(57)【要約】【課題】アノードデッドエンド型燃料電池において、燃料ガスを有効利用するとともに、燃料電池が備える膜電極接合体のカーボン酸化による劣化を抑制することができるようにする。【解決手段】燃料電池スタックは、第１の燃料ガス流路を備える第１のセルと、発電時に、第１の燃料ガス流路よりも燃料ガスの濃度が低下しやすい流路構造を有する第２の燃料ガス流路を備える第２のセルとを備えるようにし、第２のセルに、発電時の燃料ガスの濃度の低下を検出するためのセンサを設置する。例えば、第２のセル４０Ｂを構成するアノード側セパレータ４３Ｂの燃料ガス流路（溝部４３Ｂｄ）に流路断面積を狭窄する狭窄部４３ｅを設け、この狭窄部４３ｅの下流側の圧力が低くなる領域に水素濃度センサ４３ｓを設置する。そして、水素濃度センサ４３ｓによって、水素濃度が所定値以下になったことが検出されたときに、アノードオフガスを燃料電池スタックの外部に排出する。【選択図】図３
2010503143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の電解質膜の両面に、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、複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、
前記各セルのアノードに燃料ガスを分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドと、
前記各セルのアノードで未消費のアノードオフガスを集合させて前記燃料電池の外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドと、を備えており、
前記各セルは、前記燃料ガス供給マニホールドから供給された燃料ガスを、前記アノードの表面に沿って流すとともに、前記アノードオフガスを前記アノードオフガス排出マニホールドに流すための燃料ガス流路をそれぞれ備えており、
複数の前記セルは、
第１の燃料ガス流路を備える第１のセルと、
少なくとも一部の領域において、発電時に、前記第１の燃料ガス流路よりも前記燃料ガスの濃度が低下しやすい流路構造を有する第２の燃料ガス流路を備える第２のセルと、を含み、
前記第２のセルは、
前記第２の燃料ガス流路における前記燃料ガスの濃度の低下に関連する所定のパラメータ値を検出するためのセンサを備える、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第２の燃料ガス流路は、前記流路構造として、
該第２の燃料ガス流路の一部の流路断面積を狭窄した狭窄部と、
該狭窄部以外の非狭窄部と、を備え、
前記狭窄部の下流側の前記非狭窄部において、前記第１の燃料ガス流路よりも圧力が低下し、
前記センサは、前記狭窄部の下流側の前記非狭窄部に備えられている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記センサは、前記所定のパラメータ値として、前記燃料ガスの濃度、および、前記燃料ガス以外の所定のガスの濃度のうちの少なくとも一方を検出する濃度センサである、
燃料電池。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記センサは、前記所定のパラメータ値として、前記狭窄部の下流側における前記アノード、または、前記カソードの局所的な電位を検出する電位センサである、
燃料電池。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記センサは、前記所定のパラメータ値として、前記膜電極接合体における、前記狭窄部の下流側と対向する局所的な領域で発電された電流を検出する電流センサである、
燃料電池。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第２の燃料ガス流路は、圧損が前記第１の燃料ガス流路とほぼ等しく、かつ、流路長が前記第１の燃料ガス流路よりも短くなるように形成されており、
前記センサは、前記所定のパラメータ値として、前記第２のセルの開回路電圧を検出する電圧センサである、
燃料電池。
【請求項７】
燃料電池システムであって、
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池と、
前記アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管と、
前記排出配管に配設された排出弁と、
前記排出弁の排出量を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記排出弁がしぼられた状態で、前記各セルのアノード、および、カソードに、それぞれ燃料ガス、および、酸化剤ガスを供給して、前記燃料電池による発電を行うとともに、該燃料電池による発電中に、前記センサによって、前記パラメータ値を検出し、該検出されたパラメータ値に基づいて、前記第２の燃料ガス流路における前記燃料ガスの濃度が所定値以下に低下したと判断したときに、前記排出弁を開く、
燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池は、所定の電解質膜の両面に、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、複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、前記各セルのアノードに燃料ガスを分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドと、前記各セルのアノードで未消費のアノードオフガスを集合させて前記燃料電池の外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドと、を備え、
前記各セルは、前記燃料ガス供給マニホールドから供給された燃料ガスを、前記アノードの表面に沿って流すとともに、前記アノードオフガスを前記アノードオフガス排出マニホールドに流すための燃料ガス流路をそれぞれ備え、
複数の前記セルは、第１の燃料ガス流路を備える第１のセルと、少なくとも一部の領域において、発電時に、前記第１の燃料ガス流路よりも前記燃料ガスの濃度が低下しやすい流路構造を有する第２の燃料ガス流路を備える第２のセルと、を含み、
前記第２のセルは、前記第２の燃料ガス流路における前記燃料ガスの濃度の低下に関連する所定のパラメータ値を検出するためのセンサを備え、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池と、
前記アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管と、
前記排出配管に配設された排出弁と、を備えており、
前記制御方法は、
（ａ）前記排出弁がしぼられた状態で、前記各セルのアノード、および、カソードに、それぞれ燃料ガス、および、酸化剤ガスを供給して、前記燃料電池による発電を行う工程と、
（ｂ）前記燃料電池による発電中に、前記パラメータ値を検出する工程と、
（ｃ）該検出されたパラメータ値に基づいて、前記第２の燃料ガス流路における前記燃料ガスの濃度が所定値以下に低下したか否かを判断する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）によって、前記第２の燃料ガス流路における前記燃料ガスの濃度が所定値以下に低下したと判断されたときに、前記排出弁を開く工程と、
を備える制御方法。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池システムの制御方法において、
前記第２の燃料ガス流路は、前記流路構造として、
該第２の燃料ガス流路の一部の流路断面積を狭窄した狭窄部と、
該狭窄部以外の非狭窄部と、を備え、
前記狭窄部の下流側の前記非狭窄部において、前記第１の燃料ガス流路よりも圧力が低下し、
前記センサは、前記狭窄部の下流側の前記非狭窄部に備えられている、
燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、この燃料電池を備える燃料電池システム、および、この燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素（燃料ガス）と酸素（酸化剤ガス）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。この燃料電池には、プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード（水素極）とカソード（酸素極）と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ものがある（以下、このようなスタック構造を有する燃料電池を、燃料電池スタックとも呼ぶ）。
【０００３】
このような燃料電池スタックは、通常、各セルのアノード、および、カソードに反応ガス（燃料ガス、および、酸化剤ガス）を分岐して供給するための供給マニホールド（燃料ガス供給マニホールド、および、酸化剤ガス供給マニホールド）や、各セルのアノード、および、カソードから排出されるオフガスを集合させて燃料電池の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、および、カソードオフガス排出マニホールド）を備えている。
【０００４】
そして、このような燃料電池スタックに関し、燃料ガスを有効利用するために、発電で未消費の燃料ガスを含むアノードオフガスをアノードに再循環させるタイプのものや、燃料電池の外部へのアノードオフガスの排出や、アノードオフガスのアノードへの再循環を行わずに、アノードに供給された燃料ガスをすべて発電に利用しようとするタイプのもの（以下、アノードデッドエンド型燃料電池と呼ぶ）が提案されている。
【０００５】
そして、いずれのタイプの燃料電池においても、発電中に、燃料ガスに含まれる発電に寄与しない不純物ガスがアノード側に貯留される。また、酸化剤ガスとして空気を用いる場合には、カソードに供給された空気中に含まれる発電に寄与しない窒素等の不純物ガスが電解質膜を透過してアノード側に貯留される。そして、このような不純物ガスがアノード側に貯留されると、相対的に燃料ガスの濃度が低下して、燃料電池の発電性能が低下し、さらには、膜電極接合体の劣化を招く。この膜電極接合体の劣化は、主として、カソードに含まれるカーボンの酸化による。このような不具合は、発電時に、アノード側に燃料ガスを滞留させるアノードデッドエンド型燃料電池において、特に顕著である。このため、上述した燃料電池では、通常、アノードに滞留した不純物ガスを含むアノードオフガスを、間欠的に燃料電池の外部に排出する処理が行われる（例えば、特開２００５−１６６４９８号公報，特開２００４−３２７３６０号公報，及び特開２００５−２４３４７７号公報参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、上記特開２００５−１６６４９８号公報に記載された技術では、燃料電池システムにおいて、セル内における水素不足が発生しやすい部位（例えば、セルの水素出口近傍）を流れる局所電流を測定し、この局所電流が所定電流値未満のときに、不純物ガスを含むアノードオフガスを燃料電池の外部に排出して、セル内の水素濃度を上昇させる制御が行われる。しかし、同じ内部構造を有する数百枚のセルを積層させた燃料電池スタックでは、すべてのセルについて上記局所電流を測定し、すべてのセルにおける水素不足を検出することは、可能ではあるが、実用的ではない。また、数百枚のセルのうちの一部のセルについて、上記局所電流を測定して水素不足を検出する場合には、その一部のセルについて水素不足が検出されない場合であっても、上記局所電流を測定しない他のセルにおいて水素不足が発生しているおそれがあり、これを検出することはできなかった。
【０００７】
また、上記特開２００４−３２７３６０号公報に記載された技術では、燃料電池スタック全体を流れる燃料ガスの濃度が所定値以下に低下したときや、不純物ガスの濃度が所定値以上に上昇したときに、各セルから排出される不純物ガスを含むアノードオフガスを燃料電池の外部に排出する制御が行われる。また、上記特開２００５−２４３４７７号公報に記載された技術では、各セルから排出されたアノードオフガスを、燃料電池の外部に設けられたバッファにまとめて貯留し、このバッファ内に貯留されたアノードオフガス中の燃料ガス濃度が所定値以下に低下したときに、このアノードオフガスをバッファの外部に排出する制御が行われる。しかし、これらの技術では、各セルに設けられた燃料ガス流路の圧損に製造上のバラツキが存在し、各セルにおける燃料ガス濃度の低下についても同様のバラツキが存在するにも関わらず、燃料電池スタック全体としての燃料ガス濃度の低下、あるいは、不純物ガス濃度の上昇を検出することしかできなかった。このため、各セルにおける先に説明した不具合を個別に回避するためには、燃料ガスを含むアノードオフガスの燃料電池の外部への排出頻度を比較的高く設定する必要があり、依然として、発電に利用すべき燃料ガスを無駄に排出していた。つまり、燃料電池スタックにおける燃料ガスの有効利用に関し、改善の余地があった。
【０００８】
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、アノードデッドエンド型燃料電池において、燃料ガスを有効利用するとともに、燃料電池が備える膜電極接合体のカーボン酸化による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】
【０００９】
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、
所定の電解質膜の両面に、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、複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、
前記各セルのアノードに燃料ガスを分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドと、
前記各セルのアノードで未消費のアノードオフガスを集合させて前記燃料電池の外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドと、を備えており、
前記各セルは、前記燃料ガス供給マニホールドから供給された燃料ガスを、前記アノードの表面に沿って流すとともに、前記アノードオフガスを前記アノードオフガス排出マニホールドに流すための燃料ガス流路をそれぞれ備えており、
複数の前記セルは、
第１の燃料ガス流路を備える第１のセルと、
少なくとも一部の領域において、発電時に、前記第１の燃料ガス流路よりも前記燃料ガスの濃度が低下しやすい流路構造を有する第２の燃料ガス流路を備える第２のセルと、を含み、
前記第２のセルは、
前記第２の燃料ガス流路における前記燃料ガスの濃度の低下に関連する所定のパラメータ値を検出するためのセンサを備えることを要旨とする。
【００１０】
本発明は、先に説明したアノードデッドエンド型燃料電池に適用される。そして、本発明の燃料電池において、第２のセルが備える第２の燃料ガス流路は、少なくとも一部の領域において、発電時に、第１のセルが備える第１の燃料ガス流路よりも燃料ガスの相対的な濃度が低下しやすい流路構造、換言すれば、不純物ガスの濃度が上昇しやすい流路構造を有している。したがって、燃料電池に多数の第１のセルが備えられており、そのうちの各第１の燃料ガス流路の圧損に製造上のバラツキが存在する場合であっても、すべての第１の燃料ガス流路内の燃料ガスの濃度は、第２の燃料ガス流路内の燃料ガスの濃度よりも高くなる。
【００１１】
そして、本発明では、上記センサによって、複数のセルの中で最も燃料ガスの濃度が低下しやすい、第２のセルが備える第２の燃料ガス流路における燃料ガスの濃度の低下に関連する所定のパラメータ値を検出することができる。したがって、上記センサによって検出されたパラメータ値に基づいて、第２の燃料ガス流路における燃料ガスの濃度が所定濃度以下に低下した、すなわち、不純物ガスの濃度が所定値以上に上昇したと判断した場合に、第１のセルにおいても燃料ガスの濃度が所定濃度以下に低下しつつある、すなわち、不純物ガスの濃度が所定濃度以上に上昇しつつあると判断することが可能となる。所定濃度は、上述した膜電極接合体のカーボン酸化による劣化が生じない範囲内で、任意に設定可能である。そして、この判断時点で、第１のセル、および、第２のセルを含む各セル内に滞留しているアノードオフガスを、アノードオフガス排出マニホールドから燃料電池の外部に排出するようにすれば、第１の燃料ガス流路、および、第２の燃料ガス流路に滞留した不純物ガスを燃料電池の外部に排出して、燃料ガスの濃度を正常な濃度に戻し、すべてのセルが備える膜電極接合体のカーボン酸化による劣化を防止するようにすることができる。また、アノードオフガスの排出タイミングを判断するために用いられる上記所定濃度を適切に設定することによって、アノードオフガス中に未消費のまま残留する燃料ガスを極力燃料電池の外部に排出することなく、発電に有効利用することができる。
