(57)【要約】【課題】  燃料電池の耐久性低下を抑制することができる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供する。【解決手段】  燃料電池システム（１００）は、膜−電極接合体（１０）と膜−電極接合体の両面に配置され膜−電極接合体の発電電流を取り出すための複数のターミナル（２１，２２，４１，４２）を外周部に備え導電性およびガス透過性を有する集電体（２０，４０）とを備える燃料電池（１１０）と、複数のターミナルのいずれかを選択することによって集電体からの集電位置を切り替える切替手段（１２１，１２２）と、を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体の両面に配置され前記膜−電極接合体の発電電流を取り出すための複数のターミナルを外周部に備え導電性およびガス透過性を有する集電体と、を備える燃料電池と、
前記複数のターミナルのいずれかを選択することによって前記集電体からの集電位置を切り替える切替手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記切替手段は、定期的または不定期に前記集電体からの集電位置を切り替えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記膜−電極接合体における電流分布を検出する電流分布検出手段を備え、
前記切替手段は、前記電流分布検出手段の検出結果に応じて前記集電体からの集電位置を切り替えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記電流分布検出手段は、前記燃料電池内を流動する冷却媒体の温度を検出する温度検出手段であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記温度検出手段による検出温度がしきい値以上である場合、前記切替手段は、前記集電体において酸化剤ガス出口よりも酸化剤ガス入口に近い前記ターミナルを選択することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記温度検出手段による検出温度がしきい値以下である場合、前記切替手段は、前記集電体において酸化剤ガス入口よりも酸化剤ガス出口に近い前記ターミナルを選択することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記電流分布検出手段は、前記膜−電極接合体の面内の２点間の電位差を検出する電位差検出手段であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記切替手段は、前記電位差検出手段によって検出された電位差がしきい値以上であれば、前記集電体からの集電位置を切り替えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池は、複数積層されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体の両面に配置され前記膜−電極接合体の発電電流を取り出すための複数のターミナルを外周部に備え導電性およびガス透過性を有する集電体と、を備える燃料電池に対し、前記複数のターミナルのいずれかを選択することによって前記集電体からの集電位置を切り替える切替ステップを含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１１】
前記切替ステップにおいて、定期的または不定期に前記集電体からの集電位置を切り替えることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１２】
前記膜−電極接合体における電流分布を検出する電流分布検出ステップを含み、
前記切替ステップにおいて、前記電流分布検出ステップの検出結果に応じて前記集電体からの集電位置を切り替えることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１３】
前記電流分布検出ステップは、前記燃料電池内を流動する冷却媒体の温度を検出する温度検出ステップであることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１４】
前記温度検出ステップにおける検出温度がしきい値以上である場合、前記切替ステップにおいて、前記集電体において酸化剤ガス出口よりも酸化剤ガス入口に近い前記ターミナルを選択することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１５】
前記温度検出ステップにおける検出温度がしきい値以下である場合、前記切替ステップにおいて、前記集電体において酸化剤ガス入口よりも酸化剤ガス出口に近い前記ターミナルを選択することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１６】
