JP5471746B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。

固体高分子電解質型や固体酸化物型に代表される燃料電池は、基本単位となる電池セル（以下、単にセルともいう。）が複数積層され、各セルへマニホールドを介して水素や空気といった反応ガスが供給される構成となっている。

ここで、セルを複数積層して構成される燃料電池では、セルの積層数を増加すると、反応ガスが、マニホールドにおけるガス流れ上流側（入口部位）に流れ難くなり、ガス流れ上流側と下流側とで反応ガスの分配量が不均一となる課題がある。

そこで、マニホールドの内部に下流側ほど断面積の広いガス導管を配置したり、マニホールドの内部に粒径を下流側ほど小さくした粒子状の圧損体を配置したりして、各セルへの反応ガスの分配量の均一化を図ったものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３１１３３４０号公報

ところで、特許文献１に記載の燃料電池の如く、マニホールドの内部にガス導管や圧損体を配置する構成では、マニホールド内部に一定流量の反応ガスを供給する際に有効と考えられるが、反応ガスの流量が変化する場合、マニホールド内部の圧力分布が変化するので、各セルへの反応ガスの分配量に偏りが生じてしまう虞がある。

本発明は上記点に鑑みて、電池セルを複数積層した燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、反応ガスの流量変化に伴う各電池セルへの反応ガスの分配量の偏りを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを電気負荷に出力する複数の電池セル（１ａ）を積層して構成された燃料電池（１）と、各電池セル（１ａ）に対応して形成された複数の供給孔（８ａ）を有し、複数の供給孔（８ａ）を介して燃料ガスを各電池セル（１ａ）に分配する燃料ガス供給用マニホールド（８）と、燃料ガス供給経路（２０）を介して燃料ガスを燃料ガス供給用マニホールド（８）に供給する燃料ガス供給手段（２２、２３）と、各電池セル（１ａ）に対応して形成された複数の供給孔（９ａ）を有し、複数の供給孔（９ａ）を介して酸化剤ガスを各電池セル（１ａ）に分配する酸化剤ガス供給用マニホールド（９）と、酸化剤ガス供給経路（３０）を介して酸化剤ガスを酸化剤ガス供給用マニホールド（９）に供給する酸化剤ガス供給手段（３２、３３）と、燃料ガス供給用マニホールド（８）および酸化剤ガス供給用マニホールド（９）の少なくとも一方の複数の供給孔を、所定数の供給孔単位で周期をずらして開閉し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方を電池セル（１ａ）に間欠的に噴射する間欠噴射手段（１０、５１、５２）と、を備えることを特徴とする。

これによれば、所定数の供給孔単位でタイミングをずらして反応ガスを電池セル（１ａ）に間欠的に噴射する構成としているので、反応ガスの流量が増減したとしても、複数の電池セル（１ａ）において特定の電池セルに偏って反応ガスが供給されることを抑制することができる。すなわち、電池セル（１ａ）を複数積層した燃料電池（１）を備える燃料電池システムにおいて、反応ガスの流量変化に伴う各電池セル（１ａ）への反応ガスの分配量の偏りを抑制することが可能となる。

具体的には、請求項１に記載の発明では、燃料ガス供給用マニホールド（８）および酸化剤ガス供給用マニホールド（９）それぞれを、電池セル（１ａ）の積層方向に沿って延びる円筒状の外管にて構成し、間欠噴射手段（１０、５１、５２）を、外管の内周面に対して回転可能な状態で外管に挿嵌されて燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれか一方が流れるガス流路を構成する円筒状の内管（１０）と、内管（１０）を径方向に回転駆動する内管駆動手段（５１、５２）と、を有する構成とする。そして、内管（１０）に、外管の内周側を回転する際に供給孔（８ａ、９ａ）に重合する貫通孔（１０ａ）を有する構成とする。さらに、複数の貫通孔（１０ａ）を、所定数の貫通孔単位で内管（１０）における周方向にずれた位置に、内管（１０）の長手方向に沿って形成し、内管（１０）が外管の内周側を回転する際に、複数の貫通孔（１０ａ）における一部の貫通孔が複数の供給孔（８ａ、９ａ）における一部の供給孔に重合して一部の供給孔が開放されると共に、複数の供給孔（８ａ、９ａ）における残りの供給孔が内管（１０）の外周面にて閉鎖される構成とすればよい。

また、請求項２に記載の発明の如く、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、複数の貫通孔（１０ａ）を複数の供給孔（８ａ、９ａ）それぞれに一対一で対応する構成としてもよい。

また、請求項３に記載の発明の如く、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、複数の貫通孔（１０ａ）それぞれを、内管（１０）が外管の内周側を回転する際に、複数の供給孔（８ａ、９ａ）のうち積層方向に隣接する２つ以上の供給孔に重合するように長手方向に延びる長孔状に形成してもよい。

また、請求項４に記載の発明の如く、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、複数の貫通孔（１０ａ）を、所定数の貫通孔単位で内管（１０）における周方向に均等に形成してもよい。

また、請求項５に記載の発明の如く、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、複数の貫通孔（１０ａ）それぞれを、内管（１０）の周方向に延びる長孔状に形成してもよい。

また、請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、酸化剤ガス供給手段（３２、３３）および内管駆動手段（５１、５２）それぞれが共通の駆動手段（３３）によって駆動されることを特徴とする。

このように、酸化剤ガス供給手段（３２、３３）および内管駆動手段（１０、５２）の駆動手段（３３）を共通化すれば、燃料電池システムの部品点数の増大を抑制することができる。

また、請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池（１）に対して要求される要求出力に応じて燃料ガスの必要供給量および酸化剤ガスの必要供給量を算出する必要供給量算出手段（Ｓ１２）と、必要供給量に応じて内管（１０）の目標回転数（Ｎｄ）、燃料ガスの目標供給圧力（Ｐｈｄ）、および酸化剤ガスの目標供給圧力（Ｐａｄ）を算出する目標値算出手段（Ｓ１４）と、内管（１０）の回転数が目標回転数（Ｎｄ）となるように内管駆動手段（５１、５２）を制御する内管制御手段（１００ｂ）と、燃料ガスの供給圧力（Ｐｈ）が燃料ガスの目標供給圧力（Ｐｈｄ）となるように燃料ガス供給手段（２２、２３）を制御すると共に、酸化剤ガスの供給圧力（Ｐａ）が酸化剤ガスの目標供給圧力（Ｐａｄ）となるように制御するガス供給制御手段（１００ａ）とを備え、目標値算出手段（Ｓ１４）は、必要供給量の増大に応じて、内管（１０）の目標回転数（Ｎｄ）、燃料ガスの目標供給圧力（Ｐｈｄ）、および酸化剤ガスの目標供給圧力（Ｐａｄ）を増大させ、必要供給量の減少に応じて、内管（１０）の目標回転数（Ｎｄ）、燃料ガスの目標供給圧力（Ｐｈｄ）、および酸化剤ガスの目標供給圧力（Ｐａｄ）を減少させることを特徴とする。