【００１２】
つまり、本発明によって、燃料ガスを有効利用するとともに、燃料電池が備える膜電極接合体のカーボン酸化による劣化を抑制することができる。
【００１３】
なお、本発明において、第２のセルは、単数であってもよいし、複数であってもよい。燃料電池スタックに複数の第２のセルを配置する場合には、例えば、複数の第２のセルのうちで、最も燃料ガスの濃度が低下した第２のセルを基準として、燃料電池の外部へのアノードオフガスの排出タイミングを判断するようにすることが好ましい。
【００１４】
上記燃料電池において、
前記第２の燃料ガス流路は、前記流路構造として、
該第２の燃料ガス流路の一部の流路断面積を狭窄した狭窄部と、
該狭窄部以外の非狭窄部と、を備え、
前記狭窄部の下流側の前記非狭窄部において、前記第１の燃料ガス流路よりも圧力が低下し、
前記センサは、前記狭窄部の下流側の前記非狭窄部に備えられているようにしてもよい。
【００１５】
第２の燃料ガス流路に、狭窄部と非狭窄部を備えるようにすることによって、第２の燃料ガス流路の圧損が、第１の燃料ガス流路の圧損よりも大きくなり、発電中に、狭窄部の下流側の非狭窄部における圧力は、他の部位よりも低くなるので、狭窄部の下流側の非狭窄部には、第２のセルで生じた不純物ガスが滞留する以外に、第１のセルで生じた不純物ガスもアノードオフガス排出マニホールドを通じて流れ込んで滞留し、相対的な燃料ガスの濃度が低下する。したがって、上記センサを狭窄部の下流側の非狭窄部に備えるようにすることよって、燃料電池スタックにおける燃料ガスの濃度の低下、すなわち、不純物ガスの濃度の上昇を、効果的に検出することができる。
【００１６】
上記燃料電池において、
前記センサは、前記所定のパラメータ値として、前記燃料ガスの濃度、および、前記燃料ガス以外の所定のガスの濃度のうちの少なくとも一方を検出する濃度センサであるものとしてもよい。
【００１７】
こうすることによって、燃料電池スタックにおける燃料ガスの濃度の低下、すなわち、不純物ガスの濃度の上昇を検出することができる。なお、燃料ガス以外の所定のガスとしては、例えば、窒素が挙げられる。
【００１８】
また、前記センサは、前記所定のパラメータ値として、前記狭窄部の下流側における前記アノード、または、前記カソードの局所的な電位を検出する電位センサであるものとしてもよい。
【００１９】
アノード側の燃料ガスの濃度が低下すると、この燃料ガスの濃度が低下した領域における局所的な発電性能が低下するとともに、この領域におけるアノード電位や、この領域に対して電解質膜を挟んで対向するカソードの領域における局所的なカソード電位が上昇する。したがって、上記構成によって、燃料電池スタックにおける燃料ガスの濃度の低下、あるいは、不純物ガスの濃度の上昇を、間接的に検出することができる。
【００２０】
また、前記センサは、前記パラメータ値として、前記膜電極接合体における、前記狭窄部の下流側と対向する局所的な領域で発電された電流を検出する電流センサであるものとしてもよい。
【００２１】
アノード側の燃料ガスの濃度が低下すると、発電量が低下するため、膜電極接合体において、この燃料ガスの濃度が低下した局所的な領域に流れる電流が低下する。したがって、上記構成によって、燃料電池スタックにおける燃料ガスの濃度の低下、すなわち、不純物ガスの濃度の上昇を、間接的に検出することができる。
【００２２】
本発明の燃料電池において、
前記第２の燃料ガス流路は、
圧損が前記第１の燃料ガス流路とほぼ等しく、かつ、流路長が前記第１の燃料ガス流路よりも短くなるように形成されており、
前記センサは、前記パラメータ値として、前記第２のセルの開回路電圧を検出する電圧センサであるものとしてもよい。
【００２３】
本発明において、第２のセルは、第２のセルの開回路電圧を検出する電圧センサを備えており、第２のセルで発電された電流は、第１のセルや、燃料電池に接続される負荷には流されない。すなわち、第２のセルは、第２の燃料ガス流路における燃料ガス流路における燃料ガスの濃度の低下、あるいは、不純物ガスの濃度の上昇を検出するためだけに用いられる。そして、本発明では、第２の燃料ガス流路は、圧損が第１の燃料ガス流路とほぼ等しく、かつ、流路長が第１の燃料ガス流路よりも短くなるように形成されており、第のガス流路の容積は、第１のガス流路の容積よりも少ないので、第２の燃料ガス流路における燃料ガスの濃度、あるいは、不純物ガスの濃度は、第１の燃料ガス流路における燃料ガスの濃度、あるいは、不純物ガスの濃度よりも変化しやすくなる。したがって、上記構成によって、第２の燃料ガス流路における燃料ガスの濃度の低下、すなわち、不純物ガスの濃度の上昇を、感度良く検出することができる。
【００２４】
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、
前記アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管と、
前記排出配管に配設された排出弁と、
前記排出弁の排出量を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記排出弁がしぼられた状態で、前記各セルのアノード、および、カソードに、それぞれ燃料ガス、および、酸化剤ガスを供給して、前記燃料電池による発電を行うとともに、該燃料電池による発電中に、前記センサによって、前記パラメータ値を検出し、該検出されたパラメータ値に基づいて、前記第２の燃料ガス流路における前記燃料ガスの濃度が所定値以下に低下したと判断したときに、前記排出弁を開くことを要旨とする。
【００２５】
こうすることによって、先に説明した、燃料ガスを有効利用するとともに、燃料電池が備える膜電極接合体のカーボン酸化による劣化を抑制することが可能なアノードデッドエンド型燃料電池を用いた燃料電池システムを構成することができる。
【００２６】
本発明は、上述した種々の特徴を、適宜、組み合わせて構成することができる。また、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。
【００２７】
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】
【００２８】
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．燃料電池システムの構成：
Ｂ．第１実施例：
Ｂ１．セルの構成：
Ｂ２．不純物ガス排出処理：
Ｃ．第２実施例：
Ｃ１．セルの構成：
Ｃ２．不純物ガス排出処理：
Ｄ．第３実施例：
Ｄ１．セル、および、集電板の構成：
Ｄ２．不純物ガス排出処理：
Ｅ．第４実施例：
Ｅ１．セルの構成：
Ｅ２．不純物ガス排出処理：
Ｆ．第５実施例
Ｇ．変形例：
【００２９】
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一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。この燃料電池システム１０００において、燃料電池スタック１００を除いた基本的な構成は、後述する各実施例において同じである。
【００３０】
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、複数積層させたスタック構造を有している。各セル４０は、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。アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、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。
