(57)【要約】  【課題】  燃料電池の体格を大きくすることなくガス通路内に溜まった水滴を排出する。  【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の出口の開口面積を変更可能な筒状開閉部材７０と、この筒状開閉部材７０のスリット７０ａの位置を切り替える駆動ローラ７４及びステッピングモータ７９とを備えている。電子制御ユニットは、ステッピングモータ７９の回転を制御して筒状開閉部材７０により酸化ガス通路３６の出口の開口面積がゼロ又は狭くなるようにしたあと酸化ガス通路３６の出口の開口面積を広くすることにより酸化ガス通路３６内に脈動を発生させる。この結果、酸化ガス通路３６内に溜まった水滴は効率よく出口へと排出される。また、燃料電池３０にバイパス通路を設ける必要がないため、燃料電池３０の体格は既存のものと同等でよく小型化に適している。【選択図】        図３
2005005247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記酸化ガス通路及び前記燃料ガス通路の少なくとも一方のガス通路の出口を開閉可能な開閉部材と、
前記開閉部材に前記ガス通路の出口を開閉させる作動手段と、
を備えた燃料電池システム。
【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前記ガス通路の出口を連通するガス排出マニホルドと、
を備え、
前記開閉部材は、前記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３】
請求項１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、
各燃料電池の前記酸化ガス通路の出口を連通する酸化ガス排出マニホルドと、
各燃料電池の前記燃料ガス通路の出口を連通する燃料ガス排出マニホルドと、
を備え、
前記開閉部材は、前記酸化ガス排出マニホルド及び前記燃料ガス排出マニホルドの少なくとも一方のガス排出マニホルドの内部に設けられている、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックを複数に分割した燃料電池ブロック、
を備え、
前記酸化ガス排出マニホルドは、前記燃料電池ブロックごとに設けられ該燃料電池ブロックを構成する燃料電池の前記酸化ガス通路の出口を連通し、
前記燃料ガス排出マニホルドは、前記燃料電池ブロックごとに設けられ該燃料電池ブロックを構成する燃料電池の前記燃料ガス通路の出口を連通する、
燃料電池システム。
【請求項５】
前記開閉部材は、スリットを有する部材であり、前記開閉部材のうち前記スリット以外の部分が前記ガス通路の出口に面したとき前記ガス通路の出口の開口面積がゼロ又は狭くなり、前記スリットが前記ガス通路の出口に面したとき前記ガス通路の出口の開口面積が広くなる、
請求項２〜４いずれか記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記開閉部材は、周面に前記スリットを有し前記ガス排出マニホルド内に回転可能に配置された筒状開閉部材である、
請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記作動手段を制御して前記開閉部材により前記ガス通路の出口の開口面積がゼロ又は狭くなるようにしたあと前記ガス通路の出口の開口面積を広くすることにより前記ガス通路内に脈動を発生させる作動制御手段、
を備えた燃料電池システム。
【請求項８】
前記作動制御手段は、前記ガス通路内の水滴滞留状態に応じて前記作動手段を制御して前記ガス通路内に脈動を発生させる、
請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記作動制御手段は、前記燃料電池の出力が所定出力値を超えるか又は前記燃料電池の積算電力量が所定電力量を超えたときに前記作動手段を制御して前記ガス通路内に脈動を発生させる、
請求項７又は８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項７〜９いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記ガス通路内に水滴が発生したときの前記燃料電池の出力挙動を記憶する記憶手段を備え、
前記作動制御手段は、運転中の前記燃料電池の出力挙動が前記記憶手段に記憶された出力挙動と略一致したときに前記作動手段を制御して前記ガス通路内に脈動を発生させる、
燃料電池システム。
【請求項１１】
前記作動制御手段は、定期的に前記作動手段を制御して前記ガス通路内に脈動を発生させる、
請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
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、
前記燃料電池スタックを複数に分割した燃料電池ブロックと、
前記燃料電池ブロックを構成する各燃料電池の前記酸化ガス通路の出口を連通する酸化ガス排出マニホルドと、
前記燃料電池ブロックを構成する各燃料電池の前記燃料ガス通路の出口を連通する燃料ガス排出マニホルドと、
前記酸化ガス排出マニホルド及び前記燃料ガス排出マニホルドの少なくとも一方のガス排出マニホルドの出口面積を調節可能な調節部材と、
前記調節部材を作動する作動手段と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池システムであって、
前記各燃料電池ブロックの水分状態に関わるパラメータの値を検出するパラメータ値検出手段と、
前記パラメータ値検出手段によって検出された前記パラメータの値に基づいて前記各燃料電池ブロックの水分状態を判定する水分状態判定手段と、
前記水分状態判定手段によって前記水分状態が過加湿と判定された燃料電池ブロックにつき、該燃料電池ブロックに設けられた前記調節部材により前記ガス排出マニホルドの出口面積が予め定めた基準面積より広くなるよう前記作動手段に前記調節部材を作動させる作動制御手段と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項１４】
前記パラメータ値検出手段は、前記各燃料電池ブロックの内部抵抗値を検出し、前記水分状態判定手段は、前記各燃料電池ブロックの内部抵抗が予め定めた適正範囲を下回るときには該燃料電池ブロックの水分状態を過加湿と判定する、請求項１３記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１２記載の燃料電池システムであって、
前記各燃料電池ブロックの水分状態に関わるパラメータの値を検出するパラメータ値検出手段と、
前記パラメータ値検出手段によって検出された前記パラメータの値に基づいて前記各燃料電池ブロックの水分状態を判定する水分状態判定手段と、
前記水分状態判定手段によって前記水分状態が過乾燥と判定された燃料電池ブロックにつき、該燃料電池ブロックに設けられた前記調節部材により前記ガス排出マニホルドの出口面積が予め定めた基準面積より狭くなるよう前記作動手段に前記調節部材を作動させる作動制御手段と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項１６】
前記パラメータ値検出手段は、前記各燃料電池ブロックの内部抵抗値を検出し、前記水分状態判定手段は、前記各燃料電池ブロックの内部抵抗が予め定めた適正範囲を上回るときには該燃料電池ブロックの水分状態を過乾燥と判定する、請求項１５記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１２〜１６いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記複数の燃料電池ブロックの位置関係を認識するブロック位置認識手段、
