JP2007227208A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの電極に付着した水を排出する、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１００の両端を支持軸１９６ａ、１９６ｂで支持し、燃料電池スタック１００の下側端部には、サスペンション装置Ｓａ１〜４を配置する。該サスペンション装置Ｓａ１〜４を制御することによって、燃料電池スタック１００を支持軸１９６ａ、１９６ｂを中心に揺動させ、筐体１０１内に衝突させる。この衝突による衝撃によって燃料室内の水滴を振り落として水滴を結合させ、水の排出を促進させる。
【選択図】図１７

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、詳しくはフラッディングを抑制するための燃料電池システムに関する。

従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス（主として外気）が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。
ところで、燃料室内には、発電反応によって生成される水が高分子電解質膜を解して浸透し滞留する。この生成水は、水素と燃料極との接触を阻害し、出力の低下を招くことが知られており、燃料室内の水の排出が課題とされている。
そこで、燃料室内の水を効率よく排出する手段として、下記特許文献に記載の如く、燃料電池スタックを振動させ、或いは傾斜させるなどして生成水を振り落とし、燃料ガス流路の水詰りを解消し、出力を安定化させる方法が提案されている。
特開２００２−２０３５８５号公報 特開２００２−２０８４２３号公報

上記これら特許文献１に記載の装置は、超音波振動子をセパレータ等に接触させ、セパレータに振動を印加するものであるが、長期的な印加動作の繰り返しによって、燃料電池の電極における、拡散層、反応層で構成される接合界面の寿命が短くなる恐れがある。
また、特許文献２に記載の装置は、振動、回転、傾斜させるための装置を燃料電池スタックに設け、さらにこれらを燃料電池スタックの起電力により駆動しなければならず、エネルギー効率を低下させ、製造コストも上昇するという問題があった。

本発明は、燃料電池スタックの電極に付着した水を排出するシステムを、簡易な構成で、かつエネルギー効率の悪化を抑制しつつ実現できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
（１） 互いに隣接する複数の単位セルの間にセパレータが配置され、前記セパレータに対して、前記単位セルの燃料極との間に燃料ガス室を、前記単位セルの酸化極との間に酸化ガス室を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを揺動自在に支持し、前記燃料電池スタックの重心を通る鉛直線に交差する軸線を有する支持軸と、
前記燃料電池スタックの揺動振幅を決定する振幅制御手段と、
を有する燃料電池システム。

（２） 前記燃料電池スタックの燃料室へ燃料ガスを供給する供給口に接続された撓み可能な供給管と、
前記燃料電池スタックの燃料室からの排ガスを取り出す排出口に接続された撓み可能な導出管とを備えた請求項１に記載の燃料電池システム。

（３） 前記供給口又は前記排出口は、前記支持軸の軸受部に近接した位置に設けられている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

（４） 互いに隣接する複数の単位セルの間にセパレータが配置され、前記セパレータに対して、前記単位セルの燃料極との間に燃料ガス室を、前記単位セルの酸化極との間に酸化ガス室を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの対向する端部に配置され、互いに平行な一対のガイドレールと、
前記各ガイドルートによって往復動自在に保持されたボール軸受と、
前記各ボール軸受に接続され、相互に平行に支持された一対の支持軸と、
前記各支持軸を前記ガイドレールに沿って平行移動可能に支持する一対の軸支持部と、
前記各支持軸をそれぞれ単独で平行移動させ得る一対の駆動機構とを有し、
前記各支持軸の位置を移動させることにより燃料電池スタックの特定された端部をケース内へ落下させる制御手段を有することを特徴とする燃料電池システム。

（５） 互いに隣接する複数の単位セルの間にセパレータが配置され、前記セパレータに対して、前記単位セルの燃料極との間に燃料ガス室を、前記単位セルの酸化極との間に酸化ガス室を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの表面において、同一直線上に存在しない少なくとも３点にそれぞれ接続された吊下索と、
前記各吊下索の張力を別個に解除できる解除手段と、
張力を解除する吊下索を選択して、燃料電池スタックの特定された端部をケース内へ落下させる制御手段を有することを特徴とする燃料電池システム。

（６） 該燃料電池スタック内での生成水量を判断する生成水量判断手段と、
前記制御手段は、該生成水量判断手段によって判断された生成水量に応じて燃料電池スタックの特定された端部を落下させる上記（４）又は（５）に記載の燃料電池システム。

（７） 前記生成水量判断手段は、前記燃料電池スタックに加わる負荷を検出する負荷検出手段と、該負荷検出手段によって検出された負荷値に基づいて生成水量を判定する判定手段を有する上記（６）に記載の燃料電池を搭載した車両。

（８） 前記負荷検出手段は、燃料電池スタックから出力される電流を検出する電流計であり、前記判定手段は、積算電流値に基づいて生成水量を判定する上記（７）に記載の燃料電池を搭載した車両。

請求項１記載の発明によれば、燃料電池スタックは支持軸によって揺動自在に支持されており、振幅制御手段によって揺動振幅を調整することで、燃料電池スタックに適宜加速度を付与することができ、この加速度の付与によって燃料ガス室等に付着している生成水を振るい落とし、水滴を成長させて、水の排出を促すことができる。
請求項２記載の発明によれば、燃料電池スタックのガス供給口と排出口に撓み可能な供給管と導出管が接続されるので、燃料電池スタックの揺動で供給口と排出口の位置変動が生じた場合に、配管が外れ、或いは破損されることなく、燃料ガスの流通が維持される。

請求項３記載の発明によれば、供給口と排出口は、支持軸の軸受部に近接した位置に設けられているので、揺動による位置変動の量が、他の部位に比較して小さく、配管への負担を限定することができる。
請求項４記載の発明によれば、ガイドレールに対して、ボール軸受を介して往復動自在に支持軸が支持するため、支持軸の位置を任意に変更できる。その結果、燃料電池スタックの所望の端部を落下させることが可能となる。また、落下させることによって、燃料電池スタックの下側に位置する部材に所望の端部を衝突させることによって、燃料電池スタックに対して瞬時に強力な加速度を加えることができ、水滴の振り落としなどの効果が促進される。

請求項５記載の発明によれば、燃料電池スタックを吊り下げ、任意の吊り下げ位置の張力を解除することで、燃料電池スタックの任意の部位を落下させることができ、また、任意の姿勢に傾斜させることが可能となる。このため、燃料電池スタック生成水量が多い場所に応じて、水の排出効率が最も良い姿勢をとることができる。
請求項６記載の発明によれば、生成水量に応じて、燃料電池スタックの特定部位を選択して落下させることにより、より効率的に水を排出することができる。
請求項７記載の発明によれば、燃料電池スタックに加わる負荷の値に応じて生成水の量を判断することで、必要時にのみ燃料電池スタックに加速度を付与して、水の排出を促進させることができる。
請求項８記載の発明によれば、燃料電池スタックの出力電流により負荷の程度を検出するので、生成水量をより正確に判定でき、効率よく水の排出制御を行うことができる。

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７とに大略構成される。

燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、同じく部分断面側面図（図２及び図３におけるＢ−Ｂ断面図）、図５は、燃料電池セパレータ１３の部分断面側面図（図２及び図３におけるＣ−Ｃ断面図）、図６は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図である。

セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。
集電部材３、４は金属板で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。さらに、集電部材３、４は、カーボンで構成されたものを使用することもできる。

集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３は、矩形の板材から成り、その表面には、プレス加工によって、突出形成された複数の柱状凸部３２が形成されている。柱状凸部３２は、板材の短辺と長辺とに沿って縦横に等間隔で配列されている。柱状凸部３２の間には、長辺に沿って（図２における横方向）配置された柱状凸部３２の間に形成された溝によって、水素流路３０１が、短辺に沿って（図２における縦方向）配置された柱状凸部３２の間に形成された溝によって、水素流路３０２が形成されている。この柱状凸部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。また、柱状凸部３２の裏側は、穴３３となっている。集電部材３の両端部には、孔３５が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この孔３５によって水素供給路が構成される。

集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部となっており、この中空部によって冷却流路４１が形成されている。空気流路４０と、冷却流路４１は、板材の端部まで達し、両端は、板材の端辺部で開口する開口部を備えている。集電部材４の両端部には、孔４８が形成され、セパレータ１３を積層した場合には、重ねられた孔４８によって水素供給路が構成される。

以上のような集電部材３、４は、各柱状凸部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、水素流路３０１、３０２の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、集電部材３、４を重ね合わせることによって、図４に示されているように、冷却流路４１が形成され、穴３３は冷却流路４１の一部を構成する。また、空気流路４０は、図３及び図５に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。図４に示されているように、柱状凸部３２の高さが、水素流路３０１、３０２の流路幅Ｗとなる。この柱状凸部３２の高さを調整することにより、水素流路３０１、３０２の流路幅Ｗを変更することができる。

空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。また、冷却流路４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と冷却流路４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。このため、導入口４３と流入開放口４５も交互に配置され、導出口４４と流出開放口４６も交互に配置される。また、空気と水は、側壁４７に沿って流れるため、側壁４７は、冷却フィンとしての作用も発揮する。空気流路４０と冷却流路４１が交互に、かつ平行に配置されることで、燃料電池の冷却効率が向上し、均一な冷却が可能となる。

集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、柱状凸部３２を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の孔３５に合致する位置に孔８３ａ、８３ｂが形成されており、この孔８３ａ、８３ｂと窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４ａ、８４ｂが設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料ガス室である燃料室３０が画成される。

集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３ａ、８３ｂに合致する位置に孔９３ｂ、９３ａが形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３と冷却流路４１の流入開放口４５とに接続されている。空気流路４０は、酸化ガス室として機能する。

上流側の空気流通路９４は、開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、空気マニホールドから噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４と冷却流路４１の流出開放口４６とに接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック１００が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。
また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。

図７は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。

空気流路４０及び冷却流路４１の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（Ｔｉ Ｏ₂）等が挙げられる。

以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図８は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３と流入開放口４５が交互に開口し、この導入口４３と流入開放口４５に、空気マニホールド（図示せず）から、霧状の水とともに空気が流入する。側壁４７は、空気の流通経路に配置され冷却フィンとしても作用する。導入口４３と流入開放口４５から流入した空気と水は、冷却流路４１内で、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。

図９は、燃料電池スタック１００の全体平面図である。以上のように構成された燃料電池セパレータ１３は、所定の枚数重ねられたモジュール１３０（積層単位体）を構成し、このモジュール１３０を複数重ねることによって燃料電池スタック１００が構成される。モジュール１３０とモジュール１３０の間には、図１１に示されているように、集電部材３と集電部材４の間に遮蔽板１６を挟んだ、セパレータ１４が介在する。図１２は、遮蔽板１６の全体平面図である。遮蔽板１６は、モジュール１３０の間に介挿された際に、水素通路１７ａ又は水素通路１７ｂのいずれかに対応した位置に、水素通路１７ａ、１７ｂの断面形状と同じ形状の、孔１６１ａ又は孔１６１ｂを備えている。孔１６１ａ又は孔１６１ｂは、１枚の遮蔽板１６について、どちらか一方のみが形成されている。更には、遮蔽板１６の代りに、図６に示されている枠体９を用いてもよい。この場合には、孔９３ａ又は孔９３ｂのいずれか一方を開孔しない事でも実現される。または、セパレータ１４を構成する集電部材３、４の片方の孔３５又は４８を開孔しないことにより実現できる。なお、遮蔽板１６は、導電性を有し、燃料電池スタック１００内での電気の流通は妨げない。

一方、遮蔽板１６が孔１６１ａを有する場合には、水素通路１７ｂでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６が孔１６１ｂを有する場合には、水素通路１７ａでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６は、水素ガスが流入する側から流出する側へ配置されている順に、孔１６１ｂが設けられている遮蔽板１６、孔１６１ａが設けられている遮蔽板１６・・・となるよう、交互に配置される。このようにモジュール１３０毎に、水素通路１７ａと水素通路１７ｂの一方を交互に遮蔽することで、供給された水素ガスは、モジュール１３０単位で、連続して各燃料室３０内を流通する。具体的には、最初のモジュール１３０では、水素通路１７ａ（燃料流入通路）から水素通路１７ｂ（燃料流出通路）へ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、次のモジュール１３０では、水素通路１７ｂ（燃料流入通路）から水素通路１７ａ（燃料流出通路）へ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、さらに次のモジュール１３０では、水素通路１７ａ（燃料流入通路）から水素通路１７ｂ（燃料流出通路）へ向けて、各燃料室３０内を連続して水素ガスが流れる・・・以降は、交互に水素ガスの流通方向が変化する。

このように、水素通路１７ａと水素通路１７ｂは、モジュール１３０の各燃料室３０に水素ガスを供給する燃料流入通路と、各燃料室３０から水素ガスが流出してくる燃料流出通路とに交互に入れ替わることとなる。各モジュール１３０は、水素流通路１７ａと、水素流通路１７ａに連通する水素流通経路８４ａによって、さらに、水素流通路１７ｂと、水素流通路１７ｂに連通する水素流通経路８４ｂによって、それぞれマニホールドが構成されている。そして、水素通路１７ａが燃料流入通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなる。逆に、水素通路１７ａが燃料流出通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなる。

燃料電池スタック１００は、単位セル１５とセパレータ１３を積層して構成されたモジュール１３０と、モジュール１３０内において、セパレータ１３の積層方向に形成され、燃料室３０を挟んだ両側に位置し、各燃料室３０にそれぞれ連通する一対の水素通路１７ａ、１７ｂとを有し、モジュール１３０を積層して構成されたものであって、隣接するモジュール１３０の間には、各モジュール１３０の一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）間を連通する連通部（孔１６１ａ（又は１６１ｂ））と、他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）間の水素流通を遮断する遮断部１６２ｂ（又は１６２ａ）とを有し、連通部と遮断部は、積層されているモジュール１３０の積層方向に向けて順に、一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）と他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）において交互に設けられ、一対の水素流路（１７ａ、１７ｂ）間の各燃料室３０内を流れる水素ガスの流通方向が、モジュール１３０毎に交互に逆向きに変化する構成となっている。

