(57)【要約】【課題】  燃料電池セルにおいて、水素又は空気の供給を行う循環経路内に電力発生抑制物質が混入することに起因する触媒層の劣化、ひいては、発電力の低下をより効率的に抑制可能とする。【解決手段】  燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電すべく電解質膜の両側に夫々、触媒層及びガス拡散層を有する一対の電極構造体（ＡＮ及びＣＳ）と、一対の電極構造体を挟持する一対のセパレータ（１１３）と、一対のセパレータを挟持する一対の集電体（１１４）とを備え、一対の集電体のうち少なくとも一方は、第１部（１１４ｈ−１）と該第１部から電気的に絶縁されていると共に該第１部と比べて発電機能が相対的に劣化し易い第２部（１１４ｈ−２）とを有し、第２部から流れる電流を測定する電流測定手段（１１５ｈ）を更に備える。【選択図】  図２  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電すべく電解質膜の両側に夫々、触媒層及びガス拡散層を有する一対の電極構造体と、
前記一対の電極構造体を挟持する一対のセパレータと、
前記一対のセパレータを挟持する一対の集電体と
を備え、
前記一対の集電体のうち少なくとも一方は、第１部と該第１部から電気的に絶縁されていると共に該第１部と比べて発電機能が相対的に劣化し易い第２部とを有し、
前記第２部から流れる電流を測定する電流測定手段を更に備えたことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
前記一対の集電体のうち少なくとも一方は、前記第１部及び前記第２部から電気的に絶縁されている第３部を更に有し、
前記電流測定手段は、前記第２部と前記第３部との間を流れる電流を測定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記第２部は、前記セパレータにおける前記燃料ガスの出口近くに位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記第２部は、前記セパレータにおける前記酸化剤ガスの出口近くに位置することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記一対の集電体に加えて前記一対のセパレータのうち少なくとも一方において、前記第２部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記一対の集電体に加えて前記一対のセパレータのうち少なくとも一方において、前記第３部を更に有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
【請求項７】
前記電流測定手段は、前記第２部から流れる電流を測定する第１電流計を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
【請求項８】
前記電流測定手段は、前記第２部と前記第３部との間に流れる電流を測定する第２電流計を含むことを特徴とする請求項1から７のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
【請求項９】
前記燃料ガス及び酸化剤ガスの循環経路において存在する電力発生抑制物質を除去する除去手段と、
前記第２部から流れる電流、又は、前記第２部と前記第３部との間に流れる電流の測定値に基づいて、前記除去手段を作動させるように前記除去手段を制御する制御手段とを更に備えることを特徴とする請求項1から８のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記第１及び第２電流計の測定値に基づいて、前記除去手段を作動させるように前記除去手段を制御することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池セル。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記第１及び第２電流計の測定値と所定閾値との大きさの比較によって、前記除去手段を作動させるように前記除去手段を制御することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池セル。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の燃料電池セルを複数備えたことを特徴と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、例えば車載用の燃料電池セル、及び、該燃料電池セルを備えた燃料電池システムに関し、より詳細には、水素又は空気の供給を行う循環経路内に電力発生抑制物質が混入することに起因する触媒層の劣化等を抑制可能である燃料電池セル、及び、該燃料電池セルを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池システムでは、燃料電池セルのカソード側電極において発生した生成水や窒素等の電力発生抑制物質が電解質膜を介してアノード側電極へと透過し、アノード側電極における水素が欠乏する場合がある。
【０００３】
このような水素欠乏現象が起きると、燃料電池セルの一部分だけではなく、燃料電池セル全体の発電力が低下する。
【０００４】
そこで従来は、特許文献１には、電力発生抑制物質を除去するために、新鮮な水素に入れ替える技術（本願では、以下適宜「水素入替補給」と称す）が開示されている。より具体的には、アノード循環系内の水素の他、不純物を含んだガスを所定時間だけ大気へ放出（パージ）させると共に、その放出させた不足する水素をアノード循環系内に補給させる技術である。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２４３４１７号公報
