(57)【要約】【課題】コンパクトな構成で、流路閉塞を迅速且つ効率的に解消することができ、所望の発電性能を確保することを可能にする。【解決手段】弁機構５５は、モータ５８ａを介して回転駆動される略円筒形状の弁部材５６ａを備える。弁部材５６ａは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａに配設される。この弁部材５６ａは、軸方向に延在して酸化剤ガス入口連通孔４０ａを各酸化剤ガス流路４６に一体に連通可能な開口部６４と、軸方向に傾斜して設けられ、前記弁部材５６ａが回転する際に前記酸化剤ガス入口連通孔４０ａと前記酸化剤ガス流路４６との連通状態を変更可能なスリット部６６とを有する。【選択図】図２
2008226710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成される単位セルを複数積層するとともに、積層方向に貫通して前記反応ガスを流す複数の反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
少なくとも１つの前記反応ガス連通孔に回転自在に配設される円筒形状の弁部材を備え、
前記弁部材は、軸方向に延在して設けられ、前記単位セルの各反応ガス流路に前記反応ガス連通孔を一体に連通可能な開口部と、
前記軸方向に傾斜して設けられ、前記弁部材が回転する際に前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔との連通状態を変更可能なスリット部と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記弁部材は、第１回転駆動源に連結されて回転自在な円筒形状の外管部材と、
第２回転駆動源に連結されるとともに、前記外管部材内に配置されて回転自在な円筒形状の内管部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、前記弁部材の外周面と前記反応ガス連通孔の内壁面との間には、前記反応ガスの流れを許容する空間部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成される単位セルを複数積層するとともに、積層方向に貫通して前記反応ガスを流す複数の反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持した単位セル（発電セル）により構成されている。この単位セルは、通常、所定数だけ積層されることにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池は、通常、反応ガスである酸化剤ガス及び燃料ガスを、カソード側電極及びアノード側電極に供給するために、前記カソード側電極面に沿って酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路と、前記アノード側電極面に沿って燃料ガスを流す燃料ガス流路とを有している。
【０００４】
ところで、特に、酸化剤ガス流路には、発電反応により生成された生成水が滞留水として存在し易い。一方、燃料ガス流路には、酸化剤ガス流路からの生成水の逆拡散や結露等により滞留水が発生する場合がある。しかしながら、酸化剤ガス流路内や燃料ガス流路内に滞留水が増加すると、流路閉鎖（フラッディング）が生じて酸化剤ガスや燃料ガスの流れが妨げられ、発電性能が低下するという問題がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示された燃料電池装置が知られている。この燃料電池装置は、図１７に示すように、複数の単セルが積層されたスタック構造１を備えており、このスタック構造１では、酸化剤ガス供給マニホールドの内部にスリット構造２が収納されている。スリット構造２は、第１シャフト３ａに連結された第１スリットプレート４ａと、第２シャフト３ｂに連結された第２スリットプレート４ｂとを備えている。
【０００６】
第１シャフト３ａ及び第２シャフト３ｂの一端には、カム部５が設けられるとともに、このカム部５は、モータ６によって回転駆動されている。第１シャフト３ａ及び第２シャフト３ｂの他端側には、スプリング７ａ、７ｂが配置されている。
【０００７】
第１スリットプレート４ａ及び第２スリットプレート４ｂは、酸化剤ガス供給マニホールド上に配置されている複数の酸化剤ガス流路８に重なり合う位置と、重なり合わない位置とに、選択的に切換可能に構成されている。
【０００８】
そこで、スリット構造２では、モータ６の駆動作用下に、カム部５を介して第１スリットプレート４ａ又は第２スリットプレート４ｂが所定の酸化剤ガス流路８の入口部を塞ぐと、所定の期間、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス流路８の数が半減している。これにより、酸化剤ガス流路８内に供給される酸化剤ガスの流量及び圧力が増大し、前記酸化剤ガス流路８を閉塞している水を吹き飛ばして流路の閉塞状態を解消する、としている。
【０００９】
【特許文献１】特開平９−３１２１６８号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の特許文献１では、スタック構造１内に、複数の酸化剤ガス流路８の入口部分全体を覆って第１スリットプレート４ａ及び第２スリットプレート４ｂが配置されているため、燃料電池全体が大型化且つ複雑化するという問題がある。
【００１１】
