(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
触媒を含む発電部と、前記発電部に接するアノード側非発電部と、前記発電部を挟んで前記アノード側非発電部とは反対側に配置されたカソード側非発電部と、を有する第１の発電モジュールと、
前記発電部と、前記アノード側非発電部と、前記カソード側非発電部とを有し、前記アノード側非発電部が前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部に隣接する、又は、前記カソード側非発電部が前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部に隣接する第２の発電モジュールと、
前記第１の発電モジュールと並列に接続されており、可変抵抗を含む電流調整回路と、
前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部と前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部との間の電圧であるセル電圧が負電圧である第１の所定電圧以下である場合に、前記第１の発電モジュールと並列に接続された前記電流調整回路において、前記可変抵抗の抵抗値を調整することにより、前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部から前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部へと向かう第１の方向に流れる電流を増加させる電流制御部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電流制御部は、前記電流調整回路における電流の方向を検出する電流方向検出部を有し、前記電流方向検出部が検出する前記電流の方向に基づき、前記セル電圧が前記第１の所定電圧以下であるか否かを判定する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電流制御部は、前記セル電圧が、前記第１の所定電圧よりも高い電圧であって前記触媒の溶出が生じる第２の所定電圧よりも高い場合に、前記電流調整回路において前記第１の方向とは逆向きの第２の方向に流れる電流を増加させる、燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システムであって、
触媒を含む発電部と、前記発電部に接するアノード側非発電部と、前記発電部を挟んで前記アノード側非発電部とは反対側に配置されたカソード側非発電部と、を有する第１の発電モジュールと、
前記発電部と、前記アノード側非発電部と、前記カソード側非発電部とを有し、前記アノード側非発電部が前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部に隣接する、又は、前記カソード側非発電部が前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部に隣接する第２の発電モジュールと、
前記第１の発電モジュールと並列に接続されたダイオードであって、
前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部から前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部に順方向の電流が流れるように、配置され、
前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部と前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部との間の電圧であるセル電圧が負電圧である第１の所定電圧以下である場合に、前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部から前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部へと向かう第１の方向に流れる電流を増加させるダイオードと、
を備える、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の発電モジュールの前記発電モジュールは、一対のセパレータと、前記一対のセパレータに挟持された膜電極接合体とを有し、
前記ダイオードは、前記膜電極接合体の周縁部に配置され、前記一対のセパレータに挟持されている、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ダイオードは、シリコンダイオードまたはショットキーバリアダイオードである、燃料電池システム。
【請求項７】
触媒を含む発電部と、前記発電部に接するアノード側非発電部と、前記発電部を挟んで前記アノード側非発電部とは反対側に配置されたカソード側非発電部と、を有する第１の発電モジュールと、第２の発電モジュールと、前記第１の発電モジュールと並列に接続されており、可変抵抗を含む電流調整回路と、を備える燃料電池システムにおける、前記第１の発電モジュールと並列に接続された前記電流調整回路を流れる電流の制御方法であって、
前記第２の発電モジュールは、前記発電部と、前記アノード側非発電部と、前記カソード側非発電部とを有し、前記アノード側非発電部が前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部に隣接する、又は、前記カソード側非発電部が前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部に隣接し、
前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部と前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部との間の電圧であるセル電圧が負電圧である第１の所定電圧以下である場合に、前記第１の発電モジュールと並列に接続された前記電流調整回路において、前記可変抵抗の抵抗値を調整することにより、前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部から前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部へと向かう第１の方向に流れる電流を増加させる工程を備える、方法。
【請求項８】
触媒を含む発電部と、前記発電部に接するアノード側非発電部と、前記発電部を挟んで前記アノード側非発電部とは反対側に配置されたカソード側非発電部と、を有する第１の発電モジュールと、第２の発電モジュールと、前記第１の発電モジュールと並列に接続されており、可変抵抗を含む電流調整回路と、を備える燃料電池システムにおける、前記第１の発電モジュールと並列に接続された前記電流調整回路を流れる電流を制御するためのプログラムであって、
前記第２の発電モジュールは、前記発電部と、前記アノード側非発電部と、前記カソード側非発電部とを有し、前記アノード側非発電部が前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部に隣接する、又は、前記カソード側非発電部が前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部に隣接し、
