(57)【要約】【課題】  製造コストを高騰させることがなく、簡素な構造によってフラッディングを効率的に抑制することにある。【解決手段】各単セル５１の水素供給面であるアノードセパレータ６１の後面に、ぎざぎざに屈曲したジグザグ溝からなる複数の水素流路６４が鉛直方向に沿って平行に形成される。前記複数の水素流路６４は、略中央部に鉛直上下方向に沿って設けられた分割壁６８によって第１水素流路群７０ａと第２水素流路群７０ｂとに分割構成され、切換機構２８を介して、前記第１水素流路群７０ａの第２水素流路群７０ｂの両者、又はいずれか一方の水素流路群への水素の供給を切換制御する。【選択図】図３
2008300096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードとアノードとを有する単セルが複数積層して設けられ、酸化剤ガスが前記カソードに燃料ガスが前記アノードにそれぞれ供給されることで発電する燃料電池スタックを含む燃料電池システムであって、
前記各単セルにおける酸化剤ガス流路と燃料ガス流路の少なくともいずれか一方を、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスが流通する複数の流路群に分割し、
前記分割された各流路群の全部又は選択された各流路群に対して前記酸化剤ガスと前記燃料ガスの少なくともいずれか一方を供給する流路群切換機構が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
要求される発電量が大きいとき、前記単セルのガス供給面に設けられた前記複数の流路群の全てに前記酸化剤ガスと前記燃料ガスの少なくともいずれか一方を供給するように前記流路群切換機構を切換制御し、一方、前記要求される発電量が小さいとき、選択された各流路群に対して前記酸化剤ガスと前記燃料ガスの少なくともいずれか一方を供給するように前記流路群切換機構を切換制御する制御機構が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤ガスによって掃気処理を遂行する掃気機構が設けられ、前記掃気機構によって掃気処理を行うとき、選択された各流路群に対してのみ前記流路群切換機構によって前記酸化剤ガスが供給されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記複数の流路群は、鉛直上下方向に沿って延在し、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスが上から下に向かって流通するジグザグ状の複数の流路からなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記各単セルには、所定の流路群と連通し前記所定の流路群にのみガスを供給するガス供給用連通孔と、前記所定の流路群を流通したガスを排出するガス排出用連通孔とがそれぞれ設けられ、前記ガス供給用連通孔及びガス排出用連通孔は、それぞれ、他のガス供給用連通孔及び他のガス排出用連通孔と各単セル内において非連通状態に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに積層された単セルにおける酸化剤ガス流路及び／又は燃料ガス流路が分割された複数の流路群を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード及びカソードを対極した電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持された単セル（燃料電池）を備え、前記単セルが複数積層されることにより燃料電池スタックが構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックに関し、特許文献１には、酸化剤ガス流れ方向が燃料電池の運転状態に対応して切り換え可能に設けられ、前記酸化剤ガス流れ方向がドライ条件では反重力方向に切り換え、一方、ウェット条件では重力方向に切り換えることにより、フラッディングを抑制する技術的思想が開示されている。
【０００４】
このフラッディングとは、水が電極に溜まって多孔質体で形成された電極の細孔が詰まり湿潤過多となる現象をいう。すなわち、カソードに酸素が供給されているため、前記カソードにおいて、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される一方、アノードでは、カソード側からの逆拡散又は燃料ガスの高湿化等を原因として水が発生し、この水が電極に貯留されることにより、フラッディングが生ずる。
【０００５】
そこで、従来では、前記フラッディングの発生を防止するために、燃料ガス（水素）循環系路内にパージバルブを設け、前記パージバルブを定期的に弁開状態して燃料ガス（水素）を放出し、その際発生する圧力差で得られる流速によって溜まった水を単セル内の燃料ガス循環系路から移動させるようにしている。
【特許文献１】特開２０００−１６４２３８号公報（図１、図４参照）
【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、前記特許文献１に開示された技術的思想では、燃料電池の運転状態に対応させて燃料電池スタックの姿勢を反転させるための特別な機構が必要となり、製造コストが高騰すると共に、前記燃料電池スタックの反転動作が可能な十分なスタック設置スペースを確保する必要があり、スペースの有効利用を図ることができないと共に、車体が大型化するという問題がある。
【０００７】
