(57)【要約】【課題】水素ガスを内部に留めた状態で発電する燃料電池を備える燃料電池装置において、燃料電池内にある程度、オフガスが蓄積しても出力を低下させずに発電を行う。【解決手段】燃料電池装置１は、燃料電池２、水素ガス供給口２１、オフガス排出口２２、一対の集電板４，５、オフガス排出口２２と接続するオフガス排出配管１２、オフガス排出配管１２に内設される弁装置３を備え、弁装置３によりオフガス排出配管１２を閉塞した状態で燃料電池２を発電させる。一対の集電板４，５の内、一方の極側の集電板４は互いに分離され、水素ガス供給口２１の近傍に配置する供給側集電板４Ａと、オフガス排出口２２の近傍に配置する排出側集電板４Ｂとされる。集電板４Ａ，４Ｂは同じ出力端５５に接続する。燃料電池装置１は更に供給側電流調節器７Ａと、排出側電流調節器７Ｂと、一定時間、集電板４Ａからのみ集電するように制御する制御部８とを備える。【選択図】  図１
2008078030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面上に水素ガスが反応するアノード極を有し、他方の面上に酸化ガスが反応するカソード極を有する膜−電極接合体と、この膜−電極接合体のアノード極側に配置し、アノード極の表面に沿ったアノード側ガス流路を形成するアノード側セパレータと、カソード極側に配置し、カソード極の表面に沿ったカソード側ガス流路を形成するカソード側セパレータと、を備える燃料電池セルの複数個を積層し、直列接続した燃料電池と、
前記燃料電池の積層方向に沿って形成される流路であり、かつ、各燃料電池セルのアノード側ガス流路の上流端と接続し、各燃料電池セルに外部から水素ガスを供給する流路である供給側水素ガスマニホールドと、
前記燃料電池の積層方向に沿って形成される流路であり、かつ、各燃料電池セルのアノード側ガス流路の下流端と接続し、各燃料電池セルから排出されるオフガスを外部へ排出する流路である排出側オフガスマニホールドと、
前記燃料電池の一方の端部の燃料電池セルのアノード極側と、他方の端部の燃料電池セルのカソード極側とにおいて対向配置し、前記燃料電池から電気を集め、それぞれ異なる出力端と接続する一対の集電板と、
前記排出側オフガスマニホールドと接続するオフガス排出配管と、
前記オフガス排出配管に内設され、この配管を閉塞し、または、開放する弁装置と、を備え、
前記弁装置により前記オフガス排出配管を閉塞した状態で、前記燃料電池を発電させる燃料電池装置において、
前記一対の集電板の内、一方の極側の集電板を互いに分離して、供給側水素ガスマニホールドの近傍に配置する供給側集電板と、排出側オフガスマニホールドの近傍に配置する排出側集電板とし、かつ、これらの供給側集電板と、排出側集電板とが、それぞれ独立して同じ出力端に接続し、
前記供給側集電板と、出力端との間の電流量を調節するための供給側電流調節器と、
前記排出側集電板と、出力端との間の電流量を調節するための排出側電流調節器と、
供給側電流調節器に対して電流量を増やすための指令を出し、排出側電流調節器に対して電流量を減らすための指令を出して、一定時間、供給側集電板からのみ集電するように制御する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池装置であって、
前記排出側集電板と、出力端との間の電流を検出するための排出側電流検出器を更に備え、
前記制御部は、排出側電流検出器の検出値に基づいて、供給側電流調節器に対して電流量を増やすための指令を出し、排出側電流調節器に対して電流量を減らすための指令を出して、一定時間、供給側集電板からのみ集電するように制御することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置であって、
前記制御部は、一定時間、供給側集電板からのみ集電するように制御すると共に、前記オフガス排出配管内を開放するように前記弁装置を制御することを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素等の燃料ガスを燃料として発電する燃料電池を備える燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスと酸化ガス（酸素）との電気化学反応を用いて発電する燃料電池が知られている。この種の燃料電池は、発電に必要な水素ガス、酸化ガス（通常、空気）を外部より補給しつつ発電する。水素ガスは燃料電池のアノード極に供給され、酸化ガスはカソード極に供給される。発電に用いられなかった水素ガス等は、オフガスとして燃料電池から排出される。この種の燃料電池のアノード極側には、水素ガスの供給口からオフガスの排出口（アノード極側のオフガス排出口）へ向かうガスの流れが形成されている。
