(57)【要約】【課題】燃料電池内の広範囲に不純物の滞留が発生するのを抑制する。【解決手段】電解質膜１１、触媒層１２、拡散層１３を接合してなる膜電極接合体と、膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ１４と、セパレータ１４に設けられ、アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路１４３ａと、燃料ガス流路１４３ａを上流側流路部１４５と下流側流路部１４６とに区分けするための仕切り部材１４４と、燃料ガスを上流側流路部１４５に導入するための燃料ガス入口マニホールド１４１と、燃料ガスを下流側流路部１４６から導出するための燃料ガス出口マニホールド１４２とを備え、仕切り部材１４４は、下流側流路部１４６の流路面積が、上流側流路部１４５の流路面積に比べて小さくなるように設定され、アノードは、仕切り部材１４４によって、上流側流路部１４５と下流側流路部１４６に対応する部位にそれぞれ分断されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜からなる電解質膜（１１）、前記電解質膜の外側に配置されたアノード触媒層（１２ａ）およびカソード触媒層（１２ｂ）、前記各触媒層（１２）の外側に配置されたアノード拡散層（１３ａ）およびカソード拡散層（１３ｂ）を接合してなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１４）と、
前記セパレータ（１４）における前記アノード拡散層（１３ａ）側に設けられ、前記アノード触媒層（１２ａ）および前記アノード拡散層（１３ａ）に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（１４３ａ）と、
前記セパレータ（１４）に形成され、前記燃料ガス流路（１４３ａ）を燃料ガス流れ上流側の上流側流路部（１４５）と下流側の下流側流路部（１４６）とに区分けするための仕切り部材（１４４）と、
前記セパレータ（１４）に形成され、燃料ガスを前記上流側流路部（１４５）に導入するための燃料ガス入口マニホールド（１４１）と、
前記セパレータ（１４）に形成され、燃料ガスを前記下流側流路部（１４６）から導出するための燃料ガス出口マニホールド（１４２）とを備え、
前記仕切り部材（１４４）は、前記下流側流路部（１４６）の流路面積が、前記上流側流路部（１４５）の流路面積に比べて小さくなるように設定され、
前記アノード触媒層（１２ａ）および前記アノード拡散層（１３ａ）は、前記仕切り部材（１４４）によって、前記上流側流路部（１４５）と前記下流側流路部（１４６）に対応する部位にそれぞれ分断されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記仕切り部材（１４４）は、前記アノード触媒層（１２ａ）および前記アノード拡散層（１３ａ）に向かって突出する突出部（１４４ａ）を有し、前記突出部（１４４ａ）により前記アノード触媒層（１２ａ）および前記アノード拡散層（１３ａ）が分断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。
【請求項３】
前記セパレータ（１４）に形成され、前記上流側流路部（１４５）における燃料ガス流れ下流側と前記下流側流路部（１４６）における燃料ガス流れ上流側とを連通させるための中間流路部（１４９）を備え、
前記上流側流路部（１４５）および前記下流側流路部（１４６）は、前記セパレータ（１４）における前記膜電極接合体と対応する発電対応部位に形成され、
前記中間流路部（１４９）は、前記発電対応部位の周縁部の外側に隣接して形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記膜電極接合体と前記一対のセパレータ（１４）からなる単セル（１０）が複数積層されたスタック構造となっており、
前記中間流路部（１４９）は、隣り合う単セル（１０）間を積層方向に貫通する中間マニホールド（１４９ａ）であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記下流側流路部（１４６）の流路面積と前記上流側流路部（１４５）の流路面積との面積比が１対５から１対５０の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記下流側流路部（１４６）は、前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）に近づくにつれて流路面積が小さくなるように形成されてい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。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１つに記載の前記燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）内における前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の局所電流を測定する局所電流測定手段（５）と、
前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）から導出した燃料ガスを前記燃料電池（１）から排出する燃料ガス排出手段（３３）と、
前記燃料ガス排出手段（３３）を制御する制御手段（４）とを備え、
前記制御手段（４）は、前記局所電流測定手段（５）で測定した局所電流が、予め設定した基準電流を下回った場合に、燃料ガスを排出するように前記燃料ガス排出手段（３３）を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか１つに記載の前記燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）内における前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の局所電位を測定する局所電位測定手段と、
前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）から導出した燃料ガスを前記燃料電池（１）から排出する燃料ガス排出手段（３３）と、
前記燃料ガス排出手段（３３）を制御する制御手段（４）とを備え、
前記制御手段（４）は、前記局所電位測定手段で測定した局所電位が、予め設定した基準電位値を下回った場合に、燃料ガスを排出するように前記燃料ガス排出手段（３３）を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれか１つに記載の前記燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）内における前記膜電極接合体と前記一対のセパレータ（１４）の並び方向に沿って流れる電流のうち前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍を流れる電流によって発生する磁界の強さを測定する磁界測定手段（６）と、
前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）から導出した燃料ガスを前記燃料電池（１）から排出する燃料ガス排出手段（３３）と、
前記燃料ガス排出手段（３３）を制御する制御手段（４）とを備え、
前記制御手段（４）は、前記磁界測定手段（６）で測定した測定値が、予め設定した基準値を下回った場合に、燃料ガスを排出するように前記燃料ガス排出手段（３３）を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池（１）は、
前記セパレータ（１４）における前記カソード拡散層（１３ｂ）側に設けられ、前記カソード触媒層（１２ｂ）および前記カソード拡散層（１３ｂ）に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路（１４３ｂ）と、
前記セパレータ（１４）に形成され、酸化ガスを前記酸化ガス流路（１４３ｂ）に導入するための酸化ガス入口マニホールド（１５１）と、
前記セパレータ（１４）に形成され、酸化ガスを前記酸化ガス流路（１４３ｂ）から導出するための酸化ガス出口マニホールド（１５２）とを備え、
