量低下時における空気供給流路切替バルブの状態を示す模式図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図８】（ａ）は本発明の第５実施形態に係る通常時における空気供給流路切替バルブの状態を示す模式図で、（ｂ）は空気流量低下時における空気供給流路切替バルブの状態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０…燃料電池、１００…セル、２０ａ…空気供給流路、２３ａ、２３ｂ…空気入口、２４ａ、２４ｂ…空気出口、２５…空気供給流路切替手段、２５１、２５２…空気排出口、２５５、２６５…弁体、２６…空気排出流路切替手段、２６０、２６１…排気導入口。
【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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