これによれば、燃料ガスおよび酸化剤ガスの必要供給量の変化に応じて、内管駆動手段（５１、５２）、燃料ガス供給手段（２２、２３）、および酸化剤ガス供給手段（３２、３３）を制御するので、各電池セル（１ａ）に対して適切に反応ガスを供給することができる。

ところで、燃料電池システムでは、電気負荷にて消費できない余剰電力が生じた場合に、当該余剰電力を二次電池（１３）に蓄えることで、余剰電力を有効活用することが可能となる。

しかし、燃料電池システムに余剰電力が生じた場合に、二次電池（１３）の充電容量が満充電状態であると、余剰電力を有効に活用することができなくなるといった課題がある。

そこで、請求項８に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池（１）から出力される電気エネルギを蓄える二次電池（１３）と、二次電池（１３）の充電容量を検出する容量検出手段（１３ａ）と、酸化剤ガス供給手段（３２、３３）の作動を制御するガス供給制御手段（１００ｂ）と、を備え、酸化剤ガス供給手段（３２、３３）は、酸化剤ガスを圧縮して吐出する圧送ポンプ（３２）、圧送ポンプ（３２）にて圧縮された酸化剤ガスを蓄える蓄圧手段（３６）、蓄圧手段（３６）に蓄積された酸化剤ガスの圧力を調整する圧力調整手段（３７）を含んで構成され、ガス供給制御手段（１００ｂ）は、電気負荷にて消費できない余剰電力が生じた場合に、二次電池（１３）の充電容量が予め設定された基準容量以上であるときには、圧送ポンプ（３２）を作動させ、圧送ポンプ（３２）にて圧縮された酸化剤ガスを蓄圧手段（３６）に蓄えることを特徴とする。

これによれば、燃料電池システムに余剰電力が生じた場合、二次電池（１３）の充電容量が満充電状態であったとしても、圧送ポンプ（３２）を作動させて蓄圧手段（３６）に酸化剤ガスを蓄積することができるので、余剰電力を有効活用することが可能となる。

ここで、燃料電池として、固体高分子からなる電解質膜を有する電池セルを複数積層して構成された固体高分子型燃料電池を採用する場合には、各電池セルにおける電解質膜の導電率を維持するために、マニホールドを介して各電池セル内部に水を分配供給して電解質膜を加湿することがある。

しかしながら、この場合には、各電池セルに供給する反応ガスと同様に、複数の電池セルのうち、特定の電池セルに偏って水が供給されて各電池セルへの水の分配量が不均一となってしまう虞がある。

そこで、請求項９に記載の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池（１）は、固体高分子からなる電解質膜（２）を有する電池セル（１ａ）を複数積層して構成された固体高分子電解質型燃料電池であって、燃料ガス供給用マニホールド（８）にて構成される外管の内周側に挿嵌される内管（１０）、および酸化剤ガス供給用マニホールド（９）にて構成される外管の内周側に挿嵌される内管（１０）のうち、少なくとも一方の内管（１０）の内部に水を噴霧して供給するための水噴霧供給手段（３８）を備えることを特徴とする。

このように、燃料ガス供給用マニホールド（８）および酸化剤ガス供給用マニホールド（９）内の少なくとも一方の内管（１０）の内部に水を噴霧する構成とすれば、反応ガスと同様に、複数の電池セル（１ａ）において特定の電池セルに偏って水が供給されることを抑制することができ、各電池セル（１ａ）への水の分配量の偏りを抑制することが可能となる。

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。

第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池の要部の断面図である。 第１実施形態に係る間欠噴射装置の内管を説明する説明図である。 第１実施形態に係る各セルに反応ガスを噴射するタイミングを説明する説明図である。 第１実施形態に係る間欠噴射制御処理を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る反応ガスの供給量、供給圧力、および内管の回転数の関係を説明する説明図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 第２実施形態に係る間欠噴射制御処理を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る蓄圧制御処理を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 他の実施形態に係る内管を説明するための説明図である。

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）
本発明の第１実施形態について図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを、燃料電池１を走行用駆動源として走行する電気自動車（燃料電池自動車）に搭載したものである。

図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図を示し、図２は、燃料電池１の要部の断面図（積層方向の断面図）を示している。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、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１を備えている。燃料電池１は、二次電池（図示略）、走行用モータ（図示略）、補機等の電気負荷に電力を供給するものである。

本実施形態の燃料電池１は、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）を採用しており、基本単位となる電池セル１ａ（以下、単にセルとも呼ぶ。）が複数積層され、各セル１ａが電気的に直列に接続されている。

ここで、図２に示すように、各セル１ａは、プロトン伝導性のイオン交換膜（固体高分子）からなる電解質膜２および電解質膜２の両側面に配置された一対の電極３、４で構成される膜電極接合体と、これを両側から挟み込む一対のセパレータ５とを有している。

一対の電極３、４の一方の電極３は、燃料ガスとしての水素が供給される水素極（アノード）として構成され、他方の電極４は、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極（カソード）として構成されている。なお、各電極３、４は、触媒層およびガス拡散層にて構成されている。

また、一対のセパレータ５それぞれは、水素極３と対向する面に水素極３に水素を供給するための水素流路６が形成され、空気極４と対向する面に空気極４に空気を供給するための空気流路７が形成されている。

図１に戻り、燃料電池１の内部には、セル１ａの積層方向に延びる水素供給用マニホールド８および水素排出用マニホールド（図示略）が、各セル１ａの積層方向に延びるように配置されている。また、燃料電池１の内部には、セル１ａの積層方向に延びる空気供給用マニホールド９および空気排出用マニホールド（図示略）が、各セル１ａの積層方向に延びるように配置されている。

水素供給用マニホールド８は、水素を各セル１ａのセパレータ５に形成された水素流路に分配する円筒状の配管（外管）であり、各セル１a（各水素流路）に対応して丸孔状の複数の水素供給孔８ａが形成されている。一方、空気供給用マニホールド９は、空気を各セル１ａのセパレータ５に形成された空気流路に分配する円筒状の配管（外管）であり、各セル１a（各空気流路）に対応して丸孔状の複数の空気供給孔９ａが形成されている。なお、本実施形態では、水素供給用マニホールド８が本発明の燃料ガス供給用マニホールドに相当し、空気供給用マニホールド９が本発明の酸化剤ガス供給用マニホールドに相当している。