【０００３】
ところで、水素ガスの補給は行うものの、オフガスの排出を行わずに発電する燃料電池が知られている。例えば、特許文献１において示されるように、オフガスの排出口を弁装置（排出弁）で閉塞した状態で、発電する燃料電池が知られている。この燃料電池のアノード極側には、上記のようなガスの流れが形成されず、外部から供給された水素ガスが、燃料電池のアノード極側の空間（水素ガス流路）内で滞留する。この燃料電池は、供給された水素ガスを残さず反応に用いることが出来るという利点を有するものの、以下に示す問題点を有する。
【０００４】
この種の燃料電池は、発電時間の経過と共に窒素ガス、水蒸気等の不純物（ガス）がアノード極に次第に滞留してしまう。アノード極側に不純物が滞留すると、アノード極側の水素ガス濃度が低下し、燃料電池の出力が低下してしまう。なお、この不純物は、主に、カソード極側に供給された空気中に含まれる窒素ガス、上記電気化学反応に伴いカソード極で生成した水（水蒸気）等に由来するものである。この不純物が、一旦、カソード極側からアノード極側へ漏洩し、滞留してしまうと、外部へ排出されず、問題となっている。
【０００５】
特許文献１においては、不純物が溜まる度に、一時的に、オフガスの排出口を閉塞していた弁装置（排出弁）を開き、ガスが燃料電池内を供給口から排出口へ向けて流れるようにし、オフガスとして不純物を燃料電池から排出している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３４７２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記オフガス中には、窒素等の不純物以外に、未反応の燃料ガスも含まれている。つまり、不純物の排出の度に、やむを得ず未消費の水素ガスも燃料電池内から排出することになり、燃料電池の燃費が悪くなってしまう。この燃料電池の技術分野では、オフガスの排出回数を極力少なくして、燃費を向上させる技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態に係る燃料電池装置は、電解質膜の一方の面上に水素ガスが反応するアノード極を有し、他方の面上に酸化ガスが反応するカソード極を有する膜−電極接合体と、この膜−電極接合体のアノード極側に配置し、アノード極の表面に沿ったアノード側ガス流路を形成するアノード側セパレータと、カソード極側に配置し、カソード極の表面に沿ったカソード側ガス流路を形成するカソード側セパレータと、を備える燃料電池セルの複数個を積層し、直列接続した燃料電池と、前記燃料電池の積層方向に沿って形成される流路であり、かつ、各燃料電池セルのアノード側ガス流路の上流端と接続し、各燃料電池セルに外部から水素ガスを供給する流路である供給側水素ガスマニホールドと、前記燃料電池の積層方向に沿って形成される流路であり、かつ、各燃料電池セルのアノード側ガス流路の下流端と接続し、各燃料電池セルから排出されるオフガスを外部へ排出する流路である排出側オフガスマニホールドと、前記燃料電池の一方の端部の燃料電池セルのアノード極側と、他方の端部の燃料電池セルのカソード極側とにおいて対向配置し、前記燃料電池から電気を集め、それぞれ異なる出力端と接続する一対の集電板と、前記排出側オフガスマニホールドと接続するオフガス排出配管と、前記オフガス排出配管に内設され、この配管を閉塞し、または、開放する弁装置と、を備え、前記弁装置により前記オフガス排出配管を閉塞した状態で、前記燃料電池を発電させる燃料電池装置において、前記一対の集電板の内、一方の極側の集電板を互いに分離して、供給側水素ガスマニホールドの近傍に配置する供給側集電板と、排出側オフガスマニホールドの近傍に配置する排出側集電板とし、かつ、これらの供給側集電板と、排出側集電板とが、それぞれ独立して同じ出力端に接続し、前記供給側集電板と、出力端との間の電流量を調節するための供給側電流調節器と、前記排出側集電板と、出力端との間の電流量を調節するための排出側電流調節器と、供給側電流調節