(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極と、
前記燃料極と前記酸化剤極との両側に設けたセパレータと、から構成する単位セルを複数積層した積層体と、
前記積層体の両端部に設けた集電板と、を備えた燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、
前記単位セルを、
第１の水素導入マニホールドと、第１の水素排出マニホールドと、前記第１の水素導入マニホールドと前記第１の水素排出マニホールドと連通する第１の水素流路と、第１の空気導入マニホールドと、第１の空気排出マニホールドと、前記第１の空気導入マニホールドと前記第１の空気排出マニホールドと連通する第１の空気流路と、を備えた第１の単位セルと、
第２の水素導入マニホールドと、第２の水素排出マニホールドと、前記第２の水素導入マニホールドと前記第２の水素排出マニホールドと連通する第２の水素流路と、第２の空気導入マニホールドと、第２の空気排出マニホールドと、前記第２の空気導入マニホールドと前記第２の空気排出マニホールドと連通する第２の空気流路と、を備えた第２の単位セルと、から構成するとともに、
前記積層体を、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとを交互に積層して構成し、
前記第１の水素流路の前記水素の流れ方向上流部と前記第２の水素流路の流れ方向下流部とが向かい合い、かつ前記第１の水素流路の前記水素の流れ方向下流部と前記第２の水素流路の流れ方向上流部とが向かい合い、
前記第１の空気流路の前記空気の流れ方向上流部と前記第２の空気流路の流れ方向下流部とが向かい合い、かつ前記第１の空気流路の前記空気の流れ方向下流部と前記第２の空気流路の流れ方向上流部とが向かい合うようにするとともに、
前記単位セルにおける、水素流路、空気流路が共に空気が混入した状態から起動して、前記空気流路には、空気が充満し、前記水素流路には、導入が開始された水素が存在する領域と、空気が存在する領域とが形成され、水素と空気との界面である水素／空気フロントが形成される期間内は、
前記集電板の前記単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗を前記集電板と当接するセパレータの前記単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗で除した、抵抗比が１倍以上となるように、前記積層体と前記集電板との接触面圧を低くすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
電解質膜と、
前記電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極と、
前記燃料極と前記酸化剤極との両側に設けたセパレータと、から構成する単位セルを複数積層した積層体と、
前記積層体の両端部に設けた集電板と、を備えた燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、
前記単位セルは、
水素導入マニホールドと、水素排出マニホールドと、前記水素導入マニホールドと前記水素排出マニホールドと連通する水素流路と、空気導入マニホールドと、空気排出マニホールドと、前記空気導入マニホールドと前記空気排出マニホールドと連通する空気流路と、を備え、
前記単位セルにおける、水素流路、空気流路が共に空気が混入した状態から起動して、前記空気流路には、空気が充満し、前記水素流路には、導入が開始された水素が存在する領域と、空気が存在する領域とが形成され、水素と空気との界面である水素／空気フロントが形成される期間内は、
積層された前記単位セルのうち、一つおきの前記単位セルについて、前記水素流路での水素の流れ方向と、前記空気流路での空気の流れ方向とを切り替えて、当該水素流路の前記水素の流れ方向上流部とその単位セルに隣接する単位セルの水素流路の流れ方向下流部とが向かい合い、かつ当該水素流路の前記水素の流れ方向下流部とその単位セルに隣接する単位セルの水素流路の流れ方向上流部とが向かい合い、
当該空気流路の前記空気の流れ方向上流部とその単位セルに隣接する単位セルの空気流路の流れ方向下流部とが向かい合い、かつ当該空気流路の前記空気の流れ方向下流部とその単位セルに隣接する単位セルの空気流路の流れ方向上流部とが向かい合うようにするとともに、
前記集電板の前記単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗を前記集電板と当接するセパレータの前記単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗で除した、抵抗比が１倍以上となるように、前記積層体と前記集電板との接触面圧を低くすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記集電板の少なくともどちらか一方を前記単位セルの積層方向に移動させる駆動部を備え、
前記燃料電池システムの起動時または停止時に、前記駆動部によって前記集電板と前記積層体との前記接触面圧を、前記燃料電池システムの通常の運転時よりも低くすることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記積層体を締結する締結部を備え、
前記駆動部によって移動する前記集電板は、前記締結部によって前記積層体を締結した状態で移動することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システムの起動時または停止時に、前記駆動部は前記集電板と前記積層体とを物理的に接触させないことを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記駆動部は、モータによって前記集電板を移動させることを特徴とする請求項３から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記駆動部は、ガスの圧力によって前記集電板を移動させることを特徴とする請求項３から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記駆動部によって移動する前記集電板と前記積層体との間に圧力検出手段を備え、
前記駆動部は、前記圧力検出手段によって検出した圧力に基づいて、前記集電板を移動させることを特徴とする請求項３から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記駆動部は前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する前に、前記集電板を移動させて前記集電板と前記積層体との前記接触面圧を低くすることを特徴とする請求項３から８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記駆動部は、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給してから所定時間経過後に、前記集電板を移動させて前記集電板と前記積層体との前記接触面圧を前記燃料電池システムの通常運転時の面圧まで高くすることを特徴とする請求項９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】
本発明は燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックの集電体は、集電体における抵抗損失を低減することで、燃料電池スタックによって発電された電力を効率良くモータなどの電力消費手段に供給できる。そのため集電板に導電性の高い部材や構造を使用するものが特許文献１に開示されている。これによって燃料電池スタックの高出力化を図っている。