水素供給用マニホールド８および空気供給用マニホールド９から水素および空気といった反応ガスが供給されると、各セル１ａでは、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応して、電気エネルギを出力する。

（水素極側） Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（空気極側） ２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
なお、燃料電池１から出力される電気エネルギは、燃料電池１全体として出力される電圧を検出する電圧センサ（図示略）、および、燃料電池１全体として出力される電流を検出する電流センサ（図示略）によって計測される。なお、電圧センサおよび電流センサの検出信号は、後述する制御装置１００に入力される。

燃料電池システムには、燃料電池１の水素極に供給される水素ガスが通過する水素供給配管２０と、燃料電池１の水素極から排出される排ガスが通過する水素排出配管２１が設けられている。なお、本実施形態の水素供給配管２０が本発明の燃料ガス供給経路に相当している。

水素供給配管２０の最上流部には、燃料電池１の水素極に水素ガスを供給するための水素供給装置２２が設けられている。本実施形態では、水素供給装置２２として、高圧の水素が充填された水素タンクを用いている。

水素供給配管２０には、上流側から順に水素調圧弁２３、シャット弁２４が設けられている。燃料電池１に水素を供給する際には、シャット弁２４を開き、水素調圧弁２３によって所望の水素圧力にして燃料電池１に供給する。なお、車両停止時には、安全の為にシャット弁２４は閉められる。なお、本実施形態では、水素供給装置２２および水素調圧弁２３が燃料ガス供給手段に相当している。

水素供給配管２０におけるシャット弁２４の下流側には、燃料電池１入口側の水素の供給圧力（水素入口圧力）Ｐｈｉを検出するための水素供給圧力センサ６１が設けられている。この水素供給圧力センサ６１の検出信号は、後述する制御装置１００に入力される。

水素排出配管２１には、背圧調整弁２５が設けられている。必要に応じて背圧調整弁２５を開くことで、燃料電池１の水素極側から水素排出配管２１を介して、微量の水素ガス、蒸気（あるいは水）および空気極側から電解質膜２を通過して水素極側に混入した窒素、酸素などの不純物が排出される。

また、燃料電池システムには、燃料電池１の空気極に供給される空気（酸化剤ガス）が通過する空気供給配管３０と、燃料電池１の空気極から排出される排ガスが通過する空気排出配管３１が設けられている。なお、本実施形態の空気供給配管３０が本発明の酸化剤ガス供給経路に相当している。

空気供給配管３０には、空気を圧縮して吐出するための空気供給装置３２が設けられている。本実施形態では、空気供給装置３２として圧送ポンプを用いている。空気供給装置３２は駆動用モータ３３に接続されている。なお、本実施形態では、空気供給装置３２および駆動用モータ３３が本発明の酸化剤ガス供給手段に相当している。

また、空気供給配管３０における空気供給装置３２の下流側には、燃料電池１入口側の空気の供給圧力（空気入口圧力）Ｐａｉを検出するための空気供給圧力センサ６２が設けられている。この空気供給圧力センサ６２の検出信号は、後述する制御装置１００に入力される。

また、空気排出配管３１には、所望の圧力になるよう空気の排気圧力（燃料電池１の背圧）を調整する背圧調整弁３４が設けられている。

ところで、燃料電池１は発電に伴い熱を生じる。燃料電池１の発電に伴い発生する熱を冷却するため、燃料電池システムには、燃料電池１を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする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１に冷却液（熱媒体）を循環させる冷却水配管４０、ファン４２を備えたラジエータ４１、冷却液を循環させるウォータポンプ４３、ウォータポンプ４３を駆動する電動モータ４４が設けられている。燃料電池１で発生した熱は、冷却液を介してラジエータ４１で系外に排出される。なお、冷却水配管４０における燃料電池１の出口側近傍には、冷却水の温度を検出する温度センサ（図示略）が設けられており、この温度センサの検出信号は、後述する制御装置１００に入力される。

また、本実施形態の燃料電池システムは、水素供給用マニホールド８に形成された複数の水素供給孔８ａおよび空気供給用マニホールド９に形成された複数の空気供給孔９ａそれぞれを、所定数（本実施形態では１つ）の供給孔単位で周期をずらして開閉し、水素および空気をセル１ａに間欠的に噴射して供給する間欠噴射装置（間欠噴射手段）が設けられている。

本実施形態の間欠噴射装置は、水素供給用マニホールド８および空気供給用マニホールド９それぞれの内周面に対して回転可能な状態で挿嵌された円筒状の２つの内管１０と、内管１０を径方向に回転駆動する内管駆動部５１、５２とを有して構成されている。

この間欠噴射装置について図２〜図４に基づいて説明する。ここで、図３は、本実施形態に係る間欠噴射装置の内管を説明する説明図であり、図４は、各セル１ａに反応ガスを噴射するタイミングを説明する説明図である。なお、間欠噴射装置における内管１０の構成は、水素供給用マニホールド８および空気供給用マニホールド９とで略共通の構成であるため、ここでは、空気供給用マニホールド９における内管１０の構成については説明を省略する。

図２に示すように、水素供給用マニホールド８および内管１０は、水素供給用マニホールド８を外管として二重管構造を呈しており、内管１０の内部に水素が流通するガス流路が構成されている。そして、内管１０は、内管１０が水素供給用マニホールド８の内周側を回転可能なように、外周側の径寸法が水素供給用マニホールド８の内周側の径寸法と同程度の寸法に形成されている。

また、内管１０には、外管である水素供給用マニホールド８の内周側を回転する際に水素供給孔８ａに重なり合う（重合する）貫通孔１０ａが複数形成されている。この複数の貫通孔１０ａは、水素供給用マニホールド８における水素供給孔８ａに一対一で対応して内管１０の長手方向に沿って形成されている。さらに、複数の貫通孔１０ａは、周方向に均等にずれた位置に形成されている。つまり、内管１０に形成された複数の貫通孔１０ａは、内管１０の外周を螺旋状に並んで開口している。

内管駆動部５１、５２は、各マニホールド８、９の内部に配置された各内管１０それぞれを径方向に回転駆動する内管駆動手段であり、駆動用の電動モータ５１と電動モータ５１の駆動力を各内管１０に伝達する伝達機構５２にて構成されている。本実施形態では、内管駆動手段を各内管１０で共用しているので、燃料電池システムの部品点数の増大を抑制することが可能となる。

内管駆動部５１、５２からの駆動力を受けて各内管１０が各マニホールド８、９の内周側を回転すると、各内管１０に形成された複数の貫通孔１０ａにおける一部が複数の水素供給孔８ａおよび空気供給孔９ａにおける一部に重合して一部の供給孔が開放され、これと同時に、複数の水素供給孔８ａおよび空気供給孔９ａにおける残りの供給孔が各内管１０の外周面にて閉鎖されるようになっている。つまり、複数の水素供給孔８ａおよび空気供給孔９ａのうち各内管１０に形成された複数の貫通孔１０ａと重合する供給孔のみから水素および空気といった反応ガスがセル１ａ内に間欠的に噴射供給される。

