JP6780552B2 - 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、燃料電池システムとして特許文献１に記載されたものがある。この燃料電池システムは、燃料電池に空気を供給する供給路と、燃料電池から空気を排出する排出路と、供給路から排出路に空気を排出するバイパス路と、を備えてえいる。この燃料電池システムは、さらに、供給路と排出路との分岐点と、排出路とバイパス路との分岐点に、それぞれ三方バルブを備えている。そして、各三方バルブは、それぞれ、供給路と排出路を閉口するシャット機構と、供給路と排出路の流量を調整する調圧機構とを備えている。

特開２００７−１８４１０９号公報

このような燃料電池システムでは、複数のセルのうち一部のセルに生成水の滞留が生じてセルの空気極に十分な空気を供給できない状態（フラッディング）になると、発電性能が低下してしまうといった問題がある。例えば、積層された複数のセルのうち、端部に配置される端部セルは中央部に配置されるセルと比較して冷却されやすいためフラッディングが生じやすく発電性能が低下しやすい。

そこで、生成水の滞留が生じたセルに供給する空気の供給量を増加させてセルに滞留した生成水を飛ばすといったことが考えられる。しかし、上記特許文献１に記載されたシステムは、燃料電池のセルに空気を供給する供給路が１つとなっているため、燃料電池のセルに供給する空気の供給量を増加させると、生成水が滞留していないセルへの空気の供給量も増加してしまう。このため、生成水が滞留していないセルが乾いてしまい、燃料電池の発電効率が低下してしまうといった問題が生じる。このように、上記特許文献１に記載されたシステムは、複数のセルへ向けて適正に空気を供給することができないといった問題がある。

本発明は上記問題に鑑みたもので、複数のセルへ向けて適正に空気を供給できるように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に記載の発明は、空気に含まれる酸素と燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギーを出力するセル（１０ａ）を複数積層してなる燃料電池（１０）を備た燃料電池システムであって、複数のセルのうち第１の範囲に向けて空気を供給する第１空気供給路（１３）と、複数のセルのうち第１の範囲と異なる第２の範囲に向けて空気を供給する第２空気供給路（１４）と、複数のセルを迂回させるよう空気を流すバイパスライン（１５）と、第１空気供給路に供給する空気の流量と第２空気供給路に供給する空気の流量を調整する流量調整部（７０）と、空気を圧送する空気ポンプ（２１）と、を備え、流量調整部は、空気ポンプから圧送された空気を導入する導入ポート（７１ａ）、第１空気供給路に空気を導出する第１導出ポート（７１ｂ）、第２空気供給路に空気を導出する第２導出ポート（７１ｃ）およびバイパスラインに空気を導出する第３導出ポート（７１ｄ）と、を有する筐体（７１）と、筐体内に移動可能に配置され、第１導出ポート、第２導出ポートおよび第３導出ポートの開度を調整する流量調整機構（７２１〜７２４、７３１〜７３２、７４１〜７４２、７５３、７６３、７７１〜７７２）と、を有している。

このような構成によれば、複数のセルのうち第１の範囲に供給する空気の流量と、複数のセルのうち第１の範囲と異なる第２の範囲に向けて供給する空気の流量を調整することができる。したがって、複数のセルへ向けて適正に空気を供給することができる。また、第１導出ポート、第２導出ポートおよび第３導出ポートの開度を調整する流量調整機構により第１空気供給路、第２空気供給路およびバイパスラインを流れる空気の流量を一体で制御することができる。

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実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示した図である。 第１実施形態の燃料電池システムの空気流路を模式的に示した図である。 第１実施形態の空気分流機構の構成を示した図である。 空気分流機構の作動を表した図である。 第１実施形態の燃料電池システムの制御部のフローチャートである。 従来の燃料電池システムと、第１実施形態の燃料電池システムの空気過剰率に対するスタック電圧の特性を示した図である。 第２実施形態の燃料電池システムの空気流路を模式的に示した図である。 第３実施形態の燃料電池システムの空気流路を模式的に示した図である。 第４実施形態の燃料電池システムの空気流路を模式的に示した図である。 第５実施形態の空気分流機構の構成を示した図である。 第６実施形態の空気分流機構の構成を示した図である。 第６実施形態の空気分流機構の分流スリットの構成を示した図である。 第７実施形態の空気分流機構の構成を示した図である。 第８実施形態の空気分流機構の構成を示した図である。 第９実施形態の空気分流機構の構成を示した図である。 第９実施形態の空気分流機構の分流スリットの構成を示した図である。 第１０実施形態の燃料電池システムの空気流路を模式的に示した図である。