【特許文献１】特開２００４−３１０１０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池を移動体、例えば自動車用の動力源として活用する時においては、起動停止動作が頻繁に行われる。燃料電池停止中においてはアノード、カソードともに供給すべき燃料（水素）および空気の供給を停止した状態で放置される。または、停止操作手順としてアノード中の残留水素を強制的に排気する為に空気や窒素等の不活性ガスでパージする方法や、アノード中の残留水素を酸素等と反応させ消費するなどの停止方法があるが、いずれの場合においても長時間の停止中にはアノードにも大気が侵入しアノード中に酸素（空気）が存在する状態となる。
【０００４】
この状態、すなわちアノード、カソード共に空気が混入した状態から燃料電池システムを起動させる場合、アノード側ガス流路に水素を供給し始めた初期の期間では、アノードで水素の流れ方向において上流に位置する領域に、まず水素が供給されるので、水素と空気が混在する状態が起こりうる。この様な状況においては、水素の平衡電位は０［Ｖ］、空気の平衡電位は約１．２［Ｖ］であることから、発生した電位差に応じて、アノードの水素が存在する領域においては以下の式（１）に示す反応が、空気が存在する領域においては以下の式（２）に示す反応が起こり、アノード内で電子の流れが発生する。
【０００５】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-  ・・・式（１）
１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ  ・・・式（２）
このとき、アノードの水素が存在する領域と向かい合うカソードにおいては、式（３）に示す反応が、アノードの空気が存在する領域と向かい合うカソードにおいては式（４）に示す反応が起こる。
【０００６】
２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ  ・・・式（３）
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-  ・・・式（４）
式（４）に示す反応が起こる事で、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の酸化が起こり、カソードの電極触媒層性能が劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。
【０００７】
燃料電池スタックの場合、小型化の観点からセパレータは非常に薄い構造とすることが望ましく、従ってセパレータは通常平面方向（反応面と平行方向）の導電性よりも厚さ方向の導電性の方が遥かに大きい。さらに、単位セルの場合はアノード側で発生した電位差に応じてアノード内の平面方向に電子の流れが生じるが、燃料電池スタックの場合は、端部の単位セルを除いてその両側に別の単位セルが存在する為、アノードで発生した電位差に応じて隣り合うセル間にも電子の流れが生じる。
【０００８】
このとき、例えば端部の単位セルにおいては、もっとも外側に位置する集電板の平面方向に電子の流れが生じる。その結果、燃料電池スタック全体で閉回路が形成される。
【０００９】
この様な場合には、集電板の導電性が高いと集電板内における電流量が多くなる為、燃料電池スタックの性能劣化が加速されるという問題点がある。
【００１０】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池スタックでの電子の流れを妨げることで、燃料電池スタックの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】
【００１１】
本発明では、電解質膜と、電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極と、燃料極と酸化剤極との両側に設けたセパレータと、から構成する単位セルと、単位セルを複数積層した積層体と、積層体の両端部に設けた集電板と、を備えた燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、単位セルを、第１の水素導入マニホールドと、第１の水素排出マニホールドと、第１の水素導入マニホールドと第１の水素排出マニホールドと連通する第１の水素流路と、第１の空気導入マニホールドと、第１の空気排出マニホールドと、第１の空気導入マニホールドと第１の空気排出マニホールドと連通する第１の空気流路と、を備えた第１の単位セルと、第２の水素導入マニホールドと、第２の水素排出マニホールドと、第２の水素導入マニホールドと第２の水素排出マニホールドと連通する第２の水素流路と、第２の空気導入マニホールドと、第２の空気排出マニホールドと、第２の空気導入マニホールドと第２の空気排出マニホールドと連通する第２の空気流路と、を備えた第２の単位セルと、から構成するとともに、積層体を、第１の単位セルと第２の単位セルとを交互に積層して構成し、第１の水素流路の水素の流れ方向上流部と第２の水素流路の流れ方向下流部とが向かい合い、かつ第１の水素流路の水素の流れ方向下流部と第２の水素流路の流れ方向上流部とが向かい合い、第１の空気流路の空気の流れ方向上流部と第２の空気流路の流れ方向下流部とが向かい合い、かつ第１の空気流路の空気の流れ方向下流部と第２の空気流路の流れ方向上流部とが向かい合うようにするとともに、単位セルにおける、水素流路、空気流路が共に空気が混入した状態から起動して、空気流路には、空気が充満し、水素流路には、導入が開始された水素が存在する領域と、空気が存在する領域とが形成され、水素と空気との界面である水素／空気フロントが形成される期間内は、集電板の単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗を集電板と当接するセパレータの単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗で除した、抵抗比が１倍以上となるように、積層体と集電板との接触面圧を低くする。
また、電解質膜と、電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極と、燃料極と酸化剤極との両側に設けたセパレータと、から構成する単位セルを複数積層した積層体と、積層体の両端部に設けた集電板と、を備えた燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、単位セルは、水素導入マニホールドと、水素排出マニホールドと、水素導入マニホールドと水素排出マニホールドと連通する水素流路と、空気導入マニホールドと、空気排出マニホールドと、空気導入マニホールドと空気排出マニホールドと連通する空気流路と、を備え、単位セルにおける、水素流路、空気流路が共に空気が混入した状態から起動して、空気流路には、空気が充満し、水素流路には、導入が開始された水素が存在する領域と、空気が存在する領域とが形成され、水素と空気との界面である水素／空気フロントが形成される期間内は、積層された単位セルのうち、一つおきの単位セルについて、水素流路での水素の流れ方向と、空気流路での空気の流れ方向とを切り替えて、水素流路の水素の流れ方向上流部とその単位セルに隣接する単位セルの水素流路の流れ方向下流部とが向かい合い、かつ水素流路の水素の流れ方向下流部とその単位セルに隣接する単位セルの水素流路の流れ方向上流部とが向かい合い、空気流路の空気の流れ方向上流部とその単位セルに隣接する単位セルの空気流路の流れ方向下流部とが向かい合い、かつ空気流路の空気の流れ方向下流部とその単位セルに隣接する単位セルの空気流路の流れ方向上流部とが向かい合うようにするとともに、集電板の単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗を集電板と当接するセパレータの単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗で除した、抵抗比が１倍以上となるように、積層体と集電板との接触面圧を低くする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、積層体のカーボン担体の腐食劣化を抑制し、燃料電池スタックの劣化を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態で用いる燃料電池スタック１について図１、図２を用いて説明する。図１は燃料電池スタック１の概略構成図の正面図である。図２は燃料電池スタック１の概略構成図の側面図である。
