(57)【要約】【課題】燃料電池の暖機運転時に、電解質膜の過熱を抑制しつつ、燃料電池の温度を速やかに上昇させる。【解決手段】燃料電池スタックにおいて、スタック構造の積層方向の両端部に配置される端セル４０ｅは、カソード側ガス拡散層４２の表面に、水素酸化触媒を備える水素酸化触媒層４２ｃが形成されている。この燃料電池スタックを備える燃料電池システムの暖機運転時には、燃料電池スタックのカソード側に、空気とともに、燃料（水素ガス）もしくはアノードオフガスを供給し、アノードオフガスに含まれる水素を水素酸化触媒層４２ｃで酸化させる。そして、水素の酸化によって発生した熱によって、端セル４０ｅの温度を速やかに上昇させる。なお、水素酸化触媒層４２ｃで発生した熱は、カソード側拡散層４２およびカソード側触媒層４２０を介して間接的に電解質膜４１０に伝導するため、電解質膜４１０の過熱による劣化は抑制される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記カソードと前記セパレータとの間に、前記カソードに酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流路を備え、
該カソード側ガス流路は、水素の酸化を促進する水素酸化触媒を備える、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記カソードの表面には、前記カソード側ガス流路の少なくとも一部として、前記カソードに前記酸化剤ガスを拡散させつつ供給するためのカソード側ガス拡散層が設けられており、
前記水素酸化触媒は、前記カソード側ガス拡散層に備えられている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記水素酸化触媒は、前記カソード側ガス拡散層の表面に備えられている、
燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記セパレータの一部は、前記カソード側ガス拡散層と当接しており、
前記水素酸化触媒は、前記カソード側ガス拡散層の表面において、前記セパレータの一部と当接していない領域に備えられている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記カソード側ガス拡散層において、前記水素酸化触媒は、前記カソード側ガス拡散層の表面に沿ったガスの流れ方向の上流側ほど触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるように備えられている、
燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池であって、
前記カソード側ガス拡散層における前記水素酸化触媒の量は、前記カソード側ガス拡散層の表面に沿ったガスの流れ方向の上流側ほど少なく、下流側ほど多い、
燃料電池。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載の燃料電池であって、
前記水素酸化触媒は、前記カソード側ガス拡散層の表面において、該カソード側ガス拡散層の表面に沿ったガスの流れ方向に対してほぼ垂直に配置された複数のストライプ状の領域にそれぞれ備えられており、
前記複数のストライプ状の領域は、前記ガスの流れ方向の上流側ほど疎となり、下流側ほど密となるように配置されている、
燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記カソードの表面には、前記カソードに前記酸化剤ガスを拡散させつつ供給するためのカソード側ガス拡散層が設けられており、
前記水素酸化触媒は、前記カソードと対向して配置されるセパレータの少なくとも前記カソード側ガス流路を構成するガス流路構成部に備えられている、
燃料電池。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池であって、
前記水素酸化触媒は、前記カソードと対向して配置されるセパレータの前記カソードと対向する側の表面に備えられている、
燃料電池。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池であって、
前記カソードと対向して配置されるセパレータの一部は、前記カソード側ガス拡散層と当接しており、
前記水素酸化触媒は、前記カソードと対向して配置されるセパレータの前記カソードと対向する側の表面において、前記カソード側ガス拡散層と当接していない領域に備えられている、
燃料電池。
【請求項１１】
請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記ガス流路構成部において、前記水素酸化触媒は、前記ガス流路構成部の表面に沿ったガスの流れ方向の上流側ほど触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるように備えられている、
燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池であって、
前記ガス流路構成部における前記水素酸化触媒の量は、前記ガス流路構成部の表面に沿ったガスの流れ方向の上流側ほど少なく、下流側ほど多い、
燃料電池。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２記載の燃料電池であって、
前記水素酸化触媒は、前記ガス流路構成部において、該ガス流路構成部の表面に沿ったガスの流れ方向に対してほぼ垂直に配置された複数のストライプ状の領域にそれぞれ備えられており、
前記複数のストライプ状の領域は、前記ガスの流れ方向の上流側ほど疎となり、下流側ほど密となるように配置されている、
燃料電池。
【請求項１４】
電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持したセルを複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記スタック構造の積層方向の少なくとも一方の端部に配置される前記セルは、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の燃料電池である、
燃料電池。
【請求項１５】
燃料電池システムであって、
請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の燃料電池と、
該燃料電池の前記カソード側ガス流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給配管と、
水素を含む水素含有ガスを前記カソード側ガス流路に供給するための水素含有ガス供給配管と、
を備える燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１５記載の燃料電池システムであって、
前記水素含有ガスは、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスである、
燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１５または請求項１６記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記水素含有ガスを前記カソード側ガス流路に供給するか否かを切り換える切換部と、
該切換部を制御する切換制御部と、を備え、
前記切換制御部は、前記燃料電池の暖機運転時に、前記水素含有ガスを前記カソード側ガス流路に供給するように、前記切換部を制御する、
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、および、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、所定の温度範囲内で効率よく発電が行われるため、燃料電池を備える燃料電池システムの起動時には、燃料電池の暖機運転が行われる。そして、特に、低温起動時において、燃料電池の暖機運転を行う暖機時間を短縮し、燃料電池システムを速やかに起動することが要請されている。