【００３１】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数のセル４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂ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。また、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各セル４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各セル４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。
【００３２】
本実施例の燃料電池スタック１００は、複数のセル４０として、複数の第１のセル４０Ａと、１枚の第２のセル４０Ｂとを備えている。そして、第２のセル４０Ｂは、発電中の水素濃度のモニタ用に用いられ、後述するように、第１のセル４０Ａとは、内部構造が異なっている。図示した例では、第２のセル４０Ｂは、集電板３０ａに隣接する位置に配置されているものとしたが、他の位置に配置するものとしてもよい。
【００３３】
エンドプレート１０ａ，１０ｂ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２０ａ，２０ｂ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３０ａ，３０ｂ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３０ａ，３０ｂ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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、水素供給マニホールドを介して、各セル４０のアノードに供給される。各セル４０から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管５４を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。アノードオフガスを燃料電池スタック１００の外部に排出するか否かは、排出配管５４に配設された排出弁５５の開閉状態を切り換えることによって行われる。なお、アノードオフガスを燃料電池スタック１００の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。
【００３７】
燃料電池スタック１００のカソードには、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。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールドを介して、各セル４０のカソードに供給される。各セル４０のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２からは、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。なお、この燃料電池システム１０００は、先に説明した、いわゆるアノードデッドエンド型燃料電池システムであり、通常の発電中には、排出弁５５は閉弁されており、制御ユニット８０は、後述するように、燃料電池スタック１００のアノードに流れるガス中の不純物ガスの濃度が上昇し、相対的な水素濃度が所定値以下に低下したときに、不純物ガスを含むアノードオフガスを燃料電池スタック１００の外部に排出する制御（後述する不純物ガス排出処理）が行われる。制御ユニット８０は、本発明における制御部に相当する。
【００４０】
Ｂ．第１実施例：
Ｂ１．セルの構成：
まず、第１のセル４０Ａの構成について説明する。なお、この第１のセル４０Ａは、後述する第２ないし第４実施例においても同じであるから、第２ないし第４実施例では、第１のセル４０Ａについての説明は省略する。
【００４１】
図２は、第１のセル４０Ａの概略構成を示す説明図である。第１のセル４０Ａの分解斜視図を示した。図示するように、第１のセル４０Ａは、矩形形状を有しており、膜電極接合体４１０の周囲にシール構造（図示省略）を有するフレーム部材を配置したユニット（以下、「シールガスケット一体型ＭＥＡ（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）」と呼ぶ）の両面を、カソード側セパレータ４２Ａ、および、アノード側セパレータ４３Ａによって挟持することによって構成されている。本実施例では、フレーム部材として、シリコーンゴムを用いるものとした。
【００４２】
図示するように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａ、カソード側セパレータ４２Ａ、および、アノード側セパレータ４３Ａの一方の短辺部には、それぞれ水素供給マニホールドを形成する貫通孔４１ａｉ，４２ａｉ，４３ａｉ、および、アノードオフガス排出マニホールドを形成する貫通孔４１ａｏ，４２ａｏ，４３ａｏが形成されている。また、これらと対向する側の短辺部には、空気供給マニホールドを形成する貫通孔４１ｃｉ，４２ｃｉ，４３ｃｉ、および、カソードオフガス排出マニホールドを形成する貫通孔４１ｃｏ，４２ｃｏ，４３ｃｏが形成されている。シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａに形成された貫通孔４１ａｉ，４１ａｏ，４１ｃｉ，４１ｃｏと、カソード側セパレータ４２Ａに形成された貫通孔４２ａｉ，４２ａｏ，４２ｃｉ，４２ｃｏと、アノード側セパレータ４３Ａに形成された貫通孔４３ａｉ，４３ａｏ，４３ｃｉ，４３ｃｏとは、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａと、カソード側セパレータ４２Ａと、アノード側セパレータ４３Ａとを積層したときに、それぞれ同じ位置に重なるように配置されている。
【００４３】
そして、膜電極接合体４１０のアノードと対向するアノード側セパレータ４３Ａの表面には、図示するように、貫通孔４３ａｉから貫通孔４３ａｏに、膜電極接合体４１０のアノード表面全体に沿って水素が蛇行して流れるように、溝部４３ｄが形成されている。図中に破線で示した矢印は、水素、および、アノードオフガスの流れを示している。これは、後に図示する各セルにおいても同じである。第１のセル４０Ａが備えるアノード側セパレータ４３Ａにおける溝部４３ｄは、本発明における第１の燃料ガス流路に相当する。
【００４４】
また、図示は省略しているが、膜電極接合体４１０のカソードと対向するカソード側セパレータ４２Ａの表面にも、アノード側セパレータ４３Ａと同様に、貫通孔４２ｃｉから貫通孔４２ｃｏに、膜電極接合体４１０のカソード表面全体に沿って空気が蛇行して流れるように、溝部が形成されている。図中に一点鎖線で示した矢印は、空気、および、カソードオフガスの流れを示している。これは、後に図示する各セルにおいても同じである。
【００４５】
なお、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａ、カソード側セパレータ４２Ａ、および、アノード側セパレータ４３Ａには、実際には、冷却水供給マニホールド、および、冷却水排出マニホールドを形成する貫通孔や、冷却水流路も形成されているが、ここでは図示、および、説明の簡略化のため、省略した。
【００４６】
次に、第２のセル４０Ｂの構成について説明する。
図３は、第１実施例における第２のセル４０Ｂの概略構成を示す説明図である。第２のセル４０Ｂの分解斜視図を示した。図示するように、第２のセル４０Ｂも、第１のセル４０Ａと同様に、矩形形状を有しており、膜電極接合体４１０の周囲にシール構造を有するフレーム部材を配置したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂの両面を、カソード側セパレータ４２Ｂ、および、アノード側セパレータ４３Ｂによって挟持することによって構成されている。
【００４７】