図９に示されているように、各モジュール１３０は、積層されている単位セル１５とセパレータ１３の数が異なる。水素ガスが最初に流入するモジュール１３０−１は、積層枚数が最も多く、水素ガスが最後に流入するモジュール１３０−４は、最も少ない。そして、モジュール１３０−１〜モジュール１３０−４へ向けて、モジュール１３０における単位セル１５とセパレータ１３の積層枚数は、漸減するように構成されている。

このように構成することによって、各モジュール１３０−１〜４内を流通する水素ガスの流通路横断面積が、下流へ向けて減少するように構成される。各モジュール１３０の水素ガス流通路横断面積は、各モジュール１３０を構成する各セパレータ１３における水素流路３０２の断面積（燃料室内を流れる水素ガスの流線に対して、垂直な面の面積が、最も小さくなる位置の面積：図１０におけるａ部分の面積の総和（モジュール１３０を構成するセパレータ１３の、前記水素流路３０２断面積の総和））により算出される。即ち、積層されるセパレータ１３の数が減れば、水素ガス流通路横断面積も減ることとなる。
このように水素ガス流通路横断面積が減ることで、各モジュール１３０−１〜４内を流れる水素ガスの流速は、各モジュール毎に異なり、下流へ向けて流速が速くなることとなる。

また、燃料電池スタック１００を、複数のモジュール１３０に分割し、モジュール毎に水素ガスを順番に流通させる構成とすることによって、各燃料室３０を通過水素ガスの量を均等に近づけることができる。つまり、１つのモジュール１３０内において、積層方向に配置された各燃料室３０間で水素ガス流量の差が生ずることを抑制できる。さらに、燃料電池スタック１００に供給された水素ガスは、繰り返し、モジュール１３０−１〜４内を流れるので、燃料室３０の燃料極に接触する機会が増え、反応効率が向上する。

燃料室３０内に発生する逆拡散水は、ガス流によって、下流側へ押し流され下流へ向かう程、逆拡散水が溜まっていくが、既述のように、下流側が最もガス流の流速が高いので、溜まった逆拡散水を容易に排出することができる。また、水素ガスの流入する上流側では、ガス流速が低くなるため、タンクから供給される乾燥した水素ガスとの接触により、燃料極の水分持ち去り量を少なくすることができる。
図９に示されているように、燃料電池スタック１００の両端には、端部セパレータの外側に電極板１９１ａ、１９１ｂが積層され、さらに外側には、絶縁部材１９２ａ、１９２ｂ、エンドプレート１９ａ、１９ｂの順に積層されている。電極板１９１ａ、１９１ｂには、電極端子１９１aａ、１９１ｂｂが突出形成されている。

図１３は、燃料電池スタック１００の正面図である。エンドプレート１９ａの外側面には凹部１９３ａが形成されている。この凹部１９３ａの端部には、水素通路１７ａに連通する燃料供給口１８２ａが開口している。凹部１９３ａには、カバー１９４ａが、全体に覆い被せられている。凹部１９３ａは、水素通路１７ａへ向けて幅広となる形状に形成されている。カバー１９４ａは、凹部１９３ａの形状に沿った形状に形成され、水素通路１７ａに対して反対側の端に、供給口であるガス取入口１８１ａが形成されている。カバー１９４ａと凹部１９３ａで画成された空間によって、整流手段としての導入案内路１８ａが構成されている。

この導入案内路１８ａは、ガス取入口１８１ａが、燃料ガス供給流路２０１Ｂと同じ断面形状を有し、燃料供給口１８２ａが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有している。そして、ガス取入口１８１ａから燃料供給口１８２ａまでの流路１８３ａは、横断面の幅が漸増し、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。また、流路１８３ａには、水素通路１７ａの横断面におけるガス流速の分布が均一となるように、ガス流を案内する整流板１８４ａが設けられている。また、エンドプレート１９ａの上端中央部には、軸受部１９５ａが設けられており、該軸受部１９５ａには、支持軸１９６ａが回動自在に接続されている。ガス取入口１８１ａは、燃料電池スタック１００が水平姿勢である場合に、支持軸１９６ａの軸心を通る鉛直線上に位置し、かつ、支持軸１９６ａに近接した位置に設けられている。このような位置に設けることで、燃料電池スタック１００が支持軸１９６ａを中心に揺動した場合、ガス取入口１８１ａの移動量を最小にすることができ、後述するフレキシブル管２０１ｆの変形量を抑制し、寿命を延ばすことができる。

図１４は、燃料電池スタック１００の背面図である。燃料電池スタック１００の水素ガス流出部分には、導出案内路１８ｂが設けられている。導出案内路１８ｂは、エンドプレート１９ｂの外側面に形成された凹部１９３ｂと、この凹部１９３ｂに被せられたカバー１９４ｂとによって画成された空間によって構成される。凹部１９３ｂの端部には、水素通路１７ａに連通する燃料排出口１８１ｂが開口している。

この導出案内路１８ｂは、燃料排出口１８１ｂが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有し、ガス導出口１８２ｂが、ガス排出流路２０２と同じ断面形状を有している。そして、燃料排出口１８１ｂからガス導出口１８２ｂまでの流路１８３ｂは、横断面の幅が漸減し、さらに、流路１８３ａには、整流板１８４ａが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。また、エンドプレート１９ｂの上端中央部には、軸受部１９５ｂが設けられており、該軸受部１９５ｂには、支持軸１９６ｂが回動自在に接続されている。

以上のような燃料電池スタック１００の構成によって、燃料電池スタック１００に流入した水素ガスは、圧力損失が抑制され、各燃料電池セパレータ１３の燃料室３０へ均一に水素ガスが供給される。なお、ガス導出口１８２ｂは、燃料排出口１８１ｂの下端部の位置よりも、鉛直方向において、同じ高さ、又は下方に位置している。このような位置にガス導出口１８２ｂを設けることによって、燃料電池スタック１００から、水素通路１７ａを通って排出される水を、ガス排出流路２０２へ排出することが容易となる。さらに、ガス導出口１８２ｂは、燃料電池スタック１００が水平姿勢である場合に、支持軸１９６ｂの軸心を通る鉛直線上に位置している。このような位置に設けることで、燃料電池スタック１００が支持軸１９６ｂを中心に揺動した場合、ガス導入口１８２ｂの移動量を最小にすることができ、フレキシブル管(図示せず)の変形量を抑制し、寿命を延ばすことができる。