例えば、特許文献１では、燃料電池スタックの姿勢を反転させる機構として、ウォームを回転駆動させるモータと、前記ウォームによって１８０度回転するウォームホールと、スタックのケーシングを回転自在に軸支する複数の軸受等によって構成される機構が必要となる。
【０００８】
また、パージバルブを弁開することによってフラッディングの発生を防止する方法では、
第１に、無駄な水素の放出を伴うために発電効率が低下するという問題があり、
第２に、流速を増大させるためにパージバルブの開口断面積を大きく設定する必要があり、大きな開口断面積を有する前記パージバルブにより排出される水素流量の増大に伴って、希釈能力を向上させるために希釈器の形状を大きく設定しなければならないという問題があり、
第３に、燃料電池の低負荷発電状態では、酸化剤ガス（空気）の循環流量が少なくなり、希釈器において前記空気によって希釈される希釈能力が低下すると共に、燃料ガスである水素の循環流量も少ないために水素パージ（放出）を頻繁に行うことが制限されて燃料ガス循環系路における水の移動が困難となり、アノード側に溜まった水によって出力電圧が低下するという問題がある。
【０００９】
本発明は、前記の種々の問題に鑑みてなされたものであり、製造コストを高騰させることがなく、簡素な構造によってフラッディングを効率的に抑制することが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】
【００１０】
本発明によれば、各単セルのガス供給面に設けられた酸化剤ガス流路と燃料ガス流路の少なくともいずれか一方を、酸化剤ガスと燃料ガスの少なくともいずれか一方が流通する複数の流路群に分割して構成し、流路群切換機構によって、前記分割された各流路群の全部又は選択された各流路群に対して前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスの少なくともいずれか一方（以下、ガスという）を供給するようにしている。従って、本発明では、供給されるガスの流量が一定であることを前提として、全部の流路群にガスが供給されたときと比較して、選択された流路群に供給されるガスの流速が圧力損失に起因して増大する。この結果、ガスの流路中に溜まった水（生成水）の排水が促進される。
【００１１】
この場合、本発明では、制御機構によって、要求される発電量が大きいとき、前記供給面に設けられた複数の流路群の全てにガスを供給するように前記流路群切換機構を切換制御し、一方、前記要求される発電量が小さいとき、選択された各流路群に対してのみガスを供給するように前記流路群切換機構を切換制御するとよい。
【００１２】
要求される発電量が大きいとき、すなわち、単セルが高負荷状態にあるときには、ガス流量が多いために水が溜まりにくくなり（フラッディングが容易に発生しない）、また、各流路群毎の過度の圧力上昇を抑制するために、単セルのガス供給面の全ての流路群に対してガスを供給するとよい。
【００１３】
これに対して、要求される発電量が小さいとき、すなわち、単セルが低負荷状態にあるときには、少量のガスが流通するために水が溜まりやすくなり、ガスを流通させる流路群を選択してその流速を増大させることにより、水の排出を促進してフラッディングを防止することができる。
【００１４】
また、本発明によれば、酸化剤ガスによって掃気処理を遂行する掃気機構を設け、前記掃気機構によって掃気処理を行うとき、選択された各流路群に対してのみ前記流路群切換機構によって前記酸化剤ガスが供給されるとよい。掃気処理に要する酸化剤ガス（空気）の流量が抑制されることにより、酸化剤ガス供給源、例えば、コンプレッサの消費電力を削減して省電力化を図ると共に、騒音及び振動を抑制することができる。
【００１５】
さらに、本発明によれば、前記複数の流路群を、鉛直上下方向に沿って延在し、ガスが上から下に向かって流通するジグザグ状の複数の流路によって構成するとよい。前記のように構成することにより、流路総断面積を大きく設定することができると共に、上から下に向かって流通するガスに重力作用を付与してより一層排水を促進させることができる。
【００１６】
なお、前記各単セルには、所定の流路群と連通し前記所定の流路群にのみガスを供給するガス供給用連通孔と、前記所定の流路群を流通したガスを排出するガス排出用連通孔とがそれぞれ設けられ、前記ガス供給用連通孔及びガス排出用連通孔は、それぞれ、他のガス供給用連通孔及び他のガス排出用連通孔と各単セル内において非連通状態に設けられるとよい。このように構成することにより、単セル内において分割された各流路群の非連通状態が確保されるからである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、製造コストを高騰させることがなく、簡素な構造によってフラッディングを効率的に抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら以下詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、図２は、燃料電池スタックの分解斜視図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、コンプレッサ１４を含み燃料電池スタック１０に空気（酸化剤ガス）を供給する空気供給系１８と、水素タンク１２を含み燃料電池スタック１０に水素（燃料ガス）を供給する水素供給系２０と、燃料電池スタック１０から排出される未反応の水素を、前記燃料電池スタック１０から排出される未反応の空気によって希釈する希釈器２２と、前記空気供給系１８に接続され、系内に発生した不純物を系外に排出する掃気処理を遂行する掃気弁（掃気機構）２４とを有する。
【００２０】