第２のセル４０Ｂを構成するシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂ、カソード側セパレータ４２Ｂ、アノード側セパレータ４３Ｂにおける各貫通孔の形状や配置は、第１のセル４０Ａを構成するシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａ、カソード側セパレータ４２Ａ、アノード側セパレータ４３Ａと同じである。また、第２のセル４０Ｂを構成するシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｂ、および、カソード側セパレータ４２Ｂは、第１のセル４０Ａを構成するシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａ、および、カソード側セパレータ４２Ａと同じである。
【００４８】
アノード側セパレータ４３Ｂの表面には、アノード側セパレータ４３Ａと同様に、貫通孔４３ａｉから貫通孔４３ａｏに、膜電極接合体４１０のアノード表面全体に沿って水素が蛇行して流れるように、溝部４３Ｂｄが形成されている。ただし、図示するように、この溝部４３Ｂｄの下流側の貫通孔４３ａｏ近傍の一部の領域には、流路断面積を狭窄するための狭窄部４３ｅが形成されている。この狭窄部４３ｅは、アノード側セパレータ４３Ｂに一体的に形成するようにしてもよいし、溝部４３Ｂｄに別部材を接合することによって形成するようにしてもよい。そして、狭窄部４３ｅの下流側の、狭窄部４３ｅと貫通孔４３ａｏとの間の溝部４３Ｂｄには、水素濃度を検出するための水素濃度センサ４３ｓが設置されている。アノード側セパレータ４３Ｂにおける溝部４３Ｂｄは、本発明における第２の燃料ガス流路に相当する。また、溝部４３Ｂｄにおける狭窄部４３ｅ以外の領域は、本発明における非狭窄部に相当する。以下、狭窄部４３ｅと貫通孔４３ａｏとの間の溝部４３Ｂｄを、「狭窄部４３ｅの下流側の非狭窄部」と呼ぶ。
【００４９】
第１のセル４０Ａ、および、第２のセル４０Ｂを、上述したように構成することによって、図１に示した排出弁５５を閉弁した状態で発電を行ったときに、第２のセル４０Ｂのアノード側セパレータ４３Ｂの狭窄部４３ｅの下流側の非狭窄部における圧力は、他の部位よりも低くなるので、狭窄部４３ｅの下流側の非狭窄部には、第２のセル４０Ｂで生じた不純物ガスが滞留する以外に、第１のセル４０Ａで生じた不純物ガスもアノードオフガス排出マニホールドを通じて流れ込んで滞留する。つまり、第２のセル４０Ｂのアノード側セパレータ４３Ｂにおける狭窄部４３ｅの下流側の非狭窄部は、他のいずれの第１のセル４０Ａのアノード側セパレータ４３Ａにおける溝部４３ｄよりも、不純物ガスの濃度の上昇によって相対的な水素濃度が低下しやすくなる。したがって、第２のセル４０Ｂのアノード側セパレータ４３Ｂにおける狭窄部４３ｅの下流側の非狭窄部に水素濃度センサ４３ｓを設置することによって、燃料電池スタック１００における水素濃度の低下、すなわち、不純物ガスの濃度の上昇を、効果的に検出することができる。
【００５０】
Ｂ２．不純物ガス排出処理：
図４は、第１実施例における不純物ガス排出処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、発電中に、制御ユニット８０のＣＰＵが、随時実行する処理である。なお、不純物ガス排出処理を開始する時点では、排出弁５５は、閉弁されている。
【００５１】
まず、ＣＰＵは、水素濃度センサ４３ｓによって、第２のセル４０Ｂが備えるアノード側セパレータ４３Ｂの狭窄部４３ｅの下流側の非狭窄部における水素濃度を検出し（ステップＳ１００）、この検出された水素濃度が所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。この水素濃度についての所定値としては、例えば、膜電極接合体４１０のカソード側の触媒層が、水素濃度の低下によってカーボン酸化しない範囲内の下限値が設定されている。
【００５２】
そして、ＣＰＵは、ステップＳ１１０において検出された水素濃度が所定値以下である場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、排出弁５５を開弁し（ステップＳ１２０）、アノードオフガスに含まれる不純物ガスを、燃料電池スタック１００の外部に排出する。一方、水素濃度が所定値よりも大きい場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ステップＳ１００、および、ステップＳ１１０を繰り返し継続する。
【００５３】
そして、ＣＰＵは、排出弁５５の開弁後、所定時間が経過した否かを判断する（ステップＳ１３０）。この所定時間としては、燃料電池スタック１００中の不純物ガスを、燃料電池スタック１００の外部に十分に排出するために必要な時間が設定されている。
【００５４】
そして、ＣＰＵは、ステップＳ１３０において、所定時間が経過した場合には（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、排出弁５５を閉弁し（ステップＳ１４０）、不純物ガスを含むアノードオフガスの燃料電池スタック１００の外部への排出を停止する。
【００５５】
以上説明した第１実施例の燃料電池システムによれば、いわゆるアノードデッドエンド型の燃料電池システム１０００において、燃料ガスとしての水素を有効利用するとともに、燃料電池スタック１００が備える膜電極接合体４１０のカーボン酸化による劣化を抑制することができる。
【００５６】
Ｃ．第２実施例：
Ｃ１．セルの構成：
図５は、第２実施例における第２のセル４０Ｃの概略構成を示す説明図である。第２のセル４０Ｃの分解斜視図を示した。図示するように、第２実施例における第２のセル４０Ｂも、第１のセル４０Ａと同様に、矩形形状を有しており、膜電極接合体４１０Ｃの周囲にシール構造を有するフレーム部材を配置したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｃの両面を、カソード側セパレータ４２Ｃ、および、アノード側セパレータ４３Ｃによって挟持することによって構成されている。
【００５７】
第２のセル４０Ｃを構成するシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｃ、カソード側セパレータ４２Ｃ、アノード側セパレータ４３Ｃにおける各貫通孔の形状や配置は、第１のセル４０Ａを構成するシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａ、カソード側セパレータ４２Ａ、アノード側セパレータ４３Ａと同じである。また、第２のセル４０Ｃを構成するカソード側セパレータ４２Ｃは、第１のセル４０Ａを構成するカソード側セパレータ４２Ａと同じである。
【００５８】
アノード側セパレータ４３Ｃの表面には、第１実施例におけるアノード側セパレータ４３Ｂと同様に、貫通孔４３ａｉから貫通孔４３ａｏに、膜電極接合体４１０のアノード表面全体に沿って水素が蛇行して流れるように、溝部４３Ｃｄが形成されており、さらに、この溝部４３Ｃｄの下流側の貫通孔４３ａｏ近傍の一部の領域には、流路断面積を狭窄するための狭窄部４３ｅが形成されている。ただし、アノード側セパレータ４３Ｃには、第１実施例におけるアノード側セパレータ４３Ｂとは異なり、狭窄部４３ｅの下流側の、狭窄部４３ｅと貫通孔４３ａｏとの間の溝部４３Ｂｄに、水素濃度センサ４３ｓは設置されていない。この代わりに、図示するように、第１実施例において水素濃度センサ４３ｓが設置されていた狭窄部４３ｅの下流側の非狭窄部に対応する膜電極接合体４１０Ｃのカソード上に、カソード上の他の領域とは絶縁された部分電極４１０ｐが配置されている。そして、第２のセル４０Ｃには、部分電極４１０ｐの部分電位、すなわち、局所的なカソード電位を検出するための電位センサ４４が設置されている。
【００５９】
第１のセル４０Ａ、および、第２のセル４０Ｃを、上述したように構成することによって、図１に示した排出弁５５を閉弁した状態で発電を行ったときに、先に第１実施例で説明したのと同様に、第２のセル４０Ｃのアノード側セパレータ４３Ｃにおける狭窄部４３ｅの下流側の非狭窄部は、他のいずれの第１のセル４０Ａのアノード側セパレータ４３Ａにおける溝部４３ｄよりも、不純物ガスの濃度の上昇によって相対的な水素濃度が低下しやすくなる。そして、この領域において水素濃度が低下すると、この領域に対して電解質膜と挟んで対向する領域における局所的なカソード電位が上昇する。したがって、電位センサ４４によって、部分電極４１０ｐのカソード電位を検出することによって、燃料電池スタック１００における水素濃度の低下、すなわち、不純物ガスの濃度の上昇を、間接的に検出することができる。
