燃料電池システム
【課題】この発明は、燃料電池セルへのガス供給量の制御を容易に行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、ガス流入孔１４を有する燃料電池セル１２を複数積層してなる。ガス流入孔１４が並ぶ方向に、それぞれのガス流入孔１４に連通して水素を供給するアノードガス供給内部マニホールド２０が設けられる。アノードガス供給内部マニホールド２０内に回転自在に備えられ、その表面がガス流入孔１４とアノードガス供給マニホールド２０との連通を制限し、ガス流入孔１４とアノードガス供給マニホールド２０との連通を制限する面積が軸まわりの回転角度に応じて変化するロータリーバルブ５０を設ける。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、ガス流入孔１４を有する燃料電池セル１２を複数積層してなる。ガス流入孔１４が並ぶ方向に、それぞれのガス流入孔１４に連通して水素を供給するアノードガス供給内部マニホールド２０が設けられる。アノードガス供給内部マニホールド２０内に回転自在に備えられ、その表面がガス流入孔１４とアノードガス供給マニホールド２０との連通を制限し、ガス流入孔１４とアノードガス供給マニホールド２０との連通を制限する面積が軸まわりの回転角度に応じて変化するロータリーバルブ５０を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに係り、特に、車両への搭載に適した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特開平９−３１２１６８号公報に開示されているように、スリットを形成したプレートを用いて、燃料電池セルへのガス供給量を制御する燃料電池システムが知られている。このプレートは、スリットの位置が個々の燃料電池セルのガス流入孔の位置に対応するように、燃料電池スタック上に配置される。このプレートを摺動させてスリットの位置を移動させることにより、ガス流入孔の開閉を行うことができる。
【０００３】
燃料電池システムを運転する際には、その運転状況などに応じて、特定の燃料電池セルへのガス供給量を調整する場合がある。上記従来の技術では、前述したプレートを用いて、それらの燃料電池セルのガス流入孔をスリットによって適宜開閉し、ガス供給量を制御することとしている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３１２１６８号公報
【特許文献２】特開２００４−１７９０６１号公報
【特許文献３】特開平５−１２９０３２号公報
【特許文献４】特開昭６３−２９１３６４号公報
【特許文献５】特開２００４−３４２５９６号公報
【特許文献６】特開平９−１６１８２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来のシステムでは、燃料電池セルのガス流入孔の寸法に合わせて、プレートにスリットを形成する必要がある。また、ガス流入孔の開閉を行う際には、ガス流入孔とスリットの位置合わせを精度良く行う必要がある。ガス流入孔の幅が狭い場合には、それに伴ってスリットの形成やプレートの位置制御に高い精度が求められるようになり、ガス供給量の制御が難しくなる可能性がある。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池セルへのガス供給量の制御を容易に行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
ガス流入孔を有する燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックと、
前記ガス流入孔に連通し該ガス流入孔にガスを供給するガス供給マニホールドと、
前記ガス供給マニホールド内に回転自在に備えられ、その表面が少なくとも一部の前記燃料電池セルの前記ガス流入孔と該ガス供給マニホールドとの連通を制限する状態と該ガス流入孔を開放する状態とを実現し、該ガス流入孔と該ガス供給マニホールドとの連通を制限する連通制限面積が回転角度に応じて変化するロータリーバルブと、
を有する。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記ガス供給マニホールドは、前記ガス流入孔に水素を供給し、その一端が水素タンクに連通するアノードガス供給マニホールドを含み、
前記燃料電池セルは前記ガス流入孔から流入した水素が流出するガス流出孔を有し、
前記ガス流出孔に連通し、その一端がアノードガス排出系に連通するアノードガス排出マニホールドを有し、
前記ロータリーバルブは、前記積層された前記燃料電池セルのうち、水素が流通し易い該燃料電池セルの前記ガス流入孔の前記連通制限面積が大きく、水素が流通し難い該燃料電池セルの該ガス流入孔の該連通制限面積が小さくなるように該ガス流入孔と前記アノードガス供給マニホールドとの連通を制限する第一状態と、いずれの該ガス流入孔と該アノードガス供給マニホールドとの連通も制限しない第二状態とを実現する形状を有し、
回転動力を発生する動力機構と、
前記ロータリーバルブに前記動力機構が発生させた回転動力を伝達する伝達機構と、
前記動力機構が発生させる回転動力を制御して前記ロータリーバルブの回転角度を調整し、前記燃料電池スタックの始動時に、前記ロータリーバルブを前記第一状態として所定時間保持した後、該ロータリーバルブを前記第二状態とするアノードガス供給量制御手段と、
を有する。
【０００９】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記積層された前記燃料電池セルの前記ガス流入孔のそれぞれが一方向に並んで位置し、前記アノードガス供給マニホールドは該一方向に沿って伸びてそれぞれの該ガス流入孔に連通し、
前記ガス流出孔は前記一方向に並んだ前記ガス流出孔と略平行な方向に並んで位置し、前記アノードガス排出マニホールドは該略平行な方向に沿って伸びてそれぞれの該ガス流出孔に連通し、
前記アノードガス供給マニホールドの前記一端と前記アノードガス排出マニホールドの前記一端とがともに前記燃料電池スタックの一方の面側に位置する。
【００１０】
また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記燃料電池スタックの内部における水素分布が均等となったか否かを判定するアノード水素置換判定手段を有し、
前記所定時間は、前記燃料電池スタックの始動から前記アノード水素置換判定手段によって前記水素分布が均等となったとの前記判定がなされるまでの時間である。
【００１１】
また、第５の発明は、第１乃至４の発明において、
前記ガス供給マニホールドは前記ガス流入孔に空気を供給するカソードガス供給マニホールドを含み、
前記ロータリーバルブは、前記燃料電池スタックの端側に位置する前記燃料電池セルの該ガス流入孔の前記連通制限面積が小さく、該燃料電池スタックの中央側に位置する前記燃料電池セルの該ガス流入孔の前記連通制限面積が大きくなるように該ガス流入孔と前記カソードガス供給マニホールドとの連通を制限する第三状態を実現する形状を有し、
前記燃料電池セルで水閉塞が生じているか否かを判定する水閉塞判定手段と、
回転動力を発生する動力機構と、
前記ロータリーバルブに前記動力機構が発生させた回転動力を伝達する伝達機構と、
前記動力機構が発生させる回転動力を制御して前記ロータリーバルブの回転角度を調整し、前記燃料電池スタックの発電中に前記水閉塞判定手段によって前記燃料電池セルで水閉塞が生じていると判定されたら該ロータリーバルブを前記第三状態とするカソードガス供給量制御手段と、
を有する。
【００１２】
また、第６の発明は、第５の発明において、
前記水閉塞判定手段は、前記燃料電池スタックの少なくとも一部の前記燃料電池セルの電圧を検知するセル電圧検知手段を含み、前記セル電圧検知手段が検知した電圧値に基づいて前記水閉塞が生じているか否かを判定する。
【００１３】
また、第７の発明は、第１乃至６の発明において、
前記ガス供給マニホールドは前記ガス流入孔に空気を供給するカソードガス供給マニホールドを含み、
前記ロータリーバルブは、前記燃料電池スタックの端側の前記燃料電池セルでは該ガス流入孔の前記連通制限面積が小さく、中央側に位置する前記燃料電池セルでは該ガス流入孔の前記連通制限面積が大きくなるように該ガス流入孔と前記カソードガス供給マニホールドとの連通を制限する第三状態を実現する形状を有し、
回転動力を発生する動力機構と、
前記ロータリーバルブに前記動力機構が発生させた回転動力を伝達する伝達機構と、
前記動力機構が発生させる回転動力を制御して前記ロータリーバルブの回転角度を調整し、前記燃料電池スタックの停止時に前記ロータリーバルブを前記第三状態として前記カソードガス供給マニホールドから空気が流入する状態を所定時間保持する停止時ガス流入量制御手段と、
を有する。
【００１４】
また、第８の発明は、第２乃至７の発明において、
前記燃料電池スタックは、前記複数積層された前記燃料電池セルをその積層方向から挟むように取り付けられるスタックエンドプレートを含み、
前記伝達機構は、前記ロータリーバルブに備えられる第一の磁石と、前記動力機構に備えられる第二の磁石とを含み、該第一の磁石が前記スタックエンドプレートを挟んで該第二の磁石の回転に追随することで該ロータリーバルブに回転が伝達されることにより、該ロータリーバルブに該動力機構が発生させた回転動力を伝達する。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、燃料電池セルのガス流入孔とガス供給マニホールドとの間の連通状態を制限するロータリーバルブが、ガス供給マニホールド内に備えられる。ロータリーバルブをガス供給マニホールド内で回転させることにより、その回転角度に応じて、ロータリーバルブの表面がガス流入孔とガス供給マニホールドとの間の連通を制限する面積（連通制限面積）を変化させることができる。これにより、ガス流入孔に対するガス供給量の制御を容易に実現することができる。
【００１６】
また、第２の発明によれば、第１の発明において、ガス供給マニホールドが、ガス流入孔に水素を供給するアノードガス供給マニホールドを含む。そして、燃料電池システムの始動時に、始動時に水素が流れ込み易い燃料電池セルのガス流入孔の連通制限面積が大きく、始動時に水素が流れ込み難い燃料電池セルのガス流入孔の連通制限面積が小さくなるように、ガス流入孔とアノードガス供給マニホールドとの連通が制限される。これにより、燃料電池スタックの始動時に、それぞれの燃料電池セルにおける水素置換の進行が不均一となるのを緩和することができる。
【００１７】
また、第３の発明によれば、第２の発明において、燃料電池スタックの一方の面に近い燃料電池セルではガスが流れ込み易く、当該一方の面から遠い燃料電池セルではガスが流れ込み難くなる。これに対応させて、ロータリーバルブの表面積を当該一方の面側で相対的に大きくし、その開閉制御を行うことによって不均一な水素置換の進行を緩和する効果を得ることができる。このような構成によれば、ロータリーバルブの形状を簡易なものとすることができる。
【００１８】
また、第４の発明によれば、第３の発明において、燃料電池スタック内の水素分布が等しくなったことが検知されるまで、ガス流入孔とアノードガス供給マニホールドとの連通が制限される。このようにすることで、それぞれの燃料電池セルにおける水素置換の進行が不均一となるのを確実に避けることができる。
【００１９】
また、第５の発明によれば、第１乃至第４のいずれかの発明において、ガス供給マニホールドが、ガス流入孔に空気を供給するカソードガス供給マニホールドを含む。燃料電池システムの運転中に、燃料電池スタック内の燃料電池セルに水閉塞が生じたと判定されたら、端側に位置する燃料電池セルのガス流入孔の連通制限面積が小さく、中央側に位置する燃料電池セルのガス流入孔の連通制限面積が大きくなるように、ガス流入孔とアノードガス供給マニホールドとの連通を制限する。これにより、端側に位置する燃料電池セルに対する空気供給量を増加させ、燃料電池セルの水閉塞を解消するための回復措置を行うことができる。
【００２０】
また、第６の発明によれば、第５の発明において、燃料電池システムの運転中に、燃料電池セルの出力電圧に基づいて水閉塞が発生していることを判定する。これにより、燃料電池セルの水閉塞を解消するための回復措置を確実に行うことができる。
【００２１】
また、第７の発明によれば、第１乃至第６のいずれかの発明において、燃料電池システムの停止時に、燃料電池スタックの端側の燃料電池セルに対して多くの空気を供給する状態を、所定時間保持する。これにより、端側の燃料電池セルの保水量が多い状態で燃料電池システムが停止されるのを、確実に避けることができる。
【００２２】
また、第８の発明によれば、第２乃至第７のいずれかの発明において、燃料電池スタックの端に位置するスタックエンドプレートを挟むように備えられる磁石によって、ロータリーバルブに回転力を伝達する。このようにすることで、スタックエンドプレートを貫通する例えばシャフトなどの構造物を利用することなく、ロータリーバルブを回転させることができる。その結果、燃料電池スタックの密閉性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１は、本実施形態の燃料電池システムのアノード側の構成を示している。
【００２４】
本実施形態は、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、その内部に、複数積層された燃料電池セル１２を備えている。燃料電池スタック１０の端側（紙面左右側）には、積層された燃料電池セル１２を挟み込むように、スタックエンドプレート４０および４２が備えられる。
【００２５】
燃料電池スタック１０内部において、燃料電池セル１２の紙面上方側には、アノードガス供給内部マニホールド２０が設けられている。アノードガス供給内部マニホールド２０は、スタックエンドプレート４０を貫通して、紙面左方側で管路２４に連通する。管路２４は、図示しない水素タンクに連通している。水素タンクから供給される水素が、管路２４を通ってアノードガス供給内部マニホールド２０へと流入する。
【００２６】
アノードガス供給内部マニホールド２０には、それぞれの燃料電池セル１２の端面が露出している。露出しているそれぞれの燃料電池セル１２の端面には、それぞれガス流入孔１４（燃料電池セル１２における水素の入口）が設けられている。ガス流入孔１４は、燃料電池セル１２内部のアノードに連通している。水素タンクからアノードガス供給内部マニホールド２０に至った水素は、ガス流入孔１４を通って、燃料電池セル１２のアノードへと流入する。その後、この水素はアノードで消費され、燃料電池セル１２で生ずる発電反応に寄与することとなる。
【００２７】
アノードガス供給内部マニホールド２０の内部には、それぞれのガス流入孔１４への水素の流入量を制御するために、ロータリーバルブ５０が備えられている。ロータリーバルブ５０は、円筒の一部を切り欠いた形状を有しており、紙面左右方向に向かう直線を回転軸として回転可能な状態とされる。
【００２８】
ロータリーバルブ５０の紙面右方端には、シャフト６０が取り付けられている。シャフト６０は、スタックエンドプレート４２を貫通して、外部のモータ６２に連通している。モータ６２が回転することにより、その回転がシャフト６０によって伝達され、ロータリーバルブ５０が回転することとなる。モータ６２の回転量は、ＣＰＵ６４によって制御される。すなわち、ＣＰＵ６４によって、ロータリーバルブ５０の回転角度が制御されることとなる。
【００２９】
ロータリーバルブ５０の回転によって、ロータリーバルブ５０がガス流入孔１４を遮蔽することによりガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通が制限されている状態、若しくは、いずれのガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通も制限されない状態（即ち、全てのガス流入孔１４が開放された状態）が実現される。
【００３０】
そして、その回転角度に応じて、ロータリーバルブ５０がガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０と連通を制限する面積（実施の形態１ではロータリーバルブ５０がガス流入孔１４を遮蔽する面積であり、以下の説明では、この面積を「連通制限面積」とも呼称する）が変化するようになっている。連通制限面積の増減に伴い、ガス流入孔１４の開度が変化してガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との間の連通制限量が変化し、その結果、ガス流入孔１４への水素の流入量も変化する。
【００３１】