また、前記燃料電池システム１００は、前記燃料電池スタック１０の後記するアノード側（水素側）及びカソード側（空気側）の入口側及び出口側にそれぞれ付設され、内部に第１分岐通路及び第２分岐通路（後記する）が設けられたマニホールド２６ａ、２６ｂを含む。
【００２１】
さらに、前記燃料電池システム１００は、水素入口側及び空気入口側の前記マニホールド２６ａにそれぞれ連結され、前記第１分岐通路及び第２分岐通路を流通する水素（空気）を切り換える切換機構（流路群切換機構）２８と、各種機器の制御を行うＥＣＵ（制御機構）３０と、水素出口側及び空気出口側のマニホールド２６ｂの第３分岐通路及び第４分岐通路（後記する）を流通する未反応の水素（空気）の湿度を検出し、その検出信号を前記ＥＣＵ３０に出力する湿度センサ３２とを備える。
【００２２】
なお、前記ＥＣＵ３０は、図示しない電気自動車のアクセルペダルの踏み込み量に対応して要求される発電量を判断し、前記要求される発電量に基づいて燃料電池スタック１０における発電量を制御する機能を併有する。
【００２３】
本実施形態では、前記マニホールド２６ａ、２６ｂ及び切換機構２８が、後記するアノード側（水素側）及びカソード側（空気側）の両方にそれぞれ設けられているが、いずれか一方に設けるようにしてもよい。また、アノード側とカソード側とで前記マニホールド２６ａ、２６ｂ及び切換機構２８が略同一に構成されるため、以下のアノード側に設けられたマニホールド２６ａ、２６ｂ及び切換機構２８を詳細に説明し、カソード側の説明を省略する。
【００２４】
なお、図示しない燃料電池自動車に設けられたラジエータ（図示せず）と、燃料電池スタック１０との間で、ポンプ（図示せず）等を動力源として、冷媒が循環するように構成されるとよい。これにより、発電によって自己発熱する燃料電池スタック１０が適宜に冷却されると共に、燃料電池スタック１０は好適運転温度（例えば７０〜８０℃）に維持される。
【００２５】
図２に示すように、燃料電池スタック本体５０は、複数（例えば、２００〜４００）の単セル５１と、２枚の電極板７１、７１（ターミナルプレート）と、２枚の絶縁板７５、７５（インシュレータ）と、剛性の高いフロントプレート８１及びリアプレート８２と、を備えている。なお、図３では、単セル５１とリアプレート８２との間における電極板７１及び絶縁板７５を省略している。
【００２６】
複数の単セル５１は、その厚み方向に積層されており、２枚の電極板７１、７１と、２枚の絶縁板７５、７５とを介して、フロントプレート８１とリアプレート８２とで挟まれている。フロントプレート８１とリアプレート８２とは、図示しないボルト等の締結手段によって締結されており、これにより、単セル５１の積層状態が保持されている。なお、単セル５１の積層方向と、図示しない燃料電池自動車の前後方向（走行方向）とは、一致している。
【００２７】
単セル５１は、ＭＥＡ５２（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む板状のアノードセパレータ６１及びカソードセパレータ６２とを備えている。
【００２８】
ＭＥＡ５２は、１価の陽イオン交換膜である固体高分子膜５３と、これを挟むアノード５４及びカソード５５とを備えている。アノード５４は固体高分子膜５３の前方に配置され、カソード５５は固体高分子膜５３の後方に配置されている。アノード５４及びカソード５５は、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から構成され、その固体高分子膜５３側に電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００２９】
アノードセパレータ６１は、ＭＥＡ５２のアノード５４側に配置されている。カソードセパレータ６２は、ＭＥＡ５２のカソード５５側に配置されている。また、アノードセパレータ６１及びカソードセパレータ６２は、金属製であり、導電性を有している。これにより、複数の単セル５１が直列で接続されている。
【００３０】
電極板７１は、直列で接続された複数の単セル５１の積層体から、電流を取り出し、燃料電池スタック４０の出力端子となる端子板であって、出力端子７２ａを有する電極板本体７２と、電極板本体７２の外縁を囲み、樹脂等の絶縁材から形成された外枠７３とを備えている。
【００３１】
なお、アノード５４側（前側）に配置される電極板７１は負極板となり、そして、その出力端子７２ａはマイナス端子となり、前側の絶縁板７５の貫通孔７５ｇ、フロントプレート８１の貫通孔８１ｇを介して、外部に引き出されている。一方、カソード５５側（後側）に配置される電極板７１は正極板となり、そして、その出力端子７２ａはプラス端子となり、後側の絶縁板７５の貫通孔７５ｇ（いずれも図示せず）、リアプレート８２の貫通孔８２ｇを介して、外部に引き出されている。
【００３２】
絶縁板７５は、積層された複数の単セル５１と、フロントプレート８１及びリアプレート８２との電気的接続を絶縁させる絶縁板であって、例えば、合成樹脂製材料によって形成されている。
【００３３】
次に、スタック本体５０内の水素の流路について説明する（図２参照）。
単セル５１の積層方向である図示しない燃料電池自動車の前後方向において、後方に向かって、スタック本体５０の左上部には、水素タンク１２からの水素を、各単セル５１に供給するための第１水素供給用連通孔（ガス供給用連通孔）５６ａ及び第２水素供給用連通孔（他のガス供給用連通孔）５６ｂがそれぞれ形成されている。前記第１水素供給用連通孔５６ａと前記第２水素供給用連通孔５６ｂとは、それぞれ、間に形成された隔壁６０によって分割され、且つ、相互に非連通状態に設けられている。
【００３４】