【００６０】
Ｃ２．不純物ガス排出処理：
図６は、第２実施例における不純物ガス排出処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、発電中に、制御ユニット８０のＣＰＵが、随時実行する処理である。なお、不純物ガス排出処理を開始する時点では、排出弁５５は、閉弁されている。
【００６１】
まず、ＣＰＵは、電位センサ４４によって、部分電極４１０ｐの部分電位を検出し（ステップＳ２００）、この検出された部分電位が所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ２１０）。この部分電位についての所定値としては、例えば、膜電極接合体４１０のカソード側の触媒層が、水素濃度の低下によってカーボン酸化しない範囲内の上限値が設定されている。
【００６２】
そして、ＣＰＵは、ステップＳ２１０において検出された部分電極４１０ｐの部分電位が所定値以上である場合には（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、アノードオフガスに含まれる不純物濃度が上昇し、相対的な水素濃度が過剰に低下したと判断して、排出弁５５を開弁し（ステップＳ２２０）、アノードオフガスに含まれる不純物ガスを、燃料電池スタック１００の外部に排出する。一方、部分電極４１０ｐの部分電位が所定値よりも小さい場合には（ステップＳ２１０：ＮＯ）、ステップＳ２００、および、ステップＳ２１０を繰り返し継続する。
【００６３】
そして、ＣＰＵは、排出弁５５の開弁後、所定時間が経過した否かを判断する（ステップＳ２３０）。この所定時間としては、燃料電池スタック１００中の不純物ガスを、燃料電池スタック１００の外部に十分に排出するために必要な時間が設定されている。
【００６４】
そして、ＣＰＵは、ステップＳ２３０において、所定時間が経過した場合には（ステップＳ２４０：ＹＥＳ）、排出弁５５を閉弁し（ステップＳ２４０）、不純物ガスを含むアノードオフガスの燃料電池スタック１００の外部への排出を停止する。
【００６５】
以上説明した第２実施例の燃料電池システムによっても、いわゆるアノードデッドエンド型の燃料電池システム１０００において、燃料ガスとしての水素を有効利用するとともに、燃料電池スタック１００が備える膜電極接合体４１０Ｃのカーボン酸化による劣化を抑制することができる。
【００６６】
Ｄ．第３実施例：
Ｄ１．セル、および、集電板の構成：
図７は、第３実施例における第２のセル４０Ｄの概略構成を示す説明図である。第２のセル４０Ｄの分解斜視図を示した。図示するように、第３実施例における第２のセル４０Ｄも、第１のセル４０Ａと同様に、矩形形状を有しており、膜電極接合体４１０Ｄの周囲にシール構造を有するフレーム部材を配置したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｄの両面を、カソード側セパレータ４２Ｄ、および、アノード側セパレータ４３Ｄによって挟持することによって構成されている。
【００６７】
第２のセル４０Ｄを構成するシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｄ、カソード側セパレータ４２Ｄ、アノード側セパレータ４３Ｄにおける各貫通孔の形状や配置は、第１のセル４０Ａを構成するシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａ、カソード側セパレータ４２Ａ、アノード側セパレータ４３Ａと同じである。また、第２のセル４０Ｄを構成するシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｄ，および、カソード側セパレータ４２Ｃは、第１のセル４０Ａを構成するシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａ、および、カソード側セパレータ４２Ａと同じである。また、アノード側セパレータ４３Ｄは、第２実施例におけるアノード側セパレータ４３Ｃと同じであり、アノード側セパレータ４３Ｄの表面には、貫通孔４３ａｉから貫通孔４３ａｏに、膜電極接合体４１０のアノード表面全体に沿って水素が蛇行して流れるように、溝部４３Ｄｄが形成されており、さらに、この溝部４３Ｄｄの下流側の貫通孔４３ａｏ近傍の一部の領域には、流路断面積を狭窄するための狭窄部４３ｅが形成されている。
【００６８】
なお、この第２のセル４０Ｄは、燃料電池スタック１００の端部、すなわち、図１に示した集電板３０ａに隣接する位置に配置されている。本実施例では、この集電板の構造が集電板３０ａと異なるため、集電板３０Ｄａと呼ぶ。
【００６９】
図８は、第３実施例における集電板３０Ｄａを示す説明図である。図８（ａ）に、第２のセル４０Ｄ側から見た集電板３０Ｄａの平面図を示し、図８（ｂ）には、図８（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。なお、図８（ａ）において、電流取り出し用の端子の図示は省略されている。
【００７０】
図８（ａ）に示したように、集電板３０Ｄａは、第２のセル４０Ｄと同様に、矩形形状を有しており、第２のセル４０Ｄにおける水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールドを形成する貫通孔と対応する同じ位置に、貫通孔３０ａｉ，３０ｃｉ，３０ａｏ，３０ｃｏが形成されている。そして、アノード側セパレータ４３Ｄにおける狭窄部４３ｅの下流側の非狭窄部に対応する位置であって、アノード側セパレータ４３Ｄと当接する集電板３０Ｄａ上の位置に、その領域の膜電極接合体４１０で発電されて、局所的に流れる局所電流を検出する局所電流検出部３００が設けられている。
【００７１】
この局所電流検出部３００は、図８（ｂ）に示したように、局所電流測定板３１０と、絶縁性部材３２０と、接続子３３０と、電流センサ３４０とを備えている。そして、局所電流測定板３１０は、絶縁性部材３２０によって、周囲の集電板３０Ｄａと絶縁されている。また、局所電流測定板３１０は、アノード側セパレータ４３Ｄと集電板３０Ｄａとを当接させたときに、集電板３０Ｄａと局所電流測定板３１０とが、ともにアノード側セパレータ４３Ｄと当接するように、局所電流測定板３１０の表面の高さが集電板３０Ｄａの表面と一致するように設置されている。また、局所電流測定板３１０と周囲の集電板３０Ｄａとは、接続子３３０によって接続されており、この接続子３３０上に配設された電流センサ３４０によって、局所電流測定板３１０に流れる局所電流を検出することができる。
【００７２】
先に説明したように、図１に示した排出弁５５を閉弁した状態で発電を行ったときには、第２のセル４０Ｄのアノード側セパレータ４３Ｄにおける狭窄部４３ｅの下流側の非狭窄部は、他のいずれの第１のセル４０Ａのアノード側セパレータ４３Ａにおける溝部４３ｄよりも、不純物ガスの濃度の上昇によって相対的な水素濃度が低下しやすくなる。そして、この領域において水素濃度が低下すると、この領域における膜電極接合体４１０での発電量が局所的に低下し、この局所的な領域に流れる電流が低下する。したがって、局所電流検出部３００の電流センサ３４０によって、水素濃度が低下しやすい領域を流れる局所電流を検出することによって、燃料電池スタック１００における水素濃度の低下、すなわち、不純物ガスの濃度の上昇を、間接的に検出することができる。
【００７３】
Ｄ２．不純物ガス排出処理：
図９は、第３実施例における不純物ガス排出処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、発電中に、制御ユニット８０のＣＰＵが、随時実行する処理である。なお、不純物ガス排出処理を開始する時点では、排出弁５５は、閉弁されている。
【００７４】
まず、ＣＰＵは、電流センサ３４０によって、局所電流測定板３１０に流れる局所電流を検出し（ステップＳ３００）、この検出された局所電流が所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ３１０）。この局所電流についての所定値としては、例えば、膜電極接合体４１０のカソード側の触媒層が、水素濃度の低下によってカーボン酸化しない範囲内の下限値が設定されている。
【００７５】
