(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおいて、各単セル内の掃気を効果的に行う。【解決手段】燃料電池スタックは、スタック構造の積層方向に貫通し、各単セル４０にガスを分岐して供給するためのマニホールドを形成する円柱形の貫通孔と、この貫通孔の直径とほぼ同じ直径を有し、貫通孔の長さ方向全体に亘って回転可能に、貫通孔に挿入された円筒形部材２００と、この円筒形部材を回転させるための回転駆動機構と、を備える。円筒形部材２００は、円筒形部材２００の内部に供給されたドライガスを、分岐流路４６ｐから、各単セル４０に供給するためのドライガス供給口２２０を備えており、円筒形部材２００において、ドライガス供給口２２０は、円筒形部材２００の回転に応じて、ドライガスが供給される単セル４０が変更されるように形成されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セルを複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、
前記スタック構造の積層方向に貫通し、前記各単セルに所定のガスを分岐して供給するためのマニホールドの主流路を形成する貫通孔と、
前記貫通孔の長さ方向全体に亘って回転可能に前記貫通孔に挿入された円筒形部材と、
前記円筒形部材を回転駆動させるための回転駆動機構と、を備え、
前記円筒形部材は、前記所定のガスとして前記円筒形部材の内部に供給されたドライガスを、前記マニホールドの分岐流路を介して、前記各単セルに供給するためのドライガス供給口を備えており、
前記円筒形部材において、前記ドライガス供給口は、前記円筒形部材の回転に応じて、前記ドライガス供給口から前記ドライガスを流す前記分岐流路が、順次変更されるように形成されている、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記円筒形部材において、前記ドライガス供給口は、螺旋状に形成されている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記円筒形部材において、前記ドライガス供給口は、複数形成されている、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
前記円筒形部材の回転角を検出する回転角センサと、
前記検出された回転角に基づいて、前記回転駆動機構を制御する制御部と、
を備える燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記回転駆動機構として、前記円筒形部材は、該円筒形部材の内部に供給されたドライガスの流れによって、該円筒形部材を回転させるための羽根を内部に備える、
燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記円筒形部材は、さらに、前記所定のガスとして前記円筒形部材の内部に供給された前記発電に用いられる反応ガスを、前記分岐流路を介して、前記複数の単セルのすべてに、同時に供給するための反応ガス供給口を備える、
燃料電池。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池であって、さらに、
前記回転駆動機構を空転可能にする空転機構を備える、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、上記電気化学反応によって発電する単セルを複数積層したスタック構造を有するものがある（以下、このようなスタック構造を有する燃料電池を、燃料電池スタックとも呼ぶ）。
【０００３】
ところで、燃料電池では、発電時に、上記電気化学反応によって、水（生成水）が生成される。この生成水は、通常、排出ガスとともに外部に排出される。また、燃料電池の運転停止時には、発電中に生成された生成水が燃料電池内で滞留して、再始動時の燃料ガスや酸化剤ガスの供給の妨げになることを防止するために、燃料電池内にドライガスを流すことによって、燃料電池内の掃気が行われる。そして、従来、燃料電池内の掃気に関し、種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１，２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２２８５４２号公報
【特許文献２】特開２００４−２０７１３９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、上記特許文献１，２に記載された技術では、燃料電池スタックにおけるすべての単セル内を同時に掃気しており、各単セルにおける圧損にバラツキがある場合には、圧損が低い単セルにはドライガスが流れやすく、圧損が高い単セルにはドライガスが流れにくいため、すべての単セル内を効果的に掃気することができない場合があった。また、各単セルにおける圧損にバラツキがほとんどない場合であっても、すべての単セル内を同時に掃気するためには、各単セル内でのドライガスの流速を上げるため、燃料電池スタックへのドライガスの流量を増大させなければならない場合があった。そして、このようにドライガスの流量を増大させることは、エネルギ効率の低下を招く。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、各単セル内の掃気を効果的に行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池は、