【特許文献２】特開２００３−７７５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献1等によれば、発電力の低下の原因を特定しないで水素入替補給を行うために、予想に反して、発電力の低下を引き起こす可能性があるという技術的な問題点がある。加えて、適切なタイミングで水素入替補給を行うことができないために、燃料ガス又は酸化剤ガスを無駄に放出してしまう可能性があるという技術的な問題点もある。
【０００７】
そこで本発明は、例えば上記問題点に鑑みなされたものであり、燃料電池セルにおいて、水素又は空気の供給を行う循環経路内に電力発生抑制物質が混入することに起因する触媒層の劣化、ひいては、発電力の低下をより効率的に抑制可能である燃料電池セル、及び、該燃料電池セルを備えた燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池セルは上記課題を解決するために、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電すべく電解質膜の両側に夫々、触媒層及びガス拡散層を有する一対の電極構造体と、前記一対の電極構造体を挟持する一対のセパレータと、前記一対のセパレータを挟持する一対の集電体とを備え、前記一対の集電体のうち少なくとも一方は、第１部と該第１部から電気的に絶縁されていると共に該第１部と比べて発電機能が相対的に劣化し易い第２部とを有し、前記第２部から流れる電流を測定する電流測定手段を更に備える。
【０００９】
本発明の燃料電池セルによれば、例えば、アノード側電極を構成する触媒層及びガス拡散層に燃料ガスが供給されると共に、例えば、カソード側電極を構成する触媒層及びガス拡散層に酸化剤ガスが供給され、両ガスが電気化学反応を起こし、燃料電池セルにおいて発電が行われる。
【００１０】
特に、本発明の燃料電池セルによれば、例えば、水素出口付近に位置される一対の集電体のうち少なくとも一方においては、電気的に絶縁されている第２部が設けられている。但し、この第２部に隣接するセパレータには水素及び酸素が流れこむように流路が形成されていてもよい。
【００１１】
以下に、この第２部を設けた効果について説明する。
【００１２】
先ず、本発明者の研究によって、デッドエンド運転、或いは、通常の水素循環運転において、燃料電池セルのカソード側電極において発生した生成水や窒素等の電力発生抑制物質が電解質膜を介して、アノード側電極へと透過し、アノード側電極における水素が、例えば、セパレータ内の水素出口付近において局所的に欠乏することが確認されている。ここに、「デッドエンド運転」とは、要求発電負荷値から必要水素量を算出し、この算出された必要水素量だけアノード側電極循環系へ供給する燃料電池セル、及び、該燃料電池セルを備えた燃料電池システムの一具体例である。それと同時に、この電流密度が低下したアノード側電極に対向した位置にあるカソード側電極の触媒層が局所的に瞬時に劣化が進行することも実験の結果判明している。加えて、このカソード側電極の触媒層の劣化の原因となる二酸化炭素等が局所的に生成されることも確認されている。
【００１３】
以上の本発明者の研究結果に基づいて、第２部を設けるように構成すると、例えば、デッドエンド運転時において、第２部から流れる電流を測定することで、例えば、カソード側電極の触媒層において、実際に発生している劣化状態をリアルタイムで定量的及び定性的に判定することが可能となる。よって、カソード側電極の触媒層の実際の劣化状態に基づいて、適切なタイミングで、例えば、水素入替補給を行い、電流密度の低下した場所に電流を導通させ、触媒層の劣化を回避することが可能である。
【００１４】
即ち、触媒層の劣化を回避するための的確な制御が実現可能となると共に、燃料ガス又は酸化剤ガスのより効率的な利用が可能となる。
【００１５】
ひいては、燃料電池セル全体の発電力が低下することを抑制することが実現可能となる。
【００１６】
加えて、この態様によれば、例えば、劣化しやすい触媒層に対向するアノード側電極の集電体の第２部から流れる電流もモニターされるだけではなく、発電の一部として利用されるため、モニターによる電流の消費を殆ど又は完全に抑制することが可能となる。
【００１７】
本発明の燃料電池セルの一態様では、前記一対の集電体のうち少なくとも一方は、前記第１部及び前記第２部から電気的に絶縁されている第３部を更に有し、前記電流測定手段は、前記第２部と前記第３部との間を流れる電流を測定する。
【００１８】
この態様によれば、第２部と第３との間を流れる電流を測定することで、例えば、カソード側電極の触媒層において、実際に発生している劣化状態をリアルタイムで定量的及び定性的に判定することが可能となる。より具体的には、第２部と第３部との間において検知された電流は、通常の発電に寄与するものではなく、内部電池が形成されることによって生じた電流である。この電流が検知されれば、この集電体の第２部に対応される、例えば、水素出口付近のアノード側電極において、何らかの電気化学反応が起こり、電流密度が低下していることが判明する。よって、この水素出口付近のアノード側電極に対応するカソード側電極の触媒層の劣化が進行していると判定することが可能となる。
【００１９】
よって、カソード側電極の触媒層の実際の劣化状態に基づいて、適切なタイミングで水素入替補給を行い、電流密度の低下した場所に電流を導通させ、触媒層の劣化を回避することが可能である。
【００２０】
本発明の燃料電池セルの他の態様では、前記第２部は、前記セパレータにおける前記燃料ガスの出口近くに位置する。
【００２１】
この態様によれば、カソード側電極の触媒層において劣化しやすい場所を事前に特定することが可能となるので、触媒層の劣化を回避するためのより的確な制御が実現可能となると共に、燃料ガスのより効率的な利用が可能となる。
【００２２】
本発明の燃料電池セルの他の態様では、前記第２部は、前記セパレータにおける前記酸化剤ガスの出口近くに位置する。
【００２３】
この態様によれば、カソード側電極の触媒層において劣化しやすい場所を事前に特定することが可能となるので、触媒層の劣化を回避するためのより的確な制御が実現可能となると共に、酸化剤ガスのより効率的な利用が可能となる。