【０００３】
従来、燃料電池システムに関して、燃料電池の暖機時間を短縮するための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１に記載された技術では、燃料電池の暖機運転時に、アノードから排出された燃料オフガスを酸化剤ガスと混合してカソードに供給し、燃料オフガスに含まれる燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）とを、カソードに担持された触媒を介して反応させ、このときの発熱によってカソードを直接的に加熱し、燃料電池の温度を迅速に上昇させている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０３２６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、カソードで水素と酸素とを反応させているので、この反応によって発生した熱が、カソードが接合されている電解質膜に直接的に伝導し、電解質膜が過熱によって劣化する場合があった。
【０００６】
また、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスには、発電で未消費の水素が含まれており、この水素は、一般に、希釈器や、燃焼器によって処理されている。そして、燃料電池システムに、希釈器や、燃焼器を設置することは、燃料電池システムの大型化を招いていた。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の暖機運転時に、電解質膜の過熱を抑制しつつ、燃料電池の温度を速やかに上昇させることを目的とする。また、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水素を、希釈器や燃焼器等を用いずに処理することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池は、
電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記カソードと前記セパレータとの間に、前記カソードに酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流路を備え、
該カソード側ガス流路は、水素の酸化を促進する水素酸化触媒を備えることを要旨とする。
【０００９】
水素酸化触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）等が挙げられる。
【００１０】
本発明では、カソード側ガス流路が水素酸化触媒を備えているので、燃料電池の暖機運転時に、カソード側ガス流路に、燃料ガス（水素）を含むガスと、酸化剤ガス（酸素）とを供給すると、供給された水素は、カソード側ガス流路で酸化される。そして、カソード側ガス流路と電解質膜との間には、カソードが存在するため、水素の酸化によって発生した熱は、カソードを介して間接的に電解質膜に伝導する。したがって、本発明によって、電解質膜の過熱を抑制しつつ、燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる。また、水素の酸化による発熱によって、燃料電池の氷点下での低温起動時に、水素と酸素との電気化学反応によって、カソードで生成された水（生成水）が凍結することを抑制することもできる。
【００１１】
また、本発明では、カソード側ガス流路が水素酸化触媒を備えているので、アノードから排出されるアノードオフガスを、酸化剤ガスとともにカソード側ガス流路に供給することによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を、カソード側ガス流路に備えられた水素酸化触媒によって酸化させ、処理することができる。したがって、本発明の燃料電池を燃料電池システムに適用することによって、燃料電池システムに、水素を処理するための希釈器や燃焼器を備える必要はなく、燃料電池システムを小型化することができる。なお、一般に、燃料電池に用いられるセパレータの内部には、燃料電池を冷却するための冷却水を流す冷却水流路が形成されているので、カソード側ガス流路で水素を酸化させた場合であっても、そのときの発熱はセパレータに伝導し、冷却水によって速やかに冷却することができる。したがって、燃料電池の過昇温は防止することができる。
【００１２】
上記燃料電池において、
前記カソードの表面には、前記カソード側ガス流路の少なくとも一部として、前記カソードに前記酸化剤ガスを拡散させつつ供給するためのカソード側ガス拡散層が設けられており、
前記水素酸化触媒は、前記カソード側ガス拡散層に備えられているようにしてもよい。
【００１３】
こうすることによって、カソード側ガス流路に、燃料ガス（水素）を含むガスと、酸化剤ガス（酸素）とを供給したときに、カソード側ガス拡散層で、水素を酸化させることができる。
【００１４】
なお、上記燃料電池において、
前記カソード側ガス拡散層の少なくとも一部は、前記水素酸化触媒を含む金属材料からなるものとしてもよい。
【００１５】
こうすることによって、水素酸化触媒を備えるカソード側ガス拡散層を一体成形することができる。
【００１６】
また、上述した水素酸化触媒がカソード側ガス拡散層に備えられているいずれかの燃料電池において、
前記水素酸化触媒は、前記カソード側ガス拡散層の表面に備えられているようにしてもよい。
【００１７】
こうすることによって、カソード側ガス流路に、燃料ガス（水素）を含むガスと、酸化剤ガス（酸素）とを供給したときに、カソード側ガス拡散層の表面で、水素を酸化させることができる。
【００１８】
例えば、セパレータの表面に、燃料ガスや、酸化剤ガスを流すためのガス流路を形成する溝が設けられている場合には、この溝以外の部分が、カソード側ガス拡散層と当接する。そして、セパレータ、および、カソード側ガス拡散層は、導電性部材からなり、また、燃料電池の内部抵抗、すなわち、セパレータとカソード側ガス拡散層との接触抵抗の増大を抑制するため、セパレータとカソード側ガス拡散層との接触性が高いことが要求される。そこで、
上記燃料電池において、
前記セパレータの一部が、前記カソード側ガス拡散層と当接する場合、
前記水素酸化触媒は、前記カソード側ガス拡散層の表面において、前記セパレータの一部と当接していない領域に備えられているようにしてもよい。
【００１９】
こうすることによって、カソード側ガス拡散層とセパレータとの接触性の低下を抑制することができる。
【００２０】
また、カソード側ガス拡散層の表面において、セパレータとカソード側ガス拡散層とが当接している領域には、供給されたガスが効率よく流れないため、この領域に水素酸化触媒を備えるようにしても、水素を効率よく酸化させることができない。また、水素酸化触媒は、一般に、比較的高価なため、その使用量を少なくすることが望ましい。本発明では、カソード側ガス拡散層の表面において、セパレータの一部と当接し、供給されたガスが効率よく流れない領域には、水素酸化触媒を備えないので、水素酸化触媒の使用量を少なくすることができる。
【００２１】
上述した水素酸化触媒がカソード側ガス拡散層に備えられているいずれかの燃料電池において、
前記カソード側ガス拡散層において、前記水素酸化触媒は、前記カソード側ガス拡散層の表面に沿ったガスの流れ方向の上流側ほど触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるように備えられているようにすることが好ましい。
【００２２】