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、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて図１〜図６を用いて説明する。この燃料電池システム１は例えば電気自動車に適用される。図１は本実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成を示した図であり、図２は、燃料電池システム１の空気流路２０を模式的に示した図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、図示しない電気負荷や２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当している。

本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセル１０ａが集電板１１、１２の間に複数積層され、かつ電気的に直列接続されている。

燃料電池１０の複数のセル１０ａでは、それぞれ、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。

負極側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
正極側：２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
これにより、上記電気化学反応に伴って、複数のセル１０ａを通して集電板１１、１２の間には電流が流れる。集電板１１、１２のうち一方の集電板は、セル１０ａに対してその面方向に分散化して電流を供給し、他方の集電板は、セル１０ａにその面方向に分散して流れる電流を集める。

燃料電池システム１には、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素排出流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化剤ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２と空気ポンプ２１から圧送された空気を分流させるための空気分流機構７０が設けられている。空気分流機構７０は、流量調整部に相当する。また、空気排出路２０ｂには、燃料電池１０内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。

水素排出流路３０ｂには、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループを構成する水素循環流路３０ｃが分岐して設けられており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、未反応の水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素循環流路３０ｃには、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３３が設けられている。

燃料電池１０は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、およびファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。

冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ５２をバイパスさせるためのバイパス経路４４が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４４との合流点には、バイパス経路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。また、冷却水経路４０における燃料電池１０の出口側近傍には、燃料電池１０から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４６が設けられている。この温度センサ４６により冷却水温度Ｗｔを検出することで、燃料電池１０の温度を間接的に検出することができる。

燃料電池システム１は、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０およびセルモニタ６０を備えている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。セルモニタ６０は、セル１０ａから出力される電圧をセル１０ａ毎に測定する。

制御部５０は、セルモニタ６０によって測定された各セル１０ａの電圧および温度センサ４６の検出温度等に基づいて空気ポンプ２１、加湿器２２、空気分流機構７０、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５を制御する。

図２、図３に示すように、空気分流機構７０は、導入ポート７１ａと、第１〜第３導出ポート７１ｂ〜７１ｄと、を有する筐体７１を備えている。

導入ポート７１ａは、加湿器２２を介して空気ポンプ２１に接続されている。第１導出ポート７１ｂは、空気入口マニホールド１３に接続され、第２導出ポート７１ｃは、端部供給ライン１４に接続され、第３導出ポート７１ｄは、バイパスライン１５に接続されている。なお、空気入口マニホールド１３は、第１空気供給路に相当し、端部供給ライン１４は、第２空気供給路に相当する。

筐体７１には、第１導出ポート７１ｂから空気ポンプ２１から圧送された空気が導入される。空気分流機構７０は、導入ポート７１ａから導入された空気を、空気入口マニホールド１３、端部供給ライン１４およびバイパスライン１５に供給する。空気分流機構７０は、後述する制御部５０からの信号に応じて、空気入口マニホールド１３、端部供給ライン１４およびバイパスライン１５に供給する空気の流量を調整する。

空気入口マニホールド１３は、空気分流機構７０より導入された空気を各セル１０ａのそれぞれに分配する。空気分流機構７０より導入された空気は、空気入口マニホールド１３を介して各セル１０ａの全体に供給される。

端部供給ライン１４は、空気分流機構７０より導入された空気を、各セル１０ａのうち集電板１２側の端部に配置された複数の端部セル１０ａに向けて局所的に供給する。端部供給ライン１４は、一端が空気分流機構７０の第２導出ポート７１ｃに接続され、他端が閉塞されたチューブ形状を成すチューブ部材１４ａを有している。チューブ部材１４ａにおける他端側の端部の近くの側面には、空気分流機構７０の第２導出ポート７１ｃから導入された空気を各セル１０ａのうち集電板１２側の端部に配置された複数の端部セル１０ａに向けて吹き出す吹出口１４ｂが設けられている。