器に対して電流量を増やすための指令を出し、排出側電流調節器に対して電流量を減らすための指令を出して、一定時間、供給側集電板からのみ集電するように制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記燃料電池装置であって、前記排出側集電板と、出力端との間の電流を検出するための排出側電流検出器を更に備え、前記制御部は、排出側電流検出器の検出値に基づいて、供給側電流調節器に対して電流量を増やすための指令を出し、排出側電流調節器に対して電流量を減らすための指令を出して、一定時間、供給側集電板からのみ集電するように制御することを特徴とする。
【００１０】
上記燃料電池装置であって、前記制御部は、一定時間、供給側集電板からのみ集電するように制御すると共に、前記オフガス排出配管内を開放するように前記弁装置を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池装置によれば、ある程度、燃料電池内に不純物（ガス）が蓄積しても、集電板を切り換えて用いることにより、必要な出力を確保することができる。また、ある程度、燃料電池内に不純物を蓄積した状態で発電することが出来るので、ひいては燃料電池内に蓄積した不純物を排出する回数を少なくすることができる。更に、不純物と共に排出される水素ガス量を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る燃料電池装置１の構成を示す説明図である。燃料電池装置１は、水素ガスを燃料として発電する燃料電池２を備える。この燃料電池２は、内部に水素ガスを供給するための入口である水素ガス供給口２１と、内部のアノード極側のオフガスを排出するためのアノード側オフガス排出口２２とを有する。水素ガス供給口２１には、水素ガス供給配管１１が接続している。この水素ガス供給配管１１は、図示されない水素ガスタンクと接続し、水素ガスタンクと燃料電池２との間を連通する。これに対し、アノード側オフガス排出口２２には、オフガス排出配管１２が接続している。このオフガス排出配管１２の途中には、この配管１２内を流れるガス流量を調節するための弁装置３が設置（内設）されている。本実施形態に係る燃料電池装置１の燃料電池２は、弁装置３によりオフガス排出配管１２内を閉塞した状態で、水素ガスを補いつつ、発電する。なお、この燃料電池装置１は、デッドエンドシステムとも称されるものである。
【００１４】
燃料電池２は、内部に空気（酸化ガス）を供給するための酸化ガス供給口と、内部のカソード極側のオフガスを排出するためのカソード側オフガス排出口を有する。また、酸化ガス供給口と接続し、燃料電池２に空気を供給するための酸化ガス供給配管（図示せず）と、カソード側オフガス排出口と接続し、カソード側のオフガスを排出するためのカソード側オフガス排出配管（図示せず）を備える。
【００１５】
図２は、燃料電池２の構成を示す説明図である。燃料電池２は、複数個の板状の燃料電池セル３０を積層した燃料電池スタックからなる。燃料電池セル３０同士は電気的に直列に接続している。燃料電池２は、積層方向の一方の面側が総マイナス側となり、他方の面側が総プラス側となっている。図２において示される燃料電池２は、紙面の手前側が総プラス側であり、紙面の奥側が総マイナス側となっている。
【００１６】
燃料電池２は、総プラス側の矩形状端面において、長手方向の一方の端部であり、かつ、短手方向の略中央部に、水素ガス供給口２１を備える。また、長手方向の他方の端部であり、かつ、短手方向の略中央部に、アノード側オフガス排出口２２を備える。更に、燃料電池２は、長手方向の一方の端部に、酸化ガス供給口４１と、冷媒供給口５１とを備え、他方の端部に、カソード側オフガス排出口４２と、冷媒排出口５２とを備える。
【００１７】
燃料電池２は、一方が総プラス側の端面上に配置し、他方が総マイナス側の端面上に配置する一対の集電板４，５を備える。総プラス側の端面上に配置する集電板４は、一方の端部の燃料電池セル３０のアノード極（アノード側セパレータ）と電気的に接続しており、総プラス側の端面上に配置する集電板５は、他方の端部の燃料電池セル３０のカソード極（カソード側セパレータ）と電気的に接続している。総プラス側の端面には、互いに分離した２枚の集電板４Ａおよび集電板４Ｂが備えられ、総マイナス側の端面には、１枚の集電板５が備えられる。これらの集電板４Ａ，４Ｂおよび５により、燃料電池２から電気が集められ、取り出される。
