(57)【要約】【課題】燃料電池の酸化ガス通路内の水分を調節することができる。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池３０の酸化ガス通路３６の外（酸化ガス排出マニホルドＭ３）に配置された通路外吸水材７０と、この通路外吸水材７０に酸化ガス通路３６内の水分を吸収させるか吸水させないかを切り替える切替機構７２とを備えている。通路外吸水材７０により酸化ガス通路３６内の水分を吸収させるときには、ベルト７８の表面に並設された多数の通路外吸水材７０と酸化ガス通路３６の出口とが接触するように駆動ローラ７４を回転させる。一方、通路外吸水材７０により酸化ガス通路３６内の水分を吸収させないときには、ベルト７８の表面に並設された多数の通路外吸水材７０と酸化ガス通路３６の出口とが離間するように駆動ローラ７４を回転させる。この切替機構７２を制御することにより、酸化ガス通路３６内の水分を調節することが可能となる。【選択図】        図３
2004342372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿潤状態の電解質膜のカソード側に設けられた酸化ガス通路を通過する酸化ガス中の酸素と前記電解質膜のアノード側に設けられた燃料ガス通路を通過する燃料ガス中の水素との電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記酸化ガス通路外に設けられ水分を吸収可能な通路外吸水手段と、
前記酸化ガス通路内の水分を前記通路外吸水手段に吸収させるか吸水させないかを切り替える切替手段とを備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記切替手段は、前記通路外吸水手段を前記酸化ガス通路の出口と接触させることにより前記酸化ガス通路内の水分を前記通路外吸水手段に吸収させるか前記通路外吸水手段を前記酸化ガス通路の出口から離間させることにより前記酸化ガス通路内の水分を前記通路外吸水手段に吸収させないかを切り替える請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転状態に基づいて前記切替手段を制御する切替制御手段を備えた燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定手段を備え、
前記切替制御手段は、前記運転状態判定手段により前記酸化ガス通路内の水分が過多と判定されたときには前記通路外吸水手段が前記酸化ガス通路の出口と接触するよう前記切替手段を制御し、前記運転状態判定手段により前記酸化ガス通路内の水分が過多でないと判定されたときには前記通路外吸水手段が前記酸化ガス通路の出口と離間するよう前記切替手段を制御する燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定手段を備え、
前記切替制御手段は、前記運転状態判定手段により前記燃料電池の出力が高出力と判定されたときには前記通路外吸水手段が前記酸化ガス通路の出口と接触するよう前記切替手段を制御し、前記運転状態判定手段により前記燃料電池の出力が高出力でないと判定されたときには前記通路外吸水手段が前記酸化ガス通路の出口と離間するよう前記切替手段を制御する燃料電池システム。
【請求項６】
前記切替手段は、前記通路外吸水手段と前記酸化ガス通路の出口との接触有効面積を調節可能な手段である請求項１〜５のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記酸化ガス通路内の少なくとも出口側に設けられ該酸化ガス通路内の水分を吸収する通路内保水手段を備え、
前記通路外吸水手段は、前記酸化ガス通路の出口と接触すると前記通路内保水手段と接触して前記酸化ガス通路内の水分を該通路内保水手段を介して吸収する燃料電池システム。
【請求項８】
前記通路内保水手段は、毛細管現象により水分を吸収する手段である請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記通路外吸水手段は、毛細管現象により水分を吸収する手段である請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
前記燃料電池の各々の酸化ガス通路の出口側を連通する酸化ガス排出マニホルドとを備え、