各第１水素供給用連通孔５６ａ及び第２水素供給用連通孔５６ｂは、アノードセパレータ６１、固体高分子膜５３、カソードセパレータ６２、電極板７１、絶縁板７５及びリアプレート８２に形成された連通孔がそれぞれ重なることで、１本の流路を構成している。この場合、各第１水素供給用連通孔５６ａによって構成された１本の流路と、各第２水素供給用連通孔５６ｂによって構成された１本の流路とは、スタック本体５０内において相互に独立して非連通状態に形成される。
【００３５】
同じく後方に向かって、スタック本体５０の右下部には、各単セル５１から排出された未反応の水素等を、外部に排出するための第１水素排出用連通孔（ガス排出用連通孔）５８ａ及び第２水素排出用連通孔（他のガス排出用連通孔）５８ｂがそれぞれ形成されている。前記第１水素排出用連通孔５８ａと前記第２水素排出用連通孔５８ｂとは、それぞれ、間に設けられた隔壁６０によって分割され、且つ、相互に非連通状態に設けられている。
【００３６】
各第１水素排出用連通孔５８ａ及び第２水素排出用連通孔５８ｂは、アノードセパレータ６１、固体高分子膜５３、カソードセパレータ６２、電極板７１、絶縁板７５及びリアプレート８２に形成された連通孔がそれぞれ重なることで、１本の流路を構成している。この場合、各第１水素排出用連通孔５８ａによって構成された１本の流路と、各第２水素排出用連通孔５８ｂによって構成された１本の流路とは、スタック本体５０内において相互に独立して非連通状態に形成される。
【００３７】
各単セル５１の水素供給面であるアノードセパレータ６１の後面（アノード５４側の面）には、図３に示すように、アノード５４の全面又はその分割面に水素が供給され、ぎざぎざに屈曲したジグザグ溝からなる複数の水素流路６４が鉛直方向に沿って平行に形成されている。なお、図３は、図２に示されるアノードセパレータ６１の前後方向の向きを逆転させて、水素流路６４を便宜的に描出したものである（換言すると、図３は、アノードセパレータ６１を後方から前方に向かって見たときの正面を含む斜視図である）。前記複数の水素流路６４は、図３に示されるように、単セル５１内で水素が鉛直下向きに流れるように、アノードセパレータ６１の後面に形成された複数のリブ６６により、鉛直方向に沿って延在し且つジグザグ状に屈曲した溝によって構成されている。
【００３８】
また、前記複数の水素流路６４は、略中央部に鉛直上下方向に沿って設けられた分割壁６８によって第１水素流路群７０ａと第２水素流路群７０ｂとに分割構成され、前記第１水素流路群７０ａと前記第２水素流路群７０ｂとは、相互に独立して非連通状態に設けられる。なお、本実施形態では、複数の水素流路６４を第１水素流路群７０ａと第２水素流路群７０ｂからなる２つの流路群に分割構成しているがこれに限定されるものではなく、図示しない２以上の複数の流路群に分割構成されればよい。
【００３９】
前記第１水素流路群７０ａは、第１水素供給用連通孔及５６ａ及び第１水素排出用連通孔５８ａとそれぞれ連通路７４を介して連通するように設けられ、前記第１水素供給用連通孔５６ａから供給された水素は、前記第１水素流路群７０ａを構成する複数の水素流路６４に沿って鉛直方向に流通した後、第１水素排出用連通孔５８ａから排出される。
【００４０】
一方、前記２水素流路群７０ｂは、第２水素供給用連通孔５６ｂ及び第２水素排出用連通孔５８ｂとそれぞれ連通路７６を介して連通するように設けられ、前記第２水素供給用連通孔５６ｂから供給された水素は、前記第２水素流路群７０ｂを構成する複数の水素流路６４に沿って鉛直方向に流通した後、第２水素排出用連通孔５８ｂから排出される。
【００４１】
この場合、前記第１水素流路群７０ａと第２水素流路群７０ｂとのいずれか一方にのみ水素を供給するように切換機構２８を介して切換制御し、又は、前記第１水素流路群７０ａと第２水素流路群７０ｂとの間で水素の流通量（供給量）がそれぞれ異なるように前記第１水素流路群７０ａと第２水素流路群７０ｂとの両方に水素を供給するように切換機構２８を介して切換制御することができる。なお、前記切換機構２８による切換制御については、後で詳細に説明する。
【００４２】
このように、水素は、第１水素供給用連通孔５６ａ及び／又は第２水素供給用連通孔５６ｂから、各単セル５１の第１水素流路群７０ａ及び／又は第２水素流路群７０ｂを構成する水素流路６４にそれぞれ流れ込み、各アノード５４に供給された後、未反応の水素が第１水素排出用連通孔５８ａ及び／又は第２水素排出用連通孔５８ｂを介して外部に排出されるようになっている。
【００４３】
次に、スタック本体５０内の空気の流路について説明する（図２参照）。
後方に向かって、スタック本体５０の右上部には、加湿器１６からの加湿された酸素を含む空気を、各単セル５１に供給するための第１空気供給用連通孔（ガス供給用連通孔）８４ａ及び第２空気供給用連通孔（他のガス供給用連通孔）８４ｂがそれぞれ形成されている。前記第１空気供給用連通孔８４ａと第２空気供給用連通孔８４ｂとは、それぞれ、間に形成された隔壁６０によって分割され、且つ、相互に非連通状態に設けられている。
【００４４】
各第１空気供給用連通孔８４ａ及び第２空気供給用連通孔８４ｂは、アノードセパレータ６１、固体高分子膜５３、カソードセパレータ６２、電極板７１、絶縁板７５及びリアプレート８２に形成された連通孔が重なることで、１本の流路を構成している。この場合、各第１空気供給用連通孔８４ａによって構成された１本の流路と、各第２空気供給用連通孔８４ｂによって構成された１本の流路とは、スタック本体５０内において相互に独立して非連通状態に形成される。
【００４５】
同じく、後方に向かって、スタック本体５０の左下部には、各単セル５１から排出された空気等を、外部に排出するための第１空気排出用連通孔（ガス排出用連通孔）８６ａ及び第２空気排出用連通孔（他のガス排出用連通孔）８６ｂがそれぞれ形成されている。前記第１空気排出用連通孔８６ａと前記第２空気排出用連通孔８６ｂとは、それぞれ、間に設けられた隔壁６０によって分割され、且つ、相互に非連通状態に設けられている。