前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部と前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部との間の電圧であるセル電圧が負電圧である第１の所定電圧以下である場合に、前記第１の発電モジュールと並列に接続された前記電流調整回路において、前記可変抵抗の抵抗値を調整することにより、前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部から前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部へと向かう第１の方向に流れる電流を増加させる機能を、コンピュータに実現させるためのプログラム。
【請求項９】
請求項８に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池では、運転停止後においても、残留燃料ガス及び残留酸化剤ガスにより発電が継続され、いわゆる開回路電圧（Open Circuit Voltage）が発生する。この開回路電圧により、燃料電池の触媒層を構成するカーボンの腐食や触媒金属の溶出などの触媒劣化が発生する。そこで、開回路電圧を低下させるために様々な提案がなされている。触媒劣化は、燃料電池が負電圧となった場合にも起こり得る。例えば、燃料電池スタックを構成する一部の燃料電池において燃料ガスが欠乏した場合、かかる燃料電池においてアノード電位が上昇するために負電圧となる。この場合、燃料ガスが欠乏した燃料電池では、他の燃料電池と同じだけの電流を流そうとするために、触媒を構成するカーボンの酸化が発生するおそれがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池が負電圧となりカーボン酸化が発生した場合、有効な触媒面積が減少することから、発電効率が低下するという問題があった。しかしながら、従来では、燃料電池が負電圧となった場合における触媒劣化を抑制するために十分な工夫がなされていないのが実情であった。
【０００４】
本発明は、燃料電池が負電圧となった場合における触媒劣化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】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[形態１]燃料電池システムであって、
触媒を含む発電部と、前記発電部に接するアノード側非発電部と、前記発電部を挟んで前記アノード側非発電部とは反対側に配置されたカソード側非発電部と、を有する第１の発電モジュールと、
前記発電部と、前記アノード側非発電部と、前記カソード側非発電部とを有し、前記アノード側非発電部が前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部に隣接する、又は、前記カソード側非発電部が前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部に隣接する第２の発電モジュールと、
前記第１の発電モジュールと並列に接続されており、可変抵抗を含む電流調整回路と、
前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部と前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部との間の電圧であるセル電圧が負電圧である第１の所定電圧以下である場合に、前記第１の発電モジュールと並列に接続された前記電流調整回路において、前記可変抵抗の抵抗値を調整することにより、前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部から前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部へと向かう第１の方向に流れる電流を増加させる電流制御部と、
を備える、燃料電池システム。
[形態２]燃料電池システムであって、
触媒を含む発電部と、前記発電部に接するアノード側非発電部と、前記発電部を挟んで前記アノード側非発電部とは反対側に配置されたカソード側非発電部と、を有する第１の発電モジュールと、
前記発電部と、前記アノード側非発電部と、前記カソード側非発電部とを有し、前記アノード側非発電部が前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部に隣接する、又は、前記カソード側非発電部が前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部に隣接する第２の発電モジュールと、
前記第１の発電モジュールと並列に接続されたダイオードであって、
前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部から前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部に順方向の電流が流れるように、配置され、
前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部と前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部との間の電圧であるセル電圧が負電圧である第１の所定電圧以下である場合に、前記第１の発電モジュールの前記アノード側非発電部から前記第１の発電モジュールの前記カソード側非発電部へと向かう第１の方向に流れる電流を増加させるダイオードと、
を備える、燃料電池システム。
【０００６】
［適用例１］燃料電池システムであって、
触媒を含む発電部と、前記発電部に接するアノード側非発電部と、前記発電部を挟んで前記アノード側非発電部とは反対側に配置されたカソード側非発電部と、を有する第１の発電モジュールと、
前記第１の発電モジュールに隣接する第２の発電モジュールと、
各発電モジュールと並列に接続された電流調整回路と、
前記アノード側非発電部と前記カソード側非発電部との間の電圧であるセル電圧が負圧である第１の所定電圧以下である場合に、前記第１の発電モジュールと並列に接続された前記電流調整回路において、前記アノード側非発電部から前記カソード側非発電部へと向かう第１の方向に流れる電流を増加させる電流制御部と、
を備える、燃料電池システム。
【０００７】
適用例１の燃料電池システムでは、第１の発電モジュールのセル電圧が第１の所定電圧以下である場合に、電流調整回路において前記第１の方向に流れる電流を増加させるので、隣接する第２の発電モジュールに対して電流調整回路を介して電子を供給できる。したがって、第１の発電モジュールが水素欠乏等の場合において、第２の発電モジュールに電子を供給するために、第１の発電モジュールのアノードにおいて電子の生成を伴う化学反応の発生を抑制できる。それゆえ、アノードにおけるカーボン酸化を抑制でき、発電効率の低下を抑制できる。
【０００８】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電流制御部は、前記第１の発電モジュールと並列に接続された前記電流調整回路における電流の方向を検出する電流方向検出部を有し、前記電流方向検出部が検出する前記電流の方向に基づき、前記セル電圧が前記第１の所定電圧以下であるか否かを判定する、燃料電池システム。
【０００９】
このような構成により、燃料ガスの欠乏等に起因して、発電モジュールにおいて通常発電時の化学反応が起こらず、アノードにおいて電子の生成を伴う化学反応が起こり得る状態であるか否かを正確に判定することができる。
【００１０】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電流制御部は、前記セル電圧が、前記第１の所定電圧よりも高い電圧であって前記触媒の溶出が生じる第２の所定電圧よりも高い場合に、前記第１の発電モジュールと並列に接続された前記電流調整回路において前記第１の方向とは逆向きの第２の方向に流れる電流を増加させる、燃料電池システム。
【００１１】