を備え、
前記作動制御手段は、前記ブロック位置認識手段によって下方に位置すると認識された燃料電池ブロックの前記ガス排出マニホルドの前記基準面積をそれまでより広くなるように更新する、燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１〜１７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】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムとしては、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、この燃料電池の内部にてガス通路と平行に設けられたバイパス通路と、このバイパス通路内に設けられバネにより常時閉に付勢された弁体を備えた圧力開閉弁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、ガス通路内に水滴が発生してガス通路を塞ぐと、ガス通路の入口圧力と出口圧力との圧力差による力が圧力開閉弁のバネの力を上回って圧力調整弁が開く。圧力開閉弁が開くと、ガスはガス通路の入口からバイパス通路を経てガス通路の出口へと流れるため、入口圧力と出口圧力との圧力差が小さくなり、圧力開閉弁が閉じる。この開閉動作の繰り返しによってガス通路に発生した水滴を排出する。
【特許文献１】特開２００２−１５１１１３号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この燃料電池システムでは、燃料電池にガス通路とは別にバイパス通路を設ける必要があるため、燃料電池の小型化には向かない。また、ガス通路に水滴が発生しガス通路を塞ぐと、圧力開閉弁が開きガスがバイパス通路を流れて入口圧力が下がり再び圧力開閉弁が閉じるのであるが、高圧化した入口圧力は開通したバイパス通路によって低圧化されるにすぎないため、ガス通路に溜まった水滴を出口方向へと導くのに有効に働いているとは言い難い。
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、燃料電池の体格を大きくすることなくガス通路内に溜まった水滴を排出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、ガス通路内に溜まった水滴を効率よく排出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。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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、
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、
前記酸化ガス通路及び前記燃料ガス通路の少なくとも一方のガス通路の出口を開閉可能な開閉部材と、
前記開閉部材に前記ガス通路の出口を開閉させる作動手段と、
を備えたものである。
【０００７】
この燃料電池システムでは、作動手段が開閉部材にガス通路の出口を開閉させるため、ガス通路内の圧力を応答性よく制御することができ、ガス通路内に溜まった水滴を効率よく出口へ排出することができる。また、上述した特許文献１のようにバイパス通路を設ける必要がないため、燃料電池の体格は既存のものと同等でよく、小型化に適している。
【０００８】
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前記ガス通路の出口を連通するガス排出マニホルドと、を備え、前記開閉部材は、前記ガス排出マニホルド内に設けられているようにしてもよい。こうすれば、燃料電池スタックを構成する各燃料電池のガス通路内に溜まった水滴を効率よく排出することが可能となる。また、開閉部材を既存のガス排出マニホルド内に設けるため、燃料電池の体格が大きくなることもない。
【０００９】
ここで、前記ガス排出マニホルドは、各燃料電池の酸化ガス通路の出口を連通する酸化ガス排出マニホルドであってもよいし、各燃料電池の燃料ガス通路の出口を連通する燃料ガス排出マニホルドであってもよい。このとき、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックを複数に分割した燃料電池ブロック、を備え、前記酸化ガス排出マニホルドは、前記燃料電池ブロックごとに設けられ該燃料電池ブロックを構成する燃料電池の前記酸化ガス通路の出口を連通し、前記燃料ガス排出マニホルドは、前記燃料電池ブロックごとに設けられ該燃料電池ブロックを構成する燃料電池の前記燃料ガス通路の出口を連通していてもよい。燃料電池スタックに積層された燃料電池は個々に水分状態が異なることが多いことから、ここでは複数の燃料電池ブロックに分けて各燃料電池ブロックごとに水分を排出することができるようにしている。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記開閉部材は、スリットを有する部材であり、前記開閉部材のうち前記スリット以外の部分が前記ガス通路の出口に面したとき前記ガス通路の出口の開口面積がゼロ又は狭くなり、前記スリットが前記ガス通路の出口に面したとき前記ガス通路の出口の開口面積が広くなるようにしてもよい。こうすれば、開閉部材に設けたスリットとガス通路の出口との位置関係を調整すればガス通路内に脈動を発生させることができるため、比較的簡単な構成で本発明を具現化できる。このとき、前記開閉部材は、周面に前記スリットを有し前記ガス排出マニホルド内に回転可能に配置された筒状開閉部材としてもよい。こうすれば、筒状開閉部材を回転させるという比較的簡単な操作によりスリットとガス通路の出口との位置関係を調整することができる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、前記作動手段を制御して前記開閉部材により前記ガス通路の出口の開口面積がゼロ又は狭くなるようにしたあと前記ガス通路の出口の開口面積を広くすることにより前記ガス通路内に脈動を発生させる作動制御手段、を備えていてもよい。こうすれば、ガス通路の出口の開口面積をゼロ又は狭くなるようにしてガス通路内の圧力を高めたあと、その開口面積を広くすることにより、圧力が高められたガスをガス通路内に勢いよく流すことができる。このようにガス通路内に脈動を発生させることにより、ガス通路内に溜まった水滴は効率よく出口へと排出される。
【００１２】
前記作動制御手段を備えた本発明の燃料電池システムにおいて、該作動制御手段は、前記ガス通路内の水滴滞留状態に応じて前記作動手段を制御して前記ガス通路内に脈動を発生させるようにしてもよい。こうすれば、ガス通路内に水滴が滞留したとき適切にその水滴を排出することができる。なお、「水滴滞留状態」は、実際にガス通路内に滞留した水滴を検出可能なセンサの検出信号に基づいて判断してもよいし、ガス通路内に水滴が滞留しているときの燃料電池の物理量（温度、湿度、出力状況など）を予め把握しておきその物理量に基づいて判断してもよい。
【００１３】