燃料電池セル１２の紙面下方側には、アノードガス排出内部マニホールド２２が設けられている。アノードガス排出内部マニホールド２２に露出するそれぞれの燃料電池セル１２の端面には、ガス流出孔１６（燃料電池セル１２における水素の出口）がそれぞれ設けられている。ガス流出孔１６は、ガス流入孔１４と同じく、燃料電池セル１２のアノードに連通している。ガス流入孔１４から流入した水素は燃料電池セル１２面内（アノード）を流通する過程で消費され、消費されなかった水素を含むガスがガス流出孔１６から流出する。その後、燃料電池セル１２内部のガスは、ガス流出孔１６からアノードガス排出内部マニホールド２２へと流入し、その後、管路２６を介して、図示しないアノードガス排出系へと流れる。
【００３２】
個々の燃料電池セル１２には、発電電圧をそれぞれ検知（モニタリング）するための電圧センサ（図示せず）が備えられている。個々の燃料電池セル１２の電圧測定値は、適宜、ＣＰＵ６４に収集される。ＣＰＵ６４は、電圧測定値などの情報に基づき、ロータリーバルブ５０の回転角度を制御する機能を有する。
【００３３】
（ロータリーバルブの構造）
図２は、実施の形態１におけるロータリーバルブ５０を説明する図である。図２（Ａ）は、ロータリーバルブ５０の斜視図である。前述したように、ロータリーバルブ５０は、円筒の一部を切り欠いた形状を有している。図２に示すように、紙面左方端側から紙面右方端に近づくにつれ、徐々に切り欠かれる面積が大きくなっている。
【００３４】
その結果、紙面左方側ではロータリーバルブ５０の表面積が大きくなり、逆に、紙面右方側ほど表面積が小さくなっている。図２（Ｂ）および図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のロータリーバルブ５０を、紙面左方および紙面右方から見た図にそれぞれ相当する。
【００３５】
（ロータリーバルブ５０によるガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通の制限）
以下、図３乃至図４を用いて、ロータリーバルブ５０によるガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通が制限される際の様子について説明する。
【００３６】
図３は、図１におけるアノードガス供給内部マニホールド２０の内部を、紙面上方から（矢印Ｉの方向に）見た様子を示す図である。燃料電池セル１２にそれぞれ設けられたガス流入孔１４が、紙面左右方向に並んでいる。そして、ガス流入孔１４に対して、紙面の手前側に、ロータリーバルブ５０が位置している。
【００３７】
前述したように、ロータリーバルブ５０は、紙面左方端でその表面積が大きく、紙面右方端へいくほどその表面積が小さくなっている。このため、図３に示すように、紙面左方側に位置するガス流入孔１４には、ロータリーバルブ５０のうち表面積が大きい部分が対応することとなる。また、紙面右方側のガス流入孔１４に対しては、ロータリーバルブ５０の表面積が小さい部分が対応することとなる。
【００３８】
そのため、ロータリーバルブ５０がガス流入孔１４を遮蔽する際には、紙面左方側のガス流入孔１４では、ロータリーバルブ５０によってガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０と連通が制限される面積、すなわち前述した連通制限面積が大きくなり、連通が大きく制限されることとなる。そして、紙面右方側のガス流入孔１４では、連通の制限が少なくなるか、或いはほとんど連通が制限されない状態となる。
【００３９】
図４は、ロータリーバルブ５０が一部のガス流入孔１４を遮蔽している状態で、図１のアノードガス供給内部マニホールド２０内部を、紙面右方から（矢印IIの方向に）見た様子を示す図である。
【００４０】
アノードガス供給内部マニホールド２０に露出する燃料電池セル１２の端面は、図４に示すように、ロータリーバルブ５０の表面に対応する形状となっている。具体的には、ガス流入孔１４が位置する燃料電池セル１２の端面が、ロータリーバルブ５０と略同一の曲率半径を有する半円筒形上の曲面となっている。このようにすることで、ロータリーバルブ５０がガス流入孔１４を遮蔽する際には、その表面でガス流入孔１４が確実に遮蔽され、ガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通が遮断されることとなる。
【００４１】
ロータリーバルブ５０の表面は、回転に伴い、ガス流入孔１４上をなぞるように摺動する。回転角度を制御することにより、ロータリーバルブ５０の表面とガス流入孔１４の相対位置を変化させることができる。これにより、ガス流入孔１４の開閉を容易に行うことができる。
【００４２】
図４に示した状態では、ロータリーバルブ５０の表面が、それぞれのガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通の制限している状態（すなわち、ガス流入孔１４を遮蔽している状態であり、実施の形態１では、「第一状態」とも呼称する）となる。
【００４３】
一方、図４の状態から、紙面貫通方向を回転軸としてロータリーバルブ５０を１８０度回転させることにより、いずれのガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通も制限されない状態（すなわち、いずれのガス流入孔１４も遮蔽されない状態であり、実施の形態１では、「第二状態」とも呼称する）が実現される。このような回転制御を行うことにより、ロータリーバルブ５０の表面がガス流入孔１４を遮蔽する面積を、容易に変化させることができる。
【００４４】
［実施の形態１の動作］
以下、図１乃至図４を参照して、実施の形態１の燃料電池システムの動作について説明する。実施の形態１の燃料電池システムにおいては、その始動時に、燃料電池スタック１０内部に窒素が充満している場合を想定している。
【００４５】
燃料電池システムが始動すると、管路２４から燃料電池スタック１０へと、水素が供給される。それに伴い、燃料電池スタック１０内で窒素が存在していた場所が、徐々に水素に置換される。窒素から水素への置換（以下、水素置換と呼称する）は、アノードガス供給内部マニホールド２０内を、管路２４側（以下、水素入口側と呼称する）から紙面右方向に向かって徐々に進行する。
【００４６】
水素の置換がガス流入孔１４の位置まで進み、当該位置のガス流入孔１４が開放されていると、このガス流入孔１４から燃料電池セル１２の内部へ水素が流入し始める。水素の流入により、燃料電池セル１２内部でも、紙面下方側に向かって徐々に水素置換が進む。
【００４７】
水素置換は水素入口側から徐々に進行するため、全てのガス流入孔１４が等しく開放された状態では、紙面左方側の燃料電池セル１２から順に水素置換が始まる。このような場合、紙面左方側（水素入口側）の燃料電池セル１２では、紙面右方側の燃料電池セル１２よりも早く、その内部に水素が行き渡る（水素置換が完了する）こととなる。
【００４８】
水素は、窒素に比較して、より粘性が低く、流れ易いという性質を有している。これに起因して、紙面左方側の燃料電池セル１２の水素置換が完了し、一旦水素の流通経路が形成されると、当該位置に多くの水素が流れ、他の位置の水素置換が進みにくくなる。その結果、燃料電池スタック１０全体に水素を行き渡らせるまでに、時間を要することとなる。また、水素置換が進みにくい燃料電池セル１２では、当該燃料電池セル１２内部においても水素分布が不均一な状態が長時間続き、好ましくない。
【００４９】
実施の形態１では、このような事態に対処するために、燃料電池システムの始動時に、水素置換が進み易い燃料電池セル１２に対しては水素の供給を抑制する。具体的には、燃料電池システムの始動時に、ロータリーバルブ５０を第一状態とする。
【００５０】
前述したように、ロータリーバルブ５０は、水素入口側（管路２４側）のガス流入孔１４に対する連通制限面積が、他の位置のガス流通孔１４よりも相対的に大きくなるような形状を有している。このため、ロータリーバルブ５０によって、水素置換が進み易い燃料電池セル１２のガス流入孔１４の連通制限面積が大きく、逆に、水素置換が進みにくい燃料電池セル１２のガス流入孔１４の連通制限面積が小さくなるように、ガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通の制限が行われる。
【００５１】
その結果、燃料電池システムの始動時に、水素入口側（紙面左方側）のガス流入孔１４への水素流入が抑制され、紙面右方側のガス流入孔１４への水素流入が促進される。以上の動作によれば、燃料電池スタック１０内の水素置換が不均一になるのを緩和し、水素置換の進行をより均一に進めることができる。
【００５２】
このようなガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通の制限のために、実施の形態１では、ロータリーバルブ５０を用いている。図４を用いて述べたように、ロータリーバルブ５０の表面は、ガス流入孔１４が設けられた燃料電池セル１２の端面に、ほぼ一致する形状となっている。そして、その回転により、ロータリーバルブ５０の表面が、ガス流入孔１４上をなぞるように摺動する。このような構造によれば、ロータリーバルブ５０の回転角度を制御することでガス流入孔１４の開閉を行うことができ、ガス流入孔１４の開閉制御を容易に行うことができる。
【００５３】
［実施の形態１の具体的処理］
以下、図５を用いて、実施の形態１の燃料電池システムが行う具体的処理を説明する。図５は、本実施形態の燃料電池システムが行う具体的処理を示すフローチャートであり、燃料電池システムの始動時に実行される。この処理は、例えば、燃料電池システムが車両に搭載された状態で実行することができる。
【００５４】
図５に示すルーチンでは、先ず、始動時に、バルブ閉状態とされる（ステップ１００）。具体的には、ロータリーバルブ５０によってガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通が制限される状態となる。これにより、水素入口側（管路２４側）に位置するガス流入孔１４では水素流入が抑制される状態となる。その後、本実施の形態では、水素が、管路２４を介して燃料電池スタック１０へと供給される。
【００５５】
管路２４を介してガス供給内部マニホールド２０に流入した水素は、それぞれのガス流入孔１４へと流入する。実施の形態１では、ロータリーバルブ５０の遮蔽によって、水素入口側のガス流入孔１４に対しては水素の流入量が少なく、逆に、ガス入口側から離れた位置のガス流入孔１４ほど、そのガス流入量が多くなる。これにより、燃料電池スタック１０内の水素置換が不均一になることが緩和され、水素置換の進行がより均一に進行することとなる。
【００５６】
続いて、燃料電池スタック１０の発電電圧の状態がＯＫか否かが判別される（ステップ１１０）。先ず、スタックエンドプレート４２近傍に位置する燃料電池セル１２の電圧値が、当該位置の燃料電池セル１２に設けられた電圧センサにより検知される。この電圧値が、ＣＰＵ６４によって取得される。また、燃料電池スタック１０の中央側に位置する燃料電池セル１２の電圧値も、当該中央側の燃料電池セル１２に設けられた電圧センサにより検知され、ＣＰＵ６４に取得される。
【００５７】
ＣＰＵ６４は、取得した電圧値が同じであるか否か（若しくは、許容範囲内であるか否か）を判別する。比較した電圧値が同等でないと判別された場合には、燃料電池スタック１０内の水素分布が均等ではなく、水素が未だ十分に行き渡っていないと判断される。従って、ロータリーバルブ５０の閉状態を継続する。
【００５８】
比較した電圧値が同等になったと判別された場合には、燃料電池スタック１０内の水素分布が均等となり、水素が概ね行き渡ったと判断される。その後、ロータリーバルブ５０が開状態とされ（ステップ１２０）、今回のルーチンが終了する。これにより、いずれのガス流入孔１４も遮蔽されない状態となり、通常運転へ移行することとなる。
【００５９】
以上の処理によれば、燃料電池システムの始動時に、ロータリーバルブ５０によって、燃料電池スタック１０内部の水素置換が均等に進むように、それぞれの燃料電池セル１２に対するガス供給量が制御される。そして、燃料電池スタック１０内の水素置換が完了しているか否かが、電圧センサの検知およびＣＰＵ６４の判別（ステップ１１０）により確実に判断される。これにより、それぞれの燃料電池セルへのガス供給量制御を、確実に、かつ容易に実現することができる。
【００６０】
尚、上述した実施の形態１では、ガス流入孔１４が前記第１の発明における「ガス流入孔」に、燃料電池セル１２が前記第１の発明における「燃料電池セル」に、燃料電池スタック１０が前記第１の発明における「燃料電池スタック」に、それぞれ相当する。
【００６１】
また、ガス供給内部マニホールド２０が前記第１の発明における「ガス供給マニホールド」に、ロータリーバルブ５０が前記第１の発明における「ロータリーバルブ」に、ロータリーバルブ５０の表面がガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通を制限する面積（ロータリーバルブ５０の表面がガス流入孔１４を遮蔽する面積）が前記第１の発明における「連通制限面積」に、それぞれ相当する。
【００６２】
また、上述した実施の形態１では、アノードガス供給内部マニホールド２０が、前記第２の発明における「アノードガス供給マニホールド」に、ガス流出孔１６が、前記第２の発明における「ガス流出孔」に、アノードガス排出内部マニホールド２２が、前記第２の発明における「アノードガス排出マニホールド」に、それぞれ相当する。
【００６３】
また、ロータリーバルブ５０が、紙面左方側のガス流入孔１４では連通制限面積が大きく、紙面右方のガス流入孔１４では連通制限面積が小さくなるようにガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通を制限する状態が、前記第２の発明における「第一状態」に相当する。また、ロータリーバルブ５０が、いずれのガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通も制限しない状態が、前記第２の発明における「第二状態」に相当する。また、モータ６２が、前記第２の発明の「動力機構」に、シャフト６０が、前記第２の発明の「伝達機構」に、それぞれ相当する。
【００６４】
また、実施の形態１の具体的処理では、ステップ１１０において、燃料電池スタック１０内部に水素が行き渡ったと判別されるまでに経過する時間が、前記第２の発明における「所定時間」に相当する。また、ステップ１００から１２０の処理が、前記第２の発明における「アノードガス供給量制御手段」に相当する。
【００６５】
また、上述した実施の形態１では、燃料電池スタック１０のスタックエンドプレート４０側の面が、前記第３の発明における「燃料電池スタックの一方の面」に相当する。また、上述した実施の形態１では、燃料電池スタック１０の中央側の燃料電池セル１２に設けられる電圧センサ、燃料電池スタック１０の端側の燃料電池セル１２に設けられる電圧センサ、およびステップ１１０の処理が、前記第４の発明における「アノード水素置換判定手段」に相当する。
【００６６】
なお、上述した実施の形態１では、ロータリーバルブ５０の表面が、ガス流入孔１４を確実に遮蔽し、ガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通が遮断される構成とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、ロータリーバルブ５０が介在することによりガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通が制限され、ガス流入孔１４を介して燃料電池セル１２に供給される水素量が調整されうる構造であればよい。従って、ロータリーバルブの形状と燃料電池セルの端面の形状も、図４に示したような、両者がほぼ完全に対応するような形状に限られるものではない。
【００６７】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、ロータリーバルブ５０とモータ６２とを接続するために、スタックエンドプレート４２を貫通させて、シャフト６０を設けた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。図６は、実施の形態１の第１変形例を説明するための図であり、図１におけるシャフト６０の近傍位置に相当する図である。なお、図６では、ロータリーバルブ５０の形状などを、簡略化して示している。
【００６８】
第１変形例では、図６のように、ロータリーバルブ５０の一端にマグネット８０を取り付ける。マグネット８０を回転自在に収納しうるように、スタックエンドプレート８２に凹部８６を設ける。スタックエンドプレート８２の凹部８６近傍は、樹脂若しくはセラミックを用いて形成することとする。
【００６９】
スタックエンドプレート８２を介してマグネット８０に対向する位置には、磁力によってその動きが追随しうる距離を保って、マグネット８４が備えられる。マグネット８４は、モータ６２と接続されている。モータ６２を駆動させることにより、回転がマグネット８４からマグネット８０へと伝達される。
