JP6642315B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池システムでは、燃料電池のガス供給の遅れを推定し、この推定に基づいて実際のガス供給の遅れを補正するための目標出力を算出するとともに、この算出された目標出力に燃料電池の実際の出力を近づけるようにガス供給量を制御するものがある（例えば、特許文献１参照）。

このものにおいて、燃料電池に対するガス供給量を制御して目標出力に燃料電池の実際の出力を近づけることにより、燃料電池の出力の低下を抑制することが可能になる。

特開２００６−９２９４８号公報

上述の燃料電池システムでは、燃料電池に対するガス供給量を制御して目標出力に燃料電池の実際の出力を近づけることにより、燃料電池の出力低下を抑制することができるものの、必要最低限以上の流量のガスを燃料電池に供給して、発電効率を低下させる恐れがある。

本発明は上記点に鑑みて、酸化剤ガスの供給不足を抑えつつ、発電効率の低下を抑えるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を含む酸化剤ガスと水素を含む燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル（１０ａ）を複数積層されてなる燃料電池（１０）を備え、
燃料電池は、セルの積層方向に延びるように形成されて、かつ供給元（１７）からの酸化剤ガスが入る入口（１２ａ）を積層方向の一方側に形成してなり、入口に供給される酸化剤ガスを複数のセルに分配する入口マニホールド（１２）を備える燃料電池システムであって、
複数のセルのうち積層方向の一方側の複数のセルをバイパスして積層方向の他方側の複数のセルに対して供給元からの酸化剤ガスを追加供給する１つ以上の空気追加供給部（１４ａ、１４ｂ、１４Ｘ、１４Ｙ）と、
供給元および空気追加供給部の間に形成される酸化剤ガスの流路を開閉する弁体（１５ａ、１５ｂ）と、
弁体によって酸化剤ガスの流路を閉じて入口マニホールドおよび空気追加供給部のうち入口マニホールドによって複数のセルに酸化剤ガスを供給する通常運転と、弁体によって酸化剤ガスの流路を開けて入口マニホールドおよび空気追加供給部によって複数のセルに酸化剤ガスを供給するガス追加供給運転とを切り替えて実施する切替制御部（Ｓ１１５、Ｓ１２５、Ｓ１３５、Ｓ１１５Ａ、Ｓ１３５Ａ）と、を備える。

請求項１に記載の発明によれば、通常運転の実施によって必要最低限以上の流量のガスを燃料電池に供給することを抑えることができる。ガス追加供給運転の実施によって酸化剤ガスの供給不足を抑えることができる。これにより、酸化剤ガスの供給不足を抑えつつ、発電効率の低下を抑えるようにした燃料電池システムを提供することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。 第１実施形態における燃料電池を構成するセルの構成を示す断面図である。 第１実施形態における燃料電池および空気追加供給管の構成を示す斜視図である。 第１実施形態における燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。 図３の燃料電池において、セル電圧とストイキ比との関係を示す特性図である。 図３の燃料電池において、縦軸を虚軸として、横軸を実軸としたセル毎のインピーダンスを示す特性図である。 図４の電子制御装置の制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。 第２実施形態における燃料電池システムの空気追加供給管の構成を示す斜視図である。 第２実施形態における電子制御装置の制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。 第３実施形態における空気入口マニホールドおよび空気追加供給管の構成を示す図である。 第３実施形態における空気入口マニホールドおよび空気追加供給管の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る燃料電池システム１の第１実施形態について図に基づいて説明する。

本実施形態の燃料電池システム１は、電気自動車の一種である燃料電池車両に適用されて、車両に搭載された燃料電池１０の発電状態を制御するものである。

燃料電池１０は、水素ガスを含む燃料ガスと酸素ガスを含む酸化剤ガス（本例では、空気）といった反応ガスの電気化学反応を利用して電気エネルギを出力するものである。本実施形態では、燃料電池１０としては、固体高分子型燃料電池が採用されている。

燃料電池１０は、発電により発生した直流電力をＤＣ−ＤＣコンバータ（図示省略）を介して主に車両走行用電動モータや二次電池といった電気負荷２０に供給する。

本実施形態の燃料電池１０は、最小単位となるセル１０ａが複数積層された燃料電池スタックを構成している。燃料電池１０は、複数のセル１０ａを電気的に直列接続した直列接続体として構成されている。

複数のセル１０ａは、図２の断面図に示すように、電解質膜１０１の両側を一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂで挟んで構成される膜電極接合体１００、膜電極接合体１００の両側に配置された一対の拡散層１０３ａ、１０３ｂ、これらを挟持するセパレータ１１０ａ、１１０ｂで構成されている。

電解質膜１０１は、含水性を有するフッ素系や炭化水素系等の高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。

一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂは、それぞれ電極をなすもので、アノード電極を構成するアノード側触媒層１０２ａ、およびカソード電極を構成するカソード側触媒層１０２ｂで構成されている。

触媒層１０２ａ、１０２ｂは、図は省略するが、触媒作用を発揮する物質（例えば、白金粒子）１０２ｃ、当該物質１０２ｃを担持する担持カーボン１０２ｄ、担持カーボン１０２ｄを被覆するアイオノマー（電解質ポリマー）１０２ｅで構成されている。

拡散層１０３ａ、１０３ｂは、反応ガスを各触媒層１０２ａ、１０２ｂへ拡散させるもので、ガス透過性および電子伝導性を有する多孔質部材（例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス）で構成されている。

セパレータ１１０ａ、１１０ｂは、例えば、導電性を有するカーボン製の基材で構成されている。セパレータ１１０ａには、アノード側触媒層１０２ａに対向する部位に、水素入口部２２ａからの燃料ガスが流れる水素流路１１１ａが形成されている。セパレータ１１０ｂには、カソード側触媒層１０２ｂに対向する部位に、空気入口マニホルド１２からの酸化剤ガスが流れる空気流路１１１ｂが形成されている。

複数のセル１０ａは、それぞれ、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると、以下に示すように、水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応により、電気エネルギを出力する。

（アノード側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（カソード側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
本実施形態の複数のセル１０ａは、ターミナル１１ｘとターミナル１１ｙとの間に挟まれている。

ターミナル１１ｘは、複数のセル１０ａを１つの電池とみなしたときのプラス電極である。ターミナル１１ｘは、複数のセル１０ａに対して積層方向一方側に配置されている。ターミナル１１ｙは、複数のセル１０ａを１つの電池とみなしたときのマイナス電極である。ターミナル１１ｙは、複数のセル１０ａに対して積層方向他方側に配置されている。