水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セルを複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、
前記スタック構造の積層方向に貫通し、前記各単セルに所定のガスを分岐して供給するためのマニホールドの主流路を形成する貫通孔と、
前記貫通孔の長さ方向全体に亘って回転可能に前記貫通孔に挿入された円筒形部材と、
前記円筒形部材を回転駆動させるための回転駆動機構と、を備え、
前記円筒形部材は、前記所定のガスとして前記円筒形部材の内部に供給されたドライガスを、前記マニホールドの分岐流路を介して、前記各単セルに供給するためのドライガス供給口を備えており、
前記円筒形部材において、前記ドライガス供給口は、前記円筒形部材の回転に応じて、前記ドライガス供給口から前記ドライガスを流す前記分岐流路が、順次変更されるように形成されていることを要旨とする。
【０００８】
本発明では、燃料電池スタックの掃気時に、円筒形部材の内部にドライガスを供給し、円筒形部材を回転させることによって、ドライガス供給口からマニホールドの分岐流路を介してドライガスが供給される単セルを限定しつつ、掃気を行う単セルを順次変更することができる。したがって、円筒形部材の内部に供給されるドライガスの単位時間当たりの流量を一定とした場合に、すべての単セルに同時にドライガスを供給する場合と比較して、単セル１つ当たりの流量、および、流速を増加させることができる。この結果、各単セル内の掃気を効果的に行うことができる。なお、順次掃気を行う単セルの数は、１つずつとしてもよいし、単セルの総数よりも少ない複数個ずつとしてもよい。
【０００９】
また、上記貫通孔は、円柱形であり、上記円筒形部材は、貫通孔の直径とほぼ同じ直径を有することが好ましい。こうすることによって、貫通孔と円筒形部材との隙間をほぼなくすことができるので、ドライガスを効率よく供給することができる。
【００１０】
上記燃料電池において、円筒形部材におけるドライガス供給口の位置は、円筒形部材の回転に応じて、ドライガスが流れる分岐流路、つまり、ドライガスが供給される単セルが変更される条件下で、任意に設定可能であるが、
前記円筒形部材において、前記ドライガス供給口は、螺旋状に形成されているものとしてもよい。
【００１１】
こうすることによって、円筒形部材を一定方向に回転させることによって、スタック構造における単セルの積層順に、各単セル内の掃気を行うことができる。
【００１２】
上述したいずれかの燃料電池において、円筒形部材に形成されたドライガス供給口は、単セルの積層方向に連続しているものとしてもよいが、
前記円筒形部材において、前記ドライガス供給口は、複数形成されているものとしてもよい。
【００１３】
こうすることによって、円筒形部材に単セルの積層方向に連続したドライガス供給口を形成するよりも、円筒形部材の強度を高くすることができる。
【００１４】
上記いずれかの燃料電池において、さらに、
前記円筒形部材の回転角を検出する回転角センサと、
前記検出された回転角に基づいて、前記回転駆動機構を制御する制御部と、
を備えるようにすることが好ましい。
【００１５】
円筒形部材に形成されたドライガス供給口の位置は、予め既知であるから、円筒形部材の回転角に基づいて回転駆動機構を制御することによって、所望の単セルの掃気を行うことができる。この場合、回転駆動機構としては、電気的に制御可能なモータを用いることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の燃料電池において、
前記回転駆動機構として、前記円筒形部材は、該円筒形部材の内部に供給されたドライガスの流れによって、該円筒形部材を回転させるための羽根を内部に備えるようにしてもよい。
【００１７】
こうすることによって、モータ等を用いることなく、円筒形部材の内部に供給されたドライガスの流れによって、円筒形部材を回転させることができる。
【００１８】
上述したいずれかの燃料電池において、
前記円筒形部材は、さらに、前記所定のガスとして前記円筒形部材の内部に供給された前記発電に用いられる反応ガスを、前記分岐流路を介して、前記複数の単セルのすべてに、同時に供給するための反応ガス供給口を備えるようにしてもよい。
【００１９】
こうすることによって、燃料電池による発電時には、円筒形部材の内部に供給された反応ガスを、すべての単セルに、同時に供給し、掃気時には、円筒形部材を回転させて、各単セル内を順次掃気するようにすることができる。なお、この場合には、円筒形部材を固定したり解除したりすることが可能なストッパを設ける等、発電時に、円筒形部材が回転しないようにすればよい。
【００２０】
なお、上記燃料電池において、さらに、
前記回転駆動機構を空転可能にする空転機構を備えるようにしてもよい。
【００２１】