図１５は、燃料電池スタック１００の全体斜視図である。エンドプレート１９ａ、１９ｂの両端部には、ボルト挿通孔が形成されており、両エンドプレート１９ａ、１９ｂのボルト挿通孔を同時に相通する４本の締着ボルト１９０によって、上記積層されたセパレータ１３、単位セル１５、電極１９１ａ、１９１ｂ、絶縁部材１９２ａ、１９２ｂは、積層方向に締め付けられて一体化され、燃料電池スタック１００が構成される。燃料電池スタック１００は、筐体１０１内に収容され、両端のエンドプレート１９ａ、１９ｂを介して支持軸１９６ａ、１９６ｂにより、筐体１０１内で揺動自在に支持されている。つまり、両支持軸１９６ａ、１９６ｂは、同一軸線上に配置されている。なお、支持軸１９６ａ、１９６ｂは、それぞれ筐体１０１側に固定されている。筐体１０１の側壁には、燃料ガス供給流路２０１Ｂを接続する接続口１０１ｈが形成され、該接続口１０１ｈとガス取入口１８１ａとは、供給管であるフレキシブル管２０１ｆによって連結されている。フレキシブル管２０１ｆは、燃料ガス供給流路２０１Ｂの一部を構成し、伸縮及び変形可能な性質を有する材料又は構成を備えている。この構成は、図示されていないが、ガス導出口１８２ｂ側の側壁にも、ガス排出流路２０２が外側に接続される接続口が設けられ、該接続口とガス導出口１８２ｂとは導出管であるフレキシブル管で接続されている。なお、排出口であるガス導出口１８２ｂに連結される接続口は、ガス導出口１８２ｂよりも鉛直下方に設けられ、水の排出を容易とする構成となっている。このようにフレキシブル管を用いることで、燃料電池スタック１００の姿勢や位置が変更された場合にも、該変更に応じて変形、伸縮するため、燃料ガスの供給・排出が可能となる。

図１６は、燃料電池スタック１００を収納している筐体１０１の正面断面図である。筐体１０１は、燃料電池スタック１００を収納しているケース１０１ｂと、ケース１０１ｂの開口に被せられる蓋体１０１ａとを備えている。燃料電池スタック１００の上面には、配列された複数の開口９４１で構成された酸化ガス導入部１０４が形成されており、下面には、複数の開口９５１で構成された酸化ガス導出部（図示せず）が構成されている。

蓋体１０１ａには、酸化ガス導入部１０４に対向する位置に酸化ガス流入口１０１ａｂが形成され、該酸化ガス流入口１０１ａｂは、空気マニホールド５４の一部を構成する導風カバーで覆われる。導風カバーは、空気導入路１２３に接続され、空気ファン１２２から送られる空気が酸化ガス導入部１０４へ導かれる。

なお、酸化ガス導入部１０４の終端部と、酸化ガス流入口１０１ａｂの終端部の間には、導風壁５４１が設けられている。酸化ガス導入部１０４は、この導風壁５４１で囲まれ、導かれた酸化ガス（空気）が、燃料電池スタック１００の外側に漏れないように構成されている。導風壁５４１は、伸縮自在な部材で構成され、筐体１０１に対して燃料電池スタック１００の姿勢が変動し、酸化ガス導入部１０４と酸化ガス流入口１０１ａｂとの位置関係に変動があった場合にも、その変動に応じて変形（伸縮又は湾曲）し、酸化ガスが導風通路の外側に漏れないように構成されている。導風壁５４１としては、例えば、鉛直方向の断面形状が、蛇腹状又は湾曲した形状の可撓部材で構成され、あるいは十分な伸縮性を有する材料で構成された部材が用いられる。

一方、蓋体１０１ａの天井部内壁には、燃料電池スタック１００の４つの角に対応する位置に、緩衝部材ＳＳａ１、ＳＳａ２、ＳＳｂ１、ＳＳｂ２（緩衝部材ＳＳｂ１、ＳＳｂ２は図示外）がそれぞれ配置されている。これらの緩衝部材ＳＳａ１、ＳＳａ２、ＳＳｂ１、ＳＳｂ２は、燃料電池スタック１００が揺動した場合に、燃料電池スタック１００の上側の角部に当接し、燃料電池スタック１００と蓋体１０１ａとの衝突による破損を防止する。

筐体１０１の底面には、燃料電池スタック１００との間に、振幅制御手段としてのサスペンション装置Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓｂ１、Ｓｂ２（サスペンション装置Ｓｂ１は図示外）が、燃料電池スタック１００の４つの角に対応する位置に配置されている。各サスペンション装置Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓｂ１、Ｓｂ２は、それぞれ弾性係数を制御可能に構成される。このサスペンション装置Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓｂ１、Ｓｂ２の弾性係数を別個に変更することによって、任意の揺動パターンを燃料電池スタック１００に加えることができる。例えば、図１６において、支持軸１９６ａ、１９６ｂを中心として、左側のサスペンション装置Ｓａ１、Ｓｂ１の弾性係数を増大させ、右側のサスペンション装置Ｓａ２、Ｓｂ２の弾性係数を小さくすることにより、図１７に示されているように、支持軸１９６ａ、１９６ｂの右側を低く、左側を高くした姿勢に変更でき、この弾性係数の変更を瞬時に行うことによって、燃料電池スタック１００の角部を筐体１０１に衝突させ、その際の衝撃を燃料電池スタック１００に加えることが可能となる。

この衝突による衝撃によって、燃料電池スタック１００には、揺動やサスペンションなどよって緩慢に加えられる加速度に比較して、より大きな加速度を一時に加えることができ、燃料室内などに生成した結露を振るい落とし、或いは、結露を結合させるなどの作用が十分に発揮される。

また、各サスペンション装置Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓｂ１、Ｓｂ２の弾性係数を最も小さくすることによって、燃料電池スタック１００をフリー揺動させる構成とすることもできる。特に、本発明の燃料電池システムを車両に搭載した場合には、車両走行時に発生する加速度や振動によって、燃料電池スタック１００を揺動させ、燃料電池スタック１００に加速度を加えることができる。このような構成において、支持軸１９６ａ、１９６ｂを一直線上につなぐ揺動中心軸は、単位セル１５とセパレータ１３の積層方向に沿って配置されているが、燃料電池スタック１００の重心を通る鉛直線に交差するものであれば、上記揺動中心軸は、どのような向きに配置されていてもよい。例えば、セパレータ１３等に平行な方向に配置されていてもよく、燃料電池スタック１００の上面において、対角線方向に配置されていてもよい。このように構成することで燃料電池スタック１００を振動させる場合には、ストッパ(図示せず)を外して車両の挙動によって振動させる。また、振動させたくない場合には、燃料電池スタック１００をストッパで固定する。

一方、揺動制御手段としては、サスペンション装置の他、減衰率を変更可能な緩衝装置（ダンパー）を用いてもよい。加速度付与機構は、上記サスペンション装置Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓｂ１、Ｓｂ２と、支持軸１９６ａ、１９６ｂを備える。

次に、加速度付与機構の他の構成例を説明する。図１８は、第２実施形態の燃料電池スタック１００Ａの正面図、図１９は同じく全体斜視図である。本構成の燃料電池スタック１００Ａでは、各エンドプレート１９Ａａ、１９Ａｂの上端部にガイドレール１９ｒａ、１９ｒｂがそれぞれ一体として設けられ、該ガイドレール１９ｒａ、１９ｒｂの下側には、ユニバーサル軸受１９Ｍａ、１９Ｍｂがそれぞれ転接している。図２０は、ユニバーサル軸受１９Ｍａの全体斜視図である。ユニバーサル軸受１９Ｍａは、支持軸１９６ａの先端に固定されたポール１９６ａｂと、該ボール１９６ａｃの最大外周円に摺動自在に嵌合する外輪１９６ａｃとを有し、外輪１９６ａｃは、ガイドレール１９ｒａに下側から転接する。ユニバーサル軸受１９Ｍｂも同一の構成であるので説明を省略する。