【００２４】
本発明の燃料電池セルの他の態様では、前記一対の集電体に加えて前記一対のセパレータのうち少なくとも一方において、前記第２部を有する。
【００２５】
この態様によれば、例えば、水素出口付近に位置する集電体及びセパレータにおける第２部は、電気的に絶縁されていると共に、セパレータにおいては水素及び酸素が流れこむように流路が形成されている。
【００２６】
よって、第２部から流れる電流を測定することで、例えば、カソード側電極の触媒層において、実際に発生している劣化状態をリアルタイムで定量的及び定性的により正確に判定することが可能となる。
【００２７】
加えて、セパレータにおける第２部は、水素及び酸素が流れ込まない構成と比較して、燃料電池セル全体の発電出力の低下を抑制することが可能となる。
【００２８】
本発明の燃料電池セルの他の態様では、前記一対の集電体に加えて前記一対のセパレータのうち少なくとも一方において、前記第３部を更に有する。
【００２９】
この態様によれば、例えば、水素出口付近に位置される集電体の第２部は、電気的に絶縁されていると共に、セパレータの第２部には水素及び酸素が流れこむように流路が形成されている。
【００３０】
よって、第２部と第３との間を流れる電流を測定することで、例えば、カソード側電極の触媒層において、実際に発生している劣化状態をリアルタイムで定量的及び定性的により正確に判定することが可能となる。
【００３１】
加えてセパレータにおける第３部は、水素及び酸素が流れ込まない構成と比較して、燃料電池セルの発電出力の低下を抑制することが可能となる。
【００３２】
本発明の燃料電池セルの他の態様では、前記電流測定手段は、前記第２部から流れる電流を測定する第１電流計を含む。
【００３３】
この態様によれば、例えば、劣化しやすい触媒層に対向するアノード側電極の集電体の第２部から流れる電流は、第１電流計によって正確にモニターされるだけではなく、発電の一部として利用されるため、モニターによる電流の消費を殆ど又は完全に抑制することが可能となる。
【００３４】
本発明の燃料電池セルの他の態様では、前記電流測定手段は、前記第２部と前記第３部との間に流れる電流を測定する第２電流計を含む
この態様によれば、例えば、劣化しやすい触媒層に対向するアノード側電極の集電体の第２部と第３部との間に流れる電流は、第２電流計によって正確にモニターされることが可能となる。
【００３５】
本発明の燃料電池セルの他の態様では、前記燃料ガス及び酸化剤ガスの循環経路において存在する電力発生抑制物質を除去する除去手段と、前記第２部から流れる電流、又は、前記第２部と前記第３部との間に流れる電流の測定値に基づいて、前記除去手段を作動させるように前記除去手段を制御する制御手段とを更に備える。
【００３６】
この態様によれば、制御手段は、電流測定手段によって測定された電流の測定値に基づいて、例えば、水素入替補給を行うように、即ち、循環経路において存在する電力発生抑制物質を除去するために、例えば、パージバルブ等の除去手段を作動させるように制御する。
【００３７】
よって、カソード側電極の触媒層の実際の劣化状態に基づいて、適切なタイミングで、例えば、水素入替補給を行い、電流密度の低下した場所に電流を導通させ、触媒層の劣化を回避することが可能である。
【００３８】
即ち、触媒層の劣化を回避するための的確な制御が実現可能となると共に、燃料ガス又は酸化剤ガスのより効率的な利用が可能となる。
【００３９】
この制御手段に係る態様によれば、前記制御手段は、前記第１及び第２電流計の測定値に基づいて、前記除去手段を作動させるように前記除去手段を制御するように構成してもよい。
【００４０】
このように構成すれば、例えば、集電体の第２部と負荷との間には、第１電流計が接続され、第２部から流れる電流が測定可能となる。或いは、集電体の第２部と第３部との間には、第２電流計が接続され、集電体の第２部と第３部との間に流れる電流が測定可能となる。
【００４１】
例えば、カソード側電極の触媒層において、実際に発生している劣化状態をリアルタイムで定量的により確実に判定することが可能となる。
【００４２】
更に、この制御手段に係る態様によれば、前記制御手段は、前記第１及び第２電流計の測定値と所定閾値との大きさの比較によって、前記除去手段を作動させるように前記除去手段を制御するように構成してもよい。
【００４３】
このように構成すれば、制御手段は、第１及び第２電流計の測定した電流値をモニターし、所定閾値との比較に基づいて、例えば、水素入替補給を行うために、除去手段を作動させるように制御する。より具体的には、例えば、第２電流計において、電流が、少しでも検知された時点、即ち、”０”（ｍＡ／ｃｍ２）よりも大きい電流が検知された時点で、水素入替補給を行うためにパージバルブ等の除去手段を開弁駆動させるように制御する。
【００４４】
以上より、制御手段は、より的確且つ迅速に、例えば、カソード側電極の触媒層において、実際に発生している劣化状態をリアルタイムで定量的に判定することが可能となる。
【００４５】
本発明の燃料電池システムは上記課題を解決するために、上述した燃料電池セルを複数備える。
【００４６】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池セルが複数設けられた、所謂、燃料電池スタックに対しても同様の利益を享受することが可能となる。更に、この燃料電池スタックが複数設けられた燃料電池システムにも適用可能であることは自明である。
【発明の効果】
【００４７】
本発明の燃料電池セルによれば、触媒層の劣化を回避するための的確な制御が実現可能となると共に、燃料ガス又は酸化剤ガスのより効率的な利用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明に係る燃料電池セル、及び、該燃料電池セルを備えた燃料電池システムの具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。
【００４９】