前記通路外吸水手段は、前記酸化ガス排出マニホルド内に設けられている燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか記載の燃料電池システムを搭載した車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム及びこれを搭載した車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池システムとしては、湿潤状態の電解質膜のカソード側に設けられた酸化ガス通路を通過する酸化ガス中の酸素とその電解質膜のアノード側に設けられた燃料ガス通路を通過する燃料ガス中の水素との電気化学反応により発電する燃料電池と、酸化ガス通路の途中に設けられた吸水材と、酸化ガス通路の途中に未加湿酸化ガスを供給する未加湿ガス供給口とを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、酸化ガス通路の途中から未加湿酸化ガスが加わることにより酸化ガス通路内の酸化ガスの水蒸気分圧を低下させて過剰な水分の蒸発を促すと共に、凝縮水を吸水材が吸収して酸化ガス通路の凝縮水による閉塞を阻止している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−８９７３０号公報（図１，図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この燃料電池システムでは、酸化ガス通路内の水分は吸水材に吸収されたあと未加湿酸化ガスにより吸水材から気化して酸化ガス通路外へと除去されるため、酸化ガス通路内が水分過少のときであっても吸水材が酸化ガス通路内の水分を吸収してしまい、湿潤状態であるべき電解質膜が乾燥してしまうおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、酸化ガス通路内の水分を調節可能な燃料電池システムを提供することを目的の一つとする。また、電解質膜の湿潤状態を良好に維持できる燃料電池システムを提供することを目的の一つとする。更に、このような燃料電池システムを備えた車両を提供することを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池システム及びこれを搭載した車両は、上述の目的の少なくとも一つを達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、
湿潤状態の電解質膜のカソード側に設けられた酸化ガス通路を通過する酸化ガス中の酸素と前記電解質膜のアノード側に設けられた燃料ガス通路を通過する燃料ガス中の水素との電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記酸化ガス通路外に設けられ水分を吸収可能な通路外吸水手段と、
前記酸化ガス通路内の水分を前記通路外吸水手段に吸収させるか吸水させないかを切り替える切替手段とを備えたものである。
【０００８】
この燃料電池システムでは、切替手段により酸化ガス通路内の水分を通路外吸水手段に吸収させて酸化ガス通路内から酸化ガス通路外へ水分を除去するようにしたり、切替手段により酸化ガス通路内の水分を通路外吸水手段に吸収させず酸化ガス通路内の水分を保持するようにしたりすることができる。したがって、酸化ガス通路内の水分を調節することが可能となり、ひいては同通路内の水分と密接な関係にある電解質膜の湿潤状態を良好に維持することができる。
【０００９】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記切替手段は、前記通路外吸水手段を前記酸化ガス通路の出口と接触させることにより前記酸化ガス通路内の水分を前記通路外吸水手段に吸収させるか前記通路外吸水手段を前記酸化ガス通路の出口から離間させることにより前記酸化ガス通路内の水分を前記通路外吸水手段に吸収させないかを切り替えるようにしてもよい。こうすれば、通路外吸水手段と酸化ガス通路の出口との接触・離間という簡単な操作によって酸化ガス通路内の水分の除去・保持を調節することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池の運転状態に基づいて前記切替手段を制御する切替制御手段を備えていてもよい。こうすれば、燃料電池の運転状態に基づいて酸化ガス通路内の水分を適切に調節することができる。