しかも、特定の単位セルだけに、選択的に酸化剤ガスを流すことができず、流路閉塞が惹起された特定の単位セルのみに水排出処理を施すことができない。これにより、流路閉塞された単位セル以外の単位セルにわたって、水排出処理が行われることになり、無駄に供給される酸化剤ガス流量が相当に増大し、効率的ではないという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、コンパクトな構成で、流路閉塞を迅速且つ効率的に解消することができ、所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池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】
【００１３】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成される単位セルを複数積層するとともに、積層方向に貫通して前記反応ガスを流す複数の反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関するものである。
【００１４】
燃料電池は、少なくとも１つの反応ガス連通孔に回転自在に配設される円筒形状の弁部材を備え、前記弁部材は、軸方向に延在して設けられ、単位セルの各反応ガス流路に前記反応ガス連通孔を一体に連通可能な開口部と、前記軸方向に傾斜して設けられ、前記弁部材が回転する際に反応ガス流路と前記反応ガス連通孔との連通状態を変更可能なスリット部とを有している。
【００１５】
また、弁部材は、第１回転駆動源に連結されて回転自在な円筒形状の外管部材と、第２回転駆動源に連結されるとともに、前記外管部材内に配置されて回転自在な円筒形状の内管部材とを備えることが好ましい。
【００１６】
さらに、弁部材の外周面と反応ガス連通孔の内壁面との間には、反応ガスの流れを許容する空間部が形成されることが好ましい。この空間部は、例えば、弁部材の外周面と反応ガス連通孔の内壁面との寸法差（隙間）によって形成され、あるいは、前記弁部材の壁面が多孔構造であることにより形成されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、弁部材の開口部を介して反応ガス連通孔が各反応ガス流路に一体に連通している。このため、反応ガス連通孔から各反応ガス流路に反応ガスを良好且つ確実に供給することができる。
【００１８】
一方、弁部材が回転されると、軸方向に傾斜するスリット部から一部の単位セルの反応ガス流路に反応ガスが集中して供給されるとともに、前記弁部材から前記反応ガスが集中して導出されるガス導出位置が、順次、変更される。従って、流路閉塞が発生した反応ガス流路に供給される反応ガスの流速が増加するとともに、前記反応ガス流路内での反応ガスの供給位置が変更されるため、前記流路閉塞を迅速且つ効率的に解消させることができる。
【００１９】
しかも、燃料電池の出力の低下や、電解質及び電極触媒の劣化を阻止することが可能になる。さらに、燃料電池全体に対する反応ガスの供給量が増加することがない。このため、例えば、酸化剤ガス供給系側では、エアポンプの消費電力の削減を図ることが可能になる。一方、燃料ガス供給系側では、外部に排出される燃料ガス量の削減を図ることができる。これにより、コンパクトな構成で、所望の発電性能を効率的に確保することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０を組み込む燃料電池システム１２の概略説明図である。この燃料電池システム１２は、例えば、車載用として使用される。
【００２１】
燃料電池システム１２を構成する燃料電池１０は、図２に示すように、複数の単位セル１４が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１６を備える。積層体１６の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート２０ａ、絶縁プレート２２ａ及びエンドプレート２４ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１６の積層方向他端には、ターミナルプレート２０ｂ、絶縁プレート２２ｂ及びエンドプレート２４ｂが外方に向かって、順次、配設される。
【００２２】
燃料電池１０は、例えば、四角形に構成されるエンドプレート２４ａ、２４ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持され、あるいは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）により一体的に締め付け保持される。
【００２３】
単位セル１４は、図３に示すように、電解質膜・電極構造体２６と、この電解質膜・電極構造体２６を挟持する第１及び第２金属セパレータ２８、３０とを備える。第１及び第２金属セパレータ２８、３０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して構成されるが、例えば、カーボン部材等で構成してもよい。
【００２４】
電解質膜・電極構造体２６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード側電極３４及びカソード側電極３６とを備える。
【００２５】
アノード側電極３４及びカソード側電極３６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３２の両面に形成されている。
【００２６】
単位セル１４の矢印Ｂ方向（図３中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４２ａ及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２７】
単位セル１４の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４２ｂ及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２８】