【００４６】
各第１空気排出用連通孔８６ａ及び第２空気排出用連通孔８６ｂは、アノードセパレータ６１、固体高分子膜５３、カソードセパレータ６２、電極板７１、絶縁板７５及びリアプレート８２に形成された連通孔がそれぞれ重なることで、１本の流路を構成している。この場合、各第１空気排出用連通孔８６ａによって構成された１本の流路と、各第２空気排出用連通孔８６ｂによって構成された１本の流路とは、スタック本体５０内において相互に独立して非連通状態に形成される。
【００４７】
各単セル５１の空気供給面であるカソードセパレータ６２の前面（カソード５５側の面）には、図４に示すように、カソード５５の全面又はその分割面に空気が供給され、ぎざぎざに屈曲したジグザグ溝からなる複数の空気流路８８が鉛直方向に沿って平行に形成されている。なお、図４は、図２と同様に、カソードセパレータ６２を後方に向かって見た正面を含む斜視図である。前記複数の空気流路８８は、単セル５１内で空気が鉛直下向きに流れるように、カソードセパレータ６２の前面に形成された複数のリブ６６により、鉛直方向に沿って延在し且つジグザグ状に屈曲した溝によって構成されている。
【００４８】
また、前記複数の空気流路８８は、略中央部に設けられた分割壁６８によって第１空気流路群９０ａと第２空気流路群９０ｂとに分割構成され、前記第１空気流路群９０ａと前記第２空気流路群９０ｂとは、相互に独立して非連通状態に設けられる。なお、本実施形態では、複数の空気流路８８を第１空気流路群９０ａと第２空気流路群９０ｂからなる２つ流路群に分割構成しているがこれに限定されるものではなく、図示しない２以上の複数の流路群に分割構成されればよい。また、複数の水素流路６４、複数の空気流路８８のいずれか一方のみを２以上の分割流路群に構成し、他方を分割流路群として構成しなくてもよい。
【００４９】
前記第１空気流路群９０ａは、第１空気供給用連通孔８４ａ及び第１空気排出用連通孔８６ａとそれぞれ連通路７４を介して連通するように設けられ、前記第１空気供給用連通孔８４ａから供給された空気は、前記第１空気流路群９０ａを構成する複数の空気流路８８に沿って鉛直方向に流通した後、第１空気排出用連通孔８６ａから排出される。
【００５０】
一方、前記２空気流路群９０ｂは、第２空気供給用連通孔８４ｂ及び第２空気排出用連通孔８６ｂとそれぞれ連通路７６を介して連通するように設けられ、前記第２空気供給用連通孔８４ｂから供給された空気は、前記第２空気流路群９０ｂを構成する複数の空気流路８８に沿って鉛直方向に流通した後、第２空気排出用連通孔８６ｂから排出される。
【００５１】
この場合、前記第１空気流路群９０ａと第２空気流路群９０ｂとのいずれか一方にのみ空気を供給するように切換制御し、又は、前記第１空気流路群９０ａと第２空気流路群９０ｂとの間で空気の流通量（供給量）がそれぞれ異なるように前記第１空気流路群９０ａと第２空気流路群９０ｂとの両方に空気を供給するように切換制御することができる。
【００５２】
このように、空気は、第１空気供給用連通孔８４ａ及び／又は第２空気供給用連通孔８４ｂから、各単セル５１の第１空気流路群９０ａ及び／又は第２空気流路群９０ｂを構成する空気流路８８にそれぞれ流れ込み、各カソード５５に供給された後、未反応の空気が第１空気排出用連通孔８６ａ及び／又は第２空気排出用連通孔８６ｂを介して外部に排出されるようになっている。
【００５３】
単セル５１の積層方向（前後方向）において、後方に向かって、スタック本体５０の左側部には、冷媒を、各単セル５１に供給するための４本の冷媒供給用連通孔９２ａが形成されている。スタック本体５０の右側部には、各単セル５１から排出された冷媒を、排出するための４本の冷媒排出用連通孔９２ｂが形成されている。
【００５４】
加湿器１６の出力側には空気排出通路３４が接続され、前記空気排出流路３４は、希釈器２２を貫通するように配設され、その通路中にはカソード５５側の圧力（背圧）を制御する背圧弁９６が設けられる（図１参照）。
【００５５】
図１に示すように、水素供給系２０は、水素タンク１２、水素供給通路３６、遮断弁３８、エゼクタ４０、循環流路４１、気液分離器４２及びドレン弁４４を有する。
【００５６】
水素タンク１２内には、燃料ガスとしての水素が充填されており、この水素は、遮断弁３８と水素タンク１２内に設けられた図示しない電磁弁とが開放されることで、水素供給通路３６を通ってエゼクタ４０に導入される。エゼクタ４０は、水素タンク１２から送給される水素と燃料電池スタック１０からフィードバックされる水素とを混合させ、これを燃料電池スタック１０に再供給して水素を循環させている。
【００５７】
循環流路４１は、燃料電池スタック１０から排出される水素をエゼクタ４０を介して再度燃料電池スタック１０に戻す流路であり、その流路中に気液分離器４２が設けられている。
【００５８】
気液分離器４２は、燃料電池スタック１０から排出される水分を含んだ水素ガスを、水素と水とに分離する機能を有するタンクからなり、前記タンクの底部に分離した水が貯留される構造となっている。また、前記気液分離器４２の底部には、タンク内の水を希釈器２２に排出するためのドレンライン４６が接続されていると共に、このドレンライン４６には、ドレンが排出される管路を開閉するドレン弁４４が設けられる。
【００５９】
希釈器２２は、内部が中空に形成されたハウジングを有し、前記ハウジングの底部には、該ハウジング内に貯留された水を外部に排出するための図示しない貫通孔が形成されている。
【００６０】