このような構成により、第１の発電モジュールのセル電圧が第２の所定電圧よりも高い場合に、通常発電時の化学反応により生じた電子を、電流調整回路を通して第１の発電モジュールのカソードからアノードに供給することができる。したがって、第１の発電モジュールの起電圧を電流調整回路において熱消費させることができるので、燃料電池スタックがＯＣ（Open Circuit）状態である場合において、第１の発電モジュールのセル電圧を低下させることができ、ＯＣ状態における高電圧に起因する触媒の溶出を抑制できる。
【００１２】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記電流調整回路及び前記電流制御部は、ダイオードを含む、燃料電池システム。
【００１３】
このような構成により、第１の所定電圧（の絶対値）が、ダイオードの順方向降下電圧（の絶対値）よりも大きい場合には、第１の発電モジュールのセル電圧が第１の所定電圧以下である場合に電流調整回路において第１の方向に流れる電流を増加させ、セル電圧が第１の所定電圧よりも高い場合に電流調整回路において第１の方向に流れる電流を減少させることができる。したがって、セル電圧が第１の所定電圧以下であるか否かを判定するために特別な機能部を必要としないので、電流調整回路及び電流制御部をシンプルに構成でき、燃料電池システムの構築費用の上昇を抑制できる。
【００１４】
［適用例５］適用例４に記載の燃料電池システムにおいて、
各発電モジュールは、一対のセパレータと、前記一対のセパレータに挟持された膜電極接合体とを有し、
前記電流調整回路及び前記電流制御部は、前記膜電極接合体の周縁部に配置され、前記一対のセパレータに挟持されている、燃料電池システム。
【００１５】
このような構成により、電流調整回路及び電流制御部を発電モジュールの内部に配置できるので、燃料電池スタックの構成をシンプルにすることができ、燃料電池システム全体の小型化を実現できる。加えて、膜電極接合体の製造過程において、併せて電流調整回路及び電流制御部を生成することができるので、燃料電池スタックの構築手順をシンプルにすることができる。
【００１６】
［適用例６］適用例４または適用例５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ダイオードは、シリコンダイオードまたはショットキーバリアダイオードである、燃料電池システム。
【００１７】
このような構成により、順方向降下電圧が比較的小さなダイオードを用いることができるので、発電モジュール間電圧が負電圧となってから比較的短期間のうちに、第１の方向の電流を増加させることができる。したがって、他のダイオードを用いる構成に比べて、触媒劣化をより抑制することができる。特に、シリコンダイオードは、逆方向電圧の耐性が高いので、第１の発電モジュールが通常発電を行う際に第２の方向の電流をほとんど流さないことができる。したがって、通常発電時において、電流調整回路に電流が流れて第１の発電モジュールの起電力が電流調整回路において熱消費されてしまい、発電効率が低下してしまうことを抑制できる。
【００１８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、電流の制御方法、または電流の制御を実現するためのコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した記録媒体、等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である
【図２】図１に示す単セル及び電流調整部の詳細構成を示す説明図である。
【図３】単セルの電圧の変化を模式的に示す説明図である。
【図４】第１実施例における電流調整処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】正常時における可変抵抗に流れる電流を模式的に示す説明図である。
【図６】水素欠乏時における可変抵抗に流れる電流を模式的に示す説明図である。
【図７】第２実施例における単セル及び電流調整部の詳細構成を示す説明図である。
【図８】第２実施例の電流調整処理の手順を示す説明図である。
【図９】第３実施例の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図１０】第３実施例における単セル及び電流調整部の詳細構成を示す説明図である。
【図１１】第３実施例の正常時におけるダイオードに流れる電流を模式的に示す説明図である。
【図１２】第３実施例の水素欠乏時におけるダイオードに流れる電流を模式的に示す説明図である。
【図１３】第４実施例における単セル及び電流調整部の詳細構成を示す説明図である。
【図１４】第４実施例の電流調整処理の手順を示す説明図である。
【図１５】第５実施例における単セル及び電流調整部の詳細構成を示す説明図である。
【図１６】第６実施例における単セル及び電流調整部の詳細構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム１００は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気自動車に搭載されて用いられる。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、水素タンク６１と、エアコンプレッサ６２と、遮断弁７１と、調圧弁７２と、燃料ガス供給路８１と、燃料ガス排出路８２と、バイパス流路８３と、循環用ポンプ６３と、酸化剤ガス供給路８４と、酸化剤ガス排出路８５と、電流調整部３０と、抵抗値調整部５０と、制御ユニット９０とを備えている。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である単セル（発電モジュールともいう）２０が複数積層された構成を有し、燃料ガスとしての純水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。
【００２２】
水素タンク６１は、高圧水素ガスを貯蔵している。水素タンク６１としては、例えば、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクを用いても良い。エアコンプレッサ６２は、酸化剤ガス供給路８４に配置され、外部から取り込んだ空気を加圧して燃料電池スタック１０に供給する。
【００２３】
遮断弁７１は、水素タンク６１の図示しない水素ガス排出口に配置されており、水素ガスの供給及び停止を行う。調圧弁７２は、燃料ガス供給路８１に配置されており、水素タンク６１から排出された高圧水素ガスを、所定の圧力まで低下させる。
【００２４】
燃料ガス供給路８１は、水素タンク６１と燃料電池スタック１０とを連通し、水素タンク６１から供給される水素ガスを燃料電池スタック１０に導くための流路である。燃料ガス排出路８２は、燃料電池スタック１０から余剰水素ガス（アノード側オフガス）を排出するための流路である。バイパス流路８３は、燃料ガス供給路８１と燃料ガス排出路８２とを連通し、通常運転の際には、燃料ガス排出路８２から排出される余剰水素ガスを燃料ガス供給路８１へと導く。循環用ポンプ６３は、バイパス流路８３に配置され、燃料ガス排出路８２から燃料ガス供給路８１へと余剰水素ガス（アノード側オフガス）を流通させる。
【００２５】
酸化剤ガス供給路８４は、エアコンプレッサ６２と燃料電池スタック１０とを連通し、エアコンプレッサ６２から供給される圧縮空気を燃料電池スタック１０に導くための流路である。酸化剤ガス排出路８５は、燃料電池スタック１０から排出される余剰空気（カソード側オフガス）及び生成水を外部（大気）に排出するための流路である。
【００２６】