こうすることによって、掃気時に、円筒形部材の内部にドライガスが供給されているときには、円筒形部材を回転させ、円筒形部材の内部に反応ガスが供給されているときには、空転機構によって回転駆動機構を空転させることができる。この態様は、上記回転駆動機構として、円筒形部材の内部に上述した羽根を備える場合に、反応ガス供給時の円筒形部材内部における圧損の増大を抑制することができるため、効果的である。
【００２２】
本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、この燃料電池を備える燃料電池システム、燃料電池の制御方法、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００２３】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システム：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
Ａ２．円筒形部材の構成：
Ａ３．回転駆動機構の構成：
Ｂ．燃料電池システムの運転制御：
Ｂ１．発電時の運転制御：
Ｂ２．掃気時の運転制御：
Ｃ．変形例：
【００２５】
Ａ．燃料電池システム：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【００２６】
燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セル４０を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。各単セル４０は、後述するように、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体をセパレータによって挟持した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、単セル４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００２７】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の単セル４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられており、また、燃料電池スタック１００内には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各単セル４０に分配して供給するためのマニホールドが形成されている。
【００２８】
そして、本実施例の燃料電池スタック１００では、各単セル４０に空気を分配して供給するためのマニホールド（以下、空気供給用マニホールドと呼ぶ）の主流路の形状は、円柱形であり、この主流路の中には、主流路の長さ方向の全体に亘って、後述する円筒形の部材（以下、円筒形部材と呼ぶ）が回転可能に挿入されている。この円筒形部材の直径は、マニホールドの主流路の直径とほぼ同じであり、円筒形部材と主流路との間には、ほとんど隙間はない。また、燃料電池スタック１００は、この円筒形部材を回転駆動させるための回転駆動機構を備えている。円筒形部材、および、回転駆動機構については、後から詳述する。
【００２９】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００３０】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。
【００３１】
燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００３２】
水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、アノードに供給される。アノードからの排気ガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、排出配管５６を介して、外部に排出することができる。なお、アノードオフガスを外部に排出する際には、アノードオフガスに含まれる水素は、図示しない希釈器や、燃焼器によって処理される。
【００３３】
また、配管５３、および、排出配管５６には、アノードオフガスを配管５３に再循環させるための循環配管５４が接続されている。そして、排出配管５６の循環配管５４との接続部の下流側には、排気バルブ５７が配設されている。また、循環配管５４には、ポンプ５５が配設されている。ポンプ５５、および、排気バルブ５７の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管５３に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管５３に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。
【００３４】
燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、図示しない加湿器によって加湿され、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。カソードからの排気ガス（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管６４を介して、外部に排出される。配管６４には、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。