ＥＣＵ３０は、燃料電池システム１００の各機器、主としてコンプレッサ１４、背圧弁９６、遮断弁３８、ドレン弁４４、掃気弁２４及び切換機構２８に対してそれぞれ制御信号を導出して制御を行う。特に、このＥＣＵ３０は、燃料電池スタック１０の停止時において、コンプレッサ１４を適宜制御することにより、希釈器２２内において良好に水素を希釈すると共に、停止処理が完了した後には、希釈器２２内において希釈された水素が排出されるように作動している。
【００６１】
掃気弁２４は、掃気処理時において、コンプレッサ１４から供給される掃気ガス（空気）をアノード５４に導出するものである。すなわち、ＥＣＵ３０からの制御信号に基づいて掃気弁２４が付勢され、前記掃気弁２４の図示しない弁体が着座部から離間して開成することにより、コンプレッサ１４から供給された掃気ガス（空気）がアノード５４に導出され、前記アノード５４を掃気する。前記アノード５４を掃気した後、前記掃気ガスは、循環流路４１を通じて気液分離器４２に送給され、ドレン弁４４から残水素、不純物等と一緒に排出される。
【００６２】
燃料電池スタック１０の水素入口側に接続されるマニホールド２６ａには、スタック本体５０の第１水素供給用連通孔５６ａ及び第２水素供給用連通孔５６ｂにそれぞれ連通接続される第１分岐通路１０２ａ及び第２分岐通路１０２ｂが設けられる（図３及び図５〜図９参照）。また、燃料電池スタック１０の水素出口側に接続されるマニホールド２６ｂには、スタック本体５０の第１水素排出用連通孔５８ａ及び第２水素排出用連通孔５８ｂにそれぞれ連通接続される第３分岐通路１０４ａ及び第４分岐通路１０４ｂが設けられる（図３参照）。前記第３分岐通路１０４ａ及び第４分岐通路１０４ｂは、マニホールド２６ｂ内において合流して単一の出力ポート（図示せず）となり、前記単一の出力ポートを介して循環流路４１に連通接続される。
【００６３】
切換機構２８は、例えば、図３〜図９に示すようなバタフライ弁１１０、又は図１０に示すようなシャッタ弁２１０等によって構成され、前記切換機構２８の出力側はマニホールド２６ａの第１分岐通路１０２ａ及び第２分岐通路１０２ｂを介してスタック本体５０の第１水素供給用連通孔５６ａ及び第２水素供給用連通孔５６ｂにそれぞれ接続される。
【００６４】
前記バタフライ弁１１０は、円筒状の流路中に設けられ、半円状に形成された弁体１１２と、前記流路の直径方向に沿って設けられ、前記弁体１１２を所定角度だけ回転（傾動）自在に軸支する軸部材１１４と、前記軸部材１１４を回動中心として前記弁体１１２を所定角度だけ回転（傾動）させる図示しない駆動手段（例えば、アクチュエータ等）と、前記弁体１１２に設けられ該弁体１１２が着座部に着座したときにシールするシール部材１１６とを備える。
【００６５】
前記バタフライ弁１１０は、前記弁体１１２が一方側の第１分岐通路１０２ａ又は他方側の第２分岐通路１０２ｂのいずれにも傾動（回転）しない中間位置（図５参照）と、前記駆動手段の駆動作用下に前記弁体１１２を前記中間位置から一方側に所定角度だけ傾動させた第１切換位置（図６参照）と、前記とは反対に前記弁体１１２を他方側に所定角度だけ傾動させた第２切換位置（図７参照）とが切換可能に設けられる。
【００６６】
この場合、前記バタフライ弁１１０は、マニホールド２６ａの第１分岐通路１０２ａ、スタック本体５０の第１水素供給用連通孔５６ａを経由して、アノードセパレータ６１の第１水素流路群７０ａと連通するように設けられる。一方、前記バタフライ弁１１０は、マニホールド２６ａの第２分岐通路１０２ｂ、スタック本体５０の第２水素供給用連通孔５６ｂを経由して、アノードセパレータ６１の第２水素流路群７０ｂと連通するように設けられる。
【００６７】
前記バタフライ弁１１０が中間位置のときには、図５に示すように、マニホールド２６ａの第１分岐通路１０２ａ及び第２分岐通路１０２ｂがそれぞれ全開の自由流れとなり、第１水素流路群７０ａ及び第２水素流路群７０ｂに沿って略同量の水素がそれぞれ流通する。従って、第１水素流路群７０ａと第２水素流路群７０ｂとの間で圧力差が発生せず、流通する水素の流速も略同等である。
【００６８】
前記中間位置において、図６に示すように、前記駆動手段の駆動作用下に前記弁体１１２を中間位置から一方側に所定角度だけ傾動させた第１切換位置では、第１分岐通路１０２ａが前記弁体１１２によって全開状態からその流通量が所定量に制御され、且つ他方側の第２分岐通路１０２ｂが全開（自由流れ）となる。従って、第１切換位置では、第１水素流路群７０ａを流通する水素量が絞られて圧力損失が発生し、前記圧力損失に起因して第２水素流路群７０ｂを流通する水素の流速が前記中間位置と比較して増大する。
【００６９】
図７に示すように、前記とは反対に前記弁体１１２を他方側に所定角度だけ傾動させた第２切換位置では、一方側の第１分岐通路１０２が全開（自由流れ）となり、且つ他方側の第２分岐通路１０２ｂが前記弁体１１２によって全開状態からその流通量が所定量に制御される。従って、第２切換位置では、第２水素流路群７０ｂを流通する水素量が絞られて圧力損失が発生し、前記圧力損失に起因して第１水素流路群７０ａを流通する水素の流速が前記中間位置のときと比較して増大する。なお、前記中間位置、第１切換位置及び第２切換位置では、それぞれ、切換機構２８に供給される水素流量が同一であるものとする。
【００７０】
また、図８及び図９に示すように、軸部材１１４を回転中心として弁体１１２を回転させて第１分岐通路１０２ａを閉塞した第３切換位置と、第２分岐通路１０２ｂを閉塞した第４切換位置に、前記バタフライ弁１１０の弁切換位置を切り換えるようにしてもよい。前記第３切換位置又は第４切換位置では、第１分岐通路１０２ａ又は第２分岐通路１０２ｂにそれぞれ連通する第１水素流路群７０ａ又は第２水素流路群７０ｂのいずれか一方の水素流路群への水素の供給が遮断され、第１水素流路群７０ａ及び第２水素流路群７０ｂの両方に水素が供給される中間位置と比較して水素が流通可能な水素流路６４の流路数が約半分となる。この結果、水素が流通する全流路断面積が異なることにより、いずれか一方の水素流路群を流通する水素の流速が増大する（図８（ｂ）又は図９（ｂ）参照）。