前記セパレータ（１４）は、前記膜電極接合体と対向する対向面の外形が４つの角部を有する四角形状に形成され、
前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）は、前記セパレータ（１４）における前記対向面の周縁部であって、前記４つの角部のうちの１つの角部の近傍に設けられており、
前記酸化ガス入口マニホールド（１５１）および前記酸化ガス出口マニホールド（１５２）は、それぞれ前記セパレータ（１４）における前記対向面の周縁部であって、前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）が設けられた角部と異なる角部の近傍に設けられていることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池、およびそのシステムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素と空気（酸素）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。燃料電池を継続的に動作させると、空気側では反応によって発生した生成水が滞留し、水素側には空気側で発生した水が透過することによる透過水や空気に含まれる窒素が透過することにより、水と窒素が滞留する。このように水や窒素等の不純物が燃料電池内に滞留することにより、水素や空気が流れにくいセルが発生し、その結果、水素や空気の供給が不足するセルが発生する。
【０００３】
そのため、燃料電池における不純物が滞留する部位を局所電流測定手段により特定し、特定した部位の局所電流測定手段の検出値が所定電流値を下回った場合に燃料ガス排出手段を制御することで、不純物の滞留を減らすとともに、必要以上の水素の供給・排出を抑制し、燃料電池全体の効率を向上させているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１１４３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、一般的には、燃料電池における水や窒素等の不純物が滞留する部位は、セル面内の未反応水素を排出する水素出口近傍となるが、燃料電池の運転条件やセルの構成によりセル面内の広範囲となる場合がある。
【０００６】
ここで、特許文献１に記載の燃料電池のように、セルのセパレータに形成された水素流路が蛇行している場合について図１５に基づいて説明する。通常は、セパレータ２００の水素入口マニホールド２１０から導入された水素が、蛇行流路２２０を介して水素出口マニホールド２３０に導出される。しかし、水素流路内に水が滞留した場合等には、蛇行流路２２０を分割するリブ２４０の下側領域のアノード側拡散層を透過し、蛇行流路２２０に沿って流れる水素が一部の流路を飛び越える現象（いわゆる、パスカット）が生じることがある。このパスカットが生じると、一部の水素の流れが、図１５のＡ部に向かう方向となり、特に水素の供給量を減少させて水素利用率を低下させた場合には、このＡ部に不純物が滞留しやすくなってしまう。
【０００７】
そのため、局所電流測定手段で不純物が滞留する部位を特定するためには、セル面内の広範囲に局所電流測定手段を設置する必要が生じ、燃料電池の部品点数の増加につながる。一方、セル面内の水素出口近傍にのみ局所電流計測手段を配置する場合には、配置した部位以外に不純物が滞留すると水素排出手段の適切な制御ができないため、燃料電池の性能が低下するという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池内の広範囲に不純物の滞留が発生するのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、固体高分子膜からなる電解質膜（１１）、電解質膜の外側に配置されたアノード触媒層（１２ａ）およびカソード触媒層（１２ｂ）、各触媒層（１２）の外側に配置されたアノード拡散層（１３ａ）およびカソード拡散層（１３ｂ）を接合してなる膜電極接合体と、膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１４）と、セパレータ（１４）におけるアノード拡散層（１３ａ）側に設けられ、アノード触媒層（１２ａ）およびアノード拡散層（１３ａ）に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（１４３ａ）と、セパレータ（１４）に形成され、燃料ガス流路（１４３ａ）を燃料ガス流れ上流側の上流側流路部（１４５）と下流側の下流側流路部（１４６）とに区分けするための仕切り部材（１４４）と、セパレータ（１４）に形成され、燃料ガスを上流側流路部（１４５）に導入するための燃料ガス入口マニホールド（１４１）と、セパレータ（１４）に形成され、燃料ガスを下流側流路部（１４６）から導出するための燃料ガス出口マニホールド（１４２）とを備え、仕切り部材（１４４）は、下流側流路部（１４６）の流路面積が、上流側流路部（１４５）の流路面積に比べて小さくなるように設定され、アノード触媒層（１２ａ）およびアノード拡散層（１３ａ）は、仕切り部材（１４４）によって、上流側流路部（１４５）と下流側流路部（１４６）に対応する部位にそれぞれ分断されていることを特徴としている。
【００１０】
このように、仕切り部材（１４４）により燃料ガス流路（１４３ａ）を上流側流路部（１４５）と下流側流路部（１４６）とに区分けするとともに、膜電極接合体のアノード触媒層（１２ａ）およびアノード拡散層（１３ａ）を燃料ガス流路（１４３ａ）の上流側流路部（１４５）と下流側流路部（１４６）に対応する部位に分断することで、燃料ガス流路（１４３ａ）の上流側流路部（１４５）と下流側流路部（１４６）における燃料ガスのパスカットが発生しないようにすることができる。
【００１１】
また、仕切り部材（１４４）を下流側流路部（１４６）の流路面積が、上流側流路部（１４５）の流路面積に比べて小さくなるように設定することで、下流側流路部（１４６）での燃料ガスの流速が上がるため、燃料ガス出口マニホールド（１４２）に向けて燃料ガスを流れやすくすることができる。
【００１２】
これにより、燃料ガス流路（１４３ａ）内の不純物が燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍に滞留しやすくすることができ、燃料電池（１）内の広範囲に不純物の滞留が発生するのを抑制することができる。
【００１３】
具体的には、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の発明において、仕切り部材（１４４）は、アノード触媒層（１２ａ）およびアノード拡散層（１３ａ）に向かって突出する突出部（１４４ａ）を有し、突出部（１４４ａ）でアノード触媒層（１２ａ）およびアノード拡散層（１３ａ）が分断される構成とすることができる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明のように、請求項１または２に記載の発明において、セパレータ（１４）に形成され、上流側流路部（１４５）における燃料ガス流れ下流側と下流側流路部（１４６）における燃料ガス流れ上流側とを連通させるための中間流路部（１４９）を備え、上流側流路部（１４５）および下流側流路部（１４６）は、セパレータ（１４）における膜電極接合体と対応する発電対応部位に形成され、中間流路部（１４９）は、発電対応部位の周縁部の外側に隣接して形成されている構成とすることができる。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明のように、請求項３に記載の発明において、膜電極接合体と一対のセパレータ（１４）からなる単セル（１０）が複数積層されたスタック構造とし、中間流路部（１４９）を、隣り合う単セル（１０）間を積層方向に貫通する中間マニホールド（１４９ａ）とすることで、単セル（１０）毎の燃料ガス流量のばらつきを抑制することができる。その結果、下流側流路部（１４６）において未反応燃料ガスおよび不純物をより燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍に流しやすくすることができる。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明のように、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の発明において、下流側流路部（１４６）の流路面積と上流側流路部（１４５）の流路面積との面積比が１対５から１対５０の範囲内であることが望ましい。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明のように、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の発明において、下流側流路部（１４６）を燃料ガス出口マニホールド（１４２）に近づくにつれて流路面積が小さくなるように形成することで、下流側流路部（１４６）を流れる水素を燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍に流しやすくすることができる。そのため、未反応燃料ガスおよび不純物をより燃料ガス出口マニホールド（１４２）に流しやすくすることができる。