（第１実施形態）
本発明の燃料電池セルに係る第１実施形態の構成及び動作について、図1から図５を参照しながら詳細に説明する。
【００５０】
先ず、図１に加えて、図２（ａ）を適宜参照しながら、本発明の燃料電池システムに係る第１実施形態の全体構成及び概略動作について説明する。ここに、図１は、本発明の燃料電池セル、及び、該燃料電池セルを備えた燃料電池システムの第１実施形態の全体構成を示した図式的な構成図である。図２は、本発明の燃料電池セルの第１実施形態の図式的な横方向の断面図（図２（ａ））であり、本発明の燃料電池セルの第１実施形態の水素循環系、即ち、アノード循環系におけるセパレータ内の水素の流路の一例である蛇行溝型を示した図式的な縦方向の断面図（図２（ｂ））である。尚、図２（ａ）は、図２（ｂ）の切断面”Ａ２”における断面図を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）の切断面”Ａ１”における断面図を示す。
【００５１】
先ず、図１に示されるように、本発明の燃料電池システムに係る第１実施形態は、燃料電池スタック１０を中心として、アノード循環系２０、カソード循環系３０、及び、冷却系４０を備えて構成されている。
【００５２】
燃料電池スタック１０は、少なくとも一つの燃料電池セル（以下、セルと称す）１００が積層されて構成されている。より詳細には、図２（ａ）に示されるように、各セル１００においては、電解質膜１１０は一対のアノード側電極ＡＮ及びカソード側電極ＣＳによって挟まれ、その各電極ＡＮ及びＣＳの外側面にセパレータ１１３と協働してガス通路１１９ｈ及び１１９ｋをそれぞれ形成することになっている。そして、一方のガス通路１１９ｈに水素（燃料ガス）が供給され、他方のガス通路１１９ｋに、水素と電気化学反応を起こす空気（酸化剤ガス）が供給されることになっている。また、この燃料電池スタック１０には、出力電力を測定する電圧計１１が備えられて構成されている。尚、本発明の燃料電池システムに係る第１実施形態は、例えば、４個等の複数の燃料電池スタック１０によって構成されてもよい。また、セル１００の詳細については後述される図２において説明される。
【００５３】
アノード循環系２０は、水素供給管２１、水素排出管２２、逆止弁２３ａ、水素供給口管２４、水素ガスボンベ２５、レギュレータＲＧ、水素濃度検出センサ２９、水素循環ポンプ２８、パージバルブ２７ａ、三方弁２７ｂ、バイバス管２４ｐ、及び、逆止弁２３ｂを備えて構成されている。
【００５４】
以下、このように構成されたアノード循環系２０の動作に加えて、詳細な構成について説明する。
【００５５】
アノード循環系２０は、図１に示されるように、燃料電池スタック１０とは循環経路を構成している。このアノード循環系２０は、燃料電池スタック１０との関連づけのために水素供給管２１と水素排出管２２とを備えており、その水素供給管２１と水素排出管２２とは、水素排出管２２から水素供給管２１への流れのみ許容する逆止弁２３ａを介して接続されている。
【００５６】
水素供給管２１の一端側においては、水素供給口管２４に連通されている。水素供給口管２４は、その一端が、逆止弁２３ａの下流側において水素供給管２１に接続され、その他端には、水素が充填されている水素ガスボンベ２５が接続されている。この水素供給口管２４にはレギュレータＲＧが介装されており、このレギュレータＲＧは、アノード循環系２０内の圧力、即ち、水素供給管２１及び水素排出管２２内の圧力を所定圧に保つ役割を有し、アノード循環系２０内が所定圧以下になったときには開弁して、水素ガスボンベ２５内の水素を水素供給管２１内に補充することになっている。他方、水素供給管２１の他端側においては、燃料電池スタック１００に連通され、水素が燃料電池スタック１０における各セル１００の一方のガス通路１１９ｈに供給されることになっている。
【００５７】
水素排出管２２の一端側においては、燃料電池スタック１０における各セル１００の一方のガス通路１１９ｈ内の水素が排出されることになっている。この場合、燃料電池スタック１０における各セル１００の一方のガス通路１１９ｈに対する供給又は各セル１００の一方のガス通路１１９ｈからの排出は、燃料電池スタック１０内部のそれぞれの共通通路（図示略）を介して供給又は排出されるが、その内容は、既知であるので、これ以上の説明は省略する。他方、水素排出管２２の他端側においては、逆止弁２３ａに向かって順に、水素循環ポンプ２８、パージバルブ２７ａ、三方弁２７ｂが備えられている。
【００５８】
水素循環ポンプ２８は、水素を強制循環するもので、これにより、加圧状態の水素が燃料電池スタック１０に向けて供給できることになっている。パージバルブ２７ａは、通常は閉弁状態とされている一方、開弁時には、アノード循環系２０内と大気とを連通して、アノード循環系２０内のガスを放出する機能を有している。所謂、「水素入替補給」が、このパージバルブ２７ａが開弁されることによって行われる。尚、本発明に係る「除去手段」の一例がパージバルブ２７ａ及び水素循環ポンプ２８等によって構成されている。加えて、水素の補給においては、アノード循環系２０内の残存水素の回収を図り、その回収した水素も補給水素として使用することにより、水素使用量の低減を図るように構成してもよい。
【００５９】
三方弁２７ｂは、水素排出管２２において、その第１の接続口がパージバルブ２７ａ側に接続されると共にその第２の接続口が逆止弁２３ａ側に接続され、その第３の接続口は、水素供給口管２４にレギュレータＲＧよりも上流側において接続されるバイバス管２４ｐに接続されている。この三方弁２７ｂは、その切換えによって選択的に、パージバルブ２７ａ側と逆止弁２３ａ側、又はパージバルブ２７ａ側とバイバス管２４側とを連通させることができることになっており、水素は、逆止弁２３ａを介して水素供給管２１に流れることができるだけでなく、バイバス管２４ｐにも流れることができることになっている。この場合、バイバス管２４ｐには、逆止弁２３ｂが、水素供給口管２４に向かって順に、介装されている。逆止弁２３ｂは、三方弁２７ｂを通過した水素が水素供給口管２４に流れ込むことを許容する一方、水素ガスボンベ２５からの水素が三方弁２７ｂ側に流れ込むことを阻止する機能を有している。