本発明の燃料電池において、カソード側ガス流路に、燃料ガス（水素）を含むガスと、酸化剤ガス（酸素）とを供給すると、まず、カソード側ガス流路における上流側で水素が酸化されるので、下流側ほど水素の濃度が低下する。本発明では、カソード側ガス拡散層において、水素酸化触媒が、ガスの流れの上流側ほど触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるように備えられているので、カソード側ガス流路における水素と酸素との反応の分布を均一化することができる。この結果、膜電極接合体の温度の面内分布を均一化することができる。
【００２３】
上記燃料電池において、例えば、
前記カソード側ガス拡散層における前記水素酸化触媒の量は、前記カソード側ガス拡散層の表面に沿ったガスの流れ方向の上流側ほど少なく、下流側ほど多いようにしてもよい。
【００２４】
また、前記水素酸化触媒は、前記カソード側ガス拡散層の表面において、該カソード側ガス拡散層の表面に沿ったガスの流れ方向に対してほぼ垂直に配置された複数のストライプ状の領域にそれぞれ備えられており、
前記複数のストライプ状の領域は、前記ガスの流れ方向の上流側ほど疎となり、下流側ほど密となるように配置されているようにしてもよい。
【００２５】
これらの手法によって、カソード側ガス拡散層において、カソード側ガス拡散層の表面に沿ったガスの流れ方向の上流側ほど水素酸化触媒の触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるようにすることができる。
【００２６】
上述した水素酸化触媒がカソード側ガス拡散層の表面に備えられているいずれかの燃料電池において、
前記水素酸化触媒は、前記カソード側ガス拡散層の表面に、前記水素酸化触媒を担持した担体を塗布することによって形成されているものとしてもよい。
【００２７】
また、前記水素酸化触媒は、前記カソード側ガス拡散層の表面に、前記水素酸化触媒を蒸着することによって形成されているものとしてもよい。蒸着は、物理蒸着でもよいし、化学蒸着でもよい。
【００２８】
これらの手法によって、カソード側ガス拡散層の表面に、水素酸化触媒を形成することができる。
【００２９】
上述したいずれかの燃料電池において、
前記カソードの表面には、前記カソードに前記酸化剤ガスを拡散させつつ供給するためのカソード側ガス拡散層が設けられており、
前記水素酸化触媒は、前記カソードと対向して配置されるセパレータの少なくとも前記カソード側ガス流路を構成するガス流路構成部に備えられているようにしてもよい。
【００３０】
こうすることによって、カソード側ガス流路に、燃料ガス（水素）を含むガスと、酸化剤ガス（酸素）とを供給したときに、上記ガス流路構成部で、水素を酸化させることができる。
【００３１】
なお、上記燃料電池において、
前記カソードと対向して配置されるセパレータの少なくとも前記カソードと対向する側の少なくとも一部は、前記水素酸化触媒を含む金属材料からなるものとしてもよい。
【００３２】
こうすることによって、水素酸化触媒を備えるセパレータを一体成形することができる。
【００３３】
上述した水素酸化触媒が、カソードと対向して配置されるセパレータの少なくともカソード側ガス流路を構成するガス流路構成部に備えられている燃料電池において、
前記水素酸化触媒は、前記カソードと対向して配置されるセパレータの前記カソードと対向する側の表面に備えられているようにしてもよい。
【００３４】
こうすることによって、カソード側ガス流路に、燃料ガス（水素）を含むガスと、酸化剤ガス（酸素）とを供給したときに、カソードと対向して配置されるセパレータのカソードと対向する側の表面で、水素を酸化させることができる。
【００３５】
例えば、セパレータの表面に、燃料ガスや、酸化剤ガスを流すためのガス流路を形成する溝が設けられている場合には、この溝以外の部分が、カソード側ガス拡散層と当接する。そして、セパレータ、および、カソード側ガス拡散層は、導電性部材からなり、また、燃料電池の内部抵抗、すなわち、セパレータとカソード側ガス拡散層との接触抵抗の増大を抑制するため、セパレータとカソード側ガス拡散層との接触性が高いことが要求される。そこで、
上記燃料電池において、
前記カソードと対向して配置されるセパレータの一部が、前記カソード側ガス拡散層と当接する場合、
前記水素酸化触媒は、前記カソードと対向して配置されるセパレータの前記カソードと対向する側の表面において、前記カソード側ガス拡散層と当接していない領域に備えられているようにしてもよい。
【００３６】
こうすることによって、カソード側ガス拡散層とセパレータとの接触性の低下を抑制することができる。
【００３７】
また、カソードと対向して配置されるセパレータのカソードと対向する側の表面において、セパレータとカソード側ガス拡散層とが当接している領域には、供給されたガスが効率よく流れないため、この領域に水素酸化触媒を備えるようにしても、水素を効率よく酸化させることができない。また、水素酸化触媒は、一般に、比較的高価なため、その使用量を少なくすることが望ましい。本発明では、カソードと対向して配置されるセパレータのカソードと対向する側の表面において、カソード側ガス拡散層と当接し、供給されたガスが効率よく流れない領域には、水素酸化触媒を備えないので、水素酸化触媒の使用量を少なくすることができる。
【００３８】
上述した水素酸化触媒は、前記カソードと対向して配置されるセパレータの少なくとも前記カソード側ガス流路を構成するガス流路構成部に備えられているいずれかの燃料電池において、
前記ガス流路構成部において、前記水素酸化触媒は、前記ガス流路構成部の表面に沿ったガスの流れ方向の上流側ほど触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるように備えられているようにすることが好ましい。
【００３９】
ここで、「触媒能」とは、触媒材料自体の触媒性能と、触媒を担持した部材において、触媒が担持されている領域における単位面積当たりの触媒性能とを含んでいる。したがって、後者の場合、触媒担体に、同一の触媒を密に配置すれば、その領域における触媒能は高くなり、疎に配置すれば、その領域における触媒能は低くなる。
【００４０】
本発明の燃料電池において、カソード側ガス流路に、燃料ガス（水素）を含むガスと、酸化剤ガス（酸素）とを供給すると、まず、ガス流路構成部における上流側で水素が酸化されるので、下流側ほど水素の濃度が低下する。本発明では、上記ガス流路構成部において、水素酸化触媒が、ガスの流れの上流側ほど触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるように備えられているので、ガス流路構成部における水素と酸素との反応の分布を均一化することができる。この結果、セパレータの温度の面内分布を均一化することができる。
【００４１】
上記燃料電池において、例えば、
前記ガス流路構成部における前記水素酸化触媒の量は、前記ガス流路構成部の表面に沿ったガスの流れ方向の上流側ほど少なく、下流側ほど多いようにしてもよい。
【００４２】
また、前記水素酸化触媒は、前記ガス流路構成部において、該ガス流路構成部の表面に沿ったガスの流れ方向に対してほぼ垂直に配置された複数のストライプ状の領域にそれぞれ備えられており、
前記複数のストライプ状の領域は、前記ガスの流れ方向の上流側ほど疎となり、下流側ほど密となるように配置されているようにしてもよい。
【００４３】
これらの手法によって、ガス流路構成部の表面に沿ったガスの流れ方向の上流側ほど水素酸化触媒の触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるようにすることができる。
【００４４】
上述した水素酸化触媒がカソードと対向して配置されるセパレータのカソードと対向する側の表面に備えられているいずれかの燃料電池において、
前記水素酸化触媒は、前記ガス流路構成部に、前記水素酸化触媒を担持した担体を塗布することによって形成されているようにしてもよい。
【００４５】