空気出口マニホールド１６は、各セル１０ａから排出される生成水や不純物を空気とともに燃料電池１０の外部へ排出する。各セル１０ａから排出される生成水、不純物、空気等は、空気出口マニホールド１６を介して燃料電池１０の外部へ排出される。

バイパスライン１５は、空気分流機構７０より導入された空気を、燃料電池１０を迂回させて空気出口マニホールド１６へ合流させる。空気出口マニホールド１６は、例えば、氷点下で燃料電池システム１を始動する際に、空気出口マニホールド１６に多く含まれる燃料ガスをバイパスライン１５より導入された空気で希釈するために設けられている。

次に、空気分流機構７０の構造について図３、図４を用いて説明する。図３に示すように、空気分流機構７０は、筐体７１、モータ７２１、回転弁７２２、ピニオンギア７２３およびシャット弁７２４を有している。モータ７２１、回転弁７２２、ピニオンギア７２３およびシャット弁７２４は、筐体７１内に収納されている。なお、モータ７２１は、パルス信号の入力に応じて回転角度を制御するステッピングモータにより構成されている。

筐体７１は、導入ポート７１ａと、第１〜第３導出ポート７１ｂ〜７１ｄと、を有している。

回転弁７２２は、モータ７２１の回転軸に結合された扇形のロータリードアとして形成されている。回転弁７２２は、モータ７２１の回転軸を中心としてこの回転軸の軸周り方向に回動する。回転弁７２２は、円弧状の曲面部７２２ａを有し、この曲面部７２２ａにて、第１〜第３導出ポート７１ｂ〜７１ｄの開度を調整する。ピニオンギア７２３は、モータ７２１の回転軸に固定されている。

シャット弁７２４は、平板状の棒に歯すじが形成されたラックギア７２４ａと、第２導出ポート７１ｃ内に配置され、ラックギア７２４ａの一端に接続された弁機構７２４ｂと、を備えている。モータ７２１の回転軸の回転によりピニオンギア７２３に回転力が与えられると、ピニオンギア７２３に噛み合わされたラックギア７２４ａが直線移動させられる。このラックギア７２４ａの直線移動によりラックギア７２４ａの一端に接続された弁機構７２４ｂが第２導出ポート７１ｃを開閉する。シャット弁７２４は、回転弁７２２に連動して第２導出ポート７１ｃを開閉する。

図４（ａ）〜（ｃ）は、第１〜第３導出ポート７１ｂ〜７１ｄにおける回転弁７２２とシャット弁７２４の状態を表している。

図４（ａ）は、回転弁７２２により第３導出ポート７１ｄが閉じられ、第１導出ポート７１ｂと第２導出ポート７１ｃの開度が大となっている状態を表している。

図４（ｂ）は、回転弁７２２により第３導出ポート７１ｄが閉じられ、第１導出ポート７１ｂの開度が大となり、弁機構７２４ｂにより第２導出ポート７１ｃの開度が小となった状態を表している。

図４（ｃ）は、回転弁７２２により第３導出ポート７１ｄが閉じられ、弁機構７２４ｂによりシャット弁７５により第２導出ポート７１ｃが閉じられ、第１導出ポート７１ｂの開度が大となった状態を表している。

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。

制御部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、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気分流機構７０、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５を制御する通常時処理を行う。

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、セルモニタ６０により測定された各セル１０ａの電圧によって求められる。

この際に、水素タンク３１から燃料電池１０に水素調圧弁３２により調圧された水素が吐出する。水素ポンプ３３は、水素供給流路３０ａ→燃料電池１０の複数のセル１０ａ→水素排出流路３０ｂの順に流れる水素の流れを発生させる。

これに伴い、水素排出流路３０ｂ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３４を通して排出する。

空気ポンプ２１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供給流路２０ａへ圧送する。空気供給流路２０ａに圧送された空気は、加湿器２２により加湿された後、空気分流機構７０に導入される。

ここで、通常時、空気分流機構７０は、空気供給流路２０ａより導入された空気の全量を空気入口マニホールド１３に導入する。空気入口マニホールド１３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ールド１６に集合される。この集合された空気は、空気出口マニホールド１６から空気排気流路２０ｂに設けられた空気調圧弁２３を通して排出される。