電流調整部３０は、各単セル２０と接続されている。なお、電流調整部３０の詳細構成については後述する。抵抗値調整部５０は、電流調整部３０と接続され、電流調整部３０が有する図示しない抵抗の抵抗値を調整する。
【００２７】
制御ユニット９０は、循環用ポンプ６３，エアコンプレッサ６２，遮断弁７１，調圧弁７２，及び抵抗値調整部５０と電気的に接続されており、これらの各要素を制御する。また、制御ユニット９０は、電流調整部３０が有する図示しない電流センサと接続されており、電流センサから通知される電流値を受信する。
【００２８】
制御ユニット９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）９２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）９３とを備えている。ＲＯＭ９２には、燃料電池システム１００を制御するための図示しない制御プログラムが格納されており、ＣＰＵ９１は、ＲＡＭ９３を利用しながらこの制御プログラムを実行することにより、制御部９１ａとして機能する。制御部９１ａは、後述する電流調整処理を実行する。
【００２９】
図２は、図１に示す単セル及び電流調整部の詳細構成を示す説明図である。単セル２０は、膜電極接合体２５と、カソード側セパレータ２６ｃと、アノード側セパレータ２６ａとを備えている。膜電極接合体２５は、電解質膜２１と、カソード側触媒層２２ｃと、カソード側ガス拡散層２３ｃと、アノード側触媒層２２ａと、アノード側ガス拡散層２３ａとを備えている。
【００３０】
電解質膜２１は、スルホン酸基を含むフッ素樹脂系イオン交換膜であり、Flemion（登録商標）やAciplex（登録商標）等を用いることができる。なお、電解質膜２１としては、スルホン酸基に限らず、リン酸基やカルボン酸基など、他のイオン交換基を含む膜を用いることができる。
【００３１】
カソード側触媒層２２ｃは、電解質膜２１に接して配置されている。カソード側触媒層２２ｃは、触媒を導電性粒子に担持させた部材と、プロトン導電体であるアイオノマとを用いて構成されている。触媒としては、例えば、白金や、白金とルテニウムや鉄等の金属との合金を用いることができる。導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック等の炭素粒子や、炭素繊維などを用いることができる。アイオノマとしては、スルホン酸基を含むフッ素樹脂を採用することができる。
【００３２】
カソード側ガス拡散層２３ｃは、反応ガスである空気を拡散し、また、電気化学反応等により生じた水を排出するために多孔質部材により構成されている。具体的には、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体により構成されている。
【００３３】
カソード側セパレータ２６ｃは、ガス不透過の伝導性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板によって構成することができる。カソード側セパレータ２６ｃは、凹凸形状を有しており、カソード側セパレータ２６ｃとカソード側ガス拡散層２３ｃとが接することにより、カソード側セパレータ２６ｃとカソード側ガス拡散層２３ｃとの間に酸化剤ガス流路２７ｃが形成される。この酸化剤ガス流路２７ｃは、エアコンプレッサ６２から供給される空気を、カソード側ガス拡散層２３ｃに導くと共に、カソード側ガス拡散層２３ｃから排出されるガス（余剰空気及び水蒸気）を単セル２０の外部へと排出する。
【００３４】
アノード側の構成は、カソード側の構成と同様である。すなわち、アノード側触媒層２２ａは、カソード側触媒層２２ｃと同じ構成を有している。また、アノード側ガス拡散層２３ａはカソード側ガス拡散層２３ｃと、アノード側セパレータ２６ａはカソード側セパレータ２６ｃと、それぞれ同じ構成を有している。なお、アノード側セパレータ２６ａとアノード側ガス拡散層２３ａとの間に形成された燃料ガス流路２７ａは、水素タンク６１及び循環用ポンプ６３によって供給される水素ガスをアノード側ガス拡散層２３ａに導くと共に、アノード側ガス拡散層２３ａから排出されるガス（余剰水素ガス）を単セル２０の外部へと排出する。
【００３５】
電流調整部３０は、各単セル２０と並列に接続された複数の可変抵抗３１と、各可変抵抗３１に直列に接続された複数の電流センサ３２とを備えている。各可変抵抗３１の抵抗値は、抵抗値調整部５０により制御される。各電流センサ３２は、対応する可変抵抗３１を流れる電流値を検出して制御ユニット９０に通知する。このとき、制御ユニット９０（制御部９１ａ）は、受信した電流値の符号（正又は負）により、可変抵抗３１を流れる電流の方向を検出することができる。
【００３６】
電流調整部３０と抵抗値調整部５０とは、具体的には、以下のような構成を採用することができる。例えば、可変抵抗３１として、複数の抵抗値を有する抵抗であって、それぞれ単セル２０と並列に接続可能な抵抗を採用し、抵抗値調整部５０として、各抵抗に直列に接続するスイッチから構成し、単セル２０に接続（並列接続）させる抵抗の数を制御することにより、可変抵抗３１の抵抗値を制御する構成を採用することができる。
【００３７】
前述の単セル２０は、請求項における発電モジュールに相当する。また、膜電極接合体２５は請求項における発電部に、アノード側セパレータ２６ａは請求項におけるアノード側非発電部に、カソード側セパレータ２６ｃは請求項におけるカソード側非発電部に、可変抵抗３１は請求項における電流調整回路に、抵抗値調整部５０，電流センサ３２及び制御部９１ａは請求項における電流制御部に、電流センサ３２は請求項における電流方向検出部に、それぞれ相当する。なお、膜電極接合体２５における電解質膜２１，アノード側触媒層２２ａ，及びカソード側触媒層２２ｃが請求項における発電部に、アノード側セパレータ２６ａ，カソード側セパレータ２６ｃ，アノード側ガス拡散層２３ａ，及びカソード側ガス拡散層２３ｃが請求項における非発電部に、それぞれ相当する構成も採用し得る。
【００３８】
図３は、単セルの電圧の変化を模式的に示す説明図である。図３において、上段は正常時における単セル２０の電圧、下段は水素欠乏時における単セル２０の電圧を示す。
【００３９】
図３では、説明の便宜上、燃料電池スタック１０を、３つの積層された単セル２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）で表している。また、各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃを、電解質膜とカソードとアノードとセパレータとで表している。具体的には、単セル２０ａを、セパレータｓ０の一部と、アノードａ１と、電解質膜ｍ１と、カソードｃ１と、セパレータｓ１の一部とで表している。セパレータｓ０は、図２に示すアノード側セパレータ２６ａ及びカソード側セパレータ２６ｃを意味する。アノードａ１は、図２に示すアノード側ガス拡散層２３ａ及びアノード側触媒層２２ａを意味する。電解質膜ｍ１は、図２に示す電解質膜２１を意味する。カソードｃ１は、図２に示すカソード側触媒層２２ｃ及びカソード側ガス拡散層２３ｃを意味する。セパレータｓ１は、図２に示すアノード側セパレータ２６ａ及びカソード側セパレータ２６ｃを意味する。
【００４０】
同様に、単セル２０ｂを、セパレータｓ１の一部と、アノードａ２と、電解質膜ｍ２と、カソードｃ２と、セパレータｓ２の一部とで表している。また、単セル２０ｃを、セパレータｓ２の一部と、アノードａ３と、電解質膜ｍ３と、カソードｃ３と、セパレータｓ３の一部とで表している。
【００４１】