前記作動制御手段を備えた本発明の燃料電池システムにおいて、該作動制御手段は、前記燃料電池の出力が所定出力値を超えるか又は前記燃料電池の積算電力量が所定電力量を超えたときに前記作動手段を制御して前記ガス通路内に脈動を発生させるようにしてもよい。こうすれば、ガス通路内に水滴が発生しやすい状況である燃料電池の出力が高いときとか積算電力量が大きいときにガス通路内に脈動を発生させ、適切にガス通路内の水滴を排出することができる。ここで、「所定出力値」や「所定電力量」は、予めガス通路内に水滴が発生したときの燃料電池の出力値や積算電力量を求めておきそれらに基づいて設定するようにしてもよい。また、前記作動制御手段は、前記燃料電池の出力が所定出力値を超え且つ前記燃料電池の積算電力量が所定電力量を超えたときに前記作動手段を制御して前記ガス通路内に脈動を発生させるようにしてもよい。
【００１４】
前記作動制御手段を備えた本発明の燃料電池システムは、前記ガス通路内に水滴が発生したときの前記燃料電池の出力挙動を記憶する記憶手段を備え、前記作動制御手段は、運転中の前記燃料電池の出力挙動が前記記憶手段に記憶された出力挙動と略一致したときに前記作動手段を制御して前記ガス通路内に脈動を発生させるようにしてもよい。こうすれば、ガス通路内に水滴が発生したときの燃料電池の出力挙動（例えば出力電圧の時間変化など）と運転中の燃料電池の出力挙動とを比較することにより、ガス通路内に水滴が発生したか否かを適切に判断することができる。
【００１５】
前記作動制御手段を備えた本発明の燃料電池システムにおいて、該作動制御手段は、定期的に前記作動手段を制御して前記ガス通路内に脈動を発生させるようにしてもよい。こうすれば、比較的簡単な制御でもってガス通路内の水滴を排出することができる。ここで、「定期的」とは、例えば予め燃料電池を運転したときにガス通路内に水滴が発生するまでの時間を経験的に求めてその時間が経過する周期ごととしてもよい。
【００１６】
本発明の燃料電池システムは、
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、
前記燃料電池スタックを複数に分割した燃料電池ブロックと、
前記燃料電池ブロックを構成する各燃料電池の前記酸化ガス通路の出口を連通する酸化ガス排出マニホルドと、
前記燃料電池ブロックを構成する各燃料電池の前記燃料ガス通路の出口を連通する燃料ガス排出マニホルドと、
前記酸化ガス排出マニホルド及び前記燃料ガス排出マニホルドの少なくとも一方のガス排出マニホルドの出口面積を調節可能な調節部材と、
前記調節部材を作動する作動手段と、
を備えたものとすることもできる。
【００１７】
この燃料電池システムでは、燃料電池ブロックごとに、酸化ガス排出マニホルド及び燃料ガス排出マニホルドの少なくとも一方のガス排出マニホルドの出口面積を調節する。燃料電池スタックに積層された燃料電池は個々に水分状態が異なることが多いため、ここでは複数の燃料電池ブロックに分けて各燃料電池ブロックごとに水分を排出することができるようにしている。このため、燃料電池ブロックごとにガス通路内に溜まった水分を効率よく出口へ排出することができる。また、上述した特許文献１のようにバイパス通路を設ける必要がないため、燃料電池の体格は既存のものと同等でよく、小型化に適している。
【００１８】
このように燃料電池ブロックを備えた燃料電池システムは、前記各燃料電池ブロックの水分状態に関わるパラメータの値を検出するパラメータ値検出手段と、前記パラメータ値検出手段によって検出された前記パラメータの値に基づいて前記各燃料電池ブロックの水分状態を判定する水分状態判定手段と、前記水分状態判定手段によって前記水分状態が過加湿と判定された燃料電池ブロックにつき、該燃料電池ブロックに設けられた前記調節部材により前記ガス排出マニホルドの出口面積が予め定めた基準面積より広くなるよう前記作動手段に前記調節部材を作動させる作動制御手段と、を備えていてもよい。こうすれば、過加湿となった燃料電池ブロックについてはガス排出マニホルドの出口面積を基準面積より広くするため、その燃料電池ブロックを構成する各燃料電池のガス通路内に溜まった水分を効率よく排出することができる。このとき、前記パラメータ値検出手段は、前記各燃料電池ブロックの内部抵抗値を検出し、前記水分状態判定手段は、前記各燃料電池ブロックの内部抵抗が予め定めた適正範囲を下回るときには該燃料電池ブロックの水分状態を過加湿と判定してもよい。
【００１９】
また、燃料電池ブロックを備えた燃料電池システムは、前記各燃料電池ブロックの水分状態に関わるパラメータの値を検出するパラメータ値検出手段と、前記パラメータ値検出手段によって検出された前記パラメータの値に基づいて前記各燃料電池ブロックの水分状態を判定する水分状態判定手段と、前記水分状態判定手段によって前記水分状態が過乾燥と判定された燃料電池ブロックにつき、該燃料電池ブロックに設けられた前記調節部材により前記ガス排出マニホルドの出口面積が予め定めた基準面積より狭くなるよう前記作動手段に前記調節部材を作動させる作動制御手段と、を備えていてもよい。こうすれば、過乾燥となった燃料電池ブロックについてはガス排出マニホルドの出口面積を基準面積より狭くするため、その燃料電池ブロックを構成する各燃料電池のガス通路内に水分が滞留しやすくなり過乾燥を解消することができる。このとき、前記パラメータ値検出手段は、前記各燃料電池ブロックの内部抵抗値を検出し、前記水分状態判定手段は、前記各燃料電池ブロックの内部抵抗が予め定めた適正範囲を上回るときには該燃料電池ブロックの水分状態を過乾燥と判定してもよい。
【００２０】
また、燃料電池ブロックを備えた燃料電池システムは、前記複数の燃料電池ブロックの位置関係を認識するブロック位置認識手段を備え、前記作動制御手段は、前記ブロック位置認識手段によって下方に位置すると認識された燃料電池ブロックの前記ガス排出マニホルドの前記基準面積をそれまでより広くなるように更新してもよい。燃料電池スタックを構成する各燃料電池ブロックのうち下方に位置する燃料電池ブロックは重力により水分が溜まりやすい傾向にあることから、そのような燃料電池ブロックは予め水分を排出し易いように基準面積を広くしている。
【００２１】
本発明の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ガス通路内に脈動を発生させることによりガス通路内に溜まった水滴は効率よく出口へと排出されるものであり、燃料電池の体格は既存のものと同等でよく小型化に適しているものであるから、これを搭載した車両も同様の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［第１実施形態］
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は筒状開閉部材７０の概略斜視図、図４は筒状開閉部材７０のスリット７０ａ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３０の断面図である。
【００２３】
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にて酸化ガス通路３６の出口を開閉可能な筒状開閉部材７０（図３参照）とを備えている。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