また、例えば、氷点下で燃料電池システム１を始動する際には、空気分流機構７０は、空気入口マニホールド１３に導入する空気の流量を減少させて各セル１０ａの発熱を促進させるとともに、バイパス経路４４に導入する空気の流量を多くする。このとき、燃料ガスが空気極側に透過してきて空気出口マニホールド１６に多量の燃料ガスが流れ込む。しかし、空気出口マニホールド１６に流れ込んだ燃料ガスは、バイパス経路４４に導入された空気で希釈されて外部に排出される。

本実施形態の制御部は、例えば、複数のセル１０ａのうち集電板１２側の端部に配置された複数の端部セル１０ａの電圧が目標電圧よりも低下した場合に、空気分流機構７０から空気入口マニホールド１３に導入される空気の流量を減少させるとともに、空気分流機構７０から端部供給ライン１４に導入される空気の流量を増加させる処理を実施する。

図５に、この処理のフローチャートを示す。制御部５０は、上記した通常時処理と並行して図５に示す処理を周期的に実施する。なお、各図面のフローチャートにおける各制御ステップは、制御部５０が有する各種の機能実現部を構成している。

まず、Ｓ１００にて、端部セル１０ａの電圧を取得する。具体的には、セルモニタ６０から集電板１２側の端部セル１０ａの電圧を取得する。

次に、Ｓ１０２にて、端部セル１０ａの電圧が予め定められた目標電圧よりも低下しているか否かを判定する。

ここで、端部セル１０ａの電圧が予め定められた目標電圧以上となっている場合、空気分流機構７０から空気入口マニホールド１３に導入される空気の流量を変更することなく本処理を終了する。具体的には、空気分流機構７０から空気入口マニホールド１３に、空気分流機構７０に導入された全ての空気が導入されるよう空気分流機構７０を制御する。

また、冷却されやすい端部セル１０ａに生成水の滞留が生じて端部セル１０ａの空気極に十分な空気を供給できない状態（フラッディング）になっており、端部セル１０ａの電圧が予め定められた目標電圧よりも低下している場合、Ｓ１０２の判定はＹＥＳとなり、Ｓ１０４にて、空気分流機構７０から端部供給ライン１４に流す空気の増加量Ｘを特定する。具体的には、目標電圧と端部セル１０ａの電圧の差分を変数とする関数Ｆを用いて端部供給ライン１４に流す空気の増加量Ｘを特定する。なお、関数Ｆは、制御部５０のＲＯＭに予め記憶されている。

次に、空気入口マニホールド１３に流れる空気の流量と端部供給ライン１４に流れる空気の流量が、Ｓ１０４にて特定した増加量Ｘに基づく流量となるよう端部供給ライン１４を制御する（Ｓ１０６）。具体的には、空気入口マニホールド１３に流れる空気の流量は流量Ｘ分だけ減少し、端部供給ライン１４に流れる空気の流量は流量Ｘ分だけ増加するよう端部供給ライン１４を制御する。

これにより、端部セル１０ａに生成水の滞留が生じて端部セル１０ａの電圧が目標電圧よりも低下したときに、空気入口マニホールド１３から各セル１０ａに供給される空気の流量を低下させるとともに、端部供給ライン１４を介して端部セル１０ａに供給する空気の流量が増加する。

なお、端部供給ライン１４を介して端部セル１０ａに供給する空気の流量が増加するので、フラッディングが生じている端部セル１０ａに溜まった生成水を飛ばすことが可能となる。また、空気入口マニホールド１３から各セル１０ａに供給される空気の流量を低下させるので、フラッディングが生じていないセル１０ａが乾いてしまうといったことを防止することも可能である。

図６は、空気分流機構７０および端部供給ライン１４を備えることなく空気入口マニホールド１３から各セル１０ａに空気を供給する従来の燃料電池システムと、空気分流機構７０、空気入口マニホールド１３および端部供給ライン１４を備えた本発明の燃料電池システムの空気過剰率に対するスタック電圧の特性を示した図である。なお、空気過剰率は、実際に供給された空気の質量を理論上必要な最少空気質量で除した値をいう。ここでは、燃料電池１０の端部セル１０ａにフラッディングを生じさせた状態で、空気ポンプ２１から圧送される空気の流量を変化させて空気過剰率を変化させている。