外輪１９６ａｃに対して支持軸１９６ａは、任意の方向に可動可能に構成されている。このような軸受部の構成によって、支持軸１９６ａ、１９６ｂは、それぞれ軸受１９Ｍａ、１９Ｍｂをガイドレール１９ｒａ、１９ｒｂに対して転接しつつ、該ガイドレール１９ｒａ、１９ｒｂに対して平行移動可能に構成されている。

このような構成とすることによって、支持軸１９６ａ、１９６ｂは、平行移動によって、燃料電池スタック１００Ａを支持する支持位置を変更させることができる。一方、筐体１０１Ａ内において、燃料電池スタック１００Ａと筐体１０１Ａの間には、ガイドレール１９ｒａ、１９ｒｂの延長線方向に案内機構１０５ａｌ、１０５ａｒがそれぞれ配置されている。案内機構１０５ａｌ、１０５ａｒは、燃料電池スタック１００Ａの角部ＦＬ、ＦＲ、ＢＬ、ＢＲにそれぞれ対応する位置に設けられ、各角部ＦＬ、ＦＲ、ＢＬ、ＢＲに接触して、燃料電池スタック１００Ａのガイドレール１９ｒａ、１９ｒｂ方向の位置決めを行う。

案内機構１０５ａｒの構成について説明する。案内機構１０５ａｒは、筐体１０１Ａの底部に揺動自在に支持された案内板ＧＰと、該案内板ＧＰを燃料電池スタック１００Ａを元の位置に復元させる際に位置する固定位置（図１８中の実線で表示された位置）と、固定状態が解除され外側に倒れこんだ解除位置（図１８中の想像線で表示された位置）との間で移動させる駆動装置とを有し、駆動装置は、案内板ＧＰを、この固定位置と解除位置との間で移動、固定、固定解除を行う。

図２１は、支持軸１９６ａの移動装置１１を示す斜視図である。支持軸１９６ｂの移動装置については、支持軸１９６ａの構成が移動装置１１と同様であるので説明を省略する。筐体１０１Ａにおいて、エンドプレート１９Ａａに対向する側面には、支持軸１９６ａが挿通する長孔１０２が形成されている。長孔１０２は、長辺方向がガイドレール１９ｒａに平行に形成されている。筐体１０１Ａの外側には、移動装置１１が配置されている。移動装置１１は、リニアモータを備え、リニアモータの固定子１１１ｓと可動子１１１ｍと、可動子１１１ｍに固定された軸支部１１１ｍｔとを有している。固定子１１１ｓは、ガイドレール１９ｒａに対して平行に配置され、可動子１１１ｍは、ガイドレール１９ｒａに平行な移動軌跡を描くように構成されている。

支持軸１９６ａには、移動装置１１のほかに、図示しないが、かた持状態で支持軸１９６ａを支持する周知の支持構造が設けられ、燃料電池スタック１００Ａを支持するために十分な強度の構造が備えられている。リニアモータを駆動させることによって、可動子１１１ｍが移動し、これにより支持軸１９６ａが、軸の挿通方向に対して直交する方向に平行移動する。

リニアモータは、例えば、リニアパルスモータを用いることで、支持軸１９６ａの位置決め精度が良好となる。なお、移動装置１１としては、リニアモータのほかに他のアクチュエータを用いてもよい。例えば、油圧又は空圧シリンダを、ガイドレール１９ｒａに平行な向きに設置し、進退駆動するロッドを軸受部１１１ｍｔに接続してもよい。或いは、ガイドレール１９ｒａに平行に設置されたラックに軸支部１１１ｍｔを固定し、ラックに噛み合うピニオンをステッピングモータで駆動させ、ラックを平行移動させる構成としてもよい。

以上のように構成された加速度付与機構において、各支持軸１９６ａ、１９６ｂの位置をそれぞれ移動させることにより、燃料電池スタック１００Ａの任意の角を落下させ、燃料電池スタック１００Ａに加速度を与えることが可能となる。例えば、燃料電池スタック１００Ａの角部ＦＬを落下させる場合には、支持軸１９６ａを角部ＦＲに近づける方向へ移動させる。これより、燃料電池スタック１００Ａの重心が、軸受１９Ｍａ、１９Ｍｂとを結ぶ線から外れて、バランスを崩し、角部ＦＬが落下する。落下の速度は、支持軸１９６ａを移動させる速度によって調整することができる。支持軸１９６ａの移動速度を速くすれば、落下速度は速くなり、遅くすれば、落下速度は遅くなる。この落下速度によって、燃料電池スタック１００Ａに加わる加速度も調整でき、落下速度が速い程、加わる加速度は大きくなり、遅い程、加速度は小さくなる。

同様に、いずれかの角部ＦＬ、ＦＲ、ＢＬ、ＢＲを落下させるには、その角部のあるエンドプレート１９Ａａ、１９Ａｂを支持する支持軸１９６ａ、１９６ｂを、該角部に対して反対方向に移動させる。また、角部ＦＬ、ＦＲ、ＢＬ、ＢＲ以外に、端辺部を落下させる場合には、落下させる端辺部（具体的には、角部ＦＲと角部ＢＲの間の端辺部、又は、角部ＦＬと角部ＢＬの間の端辺部）に対して、反対側へ向けて支持軸１９６ａ、１９６ｂを移動させれば良い。

なお、燃料電池スタック１００Ａを落下させる際には、案内機構１０５ａｌ、１０５ａｒにおける案内板ＧＰの固定は解除される。また、支持軸１９６ａ、１９６ｂを基準位置に戻す際には、案内板ＧＰは固定位置に復帰固定され、支持軸１９６ａ、１９６ｂがガイドレール１９ｒａ、１９ｒｂの中心位置に戻るように、燃料電池スタック１００Ａを案内する。

燃料電池スタック１００Ａの加速度付与機構は、以上説明したガイドレール１９ｒａ、１９ｒｂ、支持軸１９６ａ、１９６ｂ、軸受１９Ｍａ、１９Ｍｂ、移動機構１１を備えている。他の変形例として、ガイドレールは、両端のエンドプレート１９ａ、１９ｂの間に架設し、セパレータや単位セル積層方向に向けて配置されていてもよい。