前記電流分布検出ステップは、前記膜−電極接合体の面内の２点間の電位差を検出する電位差検出ステップであることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１７】
前記切替ステップにおいて、前記電位差検出ステップによって検出された電位差がしきい値以上であれば、前記集電体からの集電位置を切り替えることを特徴とする請求項１６記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１８】
前記燃料電池は、複数積層されていることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池は、例えば、プロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜に沿って配置されたカソード触媒層およびアノード触媒層と、それぞれの触媒層の電解質膜と反対側に配置されたセパレータと、を備える。このような燃料電池においては、カソード触媒層に酸化剤ガスが供給され、アノード触媒層に燃料ガスが供給される。それにより、発電が行われる。特許文献１には、集電体から外部出力端子を介して電力が回収される燃料電池が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０３１０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示される燃料電池は、集電体の一辺方向から電流を取り出す構造を有している。この場合、電流が取り出される側に発電が集中する傾向にある。それにより、電流分布にバラツキが生じ、燃料電池の耐久性が低下するおそれがある。
【０００６】
本発明は、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法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】
本発明に係る燃料電池システムは、膜−電極接合体と膜−電極接合体の両面に配置され膜−電極接合体の発電電流を取り出すための複数のターミナルを外周部に備え導電性およびガス透過性を有する集電体とを備える燃料電池と、複数のターミナルのいずれかを選択することによって膜−電極接合体からの集電位置を切り替える切替手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、膜−電極接合体の面内における電流集中を抑制することができる。その結果、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。
【０００８】
切替手段は、定期的または不定期に集電体からの集電位置を切り替えてもよい。この場合、定期的または不定期に、電流集中領域が移動する。それにより、膜−電極接合体の面内における電流集中を抑制することができる。
【０００９】
膜−電極接合体における電流分布を検出する電流分布検出手段を備え、切替手段は、電流分布検出手段の検出結果に応じて集電体からの集電位置を切り替えてもよい。この場合、電流集中を抑制することができる。
【００１０】
電流分布検出手段は、燃料電池内を流動する冷却媒体の温度を検出する温度検出手段であってもよい。温度検出手段による検出温度がしきい値以上である場合、切替手段は、集電体において酸化剤ガス出口よりも酸化剤ガス入口に近いターミナルを選択してもよい。この場合、酸化剤ガス出口付近の電流集中が抑制される。それにより、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。
【００１１】
温度検出手段による検出温度がしきい値以下である場合、切替手段は、集電体において酸化剤ガス入口よりも酸化剤ガス出口に近い前記ターミナルを選択してもよい。この場合、酸化剤ガス入口付近の電流集中が抑制される。それにより、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。
【００１２】
電流分布検出手段は、膜−電極接合体の面内の２点間の電位差を検出する電位差検出手段であってもよい。切替手段は、電位差検出手段によって検出された電位差がしきい値以上であれば、集電体からの集電位置を切り替えてもよい。この場合、膜−電極接合体の面内における電流集中を抑制することができる。燃料電池は、複数積層されていてもよい。
【００１３】
本発明に係る燃料電池の運転方法は、膜−電極接合体と膜−電極接合体の両面に配置され膜−電極接合体の発電電流を取り出すための複数のターミナルを外周部に備え導電性およびガス透過性を有する集電体とを備える燃料電池に対し、複数のターミナルのいずれかを選択することによって膜−電極接合体からの集電位置を切り替える切替ステップを含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の運転方法においては、膜−電極接合体の面内における電流集中を抑制することができる。その結果、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。