従来の燃料電池システムでは、特に、空気過剰率が１．１〜１．３程度のときにセル１０全体の電圧が大きく低下している。これに対し、本実施形態の燃料電池システムでは、端部セル１０ａの電圧向上によりセル１０ａ全体の電圧が上昇している。すなわち、本実施形態の燃料電池システムは、従来の燃料電池システムよりも発電効率が向上している。

上記した構成によれば、燃料電池システムは、複数のセルのうち第１の範囲に向けて空気を供給する第１空気供給路１３と、複数のセルのうち第１の範囲と異なる第２の範囲に向けて空気を供給する第２空気供給路１４と、第１空気供給路に供給する空気の流量と第２空気供給路に供給する空気の流量を調整する流量調整部７０と、を備えている。

このような構成によれば、複数のセルのうち第１の範囲に供給する空気の流量と、複数のセルのうち第１の範囲と異なる第２の範囲に向けて供給する空気の流量を調整することができ、複数のセルへ向けて適正に空気を供給することができる。

ここで、第１の範囲は、複数のセルの全体を含む範囲とし、第２の範囲は、複数のセルのうち少なくとも一方の端部に配置されたセルに対応する範囲とすることができる。

また、燃料電池システムは、空気を圧送する空気ポンプ２１を備えている。また、流量調整部７０は、空気ポンプ２１から圧送された空気を導入する導入ポート７１ａ、第１空気供給路１３に空気を導出する第１導出ポート７１ｂおよび第２空気供給路１４に空気を導出する第２導出ポート７１ｃを有する筐体７１と、筐体７１内に移動可能に配置され、第１導出ポート７１ｂおよび第２導出ポート７１ｃの開度を調整する流量調整機構７２１〜７２４と、を備えている。

このように、流量調整部７０は、導入ポート７１ａ、第１導出ポート７１ｂおよび第２導出ポート７１ｃを有する筐体７１と、第１導出ポート７１ｂおよび第２導出ポート７１ｃの開度を調整する流量調整機構７２１〜７２４により構成することができる。

また、流量調整機構７２１〜７２４は、モータ７２１の回転軸を中心として該回転軸の回転軸周り方向に回動する回転弁７２２を有し、回転弁７２２の位置に応じて第１導出ポート７１ｂおよび第２導出ポート７１ｃの開度を調整することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について図７を参照して説明する。上記第１実施形態の端部供給ライン１４は、空気分流機構７０より導入された空気を、各セル１０ａのうち集電板１２側の端部に配置された複数の端部セル１０ａに向けて集中的に供給している。これに対し、本実施形態の端部供給ライン１４は、図７に示すように、空気分流機構７０より導入された空気を、各セル１０ａのうち集電板１１側と集電板１２側の両側の端部に配置された複数の端部セル１０ａに向けて集中的に供給する。

端部供給ライン１４は、チューブ部材１４ａ、吹出口１４ｂおよび吹出口１４ｃを有している。吹出口１４ｂは、空気分流機構７０の第２導出ポート７１ｃから導入された空気を各セル１０ａのうち集電板１２側の端部に配置された複数の端部セル１０ａに向けて吹き出す。

吹出口１４ｃは、空気分流機構７０の第２導出ポート７１ｃから導入された空気を各セル１０ａのうち集電板１１側の端部に配置された複数の端部セル１０ａに向けて吹き出す。

このように、端部供給ライン１４は、空気分流機構７０より導入された空気を、複数のセル１０ａのうち両方の端部に配置された複数のセル１０ａに向けて集中的に分配することもできる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について図８を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システムは、上記第１実施形態の燃料電池システムに対し、さらに、端部供給ライン１４から供給される空気を集電板１２側の端部セル１０ａへ案内する仕切板１８ａを備えている。