【００１８】
集電板４Ａと、集電板４Ｂとの間には、隙間４４が有り、互いに導通しないようにされている。この隙間４４には、樹脂等の絶縁材料が充填されることが好ましい。集電板４Ａ（以下、供給側集電板４Ａ）は、燃料電池２の総プラス側の端面上において、水素ガス供給口２１側（近傍）に配置している。これに対し、集電板４Ｂ（以下、排出側集電板４Ｂ）は、総プラス側の端面上において、アノード側オフガス排出口２２側（近傍）に配置している。供給側集電板４Ａおよび排出側集電板４Ｂの間の隙間４４は、水素ガス供給口２１とアノード側オフガス排出口２２との間を横切るように、形成されている。本実施形態において、供給側集電板４Ａの燃料電池２との接触面積Ｓ１は、排出側集電板４Ｂの燃料電池２との接触面積Ｓ２よりも大きい。本実施形態においては、供給側集電板４Ａおよび排出側集電板４Ｂの内、供給側集電板４Ａのみ利用して集電する場合があり、目標出力を確保し易くするため、供給側集電板４Ａを大きく設定している。なお、各集電板４Ａ，４Ｂおよび５は、アルミニウム、ステンレス、チタン等の公知の金属材料からなる。
【００１９】
供給側集電板４Ａおよび排出側集電板４Ｂと、集電板５とは、燃料電池２を挟んだ状態で、対向配置している。総プラス側の供給側集電板４Ａと、排出側集電板４Ｂとは、それぞれ独立して同じ出力端５５に接続している。これに対し、集電板５は、出力端５６に接続している。本実施形態において、供給側集電板４Ａと出力端５５とは導線１４Ａによって接続され、排出側集電板４Ｂと出力端５５とは、導線１４Ｂによって接続されている。導線１４Ａと導線１４Ｂは途中で接続し一本の導線１６となっている。集電板５と出力端５６とは導線１５によって接続される。各導線１４Ａ，１４Ｂ，１５および１６には、例えば、パワーケーブルが用いられる。
【００２０】
図１および図２において示されるように、燃料電池装置１は、導線１４Ａの途中に、導線１４Ａを流れる電流を検出するための供給側電流検出器６Ａと、導線１４Ａを流れる電流量を調節するための供給側電流調節器７Ａとを備え、導線１４Ｂの途中に、導線１４Ｂを流れる電流を検出するための排出側電流検出器６Ｂと、導線１４Ｂを流れる電流量を調節するための排出側電流調節器７Ｂを備える。電流検出器６Ａ，６Ｂとしては、例えば、公知の電流計を用いることが出来る。電流調節器７Ａ，７Ｂは、電流量を調節するための公知の調節器（例えば、チョッパ回路）からなる。燃料電池装置１は、更に、電流調節器７Ａ，７Ｂ，弁装置３等の制御を行う制御部８を備える。
【００２１】
供給側電流検出器６Ａの検出結果は、信号線９Ａを介して制御部８へ送られ、排出側電流検出器６Ｂの検出結果は、信号線９Ｂを介して制御部へ送られる。供給側電流調節器７Ａは、制御部８からの指令を受けて、集電板４Ａと、集電板５との間を流れる電流量を調節する。排出側電流調節器７Ｂは、制御部８からの指令を受けて、集電板４Ｂと、集電板５との間を流れる電流量を調節する。
【００２２】
弁装置３は、電磁弁等の公知の弁装置からなる。弁装置３は、制御部８の指令に基づいて作動し、開度を調節して、開弁または閉弁する。この弁装置３が閉弁すると、オフガス排出配管１２内が閉塞され、アノード極側のオフガスが燃料電池２内に溜まった状態となる。これに対し、弁装置３が開弁すると、オフガス排出配管１２内が開放され、燃料電池２内からオフガスがオフガス排出配管１２を通して排出される。
【００２３】
制御部８は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等を備える。制御部８は、信号線９Ａ，９Ｂを介して、電流検出器６Ａ，６Ｂと接続しており、それぞれの検出結果を監視している。また、制御部８は、信号線１０を介して弁装置３に対して指令を出す。更に、制御部８は、信号線１７Ａを介して供給側電流調節器７Ａに対して指令を出し、信号線１７Ｂを介して排出側電流調節器７Ｂに対して指令を出す。他に、制御部８は、燃料電池２への水素ガス供給量、酸化ガス（空気）供給量、冷媒の供給量等の調節を行う。
【００２４】
図３は、燃料電池セル３０の構成を示す部分断面図である。この燃料電池セル３０は、図２の燃料電池セル３０の短手方向の断面の一部を示すものである。ここで、図３に基づいて燃料電池セル３０の説明を行う。
【００２５】