図３上段に示すように、正常時、すなわち、各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃに、水素ガス及び空気が十分に供給され、各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃにおいて発電が行われている場合、アノードでは下記式１に示す反応が、カソードでは下記式２に示す反応が、それぞれ起こる。このとき、各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃの電圧（各単セルのセパレータ間の電圧：セル電圧Ｖｃ）は、およそ＋１．０Ｖとなっている。下記式１，２の反応は、各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃの電圧が０Ｖよりも高い場合に起こり得る。
【００４２】
【数１】
0005454566.tif 000002
【００４３】
【数２】
0005454566.tif 000003
【００４４】
セル電圧Ｖｃは、下記式３に示すように定められる。なお、式３において、Ｖｃはセル電圧を、Ｅｃはカソードの電位を、Ｅａはアノードの電位を、ＩＲは、単セルの抵抗（電解質膜の抵抗や、配線の接触抵抗など）による電圧降下を、それぞれ意味する。なお、セル電圧Ｖｃは、換言すると、各単セル間の電圧を意味する。例えば、単セル２０ｂのセル電圧Ｖｃは、単セル２０ａ（カソードｃ１）と単セル２０ｃ（アノードａ３）との間の電圧を意味する。
【００４５】
【数３】
0005454566.tif 000004
【００４６】
単セルへの水素ガス供給量が、発電に必要な量よりも少ない場合（水素欠乏時）には、上記式（３）におけるアノード電位Ｅａが上昇するために、セル電圧Ｖｃが負電圧となり得る。水素欠乏は、例えば、電気化学反応により生じた水（生成水）が燃料ガス流路２７ａに溜まり、かかる生成水により燃料ガスの流通路における圧力損失が増大した場合や、氷点下環境下において、アノード側ガス拡散層２３ａ等に溜まった生成水が氷結してガス拡散性が劣化した場合などに発生し得る。
【００４７】
図３下段では、単セル２０ｂにおいて水素欠乏が生じ、セル電圧Ｖｃが負電圧となっている。このとき、他の単セル２０ａ，２０ｃでは正常に発電が行われているため、単セル２０ｂにおいても、電流を発生させようとする（すなわち、電子のやりとりを行おうとする）。しかしながら、水素欠乏のため、単セル２０ｂにおいて上記式１，２に示す反応は生じず、アノードａ２において、下記式４及び下記式５に示す反応が発生する。式４の反応は、セル電圧Ｖｃがおよそ−０．８Ｖ以下の場合に発生し、式５の反応は、セル電圧Ｖｃがおよそ−１．５Ｖ以下の場合に発生する。なお、カソードｃ２では、上記式２に示す反応が発生する。
【００４８】
【数４】
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【００４９】
【数５】
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【００５０】
ここで、式５に示す反応は、アノードａ２を構成する触媒に含まれるカーボンの酸化を意味する。すなわち、水素欠乏時には、式５に示す反応の発生により、アノードａ２において触媒が劣化するおそれがある。本実施例の燃料電池システム１００では、後述の電流調整処理を実行することにより、水素欠乏に伴う触媒劣化を抑制できる。
【００５１】
Ａ２．電流調整処理：
図４は、第１実施例における電流調整処理の手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の起動を契機として電流調整処理が開始される。まず、図１に示す制御部９１ａは、各単セル２０について、電流センサ３２から通知される電流値に基づき、可変抵抗３１における電流の方向が所定の第１の方向であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。
【００５２】
電流の方向が第１の方向でない（すなわち、第１の方向と逆向きの第２の方向である）場合と判定した場合には、制御部９１ａは、かかる単セル２０に対応する可変抵抗３１の抵抗値を、抵抗値調整部５０を制御して所定の大きな値に設定し（ステップＳ１１０）、ステップＳ１０５に戻る。一方、電流の方向が第１の方向であると判定した場合には、制御部９１ａは、かかる単セル２０に対応する可変抵抗３１の抵抗値を、抵抗値調整部５０を制御して所定の小さな値に設定し（ステップＳ１１５）、ステップＳ１０５に戻る。
【００５３】
図５は、正常時における可変抵抗に流れる電流を模式的に示す説明図である。図６は、水素欠乏時における可変抵抗に流れる電流を模式的に示す説明図である。図５，６において、各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、図３に示す各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃと同じである。図５，６では、説明の便宜上、単セル２０ｂに対応する可変抵抗３１のみ表している。
【００５４】
正常時（すなわち、セル電圧Ｖｃが０Ｖよりも高い場合）には、各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃのアノードでは上記式１に示す反応が起こり、カソードでは上記式２に示す反応が起こる。この場合、図５に示すように、可変抵抗３１を流れる電子の向きは、セパレータｓ１（単セル２０ｂにおけるアノード側セパレータ２６ａ）からセパレータｓ２（単セル２０ｂにおけるカソード側セパレータ２６ｃ）へと向かう方向となる。すなわち、可変抵抗３１における電流の向きは、セパレータｓ２（単セル２０ｂにおけるカソード側セパレータ２６ｃ）からセパレータｓ１（単セル２０ｂにおけるアノード側セパレータ２６ａ）へと向かう方向である。本実施例では、この方向（セパレータｓ２からセパレータｓ１へと向かう方向）を第２の方向とし、逆向きの方向（セパレータｓ１からセパレータｓ２へと向かう方向）を第１の方向と設定されている。したがって、正常時には、可変抵抗３１における電流の向きは第２の方向となるため、ステップＳ１１０が実行され、可変抵抗３１の抵抗値は大きな値に設定される。この場合、可変抵抗３１を通る第２の方向の電流は抑制される。
【００５５】
このように正常時に可変抵抗３１の抵抗値を大きくするのは以下の理由による。可変抵抗３１に流れる電流量が大きいほど、単セル２０における起電力のうち、可変抵抗３１において熱消費される電力量は増加する。その結果、単セル２０における発電効率はより低下することとなる。そこで、燃料電池システム１００では、正常時には、可変抵抗３１の抵抗値を大きくして第２の方向の電流量を減少させることにより、可変抵抗３１において熱消費される電力量を低下させ、単セル２０における発電効率を向上させる。
【００５６】
これに対し、単セル２０ｂにおける水素欠乏によって単セル２０ｂのセル電圧Ｖｃが低下していき負電圧となり、上記式１の反応が起こらなくなると、単セル２０ｂのアノードａ２から単セル２０ａのカソードｃ１に電子が供給されなくなる。この場合、図６に示すように、単セル２０ａのカソードｃ１には、単セル２０ｃのアノードａ３において上記式１の反応により発生した電子が、可変抵抗３１を介して供給されることとなる。したがって、可変抵抗３１における電流の流れは、第１の方向となる。この場合、ステップＳ１１５が実行され、可変抵抗３１の抵抗値は小さな値に設定され、可変抵抗３１を通る電流が増加する。それゆえ、単セル２０ａのカソードｃ１に電子が供給されるため、水素欠乏状態の単セル２０ｂでは、上記式４，５に示す反応が発生せず、アノードａ２の触媒劣化が抑制される。
【００５７】
なお、上述したように、セル電圧Ｖｃが０Ｖよりも高い場合には、各単セル２０において上記１，２の反応が起こり、電流の向きは第２方向となる。したがって、本実施例においては、０Ｖが請求項における第１の所定電圧に相当する。また、単セル２０ｂは請求項における第１の発電モジュールに、単セル２０ａは請求項における第２の発電モジュールに、それぞれ相当する。