【００１８】
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（１）と、燃料電池（１）内における燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の局所電流を測定する局所電流測定手段（５）と、燃料ガス出口マニホールド（１４２）から導出した燃料ガスを燃料電池（１）から排出する燃料ガス排出手段（３３）と、燃料ガス排出手段（３３）を制御する制御手段（４）とを備え、制御手段（４）は、局所電流測定手段（５）で測定した局所電流が、予め設定した基準電流を下回った場合に、燃料ガスを排出するように燃料ガス排出手段（３３）を制御することを特徴としている。
【００１９】
燃料ガス流路（１４３ａ）内の不純物は、燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍に滞留しやすいため、局所電流測定手段（５）を燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍に配置することで、燃料電池（１）内部に不純物が滞留し、燃料ガスが不足している状態か否かを診断することができる。
【００２０】
また、燃料ガス流路（１４３ａ）内の不純物は、燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍に滞留しやすいため、制御手段（４）で不純物を排出する制御を実行した場合に、燃料ガス出口マニホールド（１４２）から不純物を排出しやすくすることができる。
【００２１】
したがって、燃料電池（１）内の水素不足による発電性能低下や、燃料ガスが不足している部位における膜電極接合体の劣化を抑制することができる。さらに、燃料ガス流路（１４２）内の不純物を排出するために必要となる水素の排出量を減少させることができる。これにより、例えば、水素利用率が高い場合には、水素利用率の減少を抑制することができ、水素利用率が低い場合であっても滞留した不純物の排出を適切に行なうことができる。
【００２２】
また、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（１）と、燃料電池（１）内における燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の局所電位を測定する局所電位測定手段と、燃料ガス出口マニホールド（１４２）から導出した燃料ガスを燃料電池（１）から排出する燃料ガス排出手段（３３）と、燃料ガス排出手段（３３）を制御する制御手段（４）とを備え、制御手段（４）は、局所電位測定手段で測定した局所電位が、予め設定した基準電位値を下回った場合に、燃料ガスを排出するように燃料ガス排出手段（３３）を制御することを特徴としている。
【００２３】
燃料電池（１）内部に不純物が滞留すると燃料電池（１）の出力電圧が低下するため、局所電位測定手段を燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍に配置することで、燃料電池（１）内の不純物が滞留し、燃料ガスが不足している状態か否かを診断することができる。これにより上述の請求項７に記載の発明と同様な効果を得ることができる。
【００２４】
ここで、燃料電池（１）内の不純物が燃料ガス出口マニホールド（１４２）の近傍に滞留すると、燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍を流れる電流によって発生する磁界の強さ（磁束密度）が減少する。
【００２５】
そこで、請求項９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（１）と、燃料電池（１）内における膜電極接合体と一対のセパレータ（１４）の並び方向に沿って流れる電流のうち燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍を流れる電流によって発生する磁界の強さを測定する磁界測定手段（６）と、燃料ガス出口マニホールド（１４２）から導出した燃料ガスを燃料電池（１）から排出する燃料ガス排出手段（３３）と、燃料ガス排出手段（３３）を制御する制御手段（４）とを備え、制御手段（４）は、磁界測定手段（６）で測定した測定値が、予め設定した基準値を下回った場合に、燃料ガスを排出するように燃料ガス排出手段（３３）を制御することを特徴とする。
【００２６】
これによれば、燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍に発生する磁界の強さ（磁束密度）を測定することで、燃料電池（１）内部に不純物が滞留し、燃料ガスが不足している状態か否かを診断することができる。これにより、上述の請求項７に記載の発明と同様な効果を得ることができる。
【００２７】
ところで、セパレータ（１４）におけるカソード拡散層（１３ｂ）側には、カソード触媒層（１２ｂ）およびカソード拡散層（１３ｂ）に酸化ガスを供給する供給流路が形成されている。この供給流路における酸化ガス流れ下流側、つまり酸化ガスの出口側では、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって生成された生成水が多く流れるため、水分が過剰となりやすく、フラッディングが発生しやすい部位となっている。一方、供給流路における酸化ガス流れ上流側、つまり酸化ガスの入口側では、上記生成水が少ないため、水分が欠乏しやすく、ドライアップが発生しやすい部位となっている。
【００２８】
そのため、燃料ガス流路（１４３ａ）における不純物の滞留しやすい部位が、酸化ガスの供給流路におけるフラッディングおよびドライアップが発生しやすい部位の近傍に位置すると、燃料ガスが不足している状態か否かの診断にカソード側の水分状態が影響してしまう虞がある。
【００２９】
そこで、請求項１０に記載の発明では、請求項７ないし９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、セパレータ（１４）におけるカソード拡散層（１３ｂ）側に設けられ、カソード触媒層（１２ｂ）およびカソード拡散層（１３ｂ）に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路（１４３ｂ）と、セパレータ（１４）に形成され、酸化ガスを酸化ガス流路（１４３ｂ）に導入するための酸化ガス入口マニホールド（１５１）と、セパレータ（１４）に形成され、酸化ガスを酸化ガス流路（１４３ｂ）から導出するための酸化ガス出口マニホールド（１５２）とを備え、セパレータ（１４）は、膜電極接合体と対向する対向面の形状が４つの角部を有する四角形状に形成され、燃料ガス出口マニホールド（１４２）は、セパレータ（１４）における対向面の周縁部であって、４つの角部のうちの１つの角部の近傍に設けられており、酸化ガス入口マニホールド（１５１）および酸化ガス出口マニホールド（１５２）は、セパレータ（１４）における対向面の周縁部であって、燃料ガス出口マニホールド（１４２）が設けられた角部と異なる角部の近傍に設けられていることを特徴とする。