燃料電池セル３０は、膜−電極接合体３１と、この膜−電極接合体３１の両面に配置する一対のセパレータ３５とを有する。燃料電池セル３０は、膜−電極接合体３１において水素と、酸素との電気化学反応を起こし、発電する。
【００２６】
膜−電極接合体３１は、膜−電極アッセンブリ（Membrane-Electrode Assembly、ＭＥＡ）とも称されるものであり、イオン伝導性の電解質膜２９と、この両面に形成される一対の電極３２からなる。電解質膜２９は、例えば、側鎖にスルホン酸基等の電解質基を有するフッ素系高分子材料からなる。電極３２は、一方が水素ガスが反応するアノード極３２Ａからなり、他方が酸化ガス（酸素ガス）が反応するカソード極３２Ｂからなる。
【００２７】
アノード極３２Ａは、電解質膜２９上に配置するアノード側触媒層３３Ａと、この触媒層３３Ａ上に配置するアノード側拡散層３４Ａとからなる。これに対し、カソード極３２Ｂは、電解質膜２９上に配置するカソード側触媒層３３Ｂと、この触媒層３３Ｂ上に配置するカソード側拡散層３４Ｂとからなる。触媒層３３Ａ，３３Ｂは、白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム等の貴金属触媒を、カーボンで担持した触媒担持カーボンと、この触媒担持カーボンを電解質膜２９へ接着等するイオン伝導性樹脂からなる。拡散層３４Ａ，３４Ｂは、導電性多孔質材料からなり、導電性、ガス透過性および水透過性を備える。
【００２８】
一対のセパレータ３５は、一方がアノード極３２Ａ上に配置するアノード側セパレータ３５Ａであり、他方がカソード極３２Ｂ上に配置するカソード側セパレータ３５Ｂである。セパレータ３５は、アルミニウム、チタン、ステンレス等の金属材料やカーボンからなり、導電性を有する。セパレータ３５は、隣接する燃料電池セル３０同士を隔てる機能を有すると共に、膜−電極接合体３１で生じた電気を集電する機能を有する。アノード側セパレータ３５Ａは、アノード極３２Ａと面する側に、アノード極３２Ａへ水素ガスを供給するための水素ガス流路３６Ａを有し、背面側に、冷媒を通すための冷媒流路３７Ａを有する。カソード側セパレータ３５Ｂは、カソード極３２Ｂと面する側に、カソード極３２Ｂへ酸化ガスを供給するための酸化ガス流路３６Ｂを有し、背面に、冷媒を通すための冷媒流路３７Ｂを有する。これらの流路３６Ａ，３６Ｂ，３７Ａおよび３７Ｂは、図２において示される燃料電池セル３０の長手方向に沿って形成されるものである。
【００２９】
図４は、燃料電池２の平面図である。この図４を用いて、燃料電池２内の水素ガスの流れを説明する。水素ガス供給口２１から供給された水素ガスは、各燃料電池セル３０の端部を貫通する供給側水素ガスマニホールド２３内へ入る。このマニホールド２３を通過する際に、各燃料電池セル３０に水素ガスが分配される。各燃料電池セル３０内に分配された水素ガスは、図３において示されるアノード側セパレータ３５Ａの水素ガス流路３６Ａ内に入り、膜−電極接合体３１のアノード極３２Ａの表面に沿った流れを形成する。本実施形態において、水素ガス流路３６Ａは、燃料電池セル３０の長手方向に対して略平行な流路であるため、各燃料電池セル３０に分配された水素ガスは、水素ガス供給口２１が配置する一方の端部側から、オフガス排出口２２が配置する他方の端部側へ向けて流れる。水素ガスは、このように表面に沿って流れる間、アノード極３２Ａ内部に入り、拡散し、消費される。消費されなかった水素ガス等のオフガスは、そのまま表面に沿って流れ、各燃料電池セル３０の端部を貫通する排出側オフガスマニホールド２４内へ入る。この排出側オフガスマニホールド２４の端部は、燃料電池２の端面のオフガス排出口２２となっており、排出側オフガスマニホールド２４は、オフガス排出配管１２と接続している。オフガス排出配管１２の途中に備えられている弁装置３が閉弁し、配管１２内を閉塞している場合、オフガスは、オフガス排出口２２から燃料電池２の外部へ排出されず、内部に留まる。これに対し、弁装置３が開弁し、配管１２内を開放している場合、オフガスは、オフガス排出口２２から燃料電池２の外部へ排出される。
【００３０】