また、前記水素酸化触媒は、前記ガス流路構成部に、前記水素酸化触媒を蒸着することによって形成されているようにしてもよい。蒸着は、物理蒸着でもよいし、化学蒸着でもよい。
【００４６】
これらの手法によって、ガス流路構成部に、水素酸化触媒を形成することができる。
【００４７】
本発明の第２の燃料電池は、
電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持したセルを複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であって、
前記スタック構造の積層方向の少なくとも一方の端部に配置される前記セルは、上述したいずれかの燃料電池であることを要旨とする。
【００４８】
一般に、上記スタック構造を有する燃料電池（燃料電池スタック）では、スタック構造の積層方向の端部に配置されたセルは、中央部に配置されたセルよりも放熱しやすいため、暖機運転時に温度上昇しにくい。本発明では、このようなスタック構造の端部に配置されるセルに、上述した本発明のいずれかの燃料電池を適用する。したがって、燃料電池スタックの暖機運転時に、各セルの温度を速やかに上昇させることができる。なお、「端部に配置されるセル」は、最端部に配置される１つのセルに限らず、複数であってもよい。
【００４９】
本発明は、燃料電池システムの発明として構成することもできる。すなわち、
本発明の燃料電池システムは、
上述したいずれかの燃料電池と、
該燃料電池の前記カソード側ガス流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給配管と、
水素を含む水素含有ガスを前記カソード側ガス流路に供給するための水素含有ガス供給配管と、
を備えることを要旨とする。
【００５０】
こうすることによって、カソード側ガス流路に、酸化剤ガスと、水素含有ガスとを供給し、水素含有ガスに含まれる水素を、カソード側ガス流路で酸化させることができる。
【００５１】
上記燃料電池システムにおいて、
前記水素含有ガスは、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスであるようにしてもよい。
【００５２】
こうすることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を、カソード側ガス流路で酸化させ、処理することができる。
【００５３】
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、さらに、
前記水素含有ガスを前記カソード側ガス流路に供給するか否かを切り換える切換部と、
該切換部を制御する切換制御部と、を備え、
前記切換制御部は、前記燃料電池の暖機運転時に、前記水素含有ガスを前記カソード側ガス流路に供給するように、前記切換部を制御するようにしてもよい。
【００５４】
こうすることによって、燃料電池の暖機運転時に、水素含有ガスに含まれる水素を、カソード側ガス流路で酸化させ、このときに発生した熱を利用して、燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる。
【００５５】
本発明は、上述の燃料電池、燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池の製造方法、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００５６】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
Ａ２．セルの構成：
Ａ３．第１実施例の変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
Ｂ２．セルの構成：
Ｂ３．第２実施例の変形例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：
【００５８】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【００５９】
燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセル４０を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。各セル４０は、後述するように、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体をセパレータによって挟持した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、セル４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００６０】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数のセル４０、集電板３０、絶縁板２０、エンドプレート１０の順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている。
【００６１】
本実施例では、複数のセル４０のうち、スタック構造の積層方向の両端部に配置されるセル（以下、端セル４０ｅと呼ぶ）と、中央部に配置されるセル（以下、中央セル４０ｃと呼ぶ）とは、内部構造が異なっている。これは、以下の理由による。一般に、燃料電池スタックでは、スタック構造の積層方向の両端部に配置されたセルは、中央部に配置されたセルよりも放熱しやすいため、暖機運転時に温度上昇しにくい。したがって、本実施例では、燃料電池スタック１００全体の暖機運転時の温度上昇を速やかに行えるように、端セル４０ｅに改良を施している。これら端セル４０ｅ、および、中央セル４０ｃについては、後から詳述する。
【００６２】
エンドプレート１０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００６３】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。
【００６４】
燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００６５】
水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、アノードに供給される。アノードからの排気ガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、排出配管５６を介して、外部に排出することができる。なお、アノードオフガスを外部に排出する際には、アノードオフガスに含まれる水素は、図示しない希釈器や、燃焼器によって処理される。
【００６６】
また、配管５３、および、排出配管５６には、アノードオフガスを配管５３に再循環させるための循環配管５４が接続されている。そして、排出配管５６の循環配管５４との接続部の下流側には、排気バルブ５７が配設されている。また、循環配管５４には、ポンプ５５が配設されている。ポンプ５５、および、排気バルブ５７の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管５３に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管５３に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。
【００６７】
また、排出配管５６、および、後述する配管６１には、アノードオフガスを、燃料電池スタック１００のカソード側に供給するための配管５８が接続されている。そして、排出配管５６と、配管５８との接続部には、三方バルブ５９が配設されている。三方バルブ５９の駆動を制御することによって、アノードオフガスを、配管５８を介して燃料電池スタック１００のカソード側に供給するか否かを切り換えることができる。なお、三方バルブ５９は、燃料電池システム１０００の起動時、すなわち、燃料電池スタック１００の暖機運転時に、アノードオフガスが配管５８に流れるように制御される。配管５８は、本発明における水素含有ガス供給配管に相当する。また、三方バルブ５９は、本発明における切換部に相当する。