【００５８】
以上説明したように、第１実施例の燃料電池システム１００では、可変抵抗３１における電流の方向が第１の方向になった場合に（すなわち、単セル２０のセル電圧Ｖｃが負電圧となった場合に）、かかる単セル２０と並列接続された可変抵抗３１の抵抗値を低下させることにより可変抵抗３１における電流値を増加させるので、かかる単セル２０におけるカーボン酸化を抑制することができる。したがって、単セル２０が負電圧となった場合における触媒劣化を抑制することができる。また、セル電圧Ｖｃが負電圧でない場合には、可変抵抗３１の抵抗値を増加させることにより、可変抵抗３１における電流値を減少させるので、かかる単セル２０における発電効率を向上させることができる。
【００５９】
加えて、可変抵抗３１の抵抗値を切り替える際の判断（ステップＳ１０５）において、可変抵抗３１を流れる電流の方向に基づき判断するので、単セル２０ｂにおいて正常時の化学反応（上記式１，２に示す反応）が起こらず、アノードａ２において電子の生成を伴う化学反応が起こり得る状態であるか否かを正確に判定することができる。
【００６０】
Ｂ．第２実施例：
図７は、第２実施例における単セル及び電流調整部の詳細構成を示す説明図である。第２実施例の燃料電池システムは、電流調整部３０ａにおいて、電流センサ３２に代えて電圧センサ３３を備えている点、及び可変抵抗３１の抵抗値の切り替えの判断をセル電圧Ｖｃに基づき実行する点において、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は、第１実施例と同じである。なお、第２実施例の単セル２０は、第１実施例と同じである。
【００６１】
図７に示すように、第２実施例の電流調整部３０ａは、各単セル２０において、単セル２０と並列に接続された電圧センサ３３を備えている。電圧センサ３３は、セル電圧Ｖｃを測定し、制御ユニット９０（制御部９１ａ）に通知する。
【００６２】
図８は、第２実施例の電流調整処理の手順を示す説明図である。制御部９１ａは、電圧センサ３３から通知されるセル電圧Ｖｃの値に基づき、セル電圧Ｖｃが負電圧であるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。セル電圧Ｖｃが負電圧であると判定した場合（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、制御部９１ａは、上述したステップＳ１１５（可変抵抗３１の抵抗値を小さな値に設定する）を実行し、ステップＳ２０５に戻る。
【００６３】
前述のステップＳ２０５において、セル電圧Ｖｃが負電圧でないと判定した場合、制御部９１ａは、セル電圧Ｖｃが触媒溶出電圧Ｖｄ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。触媒溶出電圧Ｖｄは、例えば、触媒が白金（Ｐｔ）である場合には、０．８５Ｖである。触媒として白金を用いた場合には、セル電圧Ｖｃが０．８５Ｖ以上となった場合に（例えば、燃料電池システム１００の運転停止後のＯＣ（Open Circuit）状態の場合に）、白金のイオン化が発生して触媒が劣化する。なお、触媒溶出電圧Ｖｄは、請求項における第２の所定電圧に相当する。
【００６４】
セル電圧Ｖｃが触媒溶出電圧Ｖｄよりも低いと判定した場合（ステップＳ２１０：ＮＯ）には、制御部９１ａは、上述したステップＳ１１０（可変抵抗３１の抵抗値を大きな値に設定する）を実行し、ステップＳ２０５に戻る。これに対し、セル電圧Ｖｃが触媒溶出電圧Ｖｄよりも高いと判定した場合（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）には、上述したステップＳ１１５（可変抵抗３１の抵抗値を小さな値に設定する）を実行し、ステップＳ２０５に戻る。
【００６５】
以上の構成を有する第２実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、セル電圧Ｖｃが触媒溶出電圧Ｖｄ以上となった場合に可変抵抗３１の抵抗値を小さな値に設定するので、可変抵抗３１を流れる電流を増加させることができる。その結果、単セル２０の起電力を可変抵抗３１においてより多く熱消費させて単セル２０の電圧を低下させることができるので、アノードにおける触媒の溶出を抑制することができる。
【００６６】
Ｃ．第３実施例：
図９は、第３実施例の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第３実施例の燃料電池システム１００ａは、抵抗値調整部５０及び制御部９１ａを備えていない点、及び電流調整部３０に代えて電流調整部３０ｂを備えている点において、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は第１実施例と同じである。
【００６７】
図１０は、第３実施例における単セル及び電流調整部の詳細構成を示す説明図である。第３実施例の電流調整部３０ｂは、各単セル２０において、可変抵抗３１及び電流センサ３２に代えて、ダイオード４０を備えている点において、第１実施例の電流調整部３０と異なる。なお、第３実施例の単セル２０は、第１実施例と同じである。
【００６８】
図１０に示すように、第３実施例の電流調整部３０ｂは、各単セル２０において、単セル２０と並列に接続されたダイオード４０を備えている。ダイオード４０は、Ｐ側が単セル２０のアノード側に接続され、Ｎ側が単セル２０のカソード側に接続されて配置されている。第３実施例では、ダイオード４０として、シリコンダイオードを採用する。シリコンダイオードは、順方向降下電圧Ｖｆは、およそ０．６Ｖであり、また、逆方向電圧への耐性が大きい特性を有している。
【００６９】
図１１は、第３実施例の正常時におけるダイオードに流れる電流を模式的に示す説明図である。第１実施例では、正常時には、図５に示すように単セル２０ｂのアノードａ２からカソードｃ２に向かう方向に電子が流れ、第２の方向の電流が発生していた。しかしながら、この第２の方向の電流は、第３実施例では、ダイオード４０における逆方向の電流に相当するため、ほとんど発生し得ない。なお、図１１に示す状態は、正常時（すなわち、セル電圧Ｖｃが０Ｖ以上の場合）に限らず、単セル２０ｂのセル電圧Ｖｃが、−Ｖｆ（例えば、−０．６Ｖ）よりも大きい負電圧の場合に起こり得る。
【００７０】
図１２は、第３実施例の水素欠乏時におけるダイオードに流れる電流を模式的に示す説明図である。図１２に示す状態は、単セル２０ｂにおいて水素欠乏が発生し、かつ、単セル２０ｂのセル電圧Ｖｃが−Ｖｆ以下である場合に起こり得る。
【００７１】
単セル２０ｂにおいて水素欠乏が発生し、かつ、単セル２０ｂのセル電圧Ｖｃが−Ｖｆよりも小さい負電圧の場合には、ダイオード４０において順方向の電流が発生する。すなわち、第１の方向の電流が発生することとなる。したがって、第１実施例の図６と同様に、単セル２０ａのカソードｃ１には、単セル２０ｃのアノードａ３において上記式１の反応により発生した電子が、可変抵抗３１を介して供給されるため、アノードａ２の触媒劣化が抑制される。
【００７２】
なお、上述したように、本実施例では、単セル２０のセル電圧Ｖｃが−Ｖｆよりも大きい場合には、第１の方向及び第２の方向のいずれの方向の電流も発生しない。また、単セル２０のセル電圧Ｖｃが−Ｖｆ以下の場合には、第１の方向の電流が発生する。したがって、本実施例において電圧−Ｖｆが請求項における第１の所定電圧に相当する。
【００７３】