ここで、図１〜図４を用いて、燃料電池装置１の動作を説明する。本実施形態の燃料電池装置１は、オフガス排出配管１２を弁装置３によって閉塞した状態で燃料電池２を発電させるものである。発電時の燃料電池２には、水素ガスと、空気（酸化ガス）が供給される。水素ガスは、水素ガス供給配管１１を経由させ、水素ガス供給口２１から供給される。空気は、酸化ガス供給口から供給される。燃料電池２へ供給される水素ガス量、空気（酸化ガス）量は、制御部８によって制御される。なお、本実施形態では、燃料電池２に充分量の水素ガスが供給される。本実施形態の燃料電池２は、水素ガスが潤沢に存在する状態（水素リッチの状態）で発電するものである。
【００３１】
燃料電池２へ供給された水素ガスは、供給側水素ガスマニホールド２３を通り、各燃料電池セル３０へ分配される。その後、水素ガスは、各燃料電池セル３０において、アノード側セパレータ３５Ａの水素ガス流路３６Ａに入り、膜−電極接合体３１のアノード極３２Ａに供給され、アノード極３２Ａで反応し、消費される。なおオフガス排出配管１２は、弁装置３によって閉塞されているため、アノード側オフガス排出口２２から燃料電池２の外部へオフガスは排出されない。これに対し、燃料電池２へ供給された空気は、供給側酸化ガスマニホールド（図示せず）を通り、各燃料電池セル３０へ分配される。その後、空気中の酸化ガス（酸素）は、各燃料電池セル３０において、カソード側セパレータ３５Ｂの酸化ガス流路３６Ｂに入り、膜−電極接合体３１のカソード極３２Ｂに供給され、カソード極３２Ｂで反応し、消費される。このように、各燃料電池セル３０のアノード極３２Ａで水素ガスが反応し、カソード極３２Ｂで酸化ガスが反応することにより、電気が発生する。なお、発電の際、カソード極３２Ｂにおいて水が生成する。未消費の酸化ガス、空気に含まれる窒素ガス、カソード極３２Ｂで生成した水（水蒸気）等のカソード側のオフガスは、カソード側オフガス排出口４２から燃料電池２の外部へ排出される。
【００３２】
通常発電時、燃料電池２の出力は、集電板４（４Ａ，４Ｂ）および集電板５によって取り出す。図５は、集電板４と集電板５との間における電圧Ｖと電流密度Ａとの関係を示したグラフである。通常発電時、集電板４Ａと集電板５との間の電圧Ｖ１と電流密度Ａ１との関係は、曲線Ｐ（実線）で示される。集電板４Ｂと集電板５との間の電圧Ｖ２と電流密度Ａ２との関係も、曲線Ｐ（実線）によって示される。
【００３３】
ところで、カソード極３２Ｂ側のガスとアノード極３２Ａ側のガスの分圧差によって、膜−電極接合体３１（電解質膜２９）を介してカソード極３２Ｂ側のガスがアノード極３２Ａ側へ透過することが知られている。カソード極３２Ｂ側のガスには、窒素ガス、水蒸気等が多く含まれており、これらのガスがアノード極３２Ａ側へ入り込むと、水素ガス流路３６Ａ内の水素ガスと混ざり合うことになる。一端、アノード極３２Ａ側へ入り込んでしまうと、外部へ出て行くことが出来ないため、窒素ガス等の不純物（ガス）Ｇは、各燃料電池セル３０の水素ガス流路３６Ａ内、排出側オフガスマニホールド２４内に蓄積してしまう（図４参照）。本実施形態では、特に、閉塞されたアノード側オフガス排出口２２に近い水素ガス流路３６Ａの下流側、排出側オフガスマニホールド２４内に不純物が溜まり易い。
【００３４】
燃料電池２内に不純物が溜まると、水素ガス濃度が低下するため、燃料電池セル３０の出力が低下する。図４において示されるように、燃料電池２のアノード側オフガス排出口２２の近くに、不純物が蓄積すると、この個所の燃料電池２（燃料電池セル３０）の出力が低下する。この場合、集電板４Ｂと集電板５との間の電圧Ｖ２と電流密度Ａ２との関係は、曲線Ｑ（破線）で示され、通常発電時よりも低下する（図５参照）。なお、アノード側オフガス排出口２２の近くに不純物が蓄積しているものの、水素ガス供給口２１の近くには、蓄積していない場合、集電板４Ａと集電板５との間の電圧Ｖ１と電流密度Ａ１との関係は、不純物が燃料電池２内に蓄積していない通常発電時と同様、曲線Ｐ（実線）によって示される。つまり、水素ガス供給口２１の近くに、不純物が蓄積していなければ、集電板４Ａと集電板５との間の出力は、原則、変化しない。
【００３５】
本実施形態の燃料電池装置１は、不純物（ガス）が、燃料電池２内にある程度、蓄積した場合、集電板４Ａと集電板４Ｂの内、集電板４Ａのみを利用し、集電板４Ａと集電板５とによって燃料電池２から電気を取り出すものである。集電板４Ａおよび集電板４Ｂの双方を利用する状態から、集電板４Ａのみ利用する状態への切り換えは、制御部８の指令に基づいて行われる。切り換えの際、制御部８は、供給側電流調節器７Ａおよび排出側電流調節器７Ｂに対して、電流量を調節するための指令を出す。
