(57)【要約】【課題】  出力電圧を安定させつつ増大することが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池１は、積層されている複数のセル２５、水素用マニホールド２６１、及び、水素供給管２１，２２，２３を備える。セル２５は、水素と酸素との反応によって電気エネルギを発生可能に形成されている。水素用マニホールド２６１は、複数のセル２５のそれぞれが有する水素が流れる水素流路に連通し、水素を流通可能である。水素供給管２１，２２，２３は、水素用マニホールド２６１に収容されている。水素供給管２１，２２，２３は、複数のセル２５の積層方向Ｌｄ０の一端側から積層方向Ｌｄ０に沿って延びるよう形成され、セル２５に水素を供給可能である。水素供給管２３は、複数のセル２５の積層方向の他端側に位置するセル２５７に水素を供給可能である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって電気エネルギを発生可能に形成され、一方向に沿って積層されている複数のセル（２５）と、
複数の前記セルのそれぞれが有する燃料ガス流路（２６０）に連通し、燃料ガスを流通可能な燃料ガス用マニホールド（２６１）と、
前記燃料ガス用マニホールドに収容され、複数の前記セルの前記一方向の一端側から前記一方向に沿って延びるよう形成され、前記セルに燃料ガスを供給可能な複数の燃料ガス供給管（１０１，１０２，２１，２２，２３，３６，３７，３８，４２）と、
を備え、
複数の前記燃料ガス供給管の第一燃料ガス供給管（２３，３８，１０２）は、複数の前記セルの前記一方向の他端側に位置する他端側セル（２５７）に燃料ガスを供給可能に設けられる燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガス供給管は、燃料ガスを複数の前記セルのそれぞれに向けて噴射可能な複数の噴射孔（２１０，２２０，２３０，３６０，３７０，３８０，４２３，４２６，１０３，１０４）を有する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
複数の前記噴射孔は、内径が複数の前記セルの前記一方向の一端側から離れるにしたがって大きくなるよう形成されている請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
複数の前記燃料ガス供給管の第二燃料ガス供給管（３６）は、複数の前記セルの前記一方向の一端側に位置する一端側セル（２５５）に燃料ガスを供給可能に設けられ、
前記第一燃料ガス供給管が有する前記噴射孔の数または前記第二燃料ガス供給管が有する前記噴射孔の数は、複数の前記燃料ガス供給管の前記第一燃料ガス供給管及び前記第二燃料ガス供給管を除く他の燃料ガス供給管（３７）が有する前記噴射孔の数に比べ少ない請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料ガス供給管は、前記噴射孔の径方向外側となる前記噴射孔としての外側噴射孔（４２３）を有する外側管（４２１）、及び、前記外側管の径方向内側において前記外側管の中心軸（Ｃ４２）と同軸上で前記外側管に対して相対回転可能に設けられ前記外側噴射孔と連通可能な前記噴射孔としての内側噴射孔（４２６）を有する内側管（４２２）を有する請求項２〜４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスの濃度を検出可能な燃料ガス濃度検出部（３６１，３６２，３７１，３７２，３８１，３８２）をさらに備える請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
燃料ガスタンクが供給する燃料ガスの圧力を調整可能な圧力調整部（１１４）と、
前記圧力調整部と複数の前記燃料ガス供給管との間に設けられ、燃料ガスの圧力に応じて燃料ガスの供給先を切替可能な切替弁（６０，７０，８０，９０）と、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池と、
前記圧力調整部によって圧力が制御された燃料ガスの物理量を検出可能に設けられ、当該物理量に応じた信号を出力可能な物理量検出部（６９１，６９２）と、
前記圧力調整部及び前記物理量検出部と電気的に接続し、前記物理量検出部が出力する信号に基づいて前記圧力調整部の作動を制御する制御部（１５）と、
を備える燃料電池システム。
【請求項８】
前記物理量検出部は、前記燃料ガス用マニホールドにおける燃料ガスの濃度を検出可能であって、
前記制御部は、前記物理量検出部が検出する燃料ガスの濃度が閾値以下になる場合、燃料ガスの圧力を増大するよう前記圧力調整部の作動を制御し、
前記切替弁は、燃料ガスの供給先を前記第一燃料ガス供給管に切り替える請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記切替弁は、
複数の前記燃料ガス供給管の前記第一燃料ガス供給管以外の燃料ガス供給管に連通可能な第一導出口（６１２，７１１，８１１，９２６）、及び、前記第一燃料ガス供給管に連通可能な第二導出口（６１３，７１２，９２２，９１２）を有するハウジング（６１，６２，７１，７２，８１，８２，９１，９２）と、
前記ハウジング内（６００，７００，８００，９００）に往復移動可能に設けられ、前記ハウジング内を前記第一導出口に連通可能な第一空間（６０１，７０１，８０１，９０１）と前記第二導出口に連通可能な第二空間（６０３，７０２，８０２，９０２）とに区画可能に形成され、前記第一空間と前記第二空間とを連通するオリフィス（６３６，７３４，８３７，９３４）を有し、前記第一導出口の前記ハウジング内側の縁部（６１６，７１５，８１６，９２５）に当接可能な弁部材（６３，７３，８３，９３）と、
を有する請求項７または８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記弁部材は、燃料ガスの圧力が作用する第一受圧面（６４０）及び燃料ガスの圧力が作用する面積が前記第一受圧面の燃料ガスの圧力が作用する面積に比べ大きい第二受圧面（６３８）を有し、
前記第一受圧面に燃料ガスの圧力が作用した後、前記第二受圧面に燃料ガスの圧力が作用する請求項９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、燃料電池、及び、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって電気エネルギを発生する燃料電池が知られている。燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって電気エネルギを発生することが可能な複数のセルを積層し、当該燃料電池の出力電圧を増大させている。このとき、積層している複数のセルのそれぞれに当該セルの発電性能を十分に発揮できるよう十分な量の燃料ガスを供給することが要求される。例えば、特許文献１には、複数のセル、及び、積層している複数のセルを積層方向に貫通するよう形成されている燃料ガス用マニホールドに設けられる燃料ガス供給管を備える燃料電池が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３２７４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の燃料電池では、燃料ガス供給管は、複数のセルのそれぞれに燃料ガスを噴射可能な複数の噴射孔を有している。燃料ガスが燃料ガス供給管の一端側から燃料ガス供給管に供給される場合、燃料ガス供給管の他端側の噴射孔から噴射される燃料ガスの圧力は、燃料ガス供給管の一端側の噴射孔から噴射される燃料ガスの圧力に比べ低くなる。このため、燃料ガス供給管の他端側に位置するセルには、十分な量の燃料ガスを供給することができない。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力電圧を安定させつつ増大することが可能な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池であって、複数のセル（２５）、燃料ガス用マニホールド（２６１）、及び、複数の燃料ガス供給管（１０１，１０２，２１，２２，２３，３６，３７，３８，４２）を備える。
セルは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって電気エネルギを発生可能に形成され、一方向に沿って積層されている。