筒状開閉部材７０は、図３及び図４に示すように、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に断面長円形の筒状となるように架け渡されたベルト部材である。この筒状開閉部材７０は、金属薄板又は樹脂薄板で形成され、各酸化ガス通路３６の出口に対向可能な位置にスリット７０ａ，７０ａ，…が設けられている。また、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作動手段としてのステッピングモータ７９により回転駆動される。この駆動ローラ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筒状開閉部材７０に設けられた図示しないガイド穴に順次係合しながら筒状開閉部材７０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と筒状開閉部材７０との間で滑りが生じることはない。各スリット７０ａ，７０ａ，…は、駆動ローラ７４により筒状開閉部材７０が回転して各酸化ガス通路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の出口を開放した状態となり（図４（ａ）及び図５（ａ）参照）、駆動ローラ７４により筒状開閉部材７０が回転して酸化ガス通路３６，３６の間を仕切る凸部３７と対向する位置で停止されると酸化ガス通路３６の出口を閉鎖した状態となる（図４（ｂ）及び図５（ｂ）参照）。なお、筒状開閉部材７０によって囲まれる内部空間は酸化ガス排出マニホルドＭ３と略同等の大きさとなっている。
【００３０】
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。
【００３１】
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、エアの流量を調整する流量調節弁６２への制御信号や水素の流量を調整する流量調節弁６６への制御信号、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。
【００３２】
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内に滞留した水滴を排出する動作について説明する。なお、初期状態では、筒状開閉部材７０のスリット７０ａは酸化ガス通路３６の出口を開放している状態、つまり出口と対向する位置に配置されている（図４（ａ）及び図５（ａ）参照）。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出口開閉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、出口閉鎖フラグＦが０か１かを判定する（ステップＳ１００）。この出口閉鎖フラグＦは、酸化ガス通路３６の出口を閉鎖しているときには１にセットされ、酸化ガス通路３６の出口を開放しているときには０にリセットされるフラグであり、初期設定時には０にリセットされている。ステップＳ１００で出口閉鎖フラグＦが０のときには、続いて現時点が出口閉鎖タイミングか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここでは、予め設定された一定時間が経過するごとに閉鎖タイミングであると判定する。なお、一定時間は予め燃料電池スタック２０を運転したときに酸化ガス通路３６内に水滴が発生するまでの時間を求め、その時間としている。そして、現時点が閉鎖タイミングでないときには、そのままこのルーチンを終了する。一方、現時点が閉鎖タイミングのときには、駆動ローラ７４により筒状開閉部材７０が回転してスリット７０ａが酸化ガス通路３６，３６の間を仕切る凸部３７と対向する位置で停止するよう、つまり酸化ガス通路３６の出口をスリット７０ａ以外の部分で閉鎖するよう（図４（ａ）及び図５（ａ）参照）、ステッピングモータ７９の回転を制御すると共に（ステップＳ１２０）、出口閉鎖フラグＦを１にセットし（ステップＳ１３０）、このルーチンを終了する。
【００３３】
さて、ステップＳ１００で出口閉鎖フラグＦが１のときには、既に酸化ガス通路３６の出口が閉鎖されて酸化ガス通路３６内の圧力が上昇している状態であるが、このときには出口閉鎖フラグＦが０から１にセットされたときから予め定められた閉鎖時間が経過したか否かを判定し（ステップＳ１４０）、閉鎖時間が経過していないときには、そのままこのルーチンを終了する。一方、閉鎖時間が経過したときには、酸化ガス通路３６内の圧力が予め予定された圧力まで上昇したとみなして、駆動ローラ７４により筒状開閉部材７０が回転して各酸化ガス通路３６の出口と対向する位置で停止するよう、つまり酸化ガス通路３６の出口を開放するよう（図４（ｂ）及び図５（ｂ）参照）、ステッピングモータ７９の回転を制御すると共に（ステップＳ１５０）、出口閉鎖フラグＦを０にリセットし（ステップＳ１６０）、このルーチンを終了する。なお、閉鎖時間は、出口閉鎖タイミングのインターバル期間よりも短く設定されている。
【００３４】
以上詳述した本実施形態では、燃料電池３０の酸化ガス通路３６の出口を閉鎖して酸化ガス通路３６内の圧力を高めたあとその出口を開放することにより、酸化ガス通路３６内で圧力が高められた酸化ガスを酸化ガス通路３６内に勢いよく流す。このようにして酸化ガス通路３６内に脈動を発生させることにより、酸化ガス通路３６内に溜まった水滴は効率よく出口から酸化ガス排出マニホルドＭ３へ排出される。また、筒状開閉部材７０に酸化ガス通路３６の出口を開閉させるため、酸化ガス通路３６内の圧力を応答性よく制御することができる。また、前出の特許文献１のように燃料電池３０にバイパス通路を設ける必要がないし、既存の酸化ガス排出マニホルドＭ３内に筒状開閉部材７０やローラ７４，７６を配置しているため、燃料電池３０の体格は既存のものと同等でよく、小型化に適している。更に、筒状開閉部材７０に設けたスリット７０ａと酸化ガス通路３６の出口との位置関係を調整すれば酸化ガス通路３６内に脈動を発生させることができるため、比較的簡単な構成で本発明を具現化できるし、筒状開閉部材７０を回転させるという比較的簡単な操作によりスリット７０ａと酸化ガス通路３６の出口との位置関係を調整することもできる。更にまた、定期的に酸化ガス通路３６内に脈動を発生させるため、比較的簡単な制御でもって酸化ガス通路３６内の水滴を排出することができる。
【００３５】
以下に上述した第１実施形態の変形例について説明する。上述した実施形態では、予め設定された一定時間が経過するごとに出口閉鎖タイミングであるとして酸化ガス通路３６に脈動を発生させるようにしたが、予め酸化ガス通路３６内に水滴が発生するときの湿度を求めておきこれを湿度の閾値Ｔ０とし、酸化ガス通路３６内に湿度センサを設置しこの湿度センサによって検出された湿度が閾値Ｔ０を超えたときに出口閉鎖タイミングであると判定して酸化ガス通路３６に脈動を発生させるようにしてもよい。こうすれば、水滴滞留状態に応じて酸化ガス通路３６に脈動を発生させるため、酸化ガス通路３６内に水滴が滞留したとき適切にその水滴を排出することができる。
【００３６】
あるいは、燃料電池スタック２０に高出力が要求されたときに出口閉鎖タイミングであると判定して酸化ガス通路３６に脈動を発生させるようにしてもよい。燃料電池スタック２０に高出力が要求されたか否かの判定は、燃料電池スタック２０に要求される電力が予め定められた電力の閾値Ｔ１を超えるか否かによって行えばよい。ここで、燃料電池スタック２０に要求される電力は、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算出した駆動輪１８，１８に要求される動力に基づいて算出される。また、閾値Ｔ１は、次のようにして予め経験的に求めればよい。即ち、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内に水滴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内に生じる水滴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ほど水滴が生じた時点の燃料電池スタック２０の出力電力を閾値Ｔ１とすればよい。