次に、加速度付与機構の第３の構成例について説明する。図２２は、燃料電池スタック１００Ｂの全体斜視図である。燃料電池スタック１００Ｂは、筐体１０１Ｂ内に収容されており、各エンドプレート１９Ｂａ、１９Ｂｂの両端部には、吊下索を接続するための索連結部１９Ｂａｌ、１９Ｂａｒ、１９Ｂｂｌ、１９Ｂｂｒが形成されている。該索連結部１９Ｂａｌ、１９Ｂａｒ、１９Ｂｂｌ、１９Ｂｂｒには、連結輪を介して吊下索Ｓｆｌ、Ｓｆｒ、Ｓｂｌ、Ｓｂｒがそれぞれ連結されている。各吊下索Ｓｆｌ、Ｓｆｒ、Ｓｂｌ、Ｓｂｒは、各索連結部１９Ｂａｌ、１９Ｂａｒ、１９Ｂｂｌ、１９Ｂｂｒの鉛直上方に各々設けられた、巻銅Ｄｆｌ、Ｄｆｒ、Ｄｂｌ、Ｄｂｒに巻き付けられている。さらに、各巻銅Ｄｆｌ、Ｄｆｒ、Ｄｂｌ、Ｄｂｒの回転軸は、それぞれ巻取モータＭｆｌ、Ｍｆｒ、Ｍｂｌ、Ｍｂｒの出力に連結されており、該モータによって、回動及び停止が制御される。以上のように、燃料電池スタック１００Ｂの加速度付与機構は、巻取モータＭｆｌ、Ｍｆｒ、Ｍｂｌ、Ｍｂｒと、巻銅Ｄｆｌ、Ｄｆｒ、Ｄｂｌ、Ｄｂｒと、吊下索Ｓｆｌ、Ｓｆｒ、Ｓｂｌ、Ｓｂｒとを備えている。通常、巻取モータＭｆｌ、Ｍｆｒ、Ｍｂｌ、Ｍｂｒは、吊下索Ｓｆｌ、Ｓｆｒ、Ｓｂｌ、Ｓｂｒを巻取った状態で（燃料電池スタック１００Ｂを吊り上げた状態で）ロックされ、加速度を付与する作用を発揮する場合だけ、適宜個別にロック解除が行われる。なお、索連結部１９Ｂａｌ、１９Ｂａｒ、１９Ｂｂｌ、１９Ｂｂｒは、４つである必要はなく、索連結部を頂点とする三角形の内側に燃料電池スタック１００Ｂの重心が位置すれば、３つでもよい。

以上のような構成を有する燃料電池スタック１００Ｂの加速度付与機構では、任意の角部ＦＬ、ＦＲ、ＢＬ、ＢＲを落下させることができる。特定の角部を落下させる場合には、落下させる角部から最も遠い角部に接続されている吊下索の巻取モータの駆動をロックし、他の３つの巻取モータのロックを解除する。これにより、解除された３つの巻取モータは、燃料電池スタック１００Ｂの重さによって反転し、所望の角部が最初に筐体１０１Ｂの底部に落下する。そして、解除した巻取モータを駆動させ、巻銅を回転させて吊下索を巻取り、燃料電池スタック１００Ｂを元の位置へ復帰させる。

具体例をあげると、燃料電池スタック１００Ｂの角部ＢＲに加速度を付与したい場合には、この角部ＢＲに対して最も遠い位置にある角部ＦＬの巻取モータＭｆｌのロック状態を維持し、他の巻取モータＭｆｒ、Ｍｂｌ、Ｍｂｒのロックを解除する。これにより、各巻銅Ｄｆｒ、Ｄｂｌ、Ｄｂｒは、燃料電池スタック１００Ｂの重さによって反転し、角部ＦＲ、ＢＬ、ＢＲが下方へ落下する。そして、固定された角部ＦＬから最も遠い角部ＢＲが最初に筐体１０１Ｂの底部に衝突し、角部ＢＲに最も強い衝撃（加速度）が与えられる。
その後、各巻取モータＭｆｒ、Ｍｂｌ、Ｍｂｒを巻取り方向へ駆動させることによって、燃料電池スタック１００Ｂは、元の姿勢に復帰される。

なお、この第３の構成例では、任意の角部ＦＬ、ＦＲ、ＢＬ、ＢＲに限らず、任意の端辺部、すなわち、角部ＦＬと角部ＦＲの間の端辺、角部ＦＲと角部ＢＲの間の端辺、角部ＢＲと角部ＢＬの間の端辺、角部ＢＬと角部ＦＬの間の端辺をそれぞれ落下させることが可能となる。この場合には、落下させる端辺部に対して反対側の端辺部に含まれる角部を吊るす吊下索の巻取モータをロックし、その他の巻取モータのロックを解除すればよい。さらに、燃料電池スタック１００Ｂ全体を落下させることもできる。この場合には、全ての巻取モータＭｆｌ、Ｍｆｒ、Ｍｂｌ、Ｍｂｒのロックを同時に解除する。

また、落下させる際には、ロックが解除される巻取モータＭｆｌ、Ｍｆｒ、Ｍｂｌ、Ｍｂｒを空転させるのではなく、吊下索Ｓｆｌ、Ｓｆｒ、Ｓｂｌ、Ｓｂｒを巻き取る方向とは逆の方向に回転駆動させてもよい。この場合には、空転する場合に比較して、落下速度が速くなり、より大きな加速度を付与させることができる。また、各巻取モータと各巻銅の間にクラッチを設け、ロックを解除する場合には、クラッチを開放し、巻銅Ｄｆｌ、Ｄｆｒ、Ｄｂｌ、Ｄｂｒのみを空転させる構成としてもよい。そして、吊下索を巻き戻す場合には、クラッチを接続する。

次に、図１に示されている燃料電池システムの構成について説明する。
燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口１８１ａに接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素元バルブ１８、一次圧センサＳ０、レギュレータ１９、第１ガス供給弁２０、二次圧センサＳ１、及び水素調圧弁２１、第２ガス供給弁２２、三次圧センサＳ２が順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａは、燃料ガス供給流路２０１Ｂの一端に接続している。燃料ガス供給流路２０１Ｂの他端は、燃料電池スタック１００の上記ガス取入口１８１ａに接続されている。燃料電池スタック１００のガス排出口には、ガス排出流路２０２の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。ガス排出流路２０２には、燃料電池スタック１００のガス排出口側から順に、トラップ２４、循環ポンプ２５、循環電磁弁２６が配置されている。トラップ２４には、水レベルセンサＳ１０が取り付けられ、さらに、ガス導出路２０３の一端が接続されている。ガス導出路２０３の他端は、空気ダクト１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。

次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路である空気ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。
空気導入路１２３内には、空気マニホールド５４内の直前位置に、冷却水を空気導入路１２３内へ向けて噴射するノズル５５が設けられている。このノズル５５は、空気マニホールド５４内に設けられていてもよい。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の導入口４３に空気を分割して流入させる。

空気ダクト１２４は、燃料電池スタック１００の導出口４４に接続され、導出口４４から流出した空気を合流させ、凝縮器５１を介して外部へ導流する。空気ダクト１２４の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器５１が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。凝縮器５１は、空気から水分取り出す。また、ノズル５５から供給された水の内、燃料電池スタック１００内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００内の温度が間接的に検出される。

次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、水タンク５３１と、凝縮器５１で回収した水を水タンク５３１へ導く導水路５７と、水タンク５３１の水をノズル５５へ導く給水路５６とを有する。導水路５７には、凝縮器５１から水タンク５３１へ向けて、回収ポンプ６２が順に設けられている。回収ポンプ６２は、燃料電池スタック１００に対して噴射された冷却水と、凝縮器５１で排気ガスから取り出された水を、水タンク５３１へ送り込む。
給水路５６には、フィルタ６４、水供給手段である供給ポンプ６１が順に設けられている。水タンク５３１には、水温センサＳ５と、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ７が設けられている。凝縮器５１と、導水路５７と、回収ポンプ６２とによって、水回収手段が構成される。

燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ７３には、スイッチ手段であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor／絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）７５を介して補助電源７６が接続されている。補助電源７６は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。
この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。