【００１４】
燃料電池スタック１は、後述する単位セル２ａ、２ｂを交互に積層して構成した積層体３と、積層体３の両側に設けた集電板４と、集電板４の外側に設けたエンドプレート５と、を備える。なお、図示しないが、エンドプレート５の更に外側に積層体３の面圧を一定に保つためにプレッシャプレート、皿バネなどの弾性部材などを設けても良い。
【００１５】
また、外部から燃料電池スタック１へ燃料ガスとして水素を導入する水素導入マニホールド６ａ、６ｂと、単位セル２ａ、２ｂの発電反応に使用されなかった排出水素を燃料電池スタック１の外部へと排出するための水素排出マニホールド７ａ、７ｂと、外部から燃料電池スタック１へ酸化剤ガスとして空気を導入する空気導入マニホールド８ａ、８ｂと、単位セル２ａ、２ｂの発電反応に使用されなかった排出空気を燃料電池スタック１の外部へと排出するための空気排出マニホールド９ａ、９ｂと、燃料電池スタック１の温度を調整するための冷却水を燃料電池スタック１へ導入する冷却水導入マニホールド１０と、燃料電池スタック１から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド１１と、を備える。
【００１６】
集電板４は、導電性の板であり、燃料電池スタック１とモータなどの外部負荷とを電気的に接続するための部材であり、集電板４と外部負荷とを接続することで、積層体３によって発電した電力を外部へ取り出すことができる。
【００１７】
次に積層体３を構成する単位セル２ａ、２ｂについて、図３、図４を用いて説明する。図３は単位セル（第１の単位セル）２ａの概略構成図である。図４は単位セル（第２の単位セル）２ｂの概略構成図である。
【００１８】
単位セル２ａはプロトン伝導性を有する高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）２０を、一対の電極であるカソード（酸化剤極）２１とアノード（燃料極）２２とにより狭持して構成する。
【００１９】
カソード２１は、カーボン繊維等の多孔質体であるガス拡散層２３ｂとＰｔ等の触媒を担持したカーボン担体である触媒層２３ａとによって構成する。同様に、アノード２２は、ガス拡散層２４ｂと触媒層２４ａとによって構成する。
【００２０】
また、単位セル２ａは、カソード２１の外側にカソードセパレータ２５を備え、カソードセパレータ２５においては、カソード２１と当接する面に空気が流通する空気流路２６を設ける。また、アノード２２の外側にアノードセパレータ２７を備え、アノードセパレータ２７においては、アノード２２と当接する面に水素が流通する水素流路２８を設ける。
【００２１】
ここでアノードセパレータ２７について図５を用いて説明する。図５はアノードセパレータ２７を電解質膜２０から見た正面図である。
【００２２】
アノードセパレータ２７は、カーボンセパレータである。アノードセパレータ２７は、水素導入マニホールド６ａ、６ｂと、水素排出マニホールド７ａ、７ｂと、空気導入マニホールド８ａ、８ｂと、空気排出マニホールド９ａ、９ｂと、冷却水導入マニホールド１０と、冷却水排出マニホールド１１と、水素流路（第１の水素流路）２８と、を備える。アノードセパレータ２７の水素流路２８は、水素導入マニホールド（第１の水素導入マニホールド）６ａと水素排出マニホールド（第１の水素排出マニホールド）７ａと連通し、水素導入マニホールド６ｂ、水素排出マニホールド７ｂとは連通していない。これにより、水素流路２８において、水素は図５中の矢印の方向に流れる。
【００２３】
カソードセパレータ２５について、詳しい説明は省略するが、カソードセパレータ２５もアノードセパレータ２７と同様にカーボンセパレータであり、水素導入マニホールド６ａ、６ｂなどを備える。なお、カソードセパレータ２５の空気流路２６は、空気導入マニホールド８ａと空気排出マニホールド９ａと連通し、空気導入マニホールド８ｂと空気排出マニホールド９ｂとは連通していない。
【００２４】
単位セル２ｂはプロトン伝導性を有する高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）３０を、一対の電極であるカソード（酸化剤極）３１とアノード（燃料極）３２とにより狭持して構成する。
【００２５】
カソード３１は、カーボン繊維等の多孔質体であるガス拡散層３３ｂとＰｔ等の触媒を担持したカーボン担体である触媒層３３ａとによって構成する。同様に、アノード３２は、ガス拡散層３４ｂと触媒層３４ａとによって構成する。
【００２６】
また、単位セル２ｂは、カソード３１の外側にカソードセパレータ３５を備え、カソードセパレータ３５においては、カソード３１と当接する面に空気が流通する空気流路３６を設ける。また、アノード３２の外側にアノードセパレータ３７を備え、アノードセパレータ３７においては、アノード３２と当接する面に水素が流通する水素流路３８を設ける。
【００２７】
ここでアノードセパレータ３７について図６を用いて説明する。図６はアノードセパレータ３７を電解質膜３０から見た正面図である。
【００２８】
アノードセパレータ３７は、カーボンセパレータである。アノードセパレータ３７は、水素導入マニホールド６ａ、６ｂと、水素排出マニホールド７ａ、７ｂと、空気導入マニホールド８ａ、８ｂと、空気排出マニホールド９ａ、９ｂと、冷却水導入マニホールド１０と、冷却水排出マニホールド１１と、水素流路（第２の水素流路）３８と、を備える。水素流路３８は、水素導入マニホールド（第２の水素導入マニホールド）６ｂと水素排出マニホールド（第２の水素排出マニホールド）７ｂと連通し、水素導入マニホールド６ａと水素排出マニホールド７ａとは連通していない。これにより、水素流路３８において、水素は図６中の矢印の方向に流れる。
【００２９】
積層体３では、単位セル２ａの水素流路２８の水素流れ方向の上流側と単位セル２ｂの水素流路３８の水素流れ方向の下流側とが向かい合い、かつ単位セル２ａの水素流路２８の水素流れ方向下流側と単位セル２ｂの水素流路３８の水素流れ方向の上流側とが向かい合う。これにより、単位セル２ａ、２ｂでは水素の流れる方向は逆方向、すなわち対向する流れとなる。
【００３０】
カソードセパレータ３５について、詳しい説明は省略するが、カソードセパレータ３５もアノードセパレータ３７と同様にカーボンセパレータであり、水素導入マニホールド６ａ、６ｂなどを備える。なお、カソードセパレータ３５の空気流路３６は、空気導入マニホールド８ｂと空気排出マニホールド９ｂと連通し、空気導入マニホールド８ａと空気排出マニホールド９ａとは連通していない。
【００３１】
積層体３の単位セル２ａ、２ｂでは、空気の流れも、水素と同様対向する流れとなる。
【００３２】
以上の構成によって、単位セル２ａ、２ｂを流れる水素、空気の流れ方向は、単位セル２ａと単位セル２ｂとでは逆方向となる。
【００３３】