【００３７】
あるいは、燃料電池スタック２０に高出力が要求されている状態のまま燃料電池スタック２０の積算電力量が相当量を超えたときに出口閉鎖タイミングであると判定してもよい。燃料電池スタック２０に高出力が要求されたとしても、積算電力量が相当量に達していない場合には、一時的に電気化学反応が活発になるものの酸化ガス通路３６内に水滴が発生するには至らないが、燃料電池スタック２０に高出力が要求された状態が長く続く場合つまり要求電力が前出の閾値Ｔ１を超え且つ積算電力量が相当量に達した場合には、酸化ガス通路３６内に水滴が発生しやすい。このため、そのような相当量を予め実験で求めこれを積算電力量の閾値Ｔ２とし、燃料電池スタック２０の要求電力が閾値Ｔ１を超えている状態のまま積算電力量が閾値Ｔ２を超えたときに出口閉鎖タイミングであると判定すればよい。
【００３８】
あるいは、酸化ガス通路３６内に水滴が発生したときの燃料電池スタック２０の出力電圧の時間変化の挙動をＲＯＭ８４に記憶しておき、運転中の燃料電池スタック２０の出力電圧の時間変化の挙動がＲＯＭ８４に記憶された挙動と略一致したときに出口閉鎖タイミングであると判定して、酸化ガス通路３６内に脈動を発生させるようにしてもよい。こうすれば、酸化ガス通路３６内に水滴が発生したか否かを適切に判断することができる。
【００３９】
また、上述した実施形態では、断面長円形の筒状開閉部材７０を採用したが、図７に示すように、複数の酸化ガス通路３６が出口側で集合されて一本の集合通路１３６となったあと酸化ガス排出マニホルドＭ３へ繋がる構成の燃料電池３０を採用したときには、集合通路１３６の出口を開閉する断面略円形の筒状開閉部材で周面にスリットを有するもの、つまりスリット１７０ａの付いたロータリ弁１７０を酸化ガス排出マニホルドＭ３に軸回転可能となるように配置し、ステッピングモータ７９によりこのロータリ弁１７０のスリット１７０ａと集合通路１３６の出口との位置関係を切り替えて集合通路１３６の出口を開閉させるようにしてもよい。
【００４０】
更に、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筒状開閉部材７０のスリット７０ａと酸化ガス通路３６の出口との位置関係を調整することにより酸化ガス通路３６の出口の開閉を制御したが、図８に示すように、スリットのない金属製又は樹脂製の薄板２７０を酸化ガス排出マニホルドＭ３内にて図示しないアクチュエータ（モータやソレノイドなど）により上下動させて酸化ガス通路３６の出口を閉鎖した状態（図８の実線参照）と出口を開放した状態（図８の点線参照）とで切り替えるようにしてもよい。
【００４１】
更にまた、上述した実施形態では、酸化ガス通路３６の出口をスリット７０ａと一致させて開放するか、スリット７０ａ以外の部分と一致させて閉鎖するかの二者択一としたが、酸化ガス通路３６の出口とスリット７０ａとが重なり合う面積（開口面積）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内の脈動圧をきめ細かく調節することができる。
【００４２】
そして、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。
【００４３】
そしてまた、上述した実施形態では、酸化ガス通路３６の出口を開閉することにより酸化ガス通路３６内に脈動を発生させたが、これに代えて又はこれに加えて、燃料ガス通路３８の出口を同様にして開閉することにより燃料ガス通路３８内に脈動を発生させてもよい。燃料ガス通路３８に供給される燃料ガスは加湿されているため、過剰な加湿によって水滴が発生することもあり得るからである。
【００４４】
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。
【００４５】
［第２実施形態］
第２実施形態は、第１実施形態の燃料電池スタック２０の代わりに燃料電池スタック１２０を採用した以外は第１実施形態と同様であるため、同じ構成要素には同じ符号を付しその説明を省略する。図９は本実施形態の燃料電池スタック１２０の斜視図、図１０は酸化ガス及び燃料ガスの給排の様子を表す説明図、図１２は電子制御ユニット８０の接続関係を表すブロック図である。
【００４６】
本実施形態の燃料電池スタック１２０は、図９に示すように、基本単位である燃料電池３０（第１実施形態と同じもの）を第１列Ｌ１と第２列Ｌ２の二列にわたって数百枚スタックしたものであり、二列に折り返す部分は連結板１２７によって架け渡されている。この連結板１２７は、緻密質カーボンや銅板などのようにガス不透過で導電性を有する部材によって形成されている。この結果、数百枚の燃料電池３０が直列に接続された状態となっている。燃料電池スタック１２０は、４つの燃料電池ブロックつまり第１〜第４燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４に分けられており、各燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４は、全体の１／４の枚数の燃料電池３０を保有している。このうち、第１燃料電池ブロックＢ１と第２燃料電池ブロックＢ２とが第１列Ｌ１を構成し、第３燃料電池ブロックＢ３と第４燃料電池ブロックＢ４とが第２列Ｌ２を構成している。また、第１燃料電池ブロックＢ１と第２燃料電池ブロックＢ２との間と、第３燃料電池ブロックＢ３と第４燃料電池ブロックＢ４との間には、マニホルド形成板１３０が挟み込まれている。
【００４７】
ここで、第１燃料電池ブロックＢ１及び第４燃料電池ブロックＢ４は、複数の燃料電池３０を積層した状態でその両側をマニホルド形成板１３０と集電板１２１，１２２とで挟持し、集電板１２１，１２２の外側に絶縁板１２３，１２４及びエンドプレート１２５，１２６を配置したものであり、集電板１２１，１２２には端子１２１ａ，１２２ａが設けられている。ここで、マニホルド形成板１３０は、第１燃料電池ブロックＢ１と第２燃料電池ブロックＢ２との間に挟持される導電性の第１挟持部１３１と、第３燃料電池ブロックＢ３と第４燃料電池ブロックＢ４との間に挟持される導電性の第２挟持部１３２と、第１挟持部１３１と第２挟持部１３２とを電気的に絶縁した状態で接続する接続部１３３とを有している。ここでは、第１挟持部１３１と第２挟持部１３２は緻密質カーボンや銅板等のガス不透過な導電性材料で形成され、接続部１３３はゴムや樹脂等の絶縁性材料で形成されている。また、第２燃料電池ブロックＢ２及び第３燃料電池ブロックＢ３は、複数の燃料電池３０を積層した状態でその両側を連結板１２７とマニホルド形成板１３０とで挟持したものである。そして、エンドプレート１２５，１２６と連結板１２７とは図示しない加圧装置により図９における白抜き矢印の方向に加圧されている。この結果、燃料電池スタック１２０を構成する燃料電池３０は互いに緊密に接触した状態で保持されている。また、燃料電池スタック１２０には電流計ＡＭが取り付けられ、第１〜第４燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４には第１〜第４電圧計ＶＭ１〜ＶＭ４がそれぞれ取り付けられている。
【００４８】