【００７０】
その結果、スタックエンドプレート８２に対して貫通孔などを設けることなく、ロータリーバルブ５０の回転制御を行うことが可能となる。これにより、燃料電池スタック１０の密閉性を高めることができる。なお、スタックエンドプレート８２はマグネットの磁力が伝達されうる構造であればよく、凹部８６近傍を、例えば薄板の金属を用いて形成することも可能である。
【００７１】
なお、第１変形例では、マグネット８０とマグネット８４とが、前記第８の発明の伝達機構に含まれ、マグネット８０が、前記第８の発明の「第一の磁石」に、マグネット８４が、前記第８の発明の「第二の磁石」に、それぞれ相当する。また、スタックエンドプレート８２が、前記第８の発明の「スタックエンドプレート」に、モータ６２が、前記第８の発明の「動力機構」に相当する。
【００７２】
（第２変形例）
実施の形態１では、燃料電池スタック１０内部での水素置換の進行を、燃料電池セル１２に設けた電圧センサによって、その発電電圧を検知することにより行った。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。発電電圧の測定を行う替わりに、水素センサを用いて、燃料電池スタック１０内部での水素置換の進行を検知することとしてもよい。
【００７３】
前述したとおり、燃料電池スタック１０において、水素入口（管路２４）側から遠い燃料電池セル１２ほど、水素置換が進みにくい。第２変形例では、これに対応するように、燃料電池スタック１０における、スタックエンドプレート４２側に位置する燃料電池セル１２のガス流出孔１６付近（アノードガス排出内部マニホールド２２内）に、水素センサを設けることとする。
【００７４】
このような構成で、前述した具体的処理のステップ１１０において、水素センサが検知を行うまでロータリーバルブ５０を閉状態とし、検知がなされたらロータリーバルブ５０を開状態とする。これにより、スタックエンドプレート４２側に位置する燃料電池セル１２の水素置換が完了したことを確実に検知し、それぞれの燃料電池セル１２へのガス供給量を制御することができる。
【００７５】
（第３変形例）
実施の形態１では、ロータリーバルブ５０を、紙面左方のガス流入孔１４側では表面積が大きくなり、紙面右方のガス流入孔１４側では表面積が小さくなるような形状とした。ロータリーバルブ５０の形状（表面積）は、より好ましくは、次のようにして定めることができる。
【００７６】
前述したように、実施の形態１の燃料電池システムの始動時には、水素入口側の燃料電池セル１２では水素置換が進み易く、水素入口から遠い燃料電池セル１２では水素置換が進みにくい。このような水素置換の進み易さに対応させて、水素入口側の燃料電池セル１２および水素入口から遠い燃料電池セル１２にそれぞれ供給すべき水素量の比（配分比）を算出する。
【００７７】
この配分比に基づいて、ガス流入孔１４を遮蔽する際の連通制限面積の比（各々のガス流入孔１４の遮蔽率）に対応するように、ロータリーバルブ５０の形状を定めることができる。これによれば、それぞれのガス流入孔１４に対する水素の分配がより好ましいものとなり、燃料電池スタック１０の水素置換を均一に進める効果が、より高いものとなる。
【００７８】
（第４変形例）
また、上述した実施の形態１では、ステップ１１０において燃料電池スタック１０内部に水素が行き渡ったと判別されるまでの時間、ロータリーバルブ５０を閉状態とした。しかし、本発明はこれに限られるものではない。例えば、予め実験などにより燃料電池スタック１０内部に水素が行き渡るまでの時間を定め、この時間に基づいてロータリーバルブ５０の開閉制御を行うこととしてもよい。
【００７９】
また、ロータリーバルブ５０を用いたガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通の制限は、必ずしも、完全に水素が行き渡るまでの時間以上行わなくともよい。燃料電池システムの始動時に、一定時間、水素入口側の燃料電池セル１２への水素供給量を抑制することにより、水素置換の不均一を緩和する効果を得ることができる。
【００８０】
なお、上述した実施の形態１には、ロータリーバルブを用いて燃料電池スタックにおける水素供給制御を容易に行うという思想と、燃料電池システムの始動時に水素入口側（管路２４側）の燃料電池セルへの水素供給量の抑制を行うという思想とが含まれている。
【００８１】
これらの思想は、必ずしも組み合わせて用いる必要は無く、それぞれの思想を個別に用いることとしてもよい。その場合には、水素入口側（管路２４側）の燃料電池セル１２への水素供給量の抑制を行うという思想を、ロータリーバルブ以外の、例えばスリット構造を有するプレートを用いて実現することとしてもよい。
【００８２】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
図７は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図７は、本実施形態の燃料電池システムのカソード側の構成を示している。
【００８３】
本実施形態のカソード側は、実施の形態１で述べたアノード側と、概ね類似の構造となっている。実施の形態１と実施の形態２では、アノード側の構造とカソード側の構造であるという点と、ロータリーバルブの形状、およびそのロータリーバルブの制御に関して、主に相違する。
【００８４】
本実施形態は、燃料電池スタック２１０を備えている。燃料電池スタック２１０は、その内部に、実施の形態１と同様に、積層された複数の燃料電池セル２１２を備えている。燃料電池スタック２１０は、実施の形態１と同様に、スタックエンドプレート２４０および２４２を有している。燃料電池セル２１２は、実施の形態１の燃料電池セル１２と同様の構造を有しており、燃料電池スタック２１０全体の構成は、実施の形態１の燃料電池スタック１０とほぼ同様となっている。
【００８５】
燃料電池スタック２１０の内部には、実施の形態１の構造と同様に、カソードガス供給内部マニホールド２２０、およびカソードガス排出内部マニホールド２２２がそれぞれ設けられている。カソードガス供給内部マニホールド２２０は、スタックエンドプレート２４０を貫通して、管路２２４に連通している。管路２２４は、図示しない空気供給系に連通している。また、カソードガス排出内部マニホールド２２２には、燃料電池セル２１２の端面に備えられるガス流出孔（実施の形態２では符号を付さない）から流出するガスが流れ込む。カソードガス排出内部マニホールド２２２も、同様に、管路２２６を介して、図示しない空気排出系に連通している。
【００８６】
カソードガス供給内部マニホールド２２０内には、ロータリーバルブ２５０が備えられる。ロータリーバルブ２５０は、実施の形態１のロータリーバルブ５０と同様に、カソードガス供給内部マニホールド２２０内に回転自在に設けられる。そして、それぞれの燃料電池セル２１２のガス流入孔２１４に流入する空気の量を、制御する機能を有している。
【００８７】
ロータリーバルブ２５０は、シャフト２６０を介してモータ２６２に接続される。モータ２６２はＣＰＵ２６４と接続している。このような構造により、実施の形態１同様に、ロータリーバルブ２５０の回転角度が制御される。
【００８８】
また、個々の燃料電池セル２１２には、発電電圧をそれぞれ検知（モニタリング）するための電圧センサ（図示せず）が備えられている。個々の燃料電池セル２１２の電圧測定値は、適宜、ＣＰＵ６４に収集される。
【００８９】
（ロータリーバルブの構造）
図８は、実施の形態２におけるロータリーバルブ２５０を説明する図である。図８（Ａ）は、ロータリーバルブ２５０の斜視図である。ロータリーバルブ２５０は、円筒の一部を切り欠いた形状である点では、実施の形態１のロータリーバルブ５０に類似している。しかし、実施の形態１と異なり、中央側では大きな表面積を有し、両端では表面積が小さくなるように切り欠かれている。図８（Ｂ）および図８（Ｃ）は、図８（Ａ）のロータリーバルブ２５０を、紙面左方および紙面右方から見た図にそれぞれ相当する。
【００９０】
（ロータリーバルブ２５０によるガス流入孔２１４とカソードガス供給内部マニホールド２２０との連通の制限）
実施の形態２のカソードガス供給内部マニホールド２２０内部は、実施の形態１の図３および図４で述べたアノードガス供給内部マニホールド２０と同様の構造となっている。即ち、ロータリーバルブ２５０は、ロータリーバルブ５０と同様に、一列に並んだそれぞれのガス流入孔２１４上に配置される。
【００９１】
ロータリーバルブ２５０は、実施の形態１とは異なり、中央側の表面積が大きくなっている。従って、燃料電池スタック２１０において、中央側に位置するガス流入孔２１４の連通制限面積が大きくなる。そして、両端に位置するガス流入孔２１４においては、連通制限面積が小さくなる。
【００９２】
なお、図４で述べた実施の形態１の構造と同様に、実施の形態２においても、ロータリーバルブ２５０と燃料電池セル２１２の端面の形状を対応させる。これにより、ロータリーバルブ２５０の回転角度に応じて、いずれのガス流入孔２１４とカソードガス供給内部マニホールド２２０との連通も制限されない状態（すなわち、いずれのガス流入孔２１４も遮蔽されない状態であり、実施の形態２では、「運転状態」とも呼称する）と、前述したように中央側に位置するガス流入孔２１４とカソードガス供給内部マニホールド２２０との連通を優先的に制限する状態（実施の形態２では、「第三状態」とも呼称する）を実現することができる。
【００９３】
［実施の形態２の動作］
以下、図７を用いて、実施の形態２の燃料電池システムの動作について説明する。燃料電池スタック２１０の中央側に位置する燃料電池セル２１２は、他の燃料電池セル２１２と隣接しているため、その放熱性が比較的低い。逆に、端側に位置する燃料電池セル２１２は、発熱がスタックエンドプレートを介して放出されやすいので、比較的、放熱性が高くなる。
【００９４】
このため、端側に位置する燃料電池セル２１２は、発電中の温度が、比較的、低くなり易い。燃料電池システムの発電中に、燃料電池セル２１２の温度が低くなると、当該燃料電池セル２１２内部に多くの水が滞留する要因となる。これに起因して、発電中、端部側の燃料電池セル２１２内部のガス流路に水閉塞（水づまり）が生じ、燃料電池セル２１２内部のガス流通を阻害する場合がある。
【００９５】
実施の形態２は、これに対処するために、端部側に位置する燃料電池セル２１２で水閉塞が生じた場合には、ロータリーバルブ２５０を閉状態とする（第三状態）。ロータリーバルブ２５０が閉状態の場合は、前述したように、燃料電池スタック２１０の中央側に位置するガス流入孔２１４の連通制限面積が大きく、端側に位置するガス流入孔２１４の連通制限面積が小さくなる。
【００９６】
これにより、端側に位置するガス流入孔２１４に流入する空気の量を増加させることができる。これにより、端側の燃料電池セル２１２における水の持ち去り量を増加させ、当該燃料電池セル２１２における水閉塞を解消させることができる。
【００９７】
上記のようなガス流入孔２１４の遮蔽のために、実施の形態２では、ロータリーバルブ２５０を用いている。このような構造によれば、実施の形態１と同様に、ロータリーバルブ２５０の回転角度を制御することでガス流入孔２１４の開閉を行い、ガス流入孔２１４の開閉制御を容易に行うことが可能となる。
【００９８】
［実施の形態２の具体的処理］
以下、図９を用いて、実施の形態２の燃料電池システムが行う具体的処理を説明する。図９は、本実施形態の燃料電池システムが行う具体的処理を示すフローチャートであり、燃料電池システムの発電中に実行される。この処理は、例えば、燃料電池システムが車両に搭載された状態で実行することができる。
【００９９】
実施の形態３では、燃料電池システムの発電中に、ロータリーバルブ２５０を開状態（「運転状態」）とする。発電中、バルブ開状態で、図９のルーチンが実行される。
【０１００】
ルーチンが開始されると、先ず、燃料電池スタック２１０における発電電圧の状態がＯＫか否かが判別される（ステップ３００）。具体的には、端側に位置する燃料電池セル２１２において、水閉塞が生じているか否かが判別される。実施の形態２では、次に述べる「カソード電圧判定処理」と「電圧偏差算出処理」により、判定を行うこととする。
【０１０１】
（「カソード電圧判定処理」）
実施の形態２の燃料電池システムは、燃料電池スタック２１０の発電状態を監視する「カソード電圧判定処理」を有している。燃料電池セル２１２において水閉塞が生じると、当該燃料電池セル２１２の電圧値が低くなりやすい。これを利用し、「カソード電圧判定処理」では、水閉塞の生じ易い端側の燃料電池セル２１２の電圧を、中央側の燃料電池セル２１２と比較することにより、水閉塞が発生しているか否かの判定を行う。
【０１０２】
この判定処理は、具体的には、次のような手順で進行する。先ず、ＣＰＵ２６４が、電圧センサ（図示せず）により、燃料電池スタック２１０の端側に位置する燃料電池セル２１２の電圧値を取得する。更に、中央側に位置するいくつかの燃料電池セル２１２の電圧値を取得し、その平均値（以下、平均電圧値と称す）を算出する。
【０１０３】
次に、ＣＰＵ２６４により、端側の電圧値と中央側の平均電圧値とが比較され、端側の電圧値が中央側の平均電圧値を所定値を超えて下回ったか否かが判別される。この所定値は、例えば実験などにより予め定めた、端側の燃料電池セルの水閉塞を検知しうる値とすることができる。端側の電圧値が中央側の平均電圧値を所定値下回っていない場合には、燃料電池スタック２１０の発電状態がＯＫであるとの判定が下される。
【０１０４】
端側の電圧値が中央側の平均電圧値を所定値以上下回った場合には、端側の燃料電池セル２１２において水閉塞が生じていると判別される。この場合には、燃料電池スタック２１０の発電状態がＯＫではないとの判定が下される。
【０１０５】
（「電圧偏差判定処理」）
実施の形態２の燃料電池システムは、燃料電池スタック２１０の発電状態を監視する「電圧偏差判定処理」を有している。燃料電池セル２１２で水閉塞が生じると、当該燃料電池セル２１２の電圧値の時間当たりの変動が大きくなりやすい。これを利用し、「電圧偏差判定処理」では、水閉塞が生じ易い端側の燃料電池セル２１２における時間当たりの電圧偏差を監視することにより、水閉塞が生じているか否かを判定する。
【０１０６】
この判定処理は、具体的には、次のような手順で進行する。先ず、燃料電池スタック２１０の端側に位置する燃料電池セル２１２の電圧値を所定時間取得し、得られた電圧値から時間当たりの電圧偏差を算出する。
【０１０７】
その後、算出された電圧偏差が、所定Ａ／ｃｍ２時にσが所定電圧値を超えているか否かが判別される。判別に用いられるこれらの所定値は、例えば実験などにより予め定めた、端側の燃料電池セルの水閉塞を検知しうる電圧偏差値とすることができる。電圧偏差がこの判定値を超えているとの成立が認められない場合には、燃料電池スタック２１０の発電状態がＯＫであるとの判定が下される。成立が認められた場合には、端側の燃料電池セル２１２において水閉塞（水づまり）が生じていると判別され、燃料電池スタック２１０の発電状態がＯＫではないとの判定が下される。
【０１０８】
上記説明した「カソード電圧判定処理」と「電圧偏差算出処理」の両方が電圧ＯＫとの判別をした場合には、発電電圧の状態がＯＫであると判断され、今回のルーチンが終了する。その後、通常の発電状態が継続される。
【０１０９】
「カソード電圧判定処理」と「電圧偏差判定処理」のうち少なくとも一方が、燃料電池スタック２１０において水閉塞が発生しているとの判別をした場合には、電圧がＯＫではないと判断される。
【０１１０】
電圧がＯＫでないとの判定がなされた場合には、バルブ閉の処理がなされる（ステップ３１０）。具体的には、ロータリーバルブ２５０が前述した「第三状態」とされる。これにより、端側に位置するガス流入孔２１４に流入する空気の量が増加し、端側に位置する燃料電池セル２１４の水閉塞に対して、回復措置がとられる。
【０１１１】
その後、燃料電池スタック２１０における発電電圧の状態が、水閉塞から回復したか否かが判別される（ステップ３２０）。具体的には、前述した「カソード電圧判定処理」と「電圧偏差判定処理」のうち、ステップ３００で電圧がＯＫでないと判定されたものが、電圧ＯＫの状態に回復したか否かが判別される。ステップ３００において電圧ＯＫでないと判定された状態が未だ回復していない場合には、引き続きバルブ閉状態とされ、端側に位置する燃料電池セル２１４に対して、水閉塞の回復措置がとられる。
【０１１２】
電圧ＯＫの状態に回復した場合には、燃料電池セル２１４の水閉塞が解消されたと判断され、バルブ開状態へと戻される（ステップ３３０）。その後、通常の発電状態となる。
【０１１３】