本実施形態の電気負荷２０としては、走行用電動モータや車載空調装置等の電気機器が採用されている。なお、以下、説明の便宜上、燃料電池１０において複数のセル１０ａが積層される方向を積層方向という。

本実施形態の複数のセル１０ａは、第１グループ１０Ａ、第２グループ１０Ｂ、および第３グループ１０Ｃに分けられている。

第１グループ１０Ａは、燃料電池１０のうち積層方向一方側に配置されている複数のセル１０ａを備えるグループである入口側グループである。

第２グループ１０Ｂは、燃料電池１０のうち第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに対して積層方向他方側に配置されている複数のセル１０ａを備える奥側グループである。

第３グループ１０Ｃは、燃料電池１０のうち、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａおよび第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに対して積層方向他方側に配置されている複数のセル１０ａを備える奥側グループである。

以下、説明の便宜上、第１グループ１０Ａ、第２グループ１０Ｂ、第３グループ１０Ｃを総称して第１、第２、第３グループ１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃという。第１グループ１０Ａ、第２グループ１０Ｂを総称して第１、第２グループ１０Ａ、１０Ｂという。第２グループ１０Ｂ、第３グループ１０Ｃを総称して
第２、第３グループ１０Ｂ、１０Ｃという。

ここで、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａは、燃料電池１０のうち最も積層方向一方側に配置されている。第３グループ１０Ｂの複数のセル１０ａは、燃料電池１０のうち最も積層方向他方側に配置されている。第２グループ１０Ａの複数のセル１０ａは、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａと第３グループ１０Ｂの複数のセル１０ａとの間に配置されている。

つまり、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａ、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａ、および第３グループ１０Ｂの複数のセル１０ａは、グループ毎に、積層方向に並べられている。

なお、第１、第２、第３グループ１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、グループ毎に、燃料電池１０の複数のセル１０ａ全体の個数を三等分した個数の複数のセル１０ａを有して構成されている。

燃料電池１０は、空気入口マニホルド１２、空気出口マニホルド１３、空気追加供給管１４ａ、１４ｂ、流量調整弁１５ａ、１５ｂ、背圧調整弁１６、およびポンプ１７を備える。

空気入口マニホルド１２は、ターミナル１１ｘおよび複数のセル１０ａに対して積層方向に貫通して積層方向に延びるように形成されている貫通孔である。空気入口マニホルド１２は、空気入口１２ａから流れる空気を第１、第２、第３グループ１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの複数のセル１０ａに分配する。空気入口１２ａは、ターミナル１１ｘに形成されている。つまり、空気入口１２ａは、燃料電池１０のうち積層方向一方側に形成されている。空気入口マニホルド１２のうち積層方向他方側は、ターミナル１１ｙによって塞がれている。

ここで、説明の便宜上、空気入口マニホルド１２のうち第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに対応する領域を第１マニホルド部１２Ａとする。空気入口マニホルド１２のうち第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに対応する領域を第２マニホルド部１２Ｂとする。空気入口マニホルド１２のうち第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに対応する領域を第３マニホルド部１２Ｃとする。

空気入口マニホルド１２の空気入口１２ａおよびポンプ１７の間には、空気供給配管２０ａが接続されている。

空気出口マニホルド１３は、ターミナル１１ｘおよび複数のセル１０ａに対して積層方向に貫通する貫通孔である。空気出口マニホルド１３は、複数のセル１０ａを通過した空気を集めて空気出口１３ａから排出する。空気出口１３ａは、ターミナル１１ｘに形成されている。つまり、空気出口１３ａは、燃料電池１０のうち積層方向一方側に形成されている。空気出口マニホルド１３のうち積層方向他方側は、ターミナル１１ｙによって塞がれている。

空気出口１３ａには、空気出口マニホルド１３から排出される生成水や不純物を空気とともに外部へ排出するための空気排気管２０ｂが接続されている。背圧調整弁１６は、空気排気管２０ｂのうち空気が排出される空気排出路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。

空気追加供給管１４ａは、ポンプ１７から供給される空気を第１、第２グループ１０Ａ、１０Ｂの複数のセル１０ａをバイパスして第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに追加供給する。

具体的には、空気追加供給管１４ａは、空気入口マニホルド１２のうち第１、第２マニホルド部１２Ａ、１２Ｂ内に配置されている。空気追加供給管１４ａの空気入口は、空気入口マニホルド１２の空気入口１２ａから積層方向一方側に突出している。空気追加供給管１４ａの吹出口１４ｃは、空気入口マニホルド１２のうち第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに対して積層方向一方側に位置する。

空気追加供給管１４ａの空気入口およびポンプ１７の間には、空気追加供給配管２０ｃが接続されている。流量調整弁１５ａは、空気追加供給配管２０ｃの空気流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。流量調整弁１５ａは、空気追加供給配管２０ｃに流れる空気量を調整する弁である。

空気追加供給管１４ｂは、ポンプ１７から供給される空気を第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａをバイパスして第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに追加供給する。

具体的には、空気追加供給管１４ｂは、空気入口マニホルド１２のうち第１マニホルド部１２Ａ内に配置されている。空気追加供給管１４ｂの空気入口は、空気入口マニホルド１２の空気入口１２ａから積層方向一方側に突出している。空気追加供給管１４ｂの吹出口１４ｄは、空気入口マニホルド１２のうち第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに対して積層方向一方側に位置する。

空気追加供給管１４ｂの空気入口およびポンプ１７の間には、空気追加供給配管２０ｄが接続されている。流量調整弁１５ｂは、空気追加供給配管２０ｄの空気流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。流量調整弁１５ｂは、空気追加供給配管２０ｄに流れる空気量を調整する弁である。

なお、本実施形態の空気追加供給管１４ａ、１４ｂは、複数のセル１０ａを積層した後に空気入口マニホルド１２内に挿入されたものである（図３参照）。

また、燃料電池１０のターミナル１１ｙには、水素入口部２２ａと水素出口部２２ｂとが設けられている。

水素入口部２２ａは、複数のセル１０ａに燃料ガスを供給するガス入口部を構成している。水素出口部２２ｂは、複数のセル１０ａから未反応水素等を排出させるガス出口部を構成している。

ここで、ターミナル１１ｙには、水素入口部２２ａに水素を供給するための水素供給流路を有する水素供給配管３０が接続されている。ターミナル１１ｙには、水素出口部２２ｂから微量な未反応水素等を外部へ排出するための水素排出流路を備える水素排出配管３１が接続されている。

水素供給配管３０の最上流部には、高圧水素が充填された水素タンク３２が設けられている。水素排出配管３１は、気液分離器３４および循環ポンプ３５を介して水素供給配管３０に接続されている。気液分離器３４は、反応水等の廃液と未反応水素等の気体とを分離する。