なお、この実施形態では、空気導入マニホールド、または空気排出マニホールドを空気導入マニホールド８ａ、８ｂと空気排出マニホールド９ａ、９ｂのそれぞれ２つ備えるが、１つの空気導入マニホールドと空気排出マニホールドから空気を導入してもよい。すなわち、単位セル２ａ、２ｂにおいて空気の流れを同一方向としてもよい。
【００３４】
燃料電池スタック１では、通常運転時には、空気が触媒層２３ａ、３３ａの触媒に接触し、水素が触媒層２４ａ、３４ａの触媒に接触することにより、アノード２２、３２では式（１）の反応が生じ、水素がプロトンと電子に分離される。プロトンは電解質膜２０、３０内部を移動してカソード２１、３１側に到達し、電子は外部回路を流れて、出力として取り出される。一方、カソード２１、３１では、電解質膜２０、３０内を移動してきたプロトン、外部回路を介して移動してきた電子、および空気中の酸素により形成される三相界面上で式（３）に示すような反応が生じる。
【００３５】
このような単位セル２ａ、２ｂを積層して構成した積層体３を有する燃料電池スタック１を移動体、例えば自動車用の動力源として活用した場合には、起動／停止が頻繁に繰り返される。燃料電池スタック１の停止中には、アノード２２、３２に水素が、およびカソード２１、３１に空気が供給された状態で放置され、燃料電池スタック１が長時間放置された場合には、外部から空気が浸入して水素流路２８、３８内に空気が存在する可能性がある。または、停止時に空気により水素流路２８、３８をパージした場合には、水素流路２８、３８内には空気が存在する。
【００３６】
このように水素流路２８、３８内に空気が存在する状態からシステムを起動すると、起動時、または停止の際に空気によってアノード２２、３２をパージする時（以下、停止時とする）に単位セル２ａ、２ｂ内は、図１５に示すような状態となる。なお、図１５は単位セル２ａについて説明するものであるが、単位セル２ｂについても同じ状態となる。
【００３７】
空気流路２６内には空気が充満し、水素流路２８には、導入が開始された水素が存在する領域Ａと、空気が存在する領域Ｃと、が形成され、水素と空気との界面である水素／空気フロントＢが形成される。
【００３８】
この場合、水素の平衡電位は０Ｖ、空気の平衡電位は約１．２Ｖであることから、アノード２２の領域Ａと領域Ｃとの間に電位差が生じる。このとき、発生した電位差に応じて、アノード２２の領域Ａにおいては式（１）の反応が、アノード２２の領域Ｃにおいては式（３）の反応が起こり、アノード２２内を領域Ａから領域Ｃへと電子が流れる。一方、アノード２２の領域Ｃでは式（３）の反応によりプロトンが不足する。これらを解消する為に、カソード２１の領域Ａでは式（３）の反応が、カソード２１の領域Ｃでは式（４）の反応が起こる。つまり、カソード２１の領域Ｃで、触媒を担持しているカーボン担体の腐食が生じ、単位セル２ａにおける発電性能が低下する。
【００３９】
この実施形態では積層体３を構成する単位セル２ａ、２ｂにおける式（４）のカーボン担体の腐食反応を抑制し、燃料電池スタック１の劣化を抑制する。
【００４０】
まず、積層体３における式（４）のカーボン担体の腐食反応抑制について説明する。
【００４１】
積層体３は単位セル２ａ、２ｂとを交互に積層して構成され、隣接する単位セル２ａ、２ｂでは単位セル２ａのアノードセパレータ２７と単位セル２ｂのカソードセパレータ２５とが当接、または単位セル２ａのカソードセパレータ２５と単位セル２ｂのアノードセパレータ３７とが当接する。
【００４２】
燃料電池システムの起動時、または停止時に式（１）、式（４）によって生じた電子は、単位セル２ａ、２ｂ内で生じる電位差に応じて、アノードセパレータ２７、３７、またはカソードセパレータ２５、３５内を単位セル２ａ、２ｂを積層する方向と交差する方向、つまり平面方向へ移動し、さらにアノードセパレータ２７、３７、またはカソードセパレータ２５、３５を介して、隣接する単位セル２ａ、２ｂ間でも移動する。
【００４３】
このとき水素の流れる方向が同一の単位セル（例えば単位セル２ａのみ）を積層すると、図１６に示すように電子を生じさせる式（１）と電子を消費する式（３）、さらに電子を生じさせる式（４）と電子を消費する式（２）の反応が、隣接する単位セルで向かい合って生じる。単位セルのセパレータでは、単位セルの積層方向の厚さは、単位セルの平面方向の長さよりも短いので、単位セルの積層方向の電気的な抵抗が小さい。そのため、隣接する単位セルにおいて、電子を生じさせる式（１）と電子を消費する式（３）、電子を生じさせる式（４）と電子を消費する式（２）の反応が向かい合うと、隣接する単位セル間で電子の流れが大きくなる。これにより、燃料電池システムの起動時、または停止時に式（４）の反応が生じやすくなり、単位セルの劣化、すなわち燃料電池スタックの劣化が大きくなる。
【００４４】
この実施形態では、積層体３において、単位セル２ａ、２ｂを交互に積層することで水素の流れる方向を逆方向とし、図７に示すように燃料電池システムの起動時、または停止時に隣接する単位セル２ａ、２ｂでは、電子を生じさせる式（１）、（４）と電子を消費する式（２）、（３）とがそれぞれ向かい合うようにする。これにより、電子の流れは単位セル２ａ、２ｂの平面方向へ流れが多くなり、アノードセパレータ２７、３７、またはカソードセパレータ２５、３５内での電気的な抵抗が大きくなるので、式（４）の反応を抑制することができる。
【００４５】
なお、アノードセパレータ２７、３７とカソードセパレータ２５、３５を比較的電気抵抗が高い材料（例えばステンレス材）と比較的電気抵抗が低い材料（例えば銅）などを平面方向に交互に配置して構成してもよい。特に、比較的電気抵抗が高い材料をより絶縁体に近くし、これらをより短い寸法で配置することが望ましい。これによって、平面方向の電気的な抵抗を大きく、または調整することができ、電子の流れを妨げることで式（４）によるカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。
【００４６】
また、ガス拡散層２３ｂ、２４ｂ、３３ｂ、３４ｂにおいても比較的電気抵抗が高い材料と比較的電気抵抗が低い材料とを平面方向に配置してもよい。ガス拡散層２３ｂ、２４ｂ、３３ｂ、３４ｂを電子の一部が流れるが、これによって平面方向の電子の流れを妨げ、式（４）によるカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。
【００４７】
次に、集電板４による積層体３のカーボン担体の腐食反応抑制について説明する。
【００４８】
燃料電池システムの起動時、または停止時に積層体３において単位セル２ａ、２ｂの積層方向へ流れる電子の一部は、積層体３の端部に位置する単位セル２ａ、２ｂのアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５から集電板４の内部へ流れる。これにより、燃料電池システムの起動時、停止時には、単位セル２ａ、２ｂの積層方向と、集電板４または集電板４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５の平面方向と、によって形成する電子の流れが生じる。前述するように、単位セル２ａ、２ｂの積層方向への電子の流れによって、式（４）の反応によりカソード２１、３１のカーボン担体の腐食反応が生じる。
【００４９】
そこで、この実施形態では、集電板４における電子の流れを抑制し、単位セル２ａ、２ｂの積層方向への電子の流れを抑制し、式（４）の反応によるカソード２１、３１のカーボン担体の腐食反応を抑制する。
【００５０】
燃料電池システムの起動時、または停止時に、単位セル２ａ、２ｂのアノード２２において式（１）、（２）の反応が生じると、その反応量に応じて分極が生じ、アノード２２の電位は平衡電位から変化する。この変化は、式（５）によって表すことができる。
【００５１】