例えば、図４に示すように、Ｎ個のセル１ａを積層した燃料電池１では、第１セルに対して所定流量の反応ガスを噴射供給した後、第１セルへの反応ガスの供給を停止し、次の第２セルに対して所定流量の反応ガスを噴射供給する。そして、第２セルへの反応ガスの供給を停止し、次の第３セルに対して所定流量の反応ガスを噴射供給する。つまり、セル１ａ毎に反応ガスを噴射供給するタイミングをずらしている。

このような動作を第Ｎセルまで行った後、再度、第１セルに対して所定流量の反応ガスを噴射供給する。なお、各セルに対して反応ガスを噴射供給する際に、前回供給した反応ガス等を排出する。つまり、各セルに対して反応ガスを噴射供給する際に、今回供給する反応ガスを前回供給した反応ガスと置換（フレッシュ）することとなり、セル１ａに対して今回供給する反応ガスの全体の供給量は、反応ガスの置換量と同等となる。

ここで、本実施形態の内管駆動部５１、５２は、水素供給孔８ａおよび空気供給孔９ａの開放する周期が同期するように、各内管１０を回転駆動するように構成されている。例えば、所定のセル１ａに対応する水素供給孔８ａが開放されるときには、当該セル１ａに対応する空気供給孔９ａも開放されるようになっている。

図１に戻り、燃料電池システムには、各種制御を行う制御手段としての制御装置（ＥＣＵ）１００が設けられている。制御装置１００は、各種入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種制御機器の作動を制御するもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭ等の記憶部に記憶された制御プログラムに従って各種演算等の処理を実行する。

具体的には、制御装置１００の入力側には、各種電気負荷からの要求電力信号、二次電池、二次電池からの充電量に関する検出信号、水素供給圧力センサ６１、空気供給圧力センサ６２、電流センサ、電圧センサ、および温度センサからの検出信号が入力される。この他にも、車両のアクセルペダル（図示略）の踏込み量（アクセル開度）やイグニッションスイッチ（図示略）の投入状態（オンオフ状態）が入力される。

一方、制御装置１００の出力側には、水素調圧弁２３、シャット弁２４、背圧調整弁２５、空気供給装置３２は駆動用モータ３３、背圧調整弁３４、内管駆動部５１、５２の駆動用の電動モータ５１等が接続され、各種制御機器に制御信号を出力する。

ここで、本実施形態の制御装置１００は、各種制御機器を制御する制御手段が一体に構成されたものであるが、本実施形態では、特に、燃料電池１に対する水素および空気の供給圧力を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）をガス供給制御手段１００ａとし、内管駆動部５１、５２の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）を内管制御手段１００ｂとする。

次に、上記構成における本実施形態の燃料電池システムの作動を、図５の間欠噴射制御処理を示す制御フローチャートに基づいて説明する。図５に示す制御フローは、燃料電池１が発電可能な状態で、車両のイグニッションスイッチ（ＩＧ）が投入（オン）されるとスタートする。

車両が起動すると、車両のアクセルペダルの踏込み量（アクセル開度）を検出する（Ｓ１０）。そして、アクセル開度に応じて燃料電池１に対して要求される要求出力（必要出力）を算出し、算出した要求出力が得られるように、各セル１ａにおける所定時間当たりの水素の必要供給量（必要水素供給量）および空気の必要供給量（必要空気供給量）を算出する（Ｓ１２）。

なお、燃料電池１の必要出力は、予めアクセル開度と燃料電池１の出力とを関連付けた制御マップを参照して算出する。また、必要水素供給量は、予め要求出力と水素供給量とを関連付けた制御マップを参照して算出し、必要空気供給量は、予め要求出力と空気供給量とを関連付けた制御マップを参照して算出する。このＳ１２の処理は、本発明の必要供給量算出手段に相当している。

そして、Ｓ１２の処理にて算出した必要水素供給量および必要空気供給量に応じて、水素の目標供給圧力Ｐｈｄ（目標水素供給圧）、空気の目標供給圧力Ｐａｄ（目標空気供給圧）、各内管１０の目標回転数Ｎｈｄ、Ｎａｄを算出する（Ｓ１４）。このＳ１４の処理は、本発明の目標値算出手段に相当している。

なお、目標水素供給圧Ｐｈｄは、予め必要水素供給量と水素供給圧とを関連付けた制御マップを参照して算出し、目標空気供給圧Ｐａｄは、予め必要空気供給量と空気供給圧とを関連付けた制御マップを参照して算出する。また、内管１０の目標回転数Ｎｈｄ、Ｎａｄについても、予め各必要供給量と内管１０の回転数Ｎとを関連付けた制御マップを参照して算出する。

ここで、図６に基づいて、反応ガス（水素および空気）の供給量、供給圧力、内管の回転数の関係について説明する。図６の（ａ）は、通常時における一周期（内管１０の一回転）当りの反応ガスの供給量（Ｑｏ・τｏ）を示し、（ｂ）は、流量減少時における一周期当りの反応ガスの供給量（Ｑｄ・τｄ）を示し、（ｃ）は、流量増大時における一周期当りの反応ガスの供給量（Ｑｕ・τｕ）を示している。なお、Ｑ（Ｑｏ、Ｑｄ、Ｑｕ）が単位時間当りの反応ガスの流量（Ｌ／ｍｉｎ）を示し、τ（τｏ、τｄ、τｕ）が実際に反応ガスを供給する供給時間を示している。

燃料電池１の各セル１ａに供給する反応ガスの単位時間当たりの流量Ｑと供給圧力Ｐとの間には、供給圧力Ｐを高めると流量Ｑが増え、供給圧力Ｐを下げると流量Ｑが減る相関がある。

一方、反応ガスの流量Ｑと内管１０の回転数Ｎとの間には、特に相関はなく、内管１０の回転数Ｎに関係なく、供給圧力Ｐに応じた流量Ｑが供給されることになるが、内管１０の回転数Ｎは、反応ガスを供給する供給時間τに相関するので、反応ガスの供給量に影響を及ぼす。

従って、内管１０の一回転（一周期）当りの反応ガスの供給量（置換量）Ｑ・τは、反応ガスの供給圧力Ｐおよび内管１０の回転数Ｎそれぞれを調整することによって任意に設定することできる。