気液分離器３４のうち未反応水素等の気体を排出する出口３４ａは、循環ポンプ３５に接続されている。気液分離器３４のうち反応水等の廃液を排出する出口３４ｂは、排気弁３６が接続されている。排気弁３６は、気液分離器３４の出口３４ｂを開閉する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。このため、気液分離器３４は、排気弁３６とともに、反応水等の廃液を水素排出配管３１から排出させる。

循環ポンプ３５は、水素排出配管３１および水素供給配管３０の間で燃料ガスを循環させる流れを発生させる電動ポンプである。

水素供給配管３０および水素排出配管３１の接続部３０ａと水素タンク３２との間には、インジェクタ３７が配置されている。インジェクタ３７は、水素供給配管３０のうち水素が流れる水素流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。

なお、図３において、符号４０ａは、複数のセル１０ａに燃料ガスを分配する水素入口マニホルドである。符号４０ｂは、複数のセル１０ａからの燃料ガスを集合させる水素出口マニホルドである。符号４１ａ、４１ｂは、冷却水を流通させる冷却水流路である。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の電気的構成について図４を参照して説明する。

燃料電池システム１は、電子制御装置５０、電圧センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃの検出値、電流センサ５２、および交流電源５３を備える。

電子制御装置５０は、マイクロコンピュータやメモリ等から構成されて、予めメモリに記憶されたコンピュータプログラムにしたがって、発電制御処理を実行する。

電圧センサ５１ａは、第１グループ１０Ａの複数の電圧セル１０ａの出力電圧を加算した加算値を検出する。電圧センサ５１ｂは、第２グループ１０Ｂの複数の電圧セル１０ａの出力電圧を加算した加算値を検出する。電圧センサ５１ｃは、第３グループ１０Ｃの複数の電圧セル１０ａの出力電圧を加算した加算値を検出する。電流センサ５２は、ターミナル１１ｘ、１１ｙの間において第１、第２、第３グループ１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを流れる電流を検出する。

交流電源５３は、電子制御装置５０によって制御されて、燃料電池１０のターミナル１１ｘ、１１ｙの間に交流電圧を与える。

電子制御装置５０は、発電制御処理の実行に伴って、運転者の足によって操作れるアクセルペダルの操作量や燃料電池１０のインピーダンスｉｍｐ１、ｉｍｐ２、ｉｍｐ３に基づいて流量調整弁１５ａ、１５ｂ、ポンプ１７等を制御する。

インピーダンスｉｍｐ１は、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａのインピーダンスＺ１のうち低周波数（例えば、２０Ｈｚ）の成分である。インピーダンスｉｍｐ１は、電圧センサ５１ａの検出値を電流センサ５２の検出値で除算して求められたインピーダンスＺ１に対して高速フーリエ変換等の周波数分別処理を施して算出される。

インピーダンスｉｍｐ２は、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａのインピーダンスＺ２のうち低周波数（例えば、２０Ｈｚ）の成分である。インピーダンスｉｍｐ２は、電圧センサ５１ｂの検出値を電流センサ５２の検出値で除算して求められたインピーダンスＺ２に対して高速フーリエ変換等の周波数分別処理を施して算出される。

インピーダンスｉｍｐ３は、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａのインピーダンスＺ３のうち低周波数（例えば、２０Ｈｚ）の成分である。インピーダンスｉｍｐ３は、電圧センサ５１ｃの検出値を電流センサ５２の検出値で除算して求められたインピーダンスＺ３に対して高速フーリエ変換等の周波数分別処理を施して算出される。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の作動について説明する。

電子制御装置５０は、アクセルペダルの操作量などに応じて燃料電池１０の要求電力を算出するとともに、この算出される要求電力に燃料電池１０から実際の出力される電力（以下、実際の電力という）を近づけるために、ポンプ１７、循環ポンプ３５、インジェクタ３７等を制御する。

ここで、要求電力は、燃料電池１０から出力されることが要求される電力であって、アクセルペダルの操作量が大きくなるほど、要求電力が大きくなる。燃料電池１０の実際の電力は、電圧センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃの検出値、および電流センサ５２の検出値によって求められる。

この際に、インジェクタ３７が水素タンク３２からの水素を水素供給配管３０を通して燃料電池１０に吐出する。循環ポンプ３５は、水素供給配管３０→燃料電池１０の複数のセル１０ａ→水素排出配管３１→水素供給配管３０の順に流れる水素の流れを発生させる。

これに伴い、気液分離器３４は、燃料電池１０の複数のセル１０ａから排出された反応水等の廃液を排気弁３６を通して排出する。

ポンプ１７は、大気中から空気を吸い込んでこの吸い込んだ空気を空気入口マニホルド１２に向けて流通させる空気の供給源である。空気入口マニホルド１２に流れ込んだ空気は、複数のセル１０ａのそれぞれに分配される。この分配された空気は、複数のセル１０ａのそれぞれを通過して空気出口マニホルド１３に集合される。この集合された空気は、空気出口マニホルド１３から背圧調整弁１６および空気排気管２０ｂを通して排出される。

このように複数のセル１０ａに供給される空気と水素とが供給されると、複数のセル１０ａは、それぞれ、水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応により発電する。このため、ターミナル１１ｘから電気負荷２０を通してターミナル１１ｙに電流が流れる。

ここで、燃料電池１０の出力電力が基準以上である高負荷運転が要求されたり、或いは、自動車を加速させるために要求電力が短時間で上昇する場合には、複数のセル１０ａには多くの空気量が供給されることが要求される。

しかし、第２、第３グループ１０Ｂ、１０Ｃは、空気入口マニホルド１２のうち積層方向において空気入口１２ａに対して反対側に位置する。つまり、第２、第３グループ１０Ｂ、１０Ｃは、空気入口マニホルド１２のうち積層方向において奥側に位置する。このため、空気入口マニホルド１２の圧力損失等が起因してポンプ１７から第２、第３グループ１０Ｂ、１０Ｃの複数のセル１０ａに供給される空気が不足する場合がある。

したがって、燃料電池１０において高負荷運転が実施される場合には、燃料電池１０のうち第２、第３グループ１０Ｂ、１０Ｃの複数のセル１０ａに供給される空気が不足して、複数の１０ａへ供給される空気量の分布にバラツキが生じる。このため、ストイキ比の変化に伴ってセル１０ａの出力電圧が変化する（図５参照）。ストイキ比とは、発電反応における理論上の発電に必要な空気量に対する実際の空気供給量の比率である。