【００６８】
燃料電池スタック１００のカソード側には、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。また、燃料電池システム１０００の起動時に、三方バルブ５９が、アノードオフガスが配管５８に流れるように制御されている場合には、アノードオフガスも、配管６１を介して、燃料電池スタック１００のカソード側に供給される。そして、カソードからの排気ガス（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管６２を介して、外部に排出される。配管６２には、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。配管６１は、本発明における酸化剤ガス供給配管に相当する。
【００６９】
燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。
【００７０】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。制御ユニット８０は、本発明における切換制御部に相当する。
【００７１】
Ａ２．セルの構成：
図２は、セル４０の概略構成を示す説明図である。図２（ａ）には、中央セル４０ｃの断面構造を模式的に示した。また、図２（ｂ）には、端セル４０ｅの断面構造を模式的に示した。
【００７２】
中央セル４０ｃは、図２（ａ）に示したように、膜電極接合体４１のカソード側の面、および、アノード側の面に、それぞれカソード側ガス拡散層４２、および、アノード側ガス拡散層４３を接合し、これらをカソード側セパレータ４４、および、アノード側セパレータ４５で挟持することによって構成されている。
【００７３】
膜電極接合体４１は、電解質膜４１０の両面に、それぞれカソードとしてのカソード側触媒層４２０、および、アノードとしてのアノード側触媒層４３０を接合したものである。カソード側触媒層４２０、および、アノード側触媒層４３０は、それぞれ水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒を担持している。触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）を用いることができる。
【００７４】
カソード側ガス拡散層４２は、カソード側セパレータ４４から供給された空気を拡散させつつ、カソード側触媒層４２０に供給する機能を有している。また、アノード側ガス拡散層４３は、アノード側セパレータ４５から供給された水素を拡散させつつ、アノード側触媒層４３０に供給する機能を有している。これらは、カーボンクロス等、導電性、および、ガス拡散性を有する部材からなる。
【００７５】
カソード側セパレータ４４のカソード側ガス拡散層４２と当接する側の面、および、アノード側セパレータ４５のアノード側ガス拡散層４３と当接する側の面には、図示するように、それぞれ複数の溝が形成されている。これら各溝は、膜電極接合体４１のアノード側、および、カソード側に、それぞれ水素、および、空気を供給するための流路を構成する。カソード側セパレータ４４、および、アノード側セパレータ４５の材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
【００７６】
端セル４０ｅは、図２（ｂ）に示したように、カソード側ガス拡散層４２が、中央セル４０ｃのカソード側ガス拡散層４２と異なっている。そして、カソード側ガス拡散層４２以外は、中央セル４０ｃと同じである。なお、上述した溝を含むカソード側セパレータ４４のカソード側ガス拡散層４２と当接する側の面、および、カソード側ガス拡散層４２は、本発明におけるカソード側ガス流路に相当する。
【００７７】
端セル４０ｅにおいて、カソード側ガス拡散層４２の表面全体には、水素の酸化を促進する水素酸化触媒を備える水素酸化触媒層４２ｃが形成されている。水素酸化触媒としては、Ｐｔ（白金）や、Ｐｄ（パラジウム）や、Ｒｕ（ルテニウム）等を用いることができる。この水素酸化触媒層４２ｃは、例えば、カソード側ガス拡散層４２の表面に、水素酸化触媒を担持した担体をスプレイや、ローラによって塗布したり、水素酸化触媒を蒸着したりすることによって形成することができる。蒸着は、物理蒸着でもよいし、化学蒸着でもよい。
【００７８】
先に説明したように、本実施例の燃料電池システム１０００では、起動時に、燃料電池スタック１００のカソード側に、空気とともに、未消費の水素を含むアノードオフガスが供給される。そして、供給された空気、および、アノードオフガスが端セル４０ｅの水素酸化触媒層４２ｃに到達すると、水素酸化触媒の作用により、アノードオフガスに含まれる水素は酸化される。このときに熱が発生し、この熱によって、端セル４０ｅの温度を速やかに上昇させることができる。なお、水素酸化触媒層４２ｃにおいて、水素の酸化によって発生した熱は、カソード側ガス拡散層４２、および、カソード側触媒層４２０を介して間接的に電解質膜４１０に伝導するので、電解質膜４１０の過熱による劣化を抑制することができる。
【００７９】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池スタック１００の暖機運転時に、電解質膜４１０の過熱を抑制しつつ、燃料電池スタック１００の温度を速やかに上昇させることができる。また、水素酸化触媒層４２ｃにおける水素の酸化による発熱によって、燃料電池スタック１００の氷点下での低温起動時に、カソード側触媒層４２０で生成された生成水が凍結することを抑制することもできる。
【００８０】
Ａ３．第１実施例の変形例：
Ａ３．１．第１変形例：
図３は、第１実施例の第１変形例としてのカソード側ガス拡散層４２Ａの平面図である。このカソード側ガス拡散層４２Ａでは、カソード側セパレータ４４と当接する領域４２Ａ１には水素酸化触媒層４２ｃは形成されておらず、カソード側セパレータ４４と当接しない領域４２Ａ２に水素酸化触媒層４２ｃが形成されている。
【００８１】
こうすることによって、カソード側ガス拡散層４２Ａとカソード側セパレータ４４との接触性の低下を抑制することができる。
【００８２】
また、カソード側ガス拡散層４２Ａの表面において、領域４２Ａ１には、供給されたガスが効率よく流れないため、この領域４２Ａ１に水素酸化触媒層４２ｃを形成しても、水素を効率よく酸化させることができない。また、水素酸化触媒は、一般に、比較的高価なため、その使用量を少なくすることが望ましい。本変形例では、カソード側ガス拡散層４２Ａの表面において、カソード側セパレータ４４と当接し、供給されたガスが効率よく流れない領域４２Ａ１には、水素酸化触媒層４２ｃを備えないので、水素酸化触媒の使用量を少なくすることができる。
【００８３】
Ａ３．２．第２変形例：
図４は、第１実施例の第２変形例としてのカソード側ガス拡散層４２Ｂの平面図である。このカソード側ガス拡散層４２Ｂでは、カソード側ガス拡散層４２Ｂの表面に沿ったガスの流れ方向に対してほぼ垂直に配置された複数のストライプ状の領域に、水素酸化触媒層４２ｃが形成されている。水素酸化触媒層４２ｃが形成されている各ストライプ状の領域の幅は、すべて同一（ｗ）である。また、これらの各間隔ｄ１，ｄ２，ｄ３，...は、ガスの流れの上流側から下流側に進むに連れて、狭くなっている（ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞...）。こうすることによって、カソード側ガス拡散層４２Ｂにおいて、水素酸化触媒の実質的な触媒能が、ガスの流れの上流側ほど低く、下流側ほど高くなるようにすることができる。
【００８４】