図２３は、本発明の燃料電池システムの制御系の構成を示すブロック図である。燃料電池システム１の制御系は、各センサＳ０〜Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０の検出値が入力され、レギュレータ１９、各電磁弁１８〜１９２０、２２、２７、各ポンプ２５、６１、６２、ファン１２２、インバータ７３、ＩＧＢＴ７５を制御する制御装置（ＥＣＵ）２００を備えている。この制御装置ＥＣＵには、第１の構成例における加速度付与機構のサスペンション装置Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓｂ１、Ｓｂ２が接続され、これらのサスペンション装置Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓｂ１、Ｓｂ２の弾性係数が、別個に制御される。

この他、第２の構成例における加速度付与機構では、制御装置２００に、一対の移動機構１１と案内機構１０５ａｌ、１０５ａｒが接続され、各支持軸１９６ａ、１９６ｂの位置制御が行われる。また、第３の構成例における加速度付与機構では、制御装置２００に、巻取モータＭｆｌ、Ｍｆｒ、Ｍｂｌ、Ｍｂｒが接続され、各モータのロック解除と、吊下索Ｓｆｌ、Ｓｆｒ、Ｓｂｌ、Ｓｂｒの巻取り制御が行われる。
以上のような、加速度付与機構と制御装置２００によって、加速度付与装置が構成される。この制御装置２００には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。

図２４は、燃料電池システムの制御動作を示すフローチャートである。
パワースイッチがオンされたか判断し（ステップＳ１０１）、オンされた場合には、走行判定ルーチン（ステップＳ１０３）を実行する。オンされない場合には、以降の処理を行われない。
走行判定ルーチンでは以下のような処理が行われる。燃料電池システムは、水素貯蔵タンク１１に蓄えられた高圧水素ガスを、調圧弁１９、２１により所定の圧力に調整して燃料電池スタック１００に供給する。また、ファン１２２から送られた空気が、燃料電池スタック１００に供給される。燃料電池では、水素ガスと空気中の酸素の電気化学反応により、起電力を発生する。そして、燃料電池で発生した電力と、燃料電池に並列に接続されたキャパシタ（蓄電装置）７６から出力される電力とをインバータへ供給し、モータを駆動して車両の駆動力を得る。

次に、フラッディング判定ルーチンＳ１０３が実行される。図２５は、フラッディング判定ルーチンの処理内容を示すフローチャートである。燃料電池スタック１００の出力電流を検出する電流センサＳ３から供給される検出値に基づき、積算電流値Ｇを演算する（ステップＳ２０３）。この積算値は、燃料電池スタック１００が発電を開始してからの積算値である。積算値は、電流値でなく、電圧センサＳ４の検出値も考慮した、積算電力値としてもよい。電流センサＳ３又は、電圧センサＳ４によって、負荷検出手段が構成される。

積算値Ｇが予め定められた所定値１を越えたか判断する（ステップＳ２０５）。超えていない場合には、ステップＳ２０３を再度実行する。超えている場合には、発電によって生成水がある程度発生し、フラッディングが生じていることを示しており、Ｍに１を入力する（ステップＳ２０７）。
更に、積算電流値Ｇが予め定められた所定値２を越えたか判断する（ステップＳ２０９）。所定値２は、所定値１よりも大きな数値であり、更に、所定値２を超えている場合には、所定値１の場合よりも、さらに多くの生成水が生じていることを意味しており、Ｍに２を入力する（ステップＳ２１１）。超えていない場合には、ステップＳ２１１は、スキップされ、リターンされる。上記ステップＳ２０５〜２１１によって、判定手段が構成され、電流センサＳ３と前記ステップによって、生成水量判断手段が構成される。

このフラッディングの判定は、積算電流値により判断する場合の他、燃料電池スタックの運転時間を計測するタイマを設け、所定時間経過する毎に、フラッディングが発生するものと判定してもよい。あるいは、燃料電池スタックの出力電流値が、所定値以上である時間のみを計測し、その時間が所定時間に達した場合にフラッディングが発生しているものと判断してもよい。この所定値は、高電流値に設定される。生成される水は電気化学反応の結果、生成されるので、電流値により、生成水の量を推定することができる。

次に、加速度付与制御ルーチンＳ１０７が実行される。なお、以下の制御例は、加速度付与機構の構成が第１の構成例（図１５）である場合についての説明である。図２６は、加速度付与制御ルーチンＳ１０７の処理内容を示すフローチャートである。Ｍの値が１であるか判断する（ステップＳ３０１）。１である場合には、加速度付与機構のサスペンション装置Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓｂ１、Ｓｂ２の弾性係数を変更し、燃料電池スタック１００を揺動させる。この際、燃料電池スタック１００の片側の端辺部を筐体１０１の底部にサスペンション装置Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓｂ１、Ｓｂ２を介して衝突させ、燃料電池スタック１００に加速度を付与する。特に、燃料排出口１８１ｂが設けられている側の端辺部が下側に位置するように最初に加速度を加える（ステップＳ３０３）。これにより、燃料電池スタック１００の燃料室３０内において、電極等に付着した結露等が振るい落とされ、或いは結露を結合させて成長させ、生成水の排出が促進させられる。

Ｍの値が１でない場合には、ステップＳ３０３はスキップされる。次にＭの値が２であるか判断する（ステップＳ３０５）。Ｍの値が２である場合には、フラッディングの程度が高いことを意味するので、多量の水が溜まっていることを意味するので、加速度付与機構を作動させるが（ステップＳ３０７）、加速度付与機構により燃料電池スタック１００に加えられる加速度を増加させる。例えば、サスペンション装置Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓｂ１、Ｓｂ２の弾性係数を増加させる量を大きく又は、変化速度を大きくし、衝撃を強くする。又は、燃料電池スタック１００を揺動させて衝撃を加える回数を、ステップＳ３０３で加える回数に比較して多くする。これにより、より確実に水の排出が促進される。

次に所定時間経過したか判断する（ステップＳ３０９）。この所定時間は、水の振り落としが十分完了する時間に設定されている。燃料電池スタック１００を傾斜させることにより水か流れて排出されることを促進するため、十分に水が流出する時間に設定されている。所定時間経過後に、燃料電池スタック１００を水平な姿勢（デフォルト位置）に戻す（ステップＳ３１１）。また、ステップＳ３０５で、Ｍが２でない場合には、ステップＳ３０７はスキップされ、ステップＳ３０９が実行される。
以上のような処理が終了した後、パワースイッチがオフになったか判断し（ステップＳ１０７）、オフである場合には、処理を終了する。

図２７は、他の燃料電池スタック１００Ｃの構成を示す平面断面図である。この燃料電池スタック１００Ｃは、遮蔽板１６を有さず、全ての燃料室において、水素通路１７ａから水素通路１７ｂへ燃料ガスが流通する構成となっている。このような構成では、ステップＳ３０３又はＳ３０７において、最初に燃料ガスの上流側に位置する水素通路１７ａ側の端辺部を落下させて加速度を加え、次に、下流側に位置する水素通路１７ｂ側の端辺部を落下させて加速度を加える。生成水は、燃料ガス流通によって押し流れるので、下流側へ向けて増加する。このため、最初に上流側で衝撃を加えて水を振るい落とし、次に下流側に衝撃を加えて、水滴を結合させて増大させることで、水の排出を促進させることができる。さらに、最後に水素通路１７ｂ側の端辺部を落下させた状態（水素通路１７ｂ向けて水が流れ込むように傾斜した状態）で、所定時間維持させる（ステップＳ３０９）ことで、水の排出が更に促進される。
このような加速度を加える方法は、図９に示されているような、モジュール１３０毎に区切られた燃料電池スタック１００でも同様に行うことができる。この場合には、水が各モジュール１３０−１〜４を順に通過できるように、水素通路１７ａ側の端辺部と、水素通路１７ｂ側の端辺部を交互に落下させる。