燃料ガス用マニホールドは、複数のセルのそれぞれが有する燃料ガス流路（２６０）に連通し、燃料ガスを流通可能である。
燃料ガス供給管は、燃料ガス用マニホールドに収容されている。燃料ガス供給管は、複数のセルの一方向の一端側から一方向に沿って延びるよう形成され、セルに燃料ガスを供給可能である。
本発明の燃料電池では、複数の燃料ガス供給管の第一燃料ガス供給管（２３，３８，１０２）は、複数のセルの一方向の他端側に位置する他端側セル（２５７）に燃料ガスを供給可能に設けられる。
【０００７】
本発明の燃料電池は、複数のセルのそれぞれが有する燃料ガス流路に連通する燃料ガス用マニホールドに収容されている複数の燃料ガス供給管を備える。当該複数の燃料ガス供給管のうち第一燃料ガス供給管は、燃料ガスが供給される一方向の一端側とは反対側である他端側に位置する他端側セルに燃料ガスを供給可能に設けられる。これにより、他端側セルに当該セルの発電性能を十分に発揮できるよう十分な量の燃料ガスを供給することができるため、積層されている複数のセルのそれぞれにおいて電気エネルギを安定して発生することができるとともに、複数のセルのそれぞれが有する発電性能を十分に発揮することができる。したがって、本発明の燃料電池は、出力電圧を安定させつつ増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第一実施形態による燃料電池システムの概念図である。
【図２】第一実施形態による燃料電池の模式図である。
【図３】図２のＩＩＩ線断面図である。
【図４】第一実施形態による燃料電池の水素利用率とスタック電圧との関係を示す特性図である。
【図５】第一実施形態による燃料電池のセル積層位置と出力電圧との関係を示す特性図である。
【図６】第二実施形態による燃料電池の模式図である。
【図７】第三実施形態による燃料電池の模式図である。
【図８】第四実施形態による燃料電池が備える燃料ガス供給管の断面図である。
【図９】第五実施形態による燃料電池システムの概念図である。
【図１０】第五実施形態による燃料電池システムが備える切替弁の模式図である。
【図１１】第五実施形態による燃料電池システムにおける水素の供給先の切替方法のフローチャートである。
【図１２】第五実施形態による燃料電池システムが備える切替弁の作用を説明する模式図である。
【図１３】第五実施形態による燃料電池システムが備える切替弁の作用を説明する模式図であって、図１２とは異なる作用を説明する模式図である。
【図１４】第五実施形態による燃料電池システムの作用を説明する模式図である。
【図１５】第六実施形態による燃料電池システムが備える切替弁の模式図である。
【図１６】第七実施形態による燃料電池システムが備える切替弁の模式図である。
【図１７】第八実施形態による燃料電池システムが備える切替弁の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明のトルクセンサの実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００１０】
（第一実施形態）
第一実施形態による燃料電池は、例えば、燃料電池が発生する電気エネルギによってモータを駆動し走行する電気自動車に適用される。図１に、燃料電池１を備える燃料電池システム５の概念図を示す。燃料電池システム５は、燃料電池１、燃料ガス流通系１１、酸化剤ガス流通系１２、冷却系１３、及び、ＥＣＵ１５を備える。燃料電池システム５は、「燃料ガス」としての水素と「酸化剤ガス」としての酸素との電気化学反応を利用して電気エネルギを発生する。
【００１１】
燃料電池１は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１には、水素、酸素を含む空気、及び、冷却水が供給されている。燃料電池１の詳細な構成は、後述する。
【００１２】
燃料ガス流通系１１は、水素タンク１１０、水素タンク管１１１、水素排出管１１２、第一封鎖弁１１３、「圧力調整部」としての調圧弁１１４、第二封鎖弁１１５、及び、第三封鎖弁１１６を有する。
水素タンク１１０は、燃料電池１に供給される水素を貯留可能である。水素タンク１１０には、高圧の水素が充填可能である。
【００１３】
水素タンク管１１１は、水素タンク１１０に接続している。水素タンク管１１１は、水素タンク１１０に接続している側とは反対側が燃料電池１が有する水素供給管２１，２２，２３に接続している。すなわち、水素タンク管１１１は、水素タンク１１０に接続している側とは反対側の端部が三本に分岐している。
【００１４】
水素排出管１１２は、燃料電池１が有する水素用マニホールド２６２（図３参照）に接続している。水素排出管１１２には、燃料電池１が排出する水素が流れる。
【００１５】
第一封鎖弁１１３、調圧弁１１４、及び、第二封鎖弁１１５は、水素タンク１１０からこの順で水素タンク管１１１に設けられている。第一封鎖弁１１３、調圧弁１１４、及び、第二封鎖弁１１５は、ＥＣＵ１５と電気的に接続している。調圧弁１１４は、いわゆるインジェクタであって、水素タンク１１０が供給する水素の圧力を調整する。
燃料電池１に水素を供給するとき、第一封鎖弁１１３及び第二封鎖弁１１５は、ＥＣＵ１５の指令に応じて開かれる。このとき、調圧弁１１４は、ＥＣＵ１５の指令に応じて水素タンク１１０が供給する水素の圧力が所望の圧力となるよう調整する。また、車両を停止するとき、第一封鎖弁１１３及び第二封鎖弁１１５は、安全のため閉じられる。
【００１６】
第三封鎖弁１１６は、水素排出管１１２に設けられる。第三封鎖弁１１６は、ＥＣＵ１５と電気的に接続している。ＥＣＵ１５の指令に応じて第三封鎖弁１１６が開くと、燃料電池１から排出される未反応水素、蒸気あるいは水、未反応水素に混在する窒素、酸素などの不純物が排出される。
【００１７】
酸化剤ガス流通系１２は、大気と連通するよう形成されている。酸化剤ガス流通系１２は、空気圧縮部１２０、空気供給管１２１、空気排出管１２２、調圧弁１２３、及び、水分凝縮部１２４を有する。
空気圧縮部１２０は、空気供給管１２１に設けられている。空気圧縮部１２０は、大気を圧縮しつつ燃料電池１に供給する。
【００１８】
空気供給管１２１は、燃料電池１が有する空気用マニホールド２７１，２７２，２７３（図３参照）に接続している。空気供給管１２１は、燃料電池１に供給される空気が流れる。
【００１９】
空気排出管１２２は、燃料電池１が有する空気用マニホールド２７４，２７５，２７６（図３参照）に接続している。空気排出管１２２は、燃料電池１から排出する空気が流れる。
【００２０】
調圧弁１２３は、空気排出管１２２に設けられている。調圧弁１２３は、燃料電池１に供給される空気の圧力が所望の圧力となるよう燃料電池１が排出する空気の圧力を調圧する。
水分凝縮部１２４は、空気排出管１２２を流れる空気に含まれる水分を凝縮し回収する。回収された水分は、図示しないポンプによって燃料電池１に供給される。
【００２１】
冷却系１３は、冷却管１３１、ウォータポンプ１３２、ラジエータ１３３、ファン１３４、バイパス管１３５、及び、流路切替弁１３６を有する。冷却系１３は、発電効率を確保しつつ燃料電池１が有する電解質膜の損傷を防止するため、例えば、許容温度以下であって８０℃程度となるよう、燃料電池１の温度を維持する。
冷却管１３１は、燃料電池１が有する冷却水用マニホールド２８１，２８２，２８３，２８４，２８５，２８６（図３参照）に接続している。冷却管１３１は、燃料電池１を冷却する冷却水を流す。
【００２２】
ウォータポンプ１３２は、冷却管１３１において冷却水を循環させる。
ラジエータ１３３は、冷却管１３１を流れる冷却水を冷却する。ファン１３４は、ＥＣＵ１５と電気的に接続し、ＥＣＵ１５の指令に応じて回転することによってラジエータ１３３での冷却水の冷却の度合いを調整する。
【００２３】
バイパス管１３５は、冷却管１３１を流れる冷却水の一部がラジエータ１３３を通過しないようバイパスさせる。冷却管１３１とバイパス管１３５との合流点には、バイパス管１３５に流れる冷却水の流量を調整可能な流路切替弁１３６が設けられている。
【００２４】
ＥＣＵ１５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成されている。ＥＣＵ１５は、第一封鎖弁１１３、調圧弁１１４、第二封鎖弁１１５、第三封鎖弁１１６、調圧弁１２３、ファン１３４、及び、流路切替弁１３６と電気的に接続している。ＥＣＵ１５は、燃料電池システム５を搭載する電気自動車の走行状態及び当該電気自動車を運転する運転者の操作に応じてＲＯＭなどに記憶されたプログラムにしたがって各種演算などの処理を実行する。