以上の処理によれば、燃料電池システムの発電中において、燃料電池スタック２１０の端側の燃料電池セル２１２に水閉塞が生じたことが、確実に検知される。そして、ロータリーバルブ２５０によって、端側の燃料電池セル２１２に対する空気供給量の増加が容易に実現される。このように、実施の形態２によれば、燃料電池セルに生ずる水閉塞の回復を、確実に、かつ容易に行うことができる。
【０１１４】
また、前述した「カソード電圧判定処理」では、中央側のいくつかの燃料電池セル２１２の平均電圧値を求め、これを判定に利用した。しかし、本発明はこれに限られるものではない。平均電圧値のかわりに、中央側に位置する燃料電池セル２１２のうち所定の燃料電池セル２１２の電圧値を、代表値として利用してもよい。
【０１１５】
また、前述した実施の形態２の処理では、「カソード電圧判定処理」と「電圧偏差算出処理」の両方を用いて、端側の燃料電池セル２１２の水閉塞を判定した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。必要に応じ、「カソード電圧判定処理」と「電圧偏差算出処理」のどちらか一方のみを用いて、水閉塞を判定してもよい。
【０１１６】
また、前述した実施の形態２の処理では、燃料電池セル２１２の電圧値を利用して、燃料電池セル２１２の水閉塞を判定した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、水閉塞を検知しうる種々の方法を、本発明に適用することができる。
【０１１７】
尚、上述した実施の形態２では、カソードガス供給内部マニホールド２２０が前記第５の発明の「カソードガス供給マニホールド」に、前述した「第三状態」が、前記第５の発明の「第三状態」に相当する。また、モータ２６２が、前記第５の発明の「動力機構」に、シャフト２６０が前記第５の発明の「伝達機構」にそれぞれ相当する。
【０１１８】
また、上述した実施の形態２の具体的処理では、ステップ３００の処理が、前記第５の発明の「水閉塞判定手段」に相当し、ステップ３００からステップ３３０までの一連の処理が、前記第５の発明の「カソードガス供給量制御手段」に相当する。また、実施の形態２では、燃料電池スタック２１０の燃料電池セル２１２の電圧を検知する電圧センサ（図示せず）が、前記第６の発明の「セル電圧検知手段」に相当する。
【０１１９】
［実施の形態２の変形例］
（第１変形例）
実施の形態２では、ロータリーバルブ２５０を、シャフト２６０を介して、モータ２６２に固定している。そして、シャフト２６０は、スタックエンドプレート２４２を貫通して設けられている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。図１０は、実施の形態２の第１変形例を説明するための図であり、図７におけるシャフト２６０の近傍位置に相当する図である。なお、図１０では、ロータリーバルブ２５０の形状などを、簡略化して示している。
【０１２０】
実施の形態２の第１変形例は、実施の形態１の第１変形例と同様の思想に基づいている。即ち、シャフト構造を用いずに、マグネットによってロータリーバルブの回転を行う方法である。図１０に示すように、スタックエンドプレート２８２に設けられた凹部２８６に、マグネット２８０が回転可能に収納される。マグネット２８０はロータリーバルブ２５０と接続している。
【０１２１】
スタックエンドプレート２８２を介して、マグネット２８０がマグネット２８４の回転に追随することにより、ロータリーバルブ２５０へと回転力が伝達される。以上の構造によれば、燃料電池スタック２１０の密閉性を保ちつつ、ロータリーバルブ２５０の回転制御を行うことができる。
【０１２２】
（第２変形例）
実施の形態１では、ロータリーバルブ２５０を、燃料電池スタック２１０の中央側に位置するガス流入孔２１４の連通制限面積が大きく、端側に位置するガス流入孔２１４の連通制限面積が小さくなるような形状とした。より好ましくは、ロータリーバルブ２５０の形状（表面積）は、端側に位置するガス流入孔２１４への空気量の配分比を考慮して、次のようにして定めることができる。
【０１２３】
ロータリーバルブ２５０のうちガス流入孔２１４を遮蔽する部分の面積をＳとし、下記の式を満たすようにする。
S≧L×X×ｓ
但し、
ｓ：一つのガス流入孔２１４の開口面積
X：燃料電池セル２１２のうち水閉塞を起こし易い燃料電池セル２１２の枚数
L：燃料電池セル２１２一枚あたりに水閉塞が生じた場合に、その水閉塞を回復させるために必要な空気流入量の増加率
とする。
【０１２４】
上記の関係を満たすようにロータリーバルブ２５０の形状（表面積）を決定することにより、バルブ閉状態としたときに、水閉塞を回復させるために必要な空気流入量の増加率が実現される。これにより、燃料電池セル２１２の水閉塞を確実に解消しうるように、ガス流入孔２１４の連通の制限を行うことができる。
【０１２５】
実施の形態３．
［実施の形態３の構成］
図１１は、実施の形態３の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１１は、実施の形態３のカソード側の構成を示している。実施の形態３は、実施の形態２とほぼ同一の構成を有している。
【０１２６】
実施の形態３は、燃料電池スタック４１０を有している。燃料電池スタック４１０は、実施の形態２の燃料電池スタック２１０と同様の構造を有しており、ＣＰＵ４６４が実施の形態２のＣＰＵ２６４と相違する。その他実施の形態２と同一の構造に関しては、実施の形態２と同一の符号を付して、その説明を省略する。
【０１２７】
ＣＰＵ４６４は、実行されるルーチンが異なる点で、ＣＰＵ２６４と相違する。また、ＣＰＵ４６４は、その内部に、時間計測用のタイマ（図示せず）を含んでいる。ＣＰＵ４６４は、実施の形態２のＣＰＵ２６４と同様に、ロータリーバルブ２５０の開閉を制御する。これにより、実施の形態２で述べた「運転状態」と「第三状態」とが実現される。
【０１２８】
［実施の形態３の動作］
実施の形態２で述べたように、燃料電池スタック４１０の端側に位置する燃料電池セル２１２では、内部に滞留する水の量が多くなりやすい。これに起因して、燃料電池システムの運転停止の要求があった際に、端側に位置する燃料電池セル２１２の保水量が多い状態になっている場合がある。この状態で燃料電池システムの運転停止処理がなされると、端側の燃料電池セル２１２の保水量が多い状態でシステムが停止してしまう。
【０１２９】
実施の形態３では、これを回避するために、燃料電池システムの運転停止時に、所定時間ロータリーバルブ２５０を閉状態（第三状態）とし、端側の燃料電池セル２１２に対して多くの空気を供給する。これにより、当該燃料電池セルにおける水の持ち去り量を増加させることができる。その結果、端側の燃料電池セル２１２の保水量が多い状態でシステムの運転が停止するのを、確実に避けることができる。
【０１３０】
［実施の形態３の具体的処理］
以下、図１２を用いて、実施の形態３の燃料電池システムが行う具体的処理を説明する。図１２は、本実施形態の燃料電池システムが行う具体的処理を示すフローチャートであり、燃料電池システムの運転停止時に実行される。この処理は、例えば、燃料電池システムが車両に搭載された状態で実行することができる。
【０１３１】
図１２のルーチンでは、まず燃料電池スタック４１０の運転停止の要求があったか否かが判別される（ステップ５００）。運転停止の要求がないと判別された場合には、引き続き燃料電池スタック４１０が運転状態とされる。
【０１３２】
運転停止の要求があったと判別された場合には、バルブ閉の処理がなされる（ステップ５１０）。具体的には、ＣＰＵ４６４による制御が行われ、ロータリーバルブ２５０がガス流入孔２１４とカソードガス供給内部マニホールド２２０との連通を制限する状態（第三状態）とされる。この状態でカソードガス供給内部マニホールド２２０に空気が流入することにより、保水量の多い端側の燃料電池セル２１２に対して、より多くの空気が供給される。その結果、端側の燃料電池セル２１２から持ち去られる水の量を増加させることができる。
【０１３３】
その後、所定時間が経過したか否かが判別される（ステップ５２０）。具体的には、ＣＰＵ４６４が有するタイマにより、上記ステップ５１０のバルブ閉処理後に経過した時間のカウントが行われる。その後、カウントされた時間が、予め定められた、端側の燃料電池セル２１２からの水の持ち去りが十分に行われる時間を経過したか否かが判別される。所定時間が経過していない場合には、引き続きバルブ閉の状態が保持される。
【０１３４】
所定時間が経過していると判別された場合には、端側の燃料電池セル２１２に対する空気供給が十分に行われたとの判断がなされ、バルブ開の処理がなされる（ステップ５３０）。その後、このルーチンが終了し、システムの停止処理が続行される。
【０１３５】
以上の処理によれば、燃料電池システムの運転停止時に、保水量の多い燃料電池セル２１２に対する水の持ち去り量を増加させることができる。これにより、当該燃料電池セル２１２内部に滞留する水を減少させることができ、端側の燃料電池セル２１２の保水量が多い状態でシステムの運転が停止するのを避けることができる。
【０１３６】
尚、上記の実施の形態３では、カソードガス供給内部マニホールド２２０が、前記第７の発明の「カソードガス供給マニホールド」に、前述した第三状態が、前記第７の発明の「第三状態」に、それぞれ相当する。また、モータ２６２が、前記第７の発明の「動力機構」に、シャフト２６０が、前記第７の発明の「伝達機構」に、それぞれ相当する。
【０１３７】
また、上記の実施の形態３の具体的処理では、ステップ５００からステップ５２０の処理が前記第７の発明の「停止時ガス流入量制御手段」に、ステップ５２０においてＣＰＵ４６４のタイマが計測した時間が前記第７の発明の「所定時間」に相当する。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】実施の形態１のロータリーバルブを説明するための図である。
【図３】実施の形態１のロータリーバルブとガス流入孔を説明する図である。
【図４】実施の形態１のロータリーバルブがガス流入孔とアノードガス供給内部マニホールドとの連通を制限する様子を説明するための図である。
【図５】実施の形態１の燃料電池システムで実行されるフローチャートである。
【図６】実施の形態１の変形例を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図８】実施の形態２のロータリーバルブを説明するための図である。
【図９】実施の形態２の燃料電池システムで実行されるフローチャートである。
【図１０】実施の形態２の変形例を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態３の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図１２】実施の形態３の燃料電池システムで実行されるフローチャートである。
【符号の説明】
【０１３９】
燃料電池スタック １０、２１０、４１０ 燃料電池セル １２、２１２
ガス流入孔 １４、２１４ ロータリーバルブ ５０、２５０
アノードガス供給内部マニホールド ２０
アノードガス排出内部マニホールド ２２
カソードガス供給内部マニホールド ２２０
アノードガス排出内部マニホールド ２２２
シャフト ６０、２６０ モータ ６２、２６２
ＣＰＵ ６４、２６４、４６４
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに係り、特に、車両への搭載に適した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特開平９−３１２１６８号公報に開示されているように、スリットを形成したプレートを用いて、燃料電池セルへのガス供給量を制御する燃料電池システムが知られている。このプレートは、スリットの位置が個々の燃料電池セルのガス流入孔の位置に対応するように、燃料電池スタック上に配置される。このプレートを摺動させてスリットの位置を移動させることにより、ガス流入孔の開閉を行うことができる。
【０００３】
燃料電池システムを運転する際には、その運転状況などに応じて、特定の燃料電池セルへのガス供給量を調整する場合がある。上記従来の技術では、前述したプレートを用いて、それらの燃料電池セルのガス流入孔をスリットによって適宜開閉し、ガス供給量を制御することとしている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３１２１６８号公報
【特許文献２】特開２００４−１７９０６１号公報
【特許文献３】特開平５−１２９０３２号公報
【特許文献４】特開昭６３−２９１３６４号公報
【特許文献５】特開２００４−３４２５９６号公報
【特許文献６】特開平９−１６１８２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来のシステムでは、燃料電池セルのガス流入孔の寸法に合わせて、プレートにスリットを形成する必要がある。また、ガス流入孔の開閉を行う際には、ガス流入孔とスリットの位置合わせを精度良く行う必要がある。ガス流入孔の幅が狭い場合には、それに伴ってスリットの形成やプレートの位置制御に高い精度が求められるようになり、ガス供給量の制御が難しくなる可能性がある。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池セルへのガス供給量の制御を容易に行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
ガス流入孔を有する燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックと、
前記ガス流入孔に連通し該ガス流入孔にガスを供給するガス供給マニホールドと、
前記ガス供給マニホールド内に回転自在に備えられ、その表面が少なくとも一部の前記燃料電池セルの前記ガス流入孔と該ガス供給マニホールドとの連通を制限する状態と該ガス流入孔を開放する状態とを実現し、該ガス流入孔と該ガス供給マニホールドとの連通を制限する連通制限面積が回転角度に応じて変化するロータリーバルブと、
を有する。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記ガス供給マニホールドは、前記ガス流入孔に水素を供給し、その一端が水素タンクに連通するアノードガス供給マニホールドを含み、
前記燃料電池セルは前記ガス流入孔から流入した水素が流出するガス流出孔を有し、
前記ガス流出孔に連通し、その一端がアノードガス排出系に連通するアノードガス排出マニホールドを有し、
前記ロータリーバルブは、前記積層された前記燃料電池セルのうち、水素が流通し易い該燃料電池セルの前記ガス流入孔の前記連通制限面積が大きく、水素が流通し難い該燃料電池セルの該ガス流入孔の該連通制限面積が小さくなるように該ガス流入孔と前記アノードガス供給マニホールドとの連通を制限する第一状態と、いずれの該ガス流入孔と該アノードガス供給マニホールドとの連通も制限しない第二状態とを実現する形状を有し、
回転動力を発生する動力機構と、
前記ロータリーバルブに前記動力機構が発生させた回転動力を伝達する伝達機構と、
前記動力機構が発生させる回転動力を制御して前記ロータリーバルブの回転角度を調整し、前記燃料電池スタックの始動時に、前記ロータリーバルブを前記第一状態として所定時間保持した後、該ロータリーバルブを前記第二状態とするアノードガス供給量制御手段と、
を有する。
【０００９】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記積層された前記燃料電池セルの前記ガス流入孔のそれぞれが一方向に並んで位置し、前記アノードガス供給マニホールドは該一方向に沿って伸びてそれぞれの該ガス流入孔に連通し、
前記ガス流出孔は前記一方向に並んだ前記ガス流出孔と略平行な方向に並んで位置し、前記アノードガス排出マニホールドは該略平行な方向に沿って伸びてそれぞれの該ガス流出孔に連通し、
前記アノードガス供給マニホールドの前記一端と前記アノードガス排出マニホールドの前記一端とがともに前記燃料電池スタックの一方の面側に位置する。
【００１０】
また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記燃料電池スタックの内部における水素分布が均等となったか否かを判定するアノード水素置換判定手段を有し、
前記所定時間は、前記燃料電池スタックの始動から前記アノード水素置換判定手段によって前記水素分布が均等となったとの前記判定がなされるまでの時間である。
【００１１】
また、第５の発明は、第１乃至４の発明において、
前記ガス供給マニホールドは前記ガス流入孔に空気を供給するカソードガス供給マニホールドを含み、
前記ロータリーバルブは、前記燃料電池スタックの端側に位置する前記燃料電池セルの該ガス流入孔の前記連通制限面積が小さく、該燃料電池スタックの中央側に位置する前記燃料電池セルの該ガス流入孔の前記連通制限面積が大きくなるように該ガス流入孔と前記カソードガス供給マニホールドとの連通を制限する第三状態を実現する形状を有し、