【００３０】
これによれば、燃料ガス流路（１４３ａ）における不純物の滞留しやすい部位と、酸化ガス流路（１４３ｂ）におけるフラッディング等が発生しやすい部位とを離れた位置とすることができるので、燃料ガスが不足している状態か否かを診断にカソード側の水分状態が影響することを抑制することができる。ここで、「角部」には、尖っている角の他に丸角や所定の曲率を有する角も含まれる。また、「角部の近傍」とは、セパレータ（１４）における膜電極接合体に対向する対向面の周縁部において、角部から、角部を一端として延びる対向面の辺の長さの４０％以内の距離に位置する部位を意味している。
【００３１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。
【図２】図１の燃料電池の斜視図である。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池のセルの分解断面図である。
【図４】第１実施形態に係る水素極側セパレータの正面図である。
【図５】第１実施形態に係る水素極側セパレータにおける水素の流れを説明する説明図である。
【図６】第２実施形態に係る水素極側セパレータの正面図である。
【図７】第３実施形態に係る燃料電池の斜視図である。
【図８】燃料電池内部を流れる電流によって発生する磁界を説明する説明図である。
【図９】第３実施形態に係る磁界測定装置の配置を説明する説明図である。
【図１０】第４実施形態に係る燃料電池の斜視図である。
【図１１】第４実施形態に係る空気極側セパレータの正面図である。
【図１２】第４実施形態に係る各セパレータにおける水素および空気の流れを説明する説明図である。
【図１３】他の実施形態に係る水素極側セパレータの正面図である。
【図１４】他の実施形態に係る磁界測定装置の配置を説明する説明図である。
【図１５】従来技術のセパレータにおける水素の流れを説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。ここで、図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す概念図であり、図２は、燃料電池の概略を示す斜視図である。本実施形態の燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用され、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給する。
【００３４】
まず、本実施形態の燃料電池システムの概略構成を説明すると、図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１、空気経路２、水素経路３、制御装置４を備えている。本実施形態の燃料電池１は、図示しない電気負荷や２次電池等の電力機器に電力を供給するもので、燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いている。
【００３５】
空気経路２は、酸化ガスである空気が流れる経路であり、燃料電池１の空気極（カソード）側に空気を供給するための空気供給経路２ａ、燃料電池１にて電気化学反応を終えた余剰空気および空気極で生成された生成水を燃料電池１から外部へ排出するための空気排出経路２ｂからなる。
【００３６】
空気供給経路２ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気排出経路２ｂには、燃料電池１内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２２が設けられている。
【００３７】
水素経路３は、燃料ガスである水素が流れる経路であり、燃料電池１の水素極（アノード）側に水素を燃料電池１に供給するための水素供給配管３ａ、水素極側に溜まった生成水を微量な水素とともに燃料電池１から外部へ排出するための水素排出経路３ｂからなる。
【００３８】
水素供給経路３ａの最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給経路３ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２が設けられている。
【００３９】
さらに、水素排出配管３ｂには、酸素極側から後述する各セル１０の電解質膜１１を透過した生成水や窒素等の不純物を未反応水素とともに外気へ排出するための電磁弁３３が設けられている。なお、本実施形態では、電磁弁３３が燃料電池１から不純物等を排出する燃料ガス排出手段に相当している。
【００４０】
燃料電池１は、図２に示すように、基本単位となる単セル１０が複数積層されたスタック構造となっている。積層されたセル１０は、電気的に直列に接続されている。そして、各セル１０で発電することによって得られた電流が、積層されたセル１０の両端部に設けられた集電板１０ａに集電され、電気負荷や２次電池等の電力機器に供給される。なお、本実施形態では、単セル１０を複数積層したスタック構造としているが、単セル１個を備えるものとしてもよい。
【００４１】
そして、燃料電池１の一方の側面（集電板１０ａ）には、燃料電池１の内部に水素、空気をそれぞれ導入するための水素入口１ａおよび空気入口１ｂ、燃料電池１の内部から外部に水素、空気をそれぞれ排出するための水素出口１ｃおよび空気出口１ｄが設けられている。この水素入口１ａ、空気入口１ｂ、水素出口１ｃ、空気出口１ｄのそれぞれに、水素供給経路３ａ、空気供給経路２ａ、水素排出経路３ｂ、空気排出経路２ｂが接続されている。
【００４２】
ここで、水素入口１ａおよび空気入口１ｂは、それぞれセル１０のセパレータ１４に形成された各入口マニホールド１４１、１５１に連通しており、各入口マニホールド１４１、１５１を介してセル１０内部に水素および空気が供給される。また、水素出口１ｃおよび空気出口１ｄは、それぞれセル１０のセパレータ１４に形成された各出口マニホールド１４２、１５２に連通しており、各出口マニホールド１４２、１５２を介してセル１０内部から水素および空気が排出される。
【００４３】
次に、セル１０の構成について図３に基づいて説明する。図３は、燃料電池のセルの構成を示す分解断面図である。図３に示すように、セル１０は、固体高分子膜からなる電解質膜１１、触媒層１２、拡散層１３からなる膜電極接合体（ＭＥＡ）と、これを両側から挟み込む一対のセパレータ１４とから構成されている。
【００４４】
膜電極接合体は、電解質膜１１の両外側に密着した状態で水素極側触媒層（アノード触媒層）１２ａ、空気極側触媒層（カソード触媒層）１２ｂが配置され、各触媒層１２の外側に水素極側拡散層（アノード拡散層）１３ａ、空気極側拡散層（カソード拡散層）１３ｂが配置されている。さらに、膜電極接合体と各セパレータ１４との間の両端部には、シリコンゴム等のガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する材料で形成されたシール部材１５が設けられている。
【００４５】
ここで、各触媒層１２は、カーボン担体に電気化学反応を促進する触媒（白金等）を担持させたカーボン担持白金触媒等で構成され、各拡散層１３は、導電体でかつ液体水分保持性能を有するカーボンクロス等で構成されている。なお、水素極側触媒層１２ａと水素極側拡散層１３ａが水素極（アノード）を構成し、空気極側触媒層１２ｂと空気極側拡散層１３ｂが空気極（カソード）を構成している。
【００４６】
空気極に酸素を含む空気が供給され、水素極に水素が供給されることにより、以下の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。また、このとき、空気極側では、水が生成する。
（水素極：アノード）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（空気極：カソード）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
本実施形態の膜電極接合体は、電解質膜１１、各電極（触媒層１２、ガス拡散層１３）が接する発電部位（発電に寄与する部位）が、後述するセパレータ１４に設けられたガス流路１４３と接触するようになっている。本実施形態の発電部位は、長方形状となっている。
【００４７】