これによれば、仕切板１８ａにより端部供給ライン１４から供給される空気が集電板１２側の端部セル１０ａ以外の部位へ流れ出るのが防止されるので、仕切板１８ａを設けていない場合と比較して集電板１２側の端部セル１０ａへ十分な空気を供給することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について図９を用いて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、上記第２実施形態の燃料電池システムに対し、さらに、端部供給ライン１４から供給される空気を集電板１２側の端部セル１０ａへ案内する仕切板１８ａと、集電板１１側の端部セル１０ａへ案内する仕切板１８ｂを備えている。

これによれば、さらに、仕切板１８ｂにより端部供給ライン１４から供給される空気が集電板１１側の端部セル１０ａ以外の部位へ流れ出るのも防止されるので、集電板１２側の端部セル１０ａへ十分な空気を供給することができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について図１０を用いて説明する。上記第１〜第４実施形態の空気分流機構７０は、モータ７２１の回転軸の回転に伴う回転弁７２２の回転およびシャット弁７２４の移動により空気入口マニホールド１３、端部供給ライン１４およびバイパスライン１５に供給する空気の流量を調整している。これに対し、本実施形態の空気分流機構７０は、ピニオンギア７３２および分流スリット７３１を有し、ピニオンギア７３２の回転に伴って分流スリット７３１が直線移動することにより空気入口マニホールド１３、端部供給ライン１４およびバイパスライン１５に供給する空気の流量を調整する。なお、ピニオンギア７３２および分流スリット７３１は、流量調整機構に相当する。

ピニオンギア７３２は、図示しないモータの回転軸に固定されている。分流スリット７３１は、板状を成している。分流スリット７３１の中央部には、表裏を貫通するスリット穴７３１ａが形成されている。また、分流スリット７３１の一面には、歯すじが形成されている。

モータの回転軸の回転の回転によりピニオンギア７３２に回転力が与えられると、ピニオンギア７３２と歯すじが噛み合わされた分流スリット７３１が直線移動させられる。この分流スリット７３１の直線移動により分流スリット７３１のスリット穴７３１ａを通過する空気の流れが変更される。

このように、本実施形態の空気分流機構７０は、空気を流すスリット７３１ａが形成されるとともに直線移動させられる板状の分流スリット７３１を有しており、スリット７３１の位置に応じて第１導出ポート７１ｂおよび第２導出ポート７１ｃの開度を調整することができる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について図１１〜図１２を用いて説明する。本実施形態の空気分流機構７０は、モータ７４２の回転軸に固定された分流スリット７４１を有している。分流スリット７４１は、三角形板状部材７４１ａにより構成されている。三角形板状部材７４１ａの一辺には、２つのガイド壁７４１ｂが立設されている。２つのガイド壁７４１ｂの間には、スリット７４１ｃが形成されている。

モータ７４２の回転軸の回転により分流スリット７４１に回転力が与えられると、２つのガイド壁７４１ｂの間に形成されたスリット７４１ｃの位置が移動し、このスリット７４１ｃを通過する空気の流れが変更される。なお、分流スリット７４１およびモータ７４２は、流量調整機構に相当する。

このように、本実施形態の空気分流機構７０は、空気を流すスリット７４１ａが形成されるとともにモータ７２１の回転軸を中心として該回転軸の回転軸周り方向に回動する分流スリット７４１を有している。そして、スリット７４１の位置に応じて第１導出ポート７１ｂおよび第２導出ポート７１ｃの開度を調整することができる。

（第７実施形態）
本発明の第７実施形態について図１３を用いて説明する。上記第１実施形態の空気分流機構７０は、ピニオンギア７２３によりモータ７２１の回転軸の回転運動をラックギア７２４ａの直線運動に変換している。これに対し、本実施形態の空気分流機構７０は、筐体７１、回転弁７２２、リンク機構７５３、シャット弁７２４を有し、リンク機構７５３によりモータ７２１の回転軸の回転運動をシャット弁７２４の直線運動に変換している。なお、リンク機構７５３は流量調整機構を構成している。

リンク機構７５３は、２つの板部材７５３ａ、７５３ｂを有している。板部材７５３ａの一端は、モータ７２１の回転軸に固定され、板部材７５３ａの他端は、板部材７５３ｂの一端とリベット等により接続されている。
シャット弁７２４は、平板状のラックギア７２４ａと、第２導出ポート７１ｃ内に配置され、ラックギア７２４ａの一端に接続された弁機構７２４ｂと、を備えている。ラックギア７２４ａの一端は、弁機構７２４ｂに接続され、ラックギア７２４ａの他端は、板部材７５３ｂの他端にリベット等により接続されている。