前記燃料電池セルで水閉塞が生じているか否かを判定する水閉塞判定手段と、
回転動力を発生する動力機構と、
前記ロータリーバルブに前記動力機構が発生させた回転動力を伝達する伝達機構と、
前記動力機構が発生させる回転動力を制御して前記ロータリーバルブの回転角度を調整し、前記燃料電池スタックの発電中に前記水閉塞判定手段によって前記燃料電池セルで水閉塞が生じていると判定されたら該ロータリーバルブを前記第三状態とするカソードガス供給量制御手段と、
を有する。
【００１２】
また、第６の発明は、第５の発明において、
前記水閉塞判定手段は、前記燃料電池スタックの少なくとも一部の前記燃料電池セルの電圧を検知するセル電圧検知手段を含み、前記セル電圧検知手段が検知した電圧値に基づいて前記水閉塞が生じているか否かを判定する。
【００１３】
また、第７の発明は、第１乃至６の発明において、
前記ガス供給マニホールドは前記ガス流入孔に空気を供給するカソードガス供給マニホールドを含み、
前記ロータリーバルブは、前記燃料電池スタックの端側の前記燃料電池セルでは該ガス流入孔の前記連通制限面積が小さく、中央側に位置する前記燃料電池セルでは該ガス流入孔の前記連通制限面積が大きくなるように該ガス流入孔と前記カソードガス供給マニホールドとの連通を制限する第三状態を実現する形状を有し、
回転動力を発生する動力機構と、
前記ロータリーバルブに前記動力機構が発生させた回転動力を伝達する伝達機構と、
前記動力機構が発生させる回転動力を制御して前記ロータリーバルブの回転角度を調整し、前記燃料電池スタックの停止時に前記ロータリーバルブを前記第三状態として前記カソードガス供給マニホールドから空気が流入する状態を所定時間保持する停止時ガス流入量制御手段と、
を有する。
【００１４】
また、第８の発明は、第２乃至７の発明において、
前記燃料電池スタックは、前記複数積層された前記燃料電池セルをその積層方向から挟むように取り付けられるスタックエンドプレートを含み、
前記伝達機構は、前記ロータリーバルブに備えられる第一の磁石と、前記動力機構に備えられる第二の磁石とを含み、該第一の磁石が前記スタックエンドプレートを挟んで該第二の磁石の回転に追随することで該ロータリーバルブに回転が伝達されることにより、該ロータリーバルブに該動力機構が発生させた回転動力を伝達する。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、燃料電池セルのガス流入孔とガス供給マニホールドとの間の連通状態を制限するロータリーバルブが、ガス供給マニホールド内に備えられる。ロータリーバルブをガス供給マニホールド内で回転させることにより、その回転角度に応じて、ロータリーバルブの表面がガス流入孔とガス供給マニホールドとの間の連通を制限する面積（連通制限面積）を変化させることができる。これにより、ガス流入孔に対するガス供給量の制御を容易に実現することができる。
【００１６】
また、第２の発明によれば、第１の発明において、ガス供給マニホールドが、ガス流入孔に水素を供給するアノードガス供給マニホールドを含む。そして、燃料電池システムの始動時に、始動時に水素が流れ込み易い燃料電池セルのガス流入孔の連通制限面積が大きく、始動時に水素が流れ込み難い燃料電池セルのガス流入孔の連通制限面積が小さくなるように、ガス流入孔とアノードガス供給マニホールドとの連通が制限される。これにより、燃料電池スタックの始動時に、それぞれの燃料電池セルにおける水素置換の進行が不均一となるのを緩和することができる。
【００１７】
また、第３の発明によれば、第２の発明において、燃料電池スタックの一方の面に近い燃料電池セルではガスが流れ込み易く、当該一方の面から遠い燃料電池セルではガスが流れ込み難くなる。これに対応させて、ロータリーバルブの表面積を当該一方の面側で相対的に大きくし、その開閉制御を行うことによって不均一な水素置換の進行を緩和する効果を得ることができる。このような構成によれば、ロータリーバルブの形状を簡易なものとすることができる。
【００１８】
また、第４の発明によれば、第３の発明において、燃料電池スタック内の水素分布が等しくなったことが検知されるまで、ガス流入孔とアノードガス供給マニホールドとの連通が制限される。このようにすることで、それぞれの燃料電池セルにおける水素置換の進行が不均一となるのを確実に避けることができる。
【００１９】
また、第５の発明によれば、第１乃至第４のいずれかの発明において、ガス供給マニホールドが、ガス流入孔に空気を供給するカソードガス供給マニホールドを含む。燃料電池システムの運転中に、燃料電池スタック内の燃料電池セルに水閉塞が生じたと判定されたら、端側に位置する燃料電池セルのガス流入孔の連通制限面積が小さく、中央側に位置する燃料電池セルのガス流入孔の連通制限面積が大きくなるように、ガス流入孔とアノードガス供給マニホールドとの連通を制限する。これにより、端側に位置する燃料電池セルに対する空気供給量を増加させ、燃料電池セルの水閉塞を解消するための回復措置を行うことができる。
【００２０】
また、第６の発明によれば、第５の発明において、燃料電池システムの運転中に、燃料電池セルの出力電圧に基づいて水閉塞が発生していることを判定する。これにより、燃料電池セルの水閉塞を解消するための回復措置を確実に行うことができる。
【００２１】
また、第７の発明によれば、第１乃至第６のいずれかの発明において、燃料電池システムの停止時に、燃料電池スタックの端側の燃料電池セルに対して多くの空気を供給する状態を、所定時間保持する。これにより、端側の燃料電池セルの保水量が多い状態で燃料電池システムが停止されるのを、確実に避けることができる。
【００２２】
また、第８の発明によれば、第２乃至第７のいずれかの発明において、燃料電池スタックの端に位置するスタックエンドプレートを挟むように備えられる磁石によって、ロータリーバルブに回転力を伝達する。このようにすることで、スタックエンドプレートを貫通する例えばシャフトなどの構造物を利用することなく、ロータリーバルブを回転させることができる。その結果、燃料電池スタックの密閉性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１は、本実施形態の燃料電池システムのアノード側の構成を示している。
【００２４】
本実施形態は、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、その内部に、複数積層された燃料電池セル１２を備えている。燃料電池スタック１０の端側（紙面左右側）には、積層された燃料電池セル１２を挟み込むように、スタックエンドプレート４０および４２が備えられる。
【００２５】
燃料電池スタック１０内部において、燃料電池セル１２の紙面上方側には、アノードガス供給内部マニホールド２０が設けられている。アノードガス供給内部マニホールド２０は、スタックエンドプレート４０を貫通して、紙面左方側で管路２４に連通する。管路２４は、図示しない水素タンクに連通している。水素タンクから供給される水素が、管路２４を通ってアノードガス供給内部マニホールド２０へと流入する。
【００２６】
アノードガス供給内部マニホールド２０には、それぞれの燃料電池セル１２の端面が露出している。露出しているそれぞれの燃料電池セル１２の端面には、それぞれガス流入孔１４（燃料電池セル１２における水素の入口）が設けられている。ガス流入孔１４は、燃料電池セル１２内部のアノードに連通している。水素タンクからアノードガス供給内部マニホールド２０に至った水素は、ガス流入孔１４を通って、燃料電池セル１２のアノードへと流入する。その後、この水素はアノードで消費され、燃料電池セル１２で生ずる発電反応に寄与することとなる。
【００２７】
アノードガス供給内部マニホールド２０の内部には、それぞれのガス流入孔１４への水素の流入量を制御するために、ロータリーバルブ５０が備えられている。ロータリーバルブ５０は、円筒の一部を切り欠いた形状を有しており、紙面左右方向に向かう直線を回転軸として回転可能な状態とされる。
【００２８】
ロータリーバルブ５０の紙面右方端には、シャフト６０が取り付けられている。シャフト６０は、スタックエンドプレート４２を貫通して、外部のモータ６２に連通している。モータ６２が回転することにより、その回転がシャフト６０によって伝達され、ロータリーバルブ５０が回転することとなる。モータ６２の回転量は、ＣＰＵ６４によって制御される。すなわち、ＣＰＵ６４によって、ロータリーバルブ５０の回転角度が制御されることとなる。
【００２９】
ロータリーバルブ５０の回転によって、ロータリーバルブ５０がガス流入孔１４を遮蔽することによりガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通が制限されている状態、若しくは、いずれのガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通も制限されない状態（即ち、全てのガス流入孔１４が開放された状態）が実現される。
【００３０】
そして、その回転角度に応じて、ロータリーバルブ５０がガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０と連通を制限する面積（実施の形態１ではロータリーバルブ５０がガス流入孔１４を遮蔽する面積であり、以下の説明では、この面積を「連通制限面積」とも呼称する）が変化するようになっている。連通制限面積の増減に伴い、ガス流入孔１４の開度が変化してガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との間の連通制限量が変化し、その結果、ガス流入孔１４への水素の流入量も変化する。
【００３１】
燃料電池セル１２の紙面下方側には、アノードガス排出内部マニホールド２２が設けられている。アノードガス排出内部マニホールド２２に露出するそれぞれの燃料電池セル１２の端面には、ガス流出孔１６（燃料電池セル１２における水素の出口）がそれぞれ設けられている。ガス流出孔１６は、ガス流入孔１４と同じく、燃料電池セル１２のアノードに連通している。ガス流入孔１４から流入した水素は燃料電池セル１２面内（アノード）を流通する過程で消費され、消費されなかった水素を含むガスがガス流出孔１６から流出する。その後、燃料電池セル１２内部のガスは、ガス流出孔１６からアノードガス排出内部マニホールド２２へと流入し、その後、管路２６を介して、図示しないアノードガス排出系へと流れる。
【００３２】
個々の燃料電池セル１２には、発電電圧をそれぞれ検知（モニタリング）するための電圧センサ（図示せず）が備えられている。個々の燃料電池セル１２の電圧測定値は、適宜、ＣＰＵ６４に収集される。ＣＰＵ６４は、電圧測定値などの情報に基づき、ロータリーバルブ５０の回転角度を制御する機能を有する。
【００３３】
（ロータリーバルブの構造）
図２は、実施の形態１におけるロータリーバルブ５０を説明する図である。図２（Ａ）は、ロータリーバルブ５０の斜視図である。前述したように、ロータリーバルブ５０は、円筒の一部を切り欠いた形状を有している。図２に示すように、紙面左方端側から紙面右方端に近づくにつれ、徐々に切り欠かれる面積が大きくなっている。
【００３４】
その結果、紙面左方側ではロータリーバルブ５０の表面積が大きくなり、逆に、紙面右方側ほど表面積が小さくなっている。図２（Ｂ）および図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のロータリーバルブ５０を、紙面左方および紙面右方から見た図にそれぞれ相当する。
【００３５】
（ロータリーバルブ５０によるガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通の制限）
以下、図３乃至図４を用いて、ロータリーバルブ５０によるガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通が制限される際の様子について説明する。
【００３６】
図３は、図１におけるアノードガス供給内部マニホールド２０の内部を、紙面上方から（矢印Ｉの方向に）見た様子を示す図である。燃料電池セル１２にそれぞれ設けられたガス流入孔１４が、紙面左右方向に並んでいる。そして、ガス流入孔１４に対して、紙面の手前側に、ロータリーバルブ５０が位置している。
【００３７】
前述したように、ロータリーバルブ５０は、紙面左方端でその表面積が大きく、紙面右方端へいくほどその表面積が小さくなっている。このため、図３に示すように、紙面左方側に位置するガス流入孔１４には、ロータリーバルブ５０のうち表面積が大きい部分が対応することとなる。また、紙面右方側のガス流入孔１４に対しては、ロータリーバルブ５０の表面積が小さい部分が対応することとなる。
【００３８】
そのため、ロータリーバルブ５０がガス流入孔１４を遮蔽する際には、紙面左方側のガス流入孔１４では、ロータリーバルブ５０によってガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０と連通が制限される面積、すなわち前述した連通制限面積が大きくなり、連通が大きく制限されることとなる。そして、紙面右方側のガス流入孔１４では、連通の制限が少なくなるか、或いはほとんど連通が制限されない状態となる。
【００３９】
図４は、ロータリーバルブ５０が一部のガス流入孔１４を遮蔽している状態で、図１のアノードガス供給内部マニホールド２０内部を、紙面右方から（矢印IIの方向に）見た様子を示す図である。
【００４０】
アノードガス供給内部マニホールド２０に露出する燃料電池セル１２の端面は、図４に示すように、ロータリーバルブ５０の表面に対応する形状となっている。具体的には、ガス流入孔１４が位置する燃料電池セル１２の端面が、ロータリーバルブ５０と略同一の曲率半径を有する半円筒形上の曲面となっている。このようにすることで、ロータリーバルブ５０がガス流入孔１４を遮蔽する際には、その表面でガス流入孔１４が確実に遮蔽され、ガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通が遮断されることとなる。
【００４１】
ロータリーバルブ５０の表面は、回転に伴い、ガス流入孔１４上をなぞるように摺動する。回転角度を制御することにより、ロータリーバルブ５０の表面とガス流入孔１４の相対位置を変化させることができる。これにより、ガス流入孔１４の開閉を容易に行うことができる。
【００４２】
図４に示した状態では、ロータリーバルブ５０の表面が、それぞれのガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通の制限している状態（すなわち、ガス流入孔１４を遮蔽している状態であり、実施の形態１では、「第一状態」とも呼称する）となる。
【００４３】
一方、図４の状態から、紙面貫通方向を回転軸としてロータリーバルブ５０を１８０度回転させることにより、いずれのガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通も制限されない状態（すなわち、いずれのガス流入孔１４も遮蔽されない状態であり、実施の形態１では、「第二状態」とも呼称する）が実現される。このような回転制御を行うことにより、ロータリーバルブ５０の表面がガス流入孔１４を遮蔽する面積を、容易に変化させることができる。
【００４４】
［実施の形態１の動作］
以下、図１乃至図４を参照して、実施の形態１の燃料電池システムの動作について説明する。実施の形態１の燃料電池システムにおいては、その始動時に、燃料電池スタック１０内部に窒素が充満している場合を想定している。
【００４５】
燃料電池システムが始動すると、管路２４から燃料電池スタック１０へと、水素が供給される。それに伴い、燃料電池スタック１０内で窒素が存在していた場所が、徐々に水素に置換される。窒素から水素への置換（以下、水素置換と呼称する）は、アノードガス供給内部マニホールド２０内を、管路２４側（以下、水素入口側と呼称する）から紙面右方向に向かって徐々に進行する。
【００４６】
水素の置換がガス流入孔１４の位置まで進み、当該位置のガス流入孔１４が開放されていると、このガス流入孔１４から燃料電池セル１２の内部へ水素が流入し始める。水素の流入により、燃料電池セル１２内部でも、紙面下方側に向かって徐々に水素置換が進む。
【００４７】
水素置換は水素入口側から徐々に進行するため、全てのガス流入孔１４が等しく開放された状態では、紙面左方側の燃料電池セル１２から順に水素置換が始まる。このような場合、紙面左方側（水素入口側）の燃料電池セル１２では、紙面右方側の燃料電池セル１２よりも早く、その内部に水素が行き渡る（水素置換が完了する）こととなる。
【００４８】
水素は、窒素に比較して、より粘性が低く、流れ易いという性質を有している。これに起因して、紙面左方側の燃料電池セル１２の水素置換が完了し、一旦水素の流通経路が形成されると、当該位置に多くの水素が流れ、他の位置の水素置換が進みにくくなる。その結果、燃料電池スタック１０全体に水素を行き渡らせるまでに、時間を要することとなる。また、水素置換が進みにくい燃料電池セル１２では、当該燃料電池セル１２内部においても水素分布が不均一な状態が長時間続き、好ましくない。