この構成を採用した本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池の運転状態を判定する運転状態判定手段を備えていてもよく、前記切替制御手段は、前記運転状態判定手段により前記酸化ガス通路内の水分が過多と判定されたときには前記通路外吸水手段が前記酸化ガス通路の出口と接触するよう前記切替手段を制御し、前記運転状態判定手段により前記酸化ガス通路内の水分が過多でないと判定されたときには前記通路外吸水手段が前記酸化ガス通路の出口と離間するよう前記切替手段を制御するようにしてもよい。こうすれば、酸化ガス通路内に含まれる水分は適量に維持される。あるいは、前記切替制御手段は、前記運転状態判定手段により前記燃料電池の出力が高出力と判定されたときには前記通路外吸水手段が前記酸化ガス通路の出口と接触するよう前記切替手段を制御し、前記運転状態判定手段により前記燃料電池の出力が高出力でないと判定されたときには前記通路外吸水手段が前記酸化ガス通路の出口と離間するよう前記切替手段を制御するようにしてもよい。こうすれば、燃料電池の出力が高いときには電気化学反応による生成水が多いが、通路外吸水手段により酸化ガス通路外へ除去されるため酸化ガス通路内の水分は適量に維持される。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記切替手段は、前記通路外吸水手段と前記酸化ガス通路の出口との接触有効面積を調節可能な手段としてもよい。こうすれば、例えば、酸化ガス通路内の水分を多く除去したい場合には通路外吸水手段と酸化ガス通路の出口との接触有効面積を大きくし、酸化ガス通路内の水分を少なく除去したい場合には通路外吸水手段と酸化ガス通路の出口との接触有効面積を小さくすることにより、酸化ガス通路内から除去すべき水分量を調節することができる。また、この接触有効面積を燃料電池の運転状態に基づいて調節してもよい。こうすれば、よりきめ細かな水分調節が可能となる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、前記酸化ガス通路内の少なくとも出口側に設けられ該酸化ガス通路内の水分を保持する通路内保水手段を備え、前記通路外吸水手段は、前記酸化ガス通路の出口と接触すると前記通路内保水手段と接触して前記酸化ガス通路内の水分を該通路内保水手段を介して吸収するようにしてもよい。こうすれば、通路内保水手段が酸化ガス通路と離間しているときには通路内保水手段により酸化ガス通路が保水されるため電解質膜を良好な湿潤状態に維持することができ、通路内保水手段が酸化ガス通路と接触しているときには通路内保水手段を介して酸化ガス通路の水分が排出されるため、酸化ガス通路に凝縮水が溜まるのを防止することができる。このとき、前記通路内保水手段は、毛細管現象により水分を吸収する手段としてもよい。こうすれば、通路内保水手段は水分の吸収・排出を良好に行うことができる。
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記通路外吸水手段は、毛細管現象により水分を吸収する手段であってもよい。こうすれば、通路外吸水手段は酸化ガス通路内から水分を良好に吸い取ることができる。
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、前記燃料電池の各々の酸化ガス通路の出口側を連通する酸化ガス排出マニホルドとを備え、前記通路外吸水手段は、前記酸化ガス排出マニホルド内に設けられていてもよい。こうすれば、燃料電池スタックを構成する各燃料電池の酸化ガス通路内の水分を調節することが可能となり、ひいては各燃料電池の電解質膜の湿潤状態を良好に維持することができる。
【００１５】
本発明は、燃料電池システムを搭載した車両は、本発明の燃料電池システムを搭載しているため酸化ガス通路内の水分を調節することが可能となり、ひいては同通路内の水分と密接な関係にある電解質膜の湿潤状態を良好に維持することができるものであるから、これを搭載した車両も同様の効果が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は燃料電池システム１２を搭載した車両１０の概略を示す構成図、図２は燃料電池３０の組立斜視図、図３は通路外吸水材７０の切替機構７２の概略斜視図、図４は通路外吸水材７０と酸化ガス通路３６との位置関係を表す説明図、図５は燃料電池の断面図である。