マニホルド形成板１３０は、図１０（ａ）に示すように、第１挟持部１３１の内部にて第１及び第２燃料電池ブロックＢ１，Ｂ２の第１及び第２酸化ガス供給マニホルドＭ１１，Ｍ２１へ酸化ガスを分配するように形成されていると共に、第２挟持部１３２の内部にて第３及び第４燃料電池ブロックＢ３，Ｂ４の第３及び第４酸化ガス供給マニホルドＭ３１，Ｍ４１へ酸化ガスを分配するように形成されている。また、マニホルド形成板１３０は、図１０（ｂ）に示すように、第１挟持部１３１の内部にて第１及び第２燃料電池ブロックＢ１，Ｂ２の第１及び第２燃料ガス供給マニホルドＭ１２，Ｍ２２へそれぞれ燃料ガスを分配するように形成されていると共に、第２挟持部１３２の内部にて第３及び第４燃料電池ブロックＢ３，Ｂ４の第３及び第４燃料ガス供給マニホルドＭ３２，Ｍ４２へ燃料ガスを分配するように形成されている。また、各燃料電池３０へ分配された酸化ガス及び燃料ガスは、各燃料電池３０の内部に形成されたガス通路を通過したあと、第１〜第４燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４の第１〜第４酸化ガス排出マニホルドＭ１３，Ｍ２３，Ｍ３３，Ｍ４３及び第１〜第４燃料ガス排出マニホルドＭ１４，Ｍ２４，Ｍ３４，Ｍ４４からそれぞれ外部へ排出される。そして、第１〜第４酸化ガス排出マニホルドＭ１３，Ｍ２３，Ｍ３３，Ｍ４３から酸化ガスを外部へ排出するまでの途中に電磁弁である第１〜第４酸化ガス背圧調整弁ＡＶ１〜ＡＶ４が取り付けられ、第１〜第４燃料ガス排出マニホルドＭ１４，Ｍ２４，Ｍ３４，Ｍ４４から燃料ガスを外部へ排出するまでの途中に同じく電磁弁である第１〜第４燃料ガス背圧調整弁ＨＶ１〜ＨＶ４が取り付けられている。なお、各背圧調整弁ＡＶ１〜ＡＶ４，ＨＶ１〜ＨＶ４は、図１１に示すように、ガスが通過する面積（開口面積）を調節する弁体Ｖａ（本発明の調節部材）と、電子制御ユニット８０からの制御信号に応じて弁本Ｖａを動かすアクチュエータＶｂ（本発明の作動手段）とにより構成される。
【００４９】
電子制御ユニット８０は、第１実施形態と同様、ＣＰＵ８２，ＲＯＭ８４，ＲＡＭ８６を備えている。この電子制御ユニット８０には、図１２に示すように、アクセルペダル開度信号ＡＰや車速信号Ｖ、駆動装置１４に含まれる電力変換装置からの電気信号のほか、第１〜第４電圧計ＶＭ１〜ＶＭ４からの検出信号や電流計ＡＭからの検出信号、車両の傾斜角を検出する車両傾斜角検出装置６８からの検出信号などが図示しない入力ポートを介して入力される。ここでは車両傾斜角検出装置６８として、傾斜路面に停止した場合の車両の傾きを検出する装置を採用しているが、各車輪のサスペンションストローク量あるいは車両の加速度に基づいて車両の姿勢変化を検出する装置などを採用してもよい。また、電子制御ユニット８０からは、エアの流量を調節する流量調節弁６２への制御信号や水素の流量を調節する流量調節弁６６への制御信号、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のほか、第１〜第４エア背圧調整弁ＡＶ１〜ＡＶ４への制御信号や第１〜第４水素背圧調整弁ＨＶ１〜ＨＶ４への制御信号などが図示しない出力ポートを介して出力される。また、電子制御ユニット８０のＲＯＭ８４には、燃料電池ブロックの水分量と燃料電池ブロックの内部抵抗Ｒｉとの関係が図１３に示すマップとして記憶されている。図１３における関係は予め実験などで経験的に求められたものである。本実施形態では、このマップは、各燃料電池ブロックの内部抵抗ＲｉがＣ１≦Ｒｉ≦Ｃ２のときには燃料電池ブロックの水分量が適正であり、Ｒｉ＜Ｃ１のときには水分量が過剰（フラッディング）であり、Ｃ２＜Ｒｉのときには水分量が過少（ドライアップ）となっている。なお、Ｃ１，Ｃ２は予め実験により経験的に求めた値である。
【００５０】
次に、こうして構成された本実施形態の車両の動作について説明する。図１２に示すように、電子制御ユニット８０のＣＰＵ８２は、アクセルペダル開度信号ＡＰや車速信号Ｖを入力するとこれらの信号に基づいて要求動力Ｐを算出し、その要求動力Ｐに応じた電力を燃料電池スタック１２０が出力するようにこのスタック１２０へ供給するエア流量及び水素流量を決定し、それらの流量に応じて流量調節弁６２，６６を制御する。この結果、車両は燃料電池スタック１２０から出力される電力を利用して運転者の要求を満たすように走行することになる。
【００５１】
次に、車両走行時に燃料電池スタック１２０の水分状態を適正に維持する動作について説明する。なお、初期状態では、第１〜第４エア背圧調整弁ＡＶ１〜ＡＶ４及び第１〜第４水素背圧調整弁ＨＶ１〜ＨＶ４の基準位置は全開と全閉の中間位置に設定されるものとし、電子制御ユニット８０に内蔵された処理カウンタやタイマの値はゼロにリセットされるものとし、各燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４ごとのドライアップフラグＦＤ１〜ＦＤ４やフラッディングフラグＦＦ１〜ＦＦ４の値もゼロにリセットされるものとする。なお、ドライアップフラグＦＤはドライアップを解消する処理を実行中のときに値１にセットされそれ以外のときに値０にリセットされるフラグであり、フラッディングフラグＦＦはフラッディングを解消する処理を実行中のときに値１にセットされそれ以外のときに値０にリセットされるフラグである。
【００５２】
図１４は、電子制御ユニット８０のＣＰＵ８２により実行される水分量適正化処理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、処理カウンタｎ（ｎは整数を表す）の値に１をセットする（ステップＳ２００）。続いて、ドライアップフラグＦＤｎかフラッディングフラグＦＦｎのいずれかが１か否かを判定する（ステップＳ２０２）。そして、フラグＦＤｎ，ＦＦｎのいずれも１でない、つまり両方ともゼロだったときには、電流計ＡＭから得られる電流値と第ｎ電圧計ＶＭｎから得られる電圧値に基づいて第ｎ燃料ブロックの内部抵抗Ｒｉを算出し（ステップＳ２０４）、その内部抵抗ＲｉがＲｉ＜Ｃ１か否かを判定し（ステップＳ２０６）、Ｒｉ＜Ｃ１のときには図１３に照らして第ｎ燃料電池ブロックはフラッディング状態にあることから、第ｎエア背圧調整弁ＡＶｎ及び第ｎ水素背圧調整弁ＨＶｎを基準位置よりも開いてこの燃料電池ブロックを通過するガス量を増やす（ステップＳ２０８）。また、フラッディングフラグＦＦｎに１をセットすると共に予め設定された所定時間をタイマにセットしたあとダウンカウントを開始する（ステップＳ２１０）。これにより、第ｎ燃料電池ブロックに存在する過剰の水分はガス流に乗って掃気され易くなる。このとき背圧調整弁ＡＶｎ，ＨＶｎは全開にしてもよいし全開の手前にしてもよい。
【００５３】
一方、ステップＳ２０６でＲｉ＜Ｃ１でないときつまりＣ１≦Ｒｉのときには、Ｃ２＜Ｒｉか否かを判定し（ステップＳ２１２）、Ｃ２＜Ｒｉのときには図１３に照らして第ｎ燃料電池ブロックはドライアップ状態にあることから、第ｎエア背圧調整弁ＡＶｎ及び第ｎ水素背圧調整弁ＨＶｎを基準位置よりも絞ってこの燃料電池ブロックのガスを滞留させる（ステップＳ２１４）。また、ドライアップフラグＦＤｎに１をセットすると共に予め設定された所定時間をタイマにセットしたあとダウンカウントを開始する（ステップＳ２１６）。これにより、第ｎ燃料電池ブロックには加湿された水素ガスや加湿されたエアが滞留するため水分が上昇し易くなる。このとき背圧調整弁は全閉にしてもよいし全閉の手前にしてもよい。
【００５４】