【００４９】
実施の形態１では、このような事態に対処するために、燃料電池システムの始動時に、水素置換が進み易い燃料電池セル１２に対しては水素の供給を抑制する。具体的には、燃料電池システムの始動時に、ロータリーバルブ５０を第一状態とする。
【００５０】
前述したように、ロータリーバルブ５０は、水素入口側（管路２４側）のガス流入孔１４に対する連通制限面積が、他の位置のガス流通孔１４よりも相対的に大きくなるような形状を有している。このため、ロータリーバルブ５０によって、水素置換が進み易い燃料電池セル１２のガス流入孔１４の連通制限面積が大きく、逆に、水素置換が進みにくい燃料電池セル１２のガス流入孔１４の連通制限面積が小さくなるように、ガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通の制限が行われる。
【００５１】
その結果、燃料電池システムの始動時に、水素入口側（紙面左方側）のガス流入孔１４への水素流入が抑制され、紙面右方側のガス流入孔１４への水素流入が促進される。以上の動作によれば、燃料電池スタック１０内の水素置換が不均一になるのを緩和し、水素置換の進行をより均一に進めることができる。
【００５２】
このようなガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通の制限のために、実施の形態１では、ロータリーバルブ５０を用いている。図４を用いて述べたように、ロータリーバルブ５０の表面は、ガス流入孔１４が設けられた燃料電池セル１２の端面に、ほぼ一致する形状となっている。そして、その回転により、ロータリーバルブ５０の表面が、ガス流入孔１４上をなぞるように摺動する。このような構造によれば、ロータリーバルブ５０の回転角度を制御することでガス流入孔１４の開閉を行うことができ、ガス流入孔１４の開閉制御を容易に行うことができる。
【００５３】
［実施の形態１の具体的処理］
以下、図５を用いて、実施の形態１の燃料電池システムが行う具体的処理を説明する。図５は、本実施形態の燃料電池システムが行う具体的処理を示すフローチャートであり、燃料電池システムの始動時に実行される。この処理は、例えば、燃料電池システムが車両に搭載された状態で実行することができる。
【００５４】
図５に示すルーチンでは、先ず、始動時に、バルブ閉状態とされる（ステップ１００）。具体的には、ロータリーバルブ５０によってガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通が制限される状態となる。これにより、水素入口側（管路２４側）に位置するガス流入孔１４では水素流入が抑制される状態となる。その後、本実施の形態では、水素が、管路２４を介して燃料電池スタック１０へと供給される。
【００５５】
管路２４を介してガス供給内部マニホールド２０に流入した水素は、それぞれのガス流入孔１４へと流入する。実施の形態１では、ロータリーバルブ５０の遮蔽によって、水素入口側のガス流入孔１４に対しては水素の流入量が少なく、逆に、ガス入口側から離れた位置のガス流入孔１４ほど、そのガス流入量が多くなる。これにより、燃料電池スタック１０内の水素置換が不均一になることが緩和され、水素置換の進行がより均一に進行することとなる。
【００５６】
続いて、燃料電池スタック１０の発電電圧の状態がＯＫか否かが判別される（ステップ１１０）。先ず、スタックエンドプレート４２近傍に位置する燃料電池セル１２の電圧値が、当該位置の燃料電池セル１２に設けられた電圧センサにより検知される。この電圧値が、ＣＰＵ６４によって取得される。また、燃料電池スタック１０の中央側に位置する燃料電池セル１２の電圧値も、当該中央側の燃料電池セル１２に設けられた電圧センサにより検知され、ＣＰＵ６４に取得される。
【００５７】
ＣＰＵ６４は、取得した電圧値が同じであるか否か（若しくは、許容範囲内であるか否か）を判別する。比較した電圧値が同等でないと判別された場合には、燃料電池スタック１０内の水素分布が均等ではなく、水素が未だ十分に行き渡っていないと判断される。従って、ロータリーバルブ５０の閉状態を継続する。
【００５８】
比較した電圧値が同等になったと判別された場合には、燃料電池スタック１０内の水素分布が均等となり、水素が概ね行き渡ったと判断される。その後、ロータリーバルブ５０が開状態とされ（ステップ１２０）、今回のルーチンが終了する。これにより、いずれのガス流入孔１４も遮蔽されない状態となり、通常運転へ移行することとなる。
【００５９】
以上の処理によれば、燃料電池システムの始動時に、ロータリーバルブ５０によって、燃料電池スタック１０内部の水素置換が均等に進むように、それぞれの燃料電池セル１２に対するガス供給量が制御される。そして、燃料電池スタック１０内の水素置換が完了しているか否かが、電圧センサの検知およびＣＰＵ６４の判別（ステップ１１０）により確実に判断される。これにより、それぞれの燃料電池セルへのガス供給量制御を、確実に、かつ容易に実現することができる。
【００６０】
尚、上述した実施の形態１では、ガス流入孔１４が前記第１の発明における「ガス流入孔」に、燃料電池セル１２が前記第１の発明における「燃料電池セル」に、燃料電池スタック１０が前記第１の発明における「燃料電池スタック」に、それぞれ相当する。
【００６１】
また、ガス供給内部マニホールド２０が前記第１の発明における「ガス供給マニホールド」に、ロータリーバルブ５０が前記第１の発明における「ロータリーバルブ」に、ロータリーバルブ５０の表面がガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通を制限する面積（ロータリーバルブ５０の表面がガス流入孔１４を遮蔽する面積）が前記第１の発明における「連通制限面積」に、それぞれ相当する。
【００６２】
また、上述した実施の形態１では、アノードガス供給内部マニホールド２０が、前記第２の発明における「アノードガス供給マニホールド」に、ガス流出孔１６が、前記第２の発明における「ガス流出孔」に、アノードガス排出内部マニホールド２２が、前記第２の発明における「アノードガス排出マニホールド」に、それぞれ相当する。
【００６３】
また、ロータリーバルブ５０が、紙面左方側のガス流入孔１４では連通制限面積が大きく、紙面右方のガス流入孔１４では連通制限面積が小さくなるようにガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通を制限する状態が、前記第２の発明における「第一状態」に相当する。また、ロータリーバルブ５０が、いずれのガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通も制限しない状態が、前記第２の発明における「第二状態」に相当する。また、モータ６２が、前記第２の発明の「動力機構」に、シャフト６０が、前記第２の発明の「伝達機構」に、それぞれ相当する。
【００６４】
また、実施の形態１の具体的処理では、ステップ１１０において、燃料電池スタック１０内部に水素が行き渡ったと判別されるまでに経過する時間が、前記第２の発明における「所定時間」に相当する。また、ステップ１００から１２０の処理が、前記第２の発明における「アノードガス供給量制御手段」に相当する。
【００６５】
また、上述した実施の形態１では、燃料電池スタック１０のスタックエンドプレート４０側の面が、前記第３の発明における「燃料電池スタックの一方の面」に相当する。また、上述した実施の形態１では、燃料電池スタック１０の中央側の燃料電池セル１２に設けられる電圧センサ、燃料電池スタック１０の端側の燃料電池セル１２に設けられる電圧センサ、およびステップ１１０の処理が、前記第４の発明における「アノード水素置換判定手段」に相当する。
【００６６】
なお、上述した実施の形態１では、ロータリーバルブ５０の表面が、ガス流入孔１４を確実に遮蔽し、ガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通が遮断される構成とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、ロータリーバルブ５０が介在することによりガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通が制限され、ガス流入孔１４を介して燃料電池セル１２に供給される水素量が調整されうる構造であればよい。従って、ロータリーバルブの形状と燃料電池セルの端面の形状も、図４に示したような、両者がほぼ完全に対応するような形状に限られるものではない。
【００６７】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、ロータリーバルブ５０とモータ６２とを接続するために、スタックエンドプレート４２を貫通させて、シャフト６０を設けた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。図６は、実施の形態１の第１変形例を説明するための図であり、図１におけるシャフト６０の近傍位置に相当する図である。なお、図６では、ロータリーバルブ５０の形状などを、簡略化して示している。
【００６８】
第１変形例では、図６のように、ロータリーバルブ５０の一端にマグネット８０を取り付ける。マグネット８０を回転自在に収納しうるように、スタックエンドプレート８２に凹部８６を設ける。スタックエンドプレート８２の凹部８６近傍は、樹脂若しくはセラミックを用いて形成することとする。
【００６９】
スタックエンドプレート８２を介してマグネット８０に対向する位置には、磁力によってその動きが追随しうる距離を保って、マグネット８４が備えられる。マグネット８４は、モータ６２と接続されている。モータ６２を駆動させることにより、回転がマグネット８４からマグネット８０へと伝達される。
【００７０】
その結果、スタックエンドプレート８２に対して貫通孔などを設けることなく、ロータリーバルブ５０の回転制御を行うことが可能となる。これにより、燃料電池スタック１０の密閉性を高めることができる。なお、スタックエンドプレート８２はマグネットの磁力が伝達されうる構造であればよく、凹部８６近傍を、例えば薄板の金属を用いて形成することも可能である。
【００７１】
なお、第１変形例では、マグネット８０とマグネット８４とが、前記第８の発明の伝達機構に含まれ、マグネット８０が、前記第８の発明の「第一の磁石」に、マグネット８４が、前記第８の発明の「第二の磁石」に、それぞれ相当する。また、スタックエンドプレート８２が、前記第８の発明の「スタックエンドプレート」に、モータ６２が、前記第８の発明の「動力機構」に相当する。
【００７２】
（第２変形例）
実施の形態１では、燃料電池スタック１０内部での水素置換の進行を、燃料電池セル１２に設けた電圧センサによって、その発電電圧を検知することにより行った。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。発電電圧の測定を行う替わりに、水素センサを用いて、燃料電池スタック１０内部での水素置換の進行を検知することとしてもよい。
【００７３】
前述したとおり、燃料電池スタック１０において、水素入口（管路２４）側から遠い燃料電池セル１２ほど、水素置換が進みにくい。第２変形例では、これに対応するように、燃料電池スタック１０における、スタックエンドプレート４２側に位置する燃料電池セル１２のガス流出孔１６付近（アノードガス排出内部マニホールド２２内）に、水素センサを設けることとする。
【００７４】
このような構成で、前述した具体的処理のステップ１１０において、水素センサが検知を行うまでロータリーバルブ５０を閉状態とし、検知がなされたらロータリーバルブ５０を開状態とする。これにより、スタックエンドプレート４２側に位置する燃料電池セル１２の水素置換が完了したことを確実に検知し、それぞれの燃料電池セル１２へのガス供給量を制御することができる。
【００７５】
（第３変形例）
実施の形態１では、ロータリーバルブ５０を、紙面左方のガス流入孔１４側では表面積が大きくなり、紙面右方のガス流入孔１４側では表面積が小さくなるような形状とした。ロータリーバルブ５０の形状（表面積）は、より好ましくは、次のようにして定めることができる。
【００７６】
前述したように、実施の形態１の燃料電池システムの始動時には、水素入口側の燃料電池セル１２では水素置換が進み易く、水素入口から遠い燃料電池セル１２では水素置換が進みにくい。このような水素置換の進み易さに対応させて、水素入口側の燃料電池セル１２および水素入口から遠い燃料電池セル１２にそれぞれ供給すべき水素量の比（配分比）を算出する。
【００７７】
この配分比に基づいて、ガス流入孔１４を遮蔽する際の連通制限面積の比（各々のガス流入孔１４の遮蔽率）に対応するように、ロータリーバルブ５０の形状を定めることができる。これによれば、それぞれのガス流入孔１４に対する水素の分配がより好ましいものとなり、燃料電池スタック１０の水素置換を均一に進める効果が、より高いものとなる。
【００７８】
（第４変形例）
また、上述した実施の形態１では、ステップ１１０において燃料電池スタック１０内部に水素が行き渡ったと判別されるまでの時間、ロータリーバルブ５０を閉状態とした。しかし、本発明はこれに限られるものではない。例えば、予め実験などにより燃料電池スタック１０内部に水素が行き渡るまでの時間を定め、この時間に基づいてロータリーバルブ５０の開閉制御を行うこととしてもよい。
【００７９】
また、ロータリーバルブ５０を用いたガス流入孔１４とアノードガス供給内部マニホールド２０との連通の制限は、必ずしも、完全に水素が行き渡るまでの時間以上行わなくともよい。燃料電池システムの始動時に、一定時間、水素入口側の燃料電池セル１２への水素供給量を抑制することにより、水素置換の不均一を緩和する効果を得ることができる。
【００８０】
なお、上述した実施の形態１には、ロータリーバルブを用いて燃料電池スタックにおける水素供給制御を容易に行うという思想と、燃料電池システムの始動時に水素入口側（管路２４側）の燃料電池セルへの水素供給量の抑制を行うという思想とが含まれている。
【００８１】
これらの思想は、必ずしも組み合わせて用いる必要は無く、それぞれの思想を個別に用いることとしてもよい。その場合には、水素入口側（管路２４側）の燃料電池セル１２への水素供給量の抑制を行うという思想を、ロータリーバルブ以外の、例えばスリット構造を有するプレートを用いて実現することとしてもよい。
【００８２】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
図７は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図７は、本実施形態の燃料電池システムのカソード側の構成を示している。
【００８３】
本実施形態のカソード側は、実施の形態１で述べたアノード側と、概ね類似の構造となっている。実施の形態１と実施の形態２では、アノード側の構造とカソード側の構造であるという点と、ロータリーバルブの形状、およびそのロータリーバルブの制御に関して、主に相違する。
【００８４】
本実施形態は、燃料電池スタック２１０を備えている。燃料電池スタック２１０は、その内部に、実施の形態１と同様に、積層された複数の燃料電池セル２１２を備えている。燃料電池スタック２１０は、実施の形態１と同様に、スタックエンドプレート２４０および２４２を有している。燃料電池セル２１２は、実施の形態１の燃料電池セル１２と同様の構造を有しており、燃料電池スタック２１０全体の構成は、実施の形態１の燃料電池スタック１０とほぼ同様となっている。
【００８５】
燃料電池スタック２１０の内部には、実施の形態１の構造と同様に、カソードガス供給内部マニホールド２２０、およびカソードガス排出内部マニホールド２２２がそれぞれ設けられている。カソードガス供給内部マニホールド２２０は、スタックエンドプレート２４０を貫通して、管路２２４に連通している。管路２２４は、図示しない空気供給系に連通している。また、カソードガス排出内部マニホールド２２２には、燃料電池セル２１２の端面に備えられるガス流出孔（実施の形態２では符号を付さない）から流出するガスが流れ込む。カソードガス排出内部マニホールド２２２も、同様に、管路２２６を介して、図示しない空気排出系に連通している。
【００８６】
カソードガス供給内部マニホールド２２０内には、ロータリーバルブ２５０が備えられる。ロータリーバルブ２５０は、実施の形態１のロータリーバルブ５０と同様に、カソードガス供給内部マニホールド２２０内に回転自在に設けられる。そして、それぞれの燃料電池セル２１２のガス流入孔２１４に流入する空気の量を、制御する機能を有している。
【００８７】