この場合、第２、第３グループ１０Ｂ、１０Ｃの複数のセル１０ａへの空気の供給が不足すると、第２、第３グループ１０Ｂ、１０Ｃの複数のセル１０ａの出力電力が低下する恐れがある。これに伴い、燃料電池１０の出力電力が要求電力よりも低くなる恐れがある。

ここで、セル１０ａへの空気の供給が不足すると、セル１０ａのインピーダンスのうち低周波数（例えば、２０Ｈｚ）の成分における虚数成分および実数成分も増大する（図６参照）。つまり、セル１０ａへの空気の供給が不足すると、セル１０ａのインピーダンスのうち低周波数の成分の絶対値が増大することになる。

そこで、本実施形態の電子制御装置５０は、複数のセル１０ａのインピーダンスを利用して、燃料電池１０の出力電力が低下することを抑制するための発電制御処理を実行する。以下、電子制御装置５０の発電制御処理について図７を参照して説明する。図７は、電子制御装置５０の発電制御処理を示すフローチャートである。

まず、ステップ１００（第１、第２算出部）において、電圧センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃの検出値、および電流センサ５２の検出値に基づいて、インピーダンスｉｍｐ１、ｉｍｐ２、ｉｍｐ３を算出する。

次に、ステップ１１０（判定部）において、負荷が基準以上の高負荷運転を要求されているか否かを判定する。

具体的には、運転者により操作されるアクセルペダルの操作量が閾値以上であるか否かを判定する。

このとき、アクセルペダルの操作量が閾値以上であるときには、高負荷運転を要求されているとして上記ステップ１１０でＹＥＳと判定する。この場合、燃料電池１０の要求電力が閾値以上であると判定されることになる。

これに伴い、ステップ１１５（切替制御部）において、第１空気追加供給運転を実行する。具体的には、流量調整弁１５ａを制御して空気追加供給配管２０ｃの空気流路を開けるとともに、流量調整弁１５ｂを制御して空気追加供給配管２０ｄの空気流路を開ける。

このとき、ポンプ１７からの空気が流量調整弁１５ａ、空気追加供給配管２０ｃ、および空気追加供給管１４ａを通して第３マニホルド部１２Ｃに流れる。さらに、ポンプ１７からの空気が流量調整弁１５ｂ、空気追加供給配管２０ｄ、および空気追加供給管１４ｂを通して第２マニホルド部１２Ｂに流れる。このとき、ポンプ１７からの空気が空気供給配管２０ａおよび空気入口１２ａを通して第１マニホルド部１２Ａに流れる。

この際、空気入口１２ａから第１マニホルド部１２Ａに流れる空気のうち一部の空気は、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに分配される。空気入口１２ａから第１マニホルド部１２Ａに流れる空気のうち、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに分配された空気以外の残りの空気は、第２マニホルド部１２Ｂに流れる。

このため、第２マニホルド部１２Ｂには、第１マニホルド部１２Ａからの空気と空気追加供給管１４ｂからの空気とが流れる。

このように第２マニホルド部１２Ｂに流れる空気のうち一部の空気は、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに分配される。このため、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａには、ポンプ１７から第１マニホルド部１２Ａを通して供給される空気に、ポンプ１７から空気追加供給管１４ｂを通して供給される空気が追加されることになる。

ここで、第２マニホルド部１２Ｂに流れる空気のうち第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに分配された空気以外の残りの空気は、第３マニホルド部１２Ｃに流れる。

このため、第３マニホルド部１２Ｃには、第２マニホルド部１２Ｂからの空気と空気追加供給管１４ａからの空気とが流れる。このように第３マニホルド部１２Ｃに流れる空気は、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに分配される。

このことにより、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａには、ポンプ１７から第１、第２マニホルド部１２Ａ、１２Ｂを通して供給される空気に、ポンプ１７から空気追加供給管１４ａを通して供給される空気が追加されることになる。その後、ステップ１４０に進む。

また、上記ステップ１１０において、アクセルペダルの操作量が閾値未満であるときには、高負荷運転を要求されていないとしてＮＯと判定する。この場合、燃料電池１０の要求電力が閾値未満であると判定されることになる。

これに伴い、ステップ１２０（判定部）において、インピーダンスｉｍｐ２とインピーダンスｉｍｐ１との差分（ｉｍｐ２−ｉｍｐ１）が基準Ｘよりも大きいか否かを判定する。基準Ｘは、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａへの空気の供給が不足しているか否かを判定するために予め決められた値である。

このとき、差分（ｉｍｐ２−ｉｍｐ１）が基準Ｘよりも大きいときには、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａへの空気の供給が不足しているとして、ステップ１２０でＹＥＳと判定する。

これに伴い、ステップ１２５（切替制御部）において、第２空気供給運転を実行する。具体的には、流量調整弁１５ａを制御して空気追加供給配管２０ｃの空気流路を閉じるとともに、流量調整弁１５ｂを制御して空気追加供給配管２０ｄの空気流路を開ける。

このとき、ポンプ１７からの空気が流量調整弁１５ｂ、空気追加供給配管２０ｄ、および空気追加供給管１４ｂを通して第２マニホルド部１２Ｂに流れる。このとき、ポンプ１７からの空気が空気供給配管２０ａおよび空気入口１２ａを通して第１マニホルド部１２Ａに流れる。

この際、空気入口１２ａから第１マニホルド部１２Ａに流れる空気のうち一部の空気は、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに分配される。これに伴い、空気入口１２ａから第１マニホルド部１２Ａに流れる空気のうち、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに分配された空気以外の残りの空気は、第２マニホルド部１２Ｂに流れる。

このため、第２マニホルド部１２Ｂには、第１マニホルド部１２Ａからの空気と空気追加供給管１４ｂからの空気とが流れる。このように第２マニホルド部１２Ｂに流れる空気のうち一部の空気は、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに分配される。

このため、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａには、ポンプ１７から第１マニホルド部１２Ａを通して供給される空気に、ポンプ１７から空気追加供給管１４ｂを通して供給される空気が追加されることになる。

ここで、第２マニホルド部１２Ｂに流れる空気のうち第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに分配された空気以外の残りの空気は、第３マニホルド部１２Ｃに流れる。この第３マニホルド部１２Ｃに流れた空気は、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに分配される。その後、次のステップ１３０に進む。

また、上記ステップ１２０において、差分（ｉｍｐ２−ｉｍｐ１）が基準Ｘ以下であるときには、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａへの空気の供給が十分であるとして、ＮＯと判定する。このとき、次のステップ１３０に進む。

このようにステップ１３０（判定部）に進むと、インピーダンスｉｍｐ３とインピーダンスｉｍｐ１との差分（ｉｍｐ３−ｉｍｐ１）が基準Ｘよりも大きいか否かを判定する。基準Ｘは、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａへの空気の供給が不足しているか否かを判定するために予め決められた値である。