一方、ステップＳ２０２でドライアップフラグＦＤｎかフラッディングフラグＦＦｎのいずれかが１だったときには、タイマがダウンカウントしていることになるが、そのタイマがゼロになったか否かつまり所定時間が経過したか否かを判定し（ステップＳ２１８）、所定時間が経過したときには、第ｎエア背圧調整弁ＡＶｎ及び第ｎ水素背圧調整弁ＨＶｎを基準位置に戻し（ステップＳ２２０）、ドライアップフラグＦＤｎ及びフラッディングフラグＦＦｎをゼロにリセットする（ステップＳ２２２）。ここで、所定時間は、フラッディングについては、フラッディング状態にある燃料電池ブロックの背圧調整弁を開放してから水分が掃気されて適正化されるまでに要する時間を経験的に求めたものであり、ドライアップについては、ドライアップ状態にある燃料電池ブロックの背圧調整弁を絞ってから水分が増えて適正化されるまでに要する時間を経験的に求めたものである。したがって、フラッディングとドライアップとで所定時間は異なっていてもよいし同じであってもよい。
【００５５】
そして、ステップＳ２１８で所定時間が経過していないか、ステップＳ２２２で両フラグをリセットするか、ステップＳ２１０又はステップＳ２１６でタイマのダウンカウントを開始するか、ステップＳ２１２で否定判定つまり第ｎ燃料電池ブロックの内部抵抗Ｒｉが適正（Ｃ１≦Ｒｉ≦Ｃ２）だったとき、処理カウンタｎの値を１だけインクリメントし（ステップＳ２２４）、インクリメント後の処理カウンタｎが最大値（ここでは４）を超えたか否かを判定し（ステップＳ２２６）、ｎが最大値を超えていないときには再びステップＳ２０２以降の処理を行い、ｎが最大値を超えたときにはこのルーチンを終了する。こうすることにより、燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４ごとに内部抵抗Ｒｉを算出し、その内部抵抗Ｒｉに基づいて背圧調整弁の開閉を制御して、個々の燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４の水分量の適正化を図ることができる。
【００５６】
次に、車両走行時に燃料電池スタック１２０の水分状態を適正に維持する動作の一環として実行される、傾斜対応処理ルーチンについて説明する。図１５はこの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によって所定タイミング（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、車両傾斜角検出装置６８から傾斜角を入力し（ステップＳ３００）、その傾斜角に基づいて車両姿勢が水平か否かを判定し（ステップＳ３１０）、車両姿勢が水平のときには全燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４のエア背圧調整弁ＡＶ１〜ＡＶ４や水素背圧調整弁ＨＶ１〜ＨＶ４の基準位置を全開と全閉の中間位置に設定し（ステップＳ３２０）、このルーチンを終了する。このときの基準位置は初期状態における基準位置と同じである。一方、ステップＳ３１０で車両姿勢が水平でなかったときには燃料電池スタック１２０を構成する燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４のうち最も下方に位置する燃料電池ブロックはどれかを認識し（複数の場合もある）、その燃料電池ブロックのエア背圧調整弁及び水素背圧調整弁の基準位置を先ほどの中間位置よりも開いた位置に設定し（ステップＳ３３０）、このルーチンを終了する。燃料電池スタック１２０のうち下方に位置する燃料電池ブロックには重力により水分が溜まりやすいが、その燃料電池ブロックの背圧調整弁の基準位置を中間位置よりも開側に設定して前もってガス量が多く流れるようにすることにより水分が溜まりにくくなる。なお、ステップＳ３３０における弁の位置はステップＳ２０８における弁の位置よりも閉側にする。
【００５７】
以上詳述した本実施形態によれば、燃料電池スタック１２０に積層された燃料電池３０は個々に水分状態が異なることが多いことから複数の燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４に分けて各燃料電池ブロックごとに水分を排出することができるようにし、各燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４を構成する燃料電池３０の燃料ガス通路内又は酸化ガス通路内に溜まった水分を効率よく出口へ排出することができる。また、上述した特許文献１のようにバイパス通路を設ける必要がないため、燃料電池の体格は既存のものと同等でよく、小型化に適している。
【００５８】
また、過加湿となった燃料電池ブロックについては酸化ガス排出マニホルド及び燃料ガス排出マニホルドの背圧調整弁を基準位置より開いて出口面積を広くするため、その燃料電池ブロックを構成する各燃料電池の酸化ガス通路内及び燃料ガス通路内に溜まった水分を効率よく排出することができる。一方、過乾燥となった燃料電池ブロックについては酸化ガス排出マニホルド及び燃料ガス排出マニホルドの背圧調整弁を基準位置より閉じて出口面積を狭くするため、その燃料電池ブロックを構成する各燃料電池の酸化ガス通路内及び燃料ガス通路内に、加湿された水素ガスや加湿されたエアが滞留して水分が上昇し易くなる。なお、背圧調整弁が基準位置に位置決めされたときのガス排出マニホルドの開口面積が、本発明の基準面積に相当する。
【００５９】
更に、燃料電池スタック１２０を構成する各燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４のうち下方に位置する燃料電池ブロックは重力により水分が溜まりやすい傾向にあることから、そのような燃料電池ブロックの酸化ガス排出マニホルド及び燃料ガス排出マニホルドについては基準位置を中間位置よりも開側に設定して予め水分を排出し易いようにしている。            
【００６０】
次に、上述した実施形態の変形例について説明する。上述した第２実施形態では、過加湿となった燃料電池ブロックの背圧調整弁を基準位置より開いて出口面積を広くして水分を排出しやすくしたが、第１実施形態のように一旦出口面積を全閉にしたあと開放することにより脈動を発生させて水分を排出するようにしてもよい。逆に、上述した第１実施形態では脈動を発生させることにより水分を排出するようにしたが、筒状開閉部材７０が酸化ガス通路３６の出口を完全に開放する位置と完全に閉鎖する位置との中間にあるときを基準位置とし、水滴が発生したときには筒状開閉部材７０を基準位置から出口を開放する側に移動して水分を排出しやすくしてもよい。
【００６１】
また、上述した第２実施形態では、各燃料電池ブロックの燃料ガス排出マニホルドの出口や酸化ガス排出マニホルドの出口に背圧調節弁を設けたが、このような背圧調整弁の代わりに第１実施形態の筒状開閉部材７０及びこれを駆動するステッピングモータ７９を採用してもよい。こうしても、ステッピングモータ７９を作動して筒状開閉部材７０によりガス排出マニホルドの出口面積を調節することができるため、第２実施形態と同様の効果が得られる。
【００６２】
更に、上述した第２実施形態では、内部抵抗Ｒｉの値がＲｉ＜Ｃ１かＣ１≦Ｒｉ≦Ｃ２かＣ２＜Ｒｉかに応じて背圧調整弁を基準位置とするか基準位置より開くか基準位置より閉じるかを決定したが、更に細かく位置制御を行ってもよい。例えば、上述した第２実施形態では、Ｒｉ＜Ｃ１のときには背圧調整弁を全開にしたが、Ｃ０≦Ｒｉ＜Ｃ１のときには全開の手前まで開き、Ｒｉ＜Ｃ０のときには全開にするというような制御を行ってもよい。
【００６３】
更にまた、上述した第２実施形態ではフラッディングやドライアップになったときにはエア背圧調整弁と水素背圧調整弁の両方を開放したり絞ったりしたが、エア背圧調整弁のみを設けてこれを開放したり絞ったりしてもよいし、水素背圧調整弁のみを設けてこれを開放したり絞ったりしてもよい。
【００６４】