少なくとも酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び燃料ガス入口連通孔４４ａは、開口断面形状が、例えば、円形状に設定される。なお、開口断面形状は、円形状に代えて、正方形状等の正多角形状に設定してもよい。
【００２９】
第１金属セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２６に向かう面２８ａには、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する酸化剤ガス流路４６が設けられる。この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス入口連通孔４０ａと酸化剤ガス出口連通孔４０ｂとに連通する。第１金属セパレータ２８の面２８ｂには、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通する冷却媒体流路４８が形成される。この冷却媒体流路４８は、矢印Ｂ方向に略直線状に延在する。
【００３０】
第２金属セパレータ３０の電解質膜・電極構造体２６に向かう面３０ａには、水平方向に延在する燃料ガス流路５０が形成される。燃料ガス流路５０は、燃料ガス入口連通孔４４ａと燃料ガス出口連通孔４４ｂとに連通する。第２金属セパレータ３０の面３０ｂには、第１金属セパレータ２８と重なり合うことにより冷却媒体流路４８が形成される。
【００３１】
第１金属セパレータ２８の外周縁部を囲繞して、第１シール部材５２が一体成形されるとともに、第２金属セパレータ３０の外周縁部を囲繞して、第２シール部材５４が一体成形される。
【００３２】
燃料電池１０内には、弁機構５５が組み込まれる。この弁機構５５は、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び燃料ガス入口連通孔４４ａに配設される略円筒形状の弁部材５６ａ、５６ｂを備える。弁部材５６ａ、５６ｂは、好適な電気絶縁性樹脂で構成されるとともに、回転駆動源、例えば、モータ５８ａ、５８ｂを介して回転自在である。なお、モータ５８ａは、ステップモータやサーブモータに減速機を連結する他、超音波モータやロータリアクチュエータ等が使用される。
【００３３】
弁部材５６ａ、５６ｂは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び燃料ガス入口連通孔４４ａ内に各単位セル１４の積層方向（矢印Ａ方向）に延在して一体的に挿入される。
【００３４】
図２及び図４に示すように、弁部材５６ａは、一端部（エンドプレート２４ａ側端部）が開放されるとともに、他端部（エンドプレート２４ｂ側端部）が閉塞され、この他端部に回転軸６０が一体に設けられる。回転軸６０は、エンドプレート２４ｂにベアリング６２を介して回転自在に支持されるとともに、モータ５８ａに連結される（図５参照）。弁部材５６ａの一端部は、同様にベアリング６２を介してエンドプレート２４ａに支持されることが好ましい。
【００３５】
弁部材５６ａは、軸方向（矢印Ａ方向）に延在して各単位セル１４の酸化剤ガス流路４６に酸化剤ガス入口連通孔４０ａを一体に連通可能なスリット状開口部６４を有する。弁部材５６ａには、軸方向に傾斜して、例えば、前記弁部材５６ａの外周部を螺旋状に周回して、スリット部６６が設けられる。
【００３６】
スリット部６６は、弁部材５６ａが回転する際に、酸化剤ガス流路４６と酸化剤ガス入口連通孔４０ａとの連通状態を変更可能である。弁部材５６ａには、スリット部６６により分断されることを阻止するために、所定数の連結部６８が設けられる。スリット部６６は、弁部材５６ａを径方向に貫通しているが、この弁部材５６ａの外周部に所定の深さまで切り込んで形成される溝部（凹部）により構成してもよい。
【００３７】
なお、弁部材５６ｂは、上記の弁部材５６ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３８】
図１に示すように、燃料電池システム１２は、燃料電池１０に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系７０と、前記燃料電池１０に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系７２と、前記燃料電池１０に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給系（図示せず）とを備える。
【００３９】
酸化剤ガス供給系７０は、エアポンプ７４を設け、このエアポンプ７４は、酸化剤ガス供給路７６を介して燃料電池１０の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに連通する。燃料電池１０の酸化剤ガス出口連通孔４０ｂは、酸化剤ガス排出路７８に連通するとともに、前記酸化剤ガス排出路７８の途上には、背圧弁８０が配設される。
【００４０】
燃料ガス供給系７２は、水素タンク８２を設け、この水素タンク８２の出口側近傍には、調圧器８４が配設される。水素タンク８２及び調圧器８４は、燃料ガス供給路８６を介して燃料電池１０の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する。燃料ガス供給路８６には、エゼクタ８８を介して循環流路９０が接続され、この循環流路９０は、燃料電池１０の燃料ガス出口連通孔４４ｂに連通する。循環流路９０には、パージ弁９２が接続される。
【００４１】
上記のように構成される燃料電池システム１２の動作について、以下に説明する。