以上の構成を有する第３実施例の燃料電池システム１００ａは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様の効果を有する。加えて、抵抗値調整部５０及び制御部９１ａを省略でき、かつ、電流調整部３０ａをシンプルに構成できるので、燃料電池システム１００ａの構築費用の上昇を抑制できる。
【００７４】
Ｄ．第４実施例：
図１３は、第４実施例における単セル及び電流調整部の詳細構成を示す説明図である。第４実施例の燃料電池システムは、電流調整部３０ｃにおいて、電流センサ３２に代えて第１ダイオード４０ａを備えている点と、電流調整部３０ｃにおいて、第２ダイオード４０ｂ及び電圧センサ３４を備えている点と、可変抵抗３１の抵抗値の切り替えの判断をセル電圧Ｖｃに基づき実行する点とにおいて、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は、第１実施例と同じである。なお、第４実施例の単セル２０は、第１実施例と同じである。
【００７５】
図１３に示すように、第４実施例の電流調整部３０ｃは、各単セル２０において、可変抵抗３１と直列に接続された第１ダイオード４０ａを備えている。第１ダイオード４０ａは、Ｐ側が可変抵抗３１に接続され、Ｎ側が単セル２０のアノード側に接続されて配置されている。また、電流調整部３０ｃは、各単セル２０において、単セル２０と並列に接続された第２ダイオード４０ｂを備えている。第２ダイオード４０ｂは、Ｐ側が単セル２０のアノード側に接続され、Ｎ側が単セル２０のカソード側に接続されて配置されている。第１ダイオード４０ａ及び第２ダイオード４０ｂは、いずれも第３実施例と同様にシリコンダイオードを採用する。また、電流調整部３０ｃは、各単セル２０において、単セル２０と並列に接続された電圧センサ３４を備えている。
【００７６】
図１４は、第４実施例の電流調整処理の手順を示す説明図である。制御部９１ａは、電圧センサ３４から通知されるセル電圧Ｖｃの値に基づき、セル電圧Ｖｃが触媒溶出電圧Ｖｄ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。セル電圧Ｖｃが触媒溶出電圧Ｖｄよりも低いと判定した場合（ステップＳ２１０：ＮＯ）、制御部９１ａは、上述したステップＳ１１０（可変抵抗３１の抵抗値を大きな値に設定する）を実行し、ステップＳ２１０に戻る。これに対し、セル電圧Ｖｃが触媒溶出電圧Ｖｄ以上であると判定した場合（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、制御部９１ａは、上述したステップＳ１１５（可変抵抗３１の抵抗値を小さな値に設定する）を実行し、ステップＳ２１０に戻る。
【００７７】
上記構成により、水素欠乏状態においては、第３実施例と同様に、第２ダイオード４０ｂの順方向に電流が流れることにより、各単セル２０のアノードにおいて触媒劣化が抑制される。一方、正常状態であって、セル電圧Ｖｃが触媒溶出電圧Ｖｄよりも低い場合には、可変抵抗３１の抵抗値が大きな値に設定されるので、第２ダイオード４０ｂに加えて、第１ダイオード４０ａにもほとんど電流が流れない。このような構成により、第１ダイオード４０ａ及び第２ダイオード４０ｂに電流が流れることによる発電効率の低下を抑制している。また、正常状態であって、セル電圧Ｖｃが触媒溶出電圧Ｖｄ以上の場合には、可変抵抗３１の抵抗値が小さな値に設定されるので、第２ダイオード４０ｂには電流が流れないが、第１ダイオード４０ａには電流が流れることとなる。その結果、単セル２０の起電力を可変抵抗３１においてより多く熱消費させて、単セル２０の電圧を低下させることができるので、アノードにおける触媒の溶出を抑制することができる。
【００７８】
以上の構成を有する第４実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様の効果を有する。加えて、セル電圧Ｖｃが触媒溶出電圧Ｖｄ以上となった場合に、可変抵抗３１の抵抗値を小さな値に設定するので、可変抵抗３１を流れる電流を増加させることができる。その結果、単セル２０の起電力を可変抵抗３１においてより多く熱消費させて、単セル２０の電圧を低下させることができるので、アノードにおける触媒の溶出を抑制することができる。なお、セル電圧Ｖｃが負電圧となったか否かの判定の処理（ステップＳ２０５）を省略できる点、及び、セル電圧Ｖｃが負電圧の際に可変抵抗３１の抵抗値を切り替える処理（ステップＳ１１５）を省略できる点において、第２実施例の燃料電池システムに比べて、電流調整処理の手順をシンプルにすることができ、ＣＰＵ９１やＲＡＭ９３等の資源を節約できる。
【００７９】
Ｅ．第５実施例：
図１５は、第５実施例における単セル及び電流調整部の詳細構成を示す説明図である。第５実施例の燃料電池システムは、電流調整部３０ｂが各単セル２０の内部に配置されている点において、図９〜１２に示す第３実施例の燃料電池システム１００ａと異なり、他の構成は第３実施例と同じである。
【００８０】
第３実施例では、電流調整部３０ｂ（ダイオード４０）は、各単セルの外部に配置されていた。これに対し、図１５に示すように、第５実施例では、電流調整部３０ｂ（ダイオード４０）は各単セル２０内部に配置されている。
【００８１】
図１５に示すように、電流調整部３０ｂは、膜電極接合体２５の外縁部に配置されたダイオード４０のみで構成されている。ダイオード４０は、Ｐ型シリコン４０ｐ及びＮ型シリコン４０ｎにより構成され、Ｐ型シリコン４０ｐがアノード側セパレータ２６ａに接し、Ｎ型シリコン４０ｎはカソード側セパレータ２６ｃに接するように配置されている。このような構成は、例えば、膜電極接合体２５の外縁部に配置される樹脂等から成るシール部材の一部を、ダイオード４０により構成することにより実現できる。
【００８２】
以上の構成を有する第５実施例の燃料電池システムは、第３実施例の燃料電池システム１００ａと同じ効果を有する。加えて、電流調整部３０ｂ（ダイオード４０）を各単セル２０の内部に配置するので、燃料電池スタック１０の構成をシンプルにすることができ、燃料電池システム全体の小型化を実現できる。また、電流調整部３０ｂを膜電極接合体２５の周縁部に設けるので、膜電極接合体２５の製造過程において、併せて電流調整部３０ｂを生成することができる。したがって、燃料電池スタック１０の構築手順をシンプルにすることができる。
【００８３】
Ｆ．第６実施例：
図１６は、第６実施例における単セル及び電流調整部の詳細構成を示す説明図である。第６実施例の燃料電池システムは、第５実施例と同様に第１ダイオード４０ａ及び第２ダイオード４０ｂが各単セル２０の内部に配置されている点において、図１３，１４に示す第４実施例の燃料電池システムと異なり、他の構成は第４実施例と同じである。
【００８４】
第４実施例では、第１ダイオード４０ａ，第２ダイオード４０ｂ，及び可変抵抗３１は、各単セルの外部に配置されていた。これに対し、図１６に示すように、第６実施例では、第１ダイオード４０ａ，第２ダイオード４０ｂ，及び可変抵抗３１は各単セル２０内部に配置されている。
【００８５】
図１６に示すように、第１ダイオード４０ａは、Ｐ型シリコン４１ｐ及びＮ型シリコン４１ｎにより構成され、Ｎ型シリコン４１ｎがアノード側セパレータ２６ａに接し、Ｐ型シリコン４１ｐは可変抵抗３１に接するように配置されている。また、可変抵抗３１はカソード側セパレータ２６ｃに接するように配置されている。
【００８６】
第２ダイオード４０ｂは、Ｐ型シリコン４２ｐ及びＮ型シリコン４２ｎにより構成され、Ｐ型シリコン４２ｐはアノード側セパレータ２６ａに接し、Ｎ型シリコン４２ｎはカソード側セパレータ２６ｃに接するように配置されている。
【００８７】
第６実施例におけるこのような構成は、第５実施例と同様に、例えば、膜電極接合体２５の外縁部に配置される樹脂等から成るシール部材の一部を、第１ダイオード４０ａ，第２ダイオード４０ｂ，及び可変抵抗３１により構成することにより実現できる。