このとき、差分（ｉｍｐ３−ｉｍｐ１）が基準Ｘよりも大きいときには、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａへの空気の供給が不足しているとして、ステップ１３０でＹＥＳと判定する。

これに伴い、ステップ１３５（切替制御部）において、第３空気追加供給運転を実行する。具体的には、流量調整弁１５ａを制御して空気追加供給配管２０ｃの空気流路を開けるとともに、流量調整弁１５ｂを制御して空気追加供給配管２０ｄの空気流路を閉じる。

このとき、ポンプ１７からの空気が流量調整弁１５ａ、空気追加供給配管２０ｃ、および空気追加供給管１４ａを通して第３マニホルド部１２Ｃに流れる。このとき、ポンプ１７からの空気が空気供給配管２０ａおよび空気入口１２ａを通して第１マニホルド部１２Ａに流れる。

この際、空気入口１２ａから第１マニホルド部１２Ａに流れる空気のうち一部の空気は、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに分配される。空気入口１２ａから第１マニホルド部１２Ａに流れる空気のうち、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに分配された空気以外の残りの空気は、第２マニホルド部１２Ｂに流れる。

このように第２マニホルド部１２Ｂに流れる空気のうち一部の空気は、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに分配される。ここで、第２マニホルド部１２Ｂに流れる空気のうち第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに分配された空気以外の残りの空気は、第３マニホルド部１２Ｃに流れる。

このため、第３マニホルド部１２Ｃには、第２マニホルド部１２Ｂからの空気と空気追加供給管１４ａからの空気とが流れる。

この第３マニホルド部１２Ｃに流れる空気は、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに分配される。このため、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａには、ポンプ１７から第１マニホルド部１２Ａ、１２Ｂを通して供給される空気に、ポンプ１７から空気追加供給管１４ａを通して供給される空気が追加されることになる。その後、ステップ１４０に進む。

また、上記ステップ１３０において、差分（ｉｍｐ３−ｉｍｐ１）が基準Ｘ以下であるときには、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａへの空気の供給が十分であるとして、ＮＯと判定する。

これに伴い、ステップ１３７において、通常運転を実行する。具体的には、流量調整弁１５ａを制御して空気追加供給配管２０ｃの空気流路を閉じるとともに、流量調整弁１５ｂを制御して空気追加供給配管２０ｄの空気流路を閉じる。

このとき、ポンプ１７からの空気が空気供給配管２０ａおよび空気入口１２ａを通して第１マニホルド部１２Ａに流れる。

この際、空気入口１２ａから第１マニホルド部１２Ａに流れる空気のうち一部の空気は、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに分配される。空気入口１２ａから第１マニホルド部１２Ａに流れる空気のうち、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに分配された空気以外の残りの空気は、第２マニホルド部１２Ｂに流れる。

このように第２マニホルド部１２Ｂに流れる空気のうち一部の空気は、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに分配される。ここで、第２マニホルド部１２Ｂに流れる空気のうち第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに分配された空気以外の残りの空気は、第３マニホルド部１２Ｃに流れる。

この第３マニホルド部１２Ｃに流れる空気は、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに分配される。その後、ステップ１４０に進む。

その後、次のステップ１４０において、燃料電池１０の発電運転を継続するべきか否かを判定する。このとき、燃料電池１０の発電運転を継続するべきであるとして、上記ステップ１４０においてＹＥＳと判定すると、ステップ１００に戻る。

このため、燃料電池１０の発電運転を継続するべきであるとしてステップ１４０でＹＥＳと判定される限り、ステップ１００のインピーダンス計測処理、ステップ１１０、１２０、１３０の判定処理、追加ガス供給処理１１５、１２５、１３５、１３７を繰り返し実行する。

このため、高負荷運転を要求されているとして上記ステップ１１０でＹＥＳと判定すると、ステップ１１５において、第１空気追加供給運転を実施する。

また、ステップ１２０において、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａへの空気の供給が不足しているとしてＹＥＳと判定すると、ステップ１２５において、第２空気追加供給運転を実施する。

また、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａへの空気の供給が不足しているとして、ステップ１３０でＹＥＳと判定すると、ステップ１３５において、第３空気追加供給運転を実施する。

さらに、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａへの空気の供給が十分であるとして、ステップ１３０でＮＯと判定すると、ステップ１３７において、通常運転を実行する。

以上説明した本実施形態によれば、燃料電池システム１は、空気と燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル１０ａを複数積層されてなる燃料電池１０を備える。燃料電池１０は、複数のセル１０ａを積層方向に貫通して、かつポンプ１７から供給される空気が入る入口１２ａを積層方向の一方側に形成する入口マニホールド１２を備える。入口マニホールド１２は、入口１２ａに供給される空気を複数のセル１０ａに分配する。

空気追加供給管１４ａは、ポンプ１７からの空気を第１、第２グループ１０Ａ、１０Ｂの複数のセル１０ａをバイパスして第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに追加供給する。空気追加供給管１４ｂは、ポンプ１７からの空気を第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａをバイパスして第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに追加供給する。

流量調整弁１５ａは、ポンプ１７および空気追加供給管１４ａの間に配置されている空気追加供給配管２０ｃの空気流路を開閉する。流量調整弁１５ｂは、ポンプ１７および空気追加供給管１４ｂの間に配置されている空気追加供給配管２０ｄの空気流路を開閉する。

電子制御装置５０は、流量調整弁１５ａ、１５ｂを制御して、通常運転、第１空気追加運転、第２空気追加運転、第３空気追加運転のうちいずれか１つの運転から他の運転に切り替える。

このように第１、第２、第３空気追加運転を実施することにより、第２グループ１０Ｂ、或いは第３グレープ１０Ｃの複数のセル１０ａにおける空気の供給不足を抑制して燃料電池１０の性能向上を効率的に図ることができる。一方、通常運転を実施することによって必要最低限以上の流量のガスを燃料電池に供給することを抑えることができる。

また、高負荷運転時ではない場合でも、過度的に空気の供給不足が生じることがあるものの、複数のセル１０ａをグループ毎に空気供給不足を判別してグループ毎に空気を追加供給することにより、空気の供給不足が生じることを抑制することができる。

さらに、低温時などにおいては、燃料電池１０における液体である水の分布状態によって部分的に空気供給不足が生じる場合があるものの、複数のセル１０ａをグループ毎に空気供給不足を判別してグループ毎に空気を追加供給することにより、空気の供給不足が生じることを抑制することができる。