【００２５】
次に、燃料電池１の構成について、図２，３に基づいて説明する。図２には、燃料電池１の外観図を示す。燃料電池１は、セル２５、二つの電極３１，３２、及び、「燃料ガス供給管」としての水素供給管２１，２２，２３を備える。
【００２６】
セル２５は、電解質膜、及び、当該電解質膜の両側面に設けられる電極を有するＭＥＡ、並びに、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータを有する。セル２５は、水素と空気とを隔離しつつ流通可能に形成されている。セル２５は、水素と空気に含まれる酸素との反応によって、一対のセパレータが有するアノードとカソードとの間に電位差、すなわち、電気エネルギを発生可能である。
燃料電池１では、複数のセル２５を有する。複数のセル２５は、「一方向」としての積層方向（図２に示す実線矢印Ｌｄ０が示す方向）に沿って積層され、いわゆる、セルスタックを構成している。複数のセル２５のそれぞれが有するアノード及びカソードは、それぞれ電気的に直列に接続されている。
【００２７】
燃料電池１は、積層方向に沿って形成される「燃料ガス用マニホールド」としての水素用マニホールド２６１，２６２、「酸化剤ガス用マニホールド」としての空気用マニホールド２７１，２７２，２７３，２７４，２７５，２７６、及び、冷却水用マニホールド２８１，２８２，２８３，２８４，２８５，２８６を有する。水素用マニホールド２６１，２６２、空気用マニホールド２７１，２７２，２７３，２７４，２７５，２７６、及び、冷却水用マニホールド２８１，２８２，２８３，２８４，２８５，２８６は、積層されている複数のセル２５を貫通するよう形成されている。
【００２８】
水素用マニホールド２６１，２６２は、図３に示すように、複数のセル２５のそれぞれが有するセパレータ２５０に形成されている水素を流通可能な「燃料ガス流路」としての水素流路２６０に連通するよう形成されている。水素用マニホールド２６１は、図３に示すように、略矩形状のセル２５において、複数のセル２５の側面２５１に沿うよう形成されている。水素用マニホールド２６２は、複数のセル２５の側面２５１に略平行な側面２５２に沿うよう形成されている。水素用マニホールド２６１と水素用マニホールド２６２とは、図３に示すように、セル２５の略中心Ｃ２５上の点に対して点対称な位置に設けられている。水素用マニホールド２６１と水素用マニホールド２６２とは、水素流路２６０を介して連通している。
【００２９】
空気用マニホールド２７１，２７２，２７３，２７４，２７５，２７６は、複数のセル２５のそれぞれが有するセパレータ２５０とは異なる図示しないセパレータに形成されている空気を流通可能な空気流路に連通するよう形成されている。空気用マニホールド２７１，２７２，２７３は、略矩形状のセル２５において、図３に示すように、複数のセル２５の側面２５１，２５２に対して略垂直な位置にある側面２５３に沿うよう形成されている。空気用マニホールド２７４，２７５，２７６は、複数のセル２５の側面２５３に略平行な側面２５４に沿うよう形成されている。空気用マニホールド２７１，２７２，２７３と空気用マニホールド２７４，２７５，２７６とは、セパレータの空気流路を介して連通している。
【００３０】
冷却水用マニホールド２８１，２８２，２８３，２８４，２８５，２８６は、セル２５を流れる冷却水を流通可能に形成されている。冷却水用マニホールド２８１，２８２，２８３は、略矩形状のセル２５において、図３に示すように、複数のセル２５の側面２５１に沿って水素用マニホールド２６１に隣り合うよう形成されている。冷却水用マニホールド２８４，２８５，２８６は、複数のセル２５の側面２５２に沿って水素用マニホールド２６２に隣り合うよう形成されている。
【００３１】
電極３１，３２は、積層されている複数のセル２５の積層方向の両端にそれぞれ設けられている。電極３１，３２は、複数のセル２５が発生する電気エネルギを外部に出力する。
【００３２】
水素供給管２１，２２，２３は、水素用マニホールド２６１に挿入されている。水素供給管２１，２２，２３は、積層方向の一端側から一方向に沿って延びるよう形成されている。
水素供給管２１，２２，２３のそれぞれは、水素を噴射可能な噴射孔２１０，２２０，２３０を有する。噴射孔２１０，２２０，２３０は、複数のセル２５のそれぞれの位置に対応するよう形成されている。具体的には、噴射孔２１０，２２０，２３０は、噴射孔２１０，２２０，２３０における水素の噴射方向の先にセル２５が位置するよう形成されている。
噴射孔２１０，２２０，２３０は、図２に示すように、内径が積層方向の一端側から離れるにしたがって大きくなるよう形成されている。本実施形態では、水素供給管２１，２２，２３のそれぞれは、噴射孔２１０，２２０，２３０のそれぞれが形成される長さがほぼ同じ長さになるよう形成されている。
【００３３】
水素供給管２１は、複数のセル２５において積層方向の一端側、例えば、図２に示す「一端側セル」としてのセル２５５に水素タンク管１１１を流れる水素を供給可能に形成されている。
水素供給管２２は、積層方向において複数のセル２５の略中央、例えば、図２に示すセル２５６に水素タンク管１１１を流れる水素を供給可能に形成されている。
「第一燃料ガス供給管」としての水素供給管２３は、複数のセル２５において積層方向の他端側、例えば、図２に示す「他端側セル」としてのセル２５７に水素タンク管１１１を流れる水素を供給可能に形成されている。
【００３４】
次に、本実施形態による燃料電池１の効果について、発明者らによる実験結果を示す図４，５に基づいて説明する。
【００３５】
図４は、燃料電池１における水素利用率の変化に対するスタック電圧の大きさの変化を示す。図４では、横軸に、複数のセル２５における水素利用率を示し、縦軸に、スタック電圧の大きさを示す。図４には、比較例として、水素供給管を備えておらず、水素用マニホールドのみで水素を複数のセルに供給する燃料電池における水素利用率に対するスタック電圧の大きさを点線Ｌｃ１で示す。
図４に示すように、比較例の燃料電池では、水素利用率が低下するとスタック電圧が比較的大きく低下することが明らかとなった。一方、燃料電池１では、図４の実線Ｌ１１に示すように、水素利用率が低下するときのスタック電圧の低下の度合いは比較例に比べ小さいことが明らかとなった。
【００３６】
図５には、燃料電池１におけるセル２５の積層位置に対する当該セル２５の出力電圧の大きさを示す。図５では、横軸に、セル２５の積層位置を示す。横軸では、水素が供給される側である積層方向の一端側は、紙面左側に位置し、水素が供給される側とは反対側である積層方向の他端側は、紙面右側に位置する。また、図５では、縦軸に、一つのセル２５の出力電圧の大きさを示す。図５には、図４で示した比較例の燃料電池におけるセルの積層位置に対する出力電圧の大きさを点線Ｌｃ２で示す。
図５に示すように、比較例の燃料電池では、一端側から離れるにしたがってセルの出力電圧は比較的大きく低下することが明らかとなった。一方、燃料電池１では、図５の実線Ｌ１２に示すように、一端側から離れてもセル２５の出力電圧の低下は比較的小さく、電圧分布が比較的均一となることが明らかとなった。
【００３７】
（ａ）第一実施形態による燃料電池１は、複数のセル２５のそれぞれに水素を供給可能な複数の水素供給管２１，２２，２３を備える。複数の水素供給管２１，２２，２３のうち水素供給管２３は、複数のセル２５における積層方向の他端側、例えば、図２に示すセル２５７に水素を供給可能に設けられている。これにより、水素が比較的行き渡りにくいセル２５７に十分な量の水素を供給することができるため、積層されている複数のセル２５のそれぞれにおいて電気エネルギを安定して発生することができるとともに、複数のセル２５のそれぞれが有する発電性能を十分に発揮することができる。したがって、燃料電池１は、出力電圧を安定させつつ増大することができる。
【００３８】
（ｂ）水素供給管２１，２２，２３のそれぞれが有する噴射孔２１０，２２０，２３０は、複数のセル２５のそれぞれの位置に対応するよう形成されている。これにより、噴射孔２１０，２２０，２３０から噴射される水素は、複数のセル２５のそれぞれに確実に供給される。また、噴射孔２１０，２２０，２３０から噴射される水素の流速や圧力脈動によって、セル２５が有する水素流路２６０内の水を排出することができる。したがって、出力電圧をさらに安定させることができる。