【００１４】
切替ステップにおいて、定期的または不定期に集電体からの集電位置を切り替えてもよい。この場合、定期的または不定期に、電流集中領域が移動する。それにより、膜−電極接合体の面内における電流集中を抑制することができる。
【００１５】
膜−電極接合体における電流分布を検出する電流分布検出ステップを含み、切替ステップにおいて、電流分布検出ステップの検出結果に応じて集電体からの集電位置を切り替えてもよい。この場合、電流集中を抑制することができる。
【００１６】
電流分布検出ステップは、燃料電池内を流動する冷却媒体の温度を検出する温度検出ステップであってもよい。温度検出ステップにおける検出温度がしきい値以上である場合、切替ステップにおいて、集電体において酸化剤ガス出口よりも酸化剤ガス入口に近いターミナルを選択してもよい。この場合、酸化剤ガス出口付近の電流集中が抑制される。それにより、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。
【００１７】
温度検出ステップにおける検出温度がしきい値以下である場合、切替ステップにおいて、燃料電池カソードガス入口よりもカソードガス出口に近いターミナルを選択してもよい。この場合、酸化剤ガス入口付近の電流集中が抑制される。それにより、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。
【００１８】
電流分布検出ステップは、膜−電極接合体の面内の２点間の電位差を検出する電位差検出ステップであってもよい。切替ステップにおいて、電位差検出ステップによって検出された電位差がしきい値以上であれば、集電体からの集電位置を切り替えてもよい。この場合、膜−電極接合体の面内における電流集中を抑制することができる。燃料電池は、複数積層されていてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、膜−電極接合体の面内における電流集中が抑制される。それにより、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、実施例１に係る燃料電池システム１００を説明するための図である。図１（ａ）は、燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１（ｂ）は、後述する集電体２０，４０の平面図である。
【００２２】
図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１１０、切替スイッチ１２１，１２２、燃料ガス供給手段１３０、酸化剤ガス供給手段１４０および制御手段１５０を備える。燃料電池１１０は、図１（ａ）においては模式的断面図で描かれている。燃料電池１１０は、膜−電極接合体１０の一面に集電体２０およびセパレータ３０が積層され、他面に集電体４０およびセパレータ５０が積層された構造を有する。
【００２３】
膜−電極接合体１０は、電解質膜１１の集電体２０側にアノード触媒層１２が接合され、電解質膜１１の集電体４０側にカソード触媒層１３が接合された構造を有する。電解質膜１１として、例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質を用いることができる。アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、触媒を含む導電性材料からなる。アノード触媒層１２の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層１３の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３として、例えば、白金担持カーボンを用いることができる。
【００２４】
集電体２０は、アノード触媒層１２に沿って配置されている。集電体２０の少なくとも一部は、アノード触媒層１２に埋設されていてもよい。図１（ｂ）に示すように、集電体２０の外周部には、セパレータ３０を介さずに膜−電極接合体１０から発電電流を取り出すためのターミナル２１，２２が設けられている。例えば、ターミナル２１，２２は、酸化剤ガスの流動方向に沿って互いに対向する位置に配置されている。ターミナル２１，２２は、セパレータ３０よりも外側に設けられている。
【００２５】
集電体４０は、カソード触媒層１３に沿って配置されている。集電体４０の少なくとも一部は、カソード触媒層１３に埋設されていてもよい。図１（ｂ）に示すように、集電体４０の外周部には、セパレータ５０を介さずに膜−電極接合体１０から発電電流を取り出すためのターミナル４１，４２が設けられている。例えば、ターミナル４１，４２は、酸化剤ガスの流動方向に沿って互いに対向する位置に配置されている。ターミナル４１，４２は、セパレータ５０よりも外側に設けられている。本実施例においては、ターミナル２１，４１は酸化剤ガス入口側に配置され、ターミナル２２，４２は酸化剤ガス出口側に配置されている。