【００７１】
このように、切換機構２８を介してアノードセパレータ６１に形成された第１水素流路群７０ａ及び／又は第２水素流路群７０ｂに対する水素の供給を切り換えることにより、水素流路６４に沿って流通する水素の流速を増大させることができ、例えば、アノード５４の多孔質体中、又はアノード５４とアノードセパレータ６１との間に発生した水を、第１水素排出用連通孔５８ａ又は第２水素排出用連通孔５８ｂに好適に移動させて外部に排出することができる。
【００７２】
換言すると、中間位置のときに水素流路６４に沿って流通する水素の流速と比較して、第１切換位置又は第２切換位置における水素流路群を流通する水素の流速が増大するため、前記流速が増大した水素によって貯留された水を好適に吹き飛ばして排水を促進させることができる。
【００７３】
このような切換機構２８による切換制御は、空気が供給されるカソード５５側（カソードセパレータ６２）においても同様に遂行することができる（図４参照）。
【００７４】
前記切換機構２８として図１０に示すシャッタ弁２１０を用いてもよい。このシャッタ弁２１０は、相互に分離した第１連通孔２１２ａ及び第２連通孔２１２ｂを有する弁ボデイ２１４と、隣接する第１開口部２１６ａ及び第２開口部２１６ｂが形成されたシャッタ２１８と、前記シャッタ２１８を変位させる図示しない駆動手段と、前記シャッタ２１８に摺接してシールするシール部材２２０とを備える。この場合、弁ボデイ２１４の第１連通孔２１２ａとシャッタ２１８の第１開口部２１６ａとが連通すると共に、第２連通孔２１２ｂとシャッタ２１８の第２開口部２１６ｂとが連通することにより、中間位置となる（図１０（ａ）参照）。
【００７５】
駆動手段の駆動作用下に前記中間位置から矢印Ａ方向に沿ってシャッタ２１８をスライドさせることにより、第１連通孔２１２ａがシャッタ２１８によって閉塞され、且つ第２連通孔２１２ｂとシャッタ２１８の第１開口部２１６ａとが連通した第１切換位置となる（図１０（ｂ）参照）。また、前記とは反対に矢印Ｂ方向に沿ってシャッタ２１８をスライドさせることにより、第２連通孔２１２ｂがシャッタ２１８によって閉塞され、且つ第１連通孔２１２ａとシャッタ２１８の第２開口部２１６ｂとが連通した第２切換位置となる（図１０（ｃ）参照）。なお、前記シャッタ２１８を直線方向に沿ってスライドさせることがなく、円板状からなる図示しないシャッタの中心を回転中心として前記シャッタを所定角度だけ回動させて連通孔とシャッタの開口部との連通状態を切り換えるように構成してもよい。
【００７６】
本実施形態では、単セル５１の水素供給面であるアノードセパレータ６１の一側面及び空気供給面であるカソードセパレータ６２の一側面に、それぞれ、複数の水素流路群及び空気流路群をそれぞれ設け、切換機構２８を介して各流路群の全部又は選択された流路群に対して水素又は空気の供給を切り換え制御することにより、前記供給される水素又は空気の流速を増大させて排水を促進させることができる。前記切換機構２８による切り換え制御は、ＥＣＵ３０によって所定時間毎に定期的に行うようにしてもよい。
【００７７】
また、本実施形態では、アノードセパレータ６１及びカソードセパレータ６２に供給された水素及び空気を、流路に沿って上から下へ鉛直下方向に向かって流通させることにより、水（生成水）の排出に対して重力作用を付与することができ、前記水の排出能力を大幅に向上させることができる。
【００７８】
さらに、本実施形態では、フラッディングの発生を防止するために従来から用いられていたパージバルブが不要となり、部品点数を削減して製造コストの低減化を図ることができる。この場合、本実施形態では、従来のようなパージバルブによる系外への水素の放出がなくなるため、無駄な水素排出を抑制して水素の効率的な利用を図ることができる。
【００７９】
さらにまた、本実施形態では、掃気弁２４による掃気処理を行う際、切換機構２８の切換作用によって少量の空気（掃気エア）によって掃気処理を遂行することができるため、掃気処理に要するコンプレッサ１４の消費電力を削減することができると共に、前記コンプレッサ１４によって発生するノイズ及び騒音を抑制することができる。
【００８０】
またさらに、本実施形態では、カソード５５からの透過作用によって循環流路４１内に溜まった水を気液分離器４２のドレン弁４４から排出する際、希釈器２２において消費する空気量を減少させることができる。又は、希釈器２２を構成するケーシングの縮小化を図ることができる。
【００８１】
またさらに、本実施形態では、例えば、単セル５１の供給面に対して供給される水素量が増大する高負荷運転状態（要求される発電量が大きい状態）において切換制御を行うことがなく、供給される水素量が減少する低負荷運転状態（要求される発電量が小さい状態）において切換機構２８による切換制御を行うと好適である。
【００８２】
例えば、図示しない電気自動車の加速時等のように要求される発電量が大きいとき、すなわち、単セル５１が高負荷状態にあるときには、供給される水素量が多いために水が溜まりにくく（フラッディングが容易に発生しない）、また、第１及び第２水素流路群毎の過度の圧力上昇を抑制するために、第１水素流路群７０ａ及び第２水素流路群７０ｂの両方に対して水素が供給されるとよい。
【００８３】