以上により、複数のセル１０ａに対する空気の供給不足を抑えつつ、発電効率の低下を抑えるようにした燃料電池システム１を提供することができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、２本の空気追加供給管１４ａ、１４ｂを用いた例について説明したが、これに代えて、１本の空気追加供給配管１４Ｘを用いた第２実施形態について説明する。

図８、図９に本実施形態の燃料電池システム１の構成の構成を示す。図８において、図１と同一符号は同一のものを示し、その説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１は、空気追加供給管１４ａ、１４ｂに代わる空気追加供給配管１４Ｘを備える。

図９に本実施形態の空気追加供給配管１４Ｘの斜視図を示す。空気追加供給配管１４Ｘは、積層方向に延びる円筒状に形成されている。

空気追加供給配管１４Ｘは、空気入口マニホルド１２内に配置されている。空気追加供給配管１４Ｘのうち積層方向一方側には、空気追加供給配管２０ｃから吹き出される空気が流入される空気入口２００（図８、図９参照）が設けられている。空気追加供給配管１４Ｘの空気入口２００は、空気入口マニホルド１２の空気入口１２ａから積層方向一方側に突出している。空気追加供給配管１４Ｘのうち積層方向他方側は、栓２０１によって塞がれている。

空気追加供給配管１４Ｘは、吹出口１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９を備える。吹出口１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９は、それぞれ同一の開口面積を有している。吹出口１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９は、積層方向に並べられている。

吹出口１１０、１１１、１１２は、第２マニホルド部１２Ｂ内に開口されている。吹出口１１０と吹出口１１１、１１２とは、積層方向に間隔を開けて配置されている。吹出口１１０から吹き出される風量よりも吹出口１１１、１１２から吹き出される風量の方が大きい。

吹出口１１１、１１２と吹出口１１３、１１４、１１５とは、積層方向に間隔を開けて配置されている。

吹出口１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９は、第３マニホルド部１２Ｃ内に開口されている。吹出口１１３、１１４、１１５と吹出口１１６、１１７、１１８、１１９とは、積層方向に間隔を開けて配置されている。吹出口１１３、１１４、１１５から吹き出される風量よりも、吹出口１１６、１１７、１１８、１１９から吹き出される風量の方が大きい。

以上により、積層方向一方側から積層方向他方側に向かうほど空気追加供給配管１４Ｘから空気入口マニホルド１２内に吹き出される風量が多くなるように吹出口１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９が配置されている。

このことにより、空気追加供給配管１４Ｘから第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される風量よりも、空気追加供給配管１４Ｘから第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに供給される風量を多くすることになる。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の作動について説明する。

本実施形態の電子制御装置５０は、図７のフローチャートに代わる図１０のフローチャートにしたがって、発電制御処理を実行する。

図１０のフローチャートにおいて、図７のステップ１１５に代わるステップ１１５Ａが設けられている。図７のステップ１２５、１３５に代わるステップ１３５Ａが設けられている。

まず、ステップ１１０において、高負荷運転を要求されているときには、ＹＥＳと判定すると、ステップ１１５Ａ（切替制御部）に進んで、空気追加供給運転を実行する。

具体的には、流量調整弁１５ａを制御して空気追加供給配管２０ｃの空気流路を開ける。

このとき、ポンプ１７からの空気が流量調整弁１５ａ、空気追加供給配管２０ｃ、および空気追加供給管１４Ｘに流れる。

このため、空気追加供給管１４Ｘの吹出口１１０、１１１、１１２から第２マニホルド部１２Ｂ内に空気が吹き出される。このため、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａには、ポンプ１７から第１マニホルド部１２Ａを通して供給される空気に、吹出口１１０、１１１、１１２からの空気が追加供給される。

これに加えて、空気追加供給管１４Ｘの吹出口１１３、１１４、・・・１１９から第３マニホルド部１２Ｃ内に空気が吹き出される。このため、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａには、ポンプ１７から第１マニホルド部１２Ａを通して供給される空気に、吹出口１１３、１１４、・・・１１９からの空気が追加供給される。

また、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａへの空気の供給が不足しているとして、ステップ１２０でＹＥＳと判定すると、ステップ１３５Ａ（切替制御部）に進んで、上記ステップ１１５Ａと同様に、空気追加供給運転を実行する。

また、差分（ｉｍｐ３−ｉｍｐ１）が基準Ｘよりも大きいときには、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａへの空気の供給が不足しているとして、ステップ１３０でＹＥＳと判定する。この場合も、ステップ１３５Ａに進んで、上記ステップ１１５Ａと同様に、空気追加供給運転を実行する。

以上説明した本実施形態では、電子制御装置５０は、高負荷運転を要求されているとき、流量調整弁１５ａを制御して空気追加供給配管２０ｃの空気流路を開ける。このため、第２、第３グループ１０Ｂ、１０Ｃの複数のセル１０ａには、吹出口１１０、１１１、１１２・・・・１１９からの空気が追加供給される。

電子制御装置５０は、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａへの空気の供給が不足していると判定したときに、流量調整弁１５ａを制御して空気追加供給配管２０ｃの空気流路を開ける。このため、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａには、吹出口１１０、１１１、１１２からの空気が追加供給される。

電子制御装置５０は、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａへの空気の供給が不足していると判定したとき、流量調整弁１５ａを制御して空気追加供給配管２０ｃの空気流路を開ける。このため、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａには、吹出口１１３、１１１、・・・・１１９からの空気が追加供給される。

以上により、高負荷運転時、および自動車の加速時に、燃料電池１０への空気の供給不足が生じることが抑制されるため、燃料電池１０の出力電力の低下を抑制することができる。

本実施形態では、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａは、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに対して空気入口マニホルド１２の空気入口２００と反対側に配置されている。したがって、空気追加供給配管１４Ｘを用いないで空気入口マニホルド１２から複数のセル１０ａに空気を供給する際には、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａよりも第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａの方が空気を供給し難くなる。

これに対して、本実施形態では、上述の如く、空気追加供給配管１４Ｘから第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される風量よりも、空気追加供給配管１４Ｘから第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに供給される風量を大きくなるように吹出口１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９が配置されている。このため、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａへの空気の供給が不足することを一層抑制することができる。これに伴い、燃料電池１０の出力電力の低下をより一層抑制することができる。

（第３実施形態）
上記第１実施形態では、ポンプ１７および空気追加供給管１４ａ、１４ｂの空気流路を開閉する弁として、電子制御装置５０によって制御される流量調整弁１５ａ、１５ｂを用いた例について説明したが、これに代えて、次のようにする。

すなわち、本第３実施形態では、ポンプ１７および空気追加供給管１４Ｙの空気流路を開閉する弁として、空気入口マニホルド１２内の空気圧によって自動的に開閉する弁を用いる方法について説明する。