【００１７】
本実施形態の車両１０は、図１に示すように、燃料電池システム１２と、燃料電池システム１２から供給される電力を駆動力に変換して減速ギヤ１６を介して駆動輪１８，１８を回転させる駆動装置１４と、全体の制御を司る電子制御ユニット８０とを備えている。このうち、燃料電池システム１２は、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池３０を複数積層した燃料電池スタック２０と、各燃料電池３０へ酸化ガス・燃料ガスを供給するための供給マニホルドＭ１，Ｍ２と、各燃料電池３０を通過したあとの酸化ガス・燃料ガスを燃料電池スタック２０の外へ排出するための排出マニホルドＭ３，Ｍ４と、酸化ガスの排出マニホルドＭ３にて各燃料電池３０の酸化ガス通路３６の出口と接触・離間が可能な通路外吸水材７０（図３参照）と、この通路外吸水材７０と各酸化ガス通路３６の出口との接触・離間を切り替える切替機構７２（図３参照）とを備えている。
【００１８】
燃料電池スタック２０は、基本単位である燃料電池３０を複数スタックし、その両端に集電板２１，２２、絶縁板２３，２４、エンドプレート２５，２６を順次配置したものである。集電板２１，２２は緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板２３，２４はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレート２５，２６は剛性を備えた鋼等の金属によって形成されている。また、集電板２１，２２にはそれぞれ出力端子２１ａ，２２ａが設けられており、燃料電池スタック２０で生じた起電力を出力可能となっている。なお、図示しない保持機構により、エンドプレート２５，２６は複数の燃料電池３０を積層方向に加圧した状態で保持している。
【００１９】
燃料電池３０は、図２及び図５に示すように、電解質膜３１をアノード３２とカソード３３とで挟み込んだ膜電極接合体（ＭＥＡ）３４を、一対のセパレータ４０，４０で挟み込むことにより構成されている。電解質膜３１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す膜であり、例えばデュポン社製のナフィオン膜などである。アノード３２及びカソード３３は、いずれも、白金又は白金と他の金属からなる合金を担持した触媒電極と炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されたガス拡散電極とにより構成されている。そして、ＭＥＡ３４は、アノード３２と電解質膜３１とカソード３３とが熱圧着されて一体化されたものである。各セパレータ４０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした成形カーボンにより形成されている。図２に示すように、このセパレータ４０の上辺及び下辺の略中央にはセパレータ４０を貫通する酸化ガス供給口４１及び酸化ガス排出口４３が設けられ、左辺及び右辺の略中央には同じくセパレータ４０を貫通する燃料ガス供給口４２及び燃料ガス排出口４４が設けられ、四隅には同じくセパレータ４０を貫通する冷却水循環用の円孔４５〜４８が設けられている。また、セパレータ４０の一方の面には、酸化ガス供給口４１から端を発して酸化ガス排出口４３に至る複数の凹溝からなる酸化ガス通路３６が設けられ、他方の面には、燃料ガス供給口４２から端を発して燃料ガス排出口４４に至る複数の凹溝からなる燃料ガス通路３８が設けられている。
酸化ガス通路３６を形成する凹溝の窪み部分とその両壁は、ガラスやセラミック等の繊維を織布又は不織布とした通路内保水材３７で覆われている。この通路内保水材３７は、毛細管現象を利用して水分を吸収するものである。
【００２０】
ＭＥＡ３４とセパレータ４０との間には図２に示すようにガスケット５０が配置されており、このガスケット５０は電解質膜３１を挟み込み燃料ガスや酸化ガスのリークを防止したり、セパレータ４０，４０間において酸化ガス及び燃料ガスの混合を防止したりする役割を果たす。ガスケット５０は、セパレータ４０の酸化ガス供給口４１，燃料ガス供給口４２，酸化ガス排出口４３及び燃料ガス排出口４４にそれぞれ対向して穿設された長円孔５１〜５４と、円孔４５〜４８にそれぞれ対向して穿設された円孔５５〜５８（円孔５５は図示略）と、アノード３２又はカソード３３が入り込む大きさに形成された角孔５９とを有している。