セパレータ１４は、セル１０の積層方向から見た正面形状が、４つの角部を有する長方形状に形成されており、膜電極接合体の発電部位に比較して大きい形状に形成されている。また、セパレータ１４は、水素極側拡散層１３ａと対向する面に、水素極に水素を供給するための水素流路（燃料ガス流路）１４３ａが設けられ、空気極側拡散層１３ｂと対向する面に空気極に空気を供給するための空気流路（酸化ガス流路）１４３ｂが設けられている。
【００４８】
各セパレータ１４は、ガスが透過しない導電性部材（例えば、カーボン材）で構成され、ガス流路１４３において隣接する膜電極接合体を互いに電気的に直列に接続している。ここで、セパレータ１４は、隣り合うセル１０で共有されており、隣接する単セル間で水素と空気の流れを分離している。なお、説明の都合上、以下単セル１０における水素極と対向するセパレータ１４を水素極側セパレータ１４ａと呼び、空気極と対向するセパレータ１４を空気極側セパレータ１４ｂと呼ぶ。
【００４９】
次に、本実施形態の水素極側セパレータ１４ａについて図３〜図５に基づいて説明する。図４は、水素極側セパレータの構成を水素極側から見たときの平面図であり、図５は、水素極側セパレータにおける水素の流れを説明するための模式図である。なお、本実施形態における空気極側セパレータ１４ｂは従来と同様な構成としている。
【００５０】
図４に示すように、水素極側セパレータ１４ａにおける膜電極接合体の発電部位と対応する部位（発電対応部位）の下辺部位１４０ａの図中右側には、水素入口１ａと連通し、水素流路１４３ａに水素を導入するための水素入口マニホールド１４１が形成されている。ここで発電対応部位は、水素極側触媒層１２ａと対応する部位である。
【００５１】
また、水素極側セパレータ１４ａの下辺部位１４０ａ（発電対応部位の周縁部）の図中左側には、水素出口１ｃと連通し、水素流路１４３ａから水素出口１ｃに生成水、窒素等の不純物や未反応水素を導出する水素出口マニホールド１４２が形成されている。
【００５２】
換言すれば、水素入口マニホールド１４１は、セパレータ１４の周縁部における下辺側の２つの角部の一方の角部（図中右下の角部）から他方の角部（図中左下の角部）に向かって延びるように形成され、水素出口マニホールド１４２は、上記他方の角部（図中左下の角部）の近傍に形成されている。
【００５３】
ここで、本実施形態では、水素入口マニホールド１４１および水素出口マニホールド１４２は、後述する仕切り壁１４４を介して下辺部位１４０ａに沿って水素極側セパレータ１４ａの長手方向に延びるように形成されている。
【００５４】
また、水素極側セパレータ１４ａの中央部位１４０ｂにおける発電対応部位に、水素入口マニホールド１４１から導入された水素を水素極に供給するための水素流路１４３ａが形成されている。
【００５５】
そして、発電対応部位における図中左側領域には、水素極側セパレータ１４ａの長手方向（図中左右方向）に直交する方向（図中上下方向）に下辺部位１４０ａから上辺部位１４０ｃに向かって延びる仕切り壁（仕切り部材）１４４が形成されている。
【００５６】
この仕切り壁１４４で、水素入口マニホールド１４１と水素出口マニホールド１４２を区分けするとともに、水素流路１４３ａを上流側流路部１４５と下流側流路部１４６に区分けしている。なお、仕切り壁１４４は、ガスが透過しない導電性部材（例えば、カーボン材）で構成されている。
【００５７】
このように、仕切り壁１４４は、水素流路１４３ａを図中左右に２分割して、上流側流路部１４５と下流側流路部１４６を並設させている。ここで、仕切り壁１４４は、水素流路１４３ａの上流側流路部１４５の占める面積（上流側流路部の流路面積）に対する下流側流路部１４６の占める面積（下流側流路部の流路面積）が小さくなるように設定されている。換言すれば、下流側流路部１４６における水素流れ方向に直交する流路幅が、上流側流路部１４５における水素流れ方向に直交する流路幅に比べて小さくなるように設定されている。
【００５８】
本発明者らの実験等によれば、この仕切り壁１４４により区分けされる水素流路１４３ａの下流側流路部１４６の流路面積と上流側流路部１４５の流路面積の面積比は、１：５〜１：５０（＝下流側流路部の流路面積：上流側流路部の流路面積）の範囲に設定することが望ましいことが分かった。さらに、下流側流路部１４６の流路面積と上流側流路部１４５の流路面積の面積比が、１：１０に設定することが望ましいことが分かった。
【００５９】
理由としては、水素流路１４３ａの下流側流路部１４６の流路面積と上流側流路部１４５の流路面積の面積比が１：５よりも小さい場合、つまり、下流側流路部１４６の流路面積に対する上流側流路部１４５の流路面積が５倍より小さい場合には、下流側流路部１４６における流速の増加が少ないため、下流側流路部１４６を流れる水素により、不純物を水素出口マニホールド１４２近傍まで押し出すことができず、不純物が水素出口マニホールド１４２以外に滞留する可能性があるためである。
【００６０】
また、水素流路１４３ａの下流側流路部１４６の流路面積と上流側流路部１４５の流路面積の面積比が１：５０よりも大きい場合、つまり、下流側流路部１４６の流路面積に対する上流側流路部１４５の流路面積が５０倍より大きい場合には、上流側流路部１４５の端部等に不純物が滞留する可能性があるためである。
【００６１】
ここで、水素極側セパレータ１４ａにおける発電対応部位の左辺部位には、空気入口１ｂと連通し、空気極側セパレータ１４ｂの空気流路１４３ｂに空気を導入するための空気入口マニホールド１５１が図中上下方向に延びるように形成されている。換言すれば、セパレータ１４における左辺側の隣合う角部の一方の角部（図中左上の角部）から他方の角部（図中左下の角部）に向かって延びるように形成されている。
【００６２】
また、水素極側セパレータ１４ａにおける発電対応部位の右辺部位には、空気出口１ｄと連通し、空気極側セパレータ１４ｂの空気流路１４３ｂから空気を排出するための空気出口マニホールド１５２が形成されている。換言すれば、セパレータ１４における右辺側の隣合う角部の一方の角部（図中右上の角部）から他方の角部（図中右下の角部）に向かって延びるように形成されている。
【００６３】
そのため、水素入口マニホールド１４１と空気出口マニホールド１５２とが隣接して形成されるとともに、水素出口マニホールド１４２と空気入口マニホールド１５１とが隣接して形成されている。なお、空気入口マニホールド１５１および空気出口マニホールド１５２は、水素流路１４３ａとは連通しておらず、空気が水素流路１４３ａに流れないようになっている。
【００６４】
次に、図３に示すように、膜電極接合体における水素極側触媒層１２ａおよび水素極側拡散層１３ａは、それぞれ仕切り壁１４４と対応する部位（触媒層分割部１２０、拡散層分割部１３０）が、仕切り壁１４４に沿って分断されている。
【００６５】
一方、仕切り壁１４４は、触媒層分割部１２０および拡散層分割部１３０に向かって突出する突出部１４４ａが形成されている。この突出部１４４ａは、膜電極接合体とセパレータ１４の接合時に、触媒層分割部１２０および拡散層分割部１３０に挿入され、触媒層および拡散層内の水素等が通過しないようにしている。換言すれば、仕切り壁１４４は、仕切り壁１４４の膜電極接合体に対向する面が、電解質膜１１と接触するように構成されている。
【００６６】
この仕切り壁１４４、触媒層分割部１２０および拡散層分割部１３０により、水素流路１４３ａの上流側流路部１４５と下流側流路部１４６における水素等のパスカットを防止することができる。
【００６７】
また、図３、図４に示すように、水素流路１４３ａにおける上流側流路部１４５および下流側流路部１４６には、仕切り壁１４４と並行に直線状に延びる複数のリブ部１４７が等間隔に形成され、複数のリブ部１４７の間に水素が流れる流路溝部１４８が複数形成されている。この複数のリブ部１４７は、水素極側拡散層１３ａと接触するように形成され、水素極と電気的に接続されている。
【００６８】
そして、水素極側セパレータ１４ａの上辺部位１４０ｃ（発電対応部位の周縁部の外側と隣接する部位）には、水素流路１４３ａの上流側流路部１４５の下流側と下流側流路部１４６の上流側とを連通するための中間流路部１４９が形成されている。本実施形態では、中間流路部１４９は、水素極側セパレータ１４ａにおける発電対応部位に沿って水素極側セパレータ１４の長手方向に延びるように溝形状に形成されている。