【００２６】
集電体２０，４０は、厚み方向にガス透過性を有する導電性材料からなる。例えば、集電体２０，４０は、多孔質形状の導電性材料からなる。集電体２０，４０として、例えば、金属メッシュ、金属発泡焼結体、エキスパンドメタル、カーボンファイバー、カーボン焼結体等が用いられる。
【００２７】
セパレータ３０，５０は、外周部において膜−電極接合体１０に対して突出して接触する接触部を有する。それにより、セパレータ３０と膜−電極接合体１０との間に燃料ガス流動用の空間部３１が画定される。また、セパレータ５０と膜−電極接合体１０との間に酸化剤ガス流動用の空間部５１が画定される。なお、セパレータ３０，５０は、反応ガスの流動を阻害しない範囲で、外周部以外に膜−電極接合体１０と接触する接触部を有していてもよい。ただし、反応ガスの膜−電極接合体１０への拡散性を考慮すると、膜−電極接合体１０の全面またはほぼ全面にわたって反応ガス流動用の空間部が形成されていることが好ましい。
【００２８】
燃料ガス供給手段１３０は、燃料ガス流動用の空間部３１に水素を含む燃料ガスを供給する手段である。燃料ガス供給手段１３０は、例えば、水素タンク等である。酸化剤ガス供給手段１４０は、酸化剤ガス流動用の空間部５１に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段である。酸化剤ガス供給手段１４０は、例えば、エアポンプ等である。制御手段１５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。
【００２９】
続いて、燃料電池システム１００の動作の概略について説明する。燃料ガス供給手段１３０は、制御手段１５０の指示に従って、燃料ガスを空間部３１に供給する。空間部３１に供給された燃料ガスは、集電体２０を透過して、アノード触媒層１２に拡散する。アノード触媒層１２において、燃料ガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、カソード触媒層１３に到達する。電子は、集電体２０によって集電されてターミナル２１またはターミナル２２を介して負荷に供給された後に、ターミナル４１またはターミナル４２を介して集電体４０に到達する。
【００３０】
酸化剤ガス供給手段１４０は、制御手段１５０の指示に従って、空間部５１に酸化剤ガスを供給する。空間部５１に供給された酸化剤ガスは、集電体４０を透過して、カソード触媒層１３に拡散する。カソード触媒層１３においては、酸化剤ガス中の酸素と電解質膜１１を伝導したプロトンと負荷からターミナル４１またはターミナル４２に供給された電子とから水が生成される。以上の過程を経て、燃料電池１１０は発電を行う。
【００３１】
切替スイッチ１２１，１２２は、制御手段１５０の指示に従って、負荷を介してターミナル２１とターミナル４１とを接続する回路と、負荷を介してターミナル２２とターミナル４２とを接続する回路と、を切り替える。
【００３２】
本実施例に係る燃料電池１１０においては、ターミナル２１，２２，４１，４２を介して集電がなされることから、セパレータ３０，５０に導電性が要求されない。それにより、セパレータ３０，５０として、金属等の導電性部材に比較して軽量および低コストな材料を用いてもよい。例えば樹脂を用いることによって、セパレータ３０，５０を軽量化および低コスト化することが可能であるとともに、セパレータ３０，５０に耐食性を持たせることができる。
【００３３】
また、集電のためのセパレータ３０，５０と膜−電極接合体１０との接触が不要になるため、溝流路等のようなセパレータ３０，５０と膜−電極接合体１０との電気的な接触部が不要になる。それにより、反応ガスが反応ガス流路を流動する際の圧損が低下する。その結果、燃料電池１１０の発電性能が向上する。
【００３４】
この燃料電池１１０においては、集電位置に近い領域では良好な発電が行われ、集電位置から離れた領域では集電体の抵抗に起因して発電が抑制される。例えば、ターミナル２１，４１で集電される場合には、他の領域に比較してターミナル２１，４１に近い領域において発電が良好になる。この場合、膜−電極接合体１０の面内において電流集中が生じる。
【００３５】
そこで、本実施例においては、集電位置を定期的または不定期に切り替えることによって、電流集中の発生を抑制する。例えば、制御手段１５０は、切替スイッチ１２１，１２２を制御して、ターミナル２１，４１を介した回路とターミナル２２，４２を介した回路とを定期的または不定期に切り替える。この場合、膜−電極接合体１０からの集電位置が切り替わる。それにより、膜−電極接合体１０の面内における電流集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１１０の耐久性が向上する。
【００３６】