【００６０】
カソード循環系３０は、空気供給管３３、空気排出管３４、空気供給口管３５、冷却器３６、圧縮機（回転ポンプ）３７、及び、空気排出口管３１を備えて構成されている。
【００６１】
以下、このように構成されたカソード循環系３０の動作に加えて、詳細な構成について説明する。
【００６２】
カソード循環系３０は、図１に示されるように、燃料電池スタック１０とは循環経路を構成している。このカソード循環系３０は、燃料電池スタック１０との関連づけのために空気供給管３３と空気排出管３４とを備えている。
【００６３】
空気供給管３３の一端側においては、空気を取り入れる空気供給口管３５に連通されている。空気供給管３３には、空気供給口管３５から空気供給管３３の他端側に向けて順に、冷却器３６、圧縮機（回転ポンプ）３７が介装されている。冷却器３６は、燃料電池スタック１０に供給する空気の温度を調整するものである。圧縮機３７は、その回転数を調整することにより、外気を吸引して燃料電池スタック１０へその空気を供給すると共にその供給空気の圧力等を調整して燃料電池スタック１０における電気化学反応を調整するものであり、その調整は、例えば、要求電力により応じて行われてもよい。
【００６４】
他方、空気供給管３３の他端側においては、燃料電池スタック１０に連通され、空気が燃料電池スタック１０における各セル１００の他方のガス通路１１９ｋに供給されることになっている。
【００６５】
空気排出管３４の一端側においては、燃料電池スタック１０における各セル１００の他方のガス通路１１９ｋから空気が排出されることになっている。この場合も、燃料電池スタック１０における各セル１００の他方のガス通路１１９ｋに対する供給又は各セル１００の他方のガス通路１１９ｋからの排出は、燃料電池スタック１０内部のそれぞれの共通通路（図示略）を介して供給又は排出されるが、その内容は既知であるので、これ以上の説明は省略する。他方、空気排出管３４の他端側においては、大気に開口する空気排出口管３１と連通されている。
【００６６】
冷却系４０は、冷却水ヒータ４１、循環ポンプ４４、冷却水バルブ４５、冷却器４６、バイパス経路４７、及び、冷却水バイパスバルブ４８を備えて構成されている。
【００６７】
以下、このように構成された冷却系４０の動作に加えて、詳細な構成について説明する。
【００６８】
冷却系４０は、図１に示されるように、燃料電池スタック１０と協働して冷却水を循環させる循環経路を構成している。この冷却系４０の循環経路には、冷却水ヒータ４１、循環ポンプ４４、冷却水バルブ４５、及び、冷却器４６が備えられている。また、冷却系４０には、冷却器４６をバイパスするバイパス経路４７が設けられ、そのバイパス経路４７に冷却水バイパスバルブ４８が設けられている。以上より、これらの構成要素によって冷却水の温度調整を行うことにより、燃料電池スタック１０の温度調整が行えることになっている。
【００６９】
次に、図２に加えて前述した図１を適宜参照しながら本発明の燃料電池セルの第１実施形態に係る構成及び動作について詳細に説明する。
【００７０】
先ず、図２（ａ）に示されるように、本発明の燃料電池セルの第１実施形態に係る燃料電池セル１００は、電解質膜１１０を挟んで、上側にアノード循環系が形成されると共に、下側にカソード循環系が形成されている。アノード循環系においては、電解質膜１１０に近いほうから、アノード側電極ＡＮ、セパレータ１１３ｈが形成され、集電体１１４ｈに接続されている。同様にして、カソード循環系においても、電解質膜１１０に近いほうから、カソード側電極ＣＳ、セパレータ１１３ｋが形成され、集電体１１４ｋに接続されている。
【００７１】
燃料電池セル１００の外部においては、集電ボード１１６ｈ及び１１６ｋ、負荷１１７、電流計１１５ｈ、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１２０、並びに、絶縁体１１８ｈ及び１１８ｋを備えて構成されている。尚、電解質膜１１０、アノード側電極ＡＮ及びカソード側電極ＣＳ、並びにセパレータ１１３ｈ及び１１３ｋの間には、図示しないシール加工が施されている。
【００７２】
電解質膜１１０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜（電解質）である。
【００７３】
アノード側電極ＡＮ及びカソード側電極ＣＳは、例えば、カーボンペーパー等からなるガス拡散層１１２ｈ及び１１２ｋと、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子がこのガス拡散層１１２ｈ及び１１２ｋの表面に一様に塗布されてなる触媒層１１１ｈ及び１１１ｋとによって夫々形成されている。
【００７４】
このように構成される燃料電池セルの動作について、以下に詳細に説明する。
【００７５】
図２（ａ）及び（ｂ）に示されるように、燃料電池セル内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、空気等の酸化剤ガスと、図示されない純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。
【００７６】
水素等の燃料ガスは、例えば、図２（ａ）及び（ｂ）に示されるように、セパレータ１１３ｈの例えば、上側に位置する水素入口から供給される。他方、空気等の酸化剤ガスも、同様にして、例えば、図２（ａ）に示されるように、セパレータ１１３ｋの例えば、上側に位置する空気入口から供給される。
【００７７】
次に、電解質膜１１０、アノード側電極ＡＮ及びカソード側電極ＣＳにおいては、アノード側電極ＡＮに供給される燃料ガスと、カソード側電極ＣＳに供給される酸化剤ガスとが、触媒層１１１ｈ及び１１１ｋ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。即ち、電流が集電ボード１１６ｈから負荷へと流れる。