【００３５】
なお、本実施例の燃料電池システム１０００では、運転停止時に、発電中に生成された生成水が各単セル４０内で滞留して、再始動時の燃料ガスや酸化剤ガスの供給の妨げになることを防止するために、燃料電池スタック１００内にドライガスを流すことによって、燃料電池スタック１００内の掃気が行われる。このため、配管６１のコンプレッサ６０の上流側には、三方バルブ６２が配設されており、掃気時、すなわち、燃料電池スタック１００の運転停止時に、この三方バルブ６２を切り換えることによって、配管６３を介して、加湿されていない空気が、ドライガスとして、燃料電池スタック１００のカソードに供給される。
【００３６】
燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。
【００３７】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプや、後述する回転駆動機構等、システムの運転を制御する。制御ユニット８０は、本発明における制御部に相当する。
【００３８】
Ａ２．円筒形部材の構成：
図２は、空気供給用マニホールドの主流路に挿入される円筒形部材２００の概略構成を示す説明図である。この円筒形部材２００の一端（図示した左端）は開口しており、他端（図示した右端）は閉塞されている。なお、円筒形部材２００は、各単セル４０間の絶縁を確保するため、絶縁材料からなる。本実施例では、絶縁材料として、セラミックを用いるものとした。耐熱性樹脂等、他の絶縁材料を用いるものとしてもよい。
【００３９】
図２（ａ）に示したように、円筒形部材２００には、発電時に、円筒形部材２００の内部に供給された酸化剤ガスとしての空気を、空気供給用マニホールドのすべての分岐流路を介して、すべての単セル４０に、同時に供給するための酸化剤ガス供給口２１０が形成されている。本実施例では、この酸化剤ガス供給口２１０は、単セル４０の積層方向に連続したスリット形状を有しているものとした。
【００４０】
また、円筒形部材２００には、掃気時に、円筒形部材２００の内部に供給されたドライガスとしての空気を、空気供給用マニホールドの各分岐流路を介して、各単セル４０に供給するための複数のドライガス供給口２２０が形成されている。本実施例では、複数のドライガス供給口２２０は、螺旋状に連なって配置されているものとした。このように、円筒形部材２００において、複数のドライガス供給口２２０を螺旋状に配置することによって、円筒形部材２００を一定方向に回転させたときに、単セル４０の積層順に各単セル４０に、ドライガスとしての空気を供給することができる。各ドライガス供給口２２０の形状は、任意に設定可能であり、本実施例では、図２（ｂ）に示したように、各ドライガス供給口２２０の形状は、矩形であるものとした。ドライガス供給口２２０の図示した横方向の長さｄ、および、縦方向の長さｈは、各ドライガス供給口２２０ごとに任意に設定可能である。図示した横方向の長さｄを長くすれば、複数の単セル４０内を同時に掃気することができる。
【００４１】
また、円筒形部材２００の空気の供給口側の端部には、ギヤ２３０が設けられている。このギヤ２３０は、後述する回転駆動機構の一部として機能する。
【００４２】
Ａ３．回転駆動機構の構成：
図３は、円筒形部材２００を回転駆動させるための回転駆動機構の概略構成を示す説明図である。この回転駆動機構は、円筒形部材２００の端部に設けられたギヤ２３０と、ギヤ２３０と噛み合う駆動ギヤ１６と、駆動ギヤ１６を回転させるためのモータ１８と、燃料電池スタック１００の両端に配置された各エンドプレート１０ａ，１０ｂに円筒形部材２００を回転可能に支持するベアリング１２ａ，１２ｂとを備えている。モータ１８としては、例えば、ステッピングモータを適用することができる。モータ１８によって駆動ギヤ１６を回転させることにより、円筒形部材２００をベアリング１２で支持しつつ、ギヤ２３０、および、円筒形部材２００を回転させることができる。
【００４３】
なお、エンドプレート１０ａには、円筒形部材２００の回転角を検出するための回転角センサ１４が備えられており、制御ユニット８０は、回転角センサ１４によって検出された回転角に基づいて、モータ１８の駆動を制御する。
【００４４】
Ｂ．燃料電池システムの運転制御：
先に説明したように、本実施例の燃料電池システム１０００では、三方バルブ６２を切り換えることによって、発電時には、燃料電池スタック１００のカソードに、加湿された空気が供給され、掃気時には、燃料電池スタック１００のカソードに、加湿されていない空気（ドライガス）が供給される。
【００４５】
Ｂ１．発電時の運転制御：
図４は、燃料電池スタック１００の詳細な断面構造、および、発電時の燃料電池スタック１００内における酸化剤ガスとしての空気の流れを示す説明図である。なお、本明細書では、水素、および、冷却水の流れについては、本願発明の本質的な部分ではないので、説明を省略する。
【００４６】