【００３９】
（ｃ）燃料電池１では、水素供給管２１，２２，２３のそれぞれが有する噴射孔２１０，２２０，２３０は、内径が積層方向の一端側から離れるにしたがって大きくなるよう形成されている。これにより、積層方向の一端側から離れるにしたがって水素供給管２１，２２，２３内の水素の圧力が低下しても、積層方向の他端側において十分な量の水素を対応するセル２５に供給することができる。したがって、燃料電池１は、出力電圧をさらに安定させつつ、かつ、出力電圧をさらに増大することができる。
【００４０】
（第二実施形態）
第二実施形態による燃料電池を図６に基づき説明する。第二実施形態では、水素濃度センサを備える点が第一実施形態と異なる。
【００４１】
第二実施形態による燃料電池２の構成を図６に基づいて説明する。燃料電池２は、セル２５、二つの電極３１，３２、水素供給管２１，２２，２３，及び、「燃料ガス濃度検出部」としての水素濃度センサ３６１，３６２，３７１，３７２，３８１，３８２を備える。
【００４２】
水素濃度センサ３６１，３７１，３８１は、水素用マニホールド２６１に設けられている。水素濃度センサ３６１，３７１，３８１は、ＥＣＵ１５と電気的に接続している。水素濃度センサ３６１は、水素供給管２１の積層方向の他端側の近傍に設けられている。水素濃度センサ３７１は、水素供給管２２の積層方向の他端側の近傍に設けられている。水素濃度センサ３８１は、水素供給管２３の積層方向の他端側の近傍に設けられている。
水素濃度センサ３６１，３７１，３８１は、水素用マニホールド２６１における水素濃度を検出し、ＥＣＵ１５に検出した水素濃度に応じた信号を出力する。
【００４３】
水素濃度センサ３６２，３７２，３８２は、水素用マニホールド２６２に設けられている。水素濃度センサ３６２，３７２，３８２は、ＥＣＵ１５と電気的に接続している。水素濃度センサ３６２は、水素供給管２１が供給する水素が流れるセル２５において水素が排出される出口近傍に設けられている。水素濃度センサ３７１は、水素供給管２２が供給する水素が流れるセル２５において水素が排出される出口近傍に設けられている。水素濃度センサ３８１は、水素供給管２３が供給する水素が流れるセル２５において水素が排出される出口近傍に設けられている。
水素濃度センサ３６２，３７２，３８２は、水素用マニホールド２６２における水素濃度を検出し、ＥＣＵ１５に検出した水素濃度に応じた信号を出力する。
【００４４】
第二実施形態による燃料電池２は、水素用マニホールド２６１，２６２における水素濃度を検出可能な水素濃度センサ３６１，３６２，３７１，３７２，３８１，３８２を備える。ＥＣＵ１５は、水素濃度センサ３６１，３６２，３７１，３７２，３８１，３８２が検出した水素濃度に基づいて複数のセル２５を流れる水素濃度のばらつきが抑制されるよう調圧弁１１４の作動を制御する。これにより、例えば、水素供給管２１，２２，２３の噴射孔２１０，２２０，２３０の製作誤差による内径がばらついても複数のセル２５を流れる水素濃度のばらつきを抑制することができる。これにより、燃料電池２は、複数のセル２５に供給される水素の量を発電に最適な量とすることができる。したがって、第二実施形態は、第一実施形態と同じ効果を奏するとともに、出力電圧をさらに安定させつつ、かつ、出力電圧をさらに増大することができる。
【００４５】
また、空気に含まれる気体がセパレータ２５０の水素流路２６０側に透過してくると水素に混入する不純物として水素濃度にばらつきが発生する場合がある。燃料電池２では、水素濃度センサ３６２，３７２，３８２によって、セル２５において水素が排出される出口近傍の水素濃度を検出し、ＥＣＵ１５に出力する。これにより、水素濃度のばらつきをさらに抑制することができる。
【００４６】
（第三実施形態）
第三実施形態による燃料電池を図７に基づき説明する。第三実施形態では、水素供給管において噴射孔が形成される領域が第一実施形態と異なる。
【００４７】
第三実施形態による燃料電池３の構成を図７に基づいて説明する。燃料電池３は、セル２５、二つの電極３１，３２、及び、「燃料ガス供給管」としての水素供給管３６，３７，３８を備える。
【００４８】
水素供給管３６，３７，３８は、水素用マニホールド２６１に挿入されている。水素供給管３６，３７，３８は、水素タンク管１１１に接続している。すなわち、水素タンク管１１１を流れる水素は、水素供給管３６，３７，３８に分岐する。水素供給管３６，３７，３８は、積層方向の一端側から積層方向に沿って延びるよう形成されている。水素供給管３６，３７，３８は、複数のセル２５に水素を供給可能である。
【００４９】
水素供給管３６，３７，３８のそれぞれは、水素を噴射可能な噴射孔３６０，３７０，３８０を有する。噴射孔３６０，３７０，３８０は、複数のセル２５のそれぞれの位置に対応するよう形成されている。具体的には、噴射孔３６０，３７０，３８０は、噴射孔３６０，３７０，３８０における水素の噴射方向の先にセル２５が位置するよう形成されている。噴射孔３６０，３７０，３８０は、図７に示すように、内径が積層方向の一端側から離れるにしたがって大きくなるよう形成されている。
【００５０】
本実施形態では、水素供給管３６，３７，３８のそれぞれにおいて噴射孔３６０，３７０，３８０が形成される長さが異なっている。本実施形態では、水素供給管３７の噴射孔３７０が形成されている領域Ａ３７は、水素供給管３６，３８の噴射孔３６０，３８０が形成されている領域Ａ３６，Ａ３８に比べ狭い。これにより、水素供給管３６，３８の噴射孔３６０，３８０の数は、水素供給管３７の噴射孔３７０の数に比べ少ない。
【００５１】
「第二燃料ガス供給管」としての水素供給管３６は、セル２５５を含む積層方向の一端側に水素を供給可能に形成されている。
「他の燃料ガス供給管」としての水素供給管３７は、積層方向において複数の略中央のセル２５、例えば、図７に示すセル２５６に水素を供給可能に形成されている。
「第一燃料ガス供給管」としての水素供給管３８は、セル２５７を含む積層方向の他端側に水素を供給可能に形成されている。
【００５２】
燃料電池では、構造上、積層されている複数のセルの両端の放熱が大きいため、複数のセルの積層方向の両端のセルは、温度が低下しやすい。このため、セルが有する燃料ガスや酸化剤ガスが流れる流路に水が滞留する場合がある。
燃料電池３では、噴射孔３６０，３８０の数が比較的少ない水素供給管３６，３８が積層方向の両端に水素を供給可能に設けられている。これにより、水素供給管３６，３８の噴射孔３６０，３８０を通る水素の量が比較的多くなるため、温度の低下によって水素流路２６０に対流している水を水素の流れによって排出することができる。したがって、第三実施形態は、第一実施形態と同じ効果を奏するとともに、水素流路２６０に滞留する水によって低下するおそれがあるセル２５の出力電圧を回復させることができる。
【００５３】
（第四実施形態）
第四実施形態による燃料電池を図８に基づき説明する。第四実施形態では、水素供給管の構成が第一実施形態と異なる。
【００５４】
第四実施形態による燃料電池の構成を図８に基づいて説明する。第四実施形態による燃料電池は、セル２５、二つの電極３１，３２、水素供給管２１，４２，２３、及び、駆動部４４を備える。水素供給管４２は、特許請求の範囲に記載の「燃料ガス供給管」に相当する。
【００５５】
水素供給管４２は、水素用マニホールド２６１に挿入されている。水素供給管４２は、水素タンク管１１１に接続している。すなわち、水素タンク管１１１を流れる水素は、水素供給管２１，４２，２３に分岐する。水素供給管４２は、積層方向の一端側から積層方向に沿って延びるよう形成されている。水素供給管４２は、積層方向において略中央のセル２５に水素を供給可能である。
【００５６】
水素供給管４２は、図８に示すように、外側管４２１及び内側管４２２を有する。
外側管４２１は、筒状に形成されている水素供給管４２の外郭であって、図８に示すように、水素が流れる方向に沿う外側管４２１の中心軸Ｃ４２に対して垂直な断面形状が略環状に形成されている。外側管４２１は、側壁に外側噴射孔４２３を有する。外側噴射孔４２３は、内径が積層方向の一端側から離れるにしたがって大きくなるよう形成されている。
【００５７】