ロータリーバルブ２５０は、シャフト２６０を介してモータ２６２に接続される。モータ２６２はＣＰＵ２６４と接続している。このような構造により、実施の形態１同様に、ロータリーバルブ２５０の回転角度が制御される。
【００８８】
また、個々の燃料電池セル２１２には、発電電圧をそれぞれ検知（モニタリング）するための電圧センサ（図示せず）が備えられている。個々の燃料電池セル２１２の電圧測定値は、適宜、ＣＰＵ６４に収集される。
【００８９】
（ロータリーバルブの構造）
図８は、実施の形態２におけるロータリーバルブ２５０を説明する図である。図８（Ａ）は、ロータリーバルブ２５０の斜視図である。ロータリーバルブ２５０は、円筒の一部を切り欠いた形状である点では、実施の形態１のロータリーバルブ５０に類似している。しかし、実施の形態１と異なり、中央側では大きな表面積を有し、両端では表面積が小さくなるように切り欠かれている。図８（Ｂ）および図８（Ｃ）は、図８（Ａ）のロータリーバルブ２５０を、紙面左方および紙面右方から見た図にそれぞれ相当する。
【００９０】
（ロータリーバルブ２５０によるガス流入孔２１４とカソードガス供給内部マニホールド２２０との連通の制限）
実施の形態２のカソードガス供給内部マニホールド２２０内部は、実施の形態１の図３および図４で述べたアノードガス供給内部マニホールド２０と同様の構造となっている。即ち、ロータリーバルブ２５０は、ロータリーバルブ５０と同様に、一列に並んだそれぞれのガス流入孔２１４上に配置される。
【００９１】
ロータリーバルブ２５０は、実施の形態１とは異なり、中央側の表面積が大きくなっている。従って、燃料電池スタック２１０において、中央側に位置するガス流入孔２１４の連通制限面積が大きくなる。そして、両端に位置するガス流入孔２１４においては、連通制限面積が小さくなる。
【００９２】
なお、図４で述べた実施の形態１の構造と同様に、実施の形態２においても、ロータリーバルブ２５０と燃料電池セル２１２の端面の形状を対応させる。これにより、ロータリーバルブ２５０の回転角度に応じて、いずれのガス流入孔２１４とカソードガス供給内部マニホールド２２０との連通も制限されない状態（すなわち、いずれのガス流入孔２１４も遮蔽されない状態であり、実施の形態２では、「運転状態」とも呼称する）と、前述したように中央側に位置するガス流入孔２１４とカソードガス供給内部マニホールド２２０との連通を優先的に制限する状態（実施の形態２では、「第三状態」とも呼称する）を実現することができる。
【００９３】
［実施の形態２の動作］
以下、図７を用いて、実施の形態２の燃料電池システムの動作について説明する。燃料電池スタック２１０の中央側に位置する燃料電池セル２１２は、他の燃料電池セル２１２と隣接しているため、その放熱性が比較的低い。逆に、端側に位置する燃料電池セル２１２は、発熱がスタックエンドプレートを介して放出されやすいので、比較的、放熱性が高くなる。
【００９４】
このため、端側に位置する燃料電池セル２１２は、発電中の温度が、比較的、低くなり易い。燃料電池システムの発電中に、燃料電池セル２１２の温度が低くなると、当該燃料電池セル２１２内部に多くの水が滞留する要因となる。これに起因して、発電中、端部側の燃料電池セル２１２内部のガス流路に水閉塞（水づまり）が生じ、燃料電池セル２１２内部のガス流通を阻害する場合がある。
【００９５】
実施の形態２は、これに対処するために、端部側に位置する燃料電池セル２１２で水閉塞が生じた場合には、ロータリーバルブ２５０を閉状態とする（第三状態）。ロータリーバルブ２５０が閉状態の場合は、前述したように、燃料電池スタック２１０の中央側に位置するガス流入孔２１４の連通制限面積が大きく、端側に位置するガス流入孔２１４の連通制限面積が小さくなる。
【００９６】
これにより、端側に位置するガス流入孔２１４に流入する空気の量を増加させることができる。これにより、端側の燃料電池セル２１２における水の持ち去り量を増加させ、当該燃料電池セル２１２における水閉塞を解消させることができる。
【００９７】
上記のようなガス流入孔２１４の遮蔽のために、実施の形態２では、ロータリーバルブ２５０を用いている。このような構造によれば、実施の形態１と同様に、ロータリーバルブ２５０の回転角度を制御することでガス流入孔２１４の開閉を行い、ガス流入孔２１４の開閉制御を容易に行うことが可能となる。
【００９８】
［実施の形態２の具体的処理］
以下、図９を用いて、実施の形態２の燃料電池システムが行う具体的処理を説明する。図９は、本実施形態の燃料電池システムが行う具体的処理を示すフローチャートであり、燃料電池システムの発電中に実行される。この処理は、例えば、燃料電池システムが車両に搭載された状態で実行することができる。
【００９９】
実施の形態３では、燃料電池システムの発電中に、ロータリーバルブ２５０を開状態（「運転状態」）とする。発電中、バルブ開状態で、図９のルーチンが実行される。
【０１００】
ルーチンが開始されると、先ず、燃料電池スタック２１０における発電電圧の状態がＯＫか否かが判別される（ステップ３００）。具体的には、端側に位置する燃料電池セル２１２において、水閉塞が生じているか否かが判別される。実施の形態２では、次に述べる「カソード電圧判定処理」と「電圧偏差算出処理」により、判定を行うこととする。
【０１０１】
（「カソード電圧判定処理」）
実施の形態２の燃料電池システムは、燃料電池スタック２１０の発電状態を監視する「カソード電圧判定処理」を有している。燃料電池セル２１２において水閉塞が生じると、当該燃料電池セル２１２の電圧値が低くなりやすい。これを利用し、「カソード電圧判定処理」では、水閉塞の生じ易い端側の燃料電池セル２１２の電圧を、中央側の燃料電池セル２１２と比較することにより、水閉塞が発生しているか否かの判定を行う。
【０１０２】
この判定処理は、具体的には、次のような手順で進行する。先ず、ＣＰＵ２６４が、電圧センサ（図示せず）により、燃料電池スタック２１０の端側に位置する燃料電池セル２１２の電圧値を取得する。更に、中央側に位置するいくつかの燃料電池セル２１２の電圧値を取得し、その平均値（以下、平均電圧値と称す）を算出する。
【０１０３】
次に、ＣＰＵ２６４により、端側の電圧値と中央側の平均電圧値とが比較され、端側の電圧値が中央側の平均電圧値を所定値を超えて下回ったか否かが判別される。この所定値は、例えば実験などにより予め定めた、端側の燃料電池セルの水閉塞を検知しうる値とすることができる。端側の電圧値が中央側の平均電圧値を所定値下回っていない場合には、燃料電池スタック２１０の発電状態がＯＫであるとの判定が下される。
【０１０４】
端側の電圧値が中央側の平均電圧値を所定値以上下回った場合には、端側の燃料電池セル２１２において水閉塞が生じていると判別される。この場合には、燃料電池スタック２１０の発電状態がＯＫではないとの判定が下される。
【０１０５】
（「電圧偏差判定処理」）
実施の形態２の燃料電池システムは、燃料電池スタック２１０の発電状態を監視する「電圧偏差判定処理」を有している。燃料電池セル２１２で水閉塞が生じると、当該燃料電池セル２１２の電圧値の時間当たりの変動が大きくなりやすい。これを利用し、「電圧偏差判定処理」では、水閉塞が生じ易い端側の燃料電池セル２１２における時間当たりの電圧偏差を監視することにより、水閉塞が生じているか否かを判定する。
【０１０６】
この判定処理は、具体的には、次のような手順で進行する。先ず、燃料電池スタック２１０の端側に位置する燃料電池セル２１２の電圧値を所定時間取得し、得られた電圧値から時間当たりの電圧偏差を算出する。
【０１０７】
その後、算出された電圧偏差が、所定Ａ／ｃｍ２時にσが所定電圧値を超えているか否かが判別される。判別に用いられるこれらの所定値は、例えば実験などにより予め定めた、端側の燃料電池セルの水閉塞を検知しうる電圧偏差値とすることができる。電圧偏差がこの判定値を超えているとの成立が認められない場合には、燃料電池スタック２１０の発電状態がＯＫであるとの判定が下される。成立が認められた場合には、端側の燃料電池セル２１２において水閉塞（水づまり）が生じていると判別され、燃料電池スタック２１０の発電状態がＯＫではないとの判定が下される。
【０１０８】
上記説明した「カソード電圧判定処理」と「電圧偏差算出処理」の両方が電圧ＯＫとの判別をした場合には、発電電圧の状態がＯＫであると判断され、今回のルーチンが終了する。その後、通常の発電状態が継続される。
【０１０９】
「カソード電圧判定処理」と「電圧偏差判定処理」のうち少なくとも一方が、燃料電池スタック２１０において水閉塞が発生しているとの判別をした場合には、電圧がＯＫではないと判断される。
【０１１０】
電圧がＯＫでないとの判定がなされた場合には、バルブ閉の処理がなされる（ステップ３１０）。具体的には、ロータリーバルブ２５０が前述した「第三状態」とされる。これにより、端側に位置するガス流入孔２１４に流入する空気の量が増加し、端側に位置する燃料電池セル２１４の水閉塞に対して、回復措置がとられる。
【０１１１】
その後、燃料電池スタック２１０における発電電圧の状態が、水閉塞から回復したか否かが判別される（ステップ３２０）。具体的には、前述した「カソード電圧判定処理」と「電圧偏差判定処理」のうち、ステップ３００で電圧がＯＫでないと判定されたものが、電圧ＯＫの状態に回復したか否かが判別される。ステップ３００において電圧ＯＫでないと判定された状態が未だ回復していない場合には、引き続きバルブ閉状態とされ、端側に位置する燃料電池セル２１４に対して、水閉塞の回復措置がとられる。
【０１１２】
電圧ＯＫの状態に回復した場合には、燃料電池セル２１４の水閉塞が解消されたと判断され、バルブ開状態へと戻される（ステップ３３０）。その後、通常の発電状態となる。
【０１１３】
以上の処理によれば、燃料電池システムの発電中において、燃料電池スタック２１０の端側の燃料電池セル２１２に水閉塞が生じたことが、確実に検知される。そして、ロータリーバルブ２５０によって、端側の燃料電池セル２１２に対する空気供給量の増加が容易に実現される。このように、実施の形態２によれば、燃料電池セルに生ずる水閉塞の回復を、確実に、かつ容易に行うことができる。
【０１１４】
また、前述した「カソード電圧判定処理」では、中央側のいくつかの燃料電池セル２１２の平均電圧値を求め、これを判定に利用した。しかし、本発明はこれに限られるものではない。平均電圧値のかわりに、中央側に位置する燃料電池セル２１２のうち所定の燃料電池セル２１２の電圧値を、代表値として利用してもよい。
【０１１５】
また、前述した実施の形態２の処理では、「カソード電圧判定処理」と「電圧偏差算出処理」の両方を用いて、端側の燃料電池セル２１２の水閉塞を判定した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。必要に応じ、「カソード電圧判定処理」と「電圧偏差算出処理」のどちらか一方のみを用いて、水閉塞を判定してもよい。
【０１１６】
また、前述した実施の形態２の処理では、燃料電池セル２１２の電圧値を利用して、燃料電池セル２１２の水閉塞を判定した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、水閉塞を検知しうる種々の方法を、本発明に適用することができる。
【０１１７】
尚、上述した実施の形態２では、カソードガス供給内部マニホールド２２０が前記第５の発明の「カソードガス供給マニホールド」に、前述した「第三状態」が、前記第５の発明の「第三状態」に相当する。また、モータ２６２が、前記第５の発明の「動力機構」に、シャフト２６０が前記第５の発明の「伝達機構」にそれぞれ相当する。
【０１１８】
また、上述した実施の形態２の具体的処理では、ステップ３００の処理が、前記第５の発明の「水閉塞判定手段」に相当し、ステップ３００からステップ３３０までの一連の処理が、前記第５の発明の「カソードガス供給量制御手段」に相当する。また、実施の形態２では、燃料電池スタック２１０の燃料電池セル２１２の電圧を検知する電圧センサ（図示せず）が、前記第６の発明の「セル電圧検知手段」に相当する。
【０１１９】
［実施の形態２の変形例］
（第１変形例）
実施の形態２では、ロータリーバルブ２５０を、シャフト２６０を介して、モータ２６２に固定している。そして、シャフト２６０は、スタックエンドプレート２４２を貫通して設けられている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。図１０は、実施の形態２の第１変形例を説明するための図であり、図７におけるシャフト２６０の近傍位置に相当する図である。なお、図１０では、ロータリーバルブ２５０の形状などを、簡略化して示している。
【０１２０】
実施の形態２の第１変形例は、実施の形態１の第１変形例と同様の思想に基づいている。即ち、シャフト構造を用いずに、マグネットによってロータリーバルブの回転を行う方法である。図１０に示すように、スタックエンドプレート２８２に設けられた凹部２８６に、マグネット２８０が回転可能に収納される。マグネット２８０はロータリーバルブ２５０と接続している。
【０１２１】
スタックエンドプレート２８２を介して、マグネット２８０がマグネット２８４の回転に追随することにより、ロータリーバルブ２５０へと回転力が伝達される。以上の構造によれば、燃料電池スタック２１０の密閉性を保ちつつ、ロータリーバルブ２５０の回転制御を行うことができる。
【０１２２】
（第２変形例）
実施の形態１では、ロータリーバルブ２５０を、燃料電池スタック２１０の中央側に位置するガス流入孔２１４の連通制限面積が大きく、端側に位置するガス流入孔２１４の連通制限面積が小さくなるような形状とした。より好ましくは、ロータリーバルブ２５０の形状（表面積）は、端側に位置するガス流入孔２１４への空気量の配分比を考慮して、次のようにして定めることができる。
【０１２３】
ロータリーバルブ２５０のうちガス流入孔２１４を遮蔽する部分の面積をＳとし、下記の式を満たすようにする。
S≧L×X×ｓ
但し、
ｓ：一つのガス流入孔２１４の開口面積
X：燃料電池セル２１２のうち水閉塞を起こし易い燃料電池セル２１２の枚数
L：燃料電池セル２１２一枚あたりに水閉塞が生じた場合に、その水閉塞を回復させるために必要な空気流入量の増加率
とする。
【０１２４】
上記の関係を満たすようにロータリーバルブ２５０の形状（表面積）を決定することにより、バルブ閉状態としたときに、水閉塞を回復させるために必要な空気流入量の増加率が実現される。これにより、燃料電池セル２１２の水閉塞を確実に解消しうるように、ガス流入孔２１４の連通の制限を行うことができる。
【０１２５】
実施の形態３．
［実施の形態３の構成］
図１１は、実施の形態３の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１１は、実施の形態３のカソード側の構成を示している。実施の形態３は、実施の形態２とほぼ同一の構成を有している。
【０１２６】
実施の形態３は、燃料電池スタック４１０を有している。燃料電池スタック４１０は、実施の形態２の燃料電池スタック２１０と同様の構造を有しており、ＣＰＵ４６４が実施の形態２のＣＰＵ２６４と相違する。その他実施の形態２と同一の構造に関しては、実施の形態２と同一の符号を付して、その説明を省略する。
【０１２７】
ＣＰＵ４６４は、実行されるルーチンが異なる点で、ＣＰＵ２６４と相違する。また、ＣＰＵ４６４は、その内部に、時間計測用のタイマ（図示せず）を含んでいる。ＣＰＵ４６４は、実施の形態２のＣＰＵ２６４と同様に、ロータリーバルブ２５０の開閉を制御する。これにより、実施の形態２で述べた「運転状態」と「第三状態」とが実現される。
【０１２８】
［実施の形態３の動作］
実施の形態２で述べたように、燃料電池スタック４１０の端側に位置する燃料電池セル２１２では、内部に滞留する水の量が多くなりやすい。これに起因して、燃料電池システムの運転停止の要求があった際に、端側に位置する燃料電池セル２１２の保水量が多い状態になっている場合がある。この状態で燃料電池システムの運転停止処理がなされると、端側の燃料電池セル２１２の保水量が多い状態でシステムが停止してしまう。
【０１２９】
実施の形態３では、これを回避するために、燃料電池システムの運転停止時に、所定時間ロータリーバルブ２５０を閉状態（第三状態）とし、端側の燃料電池セル２１２に対して多くの空気を供給する。これにより、当該燃料電池セルにおける水の持ち去り量を増加させることができる。その結果、端側の燃料電池セル２１２の保水量が多い状態でシステムの運転が停止するのを、確実に避けることができる。
【０１３０】
［実施の形態３の具体的処理］
以下、図１２を用いて、実施の形態３の燃料電池システムが行う具体的処理を説明する。図１２は、本実施形態の燃料電池システムが行う具体的処理を示すフローチャートであり、燃料電池システムの運転停止時に実行される。この処理は、例えば、燃料電池システムが車両に搭載された状態で実行することができる。
【０１３１】
図１２のルーチンでは、まず燃料電池スタック４１０の運転停止の要求があったか否かが判別される（ステップ５００）。運転停止の要求がないと判別された場合には、引き続き燃料電池スタック４１０が運転状態とされる。