まず、燃料電池スタック１００の詳細な断面構造について説明する。図示するように、各単セル４０は、電解質膜４１の両面に、それぞれカソード側触媒層４２ｃ、および、アノード側触媒層４２ａを接合した膜電極接合体を備えている。カソード側触媒層４２ｃ、および、アノード側触媒層４２ａは、それぞれ水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒を担持した層である。そして、カソード側触媒層４２ｃの表面、および、アノード側触媒層４２ａの表面には、それぞれカソード側ガス拡散層４３ｃ、および、アノード側ガス拡散層４３ａが接合されている。カソード側ガス拡散層４３ｃ、および、アノード側ガス拡散層４３ａは、それぞれ供給された空気、および、水素を拡散させつつ、カソード側触媒層４２ｃ、および、アノード側触媒層４２ａにそれぞれ供給するための層である。さらに、カソード側ガス拡散層４３ｃの表面、および、アノード側ガス拡散層４３ａの表面には、それぞれカソード側金属多孔体流路４４ｃ、および、アノード側金属多孔体流路４４ａが配設されている。カソード側金属多孔体流路４４ｃ、および、アノード側金属多孔体流路４４ａは、それぞれ金属多孔体からなり、セパレータ４６と当接して膜電極接合体で発電された電流を流す機能を有するとともに、セパレータ４６を通じて供給された空気、および、水素を、それぞれカソード側ガス拡散層４３ｃ、および、アノード側ガス拡散層４３ａに供給するためのガス流路を形成する。そして、これらの周囲には、フレーム部材４５が配設されており、このフレーム部材４５には、空気供給用マニホールドの主流路を構成する円柱形の貫通孔４５ｈが形成されている。なお、フレーム部材４５は、セパレータ４６とのシール性を有している。
【００４７】
セパレータ４６には、空気供給用マニホールドの主流路を構成する円柱形の貫通孔４６ｈや、貫通孔４６ｈを流れる空気を分岐して、隣接するカソード側金属多孔体流路４４ｃに導く分岐流路４６ｐが形成されている。セパレータ４６における貫通孔４６ｈの位置は、フレーム部材４５における貫通孔４５ｈの位置と一致している。そして、これらの内部には、先に説明した円筒形部材２００が挿入されている。
【００４８】
次に、発電時の運転制御について説明する。発電時には、制御ユニット８０が三方バルブ６２を切り換えることによって、円筒形部材２００の内部には、加湿された空気が供給される。そして、制御ユニット８０は、回転角センサ１４によって検出された回転角に基づいて、モータ１８を駆動して、円筒形部材２００を回転させ、図示するように、円筒形部材２００の酸化剤ガス供給口２１０が各セパレータ４６の各分岐流路４６ｐの位置に一致する位置で、円筒形部材２００を停止し、固定する。こうすることによって、円筒形部材２００の内部に供給された空気を、各分岐流路４６ｐからすべての単セル４０に同時に供給することができる。
【００４９】
Ｂ２．掃気時の運転制御：
図５は、燃料電池スタック１００内における掃気時のドライガスとしての空気の流れを示す説明図である。掃気時には、制御ユニット８０が三方バルブ６２を切り換えることによって、円筒形部材２００の内部には、加湿されていない空気（ドライガス）が供給される。そして、制御ユニット８０は、回転角センサ１４によって検出された回転角に基づいて、モータ１８を駆動して、円筒形部材２００を回転させ、円筒形部材２００の各ドライガス供給口２２０を各セパレータ４６の分岐流路４６ｐの位置に間欠的に、順次一致させる。
【００５０】
例えば、図５（ａ）に示したように、ドライガス供給口２２０がセパレータ４６＃１の分岐流路４６ｐ＃１に一致しているときには、ドライガスは、分岐流路４６ｐ＃１から単セル４０＃１に供給され、単セル４０＃２，４０＃３には供給されない。また、図５（ｂ）に示したように、ドライガス供給口２２０がセパレータ４６＃２の分岐流路４６ｐ＃２に一致しているときには、ドライガスは、分岐流路４６ｐ＃２から単セル４０＃２に供給され、単セル４０＃１，４０＃３には供給されない。また、図５（ｃ）に示したように、ドライガス供給口２２０がセパレータ４６＃３の分岐流路４６ｐ＃３に一致しているときには、ドライガスは、分岐流路４６ｐ＃３から単セル４０＃３に供給され、単セル４０＃１，４０＃２には供給されない。
【００５１】
以上説明した本実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池スタック１００の掃気時に、円筒形部材２００の内部にドライガスを供給し、円筒形部材２００を回転させることによって、ドライガス供給口２２０から空気供給用マニホールドの分岐流路を介してドライガスが供給される単セル４０を限定しつつ、掃気を行う単セル４０を順次変更することができる。したがって、円筒形部材２００の内部に供給されるドライガスの単位時間当たりの流量を一定とした場合に、すべての単セル４０に同時にドライガスを供給する場合と比較して、単セル１つ当たりの流量、および、流速を増加させることができる。この結果、各単セル４０内の掃気を効果的に行うことができる。
【００５２】
Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００５３】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、円筒形部材２００において、複数のドライガス供給口２２０が螺旋状に連なって配置されているものとしたが、本発明は、これに限られない。また、円筒形部材２００において、酸化剤ガス供給口２１０は、単セル４０の積層方向に連続したスリット形状を有しているものとしたが、本発明は、これに限られない。