なお、定期的に集電位置が切り替わる場合、膜−電極接合体１０における乾燥が抑制される。この場合、膜−電極接合体１０の面内における発電電流は、カソード側の酸素分圧にほぼ比例する。また、集電体４０の電気抵抗に起因して発電電流に偏りが生じうる。したがって、これら２つの影響を考慮し、集電切替時間を決定してもよい。例えば、酸化剤ガス入口近くの領域の発電電流が酸化剤ガス出口近くの領域の発電電流に対して２倍であれば、２：１の時間割合でターミナル２２，４２からの集電時間をターミナル２１，４１からの集電時間に比較して長くしてもよい。
【００３７】
図２は、定期的に集電位置を切り替える場合のフローチャートの一例を示す図である。図２に示すように、制御手段１５０は、反応ガスが燃料電池１１０に供給されるように、燃料ガス供給手段１３０および酸化剤ガス供給手段１４０を制御する（ステップＳ１）。次に、制御手段１５０は、ターミナル２１，４１またはターミナル２２，４２を介して集電されるように、切替スイッチ１２１，１２２を制御する（ステップＳ２）。それにより、発電が開始される。
【００３８】
次に、制御手段１５０は、所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３において所定時間が経過したと判定されなかった場合、制御手段１５０は、ステップＳ３を再度実行する。ステップＳ３において所定時間が経過したと判定された場合、制御手段１５０は、集電位置が切り替わるように、切替スイッチ１２１，１２２を制御する（ステップＳ４）。その後、制御手段１５０は、ステップＳ３を再度実行する。
【００３９】
図２のフローチャートによれば、膜−電極接合体１０からの集電位置が定期的に切り替わる。それにより、膜−電極接合体１０における電流集中が抑制される。その結果、燃料電池１１０の耐久性が向上する。なお、不定期に集電位置を切り替える場合には、ステップＳ３における所定時間をランダムに設定してもよい。なお、本実施例においては、切替スイッチ１２１，１２２および制御手段１５０が切替手段として機能する。
【実施例２】
【００４０】
図３（ａ）は、実施例２に係る燃料電池システム１００ａの全体構成を説明するための模式図である。燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、冷却水ポンプ１６０および温度センサ１６１をさらに備える点である。冷却水ポンプ１６０は、制御手段１５０の指示に従って、燃料電池１１０内の冷却水流路に冷却水を供給するポンプである。温度センサ１６１は、燃料電池１１０内を流動した後の冷却水の温度を検出するセンサであり、検出結果を制御手段１５０に与える。本実施例においては、温度センサ１６１の検出結果に応じて燃料電池１１０の温度を間接的に取得することができる。
【００４１】
図３（ｂ）は、燃料電池１１０における水収支を示す図である。図３（ｂ）において、横軸は燃料電池１１０の温度を示し、縦軸は水収支を示す。ここで、水収支は、燃料電池１１０において発電に伴って生成される生成水量から、酸化剤ガス出口から排出される水量を差し引いた量である。
【００４２】
燃料電池１１０の温度が低い場合（図３（ｂ）の温度範囲Ａ）、発電によって生成される生成水がほとんど液体の状態で存在する。この場合、酸化剤ガス流動用の空間部５１における酸化剤ガス出口に生成水が滞留する。それにより、酸化剤ガス出口以外の領域に発電電流が集中する。また、水収支はプラスになる。燃料電池１１０の温度が高くなると（図３（ｂ）の温度範囲Ｂ）、生成水が液体および気体の状態で混在する。この場合、水収支は徐々に低下する。
【００４３】
さらに燃料電池１１０の温度が高くなると（図３（ｂ）の温度範囲Ｃ）、生成水がほとんど気体の状態で存在する。この場合、燃料電池１１０からの排出水量が多くなる。それにより、酸化剤ガス入口付近の領域が乾燥する。その結果、酸化剤ガス入口以外の領域に発電が集中する。また、水収支がマイナスになる。以上のように、燃料電池１１０の温度から電流分布を検出することができる。なお、上記温度範囲Ａ〜Ｃは、あらかじめ燃料電池１１０に発電させることによって取得することができる。
【００４４】
本実施例においては、制御手段１５０は、温度センサ１６１が検出する温度Ｔが温度範囲Ａにある場合、ターミナル２２，４２から集電されるように、切替スイッチ１２１，１２２を制御する。この場合、酸化剤ガス入口側の電流集中を抑制することができる。また、制御手段１５０は、温度Ｔが温度範囲Ｂにある場合、定期的または不定期に集電位置が切り替わるように、切替スイッチ１２１，１２２を制御する。
【００４５】
さらに、制御手段１５０は、温度Ｔが温度範囲Ｃにある場合、ターミナル２１，４１から集電されるように、切替スイッチ１２１，１２２を制御する。この場合、酸化剤ガス出口側の電流集中が抑制される。それにより、酸化剤ガス入口に近い領域の発電悪化を抑制することができる。以上の制御により、膜−電極接合体１０の面内における電流分布に応じて集電位置を切り替えることができる。その結果、燃料電池１１０の耐久性が向上する。
【００４６】