図１１、図１２Ａ、図１２Ｂに、本実施形態の燃料電池システム１の構成の構成を示す。図１１において、図１と同一符号は同一のものを示し、その説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１は、空気追加供給管１４ａ、１４ｂに代わる空気追加供給配管１４Ｙと、流量調整弁１５ａ、１５ｂに代わる開閉弁１３０を備える。

空気追加供給配管１４Ｙは、積層方向に延びる管状に形成されている。空気追加供給配管１４Ｙは、空気入口マニホルド１２内に配置されている。空気追加供給配管１４Ｙは、空気入口マニホルド１２のうち空気出口マニホルド１３に対して反対側に配置されている。

空気追加供給配管１４Ｙには、空気入口１２０、吹出口１２１、および空気流路１２２が設けられている。空気入口１２０は、第１マニホルド部１２Ａ内に開口されている。空気入口１２０は、第１マニホルド部１２Ａ内からの空気を空気流路１２２内に導く。空気流路１２２は、空気入口１２０に導かれた空気を吹出口１２１に向けて流通させる。吹出口１２１は、第３マニホルド部１２Ｃ内に開口されている。吹出口１２１は、空気流路１２２を通過した空気を第３マニホルド部１２Ｃ内に吹き出す。

開閉弁１３０は、金属材料からなる板状に形成されている。開閉弁１３０は、空気追加供給配管１４Ｙ内において、空気入口１２０を塞ぐように配置されている（図１２Ａ参照）。開閉弁１３０は、後述するように、弾性変形して空気入口１２０を開ける。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の作動について説明する。

まず、ポンプ１７からの空気が空気供給配管２０ａおよび空気入口１２ａを通して空気入口マニホルド１２の第１、第２、第３マニホルド部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃに流れる。このため、第１、第２、第３マニホルド部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは、ポンプ１７からの空気を、矢印Ｙｃの如く、第１、第２、第３グループ１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの複数のセル１０ａに分配する。

ここで、電子制御装置５０は、アクセルペダルの操作量に応じてポンプ１７から吹き出される空気量を制御する。アクセルペダルの操作量が大きくなるほど、要求電力を大きくして、ポンプ１７から複数のセル１０ａに吹き出される空気量が増大させる。

例えば、電子制御装置５０は、負荷が基準以上の高負荷運転を要求されたとき、或いは、自動車の加速時には、要求電力を大きくして、ポンプ１７から複数のセル１０ａに吹き出される空気量が増大させる。

これに伴い、第１マニホルド部１２Ａのうち空気追加供給配管１４Ｙの空気入口１２０側において、空気流路１２２内の空気圧よりも、空気流路１２２の外側の空気圧力が高くなる。すると、この空気圧の上昇に伴って開閉弁１３０が弾性変形して空気入口１２０を開ける。

つまり、空気流路１２２内の空気圧と空気流路１２２の外側の空気圧力との間の差圧によって、開閉弁１３０が弾性変形して空気入口１２０を開ける。

このため、第１マニホルド部１２Ａからの空気が、矢印Ｙａ、Ｙｂの如く、空気流路１２２および吹出口１２１を通して第３マニホルド部１２Ｃに流れる。つまり、第１マニホルド部１２Ａからの空気が第２マニホルド部１２Ｂを通して第３マニホルド部１２Ｃに流れる。

したがって、第３マニホルド部１２Ｃには、ポンプ１７から空気供給配管２０ａ、第１マニホルド部１２Ａ、および第２マニホルド部１２Ｂを通過した空気と、ポンプ１７から空気供給配管２０ａ、第１マニホルド部１２Ａ、および空気追加供給配管１４Ｙを通過した空気とが供給される。この第３マニホルド部１２Ｃに供給された空気が第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに分配される。

その後、ポンプ１７が電子制御装置５０によって制御されてポンプ１７から吹き出される空気量を減少させる。

このため、第１マニホルド部１２Ａのうち空気追加供給配管１４Ｙの空気入口１２０側において、空気流路１２２の外側の空気圧力が低くなる。このため、第１マニホルド部１２Ａのうち空気追加供給配管１４Ｙの空気入口１２０側において、空気流路１２２内の空気圧と、空気流路１２２の外側の空気圧力との間の差圧が小さくなる。すると、開閉弁１３０の弾性変形が戻り、開閉弁１３０が空気入口１２０を閉じる。

このため、ポンプ１７から空気供給配管２０ａ、第１マニホルド部１２Ａ、および空気追加供給配管１４Ｙを通して第３マニホルド部１２Ｃに空気が供給されることが停止される。

したがって、第１、第２、第３マニホルド部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは、ポンプ１７からの空気を、矢印Ｙｃの如く、第１、第２、第３グループ１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの複数のセル１０ａに分配する。

以上説明した本実施形態では、第１マニホルド部１２Ａのうち空気追加供給配管１４Ｙの空気入口１２０側において、空気流路１２２内の空気圧よりも、空気流路１２２の外側の空気圧力が高くなると、開閉弁１３０が弾性変形して空気入口１２０を開ける。

このため、第１マニホルド部１２Ａからの空気が空気流路１２２および吹出口１２１を通して第３マニホルド部１２Ｃに流れる。このため、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに空気が追加供給される。

以上により、複数のセル１０ａに対する空気の供給不足を抑えつつ、発電効率の低下を抑えるようにした燃料電池システム１を提供することができる。

（他の実施形態）
（１）上記第１〜第３実施形態では、複数のセル１０ａを、３つの第１、第２、第３グループ１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃに分けた例について説明したが、これに代えて、複数のセル１０ａを、２つのグループ、或いは４つ以上のグループに分けてもよい。

（２）上記第１〜第３実施形態では、複数のセル１０ａに供給する酸化剤ガスとして空気を用いた例について説明したが、複数のセル１０ａに供給する酸化剤ガスとして酸素ガスを用いてもよい。

（３）上記第２実施形態では、空気追加供給配管１４Ｘから第３マニホルド部１２Ｃに空気を吹き出す吹出口（１１０、１１１、１１２）の個数を、空気追加供給配管１４Ｘから第２マニホルド部１２Ｂに空気を吹き出す吹出口（１１３、・・１１９）の個数を多くした例について説明したが、これに代えて、次のようにしてもよい。

すなわち、空気追加供給配管１４Ｘから第３マニホルド部１２Ｃに空気を吹き出す吹出口の開口面積を、空気追加供給配管１４Ｘから第２マニホルド部１２Ｂに空気を吹き出す吹出口の開口面積を大きくする。

これにより、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される風量よりも、空気追加供給配管１４Ｘから第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに供給される風量を多くすることができる。