【数１】
0005392973.tif 000002
【００５２】
なお、ｉ０：交換電流密度、αａ：アノード反応通過係数、αｃ：カソード反応通過係数、ｎ：電荷数、Ｆ：ファラデー定数、η：分極、Ｒ：気体定数、Ｔ：温度、ｉＬａ：アノード限界電流密度、ｉＬｃ：カソード限界電流密度である。
【００５３】
また、アノードセパレータ２７、３７と集電板４の内部を流れる電流と電流に伴う電位分布は、式（６）によって表すことができる。
【００５４】
【数２】
0005392973.tif 000003
【００５５】
なお、ｋ：導電率、Φ：電位である。
【００５６】
ここで式（５）を境界条件として領域Ａ、領域Ｃに与えてアノードセパレータ２７、３７内の電位分布を式（６）により２次元的に計算することで、燃料電池システムの起動時、停止時に集電板４と、集電板４と当接する積層体３の単位セル２ａ、２ｂのアノードセパレータ３５、３７における総電流量を算出することができる。
【００５７】
なお、領域Ａにおいては、式（５）の条件として、Ｒ：８．３１４（Ｊ／ｍｏｌ／Ｋ）、Ｆ：９６４８５（Ｃ／ｍｏｌ）、Ｔ：８０（℃）、Ｅ：０（Ｖ）、ｎ：２、ｉ０：１．００×１０−１（Ａｃｍ−２）、αａ：０．５、αｃ：０．５、ｉＬａ：２（Ａｃｍ−２）、ｉＬｃ：−３（Ａｃｍ−２）とする。
【００５８】
また、領域Ｃにおいては、式（５）の条件として、Ｒ：８．３１４（Ｊ／ｍｏｌ／Ｋ）、Ｆ：９６４８５（Ｃ／ｍｏｌ）、Ｔ：８０（℃）、Ｅ：１．１７（Ｖ）、ｎ：４、ｉ０：１．００×１０−６（Ａｃｍ−２）、αａ：０．７５、αｃ：０．７５、ｉＬａ：３（Ａｃｍ−２）、ｉＬｃ：−２（Ａｃｍ−２）とする。なお、分極ηと、電位Φと標準電極電位Ｅとの関係は、η＝Φ−Ｅである。
【００５９】
また、アノードセパレータ２７、３７の厚さを１ｍｍとし、集電板４の厚さを５ｍｍ〜５０ｍｍとする。
【００６０】
その結果を図８に示す。図８は集電板４の平面方向の電気的な抵抗値を集電板４に当接するアノードセパレータ２７、３７の平面方向の電気的な抵抗値で除した抵抗比（以下、集電板−セパレータ抵抗比とする）と、集電板４と当接する単位セル２ａ、２ｂの劣化率と、の関係を示した図である。なお、燃料電池システムの起動時、または停止時に式（６）によって算出した電流は式（４）によって生じる電流に対応することから、図８においては縦軸を単位セル２ａ、２ｂの劣化率とした。
【００６１】
これによると、集電板−セパレータ抵抗比を大きく、つまり集電板４の抵抗値を当接するアノードセパレータ２７、３７の抵抗値に対して大きくする程、単位セル２ａ、２ｂにおける劣化を抑制することができる。これは、集電板４の抵抗値が大きくなると電気化学反応が集電板４の抵抗値により律速するためである。特に図８において、集電板−セパレータ抵抗比を約０．００５以上とすることで、集電板４と当接する単位セル２ａ、２ｂの劣化を抑制することができる。また、集電板−セパレータ抵抗比が約１以上となると劣化抑制効果が低くなる。そのため、集電板−セパレータ抵抗比は０．００５以上１以下とすることが望ましい。
【００６２】
集電板４または、集電板４と当接する単位セル２ａ、２ｂのアノードセパレータ２７、３７の平面方向の電子の流れを抑制することで、積層体３においても、単位セル２ａ、２ｂの積層方向への電子の流れを抑制することができる。そのため、単位セル２ａ、２ｂのカソードセパレータ２５、３５のカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。
【００６３】
一方、集電板４の抵抗値を大きくすると集電板４内での抵抗損失が大きくなる。これにより燃料電池システムの通常の運転時には、集電板４に任意の位置に設けた電流取り出し部（図示せず）から取り出すまでに集電板４で消費される電力が大きくなるので、燃料電池スタック１の発電効率が低下する。
【００６４】
ここで、電流密度を１Ａ／ｃｍ２とした場合に集電板４によって発生する抵抗損失を式（６）により二次元的に計算することにより算出し、その結果を図９に示す。図９は集電板−セパレータ抵抗比と集電板４における抵抗損失との関係を示す図である。
【００６５】
これによると集電板−セパレータ抵抗比を約０．１以上とすると抵抗損失の増加が特に大きくなる。そのためこの実施形態では図８と図９とに示す結果から集電板−セパレータ抵抗比を０．００５以上０．１以下とする。
【００６６】
ここでは集電板４と、集電板４と当接する単位セル２ａ、２ｂのアノードセパレータ２７、３７との関係について説明したが、集電板４と、集電板４と当接する単位セル２ａ、２ｂのカソードセパレータ２５、３５と、においても同様である。
【００６７】
なお、この実施形態ではアノードセパレータ２７、３７、カソードセパレータ２５、３５としてカーボンセパレータを使用したが、金属セパレータ（例えばＳＵＳ３１４）を用いてもよい。金属セパレータの比抵抗を７５μΩｃｍ、金属セパレータの厚さを０．５ｍｍとし、上記と同様に式（５）、（６）を用いて集電板−セパレータ抵抗比と、集電板４と当接する単位セル２ａ、２ｂの劣化率と、の関係を図１０に示す。また、集電板−セパレータ抵抗比と、集電板４の抵抗損失との関係を図１１に示す。これによると金属セパレータを用いた場合には、集電板−セパレータ抵抗比を０．０５以上１０以下とすることが望ましく、さらには集電板−セパレータ抵抗比を０．０５以上１以下とすることが望ましい。
【００６８】
集電板−セパレータ抵抗比を設定する方法としては、集電板４の厚さ、材料を選択することで集電板−セパレータ抵抗比を設定することができる。例えば集電板４の厚さを薄くし、または集電板４を比較的電気抵抗が高い材料（例えばステンレス材）と比較的電気抵抗が低い材料（例えば銅）などを平面方向に積層して構成してもよい。
【００６９】
以上の構成によって、水素が流れる方向が逆方向となる単位セル２ａ、２ｂとを交互に積層することで、燃料電池システムの起動時、停止時にカソード２１、３１で生じるカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。また、集電板４の平面方向の電子の流れを抑制することで、単位セル２ａ、２ｂのカソード２１、３１で生じるカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。これらによって燃料電池スタック１の劣化を抑制することができる。
【００７０】
次に燃料電池スタック１を有する燃料電池システムについて図１２の構成概略図を用いて説明する。
【００７１】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に水素を供給する水素供給系４１と、燃料電池スタック１に空気を供給する空気供給系４２と、燃料電池スタック１で発電した電力を消費する例えばモータなどの外部負荷４３と、水素濃度が低くなった排出水素を燃焼し、燃料電池システムの外部へ排出する排ガス処理装置４４と、を備える。
【００７２】
水素供給系４１は、水素ボンベ５０と、循環コンプレッサ５１と、を備える。また、水素ボンベ５０から燃料電池スタック１へ水素を供給するための水素供給流路５２と、水素供給流路５２が分岐し水素導入マニホールド６ａと連結する水素供給流路５２ａと、水素供給流路５２が分岐し水素導入マニホールド６ｂと連結する水素供給流路５２ｂと、水素排出マニホールド７ａと連結する水素排出流路５３ａと、水素排出マニホールド７ｂと連結する水素排出流路５３ｂと、水素排出流路５３ａと水素排出流路５３ｂとが合流して構成され、排出水素を再び燃料電池スタック１に環流する水素循環流路５４と、水素濃度が低くなった排出水素を排ガス処理装置４４へ導入する水素排出流路５５と、を備える。なお、水素排出流路５５にはバルブ５６を備える。
【００７３】