図４は、燃料電池１１０の温度に応じて集電位置を切り替える場合のフローチャートの一例を示す図である。図４のフローチャートは、燃料電池１１０において発電が行われている際に実行される。図４に示すように、制御手段１５０は、温度センサ１６１が検出する温度Ｔが温度Ｔ１より小さいか否かを判定する（ステップＳ１１）。この場合、温度Ｔが温度範囲Ａにあるか否かが判定される。
【００４７】
ステップＳ１１において温度Ｔが温度Ｔ１よりも小さいと判定された場合、制御手段１５０は、ターミナル２２，４２から集電されるように、切替スイッチ１２１，１２２を制御する（ステップＳ１２）。それにより、集電位置が酸化剤ガス出口側に切り替わる。その後、制御手段１５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４８】
ステップＳ１１において温度Ｔが温度Ｔ１よりも小さいと判定されなかった場合、制御手段１５０は、温度Ｔが温度Ｔ１以上かつ温度Ｔ２以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。この場合、温度Ｔが温度範囲Ｂにあるか否かが判定される。ステップＳ１３において温度Ｔが温度Ｔ１以上かつ温度Ｔ２以下であると判定された場合、制御手段１５０は、集電位置が定期的に切り替わるように切替スイッチ１２１，１２２を制御する（ステップＳ１４）。その後、制御手段１５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４９】
ステップＳ１３において温度Ｔが温度Ｔ１以上かつ温度Ｔ２以下であると判定されなかった場合、制御手段１５０は、ターミナル２１，４１から集電されるように、切替スイッチ１２１，１２２を制御する（ステップＳ１５）。それにより、集電位置が酸化剤ガス入口側に切り替わる。その後、制御手段１５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００５０】
図４のフローチャートによれば、膜−電極接合体１０の面内における電流分布に応じて集電位置を切り替えることができる。それにより、膜−電極接合体１０における電流集中が抑制される。その結果、燃料電池１１０の耐久性が向上する。なお、本実施例においては、温度範囲Ｂを設けたが、それに限られない。高い温度範囲と低い温度範囲との間で、集電位置を切り替えてもよい。なお、本実施例においては、切替スイッチ１２１，１２２および制御手段１５０が切替手段として機能する。
【実施例３】
【００５１】
図５は、実施例３に係る燃料電池システム１００ｂの全体構成を説明するための模式図である。燃料電池システム１００ｂが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、電圧センサ１６２をさらに備える点である。電圧センサ１６２は、膜−電極接合体１０の面内の電位差を検出するセンサである。本実施例においては、電圧センサ１６２は、集電体２０においてターミナル２１側の領域とターミナル２２側の領域との電位差を検出し、その検出結果を制御手段１５０に与える。
【００５２】
ここで、膜−電極接合体１０の面内において電流分布が生じていなければ、電圧センサ１６２によって検出される電位差Ｖは小さくなる。しかしながら、ターミナル２１，２２間方向において電流分布が生じると、電位差Ｖは大きくなる。本実施例においては、この電位差Ｖがしきい値を超えた場合に、集電位置を切り替える。この場合、膜−電極接合体１０の面内における電流分布に応じて集電位置を切り替えることができる。それにより、膜−電極接合体１０の面内における電流集中が抑制される。その結果、燃料電池１１０の耐久性が向上する。
【００５３】
なお、集電体２０および集電体４０のいずれにおいて上記電位差を検出してもよい。
【００５４】
図６は、電位差Ｖの大きさに応じて集電位置を切り替える場合のフローチャートの一例を示す図である。図６のフローチャートは、燃料電池１１０において発電が行われている際に実行される。図６に示すように、制御手段１５０は、電圧センサ１６２が検出する電位差Ｖの絶対値｜Ｖ｜がしきい値を超えたか否かを判定する（ステップＳ２１）。
【００５５】
ステップＳ２１において絶対値｜Ｖ｜がしきい値を超えたと判定された場合、制御手段１５０は、集電位置が切り替わるように、切替スイッチ１２１，１２２を制御する（ステップＳ２２）。その後、制御手段１５０は、フローチャートの実行を終了する。なお、ステップＳ２１において絶対値｜Ｖ｜がしきい値を超えたと判定されなかった場合においても、制御手段１５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００５６】
図６のフローチャートによれば、膜−電極接合体１０の面内における電流分布に応じて集電位置を切り替えることができる。それにより、膜−電極接合体１０における電流集中が抑制される。その結果、燃料電池１１０の耐久性が向上する。なお、本実施例においては、切替スイッチ１２１，１２２および制御手段１５０が切替手段として機能する。
【００５７】