【００５４】
図６は、変形例としての円筒形部材２００Ａ、および、円筒形部材２００Ｂの概略構成を示す説明図である。
【００５５】
図６（ａ）に示し円筒形部材２００Ａでは、円筒形部材２００における複数のドライガス供給口２２０の代わりに、螺旋状に形成され、単セル４０の積層方向に連続した１つのドライガス供給口２２０Ａを備えている。こうすることによっても、円筒形部材２００におけるドライガス供給口２２０と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
図６（ｂ）に示した円筒形部材２００Ｂは、単セル４０の積層方向に連続したスリット形状を有する酸化剤ガス供給口２１０の代わりに、直線上に配置された複数の酸化剤ガス供給口２１０Ｂを備えている。こうすることによって、単セル４０の積層方向に連続したスリット形状を有する酸化剤ガス供給口２１０を形成するよりも、円筒形部材２００Ｂの強度を高くすることができる。さらに、円筒形部材２００Ｂは、燃料電池スタック１００における両端部の単セル４０に対応する位置に、円筒形部材２００Ｂの周囲全体に渡って、複数のドライガス供給口２２０ｅを備えている。こうすることによって、放熱によって温度が低下し、生成水が滞留しやすい傾向にある両端部の単セル４０内を、中央部に配置された他の単セル４０よりも多く、重点的に掃気することができる。
【００５７】
また、円筒形部材２００において、複数のドライガス供給口２２０は、螺旋状に配置されていなくてもよい。ただし、複数のドライガス供給口２２０を螺旋状に配置することによって、円筒形部材２００を一定方向に回転させたときに、単セル４０の積層順に各単セル４０にドライガスを供給し、掃気することができる。
【００５８】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、各単セル４０内の掃気時に、モータ１８を駆動することによって、駆動ギヤ１６、および、ギヤ２３０を回転させ、円筒形部材２００を回転させるものとしたが、本発明は、これに限られない。
【００５９】
図７は、変形例としての回転駆動機構の概略構成を示す説明図である。この回転駆動機構では、各単セル４０内の掃気時に、上記実施例におけるモータ１８の代わりに、円筒形部材２００Ｃの内部に供給されたドライガスの流れによって、円筒形部材２００Ｃを回転させる。このため、回転駆動機構は、円筒形部材２００の内部に設置され、ガスの流れによって回転する羽根２６０と、燃料電池スタック１００の一端に配置されたエンドプレート１０ａに円筒形部材２００を回転可能に支持するベアリング１２ａとを備えている。なお、図示は省略しているが、上記実施例と同様に、エンドプレート１０ｂには、円筒形部材２００を回転可能に指示するベアリング１２ｂが備えられている。
【００６０】
また、円筒形部材２００Ｃには、固定ピン１９が挿入される挿入口２７０が設けられており、図７（ａ）に示したように、固定ピン１９を図示しないアクチュエータによって駆動して、挿入口２７０の挿入することによって、円筒形部材２００Ｃが回転しないように固定することができる。また、図７（ｂ）に示したように、固定ピン１９を挿入口２７０から抜き出すことによって、円筒形部材２００Ｃは、回転可能となる。なお、図示は省略しているが、円筒形部材２００Ｃには、円筒形部材２００と同様に、酸化剤ガス供給口２１０、および、ドライガス供給口２２０が形成されている。また、円筒形部材２００Ｃにおける挿入口２７０は、固定ピン１９を挿入して、円筒形部材２００Ｃをエンドプレート１０ａに固定したときに、酸化剤ガス供給口２１０がセパレータ４６の分岐流路４６ｐに一致する位置に形成されている。
【００６１】
また、羽根２６０は、その周囲に設けられたベアリング２４０によって、円筒形部材２００Ｃに対して回転可能に支持されている。また、円筒形部材２００Ｃは、羽根２６０の周縁部と隣接する位置に、電磁石２５０を備えており、この電磁石２５０を駆動することによって、羽根２６０が円筒形部材２００Ｃに対して回転しないように固定することができる。これらは、本発明における空転機構に相当する。
【００６２】
本変形例の回転駆動機構では、発電時に、各単セル４０に、燃料ガスとしての空気を供給するときには、固定ピン１９を挿入口２７０に挿入して、円筒形部材２００Ｃを固定するとともに、電磁石２５０の駆動を停止して、羽根２６０が円筒形部材２００Ｃに対して空転可能にする。こうすることによって、発電時の円筒形部材２００Ｃ内部における圧損の増大を抑制することができる。また、掃気時に、各単セル４０に、ドライガスを供給するときには、固定ピン１９を挿入口２７０から抜き出して、円筒形部材２００Ｃを回転可能にするとともに、電磁石２５０を駆動することによって、羽根２６０が円筒形部材２００Ｃに対して回転しないように固定する。こうすることによって、円筒形部材２００Ｃの内部に供給されたドライガスの流れによって、羽根２６０、および、円筒形部材２００Ｃを回転させることができる。
【００６３】
また、回転駆動機構として、エンドプレート１０ａ、および、円筒形部材に、それぞれ電磁コイル、および、磁石を設置するようにし、エンドプレート１０ａをステータとして機能させ、円筒形部材をロータとして機能させ、円筒形部材の回転を電気的に制御するようにしてもよい。