そして、ＣＰＵは、ステップＳ３１０において検出された局所電流が所定値以下である場合には（ステップＳ３１０：ＹＥＳ）、アノードオフガスに含まれる不純物濃度が上昇し、相対的な水素濃度が過剰に低下したと判断して、排出弁５５を開弁し（ステップＳ３２０）、アノードオフガスに含まれる不純物ガスを、燃料電池スタック１００の外部に排出する。一方、局所電流が所定値よりも大きい場合には（ステップＳ３１０：ＮＯ）、ステップＳ３００、および、ステップＳ３１０を繰り返し継続する。
【００７６】
そして、ＣＰＵは、排出弁５５の開弁後、所定時間が経過した否かを判断する（ステップＳ３３０）。この所定時間としては、燃料電池スタック１００中の不純物ガスを、燃料電池スタック１００の外部に十分に排出するために必要な時間が設定されている。
【００７７】
そして、ＣＰＵは、ステップＳ３３０において、所定時間が経過した場合には（ステップＳ３４０：ＹＥＳ）、排出弁５５を閉弁し（ステップＳ１４０）、不純物ガスを含むアノードオフガスの燃料電池スタック１００の外部への排出を停止する。
【００７８】
以上説明した第３実施例の燃料電池システムによっても、いわゆるアノードデッドエンド型の燃料電池システム１０００において、燃料ガスとしての水素を有効利用するとともに、燃料電池スタック１００が備える膜電極接合体４１０のカーボン酸化による劣化を抑制することができる。
【００７９】
Ｅ．第４実施例：
Ｅ１．セルの構成：
図１０は、第４実施例における第２のセル４０Ｅを構成するカソード側セパレータ４２Ｅ、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｅ、アノード側セパレータ４３Ｅを示す説明図である。第４実施例における第２のセル４０Ｅ、第１のセル４０Ａと同様に、矩形形状を有しており、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｅの両面を、カソード側セパレータ４２Ｅ、および、アノード側セパレータ４３Ｅによって挟持することによって構成されている。
【００８０】
図１０（ａ）に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｅ側から見たカソード側セパレータ４２Ｅの斜視図を示した。図１０（ｂ）には、カソード側セパレータ４２Ｅ側から見たシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｅの斜視図を示した。図１０（ｃ）には、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｅ側から見たアノード側セパレータ４３Ｅの斜視図を示した。
【００８１】
図示するように、第２のセル４０Ｅを構成するシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｅ、カソード側セパレータ４２Ｅ、アノード側セパレータ４３Ｅにおける各貫通孔の形状や配置は、第１のセル４０Ａを構成するシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ａ、カソード側セパレータ４２Ａ、アノード側セパレータ４３Ａと同じである。
【００８２】
また、図１０（ｂ）に示したように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｅにおいて、膜電極接合体４１０Ｅは、上述した第１ないし第３実施例とは、全く異なり、貫通孔４１ａｉと貫通孔４１ａｏとの間の狭い領域に配置されている。そして、上述した第１ないし第３実施例では膜電極接合体が配置されていたシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｅのほぼ中央部に、金属板等の導電性部材４２０が配置されている。
【００８３】
そして、図１０（ｃ）に示したように、アノード側セパレータ４３Ｅの表面には、貫通孔４３ａｉから貫通孔４３ａｏに、膜電極接合体４１０Ｅのアノード表面に沿って水素が流れるように、第１のセル４０Ａにおける溝部４３ｄよりも流路長が十分に短い溝部４３Ｅｄが形成されている。なお、溝部４３Ｅｄによって構成されるガス流路の圧損は、第１のセル４０Ａにおいて溝部４３ｄによって構成されるガス流路の圧損とほぼ同じである。
【００８４】
また、図１０（ａ）に示したように、カソード側セパレータ４２Ｅの表面には、貫通孔４２ｃｉから貫通孔４２ｃｏに、膜電極接合体４１０Ｅのカソード表面に沿って空気が流れるように、溝部４２Ｅｄが形成されている。
【００８５】
なお、図１０（ａ），（ｂ）に示したように、カソード側セパレータ４２Ｅ、および、アノード側セパレータ４３Ｅには、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｅに配置された膜電極接合体４１０Ｅで発電された電流が、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｅの導電性部材４２０や、第２のセル４０Ｅと隣接する第１のセル４０Ａに流れないように、それぞれ絶縁性部材４２ｉ、および、絶縁性部材４３ｉが配置されている。
【００８６】
図１１は、第２のセル４０Ｅの断面図である。図１０（ｂ）中におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００８７】
図示するように、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｅに配置された膜電極接合体４１０Ｅは、電解質膜４１１のアノード側の面に、アノード側触媒層４１２、および、アノード側ガス拡散層４１４が、この順に接合されており、カソード側の面には、カソード側触媒層４１３、および、カソード側ガス拡散層４１５が、この順に接合されている。そして、この膜電極接合体４１０Ｅでは、アノード側セパレータ４３Ｅの溝部４３Ｅｄから供給された水素と、カソード側セパレータ４２Ｅの溝部４２Ｅｄから供給された空気中の酸素との電気化学反応によって、発電が行われる。ただし、先に説明したように、カソード側セパレータ４２Ｅ、およびアノード側セパレータ４３Ｅに、それぞれ絶縁性部材４２ｉ、および、絶縁性部材４３ｉが配置されているので、膜電極接合体４１０Ｅで発電された電流は、隣接する第１のセル４０Ａや、燃料電池スタック１００に接続された負荷には流れない。なお、図示するように、第２のセル４０Ｅには、電圧センサ４５が接続されており、第２のセル４０Ｅの開回路電圧を検出することができる。
【００８８】
第２のセル４０Ｅを上述したように構成することによって、図１に示した排出弁５５を閉弁した状態で発電を行ったときに、第２のセル４０Ｅのアノード側セパレータ４３Ｅの溝部４３Ｅｄにおける水素濃度は、他のいずれの第１のセル４０Ａのアノード側セパレータ４３Ａにおける溝部４３ｄよりも低下し、膜電極接合体４１０Ｅによる発電性能が低下しやすくなる。したがって、電圧センサ４５によって第２のセル４０Ｅの開回路電圧を検出することによって、燃料電池スタック１００における水素濃度の低下、すなわち、不純物ガスの濃度の上昇を、感度良く検出することができる。
【００８９】
Ｅ２．不純物ガス排出処理：
図１２は、第４実施例における不純物ガス排出処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、発電中に、制御ユニット８０のＣＰＵが、随時実行する処理である。なお、不純物ガス排出処理を開始する時点では、排出弁５５は、閉弁されている。
【００９０】
まず、ＣＰＵは、電圧センサ４５によって、第２のセル４０Ｅの開回路電圧を検出し（ステップＳ４００）、この検出された開回路電圧が所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ４１０）。この開回路電圧についての所定値としては、例えば、膜電極接合体４１０Ｅのカソード側の触媒層が、水素濃度の低下によってカーボン酸化しない範囲内の下限値が設定されている。
【００９１】
そして、ＣＰＵは、ステップＳ４１０において検出された開回路電圧が所定値以下である場合には（ステップＳ４１０：ＹＥＳ）、アノードオフガスに含まれる不純物濃度が上昇し、相対的な水素濃度が過剰に低下したと判断して、排出弁５５を開弁し（ステップＳ４２０）、アノードオフガスに含まれる不純物ガスを、燃料電池スタック１００の外部に排出する。一方、第２のセル４０Ｅの開回路電圧が所定値よりも大きい場合には（ステップＳ４１０：ＮＯ）、ステップＳ４００、および、ステップＳ４１０を繰り返し継続する。