これに対して、例えば、図示しない電気自動車の停車時等のように要求される発電量が小さいとき、すなわち、単セル５１が低負荷状態にあるときには、流通する水素の流量が少量であるために水が溜まりやすくなり、水素を流通させる流路群を選択してその流速を増大させることにより、水の排出を促進してフラッディングを防止することができる。
【００８４】
またさらに、本実施形態では、ＥＣＵ３０が湿度センサ３２からの検出信号によって燃料電池スタック１０の水素出口側に水が貯留されたことを検知した後、前記ＥＣＵ３０は、前記切換機構２８に付勢信号を導出し前記切換機構２８によって切換制御を行うことにより水の排出を促進させるようにしてもよい。
【００８５】
例えば、水素出口側のマニホールド２６ｂの第３分岐通路１０４ａを流通する水素の湿度を検出する湿度センサ３２から出力された第１検出信号と、前記マニホールド２６ｂの第４分岐通路１０４ｂを流通する水素の湿度を検出する湿度センサ３２から出力された第２検出信号とをそれぞれＥＣＵ３０に導入する。前記ＥＣＵ３０は、予め設定（記憶）された閾値（基準値）と前記第１検出信号及び第２検出信号とをそれぞれ比較判断し、検出湿度に対応して選択された所望の水素流路群から水を排出することができるように、切換機構２８に対して制御信号を導出するようにするとよい。
なお、本実施形態では、固体高分子膜５３、アノード５４及びカソード５５を、それぞれ単一のものに構成しているが、アノードセパレータ６１及びカソードセパレータ６２に形成された流路群の数に対応させて分割構成するようにしてもよい。
【００８６】
次に、変形例に係るアノードセパレータ６１ａの側面図を図１１に示す。なお、図３と同一の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
この変形例に係るアノードセパレータ６１ａは、水素流路６４が流通方向（水平方向）と反対方向に複数回折り返して形成される図示しないサーペンタイン回路をベースとして構成される。アノードセパレータ６１ａの左上部には、第１水素供給用連通孔５６ａ及び第２水素供給用連通孔５６ｂがそれぞれ分離して配置され、右下部には、第１水素排出用連通孔５８ａ及び第２水素排出用連通孔５８ｂがそれぞれ分離して配置される。
【００８７】
この場合、前記第１水素供給用連通孔５６ａと前記第１水素排出用連通孔５８ａとは、折り返して形成される第１水素流路群７０ａによって連通接続され、一方、前記第２水素供給用連通孔５６ｂと前記第２水素排出用連通孔５８ｂとは、折り返して形成される第２水素流路群７０ｂによって連通接続される。前記第１水素流路群７０ａ及び第２水素流路群７０ｂは、リブ６６によって分割された複数の水素流路６４によって構成される。なお、図示しないカソードセパレータを前記アノードセパレータ６１ａと同様に構成してよいことは勿論である。
【００８８】
変形例に係るアノードセパレータ６１ａを用いることにより、水素の流速を増大させてフラッディングの発生を好適に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの分解斜視図である。
【図３】図２に示されるアノードセパレータを後方から前方に向かって見た拡大斜視図である。
【図４】図２に示されるカソードセパレータの拡大斜視図である。
【図５】（ａ）は、弁体が中間位置にあるときのバタフライ弁の縦断面構造図、（ｂ）は、前記弁体の中間位置と複数の水素流路群を流通する水素の流速との関係を示す説明図である。
【図６】（ａ）は、弁体が第１切換位置にあるときのバタフライ弁の縦断面構造図、（ｂ）は、前記弁体の第１切換位置と複数の水素流路群を流通する水素の流速との関係を示す説明図である。
【図７】（ａ）は、弁体が第２切換位置にあるときのバタフライ弁の縦断面構造図、（ｂ）は、前記弁体の第２切換位置と複数の水素流路群を流通する水素の流速との関係を示す説明図である。
【図８】（ａ）は、弁体が第３切換位置にあるときのバタフライ弁の縦断面構造図、（ｂ）は、前記弁体の第３切換位置と複数の水素流路群を流通する水素の流速との関係を示す説明図である。
【図９】（ａ）は、弁体が第４切換位置にあるときのバタフライ弁の縦断面構造図、（ｂ）は、前記弁体の第４切換位置と複数の水素流路群を流通する水素の流速との関係を示す説明図である。
【図１０】（ａ）は、中間位置の状態、（ｂ）は、第１切換位置の状態、（ｃ）は、第２切換位置の状態をそれぞれ示すシャッタ弁の縦断面構造図である。
【図１１】変形例に係るアノードセパレータの側面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０    燃料電池スタック
２４    掃気弁
２８    切換機構
３０    ＥＣＵ
５１    単セル
５２    ＭＥＡ
５３    固体高分子膜
５４    アノード
５５    カソード
６１、６１ａ    アノードセパレータ
６２    カソードセパレータ
６４    水素流路
７０ａ、７０ｂ    水素流路群
８８    空気流路
９０ａ、９０ｂ    空気流路群
１００  燃料電池システム
【図１】
2008300096.tif 000003
【図２】
2008300096.tif 000004
【図３】
2008300096.tif 000005
【図４】
2008300096.tif 000006
【図５】
2008300096.tif 000007
【図６】
2008300096.tif 000008
【図７】
2008300096.tif 000009
【図８】
2008300096.tif 000010
【図９】
2008300096.tif 000011
【図１０】
2008300096.tif 000012
【図１１】
2008300096.tif 000013