【００６９】
次に、本実施形態における燃料電池１内部の水素の流れを図５に基づいて説明すると、まず、水素供給経路３ａを介して燃料電池１の水素入口１ａから導入された水素は、セル１０の水素極側セパレータ１４ａの水素入口マニホールド１４１を流れる。なお、図５における矢印は、水素の流れ方向を示している。
【００７０】
そして、水素入口マニホールド１４１から導入された水素は、高い圧力、流速を維持した状態で上流側流路部１４５の流路溝部１４８に沿って流れる。ここで、仕切り壁１４４によって膜電極接合体の水素極側触媒層１２ａおよび水素極側拡散層１３ａが水素流路１４３ａの上流側流路部１４５と下流側流路部１４６に対応して分断されているため、水素利用率が高い場合等であってもパスカットにより上流側流路部１４５を流れる水素の流れが乱れることがない。
【００７１】
つまり、上流側流路部１４５を流れる水素は、流路溝部１４８に沿ってほぼ直線的に流れる。そのため、水素流路１４３ａの上流側流路部１４５を流れる水素は、中間流路部１４９に流すことができる。
【００７２】
そして、水素流路１４３ａの上流側流路部１４５を流れる水素は、中間流路部１４９で方向転換して、下流側流路部１４６に流入する。すなわち、水素は、上流側流路部１４５→中間流路部１４９→下流側流路部１４６の順に、Ｕ字状に蛇行して流れる。
【００７３】
また、仕切り壁１４４を、下流側流路部１４６の流路面積を上流側流路部１４５の流路面積に比べて小さくなるように設定することで、下流側流路部１４６を流れる水素の流速を上げることができ、下流側流路部１４６内を流れる水素が水素出口マニホールド１４２近傍に流れやすくすることができる。
【００７４】
図２に戻り、本実施形態の燃料電池１は、セル１０間に局所電流測定手段を構成する周知の電流測定装置５を備えている。本実施形態の電流測定装置５は、水素出口マニホールド１４２の近傍領域におけるセル１０の局所電流を測定するようになっている。
【００７５】
電流測定装置５は、例えば、特開２００６−１１４３７６号公報に記載の電流測定装置を用いることができる。なお、電流測定装置５について簡単に説明すると、図示しない導電体より構成され、セル１０とセル１０の間に、セル１０間を電気的に接続するように配置される導電部と、導電部を流れる局所電流を測定する電流センサより構成される。そして、電流センサは、測定結果を制御装置４に出力するようになっている。
【００７６】
制御装置４は、入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。
【００７７】
具体的には、制御装置４の入力側には、電流測定装置５の検出信号等、および、車室内に設けられた車両起動スイッチ（図示せず）の操作信号が入力される。なお、車両起動スイッチは、空気ポンプ２１、空気調圧弁２２、水素調圧弁３２等の作動開始信号を出力する開始信号出力手段の機能を兼ねる。
【００７８】
制御装置４の出力側には、上述の空気ポンプ２１、空気調圧弁２２、水素調圧弁３２、電磁弁３３等の各種電気式アクチュエータ等が接続されている。本実施形態の制御装置４は、演算結果に基づいて、電磁弁３３等の各種電気式アクチュエータに制御信号を出力する。
【００７９】
次に、本実施形態の燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池システムは、車両起動スイッチがオンされることで起動を開始する。そして、空気供給経路２ａおよび水素供給経路３ａから燃料電池１に空気および水素が供給されることで、燃料電池１では発電が行なわれる。
【００８０】
本実施形態では、セル１０内に滞留した水や窒素等の不純物を外部に排出するために、制御装置４が不純物排出制御を実行する。この不純物排出制御は、制御装置４が予めＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従って実行する。
【００８１】
不純物排出制御では、電流測定装置５で測定した局所電流が、基準電流値を下回ったか否かを判定する。なお、基準電流値は、実験的に算出されたもので、予め制御装置４のＲＯＭ等に設定されている。
【００８２】
判定の結果、電流測定装置５で測定した局所電流が基準電流値を下回っていると判定された場合に、燃料電池１の水素出口マニホールド１４２近傍で不純物が滞留し、水素が不足していると診断することができる。そして、電磁弁３３を予め設定された所定時間が経過するまで開放することで、燃料電池１のセル１０内部の不純物を排出することができる。なお、判定の結果、電流測定装置５で測定した局所電流が、基準電流値を下回っていないと判定された場合には、上述のような電磁弁３３の開放を行なわない。
【００８３】
以上説明したように、本実施形態の水素極側セパレータ１４ａの構成によれば、水素流路１４３ａ内の不純物は、水素出口マニホールド１４２近傍に滞留させることができる。これにより、燃料電池１の広範囲に不純物の滞留が発生することを抑制することができる。
【００８４】
また、水素流路１４３ａ内に滞留した不純物は、水素出口マニホールド１４２近傍に滞留しやすいため、電流測定装置５を水素出口マニホールド１４２近傍にのみ配置することで、燃料電池１内の水素が不足しているか否かを診断することができる。
【００８５】
また、不純物の滞留が水素出口マニホールド１４２近傍で発生するため、制御装置４で不純物排出制御が行なわれた場合に、水素出口マニホールド１４２から不純物を排出しやすくすることができる。
【００８６】
これにより、燃料電池１内の水素不足による燃料電池１の発電性能低下や、水素が不足している部位における膜電極接合体の劣化を抑制することができる。
【００８７】
さらに、水素流路１４３ａ内に滞留した不純物を排出するための必要となる水素排出量を減少させることができる。これにより、例えば、水素利用率が高い場合には、水素利用率の減少を抑制することができる。また、水素利用率が低い場合であっても滞留した不純物の排出を適切に行なうことができる。
【００８８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６に基づいて説明する。上記第１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６は、第２実施形態における水素極側セパレータの構成を水素極側から見たときの平面図である。
【００８９】
本実施形態では、第１実施形態に対して水素極側セパレータ１４ａにおける仕切り壁１４４、水素流路１４３ａ、中間流路部１４９の構成を変更している。
【００９０】
具体的には、図６に示すように、仕切り壁１４４を、下流側流路部１４６が水素出口マニホールド１４２に近づくにつれて流路面積が小さくなるように水素極側セパレータ１４ａの長手方向に直交する方向に対して傾斜させている。
【００９１】
また、中間流路部１４９は、隣り合う単セル１０間を積層方向に貫通する中間マニホールド１４９ａとしている。燃料電池１の水素入口１ａの近くに位置するセル１０と遠くに位置するセル１０では、上流側流路部１４５に導入される水素流量が異なる場合があるため、中間流路部１４９を中間マニホールド１４９ａとすることで、各セル１０間における水素流量のばらつきを抑制することができる。
【００９２】
このように、下流側流路部１４６を水素出口マニホールド１４２に近づくにつれて流路面積が小さくなっているため、下流側流路部１４６を流れる未反応水素および不純物を水素出口マニホールド１４２近傍に流しやすくすることができる。
【００９３】
さらに、中間流路部１４９を中間マニホールド１４９ａとすることで、下流側流路部１４６を流れる未反応水素および不純物をより水素出口マニホールド１４２近傍に流しやすくすることができる。
【００９４】
なお、水素流路１４３ａの上流側流路部１４５および下流側流路部１４６は、本実施形態のようにガス透過性を有する多孔質体流路１５０で形成してもよい。
【００９５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図７〜図９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７は本実施形態に係る燃料電池の概略を示す斜視図、図８は磁界測定装置の配置を説明する説明図である。