端セル４０ｅに、水素を含むアノードオフガスと、空気とを供給すると、まず、カソード側ガス拡散層４２Ｂにおけるガスの流れの上流側で水素が酸化されるので、下流側ほど水素の濃度が低下する。本変形例のカソード側ガス拡散層４２Ｂを用いた端セル４０ｅでは、カソード側ガス拡散層４２Ｂにおいて、水素酸化触媒が、ガスの流れの上流側ほど触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるように備えられているので、カソード側ガス拡散層４２Ｂにおける水素と酸素との反応の分布を均一化することができる。この結果、膜電極接合体４１の温度の面内分布を均一化することができる。
【００８５】
Ａ３．３．第３変形例：
図５は、第１実施例の第３変形例としてのカソード側ガス拡散層４２Ｃの平面図である。このカソード側ガス拡散層４２Ｃでは、上述したカソード側ガス拡散層４２Ｂと同様に、カソード側ガス拡散層４２Ｃの表面に沿ったガスの流れ方向に対してほぼ垂直に配置された複数のストライプ状の領域に、水素酸化触媒層４２ｃが形成されている。ただし、カソード側ガス拡散層４２Ｂとは異なり、各ストライプ状の領域の間隔は、すべて同一（ｄ）であり、また、各ストライプ状の領域の幅ｗ１，ｗ２，ｗ３，...は、ガスの流れの上流側から下流側に進むに連れて、広くなっている（ｗ１＜ｗ２＜ｗ３＜...）。こうすることによっても、カソード側ガス拡散層４２Ｃにおいて、水素酸化触媒の実質的な触媒能が、ガスの流れの上流側ほど低く、下流側ほど高くなるようにすることができる。
【００８６】
本変形例のカソード側ガス拡散層４２Ｃを用いた端セル４０ｅでは、上述した第２変形例と同様に、カソード側ガス拡散層４２Ｃにおいて、水素酸化触媒が、ガスの流れの上流側ほど触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるように備えられているので、カソード側ガス拡散層４２Ｃにおける水素と酸素との反応の分布を均一化することができる。この結果、膜電極接合体４１の温度の面内分布を均一化することができる。
【００８７】
Ａ３．４．第４変形例：
図６は、第１実施例の第４変形例としてのカソード側ガス拡散層４２Ｄの平面図である。このカソード側ガス拡散層４２Ｄでは、カソード側ガス拡散層４２Ｄの表面全体に、水素酸化触媒層４２ｃが形成されている。ただし、この水素酸化触媒層４２ｃは、ガスの上流側から下流側に進むに連れて、水素酸化触媒の量が多くなるように形成されている。水素酸化触媒の量は、連続的に変化するようにしてもよいし、段階的に変化するようにしてもよい。こうすることによっても、カソード側ガス拡散層４２Ｄにおいて、水素酸化触媒の実質的な触媒能が、ガスの流れの上流側ほど低く、下流側ほど高くなるようにすることができる。
【００８８】
本変形例のカソード側ガス拡散層４２Ｄを用いた端セル４０ｅでは、上述した第２変形例や、第３変形例と同様に、カソード側ガス拡散層４２Ｄにおいて、水素酸化触媒が、ガスの流れの上流側ほど触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるように備えられているので、カソード側ガス拡散層４２Ｄにおける水素と酸素との反応の分布を均一化することができる。この結果、膜電極接合体４１の温度の面内分布を均一化することができる。
【００８９】
なお、上記第１実施例の第２ないし第４変形例では、カソード側ガス拡散層４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの表面に形成された水素酸化触媒層４２ｃにおける水素酸化触媒の量は、ガスの上流側から下流側にかけて、同一であるものとしたが、本変形例と同様に、ガスの上流側から下流側に進むに連れて、水素酸化触媒の量が多くなるように形成するようにしてもよい。
【００９０】
Ａ３．５．第５変形例：
上記第１実施例、および、第１実施例の第１ないし第４変形例のカソード側ガス拡散層４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄでは、カソード側ガス拡散層４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄの各表面に水素酸化触媒層４２ｃを形成したが、これに限られない。
【００９１】
図７は、第１実施例の第５変形例としてのカソード側ガス拡散層４２Ｅの斜視図である。このカソード側ガス拡散層４２Ｅは、金属多孔体からなり、カソード側ガス拡散層４２Ｅを構成する金属材料に、予め水素酸化触媒が混合されている。こうすることによって、水素酸化触媒を備えるカソード側ガス拡散層４２Ｅを一体成形することができる。
【００９２】
Ａ３．６．第６変形例：
上記第１実施例では、燃料電池スタック１００の暖機運転時に、燃料電池スタック１００のカソード側に、空気とともに、アノードオフガスを供給するものとしたが、アノードオフガスの代わりに、水素タンク５０内の水素を供給するものとしてもよい。
【００９３】
図８は、第１実施例の第６変形例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１０００とほぼ同じである。ただし、配管５８の一端が、排出配管５６の代わりに、配管５３に接続されており、また、三方バルブ５９は、配管５３と配管５８との接続部に配設されている。こうすることによって、三方バルブ５９の駆動を制御して、燃料電池スタック１００の暖機運転時に、燃料電池スタック１００のカソード側に、空気とともに、水素を供給することができる。
【００９４】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
図９は、本発明の第２実施例としての燃料電池スタック１００Ｂを備える燃料電池システム１０００Ｂの概略構成を示す説明図である。
【００９５】
この燃料電池システム１０００Ｂは、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００とほぼ同じである。ただし、排出配管５６の一端は、配管６１に接続されており、燃料電池スタック１００Ｂのアノードから排出されるアノードオフガスは、燃料電池スタック１００Ｂのカソード側に供給され、燃料電池スタック１００Ｂ内部で処理された後、配管６２からカソードオフガスとともに外部に排出される。このため、燃料電池スタック１００Ｂのセル４０Ｂの内部構造が、燃料電池スタック１００のセル４０とは異なっている。なお、燃料電池システム１０００Ｂの運転は、制御ユニット８０Ｂによって制御される。
【００９６】
Ｂ２．セルの構成：
図１０は、セル４０Ｂの概略構成を示す説明図である。セル４０Ｂの断面構造を模式的に示した。
【００９７】
図示するように、セル４０Ｂは、第１実施例における中央セル４０ｃと同様に、膜電極接合体４１のカソード側の面、および、アノード側の面に、それぞれカソード側ガス拡散層４２、および、アノード側ガス拡散層４３を接合し、これらをカソード側セパレータ４４、および、アノード側セパレータ４５で挟持することによって構成されている。膜電極接合体４１と、カソード側ガス拡散層４２と、アノード側ガス拡散層４３と、アノード側セパレータ４５とは、第１実施例と同じである。そして、カソード側セパレータ４４が、第１実施例におけるカソード側セパレータ４４と異なっている。
【００９８】
カソード側セパレータ４４のカソード側ガス拡散層４２と当接する側の表面全体には、水素の酸化を促進する水素酸化触媒を備える水素酸化触媒層４４ｃが形成されている。水素酸化触媒としては、Ｐｔ（白金）や、Ｐｄ（パラジウム）や、Ｒｕ（ルテニウム）等を用いることができる。この水素酸化触媒層４４ｃは、例えば、カソード側セパレータ４４のカソード側ガス拡散層４２と当接する側の表面に、水素酸化触媒を担持した担体をスプレイや、ローラによって塗布したり、水素酸化触媒を蒸着したりすることによって形成することができる。蒸着は、物理蒸着でもよいし、化学蒸着でもよい。なお、カソード側セパレータ４４のカソード側ガス拡散層４２と当接する側の面は、本発明におけるガス流路構成部に相当する。