内側管４２２は、外側管４２１の径方向内側において中心軸Ｃ４２と同軸上で外側管４２１に対して相対回転可能に設けられている。内側管４２２は、中心軸Ｃ４２に対して垂直な断面形状が略環状であって、外壁４２４が外側管４２１の内壁４２５に摺動可能に形成されている。内側管４２２は、中心軸Ｃ４２に沿う方向に延びるよう形成されている水素供給路４２０、及び、水素供給路４２０と外側噴射孔４２３とを連通可能な内側噴射孔４２６を有する。
【００５８】
駆動部４４は、内側管４２２と連結している。駆動部４４は、内側管４２２を外側管４２１に対して相対回転可能な回転トルクを出力する。駆動部４４は、電気的に接続しているＥＣＵ１５の指令に応じて回転トルクを出力する。
【００５９】
第四実施形態による燃料電池では、水素供給管４２によってセル２５に水素を供給するとき、外側管４２１に対して内側管４２２を回転し、図８（ａ）に示すように、内側噴射孔４２６と外側噴射孔４２３とを連通させる。これにより、水素供給路４２０を流れる水素は、内側噴射孔４２６及び外側噴射孔４２３を通って対応するセル２５に供給される。
また、セル２５への水素の供給量を０とするとき、外側管４２１に対して内側管４２２を回転し、図８（ｂ）に示すように、外側噴射孔４２３に対して内側噴射孔４２６をずらした位置にする。これにより、水素供給路４２０と外側噴射孔４２３とは遮断されるため、セル２５への水素の供給が停止する。
【００６０】
このように、第四実施形態による燃料電池では、外側管４２１に対する内側管４２２の相対回転によって、水素供給路４２０とセル２５とを連通または遮断することができる。これにより、水素供給管４２において水素の供給量を制御することができる。したがって、第四実施形態は、第一実施形態と同じ効果を奏するとともに、セル２５への水素の供給量を高精度に制御することができる。
【００６１】
（第五実施形態）
第五実施形態による燃料電池システムを図９〜１４に基づき説明する。第五実施形態では、切替弁を備える点が第一実施形態と異なる。
【００６２】
図９に、燃料電池１０を備える燃料電池システム６の概念図を示す。燃料電池システム６は、燃料電池１０、燃料ガス流通系１１、切替弁６０、「物理量検出部」としての圧力検出部６９１、「物理量検出部」としての水素濃度センサ６９２、酸化剤ガス流通系１２、冷却系１３、及び、ＥＣＵ１５を備える。燃料電池システム６は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電気エネルギを発生する。
【００６３】
燃料電池１０は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１０には、水素、酸素を含む空気、及び、冷却水が供給されている。燃料電池１０は、セル２５、二つの電極３１，３２、及び、「燃料ガス供給管」としての水素供給管１０１，１０２を備える。
【００６４】
水素供給管１０１，１０２は、水素用マニホールド２６１に挿入されている。水素供給管１０１，１０２は、切替弁６０に接続している。水素タンク管１１１を流れる水素は、切替弁６０において水素供給管１０１，１０２に分岐する。
水素供給管１０１は、積層方向の一端側から積層方向に沿って延びるよう形成されている。水素供給管１０１は、水素を噴射可能な噴射孔１０３を有する。噴射孔１０３は、燃料電池１０が備える全てのセル２５のそれぞれの位置に対応するよう形成されている。
水素供給管１０２は、積層方向の一端側から積層方向に沿って延びるよう形成されている。水素供給管１０２は、水素が噴射可能な噴射孔１０４を有する。噴射孔１０４は、積層方向の他端側のセル２５、例えば、図９に示すセル２５７の位置に対応するよう形成されている。
【００６５】
切替弁６０は、調圧弁１１４と燃料電池１０との間の水素タンク管１１１に設けられている。切替弁６０は、水素タンク管１１１を流れる水素の供給圧力に応じて水素の供給先を水素供給管１０１または水素供給管１０２に切り替える。切替弁６０は、図１０に示すように、第一ハウジング６１、第二ハウジング６２、弁部材６３、及び、付勢部材６４を有する。
【００６６】
第一ハウジング６１は、略有底筒状に形成されている。第一ハウジング６１は、導入口６１１、第一導出口６１２、及び、第二導出口６１３を有する。
導入口６１１は、第一ハウジング６１の径方向外側の側壁６１４に形成されている。導入口６１１は、調圧弁１１４が圧力を調整した水素が第一ハウジング６１の「ハウジング内」としての内部空間６００に導入可能である。
第一導出口６１２は、第一ハウジング６１の底部６１５に形成されている。第一導出口６１２は、水素供給管１０１に接続している。第一導出口６１２は、内部空間６００の水素を水素供給管１０１に導出可能である。
第二導出口６１３は、第一ハウジング６１の側壁６１４であって、切替弁６０の中心軸Ｃ６０を挟んで導入口６１１とは反対側に形成されている。第二導出口６１３は、水素供給管１０２に接続している。第二導出口６１３は、内部空間６００の水素を水素供給管１０２に導出可能である。
【００６７】
第二ハウジング６２は、第一ハウジング６１の開口を塞ぐよう形成されている略平板状の部材である。
【００６８】
弁部材６３は、内部空間６００に往復移動可能に設けられている。弁部材６３は、当接部６３１、第一連通部６３２、軸部６３３、及び、第二連通部６３４を有する。
当接部６３１は、内部空間６００において第一導出口６１２側に設けられている。当接部６３１は、第一導出口６１２の内部空間６００側の縁部６１６に当接可能に形成されている。
【００６９】
第一連通部６３２は、当接部６３１の第二ハウジング６２側に設けられている。第一連通部６３２は、径方向外側の外壁面６３５が第一ハウジング６１の側壁６１４の内壁面６１７に摺動可能に形成されている。これにより、第一連通部６３２は、内部空間６００を第一導出口６１２側の「第一空間」としての空間６０１と導入口６１１に連通する空間６０２とに区画する。第一連通部６３２は、空間６０１と空間６０２とを連通するオリフィス６３６を有する。
【００７０】
軸部６３３は、第一連通部６３２の第二ハウジング６２側に設けられている。軸部６３３は、外径が第一連通部６３２の外径及び第二連通部６３４の外径に比べ小さくなるよう形成されている。軸部６３３は、導入口６１１と連通する開口６３７を有する。
【００７１】
第二連通部６３４は、軸部６３３の第二ハウジング６２側に設けられている。第二連通部６３４は、第二ハウジング６２側の「第二受圧面」としての端面６３８が第二ハウジング６２の内部空間６００側の端面６２１に当接可能に形成されている。第二連通部６３４は、径方向外側の外壁面６３９が第一ハウジング６１の側壁６１４の内壁面６１７に摺動可能に形成されている。これにより、第二連通部６３４は、内部空間６００を空間６０２と第二導出口６１３に連通可能な「第二空間」としての空間６０３（図１２参照）とに区画する。
【００７２】
第二連通部６３４は、端面６３８に開口６４１を有する。開口６４１と軸部６３３の開口６３７とは連通路６４２によって連通している。これにより、連通路６４２は、空間６０２と空間６０３とを連通可能である。
【００７３】
付勢部材６４は、空間６０１に設けられている。付勢部材６４の一端は、第一ハウジング６１の底部６１５の内壁面に当接している。付勢部材６４の他端は、第一連通部６３２の底部６１５側の端面６４３に当接している。付勢部材６４は、当接部６３１と第一ハウジング６１の縁部６１６とが離間し、かつ、第二連通部６３４の端面６３８と第二ハウジング６２の端面６２１とが当接するよう弁部材６３を付勢する。
【００７４】
圧力検出部６９１は、調圧弁１１４と切替弁６０との間の水素タンク管１１１に設けられている。圧力検出部６９１は、調圧弁１１４によって圧力が調整された水素の圧力を検出する。圧力検出部６９１は、検出した水素の圧力に応じた信号をＥＣＵ１５に出力する。
【００７５】
水素濃度センサ６９２は、水素用マニホールド２６１に設けられている。水素濃度センサ６９２は、水素用マニホールド２６１における水素供給管１０２の噴射孔１０４近傍の水素濃度を検出し、ＥＣＵ１５に検出した水素濃度に応じた信号を出力する。
【００７６】
次に、燃料電池システム６における水素の供給先の切替方法について図１１〜１４に基づいて説明する。図１１には、水素の供給先の切替方法のフローチャートを示す。図１１のフローチャートに示す工程は、燃料電池システム６が作動しているとき、常時行われる。
【００７７】