ここで、一周期当りの反応ガスの供給量（置換量）Ｑ・τは、各セル１ａ内に存在する反応ガス等を置換するために充分な量（セル１ａ内のガス流路の容積に応じた量）、かつ、要求出力に応じて必要となる必要供給量（平均流量）を確保するように調整する。これにより、次の反応ガスの供給までの間に、セル１ａにて反応ガスを消費し尽くして欠乏することなく、フレッシュな反応ガスを常にセル１ａに供給することができる。

具体的には、燃料電池１の要求出力が小さく、流量Ｑを減少する場合には、一周期当りの供給量（Ｑｄ・τｄ）が通常時（Ｑｏ・τｏ）と変わらないように、かつ、平均流量が通常時の平均流量よりも少なくなるように（図６（ｂ）参照）、反応ガスの供給圧力Ｐおよび内管１０の回転数Ｎを減少させる。換言すれば、燃料電池１の必要供給量が少ない場合には、反応ガスの目標供給圧力Ｐｄおよび内管１０の目標回転数Ｎｄを減少させて、各セル１ａに供給する反応ガスの平均流量を減少させる。なお、流量減少時は、通常時に比べて、一周期当りの供給量が変化しないものの、反応ガスを噴射供給する間隔が長くなるので、反応ガスの平均流量が減少することとなる。

一方、燃料電池１の要求出力が大きく、流量Ｑを増大する場合は、一周期当りの供給量（Ｑｕ・τｕ）が通常時（Ｑｏ・τｏ）と変わらないように、かつ、平均流量が通常時の平均流量よりも多くなるように（図６（ｃ）参照）、反応ガスの供給圧力Ｐおよび内管１０の回転数Ｎを増大させる。換言すれば、燃料電池１の必要供給量が多い場合には、反応ガスの目標供給圧力Ｐｄおよび内管１０の目標回転数Ｎｄを増大させて、各セル１ａに供給する反応ガスの平均流量を増大させる。なお、流量増大時は、通常時に比べて、一周期当りの供給量が変化しないものの、反応ガスを噴射供給する間隔が短くなるので、反応ガスの平均流量が増大することとなる。

次に、Ｓ１４の処理にて算出した目標水素供給圧Ｐｈｄ、目標空気供給圧Ｐａｄ、各内管１０の目標回転数Ｎｈｄ、Ｎａｄとなるように、水素調圧弁２３、背圧調整弁２５、空気供給装置３２は駆動用モータ３３、背圧調整弁３４、内管駆動部５１、５２の駆動用の電動モータ５１等に制御信号を出力する（Ｓ１６）。

そして、水素供給圧力センサ６１にて水素入口圧力Ｐｈｉを検出すると共に、空気供給圧力センサ６２にて空気入口圧力Ｐａｉを検出する（Ｓ１８）。さらに、反応ガスの入口圧力Ｐｉ（水素入口圧力Ｐｈｉおよび空気入口圧力Ｐａｉ）が反応ガスの目標供給圧力Ｐｄ（水素供給圧Ｐｈｄおよび空気入口圧Ｐａｄ）と一致したか否かを判定する（Ｓ２０）。なお、Ｓ２０の判定処理では、反応ガスの入口圧力Ｐｉが反応ガスの目標供給圧力Ｐｄと完全に一致しているか否かを判定する処理に限らず、反応ガスの入口圧力Ｐｉが目標供給圧力Ｐｄ前後の所定の範囲に収束しているか否かを判定する処理としてもよい。

Ｓ２０の判定処理の結果、反応ガスの入口圧力Ｐｉが反応ガスの目標供給圧力Ｐｄと一致していないと判定された場合（Ｓ２０：ＮＯ）には、反応ガスの入口圧力Ｐｉが反応ガスの目標供給圧力Ｐｄと一致するように補正する制御信号を決定し、当該制御信号を水素調圧弁２３、背圧調整弁２５、空気供給装置３２は駆動用モータ３３、背圧調整弁３４、内管駆動部５１、５２の駆動用の電動モータ５１等に出力する（Ｓ２２）。

一方、Ｓ２０の判定処理の結果、反応ガスの入口圧力Ｐｉが反応ガスの目標供給圧力Ｐｄと一致していると判定された場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）には、さらに、アクセル開度を検出して、検出したアクセル開度がＳ１０にて検出したアクセル開度に対して変化しているか否か、すなわち、燃料電池１に対する要求出力が変化しているか否かを判定する（Ｓ２４）。

この結果、アクセル開度が変化していないと判定された場合（Ｓ２４：ＮＯ）には、Ｓ１８の処理に戻り、アクセル開度が変化していると判定された場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）には、イグニッションスイッチがオフされている（ＩＧ＝ＯＦＦ）か否かを判定する（Ｓ２６）。イグニッションスイッチがオフされていないと判定された場合（Ｓ２６：ＮＯ）には、Ｓ１０に戻り、イグニッションスイッチがオフされていると判定された場合（Ｓ２６：ＹＥＳ）には、間欠噴射制御処理を終了する。

以上説明した本実施形態によれば、各マニホールド８、９に形成した複数の供給孔８ａ、９ａを、間欠噴射装置によってタイミングをずらして開閉し、水素および空気をセル１ａに間欠的に噴射する構成としているので、水素および空気の流量が増減したとしても、各セル１ａにおいて特定の電池セルに偏って水素および空気が供給されることを抑制することができる。

従って、セル１ａを複数積層した燃料電池１を備える燃料電池システムにおいて、反応ガスの流量変化に伴う各セル１ａへの反応ガスの分配量の偏りを抑制することが可能となる。

また、本実施形態では、セル１ａ内に噴射供給された反応ガスは、次回の噴射供給までの間、セル１ａのガス流路内に滞留し、反応ガスのガス流れの影響による、ガス流路内における濃度分布が不均一となることを抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７〜図９に基づいて説明する。ここで、図７は、本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。本実施形態では、上記第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略或いは簡略化して説明する。

図７では、燃料電池１から出力した電気エネルギを蓄える二次電池１３、車両を駆動する駆動手段である走行用モータ１１を図示している。

ここで、二次電池１３には、充電容量（ＳＯＣ：State Of Charge）を検出するための充電容量検出部１３ａが設けられている。充電容量検出部１３ａとしては、例えば、二次電池１３の電解液の比重変化を検出し、この比重の変化に基づいて充電容量を検出する検出手段や、二次電池１３の充放電時の電流値と、充放電時間とを積算することにより充電容量を検出する検出手段を採用することができる。この充電容量検出部１３ａの検出信号は制御装置１００に入力される。なお、充電容量検出部１３ａが本発明の容量検出手段に相当している。