【００９９】
先に説明したように、本実施例の燃料電池システム１０００Ｂでは、燃料電池スタック１００Ｂのカソード側には、空気とともに、未消費の水素を含むアノードオフガスが供給される。そして、供給された空気、および、アノードオフガスがセル４０Ｂの水素酸化触媒層４４ｃに到達すると、水素酸化触媒の作用により、アノードオフガスに含まれる水素は酸化される。なお、カソード側セパレータ４４の内部には、燃料電池スタック１００Ｂを冷却するための冷却水を流す冷却水流路が形成されているので、水素酸化触媒層４４ｃで水素を酸化させた場合であっても、そのときの発熱はカソード側セパレータ４４に伝導し、冷却水によって速やかに冷却することができる。したがって、燃料電池の過昇温は防止することができる。
【０１００】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１０００Ｂによれば、燃料電池スタック１００Ｂのアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水素を、希釈器や燃焼器等を用いずに、燃料電池スタック１００Ｂの内部で処理することができる。したがって、燃料電池システム１０００Ｂを小型化することができる。また、燃料電池スタック１００Ｂの暖機運転時に、電解質膜４１０の過熱を抑制しつつ、燃料電池スタック１００Ｂの温度を速やかに上昇させることができる。また、水素酸化触媒層４４ｃにおける水素の酸化による発熱によって、燃料電池スタック１００Ｂの氷点下での低温起動時に、カソード側触媒層４２０で生成された生成水が凍結することを抑制することもできる。
【０１０１】
Ｂ３．第２実施例の変形例：
Ｂ３．１．第１変形例：
図１１は、第２実施例の第１変形例としてのカソード側セパレータ４４Ａの平面図である。このカソード側セパレータ４４Ａでは、カソード側ガス拡散層４２と当接する領域４４Ａ１には水素酸化触媒層４４ｃは形成されておらず、カソード側セパレータ４４と当接しない領域４４Ａ２に水素酸化触媒層４４ｃが形成されている。
【０１０２】
こうすることによって、カソード側セパレータ４４Ａとカソード側ガス拡散層４２との接触性の低下を抑制することができる。
【０１０３】
また、カソード側セパレータ４４Ａの表面において、領域４４Ａ１には、供給されたガスが効率よく流れないため、この領域４４Ａ１に水素酸化触媒層４４ｃを形成しても、水素を効率よく酸化させることができない。また、水素酸化触媒は、一般に、比較的高価なため、その使用量を少なくすることが望ましい。本変形例では、カソード側セパレータ４４Ａの表面において、カソード側ガス拡散層４２と当接し、供給されたガスが効率よく流れない領域４４Ａ１には、水素酸化触媒層４４ｃを備えないので、水素酸化触媒の使用量を少なくすることができる。
【０１０４】
Ｂ３．２．第２変形例：
図１２は、第２実施例の第２変形例としてのカソード側セパレータ４４Ｂの平面図である。このカソード側セパレータ４４Ｂでは、カソード側セパレータ４４Ｂの表面に沿ったガスの流れ方向に対してほぼ垂直に配置された複数のストライプ状の領域に、水素酸化触媒層４４ｃが形成されている。水素酸化触媒層４４ｃが形成されている各ストライプ状の領域の幅は、すべて同一（ｗ）である。また、これらの各間隔ｄ１，ｄ２，ｄ３，...は、ガスの流れの上流側から下流側に進むに連れて、狭くなっている（ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞...）。こうすることによって、カソード側セパレータ４４Ｂにおいて、水素酸化触媒の実質的な触媒能が、ガスの流れの上流側ほど低く、下流側ほど高くなるようにすることができる。
【０１０５】
セル４０Ｂに、水素を含むアノードオフガスと、空気とを供給すると、まず、カソード側セパレータ４４Ｂにおけるガスの流れの上流側で水素が酸化されるので、下流側ほど水素の濃度が低下する。本変形例のカソード側セパレータ４４Ｂを用いたセル４０Ｂでは、カソード側セパレータ４４Ｂにおいて、水素酸化触媒が、ガスの流れの上流側ほど触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるように備えられているので、カソード側セパレータ４４Ｂにおける水素と酸素との反応の分布を均一化することができる。この結果、カソード側セパレータ４４Ｂの温度の面内分布を均一化することができる。
【０１０６】
Ｂ３．３．第３変形例：
図１３は、第２実施例の第３変形例としてのカソード側セパレータ４４Ｃの平面図である。このカソード側セパレータ４４Ｃでは、上述したカソード側セパレータ４４Ｂと同様に、カソード側セパレータ４４Ｃの表面に沿ったガスの流れ方向に対してほぼ垂直に配置された複数のストライプ状の領域に、水素酸化触媒層４４ｃが形成されている。ただし、カソード側セパレータ４４Ｂとは異なり、各ストライプ状の領域の間隔は、すべて同一（ｄ）であり、また、各ストライプ状の領域の幅ｗ１，ｗ２，ｗ３，...は、ガスの流れの上流側から下流側に進むに連れて、広くなっている（ｗ１＜ｗ２＜ｗ３＜...）。こうすることによっても、カソード側セパレータ４４Ｃにおいて、水素酸化触媒の実質的な触媒能が、ガスの流れの上流側ほど低く、下流側ほど高くなるようにすることができる。
【０１０７】
本変形例のカソード側セパレータ４４Ｃを用いたセル４０Ｂでは、上述した第２変形例と同様に、カソード側セパレータ４４Ｃにおいて、水素酸化触媒が、ガスの流れの上流側ほど触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるように備えられているので、カソード側セパレータ４４Ｃにおける水素と酸素との反応の分布を均一化することができる。この結果、カソード側セパレータ４４Ｃの温度の面内分布を均一化することができる。
【０１０８】
Ｂ３．４．第４変形例：
図１４は、第２実施例の第４変形例としてのカソード側セパレータ４４Ｄの平面図である。このカソード側セパレータ４４Ｄでは、カソード側セパレータ４４Ｄの表面全体に、水素酸化触媒層４４ｃが形成されている。ただし、この水素酸化触媒層４４ｃは、ガスの上流側から下流側に進むに連れて、水素酸化触媒の量が多くなるように形成されている。水素酸化触媒の量は、連続的に変化するようにしてもよいし、段階的に変化するようにしてもよい。こうすることによっても、カソード側セパレータ４４Ｄにおいて、水素酸化触媒の実質的な触媒能が、ガスの流れの上流側ほど低く、下流側ほど高くなるようにすることができる。
【０１０９】
本変形例のカソード側セパレータ４４Ｄを用いたセル４０Ｂでは、上述した第２変形例や、第３変形例と同様に、カソード側セパレータ４４Ｄにおいて、水素酸化触媒が、ガスの流れの上流側ほど触媒能が低く、下流側ほど触媒能が高くなるように備えられているので、カソード側セパレータ４４Ｄにおける水素と酸素との反応の分布を均一化することができる。この結果、カソード側セパレータ４４Ｄの温度の面内分布を均一化することができる。
【０１１０】
なお、上記第２実施例の第２ないし第４変形例では、カソード側セパレータ４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃの表面に形成された水素酸化触媒層４４ｃにおける水素酸化触媒の量は、ガスの上流側から下流側にかけて、同一であるものとしたが、本変形例と同様に、ガスの上流側から下流側に進むに連れて、水素酸化触媒の量が多くなるように形成するようにしてもよい。
【０１１１】
Ｂ３．５．第５変形例：
上記第１実施例、および、第１実施例の第１ないし第４変形例のカソード側セパレータ４４，４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄでは、カソード側セパレータ４４，４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄの各表面に水素酸化触媒層４２ｃを形成したが、これに限られない。