【００６４】
また、上記実施例では、駆動ギヤ１６、および、円筒形部材２００に備えられたギヤ２３０によって、円筒形部材２００を回転させるものとしたが、これらの代わりに、駆動ローラを備えるようにし、モータ１８によって駆動ローラを回転させ、この駆動ローラと円筒形部材２００との摩擦によって、円筒形部材２００を回転させるようにしてもよい。
【００６５】
Ｃ３．変形例３：
上述した円筒形部材２００Ｃ内に供給されたガスの流れによって羽根２６０を、および、円筒形部材２００Ｃを回転させる場合において、円筒形部材２００Ｃに、円筒形部材２００と同様に、複数のドライガス供給口２２０を配置した場合には、ドライガス供給口２２０の縦方向の長さｈ（図２（ｂ）参照）を長くすることによって、１つの単セル４０について、円筒形部材２００Ｃが１回転する間の掃気時間を長くすることができる。
【００６６】
Ｃ４．変形例４：
上述した変形例の回転駆動機構では、円筒形部材２００Ｃは、円筒形部材２００Ｃに対して羽根２６０を空転可能としたが、羽根２６０を円筒形部材２００Ｃに固定するようにしてもよい。
【００６７】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、円筒形部材２００に、酸化剤ガス供給口２１０、および、ドライガス供給口２２０を設けるものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池スタック１００に、発電用の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用マニホールドと、掃気用のドライガスを供給するためのドライガス供給用マニホールドとを別々に設けるようにし、掃気用のドライガスを供給するためのマニホールドに、先に説明した円筒形部材や、回転駆動機構を適用するようにしてもよい。ただし、上記実施例のように、酸化剤ガス供給用マニホールドと、ドライガス供給用マニホールドとを共通にすることによって、燃料電池スタック１００の小型化を図ることができる。
【００６８】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例では、空気供給用マニホールドの主流路の形状は、円柱形であるものとしたが、本発明は、これに限られず、他の形状であってもよい。ただし、上記実施例のように、空気供給用マニホールドの形状を円柱形とし、円筒形部材２００の直径を、空気供給用マニホールドの主流路の直径とほぼ同じとすれば、両者間の隙間をほぼなくすことができるので、ガスを効率よく供給することができる。
【００６９】
Ｃ７．変形例７：
上記実施例では、燃料電池スタック１００のカソード側に、本願発明を適用した場合について説明したが、アノード側に適用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】空気供給用マニホールドの主流路に挿入される円筒形部材２００の概略構成を示す説明図である。
【図３】円筒形部材２００を回転させるための回転駆動機構の概略構成を示す説明図である。
【図４】燃料電池スタック１００の詳細な断面構造、および、発電時の燃料電池スタック１００内における空気の流れを示す説明図である。
【図５】燃料電池スタック１００内における掃気時の空気の流れを示す説明図である。
【図６】変形例としての円筒形部材２００Ａ、および、円筒形部材２００Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図７】変形例としての回転駆動機構の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０００…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
１２ａ，１２ｂ…ベアリング
１４…回転角センサ
１６…駆動ギヤ
１８…モータ
１９…固定ピン
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
４０…単セル
４１…電解質膜
４２ａ…アノード側触媒層
４２ｃ…カソード側触媒層
４３ａ…アノード側ガス拡散層
４３ｃ…カソード側ガス拡散層
４４ａ…アノード側金属多孔体流路
４４ｃ…カソード側金属多孔体流路
４５…フレーム部材
４５ｈ…貫通孔
４６…セパレータ
４６ｈ…貫通孔
４６ｐ…分岐流路
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…循環配管
５５…ポンプ
５６…排出配管
５７…排気バルブ
６０…コンプレッサ
６１，６３，６４…配管
６２…三方バルブ
７０…ポンプ
７１…ラジエータ
７２…配管
８０…制御ユニット
２００，２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ…円筒形部材
２１０，２１０Ｂ…酸化剤ガス供給口
２２０，２２０Ａ，２２０ｅ…ドライガス供給口
２３０…ギヤ
２４０…ベアリング
２５０…電磁石
２６０…羽根
２７０…挿入口
【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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