【００８８】
以上の構成を有する第６実施例の燃料電池システムは、第４実施例の燃料電池システムと同じ効果を有する。加えて、第１ダイオード４０ａ，第２ダイオード４０ｂ，及び可変抵抗３１を各単セル２０の内部に配置するので、燃料電池スタックの構成をシンプルにすることができ、燃料電池システム全体の小型化を実現できる。また、第１ダイオード４０ａ，第２ダイオード４０ｂ，及び可変抵抗３１は、膜電極接合体２５の周縁部に配置されて生成される。したがって、燃料電池スタック１０の構築手順をシンプルにすることができる。
【００８９】
Ｇ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９０】
Ｇ１．変形例１：
第３〜６実施例において用いたダイオードは、シリコンダイオードであったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ゲルマニウムダイオードやショットキーバリアダイオードなど、他のダイオードを採用することもできる。ゲルマニウムダイオード及びショットキーバリアダイオードを採用した場合、順方向降下電圧Ｖｆを低く抑えることができるので、単セル２０のセル電圧Ｖｃが負電圧になってから比較的短期間のうちに、第１の方向の電流を増加できるので、触媒劣化をより抑制することができる。なお、ショットキーバリアダイオードを採用する場合に、セパレータと半導体とを接合してショットキーバリアダイオードを作製してもよい。具体的には、例えば、スパッタリング法によってセパレータ上に半導体を形成してショットキーバリアダイオードを作製することができる。
【００９１】
Ｇ２．変形例２：
可変抵抗３１の抵抗値の切り替え判断を、第１実施例では、可変抵抗３１における電流の方向にのみ基づき、第２実施例では、セル電圧Ｖｃにのみ基づき、それぞれ判断していた。しかしながら、本発明は、これらの構成に限定されるものではない。例えば、可変抵抗３１の抵抗値を小さな値から大きな値に切り替える判断を、可変抵抗３１における電流の方向に基づき判断し、大きな値から小さな値に切り替える判断を、セル電圧Ｖｃに基づき判断することもできる。具体的には、電流調整処理が開始されると、まず、セル電圧Ｖｃが０Ｖ以上であるか否かを判断し、セル電圧Ｖｃが負電圧（０Ｖよりも低い）場合には、可変抵抗３１の抵抗値を小さな値に設定する。可変抵抗３１の抵抗値を小さな値に設定した後は、可変抵抗３１における電流の方向を監視し、水素欠乏が解消されて電流の方向が第２の方向になった場合に、可変抵抗３１の抵抗値を大きな値に設定する。そして、セル電圧Ｖｃが０Ｖ以上である場合には、セル電圧Ｖｃを監視し、セル電圧Ｖｃが触媒溶出電圧Ｖｄ以上となった場合に、可変抵抗３１の抵抗値を大きな値から小さな値に切り替える構成を採用することもできる。
【００９２】
Ｇ３．変形例３：
第２実施例では、電流調整処理のステップＳ２０５において、判断基準となる電圧は０Ｖであったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、−０．８Ｖや−１．５Ｖを採用することもできる。−０．８Ｖや−１．５Ｖを採用した場合には、上記式４に示す反応は発生するが、式５に示す反応の発生は抑制できる。したがって、アノードにおけるカーボン酸化が抑制できるので、単セル２０における発電効率の劣化が抑制できる。なお、これらの構成においては、−０．８Ｖや−１．５Ｖが、請求項における第１の所定電圧に相当する。
【００９３】
Ｇ４．変形例４：
各実施例において、膜電極接合体２５は、アノード側ガス拡散層２３ａ及びカソード側ガス拡散層２３ｃを含む、いわゆる、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly）であったが、これに代えて、アノード側ガス拡散層２３ａ及びカソード側ガス拡散層２３ｃを含まない、いわゆる、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を採用することもできる。かかる構成においては、このＭＥＡの外側（アノード側セパレータ２６ａ側及びカソード側セパレータ２６ｃ側）に、アノード側ガス拡散層２３ａ及びカソード側ガス拡散層２３ｃする構成を採用できる。
【００９４】
Ｇ５．変形例５：
第１実施例では、可変抵抗３１における電流の方向の判断は、制御部９１ａが電流センサ３２から通知される電流値に基づき判断していたが、これに代えて、電流センサ３２が、自身が測定した電流値に基づき電流の方向を判断する構成を採用することができる。かかる構成では、制御部９１ａは、電流センサ３２から通知される電流の方向に基づき、ステップＳ１０５を実行することができる。
【００９５】
Ｇ６．変形例６：
上述した図３，５，６を用いた説明では、燃料電池スタック１０を構成する単セル２０の数は３つであったが、３つに限らず、２つ以上の任意の数の単セル２０により、燃料電池スタック１０を構成することもできる。例えば、図３，５，６において、単セル２０ｃを省略して、２つの単セル２０ａ，２０ｂが互いに接する構成を採用することもできる。この構成においては、単セル２０ａのアノードａ１で発生した電子は、セパレータｓ０及び負荷２００を介して、セパレータｓ２（単セル２０ｂにおけるカソード側セパレータ２６ｃ）に供給される。そして、上記第１実施例と同様に、単セル２０ｂにおいて水素欠乏が発生した場合に可変抵抗３１の抵抗値を小さな値に設定することにより、セパレータｓ２に供給された電子を、可変抵抗３１及びセパレータｓ１を介して単セル２０ａのカソードｃ１に供給することができる。
【００９６】
Ｇ７．変形例７：
各実施例では、燃料電池システムは、電気自動車に搭載されて用いられていたが、これに代えて、ハイブリッド自動車，船舶，ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、燃料電池スタック１０を定置型電源として用い、燃料電池システムをビルや一般住宅等の建物に適用することもできる。
【００９７】
Ｇ８．変形例８：
各実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００９８】
１０…燃料電池スタック
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…単セル
２１…電解質膜
２２ａ…アノード側触媒層
２２ｃ…カソード側触媒層
２３ａ…アノード側ガス拡散層
２３ｃ…カソード側ガス拡散層
２５…膜電極接合体
２６ａ…アノード側セパレータ
２６ｃ…カソード側セパレータ
２７ａ…燃料ガス流路
２７ｃ…酸化剤ガス流路
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…電流調整部
３１…可変抵抗
３２…電流センサ
３３，３４…電圧センサ
４０…ダイオード
４０ａ…第１ダイオード
４０ｂ…第２ダイオード
５０…抵抗値調整部
６１…水素タンク
６２…エアコンプレッサ
６３…循環用ポンプ
７１…遮断弁
７２…調圧弁
８１…燃料ガス供給路
８２…燃料ガス排出路
８３…バイパス流路
８４…酸化剤ガス供給路
８５…酸化剤ガス排出路
９０…制御ユニット
９１…ＣＰＵ
９２…ＲＯＭ
９３…ＲＡＭ
９１ａ…制御部
１００，１００ａ…燃料電池システム
ａ１，ａ２，ａ３…アノード
ｍ１，ｍ２，ｍ３…電解質膜
ｃ１，ｃ２，ｃ３…カソード
ｓ１，ｓ２，ｓ３…セパレータ
【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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【図１６】
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