【００４２】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給系７０を構成するエアポンプ７４が駆動され、酸化剤ガス供給路７６から燃料電池１０の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。一方、燃料ガス供給系７２を構成する水素タンク８２から調圧器８４を介して、燃料ガス供給路８６に水素含有ガス等の燃料ガスが導入される。この燃料ガスは、燃料電池１０の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される。さらに、図示しない冷却媒体供給系を介して、燃料電池１０の冷却媒体入口連通孔４２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４３】
酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４０ａから第１金属セパレータ２８の酸化剤ガス流路４６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体２６のカソード側電極３６に供給される。
【００４４】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４４ａから第２金属セパレータ３０の燃料ガス流路５０に導入される。この燃料ガスは、燃料ガス流路５０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２６のアノード側電極３４に供給される。
【００４５】
従って、各電解質膜・電極構造体２６では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００４６】
次いで、カソード側電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極３４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４７】
また、冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ２８と第２金属セパレータ３０との間に形成される冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２６を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４２ｂから排出される。
【００４８】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０により通常の発電が行われる際には、弁部材５６ａ、５６ｂは、それぞれの開口部６４が酸化剤ガス流路４６及び燃料ガス流路５０に向かって配置されている。このため、図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４０ａは、各単位セル１４の酸化剤ガス流路４６に一体に連通するとともに、燃料ガス入口連通孔４４ａは、各単位セル１４の燃料ガス流路５０に一体に連通している。
【００４９】
従って、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び燃料ガス入口連通孔４４ａから各酸化剤ガス流路４６及び各燃料ガス流路５０に、酸化剤ガス及び燃料ガスを良好且つ確実に供給することができる。これにより、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給量が低減することがなく、所望の発電出力を確実に得ることが可能になる。
【００５０】
次いで、例えば、酸化剤ガス流路４６の排水処理を行う際には、モータ５８ａが駆動されて弁部材５６ａが所定の方向に、例えば、１回転される。その際、図６に示すように、弁部材５６ａの開口部６４は、酸化剤ガス流路４６から離脱する。一方、弁部材５６ａの軸方向に傾斜して設けられているスリット部６６は、積層方向に沿って各酸化剤ガス流路４６に、順次、連通位置を移動しながら（図６中、二点鎖線参照）連通し、酸化剤ガス入口連通孔４０ａと前記酸化剤ガス流路４６とを連通させている。
【００５１】
このため、各単位セル１４の酸化剤ガス流路４６に対し、酸化剤ガスを集中して供給するとともに、弁部材５６ａから前記酸化剤ガスが集中して導出される酸化剤ガス導出位置が、順次、変更されている。これにより、流路閉塞が発生した酸化剤ガス流路４６に供給される酸化剤ガスの流速が増加するとともに、前記酸化剤ガス流路４６内での酸化剤ガスの供給位置が変更されるため、前記流路閉塞を迅速且つ効率的に解消させることができるという効果が得られる。
【００５２】
しかも、燃料電池１０の出力の低下や固体高分子電解質膜３２やアノード側電極３４及びカソード側電極３６を構成する電極触媒層の劣化を阻止することが可能になる。
【００５３】
さらに、燃料電池１０全体に対する酸化剤ガスの供給量を増加させる必要がなく、例えば、酸化剤ガス供給系７０では、エアポンプ７４の消費電力の削減を図ることができる。一方、燃料ガス供給系７２では、外部に排出される燃料ガス量の削減を図ることが可能になり、燃料電池システム１２全体のコンパクト化を図り、且つ、所望の発電性能を効率的に確保することが可能になる。
【００５４】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池に組み込まれる弁機構１００の要部分解斜視図であり、図８は、前記弁機構１００の側面説明図である。
【００５５】
なお、第２の実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ側についてのみ説明するが、燃料ガス入口連通孔４４ａも同様に構成されることは勿論である。また、以下に説明する第３〜第６の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００５６】