燃料電池システム６が作動しているとき、切替弁６０は、図１０の状態となっている。具体的には、弁部材６３は、第二連通部６３４の端面６３８が第二ハウジング６２の端面６２１に当接した状態となっている。これにより、開口６４１は、端面６２１によって閉じられているため、導入口６１１から空間６０２に導入される水素は、空間６０２、オリフィス６３６、空間６０１、及び、第一導出口６１２を通って水素供給管１０１に供給される。水素供給管１０１の水素は、水素供給管１０１の噴射孔１０３から噴射され、燃料電池１が備える全てのセル２５に供給される。
【００７８】
最初に、ステップ（以下、単に「Ｓ」という）１０１において、水素用マニホールド２６１の水素濃度を算出する。Ｓ１０１では、ＥＣＵ１５は、水素濃度センサ６９２が出力する信号に基づいて水素供給管１０２の噴射孔１０４近傍の水素濃度を算出する。
【００７９】
次に、Ｓ１０２において、水素濃度が閾値以下であるか否かを判定する。Ｓ１０２では、ＥＣＵ１５は、Ｓ１０１において算出した水素供給管１０２の噴射孔１０４近傍の水素濃度が所定の閾値以下であるか否かを判定する。水素濃度が所定の閾値以下である場合、Ｓ１０３に進む。水素濃度が所定の閾値より大きい場合、Ｓ１０１に戻って水素供給管１０２の噴射孔１０４近傍の水素濃度を算出する。
【００８０】
Ｓ１０２において水素濃度が所定の閾値以下であると判定されると、Ｓ１０３において、水素の供給圧力を回復用圧力に変更する。Ｓ１０３では、ＥＣＵ１５は、調圧弁１１４を制御し、切替弁６０に供給される水素の供給圧力をＳ１０１における水素の圧力に比べ大きい回復用圧力に変更する。このとき、圧力検出部６９１によって検出される水素の圧力はＥＣＵ１５に出力され、調圧弁１１４における水素の圧力調整にフィードバックされる。
【００８１】
水素の供給圧力が回復用圧力に変更されると、弁部材６３は、第一連通部６３２の第二ハウジング６２側の「第一受圧面」としての端面６４０に作用する水素の圧力によって、図１２に示すように、付勢部材６４の付勢力に抗して第一導出口６１２の方向への移動を開始する。弁部材６３が第一導出口６１２の方向へ移動を開始すると、端面６３８と端面６２１とが離間するため、開口６４１を通って回復用圧力の水素が空間６０３に流入する。これにより、弁部材６３は、第二連通部６３４の端面６３８に作用する水素の圧力によって、第一導出口６１２の方向への移動が加速される。
【００８２】
弁部材６３が、図１２に示す位置からさらに第一導出口６１２の方向に移動すると、図１３に示すように、空間６０３と第二導出口６１３とが連通する。これにより、空間６０３の水素が水素供給管１０２に供給される。水素供給管１０２に供給された水素は、噴射孔１０４から積層方向の他端側のセル２５に向かって噴射される。一方、弁部材６３が第一導出口６１２の方向へ移動すると、図１３に示すように、当接部６３１と縁部６１６とが当接する。これにより、空間６０１と第一導出口６１２とが遮断されるため、水素供給管１０１への水素の供給が停止される。
このように、切替弁６０が図１３の状態になると、燃料電池１０では、積層方向の他端側のセル２５のみに水素供給管１０２からの水素が供給される。
【００８３】
次に、Ｓ１０４において、水素用マニホールド２６１の水素濃度を算出する。Ｓ１０４では、ＥＣＵ１５は、水素濃度センサ６９２が出力する信号に基づいて水素供給管１０２の噴射孔１０４近傍の水素濃度を算出する。このとき、噴射孔１０４近傍の水素濃度は、水素供給管１０２によって優先的に水素が供給されているため、水素濃度は上昇する。
【００８４】
次に、Ｓ１０５において、水素濃度が閾値より大きいか否かを判定する。Ｓ１０５では、ＥＣＵ１５は、Ｓ１０４において算出した水素供給管１０２の噴射孔１０４近傍の水素濃度が所定の閾値より大きいか否かを判定する。水素濃度が所定の閾値より大きい場合、Ｓ１０６に進む。水素濃度が所定の閾値以下の場合、Ｓ１０４に戻って水素供給管１０２の噴射孔１０４近傍の水素濃度を算出する。
【００８５】
Ｓ１０５において水素濃度が所定の閾値より大きいと判定されると、Ｓ１０６において、水素の供給圧力を元の圧力に戻す。ここで、「元の圧力」とは、例えば、Ｓ１０１における水素の圧力である。このとき、圧力検出部６９１によって検出される水素の圧力はＥＣＵ１５に出力され、調圧弁１１４における水素の圧力調整にフィードバックされる。
燃料電池システム６では、このようにして、水素の供給先を切り替える。
【００８６】
第五実施形態による燃料電池システム６では、水素用マニホールド２６１に二つの水素供給管１０１，１０２が挿入されている。水素供給管１０１は、全てのセル２５のそれぞれの位置に対応するよう形成されている噴射孔１０３を有している。また、水素供給管１０２は、セル２５７を含む積層方向の他端側のセル２５の位置に対応するよう形成されている。これにより、第五実施形態は、第一実施形態の効果（ａ）、（ｃ）を奏する。
【００８７】
また、燃料電池システム６は、水素の供給圧力の大きさに応じて水素の供給先を水素供給管１０１または水素供給管１０２に切替可能な切替弁６０を備えている。これにより、燃料電池１０が備える全てのセル２５に水素を供給する場合、水素の供給圧力が弁部材６３が第一導出口６１２の方向に移動しない程度の圧力となるよう調圧弁１１４において水素の圧力を調整し、水素供給管１０１によって水素を供給する。水素供給管１０１の噴射孔１０３から噴射される水素は、燃料電池１０の全てのセル２５のそれぞれに向かう（図１４（ａ）の実践矢印Ｆ５１参照）。
一方、積層方向の他端側のセル２５７に水素を優先的に供給する場合、水素の圧力が回復用圧力となるよう調圧弁１１４において調整することによって、図１４（ｂ）に示すように、弁部材６３を第一導出口６１２の方向に移動する。これにより、導入口６１１と第二導出口６１３とが連通するため、水素タンク管１１１の水素は、水素供給管１０２によって積層方向の他端側のセル２５に供給される（図１４（ｂ）の実践矢印Ｆ５２参照）。
このように、燃料電池システム６では、水素の圧力の大きさに応じて水素の供給先を切替可能な切替弁６０によって、水素が行き渡りにくい積層方向の他端側のセル２５に容易に水素を供給することができる。したがって、第五実施形態は、水素の圧力制御によって出力電圧を安定させつつ増大することができる。
【００８８】
また、切替弁６０が備える弁部材６３は、水素の圧力が作用する第一連通部６３２の端面６４０及び第二連通部６３４の端面６３８を有する。内部空間６００の水素の圧力が最初に端面６４０に作用した後、水素の圧力が端面６４０の面積に比べ大きい端面６３８に作用すると、弁部材６３の第一導出口６１２の方向への移動が加速する。これにより、迅速に水素供給管１０１への水素の供給を停止することができる。したがって、積層方向の他端側のセル２５の水素濃度を迅速に回復することができるため、出力電圧をさらに安定させることができる。
【００８９】
（第六実施形態）
第六実施形態による燃料電池システムを図１５に基づき説明する。第六実施形態では、切替弁の構成が第五実施形態と異なる。
【００９０】
第六実施形態による燃料電池システムは、燃料電池１０、燃料ガス流通系１１、切替弁７０、圧力検出部６９１、水素濃度センサ６９２、酸化剤ガス流通系１２、冷却系１３、及び、ＥＣＵ１５を備える。
【００９１】
切替弁７０は、調圧弁１１４と燃料電池１０との間の水素タンク管１１１に設けられている。切替弁７０は、水素タンク管１１１を流れる水素の圧力に応じて水素の供給先を水素供給管１０１または水素供給管１０２に切り替える。切替弁７０は、図１５に示すように、第一ハウジング７１、第二ハウジング７２、弁部材７３、及び、付勢部材７４を有する。
【００９２】
第一ハウジング７１は、略有底筒状に形成されている。第一ハウジング７１は、第一導出口７１１、及び、第二導出口７１２を有する。
第一導出口７１１は、第一ハウジング７１の底部７１３に形成されている。第一導出口７１１は、水素供給管１０１に接続している。第一導出口７１１は、「ハウジング内」としての内部空間７００の水素を水素供給管１０１に導出可能である。
第二導出口７１２は、第一ハウジング７１の径方向外側の側壁７１４に形成されている。第二導出口７１２は、水素供給管１０２に接続している。第二導出口７１２は、内部空間７００の水素を水素供給管１０２に導出可能である。
【００９３】
第二ハウジング７２は、第一ハウジング７１の開口を塞ぐよう形成されている略平板状の部材である。第二ハウジング７２は、導入口７２１を有する。