【０１１２】
図１５は、第２実施例の第５変形例としてのカソード側セパレータ４４Ｅの斜視図である。このカソード側セパレータ４４Ｅは、水素酸化金属を含む金属材料からなる。こうすることによって、水素酸化触媒を備えるカソード側セパレータ４４Ｅを一体成形することができる。
【０１１３】
Ｃ．第３実施例：
第３実施例における燃料電池システムは、第２実施例における燃料電池システム１０００Ｂとほぼ同じである。ただし、燃料電池スタックを構成するセルの内部構造が、燃料電池スタック１００Ｂのセル４０Ｂと異なっている。
【０１１４】
図１６は、第３実施例のセル４０Ｃの概略構成を示す説明図である。セル４０Ｃの断面構造を模式的に示した。
【０１１５】
図示するように、セル４０Ｃは、膜電極接合体４１のカソード側の面に、カソード側ガス拡散層４２と、金属多孔体製のガス流路（以下、カソード側金属多孔体流路４６と呼ぶ）とを、この順に接合するとともに、アノード側の面に、アノード側ガス拡散層４３と、金属多孔体製のガス流路（以下、アノード側金属多孔体流路４７と呼ぶ）とを、この順に接合し、これらをカソード側セパレータ４８、および、アノード側セパレータ４９で挟持することによって構成されている。膜電極接合体４１と、カソード側ガス拡散層４２と、アノード側ガス拡散層４３とは、第１実施例、および、第２実施例と同じである。
【０１１６】
本実施例のセル４０Ｃは、カソード側金属多孔体流路４６、および、アノード側金属多孔体流路４７を備えているので、カソード側セパレータ４８、および、アノード側セパレータ４９には、ガス流路を構成する溝は備えていない。そして、カソード側金属多孔体流路４６に水素酸化触媒が備えられている。この水素酸化触媒は、カソード側金属多孔体流路４６を構成する金属材料に予め混合されている。このようなセル４０Ｃによっても、カソード側金属多孔体流路４６に、空気とともに、未消費の水素を含むアノードオフガスが供給されたときに、カソード側金属多孔体流路４６に備えられた水素酸化触媒の作用により、アノードオフガスに含まれる水素を酸化させることができる。
【０１１７】
以上説明した第３実施例のセル４０Ｃを適用した燃料電池システムによれば、第２実施例の燃料電池システム１０００Ｂと同様に、燃料電池スタックのアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水素を、希釈器や燃焼器等を用いずに、燃料電池スタックの内部で処理することができる。また、燃料電池スタックの暖機運転時に、電解質膜４１０の過熱を抑制しつつ、燃料電池スタックの温度を速やかに上昇させることができる。また、カソード側金属多孔体流路４６の内部に備えられた水素酸化触媒における水素の酸化による発熱によって、燃料電池スタックの氷点下での低温起動時に、カソード側触媒層４２０で生成された生成水が凍結することを抑制することもできる。
【０１１８】
Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【０１１９】
Ｄ１．変形例１：
上記第１実施例では、燃料電池スタック１００において、中央セル４０ｃと端セル４０ｅの構造は、互いに異なるものとしたが、すべてのセル４０に端セル４０ｅの構造を適用するようにしてもよい。
【０１２０】
Ｄ２．変形例２：
上記第１実施例における燃料電池スタック１００の中央セル４０ｃに、第２実施例におけるセル４０Ｂを適用してもよい。また、第２実施例における燃料電池スタック１００Ｂの両端部に配置されるセル４０に、第１実施例における端セル４０ｅを適用してもよい。また、第１実施例における端セル４０ｅの構造と、第２実施例におけるセル４０Ｂの構造とを組み合わせるようにしてもよい。
【０１２１】
Ｄ３．変形例３：
上記第１実施例の第４変形例、および、第２実施例の第４変形例では、水素酸化触媒層４２ｃ、および、水素酸化触媒層４４ｃは、ガスの流れの上流側から下流側に進むに連れて、水素酸化触媒の量が多くなるように形成するものとしたが、これに限られない。ガスの流れの上流側から下流側に進むに連れて、水素酸化触媒層４２ｃ、および、水素酸化触媒層４４ｃにおける水素酸化触媒の種類を変更することによって、触媒能を変化させるようにしてもよい。
【０１２２】
Ｄ４．変形例４：
上記第３実施例では、カソード側金属多孔体流路４６は、水素酸化触媒を含む金属材料からなり、カソード側金属多孔体流路４６の全体に水素酸化触媒が備えられているものとしたが、これに限られない。金属多孔体の表面に、水素酸化触媒層を形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】セル４０の概略構成を示す説明図である。
【図３】第１実施例の第１変形例としてのカソード側ガス拡散層４２Ａの平面図である。
【図４】第１実施例の第２変形例としてのカソード側ガス拡散層４２Ｂの平面図である。
【図５】第１実施例の第３変形例としてのカソード側ガス拡散層４２Ｃの平面図である。
【図６】第１実施例の第４変形例としてのカソード側ガス拡散層４２Ｄの平面図である。
【図７】第１実施例の第５変形例としてのカソード側ガス拡散層４２Ｅの斜視図である。
【図８】第１実施例の第６変形例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図９】本発明の第２実施例としての燃料電池スタック１００Ｂを備える燃料電池システム１０００Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図１０】セル４０Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図１１】第２実施例の第１変形例としてのカソード側セパレータ４４Ａの平面図である。
【図１２】第２実施例の第２変形例としてのカソード側セパレータ４４Ｂの平面図である。
【図１３】第２実施例の第３変形例としてのカソード側セパレータ４４Ｃの平面図である。
【図１４】第２実施例の第４変形例としてのカソード側セパレータ４４Ｄの平面図である。
【図１５】第２実施例の第５変形例としてのカソード側セパレータ４４Ｅの斜視図である。
【図１６】第３実施例のセル４０Ｃの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ...燃料電池システム
１００，１００Ｂ...燃料電池スタック
１０...エンドプレート
２０...絶縁板
３０...集電板
４０，４０Ｂ，４０Ｃ...セル
４０ｃ...中央セル
４０ｅ...端セル
４１...膜電極接合体
４１０...電解質膜
４２０...カソード側触媒層
４３０...アノード側触媒層
４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４８...カソード側ガス拡散層
４２ｃ...水素酸化触媒層
４３...アノード側ガス拡散層
４４，４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄ，４４Ｅ...カソード側セパレータ
４４ｃ...水素酸化触媒層
４５，４９...アノード側セパレータ
４６...カソード側金属多孔体流路
４７...アノード側金属多孔体流路
５０...水素タンク
５１...シャットバルブ
５２...レギュレータ
５３...配管
５４...循環配管
５５...ポンプ
５６...排出配管
５７...排気バルブ
５８...配管
５９...三方バルブ
６０...コンプレッサ
６１，６２...配管
７０...ポンプ
７１...ラジエータ
７２...配管
８０，８０Ｂ...制御ユニット
【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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