空気供給系４２は、コンプレッサ６０を備える。また、コンプレッサ６０から燃料電池スタック１へ空気を供給する空気供給流路６１と、空気供給流路６１が分岐し空気導入マニホールド８ａと連結する空気供給流路６１ａと、空気供給流路６１が分岐し空気導入マニホールド８ｂと連結する空気供給流路６１ｂと、空気排出マニホールド９ａと連結する空気排出流路６２ａと、空気排出マニホールド９ｂと連結する空気排出流路６２ｂと、空気排出流路６２ａと空気排出流路６２ｂとが合流して構成され、排出空気を排ガス処理装置４４へ導入する空気排出流路６２と、を備える。
【００７４】
また、水素供給流路５２と空気供給流路６１とを連結する連結流路７０と、連結流路７０に配設するバルブ７１と、を備える。
【００７５】
排ガス処理装置４４には、アノード２２、３２に例えば窒素などのガスが混入し、排出水素中の水素濃度が低くなった場合に、バルブ５６が開かれ水素排出流路５５を介して排出水素が導入され、また空気排出流路６２から空気が導入される。排ガス処理装置４４は、燃焼触媒などによって、排出水素中の水素を燃焼させて、燃焼によって生じたガスを燃料電池システムの外部へ排出する。
【００７６】
燃料電池システムは、外部負荷４３の出力に応じて、水素流量を調整し、コンプレッサ６０による空気流量を調整し、またバルブ４６の開閉を行うコントロールユニット１００を備える。
【００７７】
以上の構成によって、燃料電池システムの起動時に水素ボンベ５０、または循環コンプレッサ５１から燃料電池スタック１の単位セル２ａ、２ｂのアノード２２、３２に水素を供給し、またコンプレッサ６０から単位セル２ａ、２ｂのカソード２１、３１に空気を供給することができる。
【００７８】
また、燃料電池システムの停止時は、バルブ５６を開くことで、単位セル２ａ、２ｂのアノード２２、３２にコンプレッサ６０から空気を供給することができる。
【００７９】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００８０】
この実施形態では、積層体３の両端部に位置し、集電板４と当接する単位セル２ａ、２ｂのアノードセパレータ２７、３７、またはカソードセパレータ２５、３５と、集電板４と、における単位セル２ａ、２ｂの積層方向と交差する方向への電子の流れを、集電板４の電気抵抗によって律速させる。例えば、集電板４と、集電板４と当接するアノードセパレータ２７、３７、またはカソードセパレータ２５、３５と、の電気的な抵抗値の抵抗比を約０．００５以上とする。これによって、燃料電池システムの起動時、または停止時にアノード２２、３２に水素と空気とが混在する場合でも、集電板４と、集電板４と当接するアノードセパレータ２７、３７、またはカソードセパレータ２５、３５と、の平面方向の電子の流れを妨げ、これにより、単位セル２ａ、２ｂの積層方向と、集電板４または集電板４と当接するアノードセパレータ２７、３７、カソードセパレータ２５、３５の平面方向と、によって形成する電子の流れを抑制し、積層体３のカソード２１、３１におけるカーボン担体の腐食反応を抑制し、燃料電池スタック１の劣化を抑制することができる。
【００８１】
また、集電板４と当接するアノードセパレータ２７、３７、またはカソードセパレータ２５、３５と、の電気的な抵抗値の抵抗比を約１以下とすることで、集電板４における消費電力を小さくし、燃料電池スタック１の発電効率の低下を抑制することができる。
【００８２】
単位セル２ａ、２ｂの水素流路２８、３８を流れる水素の流れ方向を逆方向とし、単位セル２ａ、２ｂとを交互に積層して積層体３を構成する。これによって燃料電池システムの起動時、または停止時に隣接する単位セル２ａ、２ｂで、電子を生じさせる式（１）、（４）と電子を消費する式（２）、（３）とを向かい合わせる。そのため、積層体３において、電子の流れはアノードセパレータ２７、３７、またはカソードセパレータ２５、３５内での平面方向への流れが多くなり、アノードセパレータ２７、３７、またはカソードセパレータ２５、３５内での電気的な抵抗が大きくなるので、単位セル２ａ、２ｂのカソード２１、３１における式（４）のカーボン担体の腐食反応を抑制することができ、燃料電池スタック１の劣化を抑制することができる。
【００８３】
次に本発明の第２実施形態について図１３の燃料電池システム概略構成図を用いて説明する。
【００８４】
この実施形態では、第１実施形態の水素供給流路５２ｂと水素循環流路５４とを連結するバイパス流路８０と、水素供給流路５２ａと水素排出流路５３ｂとを連結するバイパス流路８１と、を備える。また、水素供給流路５２ｂに配設するバルブ８２と、バイパス流路８１に配設するバルブ８３と、バイパス流路８０に配設するバルブ８４と、水素排出流路５３ｂに配設するバルブ８５と、を備える。なお、その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。
【００８５】
以上の構成によって、燃料電池スタック１において、単位セル２ａ、２ｂを流れる水素の流れ方向を切り替えることができる。
【００８６】
ここで、燃料電池システムの起動時、停止時には、バルブ８２、８５を開き、バルブ８３、８４を閉じることで、単位セル２ａ、２ｂに流れる水素の流れ方向を逆方向とすることができる。また、燃料電池システムの通常の運転時には、バルブ８２、８５を閉じ、バルブ８３、８４を開くことで、単位セル２ａ、２ｂに流れる水素の流れ方向を同じ方向とすることができる。
【００８７】
この実施形態では、バルブ８２〜８５の操作によって、単位セル２ｂに流れる水素の流れ方向を切り替えることができる。つまり、バルブ８２、８５を開き、バルブ８３、８４を閉じることで、水素導入マニホールド６ｂから水素流路３８へ水素が供給され、水素排出マニホールド７ｂから排出水素が排出される。バルブ８２、８５を閉じ、バルブ８３、８４を開くことで、水素排出マニホールド７ｂから水素流路３８へ水素が供給され、水素導入マニホールド７ａから排出水素が排出される。
【００８８】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００８９】
この実施形態においても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９０】
次に本発明の第３実施形態について図１４の燃料電池システムの概略構成図を用いて説明する。なお、図１４には説明のため燃料電池スタック１と外部負荷４３とを示す。
【００９１】
この実施形態では、集電板４に複数の集電ハーネス（電力取り出し手段）９０を備える。また、外部負荷４３と集電ハーネス９０との電気的な接続状態を切り替えるスイッチ（切替手段）９１を備える。その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。
【００９２】
集電ハーネス９０は、積層体３によって発電した電力を集電板４から取り出す。集電板４に集電ハーネス９０を複数設けることで、燃料電池スタック１の通常の発電時に、電子が集電板４を流れる距離を短くすることができ、集電板４の電気的抵抗によって消費される電力を少なくする。
【００９３】
スイッチ９１は、燃料電池スタック１の通常の発電時には、ＯＮとなり集電ハーネス９０と外部負荷４３とを電気的に接続し、燃料電池スタック１から電力を取り出す。また、燃料電池スタック１の起動時、停止時には、ＯＦＦとなり集電ハーネス９０と外部負荷４３との電気的な接続を解除する。
【００９４】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００９５】