本実施形態の走行用モータ１１は、発電機を兼ねるモータジェネレータであり、燃料電池１又は二次電池１３から電力が供給された場合に電動機として機能する一方、動力切替機構（図示略）により駆動輪側から機械的エネルギ、つまり車両が走行時に保有する運動エネルギを、車両の減速時に電気エネルギに回生する発電機（回生ブレーキ）として機能する。そして、走行用モータ１１にて発電された電力は、二次電池１３に蓄えることができると共に、燃料電池システムを構成する各制御機器をはじめとする各種車載機器に供給することができる。なお、動力切替機構は、エンジンおよび車両走行用モータと車軸（図示略）との間の動力の伝達を切替える機能を有するものである。

燃料電池１と二次電池１３との間は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１４を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、燃料電池１から二次電池１３、あるいは二次電池１３から燃料電池１への、電力の流れをコントロールするものである。

また、燃料電池１および二次電池１３と走行用モータ１１との間に走行用インバータ１２が配置されている。燃料電池１からの電力あるいは二次電池１３からの電力が走行用インバータ１２へ供給される。この走行用インバータ１２は、走行用モータ１１を駆動させ、あるいは電力を回生させるためのインバータである。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、空気供給配管３０における空気供給装置３２の下流側に逆止弁３５、アキュムレータ３６、空気調圧弁３７、アキュムレータ３６の内の圧力を検出する圧力センサ６３を設けている。この圧力センサ６３の検出信号は制御装置１００に入力される。

逆止弁３５は、空気供給配管３０における上流側から下流側への空気の流れのみを許容し、下流側から上流側への空気の流れを禁止する逆流防止手段である。アキュムレータ３６は、空気供給装置３２である圧送ポンプにて圧縮された空気を蓄える蓄圧手段である。空気調圧弁３７は、アキュムレータ３６に蓄積された空気の圧力を調整する圧力調整手段である。この空気調圧弁３７は、制御装置１００からの制御信号によって制御される。

本実施形態では、空気供給装置３２にて圧縮された空気をアキュムレータ３６に蓄え、空気調圧弁３７を開放することで、アキュムレータ３６内の空気を燃料電池１の各セル１ａに供給する構成としている。従って、本実施形態では、空気供給装置３２、アキュムレータ３６、および空気調圧弁３７が本発明の酸化剤ガス供給手段に相当している。

次に、本実施形態の間欠噴射制御処理について図８、図９に示すフローチャートに基づいて説明する。図８は、本実施形態に係る間欠噴射制御処理を示し、図９は、本実施形態に係る蓄圧制御処理を示している。

図８に示すように、本実施形態では、Ｓ１４の処理にて、目標水素供給圧Ｐｈｄ、目標空気供給圧Ｐａｄ、各内管１０の目標回転数Ｎｈｄ、Ｎａｄを算出した後、図９に示す蓄圧制御処理を実行する。

図９に示すように蓄圧制御処理では、走行用モータ１１が回生ブレーキとして機能し、回生電力が得られる状況であるか否かを判定する（Ｓ１５１）。具体的には、アクセル開度が減少すると共に、車両ブレーキが踏込まれたか否かを判定すればよい。

Ｓ１５１の判定処理にて、回生電力が得られない状況（回生電力無）と判定された場合（Ｓ１５１：ＮＯ）には、後述するＳ１５８の処理に移行し、回生電力が得られる状況（回生電力有り）と判定された場合（Ｓ１５１：ＹＥＳ）には、二次電池１３の充電容量（ＳＯＣ）を検出する（Ｓ１５２）。

そして、二次電池１３の充電容量（ＳＯＣ）が、予め設定された基準容量以上（本実施形態では満充電容量（上限ＳＯＣ）以上）であるか否かを判定する（Ｓ１５３）。この結果、二次電池１３の充電容量が満充電容量以上でないと判定された場合（Ｓ１５３：ＮＯ）には、後述するＳ１５８の処理に移行する。

一方、二次電池１３の充電容量が満充電容量以上であると判定された場合（Ｓ１５３：ＹＥＳ）には、回生電力を、空気供給装置３２の駆動用モータ３３に供給し（Ｓ１５４）、空気供給装置３２の駆動用モータ３３に作動指令を示す制御信号を出力する（Ｓ１５５）。

Ｓ１５５の処理にて空気供給装置３２を作動させた後、回生電力が得られる状況が終了したか否かを判定する（Ｓ１５６）。この結果、回生電力が得られる状況が終了していないと判定された場合（Ｓ１５６：ＮＯ）には、空気供給装置３２の作動を継続し、回生電力が得られる状況が終了したと判定された場合（Ｓ１５６：ＹＥＳ）には、空気供給装置３２の作動の停止指令を示す制御信号を駆動用モータ３３に出力する（Ｓ１５７）。

そして、圧力センサ６３にてアキュムレータ３６内の圧力Ｐａｃを検出し（Ｓ１５８）、検出した圧力Ｐａｃが予め設定された供給下限圧力以上であるか否かを判定する（Ｓ１５９）。この結果、アキュムレータ３６内の圧力が供給下限圧力より小さいと判定された場合（Ｓ１５９：ＮＯ）には、空気供給装置３２の作動指令を示す制御信号を駆動用モータ３３に出力する。

一方、アキュムレータ３６内の圧力が供給下限圧力以上と判定された場合（Ｓ１５９：ＹＥＳ）には、空気供給装置３２の作動の停止指令を示す制御信号を駆動用モータ３３に出力して（Ｓ１６１）、蓄圧制御処理を終了して、間欠噴射制御処理のＳ１７に移行する。

図８に戻り、Ｓ１７の処理では、Ｓ１４の処理にて算出した目標水素供給圧Ｐｈｄ、目標空気供給圧Ｐａｄ、各内管１０の目標回転数Ｎｈｄ、Ｎａｄとなるように、水素調圧弁２３、背圧調整弁２５、空気調圧弁３７、背圧調整弁３４、内管駆動部５１、５２の駆動用の電動モータ５１等に制御信号を出力する（Ｓ１７）。

そして、水素入口圧力Ｐｈｉおよび空気入口圧力Ｐａｉを検出し（Ｓ１８）、反応ガスの入口圧力Ｐｉが反応ガスの目標供給圧力Ｐｄと一致したか否かを判定する（Ｓ２０）。

Ｓ２０の判定処理の結果、反応ガスの入口圧力Ｐｉが反応ガスの目標供給圧力Ｐｄと一致していないと判定された場合（Ｓ２０：ＮＯ）には、反応ガスの入口圧力Ｐｉが反応ガスの目標供給圧力Ｐｄと一致するように補正する制御信号を決定し、当該制御信号を水素調圧弁２３、背圧調整弁２５、空気調圧弁３７、背圧調整弁３４、内管駆動部５１、５２の駆動用の電動モータ５１等に出力する（Ｓ２３）。