弁機構１００は、略円筒形状の外管部材１０２と、前記外管部材１０２内に配置される略円筒形状の内管部材１０４とを備える。外管部材１０２は、例えば、ギアトレン１０６に連結されるモータ１０８を介して回転駆動されるとともに、内管部材１０４は、回転軸１１０に連結されるモータ１１２を介して回転駆動される。
【００５７】
外管部材１０２は、軸方向に延在するスリット状開口部１１４と、前記軸方向に傾斜して螺旋状に設けられるスリット部１１６とを有する。内管部材１０４は、同様に軸方向に延在するスリット状開口部１１８と、前記軸方向に傾斜して螺旋状に設けられるスリット部１２０とを有する。
【００５８】
外管部材１０２のスリット部１１６と内管部材１０４のスリット部１２０とは、互いに逆方向に（対称に）設けられる。スリット部１１６、１２６が互いに重なり合う位置には、ガス噴き出し口１２２が構成される（図８参照）。
【００５９】
このように構成される第２の実施形態では、通常の発電時には、図８に示すように、外管部材１０２の開口部１１４及び内管部材１０４の開口部１１８は、互いに酸化剤ガス流路４６に連通して配置される。
【００６０】
そこで、排水処理時には、外管部材１０２は、モータ１０８の駆動作用下に、例えば、図９中、矢印Ｒ１方向に回転される一方、内管部材１０４はモータ１１２の駆動作用下に、図９中、矢印Ｒ２（矢印Ｒ１とは逆方向）に回転される。このため、外管部材１０２及び内管部材１０４のそれぞれの回転角度によって、スリット部１１６、１２０が互いに重なり合うガス噴き出し口１２２の位置は、軸方向の任意の位置に設定することができる。
【００６１】
従って、排水処理が必要な単位セル１４の酸化剤ガス流路４６の位置に対応して、ガス噴き出し口１２２を移動させることができ、流路閉塞を生じている前記酸化剤ガス流路４６に酸化剤ガスを集中して供給することが可能になる。これにより、排水処理が一層迅速且つ確実に行われるとともに、供給される酸化剤ガス流量を無駄に消費することがなく、効率的且つ経済的であるという効果が得られる。
【００６２】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池に組み込まれる弁機構１３０の概略斜視図である。
【００６３】
弁機構１３０は、モータ１３２により回転駆動される弁部材１３４を備える。弁部材１３４は、略円筒形状を有し、軸方向に延在するスリット状開口部１３６と、軸方向に傾斜して周回するスリット部１３８とを有する。
【００６４】
弁部材１３４は、酸化剤ガス入口連通孔４０ａの内壁面との間に、所定の隙間（空間部）Ｓを設ける。この隙間Ｓは、弁部材１３４の外周面と酸化剤ガス入口連通孔４０ａの内壁面との寸法差（直径差）によって形成される。
【００６５】
このように構成される第３の実施形態では、通常発電時には、弁部材１３４の開口部１３６が各酸化剤ガス流路４６に一体に連通する一方、排水処理時には、モータ１３２の駆動作用下に、前記弁部材１３４が回転される。このため、図１１に示すように、所定の酸化剤ガス流路４６に対応して、スリット部１３８が連通位置を移動させながら連通するとともに、開口部１３６から隙間Ｓに酸化剤ガスが導入される。
【００６６】
従って、任意の酸化剤ガス流路４６には、スリット部１３８から酸化剤ガスが供給されるとともに、全ての酸化剤ガス流路４６には、隙間Ｓを通って酸化剤ガスが供給されている。これにより、隙間Ｓを介して全ての酸化剤ガス流路４６に酸化剤ガスが供給されるため、排水処理時にスタック全体の出力低下や酸化剤ガス（及び燃料ガス）の不足による電解質膜・電極構造体２６の劣化を防止することができる。
【００６７】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する弁機構１４０の概略斜視図である。なお、図１０に示す第３の実施形態に係る弁機構１３０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は省略する。
【００６８】
弁機構１４０を構成する弁部材１４２は、多孔質材で構成されている。このため、弁部材１４２と酸化剤ガス入口連通孔４０ａとの内壁面との間には、この弁部材１４２の多孔質によって空間部１４４が形成される。
【００６９】
これにより、排水処理時に、モータ１３２を介して弁部材１４２が回転される際、開口部１３６が酸化剤ガス流路４６から離脱しても、一部の酸化剤ガス流路４６にはスリット部１３８から酸化剤ガスが供給されるとともに、他の全ての酸化剤ガス流路４６には、多孔質である空間部１４４から酸化剤ガスが供給されている。従って、第４の実施形態では、第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７０】
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１５０の概略説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１２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は省略する。
【００７１】
燃料電池システム１５０は、燃料電池１０のセル電圧を検出する制御装置１５２を備え、この制御装置１５２は、弁機構５５を構成するモータ５８ａ、５８ｂを駆動制御する。
【００７２】
この燃料電池システム１５０を用いて排水処理を行う際の制御を、図１４に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００７３】
燃料電池システム１５０では、燃料電池１０による発電が行われており、この燃料電池１０のセル電圧が制御装置１５２により検出される（ステップＳ１）。そして、燃料電池１０から検出されるセル電圧のいずれかが、所定値以下であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、弁機構５５が駆動される。
