(57)【要約】燃料電池スタック（１）は複数の積層されたセル（２ａ，２ｂ）における水素と酸素の電気化学反応により発電を行う。各セル（２ａ，２ｂ）は水素が供給されるアノード（２６ａ）と、酸素を含む空気が供給されるカソード（２６ｂ）と、アノード（２６ａ）からカソード（２６ｂ）へ水素イオンを透過させる電解質膜（２０）とを備える。セル（２ａ，２ｂ）は中央セル（２ａ）と端部セル（２ｂ）を備える。端部セル（２ｂ）の吸水容量を中央セル（２ａ）より大きくすることで、昇温しづらい端部セル（２ｂ）におけるフラッディングの発生を防止し、燃料電池スタック（１）の低温始動性能を高める。
2006526271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素との電気化学反応により発電を行う複数の積層されたセル（２ａ，２ｂ）からなる燃料電池スタック（１）、を備える燃料電池システムにおいて、
セル（２ａ，２ｂ）は、積層方向に関して燃料電池スタック（１）の中央に配置した第１のセル（２ａ）と、中央以外に配置した第２のセル（２ｂ）とを含み、
第２のセル（２ｂ）の吸水容量を、第１のセル（２ａ）より大きく設定した、ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
各セル（２ａ，２ｂ）は水素が供給されるアノード（２６ａ）と、酸素を含む空気が供給されるカソード（２６ｂ）と、アノード（２６ａ）からカソード（２６ｂ）へ水素イオンを透過させる吸水性材料による電解質膜（２０）とを備え、第２のセル（２ｂ）の電解質膜（２０）は第１のセル（２ａ）の電解質膜（２０）より大きな吸水容量を持つようにあらかじめ形成された、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
各セル（２ａ，２ｂ）は水素が供給される吸水性材料で構成されたアノード（２６ａ）と、酸素を含む空気が供給される吸水性材料で構成されたカソード（２６ｂ）と、アノード（２６ａ）からカソード（２６ｂ）へ水素イオンを透過させる電解質膜（２０）とを備え、第２のセル（２ｂ）のカソード（２６ｂ）は第１のセル（２ａ）のカソード（２６ｂ）より大きな吸水容量を持つようにあらかじめ形成された、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
セル（２ａ，２ｂ）に供給する空気を加湿する加湿器（７，７ａ，７ｂ）と、加湿器（７，７ａ，７ｂ）を制御するプログラム可能なコントローラ（１１）とをさらに備え、コントローラ（１１）は、燃料電池システムが運転を停止するのに先立ち、セル（２ａ，２ｂ）に供給する空気の加湿を抑制するように、加湿器（７，７ａ，７ｂ）を制御するように（Ｓ３）、プログラムされた、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
セル（２ａ，２ｂ）の含水量に関わるパラメータを検出するセンサ（１２，１３）をさらに備え、コントローラ（１１）は、パラメータからセル（２ａ，２ｂ）の含水量を判定し（Ｓ２）、セル（２ａ，２ｂ）の含水量が多いほど加湿抑制の継続時間を長くするように（Ｓ３，Ｓ３０）、さらにプログラムされた、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
セル（２ａ，２ｂ）に供給する水素を加湿する加湿器（６，６ａ，６ｂ）をさらに備え、コントローラ（１１）は、燃料電池システムが運転を停止するのに先立ち、セル（２ａ，２ｂ）に供給する水素の加湿を抑制するように、加湿器（６）抑制するように（Ｓ３，Ｓ３０）、さらにプログラムされた、請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
セル（２ａ，２ｂ）に供給する空気を加湿する加湿器（７）と、燃料電池スタック（１）の温度を検出するセンサ（１７）と、加湿器（７）を制御するプログラム可能なコントローラ（１１）とをさらに備え、コントローラ（１１）は、燃料電池システムが運転を停止した後、燃料電池スタック（１）の温度が所定の低温領域に達すると、加湿器（７）による加湿を抑制した状態で空気をセル（２ａ，２ｂ）に供給するように、プログラムされた、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池スタック（１）の出力電流を調整する回路（８）と、燃料電池スタック（１）の温度を検出するセンサ（１７）と、回路（８）を制御するプログラム可能なコントローラ（１１）とをさらに備え、コントローラ（１１）は、燃料電池システムの始動時に、燃料電池スタック（１）の温度が所定の低温領域にある場合には、燃料電池スタック（１）の出力電流を一定電流に維持するように回路（８）を制御するように（Ｓ１２．Ｓ１３）、さらにプログラムされた、請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