モータ７２１の回転軸の回転に伴って板部材７５３ａが回動すると、その回動力は板部材７５３ｂによりラックギア７２４ａに伝達される。なお、ラックギア７２４ａはリンク機構７５２により直線移動させられ、ラックギア７２４ａの一端接続された弁機構７２４ｂが第２導出ポート７１ｃを開閉する。

リンク機構７５２は、モータ７２１の回転軸の回転運動をラックギア７２４ａの直線運動に変換する。すなわち、モータ７２１の回転軸の回転によりリンク機構７５３の板部材７５３ａが回動すると、ラックギア７２４ａは直線移動し、ラックギア７２４ａの一端に接続された弁機構７２４ｂは第２導出ポート７１ｃを開閉する。

（第８実施形態）
本発明の第８実施形態について図１４を用いて説明する。本実施形態の空気分流機構７０は、筐体７１、回転弁７２２、偏心カム７６３、シャット弁７２４を有し、偏心カム７６３によりモータ７２１の回転軸の回転運動をシャット弁７２４の直線運動に変換している。なお、偏心カム７６３は流量調整機構を構成している。

偏心カム７６３は、円盤状を成している。偏心カム７６３は、モータ７２１の回転軸に、該回転軸に対して偏心して取り付けられている。

シャット弁７２４は、平板状のラックギア７２４ａと、第２導出ポート７１ｃ内に配置され、ラックギア７２４ａの一端に接続された弁機構７２４ｂと、を備えている。ラックギア７２４ａの一端は、弁機構７２４ｂに接続され、ラックギア７２４ａの他端は、図示しないバネ等により偏心カム７６３の側面に付勢されている。

偏心カム７６３は、モータ７２１の回転軸の回転運動をラックギア７２４ａの直線運動に変換する。すなわち、モータ７２１の回転軸の回転により偏心カム７６３が回動すると、ラックギア７２４ａは直線移動し、ラックギア７２４ａの一端に接続された弁機構７２４ｂは第２導出ポート７１ｃを開閉する。

（第９実施形態）
本発明の第９実施形態について図１５〜図１６を用いて説明する。本実施形態の空気分流機構７０は、モータ７７２の回転軸に固定された分流スリット７７１を有している。分流スリット７７１は、底板部７７１ａと、底板部７７１ａの一面側に所定の間隔を設けて立設された２つのガイド部７７１ｂを有している。２つのガイド部７７１ｂの間にスリット７７１ｃが形成されている。

モータ７７２の回転軸の回転により分流スリット７７１に回転力が与えられると、２つのガイド部７７１ｂの間に形成されたスリット７７１ｃの位置が移動し、このスリット７７１ｃを通過する空気の流れが変更される。なお、分流スリット７７１およびモータ７７２は、流量調整機構を構成している。

このように、本実施形態の空気分流機構７０は、分流スリット７７１がモータ７７２の回転軸の軸周りに回動することにより空気入口マニホールド１３、端部供給ライン１４およびバイパスライン１５に供給する空気の流量を調整することができる。

（第１０実施形態）
本発明の第１０実施形態について図１７を用いて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、３つの空気ポンプ２１ａ〜２１ｃを備えている。各空気ポンプ２１ａ〜２１ｃは、制御部５０に接続されている。制御部５０は、空気入口マニホールド１３、端部供給ライン１４およびバイパスライン１５に供給する空気の流量を調整する。

空気ポンプ２１ａは、バイパスライン１５に空気を供給するものであり、空気ポンプ２１ｂは、空気入口マニホールド１３に空気を供給するものである。また、空気ポンプ２１ｃは、端部供給ライン１４に空気を供給するものである。

このように、空気入口マニホールド１３、端部供給ライン１４およびバイパスライン１５に吸気を供給する空気ポンプ２１ａ〜２１ｃを備え、制御部５０の制御により空気入口マニホールド１３、端部供給ライン１４およびバイパスライン１５に供給する空気の流量を調整することもできる。