導入口７２１は、切替弁７０において第一導出口７１１とは反対側に形成されている。導入口７２１は、水素タンク管１１１に接続している。導入口７２１は、内部空間７００に水素を導入可能である。
【００９４】
弁部材７３は、内部空間７００に往復移動可能に設けられている。弁部材７３は、当接部７３１及び摺動部７３２を有する。
当接部７３１は、内部空間７００において第一導出口７１１側に設けられている。当接部７３１は、第一導出口７１１の内部空間７００側の縁部７１５に当接可能に形成されている。
摺動部７３２は、略柱状に形成され、当接部７３１の導入口７２１側に設けられている。摺動部７３２の径外方向の壁面７３３は、第一ハウジング７１の側壁７１４の内壁面７１６に摺動可能に形成されている。これにより、摺動部７３２は、内部空間７００を第一導出口７１１側の「第一空間」としての空間７０１と導入口７２１側の「第二空間」としての空間７０２とに区画する。
弁部材７３は、切替弁７０の中心軸Ｃ７０に沿うよう形成されている複数のオリフィス７３４を有する。オリフィス７３４は、空間７０１と空間７０２とを連通する。
【００９５】
付勢部材７４は、空間７０１に設けられている。付勢部材７４の一端は、第一ハウジング７１の底部７１３の内壁面に当接している。付勢部材７４の他端は、当接部７３１の底部７１３側の端面７３５に当接している。付勢部材７４は、当接部７３１と縁部７１５とが離間するよう弁部材７３を付勢する。弁部材７３に付勢部材７４の付勢力のみが作用しているとき、弁部材７３は、第二導出口７１２の内部空間７００側の開口７１７を塞ぐ位置にある。
【００９６】
第六実施形態による燃料電池システムでは、燃料電池１０の全てのセル２５に水素を供給するとき、切替弁７０は、図１５の状態となっている。具体的には、当接部７３１と縁部７１５とは離間し、第二導出口７１２の開口７１７は弁部材７３によって塞がれている。このとき、導入口７２１から内部空間７００に導入される水素は、空間７０２、オリフィス７３４及び空間７０１を通って水素供給管１０１に供給される。
【００９７】
水素濃度センサ６９２が検出する水素濃度が所定の閾値以下になると、調圧弁１１４は、水素の圧力を回復用圧力まで高める。これにより、弁部材７３は、付勢部材７４の付勢力に抗して第一導出口７１１の方向に移動する。弁部材７３の移動によって開口７１７が開かれると、開口７１７及び第二導出口７１２を通って水素供給管１０２に水素が供給される。当接部７３１と縁部７１５とが当接すると、水素供給管１０１への水素の供給が停止する。これにより、水素タンク管１１１の水素は、水素供給管１０２によって積層方向の他端側のセル２５に供給される。したがって、第六実施形態は、第五実施形態と同じ効果を奏する。
【００９８】
（第七実施形態）
第七実施形態による燃料電池システムを図１６に基づき説明する。第七実施形態では、切替弁の構成が第五実施形態と異なる。
【００９９】
第七実施形態による燃料電池システムは、燃料電池１０、燃料ガス流通系１１、切替弁８０、圧力検出部６９１、水素濃度センサ６９２、酸化剤ガス流通系１２、冷却系１３、及び、ＥＣＵ１５を備える。
【０１００】
切替弁８０は、調圧弁１１４と燃料電池１０との間の水素タンク管１１１に設けられている。切替弁８０は、水素タンク管１１１を流れる水素の圧力に応じて水素の供給先を水素供給管１０１または水素供給管１０２に切り替える。切替弁８０は、図１６に示すように、第一ハウジング８１、第二ハウジング８２、弁部材８３、及び、付勢部材８４を有する。
【０１０１】
第一ハウジング８１は、略有底筒状に形成されている。第一ハウジング８１は、第一導出口８１１を有する。
第一導出口８１１は、第一ハウジング８１の底部８１２に形成されている。第一導出口８１１は、水素供給管１０１に接続している。第一導出口８１１は、第一ハウジング８１の「ハウジング内」としての内部空間８００の水素を水素供給管１０１に導出可能である。
【０１０２】
第二ハウジング８２は、第一ハウジング８１の開口を塞ぐよう形成されている略平板状の部材である。第二ハウジング８２は、導入口８２１及び第二導出口８２２を有する。
導入口８２１は、切替弁８０の中心軸Ｃ８０から比較的離れた位置に複数形成されている。導入口８２１は、水素タンク管１１１に接続している。導入口８２１は、内部空間８００に水素を導入可能である。
第二導出口８２２は、第二ハウジング８２において複数の導入口８２１の径内方向に形成されている。本実施形態では、第二導出口８２２は、中心軸Ｃ８０上に形成されている。第二導出口８２２は、水素供給管１０２に接続している。第二導出口８２２は、内部空間８００の水素を水素供給管１０２に導出可能である。
【０１０３】
弁部材８３は、内部空間８００に往復移動可能に設けられている。弁部材８３は、第一軸部８３１、第一当接部８３２、摺動部８３３、第二軸部８３４、及び、第二当接部８３５を有する。
第一軸部８３１は、内部空間８００において第一導出口８１１側に設けられている略柱状の部位である。第一軸部８３１は、第一導出口８１１の内径に比べ小さい外径を有する。
第一当接部８３２は、第一軸部８３１の径方向外側に設けられる鍔状の部位である。第一当接部８３２は、第一導出口８１１の内部空間８００側の縁部８１３に当接可能に形成されている。
【０１０４】
摺動部８３３は、略柱状に形成され、第一軸部８３１の第二ハウジング８２側に設けられている。摺動部８３３の径外方向の壁面８３６は、第一ハウジング８１の側壁８１４の内壁面８１５に摺動可能に形成されている。これにより、摺動部８３３は、内部空間８００を第一導出口８１１側の「第一空間」としての空間８０１と第二導出口８２２側の「第二空間」としての空間８０２とに区画する。摺動部８３３は、空間８０１と空間８０２とを連通する複数のオリフィス８３７を有する。
【０１０５】
第二軸部８３４は、摺動部８３３の第二ハウジング８２側に設けられる略柱状の部位である。第二軸部８３４は、第二導出口８２２の内径及び第一軸部８３１の外径に比べ小さい外径を有する。
第二当接部８３５は、第二軸部８３４の径方向外側に設けられる鍔状の部位である。第二当接部８３５は、第二導出口８２２の内部空間８００側の縁部８１６に当接可能に形成されている。
【０１０６】
付勢部材８４は、空間８０１に設けられている。付勢部材８４の一端は、第一ハウジング８１の底部８１２の内壁面に当接している。付勢部材８４の他端は、摺動部８３３の底部８１２側の端面８３８に当接している。付勢部材８４は、第一当接部８３２と縁部８１３とが離間し、かつ、第二当接部８３５と縁部８１６とが当接するよう弁部材８３を付勢する。
【０１０７】
第七実施形態による燃料電池システムでは、燃料電池１０の全てのセル２５に水素を供給するとき、切替弁８０は、図１６の状態となっている。具体的には、第一当接部８３２と縁部８１３とは離間し、第二導出口８２２の開口８２３は弁部材８３によって塞がれている。このとき、切替弁８０の導入口８２１から内部空間８００に導入される水素は、空間８０２、オリフィス８３７及び空間８０１を通って水素供給管１０１に供給される。
【０１０８】
水素濃度センサ６９２が検出する水素濃度が所定の閾値以下になると、調圧弁１１４は、水素の圧力を回復用圧力まで高める。これにより、弁部材８３は、付勢部材８４の付勢力に抗して第一導出口８１１の方向に移動する。弁部材８３の移動によって開口８２３が開かれると、開口８２３及び第二導出口８２２を通って水素供給管１０２に水素が供給される。第一当接部８３２と縁部８１３とが当接すると、水素供給管１０１への水素の供給が停止する。これにより、水素タンク管１１１の水素は、水素供給管１０２によって積層方向の他端側のセル２５に供給される。したがって、第七実施形態は、第五実施形態と同じ効果を奏する。
【０１０９】
（第八実施形態）
第八実施形態による燃料電池システムを図１７に基づき説明する。第八実施形態では、切替弁の構成が第五実施形態と異なる。
【０１１０】
第八実施形態による燃料電池システムは、燃料電池１０、燃料ガス流通系１１、切替弁９０、圧力検出部６９１、水素濃度センサ６９２、酸化剤ガス流通系１２、冷却系１３、及び、ＥＣＵ１５を備える。
【０１１１】
切替弁９０は、調圧弁１１４と燃料電池１０との間の水素タンク管１１１に設けられている。切替弁９０は、水素タンク管１１１を流れる水素の圧力に応じて水素の供給先を水素供給管１０１または水素供給管１０２に切り替える。切替弁９０は、図１７に示すように、第一ハウジング９１、第二ハウジング９２、弁部材９３、及び、付勢部材９４を有する。
【０１１２】