【００３６】
燃料電池装置１において、集電板４Ａのみ利用して電気を取り出す際、燃料電池２内に蓄積した不純物（ガス）を排出する。この際、制御部８が弁装置３に対して開弁するように指令を出し、オフガス排出配管１２内が開放される。オフガス排出配管１２内が開放されると、燃料電池２内から不純物がオフガスとして排出される。不純物を排出した後、集電板４Ａのみ利用して電気を取り出す状態から、再び、集電板４Ａおよび集電板４Ｂの双方を利用して電気を取り出す状態に戻される。
【００３７】
以下、図６〜図８に示されるフローチャートに基づいて、燃料電池装置１の動作を説明する。図６は、燃料電池装置１の動作の手順（動作手順１）を示すフローチャートである。燃料電池２は、発電開始時、集電板４Ａおよび集電板４Ｂの双方を利用して集電する。所定時間Ｔ１を経過した後（ステップ６０）、集電板４Ａのみを利用して集電するために、制御部８は、供給側電流調節器７Ａおよび排出側電流調節器７Ｂに対して、それぞれ導線１４Ａを流れる電流Ｉ１、導線１４Ｂを流れる電流Ｉ２を調節するための指令を出す。所定時間Ｔ１は、例えば、予め定められた時間であって、燃料電池２内の不純物が、許容量を超えて蓄積される時間に基づいて定められる。
【００３８】
供給側電流調節器７Ａは、制御部８からの指令に基づき、導線１４Ａを流れる電流Ｉ１を徐々に増やし、排出側電流調節器７Ｂは、制御部８からの指令に基づき、導線１４Ｂを流れる電流Ｉ２を徐々に減らす。最終的に、導線１４Ａにのみ電流Ｉ１が流れ、集電板４Ａからのみ集電するようにする（ステップ６２）。
【００３９】
集電板４Ａからのみ集電を行う際、制御部８は、弁装置３に対して、開弁するように指令を出し、燃料電池２内に蓄積した不純物（オフガス）の排出を行う（ステップ６４）。
【００４０】
燃料電池２内から不純物を排出し終えた後、制御部８は、それぞれ導線１４Ａを流れる電流Ｉ１、導線１４Ｂを流れる電流Ｉ２を調節するための指令を出す。供給側電流調節器７Ａは、制御部８からの指令に基づき、導線１４Ａを流れる電流Ｉ１を徐々に減らし、排出側電流調節器７Ｂは、制御部８からの指令に基づき、導線１４Ｂを流れる電流Ｉ２を徐々に増やして、集電板４Ａおよび集電板４Ｂの双方から集電する状態に戻す（ステップ６６）。なお、不純物を排出し終えた後、制御部８は、弁装置３に対して、閉弁するように指令を出し、オフガス排出配管１２を閉塞する。弁装置３は、開弁後、所定時間Ｔ２を経過した後、閉弁するように制御してもよい。この際、所定時間Ｔ２は、例えば、予め定められた時間であって、燃料電池２内に蓄積した不純物を排出するのに必要な時間に基づいて定めることができる。
【００４１】
図７は、燃料電池装置１の他の動作の手順（動作手順２）を示すフローチャートである。この動作の手順の場合も同様、燃料電池２は、発電開始時（通常時）、集電板４Ａおよび集電板４Ｂの双方を利用して集電する。
【００４２】
発電時、供給側電流検出器６Ａは、集電板４Ａと出力端５５との間を流れる電流Ｉ１を検出し、排出側電流検出器６Ｂは、集電板４Ｂと出力端５５との間を流れる電流Ｉ２を検出する（ステップ７０）。それぞれの検出結果は、制御部８に送られる。
【００４３】
発電時、制御部８は、電流Ｉ１（電流密度Ａ１＝Ｉ１／Ｓ１）、電流Ｉ２（電流密度Ａ２＝Ｉ２／Ｓ２）の変化を監視している。燃料電池２内に不純物が蓄積していない場合は、それぞれの電流（電流密度）は、略等しい状態にある。燃料電池２のオフガス排出口２２側に不純物が蓄積してきた場合、電流密度Ａ２は、電流密度Ａ１よりも小さくなる。そこで、制御部８が、Ａ１＞Ａ２と判断した場合、燃料電池２内に不純物が蓄積しているものとして、集電板４Ａからのみ集電するように制御する。Ａ１≦Ａ２の場合は、そのまま集電板４Ａおよび集電板４Ｂの双方を利用して集電する（ステップ７１）。ステップ７２の集電板４Ａからのみ集電する手順は、上記ステップ６２と同様であり、ステップ７４のオフガス排出の手順は、上記ステップ６４と同様であり、ステップ７６において再び集電板４Ａおよび集電板４Ｂの双方から集電する手順は、上記ステップ６６と同様である。
【００４４】