一方、Ｓ２０の判定処理の結果、反応ガスの入口圧力Ｐｉが反応ガスの目標供給圧力Ｐｄと一致していると判定された場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）には、Ｓ２４の処理に移行する。

以上説明した本実施形態の構成によれば、第１実施形態の構成と同様に、水素および空気の流量が増減したとしても、各セル１ａにおいて特定の電池セルに偏って水素および空気が供給されることを抑制することができる。

さらに、本実施形態では、空気供給装置３２にて圧縮した空気を蓄えるアキュムレータ３６を備える構成としているので、電気負荷にて消費できない余剰電力（回生電力）が生じた場合に、二次電池１３の充電容量が満充電状態であったとしても、空気供給装置（圧送ポンプ）３２を作動させて蓄圧手段であるアキュムレータ３６に圧縮された空気を蓄積することができる。

これにより、二次電池１３の充電容量が満充電状態であったとしても、燃料電池システムにて生ずる余剰電力を有効活用することが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１０に基づいて説明する。上記第１、第２実施形態と同様または均等な部分について同一の符号を付し、その説明を省略する。ここで、図１０は、本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。

本実施形態では、空気供給用マニホールド９内に設けた内管１０内に水を噴霧する水噴霧供給部（水噴霧供給手段）３８を、空気供給配管３０に接続している。この水噴霧供給部３８は、各セル１ａ内の電解質膜２を加湿するための加湿手段であって制御装置１００からの制御信号に応じて作動するように構成されている。

制御装置１００では、燃料電池１の要求出力に応じて内管１０の内部に噴霧供給する水の目標量を算出し、当該目標量が得られるように、水噴霧供給部３８に対して制御信号を出力する。

本実施形態の構成では、空気供給用マニホールド９内に設けた内管１０の内部に水を噴霧する構成としているので、水素や空気といった反応ガスと同様に、各セル１ａのうち、特定のセルの空気極に偏って水が供給されることを抑制することができる。

これにより、各セル１ａへの水の分配量の偏りを抑制することが可能となる。なお、本実施形態では、空気供給配管３０に水噴霧供給部３８を接続して、空気供給用マニホールド９内に設けた内管１０の内部に水を噴霧する構成を採用しているが、これに限定されない。例えば、水素供給配管２０に水噴霧供給部３８を接続して、水素供給用マニホールド８内に設けた内管１０の内部に水を噴霧する構成を採用してもよいし、水素供給配管２０および空気供給配管３０それぞれに水噴霧供給部３８を接続して、水素供給用マニホールド８および空気供給用マニホールド９それぞれの内部に設けた各内管１０の内部に水を噴霧する構成を採用してもよい。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上記各実施形態では、内管１０の複数の貫通孔１０ａが、１つの貫通孔単位で内管１０の周方向に均等にずれた位置に形成されているが、これに限らず、例えば、図１０（ａ）に示すように、３つの貫通孔単位で、内管１０の周方向に均等にずれた位置に形成されていてもよい。なお、このように２つ以上の供給孔８ａ、９ａから同時に反応ガスを噴射供給する場合には、各供給孔８ａ、９ａから供給する反応ガスの供給量にバラツキが生じないように、同時に開放する供給孔の数を設定する。

また、例えば、図１０（ｂ）に示すように、内管１０の複数の貫通孔１０ａは、内管１０がマニホールド８、９の内周側を回転する際に、複数の供給孔８ａ、９ａのうち積層方向に隣接する２つ以上の供給孔に重合するように長手方向に延びる長孔状に形成されていてもよい。さらに、例えば、図１０（ｃ）に示すように、内管１０の複数の貫通孔１０ａは、周方向に延びる長孔状に形成されていてもよい。

（２）上記各実施形態では、空気供給装置３２の駆動源（駆動用モータ３３）と内管駆動部５１、５２の駆動源（電動モータ５１）とを別体で構成しているが、共通の駆動源にて空気供給装置３２および内管駆動部５１、５２とを駆動するようにしてもよい。これにより、燃料電池システムの部品点数の増大を抑制することができる。

一方、燃料電池システムの部品点数の増大が問題とならないような場合には、各内管１０それぞれに対応して別体の内管駆動部５１、５２を設け、個別の電動モータ等にて、各内管１０を回転駆動するようにしてもよい。

（３）上記各実施形態では、水素供給用マニホールド８および空気供給用マニホールド９それぞれに内管１０を設ける構成としているが、水素供給用マニホールド８および空気供給用マニホールド９のいずれか一方に設ける構成としてもよい。

（４）上記各実施形態では、水素供給用マニホールド８および空気供給用マニホールド９それぞれを燃料電池１の内部に収容される内部マニホールドとしているが、これに限定されず、燃料電池１の外部に配置される外部マニホールドとしてもよい。

（５）上記各実施形態では、各マニホールド８、９に形成された複数の供給孔８ａ、９ａを内管１０の貫通孔１０ａおよび内管の外周面にて開閉する構成としているが、各マニホールド８、９に形成された複数の供給孔８ａ、９ａを所定数の供給孔単位で周期をずらして開閉可能な構成であれば適宜採用することができる。

（６）第１、第２実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池１としては、固体高分子電解質膜型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）を採用してもよい。

（７）上記第２実施形態では、回生電力が余剰電力となる場合について例示したが、余剰電力となる電力は、回生電力に限定されるものではない。例えば、燃料電池システムの構成に太陽電池等の他の発電手段が設けられている場合には、当該他の発電手段にて発電した電力が余剰電力となる場合もある。

（８）上記各実施形態では、本発明の燃料電池システムを電気自動車に適用した例を説明したが、これに限定されず、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用してもよい。

（９）上記各実施形態は、可能な範囲で適宜組み合わせることができる。

１ 燃料電池
１ａ 電池セル（セル）
２ 電解質膜
８ 水素供給用マニホールド（燃料ガス供給用マニホールド）
８ａ 水素供給孔
９ 空気供給用マニホールド（酸化剤ガス供給用マニホールド）
９ａ 空気供給孔
１０ 内管（間欠噴射手段）
１０ａ 貫通孔
１３ 二次電池
２０ 水素供給配管（燃料ガス供給経路）
２２ 水素供給装置（燃料ガス供給手段）
２３ 水素調圧弁（燃料ガス供給経路）
３０ 空気供給配管（酸化剤ガス供給経路）
３２ 空気供給装置（酸化剤ガス供給手段）
３３ 駆動用モータ（酸化剤ガス供給手段）
３６ アキュムレータ（蓄圧手段）
３７ 空気調圧弁（圧力調整手段）
３８ 水噴霧供給部（水噴霧供給手段）
５１ 電動モータ（間欠噴射手段、内管駆動手段）
５２ 伝達機構（間欠噴射手段、内管駆動手段）
１００ 制御装置
１００ａ ガス供給制御手段
１００ｂ 内管制御手段