【００２１】
供給マニホルドのうち酸化ガス供給マニホルドＭ１は、燃料電池３０を構成するセパレータ４０の酸化ガス供給口４１とガスケット５０の長円孔５１とを燃料電池スタック２０の積層方向に連通する空洞であり、エアコンプレッサ６０から流量調節弁６２を介して酸化ガスとしてのエアが図示しない加湿器で加湿されたあと送り込まれる。また、燃料ガス供給マニホルドＭ２は、燃料電池３０を構成するセパレータ４０の燃料ガス供給口４２とガスケット５０の長円孔５２とを燃料電池スタック２０の積層方向に連通する空洞であり、水素ボンベ６４から流量調節弁６６を介して燃料ガスとしての水素ガスが図示しない加湿器で加湿されたあと送り込まれる。更に、冷却水供給マニホルドＭ５，Ｍ６は、燃料電池３０を構成するセパレータ４０の円孔４５，４６とガスケット５０の円孔５５，５６とを燃料電池スタック２０の積層方向に連通する空洞であり、冷媒としての冷却水が図示しないポンプにより供給される。
【００２２】
一方、排出マニホルドのうち酸化ガス排出マニホルドＭ３は燃料電池３０を構成するセパレータ４０の酸化ガス排出口４３とガスケット５０の長円孔５３とを燃料電池スタック２０の積層方向に連通する空洞であり、各燃料電池３０の酸化ガス通路３６を通過したあとの酸化ガスを集めて燃料電池スタック２０の外へと導出する。また、燃料ガス排出マニホルドＭ４は燃料電池３０を構成するセパレータ４０の燃料ガス排出口４４とガスケット５０の長円孔５４とを燃料電池スタック２０の積層方向に連通する空洞であり、各燃料電池３０の燃料ガス通路３８を通過したあとの燃料ガスを集めて燃料電池スタック２０の外へと導出する。なお、導出後の燃料ガスは未反応の水素を含むため再び燃料ガス供給マニホルドＭ２へ導入してもよい。更に、冷却水排出マニホルドＭ７，Ｍ８は、燃料電池３０を構成するセパレータ４０の円孔４７，４８とガスケット５０の円孔５７，５８とを燃料電池スタック２０の積層方向に連通する空洞であり、燃料電池スタック２０において数個の燃料電池３０ごとに配置された図示しない冷却水用セパレータに設けられた冷却水通路を通過したあとの冷却水を集めて燃料電池スタック２０の外へと導出する。なお、この冷却水は、図示しない放熱器で放熱したあと再び冷却水供給マニホルドＭ５，Ｍ６へ供給される。
【００２３】
通路外吸水材７０は、図３及び図４に示すように、ガラスやセラミック等の繊維で作られた織布又は不織布を燃料電池スタック２０の積層方向に沿って長く延びる形状に形成したものであり、通路内保水材３７と同様、毛細管現象を利用して水分を吸収する。この通路外吸水材７０は、切替機構７２により酸化ガス通路３６に対する位置関係が切り替わるように構成されている。ここで、切替機構７２は、酸化ガス排出マニホルドＭ３内の両側に配置された駆動ローラ７４及び従動ローラ７６と、両ローラ７４，７６に架け渡されたベルト７８とにより構成されている。駆動ローラ７４は、燃料電池スタック２０のエンドプレート２５の外表面に取り付けられたステッピングモータ７９により回転駆動される。また、駆動ローラ７４及び従動ローラ７６には図示しない歯車リングが嵌合され、各ローラ７４，７６が回転するのに伴って歯車リングの歯がベルト７８に設けられた図示しないガイド穴に順次係合しながらベルト７８を回転方向に送るように構成されている。このため、各ローラ７４，７６とベルト７８との間で滑りが生じることはない。ベルト７８は、パンチング穴が多数穿設された金属薄板又は樹脂薄板であり、その表面のうち約半分に複数の通路外吸水材７０が固設され、残り約半分には通路外吸水材７０は固設されていない。各通路外吸水材７０は、駆動ローラ７４によりベルト７８が回転して酸化ガス通路３６の出口と対向する位置で停止されると酸化ガス通路３６の出口と接触した状態となり（図４（ａ）参照）、一方、駆動ローラ７４によりベルト７８が回転して通路外吸水材７０の固設されていない面が酸化ガス通路３６の出口と対向する位置で停止されると酸化ガス通路３６の出口から離間した状態となる（図４（ｂ）参照）。なお、ベルト７８にはパンチング穴が多数穿設されているため、各通路外吸水材７０がどのような状態で停止されても酸化ガス通路３６を流通する酸化ガスの圧力損失はそれほど大きくならない。
【００２４】