【００７８】
次に、アノード側電極ＡＮに供給されて消費された燃料ガスは、蛇行した流路を経て、水素出口へと排出される。同様にして、カソード側電極ＣＳに供給されて消費された酸化剤ガスも、蛇行した流路を経て、空気出口へと排出される。
【００７９】
特に、第１実施形態では、水素出口付近に位置するセパレータ１１３ｈ及び１１３ｋ、並びに、集電体１１４ｈ及び１１４ｋは、絶縁体１１８ｈ及び１１８ｋによって分割されている。即ち、本発明に係る「第１部」の一例を構成する集電体１１４ｈ−１及び１１４ｋ−１、並びに、本発明に係る「第２部」の一例を構成する集電体１１４ｈ−２及び１１４ｋ−２が形成されている。加えて、本発明に係る「第１部」の他の一例を構成するセパレータ１１３ｈ−１及び１１３ｋ−１、並びに、本発明に係る「第２部」の一例を構成するセパレータ１１３ｈ−２及び１１３ｋ−２が形成されている。但し、電解質膜１１０、触媒層１１１ｈ及び１１１ｋ、並びに、ガス拡散層１１２ｈ及び１１２ｋは分割されず、接続されたままである。即ち、集電体１１４ｈ−２及び１１４ｋ−２は、絶縁体１１８ｈ及び１１８ｋによって電気的に絶縁されている。但し、絶縁体１１８ｈ及び１１８ｋによって分割されたセパレータ１１３ｈ−２及び１１３ｋ−２には水素及び酸素が流れこむように流路が形成されている。
【００８０】
集電体１１４ｈ−２は、電流計１１５ｈを介して集電ボード１１６ｈへと接続され、集電体１１４ｈ−１は、直接的に集電ボード１１６ｈへと接続されている。他方、集電体１１４ｋ−２及び１１４ｋ−１は、直接的に集電ボード１１６ｋへと接続されている。
【００８１】
ＥＣＵ１２０は、電流計１１５ｈの測定した電流値をモニターし、所定閾値との比較に基づいて、水素入替補給を行うように各種手段を制御する。より具体的には、電流値が、例えば、０．０１（Ａ/ｃｍ２）より小さくなった時点で、水素入替補給を行うためにパージバルブ２７ａを開弁駆動させるように制御する。尚、上述したアノード側電極における集電体１１４ｈではなく、カソード側電極における集電体１１４ｋに電流計１１５ｈを配置させることも可能である。
【００８２】
以上より、例えば、デッドエンド運転時において、より簡単な構成で、カソード側電極の触媒層１１１ｋにおいて劣化しやすい場所を事前に特定しておき、この特定されたカソード側電極に対向するアノード側電極の集電体１１４ｈ−２を流れる電流を測定することで、このカソード側電極の触媒層１１１ｋにおいて、実際に発生している劣化状態をリアルタイムで定量的及び定性的に判定することが可能となる。よって、カソード側電極の触媒層１１１ｋの実際の劣化状態に基づいて、適切なタイミングで水素入替補給を行い、電流密度の低下した場所に電流を導通させることが可能である。
【００８３】
即ち、カソード側電極の触媒層１１１ｋの劣化を回避するための的確な制御が実現可能となると共に、燃料ガス又は酸化剤ガスのより効率的な利用が可能となる。
【００８４】
また、劣化しやすい触媒層１１１ｋに対向するアノード側電極の集電体１１４ｈ−２を流れる電流もモニターされるだけではなく、発電の一部として利用されるため無駄な電流の消費を抑制することが可能となる。
【００８５】
ひいては、燃料電池セル１００全体の発電力が低下することを抑制することが実現可能となる。
【００８６】
加えて、電圧計１１によって測定される燃料電池スタック１０、即ち、セル１００の発電出力、及び、水素濃度検出センサ２９によって測定されるアノード循環系２０内の水素濃度に基づいて総合的に判断してもよい。
【００８７】
（電子制御ユニット）
次に、図３を参照しながら本発明の燃料電池システムの第１実施形態に係る燃料電池セルのアノード循環系を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）の構成について詳細に説明する。ここに、図３は、本発明の燃料電池システムの第１実施形態に係る燃料電池セルのアノード循環系を制御するＥＣＵ、各種センサ、各種弁等を示す概念図である。
【００８８】
ＥＣＵ１２０は、内部にＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等を有するワンチップ・マイクロコンピュータであり、ＣＰＵがＲＯＭに記録されたプログラムに従って、正常時における燃料電池システムを統括制御する。更にＥＣＵ１２０は、本発明に係る「制御手段」の一例が構成されている。
【００８９】
ＥＣＵ１２０には、本発明に係る「第１電流計」の一例を構成する電流計１１５ｈからの電流信号が入力される。
【００９０】
その他にも、燃料電池スタック１００の電圧を測定する電圧計からの電圧信号、及び、アノード循環系２０内の水素濃度を検出する水素濃度検出センサ２９からの水素濃度信号や、その他の各種センサからの種々の信号が入力されるように構成してもよい。
【００９１】
ＥＣＵ１２０は、上述した入力信号に対応して、次のような制御信号を出力する。
【００９２】
ＥＣＵ１２０は、電流計１１５ｈの測定した電流値をモニターし、所定閾値との比較に基づいて、パージバルブ２７ａ、又は三方弁２７ｂに対して制御信号が出力され、水素入替補給を行うための弁駆動制御が行われる。より具体的には、電流値が、例えば、０．０１（Ａ/ｃｍ２）より小さくなった時点で、水素入替補給を行うためにパージバルブ２７ａを開弁駆動させるように制御する。
【００９３】
（水素入替補給を行うための処理）
次に、図４を参照して、本発明の燃料電池システムの第１実施形態に係るＥＣＵによって制御される水素入替補給を行うための処理について説明する。ここに、図４は、本発明の燃料電池システムの第１実施形態に係るＥＣＵによって制御される水素入替補給を行うための処理ルーチンを示すフローチャート図である。この処理ルーチンは、予めＥＣＵのＲＯＭに記憶されているルーチンであり、燃料電池スタック１０又は燃料電池セル１００の動作中に定期的又は不定期的に、主にＥＣＵによって実行されるルーチンである。
【００９４】