【００９６】
上記第１実施形態の燃料電池システムでは、セル１０間に電流測定装置５を設ける構成としているが、本実施形態では、図７、図８に示すように、水素出口マニホールド１４２の近傍に磁界測定手段として磁界測定装置６を設ける構成としている。
【００９７】
磁界測定装置６は、燃料電池１の外周側面における水素出口マニホールド１４２の近傍に配置され、燃料電池１内部をセル１０の積層方向に沿って流れる電流によって発生する磁界の強さ（磁束密度）を測定するものである。
【００９８】
具体的に、磁界測定装置６は、ホール素子等からなる複数の磁気センサ６ａを有して構成されている。なお、磁気センサ６ａは、ホール素子を用いたものに限らず、例えば、磁気抵抗（ＭＲ）素子、フラックスゲートを用いた磁気センサを採用することができる。
【００９９】
磁気センサ６ａは、燃料電池１の外周側面における水素出口マニホールド１４２の近傍に発生する磁界が鎖交する位置に配置され、水素出口マニホールド１４２の近傍の磁束密度を測定するように構成されている。なお、複数の磁気センサ６ａは、測定結果を制御装置４に出力するようになっている。
【０１００】
また、複数の磁気センサ６ａは、セル１０の積層方向に沿って並んで配置されている。このように複数の磁気センサ６ａを配置することで、セル１０の積層方向に沿った磁束密度の分布を測定する構成となっている。
【０１０１】
次に、燃料電池１内部を流れる電流によって発生する磁界について図９に基づいて説明する。図９（ａ）は燃料電池の周囲に発生する磁界を説明する説明図、図９（ｂ）は水素流路に不純物が滞留していない場合の水素出口マニホールド近傍の磁界を説明する説明図、図９（ｃ）は水素流路に不純物が滞留している場合の水素出口マニホールド近傍の磁界を説明する説明図である。
【０１０２】
燃料電池１では、各セル１０にて発電が行われることによって得られる電流が、積層されたセル１０の両端部に設けられた集電板１０ａに集電される。燃料電池１内部の電流の流れを大局的に捉えると、図９（ａ）に示すように、一方の集電板（紙面手前側の集電板）から他方の集電板（紙面奥側の集電板）にセル１０の積層方向に沿って電流が流れる。そして、燃料電池１の周囲には、セル１０の積層方向に沿って流れる電流によって磁界が発生する。
【０１０３】
ここで、水素極側セパレータ１４ａは、水素流路１４３ａにおける水素出口マニホールド１４２近傍で不純物の滞留が発生しやすい構成となっているため、水素出口マニホールド１４２近傍で不純物の滞留した場合に、水素出口マニホールド１４２の近傍の発電性能が低下する。この発電性能低下に伴い、水素出口マニホールド１４２の近傍において電流密度が低下するとともに、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示すように水素出口マニホールド１４２の近傍の磁束密度も低下する。
【０１０４】
従って、磁界測定装置６にて水素流路１４３ａにおける水素出口マニホールド１４２の近傍に発生する磁界を測定することで、水素出口マニホールド１４２の近傍で不純物が滞留しているか否かを判断することが可能となる。
【０１０５】
次に、本実施形態の不純物排出制御について説明すると、不純物排出制御では、磁界測定装置６で測定した水素流路１４３ａにおける水素出口マニホールド１４２の近傍の磁束密度が、基準値を下回ったか否かを判定する。なお、基準値は、実験的に算出されたもので、予め制御装置４のＲＯＭ等に設定されている。
【０１０６】
判定の結果、磁界測定装置６で測定した測定値が、基準値を下回っていると判定された場合に、燃料電池１の水素出口マニホールド１４２近傍で不純物が滞留し、水素が不足していると診断することができる。この場合、電磁弁３３を予め設定された所定時間が経過するまで開放することで燃料電池１のセル１０内部の不純物を排出することができる。
【０１０７】
本実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態で説明した燃料電池システムと同様な効果を奏することができる。
【０１０８】
また、本実施形態では、磁界測定装置６の磁気センサ６ａを燃料電池１の外周側面に沿って配置しており、セル間に配置する電流測定装置５を用いる場合に比較して、簡易な構成となり、さらに燃料電池１の積層方向の体格を小さくすることができる。また、磁界測定装置６を用いる場合には、電流測定装置５を用いる場合に比較して、燃料電池１内の電流の流れが変化しない構成であるため、測定装置を設けることで燃料電池１の発電性能に与える影響を抑えることができる。
【０１０９】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１０〜図１２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の概略を示す斜視図、図１１は本実施形態に係る空気極側セパレータを空気極側から見た正面図である。
【０１１０】
ところで、空気極側セパレータ１４ｂの空気流路１４３ｂには、水素と空気との電気化学反応によって生成された生成水が、空気流路１４３ｂの上流側から下流側へと流れる。そのため、空気流路１４３ｂの下流側、つまり空気出口マニホールド１５２の近傍では、生成水が多く流れ、空気極側の水分が過剰となりやすいので、いわゆるフラッディングが発生しやすい部位となっている。また、空気流路１４３ｂの上流側、つまり空気入口マニホールド１５１の近傍では、生成水が少なく、電解質膜１１が乾燥しやすいので、いわゆるドライアップが発生しやすい部位となっている。
【０１１１】
つまり、セパレータ１４における空気出口マニホールド１５２の近傍では、フラッディングが発生しやすく、空気入口マニホールド１５１の近傍では、ドライアップが発生しやすくなっている。燃料電池１においてドラアップやフラッディングが発生すると、空気出口マニホールド１５２および空気入口マニホールド１５１の近傍でセル１０の出力電流が低下してしまう可能性がある。
【０１１２】
ここで、第１実施形態で説明したセパレータ１４には、水素入口マニホールド１４１と空気出口マニホールド１５２とが隣接するように形成され、水素出口マニホールド１４２と空気入口マニホールド１５１とが隣接するように形成されている。
【０１１３】
そのため、水素流路１４３ａの水素出口マニホールド１４２近傍にて不純物が滞留していない場合でも、空気流路１４３ｂの空気入口マニホールド１５１近傍にてドライアップが発生していると、電流測定装置５での測定結果に影響する可能性がある。なお、このような事態は、水素出口マニホールド１４２と空気出口マニホールド１５２とが隣接するように形成されている場合も同様である。
【０１１４】
そこで、本実施形態では、水素出口マニホールド１４２を、セパレータ１４における膜電極接合帯に対向する対向面の周縁部であって、対向面の４つの角部のうちの１つの角部の近傍に形成し、空気入口マニホールド１５１および空気出口マニホールド１５２を、水素出口マニホールド１４２が形成された角部と異なる角部の近傍に形成している。つまり、セパレータ１４に形成した空気出口マニホールド１５２および空気入口マニホールド１５１の配置を水素入口マニホールド１４１から離れた位置に形成している。なお、セパレータ１４における膜電極接合体に対向する対向面の周縁部は、セパレータ１４における膜電極接合体の発電部位と対応する発電対応部位を除いた部位に相当している。
【０１１５】
具体的には、本実施形態の燃料電池１の構成を説明すると、図１０に示すように、燃料電池１の集電板１０ａに形成された水素出口１ｃは、集電板１０ａの周縁部であって、集電板１０ａの４つの角部のうち図中左下の角部の近傍に形成されている。また、空気入口１ｂおよび空気出口１ｄは、集電板１０ａの周縁部であって、水素出口１ｃが形成された角部以外の角部の近傍に形成されている。つまり、空気入口１ｂは、セル１０の積層方向から見た場合に集電板１０ａの４つの角部のうち図中左上の角部の近傍に形成され、空気出口１ｄは、図中右上の角部の近傍に形成されている。
【０１１６】
また、図４、図１１に示すように、水素極側セパレータ１４ａおよび空気極側セパレータ１４ｂには、水素入口１ａと対応する位置に、水素入口マニホールド１４１が形成され、水素出口１ｃと対応する位置に水素出口マニホールド１４２が形成されている。より詳しくは、図１１に示すように、セパレータ１４における周縁部の下辺側に位置する２つの角部のうち一方の角部（図中右下の角部）の近傍に水素出口マニホールド１４２が形成されている。