駆動装置１４（図１参照）は、図示しないが、燃料電池スタック２０で発生した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置やその交流電力で回転駆動される走行用モータなどを備えている。
【００２５】
電子制御ユニット８０は、図１に示すように、ＣＰＵ８２を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ８２の他に、処理プログラム等が記憶されたＲＯＭ８４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ８６と、図示しない入出力ポートとを備えている。この電子制御ユニット８０には、図示しないアクセルペダルセンサからのアクセルペダル開度信号ＡＰや図示しない車速センサからの車速信号Ｖのほか、駆動装置１４に含まれる電力変換装置の入出力電圧信号などが入力ポートを介して入力される。また、電子制御ユニット８０からは、ステッピングモータ７９への制御信号のほか、駆動装置１４に含まれる電力変換装置や走行用モータへの制御信号などが出力ポートを介して出力される。
【００２６】
次に、こうして構成された本実施形態の車両１０の動作、特に車両走行時の酸化ガス通路３６内の水分を調節する動作について説明する。図６は、電子制御ユニット８０のＣＰＵ８２により実行される酸化ガス通路内水分調節ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、ＲＯＭ８４に記憶され、ＣＰＵ８２により所定時間ごと（例えば数ｍｓｅｃごと）に繰り返し実行される。このルーチンが開始されると、ＣＰＵ８２は、まず、現在の車速信号Ｖやアクセルペダル開度信号ＡＰからＲＯＭ８４に記憶されている図示しないマップに基づいて駆動輪１８，１８に要求される動力を算出する（ステップＳ１００）。次いで、要求される動力に基づいて燃料電池スタック２０に要求される電力を算出し（ステップＳ１１０）、この電力が予め定められた閾値を超えるか否か、つまり燃料電池スタック２０に高出力が要求されているか否かを判定する（ステップＳ１２０）。ここで、閾値は、予め経験的に求めた値である。具体的には、燃料電池スタック２０の出力が高いほど電気化学反応が活発に起きるため、生成水が多量に発生して酸化ガス通路３６内に凝縮水が溜まり酸化ガスの流通を阻害しやすい。このため、酸化ガス通路３６内に生じる凝縮水と燃料電池スタック２０の出力電力との関係を予め実験で求め、酸化ガスの流通を阻害するおそれがある凝縮水量が生じた時点の燃料電池スタック２０の出力電力を閾値としている。
【００２７】
このステップＳ１２０で、要求される電力が閾値を超えないと判定されたときには、酸化ガス通路３６内の水分を保持して電解質膜３１の湿潤状態を良好に維持する必要があるため、ベルト７８の表面に固設された各通路外吸水材７０が各燃料電池３０の酸化ガス通路３６の出口から離間するようにステッピングモータ７９を制御する（ステップＳ１４０、図４（ｂ）及び図５（ｂ）参照）。具体的には、酸化ガス通路３６に供給される酸化ガスが加湿されていること及び燃料電池３０の運転中は電気化学反応によりカソード３３側に水が生成することから酸化ガス通路３６内は湿度が高くなるが、同通路３６を形成する凹溝の窪み部分とその両壁に設けられた通路内保水材３７が水分を保持するため、通常は凝縮水が生成することなく電解質膜３１の湿潤状態を良好に維持することができる。このため、酸化ガス通路３６内の水分を同通路３６外へと排出する必要はなく、通路外吸水材７０と酸化ガス通路３６の出口とを離間させておくのである。
【００２８】
一方、ステップＳ１２０で、要求される電力が閾値を超えると判定されたときには、酸化ガス通路３６内の水分を排出する必要があるため、ベルト７８の表面に固設された各通路外吸水材７０が各燃料電池３０の酸化ガス通路３６の出口と接触するようにステッピングモータ７９を制御する（ステップＳ１３０、図４（ａ）及び図５（ａ）参照）。具体的には、要求電力が高いと燃料電池３０の電気化学反応が活発になるため生成水が多量となり通路内保水材３７の水分保持能力を超えて凝縮水が生成するおそれがある。このため、燃料電池３０の外つまり酸化ガス排出マニホルドＭ３に配置されている通路外吸水材７０と通路内保水材３７を備えた酸化ガス通路３６の出口とを接触させることにより、毛細管現象により通路内保水材３７の水分を通路外吸水材７０へと移動させ、酸化ガス通路３６内に凝縮水が発生するのを防止するのである。なお、通路外吸水材７０に吸収された水分は、酸化ガス排出マニホルドＭ３を流通する酸化ガスにより気化して燃料電池スタック２０の外へと排出される。