【００９２】
そして、ＣＰＵは、排出弁５５の開弁後、所定時間が経過した否かを判断する（ステップＳ４３０）。この所定時間としては、燃料電池スタック１００中の不純物ガスを、燃料電池スタック１００の外部に十分に排出するために必要な時間が設定されている。
【００９３】
そして、ＣＰＵは、ステップＳ４３０において、所定時間が経過した場合には（ステップＳ４４０：ＹＥＳ）、排出弁５５を閉弁し（ステップＳ４４０）、不純物ガスを含むアノードオフガスの燃料電池スタック１００の外部への排出を停止する。
【００９４】
以上説明した第４実施例の燃料電池システムによっても、いわゆるアノードデッドエンド型の燃料電池システム１０００において、燃料ガスとしての水素を有効利用するとともに、燃料電池スタック１００が備える膜電極接合体４１０のカーボン酸化による劣化を抑制することができる。
【００９５】
Ｆ．第５実施例：
上記した各実施例では、排出弁５５を完全に閉じたデッドエンド運転を燃料電池システムにおける基本運転としているが、本実施例のように、排出弁５５を僅かに開いた連続少量排気運転を基本運転としてもよい。
【００９６】
連続少量排気運転は、実質的には、デッドエンド運転と同様に燃料ガスを燃料電池スタック１００の内部に止めた状態での運転である。従って、本実施例では、そのような連続少量排気運転を実現するために、系外へ排気されるアノードオフガスの流量が、燃料電池スタック１００内での燃料ガスの消費量に比較して極微少な値になるように、排出弁５５の開度を調整する。この連続少量排気運転によれば、アノードオフガス排出マニホールドに留まる不純物を、系外に少しずつ排気して、アノードガス流路からアノードオフガス排出マニホールドへの不純物の移動を持続させることができるので、アノードガス流路内の不純物濃度を低い状態に維持することが可能となる。
【００９７】
Ｇ．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。
【００９８】
Ｇ１．変形例１：
上記第１実施例では、不純物ガス排出処理のステップＳ１３０において、排出弁５５を開弁してから所定時間後に排出弁５５を閉弁するものとしたが、この代わりに、排出弁５５の開弁後、水素濃度センサ４３ｓによって継続的に水素濃度を検出し、水素濃度が水素濃度以上に回復したときに排出弁５５を閉弁するものとしてもよい。
【００９９】
また、上記第２実施例では、不純物ガス排出処理のステップＳ２３０において、排出弁５５を開弁してから所定時間後に排出弁５５を閉弁するものとしたが、この代わりに、排出弁５５の開弁後、電位センサ４４によって、部分電極４１０ｐの部分電位を継続的に検出し、この部分電位が所定電位以下に回復したときに排出弁５５を閉弁するものとしてもよい。
【０１００】
また、上記第３実施例では、不純物ガス排出処理のステップＳ３３０において、排出弁５５を開弁してから所定時間後に排出弁５５を閉弁するものとしたが、この代わりに、排出弁５５の開弁後、電流センサ３４０によって、局所電流測定板３１０に流れる局所電流を継続的に検出し、この局所電流が所定電流以上に回復したときに排出弁５５を閉弁するものとしてもよい。
【０１０１】
また、上記第４実施例では、不純物ガス排出処理のステップＳ４３０において、排出弁５５を開弁してから所定時間後に排出弁５５を閉弁するものとしたが、この代わりに、排出弁５５の開弁後、電圧センサ４５によって、第２のセル４０Ｅの開回路電圧を継続的に検出し、この開回路電圧が所定電圧以上に回復したときに排出弁５５を閉弁するものとしてもよい。
【０１０２】
Ｇ２．変形例２：
上記第１実施例では、第２のセル４０Ｂに水素濃度センサ４３ｓを設置し、この水素濃度センサ４３ｓによって検出された水素濃度に基づいて、不純物ガス排出処理を行うものとしたが、本発明は、これに限られない。第２のセル４０Ｂに、水素濃度センサ４３ｓの代わりに、例えば、不純物ガスとしての窒素を検出する窒素濃度センサを設置し、この窒素濃度センサによって検出された窒素濃度に基づいて、不純物ガス排出処理を行うようにしてもよい。
【０１０３】
Ｇ３．第３変形例：
上記第２実施例では、膜電極接合体４１０Ｃのカソードに部分電極４１０ｐを配置し、電位センサ４４によって、この部分電極４１０ｐのカソード電位を検出するものとしたが、本発明は、これに限られない。膜電極接合体４１０Ｃの電解質膜を挟んで部分電極４１０ｐと対向するアノード上の位置に部分電極を配置し、そのアノード電位を検出するようにいてもよい。アノード側の水素濃度が低下したときには、カソード電位が上昇するとともに、アノード電位も上昇するからである。
【０１０４】
Ｇ４．変形例４：
上記第１ないし第３実施例では、第２のセル４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄに形成された溝部４３Ｂｄ，４３Ｃｄ，４３Ｄｄにおいて、それぞれ狭窄部４３ｅを比較的下流側に配置するものとしたが、本発明は、これに限られない。溝部４３Ｂｄ，４３Ｃｄ，４３Ｄｄにおける狭窄部４３ｅの配置位置は、任意に設定可能である。
【０１０５】
Ｇ５．変形例５：
上記第１ないし第３実施例では、第２のセル４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄに形成された溝部４３Ｂｄ，４３Ｃｄ，４３Ｄｄの一部に、それぞれ狭窄部４３ｅを配置するものとしたが、本発明は、これに限られない。溝部４３Ｂｄ，４３Ｃｄ，４３Ｄｄのすべての領域における流路断面積が、第１のセル４０Ａに形成された溝部４３ｄの流路断面積よりも小さくなるように、溝部４３Ｂｄ，４３Ｃｄ，４３Ｄｄをそれぞれ形成するものとしてもよい。
【０１０６】
Ｇ６．変形例６：
上記各実施例では、第２のセルは、単数であるものとしたが、本発明は、これに限られない。第２のセルは、複数であってもよい。なお、燃料電池スタック１００に複数の第２のセルを配置する場合には、例えば、複数の第２のセルのうちで、最も燃料ガスの濃度が低下した第２のセルを基準として、燃料電池スタック１００の外部へのアノードオフガスの排出タイミングを判断するようにすることが好ましい。
【０１０７】
Ｇ７．変形例７：
上記各実施例では、各セルは、アノード側セパレータや、カソード側セパレータに形成された溝部によって、水素や、空気の流路を構成するものとしたが、この代わりに、例えば、導電性を有する多孔体によって、各流路を構成するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の一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】第１のセル４０Ａの概略構成を示す説明図である。
【図３】第１実施例における第２のセル４０Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図４】第１実施例における不純物ガス排出処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】第２実施例における第２のセル４０Ｃの概略構成を示す説明図である。
【図６】第２実施例における不純物ガス排出処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】第３実施例における第２のセル４０Ｄの概略構成を示す説明図である。
【図８】第３実施例における集電板３０Ｄａを示す説明図である。
【図９】第３実施例における不純物ガス排出処理の流れを示すフローチャートである。
【図１０】第４実施例における第２のセル４０Ｅを構成するカソード側セパレータ４２Ｅシールガスケット一体型ＭＥＡ４１Ｅアノード側セパレータ４３Ｅを示す説明図である。
【図１１】第２のセル４０Ｅの断面図である。
【図１２】第４実施例における不純物ガス排出処理の流れを示すフローチャートである。
【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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【国際調査報告】
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