Claims (9)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを電気負荷に出力する複数の電池セル（１ａ）を積層して構成された燃料電池（１）と、
   前記各電池セル（１ａ）に対応して形成された複数の供給孔（８ａ）を有し、前記複数の供給孔（８ａ）を介して前記燃料ガスを前記各電池セル（１ａ）に分配する燃料ガス供給用マニホールド（８）と、
   燃料ガス供給経路（２０）を介して前記燃料ガスを前記燃料ガス供給用マニホールド（８）に供給する燃料ガス供給手段（２２、２３）と、
   前記各電池セル（１ａ）に対応して形成された複数の供給孔（９ａ）を有し、前記複数の供給孔（９ａ）を介して前記酸化剤ガスを前記各電池セル（１ａ）に分配する酸化剤ガス供給用マニホールド（９）と、
   酸化剤ガス供給経路（３０）を介して前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給用マニホールド（９）に供給する酸化剤ガス供給手段（３２、３３）と、
   前記燃料ガス供給用マニホールド（８）および前記酸化剤ガス供給用マニホールド（９）の少なくとも一方の前記複数の供給孔を、所定数の供給孔単位で周期をずらして開閉し、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの少なくとも一方を前記電池セル（１ａ）に間欠的に噴射する間欠噴射手段（１０、５１、５２）と、を備え、
   前記燃料ガス供給用マニホールド（８）および前記酸化剤ガス供給用マニホールド（９）それぞれは、前記電池セル（１ａ）の積層方向に沿って延びる円筒状の外管にて構成され、
   前記間欠噴射手段（１０、５１、５２）は、
   前記外管の内周面に対して回転可能な状態で前記外管に挿嵌され、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのいずれか一方が流れるガス流路を構成する円筒状の内管（１０）と、
   前記内管（１０）を径方向に回転駆動する内管駆動手段（５１、５２）と、を有して構成され、
   前記内管（１０）は、前記外管の内周側を回転する際に前記供給孔（８ａ、９ａ）に重合する貫通孔（１０ａ）を複数有し、前記複数の貫通孔（１０ａ）が、所定数の貫通孔単位で前記内管（１０）における周方向にずれた位置に、前記内管（１０）の長手方向に沿って形成されており、
   前記内管（１０）が前記外管の内周側を回転する際に、前記複数の貫通孔（１０ａ）における一部の貫通孔が前記複数の供給孔（８ａ、９ａ）における一部の供給孔に重合して前記一部の供給孔が開放されると共に、前記複数の供給孔（８ａ、９ａ）における残りの供給孔が前記内管（１０）の外周面にて閉鎖されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記複数の貫通孔（１０ａ）は、前記複数の供給孔（８ａ、９ａ）それぞれに一対一で対応していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記複数の貫通孔（１０ａ）それぞれは、前記内管（１０）が前記外管の内周側を回転する際に、前記複数の供給孔（８ａ、９ａ）のうち前記積層方向に隣接する２つ以上の供給孔に重合するように長手方向に延びる長孔状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記複数の貫通孔（１０ａ）は、所定数の貫通孔単位で前記内管（１０）における周方向に均等に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記複数の貫通孔（１０ａ）それぞれは、前記内管（１０）の周方向に延びる長孔状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記酸化剤ガス供給手段（３２、３３）および前記内管駆動手段（５１、５２）それぞれが共通の駆動手段（３３）によって駆動されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池（１）に対して要求される要求出力に応じて前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの必要供給量を算出する必要供給量算出手段（Ｓ１２）と、
   前記必要供給量に応じて前記内管（１０）の目標回転数（Ｎｄ）、前記燃料ガスの目標供給圧力（Ｐｈｄ）、および前記酸化剤ガスの目標供給圧力（Ｐａｄ）を算出する目標値算出手段（Ｓ１４）と、
   前記内管（１０）の回転数（Ｎ）が前記目標回転数（Ｎｄ）となるように前記内管駆動手段（５１、５２）を制御する内管制御手段（１００ｂ）と、
   前記燃料ガスの供給圧力（Ｐｈ）が前記燃料ガスの目標供給圧力（Ｐｈｄ）となるように前記燃料ガス供給手段（２２、２３）を制御すると共に、前記酸化剤ガスの供給圧力（Ｐａ）が前記酸化剤ガスの目標供給圧力（Ｐａｄ）となるように前記酸化剤ガス供給手段（３２、３３）を制御するガス供給制御手段（１００ａ）と、を備え、
   前記目標値算出手段（Ｓ１４）は、前記必要供給量の増大に応じて、前記内管（１０）の目標回転数（Ｎｄ）、前記燃料ガスの目標供給圧力（Ｐｈｄ）、および前記酸化剤ガスの目標供給圧力（Ｐａｄ）を増大させ、前記必要供給量の減少に応じて、前記内管（１０）の目標回転数（Ｎｄ）、前記燃料ガスの目標供給圧力（Ｐｈｄ）、および前記酸化剤ガスの目標供給圧力（Ｐａｄ）を減少させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池（１）から出力される電気エネルギを蓄える二次電池（１３）と、
   前記二次電池（１３）の充電容量を検出する容量検出手段（１３ａ）と、
   前記酸化剤ガス供給手段（３２、３３）の作動を制御するガス供給制御手段（１００ｂ）と、を備え、
   前記酸化剤ガス供給手段（３２、３３）は、前記酸化剤ガスを圧縮して吐出する圧送ポンプ（３２）、前記圧送ポンプ（３２）にて圧縮された前記酸化剤ガスを蓄える蓄圧手段（３６）、前記蓄圧手段（３６）に蓄積された前記酸化剤ガスの圧力を調整する圧力調整手段（３７）を含んで構成され、
   前記ガス供給制御手段（１００ｂ）は、前記電気負荷にて消費できない余剰電力が生じた場合に、前記二次電池（１３）の充電容量が予め設定された基準容量以上であるときには、前記圧送ポンプ（３２）を作動させ、前記圧送ポンプ（３２）にて圧縮された前記酸化剤ガスを前記蓄圧手段（３６）に蓄えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池（１）は、固体高分子からなる電解質膜（２）を有する電池セル（１ａ）を複数積層して構成された固体高分子電解質型燃料電池であって、
   前記燃料ガス供給用マニホールド（８）にて構成される前記外管の内周側に挿嵌される前記内管（１０）、および前記酸化剤ガス供給用マニホールド（９）にて構成される前記外管の内周側に挿嵌される前記内管（１０）のうち、少なくとも一方の内管（１０）の内部に水を噴霧して供給するための水噴霧供給手段（３８）を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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