【００２９】
そして、ステップＳ１３０又はステップＳ１４０のあと、要求される電力を燃料電池スタック２０が発電するよう酸化ガス供給マニホルドＭ１へ流入させるエアの流量や燃料ガス供給マニホルドＭ２へ流入させる水素ガスの流量を算出し（ステップＳ１５０）、実際のエア流量及び水素ガス流量がそれぞれ算出した流量となるように流量調節弁６２，６６を制御する（ステップＳ１６０）。これと共に、予めＲＯＭ８４に記憶された燃料電池３０のＩＶ特性を用いて今回燃料電池３０に要求された電力を発生するのに最適な運転ポイント（電流電圧値）を求め、その運転ポイントとなるよう駆動装置１４の図示しない電力変換装置を制御して要求動力が駆動輪１８，１８に出力されるように制御し（ステップＳ１７０）、このルーチンを終了する。
【００３０】
以上詳述した本実施形態によれば、通路外吸水材７０と酸化ガス通路３６の出口との接触・離間という簡単な操作によって各燃料電池３０の酸化ガス通路３６内の水分の除去・保持を調節することが可能となり、ひいては同通路３６内の水分と密接な関係にある電解質膜３１の湿潤状態を良好に維持することができる。
具体的には、通路外吸水材７０が酸化ガス通路３６と離間しているときには通路内保水材３７により酸化ガス通路３６が保水されるため電解質膜３１を良好な湿潤状態に維持することができ、通路外吸水材７０が酸化ガス通路３６と接触しているときには通路内保水材３７を介して酸化ガス通路３６の水分が排出されるため、酸化ガス通路３６に凝縮水が溜まるのを有効に防止することができる。このとき、通路内保水材３７及び通路外吸水材７０はいずれも毛細管現象により水分を吸収するものであるため、水分の吸収・排出を良好に行うことができる。また、燃料電池スタック２０の運転状態が高出力の高いときには電気化学反応による生成水が多いため酸化ガス通路３６内の水分を除去する一方、高出力でないときには電気化学反応による生成水が多くないため酸化ガス通路３６内の水分を保持することにより、常に酸化ガス通路３６内の水分は適量に維持される。
【００３１】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００３２】
例えば、上述した実施形態では、駆動ローラ７４と従動ローラ７６との間に掛け渡したベルト７８の表面に通路外吸水材７０を複数固設してステッピングモータ７９により駆動ローラ７４を回転させて通路外吸水材７０と通路内保水材３７との接触・離間を切り替える切替機構７２を採用したが、図７に示すように、パンチング穴が多数開けられた金属薄板又は樹脂薄板により形成された円筒９２の軸方向に沿って一条の切欠溝９４を設け、その切欠溝９４に通路外吸水材９０を嵌め込み、図示しないアクチュエータ（ステッピングモータやソレノイドなど）により通路外吸水材９０と通路内保水材３７を備えた酸化ガス通路３６の出口とを接触させた状態（図７（ａ）参照）とするか離間させた状態（図７（ｂ）参照）とするかを切り替えるようにしてもよい。このとき、通路外吸水材９０は酸化ガス通路３６の各凹溝に対応して配置してもよいが、数個の凹溝に一つの割合で配置してもよい。あるいは、図８に示すように、パンチング穴が多数開けられた平板の表面に通路外吸水材７０を複数固設してその平板を酸化ガス排出マニホルドＭ３内で上下動させることにより通路外吸水材７０と通路内保水材３７を備えた酸化ガス通路３６の出口との接触・離間を切り替えるようにしてもよい。
【００３３】
また、上述した実施形態では、燃料電池スタック２０が高出力か否かに基づいて酸化ガス通路３６内の水分を除去するか保持するかを切り替えたが、これに代えて又は加えて、酸化ガス通路３６内の水分が過多か否かを判定し、水分が過多のときには通路外吸水材７０と通路内保水材３７を備えた酸化ガス通路３６の出口とを接触させて同通路３６内の水分を除去し、同通路３６内の水分が過多でないときには通路外吸水材７０と酸化ガス通路３６の出口とを離間させて同通路３６内の水分を通路内保水材３７により保持するようにしてもよい。こうすれば、酸化ガス通路３６内に含まれる水分は適量に維持される。ここで、同通路３６内の水分が過多か否かは、例えば、各燃料電池３０ごとに出力電圧を検知する電圧センサを取り付け、予め実験で同通路３６内の水分が過多となったときの出力電圧の挙動を把握しておき、その挙動と現在の各燃料電池３０の出力電圧の挙動とを比較することにより判定してもよい。