なお、上記フローチャートにおいては電位差の絶対値に基づいて集電位置を切り替えたが、それに限られない。例えば、電位差の絶対値が大きくなったとしても、集電位置を切り替えることによってさらに電流集中が大きくなる場合も起こりうる。したがって、電圧センサ１６２によって検出される電位差が緩和されるように切替スイッチ１２１，１２２を制御してもよい。この場合、膜−電極接合体１０における電流集中をより効果的に抑制することができる。
【実施例４】
【００５８】
図７は、実施例４に係る燃料電池システム１００ｃを説明するための図である。図７（ａ）は、燃料電池システム１００ｃの全体構成を示す模式図である。図７（ａ）に示すように、燃料電池システム１００ｃにおいては、燃料電池１１０の代わりに燃料電池スタックが設けられている。燃料電池スタックにおいては、図１の燃料電池１１０が複数積層されている。
【００５９】
燃料電池スタックにおいては、各燃料電池１１０のターミナル２１，４１を接続するバスバー２０１および各燃料電池１１０のターミナル２２，４２を接続するバスバー２０２が設けられている。バスバー２０１は、隣接する燃料電池１１０の間で、ターミナル２１とターミナル４１とを接続し、ターミナル２１とターミナル４１との間に切替スイッチ２０３を備える。バスバー２０２は、隣接する燃料電池１１０の間で、ターミナル２２とターミナル４２とを接続し、ターミナル２２とターミナル４２との間に切替スイッチ２０４を備える。
【００６０】
図７（ｂ）にバスバー２０１の模式図を示す。バスバー２０１において、ターミナル２１とターミナル４１とを接続する接続部位は導電性を有し、各接続部位間は絶縁性を有する。それにより、燃料電池スタックにおける短絡が防止される。同様に、バスバー２０２において、ターミナル２２とターミナル４２とを接続する接続部位は導電性を有し、各接続部位間は絶縁性を有する。
【００６１】
制御手段１５０は、例えば、定期的または不定期に、ターミナル２１とターミナル４１とを接続する回路とターミナル２２とターミナル４２とを接続する回路とが切り替わるように、切替スイッチ１２１，１２２，２０３，２０４を制御する。この場合、各膜−電極接合体１０における電流集中が抑制される。その結果、各燃料電池１１０の耐久性が向上する。なお、制御手段１５０は、実施例２のように、冷却水温度に応じて集電位置を切り替えてもよい。さらに、制御手段１５０は、実施例３のように、膜−電極接合体１０の面内における電位差に応じて、集電位置を切り替えてもよい。
【００６２】
また、各燃料電池１１０において、切替スイッチ２０３，２０４のオンオフが個別に制御されてもよい。したがって、バスバー２０１において、オンに制御されている切替スイッチ２０３とオフに制御されている切替スイッチ２０３が混在していてもよい。なお、本実施例においては、切替スイッチ１２１，１２２，２０３，２０４および制御手段１５０が切替手段として機能する。
【００６３】
上記各実施例において、複数の集電位置を設け、集電位置を切り替えつつ発電する制御について説明した。ここで、複数の集電位置が設けられている場合に、集電位置を切り替えずに常に複数の集電位置から集電を行うことも考えられる。しかしながら、燃料電池の発電においては、温度等の運転条件で発電分布が変化して電流集中の態様が変化する。したがって、電流集中の状況に応じた制御が必要となる。上記各実施例のように集電位置を切り替える手段を備えることによって、実際の発電分布を考慮した制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施例１に係る燃料電池システムを説明するための図である。
【図２】定期的に集電位置を切り替える場合のフローチャートの一例を示す図である。
【図３】実施例２に係る燃料電池システムを説明するための図である。
【図４】燃料電池の温度に応じて集電位置を切り替える場合のフローチャートの一例を示す図である。
【図５】実施例３に係る燃料電池システムの全体構成を説明するための模式図である。
【図６】電位差Ｖの大きさに応じて集電位置を切り替える場合のフローチャートの一例を示す図である。
【図７】実施例４に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  膜−電極接合体
１１  電解質膜
１２  アノード触媒層
１３  カソード触媒層
２０  集電体
２１，２２  ターミナル
３０  セパレータ
３１  空間部
４０  集電体
４１，４２  ターミナル
５０  セパレータ
５１  空間部
１００  燃料電池システム
１１０  燃料電池
１２１，１２２  切替スイッチ
１３０  燃料ガス供給手段
１４０  酸化剤ガス供給手段
１５０  制御手段
１６０  冷却水ポンプ
１６１  温度センサ
１６２  電圧センサ
２０１，２０２  バスバー
【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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