（４）上記第１実施形態では、ポンプ１７と空気入口マニホルド１２との間に流量調整弁１５ａ、１５ｂを配置した例について説明したが、これに代えて、次のようにしてもよい。

すなわち、ポンプ１７と空気追加供給管１４ａの吹出口１４ｃとの間に流量調整弁１５ａを配置してもよい。ポンプ１７と空気追加供給管１４ｂの吹出口１４ｄとの間に流量調整弁１５ｂを配置してもよい。

（５）上記第２実施形態では、ポンプ１７と空気入口マニホルド１２との間に流量調整弁１５ａを配置した例について説明したが、これに代えて、ポンプ１７と空気追加供給管１４Ｘの吹出口１１０との間に流量調整弁１５ａを配置してもよい。

（６）上記第１〜３実施形態では、入口マニホールド１２を複数のセル１０ａを積層方向に貫通するように形成した例について説明したが、これに限らず、積層方に延びるように形成されて、空気を第１、第２、第３グループ１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの複数のセル１０ａに分配するのであれば、複数のセル１０ａの外側に入口マニホールド１２を設けてもよい。

（７）なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１０ａ セル
１１ｘ、１１ｙ ターミナル
１２ 空気入口マニホルド
１３ 空気出口マニホルド
１４ａ、１４ｂ 空気追加供給管
１５ａ、１５ｂ 流量調整弁
１６ 背圧調整弁
１７ ポンプ
２０ 電気負荷
３０ 水素供給配管
３１ 水素排出配管
３２ 水素タンク
５０ 電子制御装置
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ 電圧センサ
５２ 電流センサ
５３ 交流電源

Claims (6)

1. 酸素を含む酸化剤ガスと水素を含む燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル（１０ａ）を複数積層されてなる燃料電池（１０）を備え、
   前記燃料電池は、前記セルの積層方向に延びるように形成されて、かつ供給元（１７）からの酸化剤ガスが入る入口（１２ａ）を前記積層方向の一方側に形成してなり、前記入口に供給される酸化剤ガスを前記複数のセルに分配する入口マニホールド（１２）を備える燃料電池システムであって、
   前記複数のセルのうち前記積層方向の一方側の複数のセルをバイパスして前記積層方向の他方側の複数のセルに対して前記供給元からの酸化剤ガスを追加供給する１つ以上の空気追加供給部（１４ａ、１４ｂ、１４Ｘ、１４Ｙ）と、
   前記供給元および前記空気追加供給部の間に形成される前記酸化剤ガスの流路を開閉する弁体（１５ａ、１５ｂ）と、
   前記弁体によって前記酸化剤ガスの流路を閉じて前記入口マニホールドおよび前記空気追加供給部のうち前記入口マニホールドによって前記複数のセルに酸化剤ガスを供給する通常運転と、前記弁体によって前記酸化剤ガスの流路を開けて前記入口マニホールドおよび前記空気追加供給部によって前記複数のセルに酸化剤ガスを供給するガス追加供給運転とを切り替えて実施する切替制御部（Ｓ１１５、Ｓ１２５、Ｓ１３５、Ｓ１１５Ａ、Ｓ１３５Ａ）と、を備える燃料電池システム。
2. 前記燃料電池から出力されることを要求される要求電力が所定値以上であるか否かを判定する判定部（Ｓ１１０）を備え、
   前記要求電力が所定値以上であると前記判定部が判定したとき、前記切替制御部が前記通常運転から前記ガス追加供給運転に切り替える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記複数のセルのうち積層方向の一方側の複数のセルのインピーダンスを算出する第１算出部（Ｓ１００）と、
   前記複数のセルのうち積層方向の他方側の複数のセルのインピーダンスを算出する第２算出部（Ｓ１００）と、
   前記第２算出部の算出値と前記第１算出部の算出値とに基づいて、前記複数のセルのうち前記積層方向の他方側の複数のセルへの前記酸化剤ガスの供給が不足しているか否かを判定する判定部（Ｓ１２０、Ｓ１３０）と、を備え、
   前記積層方向の他方側の複数のセルへの前記酸化剤ガスの供給が不足していると前記判定部が判定したとき、前記切替制御部は、前記通常運転から前記ガス追加供給運転に切り替える請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 複数の前記空気追加供給部（１４ａ、１４ｂ）を備え、
   前記複数のセルは、複数のグループに分けられて、かつ前記グループ毎に積層方向に並べられており、
   前記複数のグループのうち入口側にセルが配置されているグループを入口側グループ（１０Ａ）とし、前記複数のグループのうち前記入口側グループに対して前記積層方向の他方側に位置する複数のグループを複数の奥側グループ（１０Ｂ、１０Ｃ）としたとき、
   前記複数の空気追加供給部は、それぞれ、前記複数の奥側グループのうち対応する奥側グループに酸化剤ガスを追加供給する請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
5. 前記空気追加供給部（１４Ｘ）には、前記積層方向に並べられて、かつ前記複数のセルのうち前記積層方向の他方側の複数のセルに向けて前記酸化剤ガスを追加供給する複数の吹出口（１１０〜１１９）が設けられており、
   前記積層方向一方側から前記積層方向他方側に向かうほど前記複数の吹出口から吹き出される前記酸化剤ガスの吹出量が多くなるように前記複数の吹出口が構成されている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
6. 前記空気追加供給部は、前記入口マニホールド内に配置されて前記積層方向に延びる空気追加供給配管（１４Ｙ）であり、
   前記空気追加供給配管は、前記入口マニホールド内のうち前記積層方向の一方側に開口されて前記入口マニホールド内から前記酸化剤ガスを導く導入口（１２０）と、前記導入口に導かれた酸化剤ガスを流通させるガス流路（１２２）と、前記入口マニホールド内のうち前記積層方向の他方側に開口されて前記ガス流路を通過した前記酸化剤ガスを吹き出す吹出口（１２１）と、を備え、
   前記空気追加供給配管の前記導入口を弾性変形によって開閉する流入弁（１３０）を備え、
   前記入口マニホールド内のうち前記導入口側において、前記ガス流路内の酸化剤ガスの圧力よりも前記ガス流路の外側の酸化剤ガスの圧力が高くなると、前記導入口側の酸化剤ガスの圧力と前記ガス流路に対する前記導入口の外側の酸化剤ガスの圧力との差圧によって前記流入弁が弾性変形して、前記導入口を閉じた状態から前記導入口を開けた状態になり、前記入口マニホールド内の酸化剤ガスを前記導入口、前記ガス流路、および前記吹出口を通して前記積層方向の他方側の複数のセルに追加供給する請求項１または２に記載の燃料電池システム。

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