【００７４】
このため、第１の実施形態と同様に、弁機構５５を構成する弁部材５６ａ、５６ｂが１回転することにより、各単位セル１４の酸化剤ガス流路４６及び燃料ガス流路５０の排水処理が遂行される。なお、セル電圧が、所定値以下であるか否かの判断は、燃料電池１０の発電条件から、例えば、マップ等を読み取って求めることができる。
【００７５】
図１５は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システム１６０の概略説明図である。なお、図１３に示す燃料電池システム１５０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は省略する。
【００７６】
燃料電池システム１６０は、燃料電池１０に弁機構１００が組み込まれる。この燃料電池システム１６０による排水処理の制御を、図１６に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００７７】
燃料電池１０の運転が行われている間、制御装置１５２では、セル電圧を検出し（ステップＳ１１）、いずれかのセル電圧が所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。そして、いずれかのセル電圧が所定値以下であると判断されると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進んで、弁機構１００が駆動制御される。
【００７８】
そして、ガス噴き出し口１２２は、セル電圧が低下した単位セル１４に対応して配置されるため、電圧低下が生じた単位セル１４に酸化剤ガスが集中して供給される。この状態を所定の時間だけ保持した後、弁機構１００が通常位置に戻される（ステップＳ１４）。その際、ガス噴き出し口１２２を電圧低下が生じた単位セル１４に保持する所定時間は、他の単位セル１４に対してダメージがなく、排水し得る最短時間を実験的に求めた時間である。
【００７９】
上記のように、第５及び第６の実施形態では、燃料電池１０の発電時に発電出力が低下した単位セル１４を検出して、弁機構５５、１００を制御している。これにより、流路閉塞を速やかに解消させることができ、燃料電池１０の出力の低下や電解質膜・電極構造体２６の劣化等を良好に防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池システムの概略説明図である。
【図２】前記燃料電池の一部分解概略斜視図である。
【図３】前記燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記弁機構の概略側面説明図である。
【図５】前記弁機構の動作を示す説明図である。
【図６】前記弁機構の動作を示す説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池に組み込まれる弁機構の要部分解斜視図である。
【図８】前記弁機構の側面説明図である。
【図９】前記弁機構の動作を示す説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池に組み込まれる弁機構の概略斜視図である。
【図１１】前記弁機構の動作を示す説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池に組み込まれる弁機構の概略斜視図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムの概略説明図である。
【図１４】前記燃料電池システムによる排水処理を説明するフローチャートである。
【図１５】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システムの概略説明図である。
【図１６】前記燃料電池システムによる排水処理を説明するフローチャートである。
【図１７】特許文献１の燃料電池装置の分解斜視説明図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０…燃料電池                    １２、１５０、１６０…燃料電池システム
１４…単位セル                    ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
２６…電解質膜・電極構造体        ２８、３０…金属セパレータ
３２…固体高分子電解質膜          ３４…アノード側電極
３６…カソード側電極              ４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔      ４２ａ…冷却媒体入口連通孔
４２ｂ…冷却媒体出口連通孔        ４４ａ…燃料ガス入口連通孔
４４ｂ…燃料ガス出口連通孔        ４６…酸化剤ガス流路
４８…冷却媒体流路                ５０…燃料ガス流路
５５、１００、１３０、１４０…弁機構
５６ａ、５６ｂ、１３４、１４２…弁部材
５８ａ、５８ｂ…モータ            ６４、１１４、１１８、１３６…開口部
６６、１１６、１２０、１３８…スリット部
７０…酸化剤ガス供給系            ７２…燃料ガス供給系
１０２…外管部材                  １０４…内管部材
１２２…ガス噴き出し口            １４４…空間部
１５２…制御装置
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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