【０１１７】
また、空気極側セパレータ１４ｂには、空気入口１ｂと対応する位置に、空気入口マニホールド１５１が形成され、空気出口１ｄと対応する位置に空気出口マニホールド１５２が形成されている。つまり、セパレータ１４（空気極側セパレータ１４ｂ）における周縁部の上辺側（下辺に対向する辺側）に位置する２つの角部のうち一方の角部（図中左上の角部）の近傍に空気入口マニホールド１５１が形成されている。また、セパレータ１４（空気極側セパレータ１４ｂ）における周縁部の上辺側に位置する２つの角部のうち他方の角部（図中右上の角部）の近傍に空気出口マニホールド１５２が形成されている。
【０１１８】
ここで、セパレータ１４の角部の近傍は、セパレータ１４における発電対応部位を除いた部位（セパレータ１４の周縁部）において、角部から、角部を一端として延びる一辺の長さの４０％以内の距離に位置する部位を意味している。
【０１１９】
また、空気極側セパレータ１４ｂの空気流路１４３ｂは、複数の仕切り壁１５３によって蛇行した流路となっている。そして、空気流路１４３ｂには、仕切り壁１５３と並行に直線状に延びる複数のリブ部１４７が等間隔に形成され、複数のリブ部１４７の間に空気が流れる流路溝部１４８が複数形成されている。この複数のリブ部１４７は、空気極側拡散層１３ｂと接触するように形成され、空気極と電気的に接続されている。
【０１２０】
次に、本実施形態の水素極側セパレータ１４ａおよび空気極側セパレータ１４ｂにおける水素および空気の流れを図１２に基づいて説明する。ここで、図１２（ａ）は、水素極側セパレータにおける水素の流れを説明する説明図であり、図１２（ｂ）は、空気極側セパレータにおける空気の流れを説明する説明図である。
【０１２１】
図１２（ａ）に示すように、水素入口マニホールド１４１から水素流路１４３ａに導入された水素は、上流側流路部１４５から中間流路部１４９に流れ、中間流路部１４９で方向転換して、下流側流路部１４６に流入する。ここで、水素極側セパレータ１４ａは、水素流路１４３ａ内の不純物が水素出口マニホールド１４２の近傍（図中のＢ部）に滞留しやすい構成となっている。
【０１２２】
一方、図１２（ｂ）に示すように、空気入口マニホールド１５１から空気流路１４３ｂに導入された空気は、蛇行状の流路を介して空気出口マニホールド１５２に向かって流れる。ここで、水素出口マニホールド１４２から離れた位置に形成された空気入口マニホールド１５１の近傍（図中のＣ部）でドライアップが発生しやすくなり、空気出口マニホールド１５２の近傍（図中のＤ部）でフラッディングが発生しやすくなる。
【０１２３】
つまり、本実施形態の構成によれば、水素極側セパレータ１４ａにおける不純物が滞留しやすい部位（図中Ｂ部）と、空気極側セパレータ１４ｂにおけるドライアップが発生しやすい部位（図中Ｃ部）およびフラッディングが発生しやすい部位（図中Ｄ部）とを離れた位置とすることができる。
【０１２４】
従って、不純物排出制御における水素が不足している状態か否かの診断を行なう場合においても空気極側の水分状態が影響することを抑制することができる。
【０１２５】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。
【０１２６】
（１）上述の各実施形態では、水素入口マニホールド１４１と水素出口マニホールド１４２を水素極側セパレータ１４ａの下辺部位１４０ａに沿って延びるように形成しているが、これに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、水素極側セパレータ１４ａの下辺部位１４０ａにおける角部近傍（発電対応部位の角部近傍）に形成してもよい。また、図７に示すように、中間流路部１４９についても、上流側流路部１４５と下流側流路部１４６とを区分けする仕切り壁１４４の近傍に形成してもよい。なお、図７は、水素極側セパレータの構成を水素極側から見たときの平面図である。
【０１２７】
（２）上述の第１実施形態では、セル１０間に電流測定装置５を設ける例について説明したが、セル面内に不純物が滞留すると燃料電池１の出力電圧が低下するため、セル１０内の局所電位を測定する電位測定装置（局所電位測定手段）を設けてもよい。電位測定装置としては、例えば、水素極側の拡散層１３等に参照電極を設け、参照電極の電位に対する水素極の水素出口マニホールド１４２近傍の電位変化を測定する構成とすることができる。
【０１２８】
この電位測定装置を用いる場合には、不純物排出制御において、電位測定装置で測定した局所電位が、基準電位値を下回ったか否かを判定し、基準電位値を下回った場合に、不純物が滞留していると診断すればよい。これによっても、電流測定装置５を設ける例と同様な効果を得ることができる。なお、基準電位値は、実験的に算出し、予め制御装置４のＲＯＭ等に設定しておけばよい。
【０１２９】
（３）また、セル面内における不純物が滞留する部位では、水素が不足することによって発電が阻害され、局所電流が低下するとともに、発電時の水素と酸素の化学反応による発熱量も低下する。つまり、不純物が滞留して水素が不足している状態（水素供給量が少ない状態）では、水素が不足していない状態（水素供給量が多い状態）に比較して、滞留する部位の温度が低下する。
【０１３０】
そのため、セル１０内に局所温度を測定する温度測定装置（局所温度測定手段）を設けることで、水素が不足しているか否かを診断することができる。この温度測定装置としては、例えば、水素極側の拡散層１３に温度センサを配置して、水素極側の拡散層１３の局所温度を測定する構成とすることができる。
【０１３１】
この温度測定装置を用いる場合には、不純物排出制御において、温度測定装置で測定した局所温度が、予め設定した基準温度値を下回ったか否かを判定し、基準温度値を下回った場合に、不純物が滞留している（水素が不足している）と診断すればよい。なお、基準温度値は、実験的に算出し、予め制御装置４のＲＯＭ等に設定しておけばよい。
【０１３２】
これによっても、電流測定装置５を設ける例と同様な効果を得ることができる。また、温度測定装置は、水素極側の拡散層１３に配置した温度センサで構成できるため、セル間に配置する電流測定装置５を用いる場合に比較して、簡易な構成となり、さらに燃料電池１の積層方向の体格を小さくすることができる。また、温度測定装置を用いる場合には、電流測定装置５を用いる場合に比較して、燃料電池１内の電流の流れが変化しない構成であるため、測定装置を設けることで燃料電池１の発電性能に与える影響を抑えることができる。
【０１３３】
（４）上述の第３実施形態では、磁界測定装置６を燃料電池１の外周側面に配置した複数の磁気センサ６ａにて構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、図１４に示すように、磁界測定装置６を燃料電池１の外周側面に１つの磁気センサ６ａを配置し、この磁気センサ６ａをセル１０の積層方向に沿って延びるレール６ｂ上に載せることで、セル１０の積層方向に沿って移動可能に構成してもよい。この場合、１つの磁気センサ６ａを燃料電池１の一端側から他端側に向かって段階的に移動させることで、燃料電池１のセル１０の積層方向の磁束密度分布を測定することが可能となる。
【０１３４】
（５）上述の実施形態では、不純物排出制御において、電磁弁３３の開放を予め設定した所定時間経過するまで行なったが、電磁弁３３の開放を電流測定装置５で測定した局所電流が基準電流値を下回らなくなるまで行うように構成してもよい。
【符号の説明】
【０１３５】
１        燃料電池
１０      セル
１４ａ    水素極側セパレータ
１４１    水素入口マニホールド（燃料ガス入口マニホールド）
１４２    水素出口マニホールド（燃料ガス出口マニホールド）
１４３ａ  水素流路（燃料ガス流路）
１４４    仕切り壁（仕切り部材）
１４５    上流側流路部
１４６    下流側流路部
１４９    中間流路部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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