そして、上述した第２実施形態では、燃料電池スタック１２０を列Ｌ１と列Ｌ２の二列構成とし各列ずつ２分割することにより合計４つの燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４としたが、例えば図１６に示すように、各列ずつ３分割することにより合計６つの燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ６としてもよい。このように各列ずつ３分割したときには、両端の燃料電池ブロックＢ１，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ６はエンドプレート２２５，２２６または連結板１２７と接しているため、これらにより放熱されて温度が低くなりやすくフラッディングしやすい傾向にある。これに対して、中央の燃料電池ブロックＢ２は両隣を発熱体である燃料電池ブロックＢ１，Ｂ３に挟まれ、同じく中央の燃料電池ブロックＢ５は両隣を発熱体である燃料電池ブロックＢ４，Ｂ６に挟まれているため、放熱しにくくドライアップしやすい傾向にある。したがって、燃料電池ブロックごとに異なる水分状態となる可能性が高く、本発明を適用する意義が高い。
【００６５】
そしてまた、上述した第２実施形態では、水分量適正化処理ルーチンは図１４のフローチャートに基づいて実行したが、図１７のフローチャートに基づいて実行してもよい。即ち、ＣＰＵ８２は、まず、処理カウンタｎ（ｎは整数を表す）の値に１をセットし（ステップＳ４００）、続いて、電流計ＡＭから得られる電流値と第ｎ電圧計ＶＭｎから得られる電圧値に基づいて第ｎ燃料ブロックの内部抵抗Ｒｉを算出し（ステップＳ４０２）、その内部抵抗ＲｉがＲｉ＜Ｃ１か否かを判定し（ステップＳ４０４）、Ｒｉ＜Ｃ１のときには第ｎエア背圧調整弁ＡＶｎ及び第ｎ水素背圧調整弁ＨＶｎを基準位置よりも開いてこの燃料電池ブロックを通過するガス量を増やす（ステップＳ４０６）。一方、ステップＳ４０４でＲｉ＜Ｃ１でないときつまりＣ１≦Ｒｉのときには、Ｃ２＜Ｒｉか否かを判定し（ステップＳ４０８）、Ｃ２＜Ｒｉのときには第ｎエア背圧調整弁ＡＶｎ及び第ｎ水素背圧調整弁ＨＶｎを基準位置よりも絞ってこの燃料電池ブロックのガスを滞留させる（ステップＳ４１０）。一方、ステップＳ４０８でＣ２＜ＲｉでないときつまりＣ１≦Ｒｉ≦Ｃ２のときには水分は適正範囲であるから第ｎエア背圧調整弁ＡＶｎ及び第ｎ水素背圧調整弁ＨＶｎを基準位置に位置決めする（ステップＳ４１２）。そして、ステップＳ４０６，Ｓ４０８又はＳ４１２のあと、処理カウンタｎの値を１だけインクリメントし（ステップＳ４１４）、インクリメント後の処理カウンタｎが最大値（ここでは４）を超えたか否かを判定し（ステップＳ４１６）、ｎが最大値を超えていないときには再びステップＳ４０２以降の処理を行い、ｎが最大値を超えたときにはこのルーチンを終了する。こうすることによっても、燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４ごとに内部抵抗Ｒｉを算出し、その内部抵抗Ｒｉに基づいて背圧調整弁の開閉を制御して、個々の燃料電池ブロックＢ１〜Ｂ４の水分量の適正化を図ることができる。
【００６６】
そして更に、上述した第２実施形態では、電圧測定ポイントごとに電圧計ＶＭ１〜ＶＭ４を設けたため複数の電圧計が必要となったが、電圧測定ポイントを走査可能な電圧計を用いれば１つの電圧計で対処できるため、構成が簡素化される。
【００６７】
そして更にまた、上述した実施形態では、燃料電池システム１２０を車両に搭載した場合を例示したが、この燃料電池システム１２０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。
【００６８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】第１実施形態の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】第１実施形態の燃料電池の組立斜視図である。
【図３】第１実施形態の筒状開閉部材の概略斜視図である。
【図４】第１実施形態の筒状開閉部材のスリットと酸化ガス通路との位置関係を表す説明図である。
【図５】第１実施形態の燃料電池の断面図である。
【図６】第１実施形態の酸化ガス通路出口開閉ルーチンのフローチャートである。
【図７】第１実施形態の変形例の開閉部材の概略斜視図である。
【図８】第１実施形態の変形例の開閉部材の概略斜視図である。
【図９】第２実施形態の燃料電池スタックの斜視図である。
【図１０】第２実施形態の酸化ガス及び燃料ガスの給排の様子を表す説明図である。
【図１１】第２実施形態の背圧調整弁の説明図である。
【図１２】第２実施形態の電子制御ユニットの接続関係を表すブロック図である。
【図１３】第２実施形態の燃料電池ブロックの水分量と燃料電池ブロックの内部抵抗Ｒｉとの関係を表すマップである。
【図１４】第２実施形態の水分量適正化処理ルーチンのフローチャートである。
【図１５】第２実施形態の傾斜対応処理ルーチンのフローチャートである。
【図１６】第２実施形態の変形例の燃料電池スタックの平面図である。
【図１７】第２実施形態の変形例の水分量適正化処理ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７０】
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、３４  膜電極接合体（ＭＥＡ）、３６  酸化ガス通路、３７  凸部、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  筒状開閉部材、７０ａ  スリット、７４  駆動ローラ、７６  従動ローラ、７９  ステッピングモータ、８０  電子制御ユニット、８２  ＣＰＵ、８４  ＲＯＭ、８６  ＲＡＭ、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、１２０  燃料電池スタック、１２１，１２２  集電板、１２１ａ，１２２ａ  端子、１２３，１２４  絶縁板、１２５，１２６  エンドプレート、１２７  連結板、１３０  マニホルド形成板、１３１  第１挟持部、１３２  第２挟持部、１３３  接続部、ＡＭ  電流計、ＡＶ１〜ＡＶ４  第１〜第４エア背圧調整弁、Ｂ１〜Ｂ４  第１〜第４燃料電池ブロック、ＨＶ１〜ＨＶ４  第１〜第４水素背圧調整弁、Ｍ１１〜Ｍ４１  酸化ガス供給マニホルド、Ｍ１２〜Ｍ４２  燃料ガス供給マニホルド、Ｍ１３〜Ｍ４３  酸化ガス排出マニホルド、Ｍ１４〜Ｍ４４  燃料ガス排出マニホルド、ＶＭ１〜ＶＭ４  第１〜第４電圧計。
【図１】
2005005247.tif 000003
【図２】
2005005247.tif 000004
【図３】
2005005247.tif 000005
【図４】
2005005247.tif 000006
【図５】
2005005247.tif 000007
【図６】
2005005247.tif 000008
【図７】
2005005247.tif 000009
【図８】
2005005247.tif 000010
【図９】
2005005247.tif 000011
【図１０】
2005005247.tif 000012
【図１１】
2005005247.tif 000013
【図１２】
2005005247.tif 000014
【図１３】
2005005247.tif 000015
【図１４】
2005005247.tif 000016
【図１５】
2005005247.tif 000017
【図１６】
2005005247.tif 000018
【図１７】
2005005247.tif 000019