この実施形態では集電板４に複数の集電ハーネス９０を配設し、集電ハーネス９０と外部負荷４３との電気的な接続を切り替えるスイッチ９１を備える。これにより、燃料電池スタック１の起動時、または停止時にスイッチ９１をＯＦＦとして、集電板４と外部負荷４３との電気的な接続を解除し、単位セル２ａ、２ｂにおける式（４）のカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。さらに、燃料電池スタック１の通常の発電時にスイッチ９１をＯＮとすることで、単位セル２ａ、２ｂの発電反応によって生じた電子が集電板４を流れる距離を短くし、集電板４で消費される電力を少なくすることで、燃料電池スタック１の発電効率の低下を抑制することができる。
【００９６】
本発明の第４実施形態の燃料電池スタックの構成を図１７の概略構成図を用いて説明する。図１７は燃料電池スタックの一部の断面を示す断面図である。この実施形態においては第１実施形態と異なる構成を中心に説明し、第１実施形態と同じ構成のものについては説明を省略する。
【００９７】
燃料電池スタック１１０は、積層体３と、積層体３を締結する締結部１１３と、単位セル２ａ、２ｂによって発電した電力を外部へ取り出すための集電板１１４と、集電板１１４の外側に設けたエンドプレート１１５と、締結部１１３内の空間で集電板１１４を単位セル２ａ、２ｂの積層方向に移動させる駆動部１１６と駆動ネジ１１７と、エンドプレート１１５と締結部１１３との間に設けたスプリング１１８と、を備える。なお、締結部１１３は図示しないが第１実施形態の水素導入マニホールド６ａ、６ｂなどを備える。
【００９８】
締結部１１３は、積層体３の面圧が所定面圧となるように積層体３を締め付ける。締結部１１３は、単位セル２ａ、２ｂの積層方向であり、積層体３に隣接する箇所に空間１１３ａを有しており、空間１１３ａ内に集電板１１４とエンドプレート１１５が空間１１３ａ内を移動可能に配設される。なお、締結部１１３と積層体３、つまり単位セル２ａ、２ｂとは絶縁されている。
【００９９】
集電板１１４は、導電性の板であり、積層体３と例えばモータなどの外部負荷とを電気的に接続するための部材であり、積層体３の一方の端部に位置する単位セル２ａ、２ｂのアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５と当接し、集電板１１４と外部負荷とを電気的に接続することで、積層体３によって発電した電力を外部へ取り出すことができる。集電板１１４はエンドプレート１１５を介して後述する駆動ネジ１１７と連結しており、駆動部１１６による駆動ネジ１１７の変位量に応じてエンドプレート１１５と一体的に移動する。
【０１００】
なお、締結部１１３は、後述する集電板１１４が移動した場合でも、積層体３の面圧を所定面圧に保持することができる。つまり集電板１１４は、積層体３の面圧を所定面圧に保持した状態で独立して移動可能である。
【０１０１】
駆動部１１６は、締結部１１３の外側に配置され、駆動ネジ１１７を動作させるアクチュエータであり、電力が供給されて作動し、駆動ネジ１１７の変位量を制御する。
【０１０２】
また、この実施形態の燃料電池システムを図１８の概略構成図を用いて説明する。この実施形態の燃料電池システムではコントローラ２００によって駆動部１１６を制御する。その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。
【０１０３】
この実施形態では、駆動部１１６によって駆動ネジ１１７を単位セル２ａ、２ｂの積層方向へ移動させることで、駆動ネジ１１７と連結するエンドプレート１１５、および集電板１１４を単位セル２ａ、２ｂの積層方向へ移動させる。これにより、集電板１１４と、集電板１１４に当接するアノードセパレータ２７、３７、またはカソードセパレータ２５、３５と、の接触面圧を制御する。つまり、集電板１１４と、集電板１１４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５と、の接触抵抗を制御する。
【０１０４】
燃料電池システムの起動時、または停止時には駆動部１１６によって駆動ネジ１１７を介して集電板１１４を移動させて集電板１１４と、集電板１１４と当接する積層体３のアノードセパレータ２５、３５またはカソードセパレータ２７、３７と、の接触面圧を予め設定する接触面圧まで低くし、接触抵抗を大きくする。なお、予め設定する接触面圧は図８、図１０に示すように集電板−セパレータ抵抗比が１以上となるようにすることが望ましい。図８、１０については集電板とセパレータとの抵抗比についてのマップであるが、接触面圧を低くし、接触抵抗を大きくすることで、セパレータからみた場合の集電板の電気的な抵抗が大きくなり、図８、図１０の説明で述べた効果と同様の効果を得ることができる。つまり、接触面圧を低くすることで、集電板１１４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５の平面方向への電子の流れを抑制することで、積層体３においても、単位セル２ａ、２ｂの積層方向への電子の流れを抑制することができる。そのため、単位セル２ａ、２ｂのカソードセパレータ２５、３５のカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。
【０１０５】
また、燃料電池システムの通常の運転時には、駆動部１１６によって集電板１１４と、集電板１１４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５との接触圧力を高くし、接触抵抗を小さくすることで、単位セル２ａ、２ｂの発電効率の低下を抑制することができる。なお、燃料電池システムの通常の運転時の接触圧力は燃料電池システムの起動時、または停止時の接触圧力よりも高い。
【０１０６】
駆動部１１６によって、集電板１１４を移動させるタイミングとしては、燃料電池システムの起動時には、単位セル２ａ、２ｂに水素を供給するよりも前に、駆動部１１６によって集電板１１４を移動させて、集電板１１４と、集電板１１４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５と、の接触面圧を予め設定する接触面圧にする。
【０１０７】
また、燃料電池システムの起動時に、集電板１１４と、集電板１１４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５と、の接触面圧を高くして通常の運転を開始する際には、例えば燃料極が水素によって置換される（例えば燃料極での水素置換率が９０％となる）までの時間を予め測定しておき、水素の供給を開始してから所定時間が経過した場合に、駆動部１１６によって集電板１１４の接触面圧を高くする。
【０１０８】
燃料電池システムの停止時には、燃料電池システムの停止信号を受けると駆動部１１６によって集電板を移動させて、集電板１１４と、集電板１１４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５と、の接触面圧を予め設定する接触面圧にする。
【０１０９】
なお、燃料電池システムを停止した場合には、集電板１１４と、集電板１１４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５と、の接触面圧を予め設定する接触面圧に保持して、燃料電池システムを完全に停止しても良い。
【０１１０】
また、燃料電池システムの起動時、または停止時には駆動部１１６によって集電板１１４を積層体３と物理的に接触させないようにしてもよい。つまり、集電板１１４と積層体３との間に隙間を設けてもよい。これにより、集電板１１４と積層体３との接触抵抗がさらに大きくなり、単位セル２ａ、２ｂの劣化をさらに抑制することができる。
【０１１１】