（他の実施形態）
（１）上記各実施形態では、複数のセル１０ａの全体を含む範囲を第１の範囲とし、この第１の範囲に向けて空気入口マニホールド１３から空気を供給するよう構成した。これに対し、必ずしも複数のセル１０ａの全体を含む範囲に向けて空気入口マニホールド１３から空気を供給するよう構成しなくてもよい。

（２）上記各実施形態では、空気入口マニホールド１３に対して１つの端部供給ライン１４を設けるようにしたが、２つ以上の端部供給ライン１４を設けるようにしてもよい。

（３）上記各実施形態では、複数のセル１０ａのうち少なくとも一方の端部に配置されたセルに端部供給ライン１４から空気を供給するよう構成にしたが、例えば、複数のセル１０ａのうち中央部に配置されたセルに端部供給ライン１４から空気を供給するよう構成にしてもよい。

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、構成要素等の材質、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材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０ 燃料電池
１０ａ セル
１１、１２ 集電板
１３ 空気入口マニホールド
１４ 端部供給ライン
１５ バイパスライン
１６ 空気出口マニホールド
２１ 空気ポンプ
７０ 空気分流機構
７１ 筐体
７１ａ 第１導入ポート
７１ｂ 第２導入ポート
７１ｃ 第３導入ポート

Claims (6)

1. 空気に含まれる酸素と燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギーを出力するセル（１０ａ）を複数積層してなる燃料電池（１０）を備えた燃料電池システムであって、
   複数の前記セルのうち第１の範囲に向けて前記空気を供給する第１空気供給路（１３）と、
   複数の前記セルのうち前記第１の範囲と異なる第２の範囲に向けて前記空気を供給する第２空気供給路（１４）と、
   複数の前記セルを迂回させるよう前記空気を流すバイパスライン（１５）と、
   前記第１空気供給路に供給する前記空気の流量と前記第２空気供給路に供給する前記空気の流量を調整する流量調整部（７０）と、
   前記空気を圧送する空気ポンプ（２１）と、を備え、
   前記流量調整部は、
   前記空気ポンプから圧送された前記空気を導入する導入ポート（７１ａ）、前記第１空気供給路に前記空気を導出する第１導出ポート（７１ｂ）、前記第２空気供給路に前記空気を導出する第２導出ポート（７１ｃ）および前記バイパスラインに前記空気を導出する第３導出ポート（７１ｄ）と、を有する筐体（７１）と、
   前記筐体内に移動可能に配置され、前記第１導出ポート、前記第２導出ポートおよび前記第３導出ポートの開度を調整する流量調整機構（７２１〜７２４、７３１〜７３２、７４１〜７４２、７５３、７６３、７７１〜７７２）と、を有している燃料電池システム。
2. 前記第１の範囲は、複数の前記セルの全体を含む範囲であり、
   前記第２の範囲は、複数の前記セルのうち少なくとも一方の端部に配置された前記セルに対応する範囲である請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記流量調整機構は、モータ（７２１、７７１）の回転軸を中心として該回転軸の回転軸周り方向に回動する回転弁（７２２、７７１）を有し、
   前記回転弁の位置に応じて前記第１導出ポートおよび前記第２導出ポートの開度を調整する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記流量調整機構は、前記空気を流すスリット（７３１ａ）が形成されるとともに直線移動させられる板状の分流スリット（７３１）を有し、
   前記スリットの位置に応じて前記第１導出ポートおよび前記第２導出ポートの開度を調整する請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記流量調整機構は、前記空気を流すスリット（７４１ａ）が形成されるとともにモータ（７２１、７７１）の回転軸に連動して回動する分流スリット（７４１）を有し、
   前記スリットの位置に応じて前記第１導出ポートおよび前記第２導出ポートの開度を調整する請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 複数の前記セルから前記電気化学反応により生成された生成水を含む前記空気を外部へ排出する空気排出路（２０ｂ）と、
   前記第１空気供給路から前記燃料電池を迂回させて前記空気排出路に前記空気を排出するバイパス路（１５）と、を備え、
   前記流量調整部は、前記第１空気供給路に供給する前記空気の流量、前記第２空気供給路に供給する前記空気の流量および前記バイパス路に供給する前記空気の流量を調整する請求項２に記載の燃料電池システム。

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