特に、このルーチンは好ましくは、十分に短い時間で（例えば数ｍｓｅｃ或いは数μｓｅｃのオーダで）、繰り返して実行されることにより、カソード側電極の触媒層１１１ｋの劣化を回避するための的確な制御が実現可能となる。
【００９５】
図４に示されるように、ＥＣＵ１２０は、電流計１１５ｈの測定した電流値をモニターし、所定閾値との比較を行う（ステップＳ１０１）。より具体的には、ＥＣＵ１２０の制御下で、電流値が、例えば、０．０１（Ａ/ｃｍ２）より小さくなったか否かが判定される。ここで、電流値が、例えば、所定閾値より小さい場合、より具体的には、電流値が、例えば、０．０１（Ａ/ｃｍ２）より小さくなった場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、水素入替補給を行うためにパージバルブ２７ａは開弁駆動させられるように制御される（ステップＳ１０２）。
【００９６】
他方、電流値が、例えば、所定閾値以上であった場合、より具体的には、電流値が、例えば、０．０１（Ａ/ｃｍ２）以上であった場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、水素入替補給の中止を行うためにパージバルブ２７ａは閉弁駆動させられるように制御される（ステップＳ１０３）。
【００９７】
（比較例）
次に、図５に加えて前述した図１を適宜参照して、第１実施形態の作用効果について検討を加える。ここに、図５は、比較例に係る燃料電池セルの図式的な横方向の断面図（図５（ａ））、及び、比較例に係る燃料電池セルの水素循環系、即ち、アノード循環系におけるセパレータ内の水素の流路の一例である蛇行溝型を示した図式的な縦方向の断面図（図５（ｂ））である。尚、図５（ａ）は、図５（ｂ）の切断面”Ｂ２”における断面図を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）の切断面”Ｂ１”における断面図を示す。
【００９８】
図５に示される燃料電池セルの構成及び動作については、前述した図３に示された第１実施形態と概ね同様である。
【００９９】
特に、比較例においては、絶縁体１１８ｈ及び１１８ｋによって、集電体１１４ｈ及び１１４ｋが分割されていない。加えて、燃料電池セルの出力電圧を測定する電圧計１１ａを備えて構成されている。
【０１００】
よって、この比較例によれば、燃料電池セルの出力電圧の測定値だけを基準とするだけで、発電力の低下の原因を特定しないまま、水素入替補給を行うために、予想に反して、発電力の更なる低下を引き起こしてしまう可能性がある。また、例えば、デッドエンド運転時におけるカソード側電極の触媒層の劣化の改善するために、水素又は空気の流し方の制御を行うことによって、劣化までの時間が大幅に向上するが、燃料電池セルの出力電圧の測定値だけを基準として水素入替補給を行っているので、完全にカソード側電極の触媒層の劣化が抑制することはできない。
【０１０１】
これに対して図１から図４を参照して説明した第１実施形態の燃料電池セル１００によれば、例えば、デッドエンド運転時において、比較的に簡単な構成で、カソード側電極の触媒層１１１ｋにおいて劣化しやすい場所を事前に特定しておき、この特定されたカソード側電極に対向するアノード側電極の集電体１１４ｈ−２を流れる電流を測定することで、このカソード側電極の触媒層１１１ｋにおいて、実際に発生している劣化状態をリアルタイムで定量的及び定性的に判定することが可能となる。よって、カソード側電極の触媒層１１１ｋの実際の劣化状態に基づいて、適切なタイミングで水素入替補給を行い、電流密度の低下した場所に電流を導通させ、触媒層の劣化を回避することが可能である。
【０１０２】
即ち、カソード側電極の触媒層１１１ｋの劣化を回避するための的確な制御が実現可能となると共に、燃料ガス又は酸化剤ガスのより効率的な利用が可能となる。
【０１０３】
また、劣化しやすい触媒層１１１ｋに対向するアノード側電極の集電体１１４ｈ−２を流れる電流もモニターされるだけではなく、発電の一部として利用されるため無駄な電流の消費を抑制することが可能となる。
【０１０４】
ひいては、燃料電池セル１００全体の発電力が低下することを抑制することが実現可能となる。
【０１０５】
（第２実施形態）
次に、図６に加えて前述した図１を適宜参照しながら本発明の燃料電池セルの第２実施形態に係る構成及び動作について詳細に説明する。ここに、図６は、本発明の燃料電池セルの第２実施形態の図式的な横方向の断面図（図６（ａ））、及び、本発明の燃料電池セルの第２実施形態の水素循環系、即ち、アノード循環系におけるセパレータ内の水素の流路の一例である蛇行溝型を示した図式的な縦方向の断面図（図６（ｂ））である。尚、図６（ａ）は、図６（ｂ）の切断面”Ｃ２”における断面図を示し、図６（ｂ）は、図６（ａ）の切断面”Ｃ１”における断面図を示す。
【０１０６】
図６に示される第２実施形態に係る燃料電池セルの構成及び動作については、前述した図３に示された第１実施形態と概ね同様である。
【０１０７】
特に、第２実施形態に係る燃料電池セルにおいては、絶縁体１１８ｋの代わりに絶縁体１１８ｈａを備えて構成されている。
【０１０８】
また、第２実施形態では、例えば、水素のデッドエンド運転時において、水素の欠乏等の原因によって良好に発電しなくなる水素出口付近、及び、通常通り良好に発電する水素入口付近に位置されるセパレータ１１３ｈ、並びに、集電体１１４ｈは、絶縁体１１８ｈ及び１１８ｈａによって分割されている。即ち、本発明に係る「第１部」の一例を構成する集電体１１４ｈ−１、本発明に係る「第２部」の一例を構成する集電体１１４ｈ−２、及び、本発明に係る「第３部」の一例を構成する集電体１１４ｈ−３が形成されている。加えて、本発明に係る「第１部」の他の一例を構成するセパレータ１１３ｈ−１、本発明に係る「第２部」の一例を構成するセパレータ１１３ｈ−２、及び、本発明に係る「第３部」の一例を構成するセパレータ１１３ｈ−３が形成されている。
【０１０９】