【０１３２】
運転停止の要求があったと判別された場合には、バルブ閉の処理がなされる（ステップ５１０）。具体的には、ＣＰＵ４６４による制御が行われ、ロータリーバルブ２５０がガス流入孔２１４とカソードガス供給内部マニホールド２２０との連通を制限する状態（第三状態）とされる。この状態でカソードガス供給内部マニホールド２２０に空気が流入することにより、保水量の多い端側の燃料電池セル２１２に対して、より多くの空気が供給される。その結果、端側の燃料電池セル２１２から持ち去られる水の量を増加させることができる。
【０１３３】
その後、所定時間が経過したか否かが判別される（ステップ５２０）。具体的には、ＣＰＵ４６４が有するタイマにより、上記ステップ５１０のバルブ閉処理後に経過した時間のカウントが行われる。その後、カウントされた時間が、予め定められた、端側の燃料電池セル２１２からの水の持ち去りが十分に行われる時間を経過したか否かが判別される。所定時間が経過していない場合には、引き続きバルブ閉の状態が保持される。
【０１３４】
所定時間が経過していると判別された場合には、端側の燃料電池セル２１２に対する空気供給が十分に行われたとの判断がなされ、バルブ開の処理がなされる（ステップ５３０）。その後、このルーチンが終了し、システムの停止処理が続行される。
【０１３５】
以上の処理によれば、燃料電池システムの運転停止時に、保水量の多い燃料電池セル２１２に対する水の持ち去り量を増加させることができる。これにより、当該燃料電池セル２１２内部に滞留する水を減少させることができ、端側の燃料電池セル２１２の保水量が多い状態でシステムの運転が停止するのを避けることができる。
【０１３６】
尚、上記の実施の形態３では、カソードガス供給内部マニホールド２２０が、前記第７の発明の「カソードガス供給マニホールド」に、前述した第三状態が、前記第７の発明の「第三状態」に、それぞれ相当する。また、モータ２６２が、前記第７の発明の「動力機構」に、シャフト２６０が、前記第７の発明の「伝達機構」に、それぞれ相当する。
【０１３７】
また、上記の実施の形態３の具体的処理では、ステップ５００からステップ５２０の処理が前記第７の発明の「停止時ガス流入量制御手段」に、ステップ５２０においてＣＰＵ４６４のタイマが計測した時間が前記第７の発明の「所定時間」に相当する。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】実施の形態１のロータリーバルブを説明するための図である。
【図３】実施の形態１のロータリーバルブとガス流入孔を説明する図である。
【図４】実施の形態１のロータリーバルブがガス流入孔とアノードガス供給内部マニホールドとの連通を制限する様子を説明するための図である。
【図５】実施の形態１の燃料電池システムで実行されるフローチャートである。
【図６】実施の形態１の変形例を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図８】実施の形態２のロータリーバルブを説明するための図である。
【図９】実施の形態２の燃料電池システムで実行されるフローチャートである。
【図１０】実施の形態２の変形例を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態３の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図１２】実施の形態３の燃料電池システムで実行されるフローチャートである。
【符号の説明】
【０１３９】
燃料電池スタック １０、２１０、４１０ 燃料電池セル １２、２１２
ガス流入孔 １４、２１４ ロータリーバルブ ５０、２５０
アノードガス供給内部マニホールド ２０
アノードガス排出内部マニホールド ２２
カソードガス供給内部マニホールド ２２０
アノードガス排出内部マニホールド ２２２
シャフト ６０、２６０ モータ ６２、２６２
ＣＰＵ ６４、２６４、４６４
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流入孔を有する燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックと、
前記ガス流入孔に連通し該ガス流入孔にガスを供給するガス供給マニホールドと、
前記ガス供給マニホールド内に回転自在に備えられ、その表面が少なくとも一部の前記燃料電池セルの前記ガス流入孔と該ガス供給マニホールドとの連通を制限する状態と該ガス流入孔を開放する状態とを実現し、該ガス流入孔と該ガス供給マニホールドとの連通を制限する連通制限面積が回転角度に応じて変化するロータリーバルブと、
を有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス供給マニホールドは、前記ガス流入孔に水素を供給し、その一端が水素タンクに連通するアノードガス供給マニホールドを含み、
前記燃料電池セルは前記ガス流入孔から流入した水素が流出するガス流出孔を有し、
前記ガス流出孔に連通し、その一端がアノードガス排出系に連通するアノードガス排出マニホールドを有し、
前記ロータリーバルブは、前記積層された前記燃料電池セルのうち、水素が流通し易い該燃料電池セルの前記ガス流入孔の前記連通制限面積が大きく、水素が流通し難い該燃料電池セルの該ガス流入孔の該連通制限面積が小さくなるように該ガス流入孔と前記アノードガス供給マニホールドとの連通を制限する第一状態と、いずれの該ガス流入孔と該アノードガス供給マニホールドとの連通も制限しない第二状態とを実現する形状を有し、
回転動力を発生する動力機構と、
前記ロータリーバルブに前記動力機構が発生させた回転動力を伝達する伝達機構と、
前記動力機構が発生させる回転動力を制御して前記ロータリーバルブの回転角度を調整し、前記燃料電池スタックの始動時に、前記ロータリーバルブを前記第一状態として所定時間保持した後、該ロータリーバルブを前記第二状態とするアノードガス供給量制御手段と、
を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記積層された前記燃料電池セルの前記ガス流入孔のそれぞれが一方向に並んで位置し、前記アノードガス供給マニホールドは該一方向に沿って伸びてそれぞれの該ガス流入孔に連通し、
前記ガス流出孔は前記一方向に並んだ前記ガス流出孔と略平行な方向に並んで位置し、前記アノードガス排出マニホールドは該略平行な方向に沿って伸びてそれぞれの該ガス流出孔に連通し、
前記アノードガス供給マニホールドの前記一端と前記アノードガス排出マニホールドの前記一端とがともに前記燃料電池スタックの一方の面側に位置する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの内部における水素分布が均等となったか否かを判定するアノード水素置換判定手段を有し、
前記所定時間は、前記燃料電池スタックの始動から前記アノード水素置換判定手段によって前記水素分布が均等となったとの前記判定がなされるまでの時間である請求項２または３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス供給マニホールドは前記ガス流入孔に空気を供給するカソードガス供給マニホールドを含み、
前記ロータリーバルブは、前記燃料電池スタックの端側に位置する前記燃料電池セルの該ガス流入孔の前記連通制限面積が小さく、該燃料電池スタックの中央側に位置する前記燃料電池セルの該ガス流入孔の前記連通制限面積が大きくなるように該ガス流入孔と前記カソードガス供給マニホールドとの連通を制限する第三状態を実現する形状を有し、
前記燃料電池セルで水閉塞が生じているか否かを判定する水閉塞判定手段と、
回転動力を発生する動力機構と、
前記ロータリーバルブに前記動力機構が発生させた回転動力を伝達する伝達機構と、
前記動力機構が発生させる回転動力を制御して前記ロータリーバルブの回転角度を調整し、前記燃料電池スタックの発電中に前記水閉塞判定手段によって前記燃料電池セルで水閉塞が生じていると判定されたら該ロータリーバルブを前記第三状態とするカソードガス供給量制御手段と、
を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水閉塞判定手段は、前記燃料電池スタックの少なくとも一部の前記燃料電池セルの電圧を検知するセル電圧検知手段を含み、前記セル電圧検知手段が検知した電圧値に基づいて前記水閉塞が生じているか否かを判定する請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ガス供給マニホールドは前記ガス流入孔に空気を供給するカソードガス供給マニホールドを含み、
前記ロータリーバルブは、前記燃料電池スタックの端側の前記燃料電池セルでは該ガス流入孔の前記連通制限面積が小さく、中央側に位置する前記燃料電池セルでは該ガス流入孔の前記連通制限面積が大きくなるように該ガス流入孔と前記カソードガス供給マニホールドとの連通を制限する第三状態を実現する形状を有し、
回転動力を発生する動力機構と、
前記ロータリーバルブに前記動力機構が発生させた回転動力を伝達する伝達機構と、
前記動力機構が発生させる回転動力を制御して前記ロータリーバルブの回転角度を調整し、前記燃料電池スタックの停止時に前記ロータリーバルブを前記第三状態として前記カソードガス供給マニホールドから空気が流入する状態を所定時間保持する停止時ガス流入量制御手段と、
を有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックは、前記複数積層された前記燃料電池セルをその積層方向から挟むように取り付けられるスタックエンドプレートを含み、
前記伝達機構は、前記ロータリーバルブに備えられる第一の磁石と、前記動力機構に備えられる第二の磁石とを含み、該第一の磁石が前記スタックエンドプレートを挟んで該第二の磁石の回転に追随することで該ロータリーバルブに回転が伝達されることにより、該ロータリーバルブに該動力機構が発生させた回転動力を伝達する請求項２乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
ガス流入孔を有する燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックと、
前記ガス流入孔に連通し該ガス流入孔にガスを供給するガス供給マニホールドと、
前記ガス供給マニホールド内に回転自在に備えられ、その表面が少なくとも一部の前記燃料電池セルの前記ガス流入孔と該ガス供給マニホールドとの連通を制限する状態と該ガス流入孔を開放する状態とを実現し、該ガス流入孔と該ガス供給マニホールドとの連通を制限する連通制限面積が回転角度に応じて変化するロータリーバルブと、
を有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス供給マニホールドは、前記ガス流入孔に水素を供給し、その一端が水素タンクに連通するアノードガス供給マニホールドを含み、
前記燃料電池セルは前記ガス流入孔から流入した水素が流出するガス流出孔を有し、
前記ガス流出孔に連通し、その一端がアノードガス排出系に連通するアノードガス排出マニホールドを有し、
前記ロータリーバルブは、前記積層された前記燃料電池セルのうち、水素が流通し易い該燃料電池セルの前記ガス流入孔の前記連通制限面積が大きく、水素が流通し難い該燃料電池セルの該ガス流入孔の該連通制限面積が小さくなるように該ガス流入孔と前記アノードガス供給マニホールドとの連通を制限する第一状態と、いずれの該ガス流入孔と該アノードガス供給マニホールドとの連通も制限しない第二状態とを実現する形状を有し、
回転動力を発生する動力機構と、
前記ロータリーバルブに前記動力機構が発生させた回転動力を伝達する伝達機構と、
前記動力機構が発生させる回転動力を制御して前記ロータリーバルブの回転角度を調整し、前記燃料電池スタックの始動時に、前記ロータリーバルブを前記第一状態として所定時間保持した後、該ロータリーバルブを前記第二状態とするアノードガス供給量制御手段と、
を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記積層された前記燃料電池セルの前記ガス流入孔のそれぞれが一方向に並んで位置し、前記アノードガス供給マニホールドは該一方向に沿って伸びてそれぞれの該ガス流入孔に連通し、
前記ガス流出孔は前記一方向に並んだ前記ガス流出孔と略平行な方向に並んで位置し、前記アノードガス排出マニホールドは該略平行な方向に沿って伸びてそれぞれの該ガス流出孔に連通し、
前記アノードガス供給マニホールドの前記一端と前記アノードガス排出マニホールドの前記一端とがともに前記燃料電池スタックの一方の面側に位置する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの内部における水素分布が均等となったか否かを判定するアノード水素置換判定手段を有し、
前記所定時間は、前記燃料電池スタックの始動から前記アノード水素置換判定手段によって前記水素分布が均等となったとの前記判定がなされるまでの時間である請求項２または３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス供給マニホールドは前記ガス流入孔に空気を供給するカソードガス供給マニホールドを含み、
前記ロータリーバルブは、前記燃料電池スタックの端側に位置する前記燃料電池セルの該ガス流入孔の前記連通制限面積が小さく、該燃料電池スタックの中央側に位置する前記燃料電池セルの該ガス流入孔の前記連通制限面積が大きくなるように該ガス流入孔と前記カソードガス供給マニホールドとの連通を制限する第三状態を実現する形状を有し、
前記燃料電池セルで水閉塞が生じているか否かを判定する水閉塞判定手段と、
回転動力を発生する動力機構と、
前記ロータリーバルブに前記動力機構が発生させた回転動力を伝達する伝達機構と、
前記動力機構が発生させる回転動力を制御して前記ロータリーバルブの回転角度を調整し、前記燃料電池スタックの発電中に前記水閉塞判定手段によって前記燃料電池セルで水閉塞が生じていると判定されたら該ロータリーバルブを前記第三状態とするカソードガス供給量制御手段と、
を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水閉塞判定手段は、前記燃料電池スタックの少なくとも一部の前記燃料電池セルの電圧を検知するセル電圧検知手段を含み、前記セル電圧検知手段が検知した電圧値に基づいて前記水閉塞が生じているか否かを判定する請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ガス供給マニホールドは前記ガス流入孔に空気を供給するカソードガス供給マニホールドを含み、
前記ロータリーバルブは、前記燃料電池スタックの端側の前記燃料電池セルでは該ガス流入孔の前記連通制限面積が小さく、中央側に位置する前記燃料電池セルでは該ガス流入孔の前記連通制限面積が大きくなるように該ガス流入孔と前記カソードガス供給マニホールドとの連通を制限する第三状態を実現する形状を有し、
回転動力を発生する動力機構と、
前記ロータリーバルブに前記動力機構が発生させた回転動力を伝達する伝達機構と、
前記動力機構が発生させる回転動力を制御して前記ロータリーバルブの回転角度を調整し、前記燃料電池スタックの停止時に前記ロータリーバルブを前記第三状態として前記カソードガス供給マニホールドから空気が流入する状態を所定時間保持する停止時ガス流入量制御手段と、
を有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックは、前記複数積層された前記燃料電池セルをその積層方向から挟むように取り付けられるスタックエンドプレートを含み、
前記伝達機構は、前記ロータリーバルブに備えられる第一の磁石と、前記動力機構に備えられる第二の磁石とを含み、該第一の磁石が前記スタックエンドプレートを挟んで該第二の磁石の回転に追随することで該ロータリーバルブに回転が伝達されることにより、該ロータリーバルブに該動力機構が発生させた回転動力を伝達する請求項２乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−３４１３５（Ｐ２００８−３４１３５Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０３７２２（Ｐ２００６−２０３７２２）
【出願日】平成１８年７月２６日（２００６．７．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２６日（２００６．７．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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