図８は、更に、燃料電池装置１の他の動作の手順（動作手順３）を示すフローチャートである。この動作の手順の場合も同様、燃料電池２は、発電開始時（通常時）、集電板４Ａおよび集電板４Ｂの双方を利用して集電する。ステップ８０において、排出側電流検出器６Ｂは、集電板４Ｂと出力端５５との間を流れる電流Ｉ２を検出する。検出結果は制御部８に送られる。燃料電池２内に不純物が蓄積した場合、電流Ｉ２（電流密度Ａ２）が変化（減少）する。そのため、制御部８が、少なくとも電流Ｉ２（電流密度Ａ２）の変化を監視すれば、燃料電池２内に不純物が蓄積したか否かを判断することができる。
【００４５】
ステップ８１において、制御部８は、電流密度Ａ２が閾値αを下回るか否かを判断する。この閾値αは、例えば、燃料電池２内の不純物が許容量を超えた際の集電板４Ｂにおける電流密度に基づいて定めることができる。電流密度Ａ２が閾値αを下回った場合、集電板４Ａからのみ集電するために、ステップ８２へ移行する。電流密度Ａ２が閾値α以上である場合には、そのまま発電を継続する。ステップ８２の集電板４Ａからのみ集電する手順は、上記ステップ６２と同様であり、ステップ８４のオフガス排出の手順は、上記ステップ６４と同様であり、ステップ８６において再び集電板４Ａおよび集電板４Ｂの双方から集電する手順は、上記ステップ６６と同様である。
【００４６】
以下、他の実施形態について説明する。上記実施形態においては、集電板４を２つに分離したが、他の実施形態においては、３つ以上に分割してもよい。また上記実施形態においては、総プラス側の集電板４を分割したが、他の実施形態においては、総マイナス側の集電板５を分割する構成としてもよい。
【００４７】
他の実施形態において、燃料電池２内に不純物が蓄積したか否かを判断する手段として、公知のガスセンサを用いてもよい。この公知のガスセンサの検出結果に基づいて、制御部８が集電板４Ａ、集電板４Ｂの切り換えを行ってもよい。
【００４８】
上記実施形態においては、集電板４Ａの大きさ（接触面積Ｓ１）を、集電板４Ｂの大きさ（接触面積Ｓ２）よりも大きく設定しているが、他の実施形態においては、集電板４Ｂを集電板４Ａよりも大きく設定してもよい。このように設定した場合、集電板４Ａと集電板５との間で、目標出力を確保することができれば、燃料電池２内に蓄積する不純物（ガス）の許容量を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】燃料電池装置の構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池の構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池セルの構成を示す部分断面図である。
【図４】燃料電池の平面図である。
【図５】電圧と電流密度との関係を示すグラフである。
【図６】燃料電池装置の動作の手順（動作手順１）を示すフローチャートである。
【図７】燃料電池装置の他の動作の手順（動作手順２）を示すフローチャートである。
【図８】燃料電池装置の他の動作の手順（動作手順３）を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
１  燃料電池装置、２  燃料電池、３  弁装置、４  集電板、４Ａ  供給側集電板、４Ｂ  排出側集電板、５  集電板、６Ａ  供給側電流検出器、６Ｂ  排出側電流検出器、７Ａ  供給側電流調節器、７Ｂ  排出側電流調節器、８  制御部  ９Ａ，９Ｂ，１０  信号線、１１  水素ガス供給配管、１２  オフガス排出配管、１４Ａ，１４Ｂ，１５，１６  導線、１７Ａ，１７Ｂ  信号線、２１  水素ガス供給口、２２  アノード側オフガス排出口、２３  供給側水素ガスマニホールド、２４  排出側オフガスマニホールド、２９  電解質膜、３０  燃料電池セル、３１  膜−電極接合体、３２  電極、３２Ａ  アノード極、３２Ｂ  カソード極、３３Ａ  アノード側触媒層、３３Ｂ  カソード側触媒層、３４Ａ  アノード側拡散層、３４Ｂ  カソード側拡散層、３５  セパレータ、３５Ａ  アノード側セパレータ、３５Ｂ  カソード側セパレータ、３６Ａ  水素ガス流路、３６Ｂ  酸化ガス流路、３７Ａ  冷媒流路、３７Ｂ  冷媒流路、４１  酸化ガス供給口、４２  カソード側オフガス排出口、４４  隙間、５１  冷媒供給口、５２  冷媒排出口、５５  出力端、５６  出力端。
【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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