但し、電解質膜１１０、触媒層１１１ｈ、並びに、ガス拡散層１１２ｈは分割されず、接続されたままである。即ち、集電体１１４ｈ−２及び１１４ｈ−３は、絶縁体１１８ｈ及び１１８ｈａによって電気的に絶縁されている。但し、絶縁体１１８ｈ及び１１８ｈａによって分割されたセパレータ１１３ｈ−２及び１１３ｈ−３には水素及び酸素が流れこむように流路が形成されている。また、この分割した集電体１１４ｈにおいては、燃料電池セル１００全体の発電に寄与しなくなるため、この分割した集電体１１４ｈの面積は極力小さくするのが好ましい。但し、電流の測定誤差を少なくするために、この分割した集電体１１４ｈの面積は１ｃｍ２程度以上であることが望ましい。
【０１１０】
集電体１１４ｈ−２と１１４ｈ−３との間には、電流計１２０が接続され、集電体１１４ｈ−２と１１４ｈ−３との間を流れる電流が測定可能である。
【０１１１】
ＥＣＵ１２０は、電流計１２１の測定した電流値をモニターし、所定閾値との比較に基づいて、水素入替補給を行うように各種手段を制御する。具体的には、電流が、少しでも検知された時点、即ち、例えば”０”（ｍＡ／ｃｍ２）より大きい電流が検知された時点で、水素入替補給を行うためにパージバルブ２７ａを開弁駆動させるように制御する（前述した図４のフローチャートを参照）。
【０１１２】
より具体的には、例えば、デッドエンド運転時において、この検知された電流は、通常の発電に寄与するものではなく、内部電池が形成されることによって生じた電流である。この電流が検知されれば、この分割した集電体１１４ｈに対応される、例えば、水素出口付近のアノード側電極ＡＮにおいて、何らかの電気化学反応が起こり、電流密度が低下していることが判明する。よって、この水素出口付近のアノード側電極ＡＮに対応するカソード側電極ＣＳの触媒層１１１ｋの劣化が進行していると判定することが可能となる。よって、カソード側電極の触媒層１１１ｋの実際の劣化状態に基づいて、適切なタイミングで水素入替補給を行い、電流密度の低下した場所に電流を導通させ、触媒層の劣化を回避することが可能である。
【０１１３】
即ち、カソード側電極の触媒層１１１ｋの劣化を回避するための的確な制御が実現可能となると共に、燃料ガス又は酸化剤ガスのより効率的な利用が可能となる。
【０１１４】
尚、上述した第２実施形態においては、アノード側電極ＡＮに、本発明に係る電流計１２０等の構成を適用したが、カソード側電極ＣＳに対して同様にして、本発明に係る電流計１２０等の構成を適用してもよい。
【０１１５】
尚、本発明は、デッドエンド運転を採用した燃料電池システムに適用可能であるだけではなく、水素循環運転を採用した燃料電池システムにも適用可能である。
即ち、水素循環運転においても電解質膜を透過した窒素等の影響で、燃料電池セルの特定部分において電流密度が低下するため、同様の構成を組み込めば、カソード側電極の触媒層の劣化を回避するための的確な制御が実現可能となる。
【０１１６】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う燃料電池セル、及び、該燃料電池セルを備えた燃料電池システムもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明の燃料電池セル、及び、該燃料電池セルを備えた燃料電池システムの第１実施形態の全体構成を示した図式的な構成図である。
【図２】本発明の燃料電池セルの第１実施形態の図式的な横方向の断面図（図２（ａ））であり、本発明の燃料電池セルの第１実施形態に係る燃料電池セルの水素循環系、即ち、アノード循環系におけるセパレータ内の水素の流路の一例である蛇行溝型を示した図式的な縦方向の断面図（図２（ｂ））である。
【図３】本発明の燃料電池システムの第１実施形態に係る燃料電池セルのアノード循環系を制御するＥＣＵ、各種センサ、各種弁等を示す概念図である。
【図４】本発明の燃料電池システムの第１実施形態に係るＥＣＵによって制御される水素入替補給を行うための処理ルーチンを示すフローチャート図である。
【図５】比較例に係る燃料電池セルの図式的な横方向の断面図（図５（ａ））、及び、比較例に係る燃料電池セルの水素循環系、即ち、アノード循環系におけるセパレータ内の水素の流路の一例である蛇行溝型を示した図式的な縦方向の断面図（図５（ｂ））である。
【図６】本発明の燃料電池セルの第２実施形態の図式的な横方向の断面図（図６（ａ））、及び、本発明の燃料電池セルの第２実施形態の水素循環系、即ち、アノード循環系におけるセパレータ内の水素の流路の一例である蛇行溝型を示した図式的な縦方向の断面図（図６（ｂ））である。
【符号の説明】
【０１１８】
２０…アノード循環系、２１…水素供給管、２２…水素排出管、２３ａ…逆止弁、２４…水素供給口管、２５…水素ガスボンベ、ＲＧ…レギュレータ、２９…水素濃度検出センサ、２８…水素循環ポンプ、２７ａ…パージバルブ、２７ｂ…三方弁、２４ｐ…バイバス管、２３ｂ…逆止弁、３０…カソード循環系、３３…空気供給管、３４…空気排出管、３５…空気供給口管、３６…冷却器、３７…圧縮機（回転ポンプ）、３１…空気排出口管、４０…冷却系、４１…冷却水ヒータ、４４…循環ポンプ、４５…冷却水バルブ、４６…冷却器、４７…バイパス経路、４８…冷却水バイパスバルブ、１００…燃料電池セル、１１０…電解質膜、１１１ｈ及び１１１ｋ…触媒層、１１２ｈ及び１１２ｋ…ガス拡散層、１１３ｈ−１（１１３ｈ−２及び１１３ｈ−３）…セパレータ（アノード循環系）、１１３ｋ−１（１１３ｋ−２）…セパレータ（アノード循環系）、１１４ｈ−１（１１４ｈ−２及び１１４ｈ−３）…集電体（アノード循環系）、１１４ｋ−１及び１１４ｋ−２…集電体（カソード循環系）、１１５ｈ…電流計、１１６ｈ及び１１６ｋ…集電ボード、１１７…負荷、１１８ｈ（１１８ｋ及び１１８ｈａ）…絶縁体、１２０…ＥＣＵ、１２１…電流計、ＡＮ…アノード側電極、ＣＳ…カソード側電極
【図１】
2005310414.tif 000003
【図２】
2005310414.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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