【００３４】
更に、上述した実施形態では、通路外吸水材７０と酸化ガス通路３６の出口とを接触させるか離間させるかの二者択一としたが、通路外吸水材７０と酸化ガス通路３６の出口とを接触させる場合には、その接触有効面積を調節するようにしてもよい。具体的には、通路外吸水材７０と通路内保水材３７を備えた酸化ガス通路３６の出口との重なり具合をステッピングモータ７９の回転を制御することにより調節にしてもよい。こうすれば、酸化ガス通路３６内の水分を多く除去したい場合には通路外吸水材７０と通路内保水材３７との接触有効面積を大きくし、酸化ガス通路３６内の水分を少しだけ除去したい場合には通路外吸水材７０と通路内保水材３７との接触有効面積を小さくすることにより、酸化ガス通路３６内から除去すべき水分量をきめ細かく調節することができる。
【００３５】
更にまた、上述した実施形態では、通路内保水材３７を酸化ガス通路３６の全体にわたって形成したが、酸化ガス通路３６の出口側つまり酸化ガス排出口４３に近い部分にのみ形成してもよい。酸化ガス供給口４１から酸化ガス通路３６に流入してくる酸化ガスに比べて、酸化ガス通路３６を通過して酸化ガス排出口４３の近くに至った酸化ガスは、電気化学反応による水分を含んでいるため水分過多になりやすい。このため、通路内保水材３７を酸化ガス通路３６の出口側に形成して凝縮水が生じにくいようにする意義がある。
【００３６】
そしてまた、上述した実施形態では、酸化ガス通路３６を酸化ガス供給口４１から酸化ガス排出口４３に至る直線状の凹溝として形成したが、折れ曲がった形状の凹溝としてもよいし、セパレータ４０の面に小さな立方体又は直方体を間隔をもって配置してその間隔を縫うような経路を酸化ガス通路３６としてもよい。
【００３７】
そして更に、上述した実施形態では、燃料電池システム１２を車両１０に搭載した場合を例示したが、この燃料電池システム１２を列車や航空機等の輸送機器に適用してもよいし、家庭や工場等に設置されるコジェネレーションシステムに組み入れてもよい。いずれの場合も上述した実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムを搭載した車両の概略を示す構成図である。
【図２】燃料電池の組立斜視図である。
【図３】通路外吸水材の切替機構の概略斜視図である。
【図４】通路外吸水材と酸化ガス通路との位置関係を表す説明図である。
【図５】燃料電池の断面図である。
【図６】酸化ガス通路内水分調節ルーチンのフローチャートである。
【図７】他の実施形態の通路外吸水材の切替機構の概略斜視図である。
【図８】他の実施形態の通路外吸水材の切替機構の概略斜視図である。
【符号の説明】
１０  車両、１２  燃料電池システム、１４  駆動装置、１６  減速ギヤ、１８駆動輪、２０  燃料電池スタック、２１，２２  集電板、２１ａ，２２ａ  出力端子、２３，２４  絶縁板、２５，２６  エンドプレート、３０  燃料電池、３１  電解質膜、３２  アノード、３３  カソード、３６  酸化ガス通路、３７通路内保水材、３８  燃料ガス通路、４０  セパレータ、４１  酸化ガス供給口、４２  燃料ガス供給口、４３  酸化ガス排出口、４４  燃料ガス排出口、４５〜４８  円孔、５０  ガスケット、５１〜５４  長円孔、５５〜５８  円孔、５９  角孔、６０  エアコンプレッサ、６２  流量調節弁、６４  水素ボンベ、６６  流量調節弁、７０  通路外吸水材、７２  切替機構、７４  駆動ローラ、７６  従動ローラ、７８  ベルト、７９  ステッピングモータ、８０  電子制御ユニット、Ｍ１  酸化ガス供給マニホルド、Ｍ２  燃料ガス供給マニホルド、Ｍ３  酸化ガス排出マニホルド、Ｍ４  燃料ガス排出マニホルド、Ｍ５，Ｍ６  冷却水供給マニホルド、Ｍ７，Ｍ８  冷却水排出マニホルド。
【図１】
2004342372.tif 000003
【図２】
2004342372.tif 000004
【図３】
2004342372.tif 000005
【図４】
2004342372.tif 000006
【図５】
2004342372.tif 000007
【図６】
2004342372.tif 000008
【図７】
2004342372.tif 000009
【図８】
2004342372.tif 000010