第一ハウジング９１は、半球の球殻状に形成されている。第一ハウジング９１は、導入口９１１、及び、第二導出口９１２を有する。
導入口９１１は、第一ハウジング９１の径方向に沿って第一ハウジング９１の「ハウジング内」としての内部空間９００と外部とを連通可能に形成されている。本実施形態では、導入口９１１は、図１７に示すように、第二ハウジング９２の近傍に形成されている。導入口９１１は、水素タンク管１１１に接続している。導入口９１１は、内部空間９００に水素を導入可能である。
第二導出口９１２は、第一ハウジング９１の導入口９１１とは異なる場所に第一ハウジング９１の径方向に沿って内部空間９００と外部とを連通可能に形成されている。本実施形態では、第二導出口９１２は、導入口９１１に比べ第二ハウジング９２から離れた位置に形成されている。第二導出口９１２は、水素供給管１０２に接続している。第二導出口９１２は、内部空間９００の水素を水素供給管１０２に導出可能である。
【０１１３】
第二ハウジング９２は、第一ハウジング９１の開口を塞ぐよう形成されている。第二ハウジング９２は、閉塞部９２１及び突出部９２２を有する。
閉塞部９２１は、第一ハウジング９１の開口を塞ぐよう形成されている略平板状の部位である。
突出部９２２は、弁部材９３を挟んで導入口９１１とは反対側の閉塞部９２１に設けられている。突出部９２２は、閉塞部９２１の内部空間９００側の端面９２３から内部空間９００に突出するよう形成されている。突出部９２２は、内部空間９００側の端部に開口９２４を有する。開口９２４が形成されている「縁部」としての端面９２５は、端面９２３に対して傾斜するよう形成されている。
第二ハウジング９２は、開口９２４を介して内部空間９００と外部とを連通する第一導出口９２６を有する。第一導出口９２６は、水素供給管１０１に接続している。第一導出口９２６は、内部空間９００の水素を水素供給管１０１に導出可能である。
【０１１４】
弁部材９３は、内部空間９００に移動可能に設けられている。弁部材９３は、回転シャフト９３１、延長部９３２、及び、摺動部９３３を有する。
回転シャフト９３１は、閉塞部９２１上に回転可能に設けられている。
延長部９３２は、回転シャフト９３１から第一ハウジング９１の内壁面９１３まで第一ハウジング９１の径方向に延びるよう形成されている。延長部９３２は、複数のオリフィス９３４を有する。
摺動部９３３は、延長部９３２の回転シャフト９３１に接続する側とは反対側の端部から第一ハウジング９１の内壁面９１３に沿うよう形成されている。摺動部９３３の壁面９３５は、内壁面９１３に摺動可能に形成されている。これにより、内部空間９００は、第一導出口９２６側の「第一空間」としての空間９０１と、第二導出口９１２側の「第二空間」としての空間９０２とに区画される。空間９０１と空間９０２とは、オリフィス９３４によって連通している。
弁部材９３は、回転シャフト９３１の回転軸Ｃ９０を回転中心として、第一ハウジング９１の内壁面９１３に摺動しつつ、図１７に示す白抜き矢印Ｆ８１のように回転可能に設けられている。
【０１１５】
付勢部材９４は、第二ハウジング９２と弁部材９３とを連結するよう設けられている。付勢部材９４は、いわゆる、巻きばねであって、弁部材９３を図１７における反時計周りに回転するよう付勢する。弁部材９３に付勢部材９４の付勢力のみが作用しているとき、弁部材９３は、図１７に示すように、摺動部９３３が第二導出口９１２の内部空間９００側の開口９１４を塞ぐ位置にある。
【０１１６】
第八実施形態による燃料電池システムでは、燃料電池１０の全てのセル２５に水素を供給するとき、切替弁９０は、図１７の状態となっている。具体的には、弁部材９３は、摺動部９３３が第二導出口９１２の開口９１４を塞いでいる。このとき、切替弁９０の導入口９１１から内部空間９００に導入される水素は、空間９０２、オリフィス９３４及び空間９０１を通って水素供給管１０１に供給される。
【０１１７】
水素濃度センサ６９２が検出する水素濃度が所定の閾値以下になると、調圧弁１１４は、水素の圧力を回復用圧力まで高める。これにより、弁部材９３は、付勢部材９４の付勢力に抗して図１７の時計周りに回転する。弁部材９３が時計周りに回転し開口９１４が開かれると、開口９１４及び第二導出口９１２を通って水素供給管１０２に水素が供給される。さらに、図１７に示す点線ＶＬ９３のように、弁部材９３の延長部９３２の端面９３６が突出部９２２の端面９２５に当接すると、開口９２４は閉じられる。これにより、水素供給管１０１への水素の供給が停止し、水素タンク管１１１の水素は、水素供給管１０２によって積層方向の他端側のセル２５に供給される。したがって、第八実施形態は、第五実施形態と同じ効果を奏する。
【０１１８】
（他の実施形態）
上述の実施形態では、「燃料ガス」を水素とし、「酸化剤ガス」を空気とした。しかしながら、燃料ガス及び酸化剤ガスは、これに限定されない。燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって電気エネルギを発生可能であればよい。
【０１１９】
第一〜四実施形態では、水素供給管は、三本設けられるとした。第五〜八実施形態では、水素供給管は、二本設けられるとした。しかしながら、水素供給管が設けられる数はこれに限定されない。複数であればよく、そのうちの一本の水素供給管が、積層方向の他端側に位置するセルに水素を供給可能に設けられればよい。
【０１２０】
第一実施形態では、三本の水素供給管のそれぞれは、噴射孔が形成される長さがほぼ同じ長さになるよう形成されているとした。しかしながら、噴射孔が形成される長さは異なっていてもよい。
【０１２１】
第二実施形態では、水素濃度センサの数は、六個であるとし、セルに水素を供給する水素用マニホールドに三個、セルから排出される水素が流れる水素用マニホールドに三個設けられるとした。しかしながら、水素濃度センサの数及び設置場所はこれに限定されない。
【０１２２】
第一〜三実施形態では、三本の水素供給管に水素を流すとした。しかしながら、三本全てに水素を流さなくてもよい。中央のセルに水素を供給可能な水素供給管のガス流量を０とし、積層方向の両端に水素を供給可能な水素供給管のみにガスを流してもよい。また、積層方向の両端のセルの出力電圧が問題ない通常時には、それぞれのセル枚数に応じたガス流量を流してもよい。
【０１２３】
第四実施形態では、積層方向の略中央のセルに水素を供給可能な水素供給管を外側管と内側管との二重構造とするとした。しかしながら、他の水素供給管も二重構造としてもよい。また、内側管に対して外側管を回転移動可能に設けてもよい。
【０１２４】
第一〜四実施形態の燃料電池を第五〜八実施形態の燃料電池システムに適用してもよい。
【０１２５】
第五〜八実施形態では、水素濃度センサが検出する水素用マニホールドにおける水素濃度に基づいて水素の供給圧力を変更するとした。しかしながら、水素の供給圧力を変更するための基準はこれに限定されない。「物理量検出部」によって検出される水素の物理量に基づいて水素の供給圧力を変更してもよい。
【０１２６】
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
【符号の説明】
【０１２７】
１，２，３，１０・・・燃料電池
１０１，２１，２２，３６，３７，４２・・・水素供給管（燃料ガス供給管）
１０２，２３，３８・・・水素供給管（燃料ガス供給管、第一燃料ガス供給管）
２５，２５５，２５６・・・セル
２５７・・・セル（他端側セル）
２６０・・・水素流路（燃料ガス流路）
２６１・・・水素用マニホールド（燃料ガス用マニホールド）
５，６・・・燃料電池システム
【図１】
2018181440.tif 000003
【図２】
2018181440.tif 000004
【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】
2018181440.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2018181440.tif 000013
【図１２】
2018181440.tif 000014
【図１３】
2018181440.tif 000015
【図１４】
2018181440.tif 000016
【図１５】
2018181440.tif 000017
【図１６】
2018181440.tif 000018
【図１７】
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