次に、図１９に示されているような第２の構成例における加速度付与動作について説明する。例えば、ステップＳ３０３では、フラッディングの程度が低いので、燃料排出口１８１ｂに近い角部ＢＲのみを落下させる。或いは、燃料排出口１８１ｂ近傍の２つの角部の内、最初に角部ＢＬを、次に角部ＢＲを落下させる。また、ステップＳ３０７では、フラッディングの程度が高いので、より確実に水の振るい落としと排出をする必要がある。そこで、最初に、燃料電池スタック１００Ａの角部ＦＲ、次に角部ＦＬ、角部ＢＬ、角部ＢＲの順で、落下させ、次に、角部ＦＲと角部ＢＲの間の端辺部を落とし、次に角部ＦＬと角部ＢＬの間の端辺部を落とす。この端辺部の落下を交互に繰り返す。この繰り返しによって、振るい落とされた水滴は、水素通路１７ａと水素通路１７ｂの間を流れながら、モジュール１３０−１からモジュール１３０−４へ順に移動し、排出される。
図２７に示されているモジュール毎に区分けされていない構成の燃料電池スタック１００Ｃの場合には、角部ＦＲ、角部ＢＲ、角部ＦＬ、角部ＢＬの順に落下させる。これにより、燃料室内の水滴は水素通路１７ｂに移動し、最終的に角部ＢＬが最下位置となるため、燃料排出口１８１ｂからの排出が促進される。

次に、図２２に示されているような第３の構成例における加速度付与動作について説明する。この構成は、第２の構成例と同様に各角部ＦＲ、ＢＲ、ＦＬ、ＢＬを別個に落下させられる構成であるため、ほぼ同様の制御が行われる。但し、この構成例では、角部ＦＬと角部ＦＲの間の端辺部と、角部ＢＬと角部ＢＲの間の端辺部とを落下させることができ、セパレータの積層方向へ向けた傾斜を形成することができるため、各部の落下制御の後、角部ＢＬと角部ＢＲの間の端辺部を下側にした状態で所定時間維持することによって（ステップＳ３０９）、燃料排出口１８１ｂからガス導出口１８２ｂへの水の排出を容易にすることができる。

この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面側面図（Ｂ‐Ｂ断面図）である。 燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｃ‐Ｃ断面図）である。 燃料電池用セパレータの全体背面図である。 単位セルの断面図である。 燃料電池スタックの部分平面図である。 燃料電池スタックの全体平面図である。 燃料電池スタックの部分断面側面図である。 水素通路の縦断面を示す燃料電池スタックの部分断面図（Ｄ-Ｄ断面図）である。 遮蔽板の全体平面図である。 燃料電池スタックを示す全体正面図である。 燃料電池スタックを示す全体背面図である。 加速度付与機構の第１構成例を示す全体斜視図である。 燃料電池スタックの筐体内の姿勢を示す正面図である。 燃料電池スタックの筐体内の姿勢を示す正面図である。 燃料電池スタックの筐体内の姿勢を示す正面図である。 加速度付与機構の第２構成例を示す全体斜視図である。 軸受部の構成を示す部分斜視図である。 筐体外部の移動機構を示す全体斜視図である。 加速度付与機構の第３構成例を示す全体斜視図である。 燃料電池システムの制御系のブロック図である。 燃料電池システムの制御動作を示すフローチャートである。 フラッディング判定ルーチンの処理内容を示すフローチャートである。 加速度付与制御ルーチンの処理内容を示すフローチャートである。 燃料電池スタックの他の構成例を示す断面平面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１１ 水素貯蔵タンク
１００ 燃料電池スタック
１０１ 筐体
Ｓａ１〜４ サスペンション装置
１９６ａ、１９６ｂ 支持軸
１９ｒａ、１９ｒｂ ガイドレール
１１ 移動機構（駆動機構）
Ｓｆｌ、Ｓｆｒ、Ｓｂｌ、Ｓｂｒ 吊下索
Ｍｆｌ、Ｍｆｒ、Ｍｂｌ、Ｍｂｒ 巻取モータ
２００ 制御装置

Claims (8)

1. 互いに隣接する複数の単位セルの間にセパレータが配置され、前記セパレータに対して、前記単位セルの燃料極との間に燃料ガス室を、前記単位セルの酸化極との間に酸化ガス室を有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを揺動自在に支持し、前記燃料電池スタックの重心を通る鉛直線に交差する軸線を有する支持軸と、
   前記燃料電池スタックの揺動振幅を決定する振幅制御手段と、
   を有する燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックの燃料室へ燃料ガスを供給する供給口に接続された撓み可能な供給管と、
   前記燃料電池スタックの燃料室からの排ガスを取り出す排出口に接続された撓み可能な導出管とを備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記供給口又は前記排出口は、前記支持軸の軸受部に近接した位置に設けられている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 互いに隣接する複数の単位セルの間にセパレータが配置され、前記セパレータに対して、前記単位セルの燃料極との間に燃料ガス室を、前記単位セルの酸化極との間に酸化ガス室を有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの対向する端部に配置され、互いに平行な一対のガイドレールと、
   前記各ガイドルートによって往復動自在に保持されたボール軸受と、
   前記各ボール軸受に接続され、相互に平行に支持された一対の支持軸と、
   前記各支持軸を前記ガイドレールに沿って平行移動可能に支持する一対の軸支持部と、
   前記各支持軸をそれぞれ単独で平行移動させ得る一対の駆動機構とを有し、
   前記各支持軸の位置を移動させることにより燃料電池スタックの特定された端部をケース内へ落下させる制御手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
5. 互いに隣接する複数の単位セルの間にセパレータが配置され、前記セパレータに対して、前記単位セルの燃料極との間に燃料ガス室を、前記単位セルの酸化極との間に酸化ガス室を有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの表面において、同一直線上に存在しない少なくとも３点にそれぞれ接続された吊下索と、
   前記各吊下索の張力を別個に解除できる解除手段と、
   張力を解除する吊下索を選択して、燃料電池スタックの特定された端部をケース内へ落下させる制御手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
6. 該燃料電池スタック内での生成水量を判断する生成水量判断手段と、
   前記制御手段は、該生成水量判断手段によって判断された生成水量に応じて燃料電池スタックの特定された端部を落下させる請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
7. 前記生成水量判断手段は、前記燃料電池スタックに加わる負荷を検出する負荷検出手段と、該負荷検出手段によって検出された負荷値に基づいて生成水量を判定する判定手段を有する請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記負荷検出手段は、燃料電池スタックから出力される電流を検出する電流計であり、前記判定手段は、積算電流値に基づいて生成水量を判定する請求項７に記載の燃料電池システム。

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