なお、集電板１１４と、集電板１１４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５と、の間に接触圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）を設置することが望ましい。これによって、燃料電池システムの起動時、または停止時における接触面圧を検出するだけでなく、通常運転時の接触面圧を検出することで、例えば駆動部１１６の異常時など接触面圧が設定される面圧よりも高く、または低くなった場合にも駆動部１１６などの異常を検出することができる。
【０１１２】
なお、この実施形態では、駆動部１１６を電力によって作動させて集電板１１４を移動させたが、これに代えて例えば水素などのガスによる圧力で駆動部１１６を作動させて駆動ネジ１１７を介して集電板１１４を移動させても良い。
【０１１３】
本発明の第４実施形態の効果について説明する。
【０１１４】
この実施形態では、燃料電池システムの起動時、または停止時に、駆動部１１６によって集電板１１４を移動させることで、集電板１１４と、集電板１１４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５と、の接触面圧を燃料電池システムの通常の運転時の接触面圧よりも低くする。これにより、燃料電池システムの起動時、または停止時に集電板１１４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５の平面方向の電子の流れを抑制し、単位セル２ａ、２ｂのカソードセパレータ２５、３５のカーボン担体の腐食反応を抑制することができ、単位セル２ａ、２ｂ、つまり燃料電池スタック１１０の劣化を抑制することができる。
【０１１５】
また、駆動部１１６によって集電板１１４を移動させ、集電板１１４と、集電板１１４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５と、の接触抵抗を大きくすることで、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。したがって、この実施形態では集電板１１４の材料を電気的な抵抗値が小さい材料を使用することができ、燃料電池システムの通常時の集電板１１４における抵抗損失を小さくすることができ、燃料電池スタック１１０の発電効率の低下させずに、燃料電池スタック１１０の劣化を抑制することができる。
【０１１６】
燃料電池システムの起動時に、水素を供給する前に集電板１１４を移動させて、集電板１１４と、集電板１１４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５と、の接触面圧を低くすることで、集電板１１４と、集電板１１４と当接するアノードセパレータ２７、３７またはカソードセパレータ２５、３５と、の接触抵抗を大きくした状態で水素を燃料電池スタック１１０に供給するので、単位セル２ａ、２ｂのカソードセパレータ２５、３５のカーボン担体の腐食反応をより正確に抑制することができ、単位セル２ａ、２ｂの劣化を正確に抑制することができる。
【０１１７】
本発明の第５実施形態の燃料電池スタックの構成を図１９の概略構成図を用いて説明する。図１９は燃料電池スタックの一部の断面を示す断面図である。この実施形態において第４実施形態と同じ構成についての説明は省略する。
【０１１８】
この実施形態の燃料電池スタック１２０は、駆動部１２１を集電板１２２と積層体３との間に配置し、駆動部１２１によって駆動ネジ１２３を移動させてエンドプレート１２４、集電板１２２を単位セル２ａ、２ｂの積層方向へ移動させる。また、エンドプレート１２４と締結部１２５との間にスプリング１２６を備える。
【０１１９】
燃料電池システムの起動時、または停止時には、駆動部１２１を作動させて駆動ネジ１２３を介して集電板１２２と、集電板１２２と当接するアノードセパレータ２７、３７と、カソードセパレータ２５、３５と、の接触面圧を低くする。
【０１２０】
本発明の第５実施形態の効果について説明する。
【０１２１】
この実施形態でも第４実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１２２】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
起動、停止が多い車両に搭載する燃料電池システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池スタックの概略構成図（正面図）である。
【図２】本発明の第１実施形態の燃料電池スタックの概略構成図（側面図）である。
【図３】本発明の第１実施形態の単位セルの概略構成図である。
【図４】本発明の第１実施形態の単位セルの概略構成図である。
【図５】本発明の第１実施形態のアノードセパレータの概略構成図である。
【図６】本発明の第１実施形態のアノードセパレータの概略構成図である。
【図７】本発明の第１実施形態の燃料電池システムを起動した場合の積層体の状態を説明する図である。
【図８】本発明の第１実施形態の集電板とアノードセパレータまたはカソードセパレータとの抵抗比と、劣化率との関係を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態の集電板とアノードセパレータまたはカソードセパレータとの抵抗比と、燃料電池スタックの燃費低下率との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第１実施形態の変更例における集電板とアノードセパレータまたはカソードセパレータとの抵抗比と、劣化率との関係を示す図である。
【図１１】本発明の第１実施形態の変更例における集電板とアノードセパレータまたはカソードセパレータとの抵抗比と、燃料電池スタックの燃費低下率との関係を示す図である。
【図１２】本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図１３】本発明の第２実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図１４】本発明の第３実施形態の燃料電池システムを説明する図である。
【図１５】本発明を用いずに燃料電池システムを起動した場合の積層体の状態を説明する図である。
【図１６】燃料電池システムを起動した場合の燃料電池スタック内を説明する図である。
【図１７】本発明の第４実施形態の燃料電池スタックの概略構成図である。
【図１８】本発明の第４実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図１９】本発明の第５実施形態の燃料電池スタックの概略構成図である。
【符号の説明】
【０１２５】
１、１１０、１２０      燃料電池スタック
２ａ    単位セル（第１の単位セル）
２ｂ    単位セル（第２の単位セル）
３      積層体
４、１１４、１２２      集電板
６ａ    水素導入マニホールド（第１の水素導入マニホールド）
６ｂ    水素導入マニホールド（第２の水素導入マニホールド）
７ａ    水素排出マニホールド（第１の水素排出マニホールド）
７ｂ    水素排出マニホールド（第２の水素排出マニホールド）
８ａ、８ｂ    空気導入マニホールド
９ａ、９ｂ    空気排出マニホールド
４３    外部負荷（電力消費手段）
９０    集電ハーネス（電力取り出し手段）
９１    スイッチ（切替手段）
１１６、１２１  駆動部
１１７、１２３  駆動ネジ
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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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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