第２のセル（２ｂ）の残留水分をパージするパージ装置（１４ｃ，１４ｄ）と、燃料電池スタック（１）の温度を検出するセンサ（１７）と、パージ装置（１４ｃ，１４ｄ）の運転を制御するプログラム可能なコントローラ（１１）と、をさらに備え、コントローラ（１１）は燃料電池スタック（１）の温度が所定の低温領域にある場合には、第２のセル（２ｂ）の含水率が第１のセル（２ａ）の含水率より小さくなるように、パージ装置（１４ｃ，１４ｄ）を運転するように（Ｓ３０）、プログラムされた、請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
パージ装置（１４ｃ，１４ｄ）は第２のセル（２ｂ）に供給する空気の圧力、流量、加湿度、温度及び供給時間のひとつを調整する装置である、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
第１のセル（２ａ）に供給する空気を加湿する第１の加湿器（７ａ）と、第２のセル（２ｂ）に供給する空気を加湿する第２の加湿器（７ｂ）と、燃料電池スタック（１）の温度を検出するセンサ（２８）と、第１の加湿器（７ａ）と第２の加湿器（７ｂ）を制御するプログラム可能なコントローラ（１１）とをさらに備え、コントローラ（１１）は燃料電池システムの始動時に燃料電池スタック（１）の温度が所定温度以上の場合には、第２のセル（２ｂ）に供給する空気の湿度が第１のセル（２ａ）に供給する空気の湿度より高くなるように、第１の加湿器（７ａ）と第２の加湿器を制御するように（Ｓ２１）、さらにプログラムされた、請求項１から１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
第１のセル（２ａ）に供給する空気を加湿する第１の加湿器（７ａ）と、第２のセル（２ｂ）に供給する空気を加湿する第２の加湿器（７ｂ）と、燃料電池スタック（１）の出力電圧を検出する電圧センサ（１３）と、第１の加湿器（７ａ）と第２の加湿器を制御するプログラム可能なコントローラ（１１）とをさらに備え、コントローラ（１１）は燃料電池スタック（１）の出力電圧が所定電圧以上の場合には、第１のセル（２ａ）に供給する空気の湿度が第２のセル（２ｂ）に供給する空気の湿度より高くなるように、第１の加湿器（７ａ）と第２の加湿器を制御するように（Ｓ２２，Ｓ２４）、さらにプログラムされた、請求項１から１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
第１のセル（２ａ）に供給する空気を加湿する第１の加湿器（７ａ）と、第２のセル（２ｂ）に供給する空気を加湿する第２の加湿器（７ｂ）と、第１の加湿器（７ａ）と第２の加湿器を制御するプログラム可能なコントローラ（１１）とをさらに備え、コントローラ（１１）は所定時間ごとに、第２のセル（２ｂ）に供給する空気の湿度が第１のセル（２ａ）に供給する空気の湿度より低い状態で、第１のセル（２ａ）と第２のセル（２ｂ）に供給する空気の湿度をともに低下させるように（Ｓ３３）、さらにプログラムされた、請求項１から１２  のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
水素が供給されるアノード（２６ａ）と、酸素を含む空気が供給されるカソード（２６ｂ）と、アノード（２６ａ）からカソード（２６ｂ）へ水素イオンを透過させる電解質膜（２０）とを備えた複数の積層されたセル（２ａ，２ｂ）、を備え、水素と酸素の電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック（１）において、
複数の積層されたセル（２ａ，２ｂ）は、積層方向に関して燃料電池スタック（１）の中央に配置された第１のセル（２ａ）と、第１のセル（２ａ）以外の第２のセル（２ｂ）とを含み、
第２のセル（２ｂ）の吸水容量を、第１のセル（２ａ）より大きく設定した、ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１５】
電解質膜（２０）は吸水性材料で構成され、第２のセル（２ｂ）の電解質膜（２０）は、第１のセル（２ａ）の電解質膜（２０）より積層方向に大きな厚みを有する、請求項１４に記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
電解質膜（２０）は吸水性材料で構成され、第２のセル（２ｂ）の電解質膜（２０）は、第１のセル（２ａ）の電解質膜（２１）より大きなイオン交換基当量重量を有する、請求項１４または１５に記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
第２のセル（２ｂ）は基材と基材に混入された吸水材を備える、請求項１４から１６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
吸水材はシリカゲル、合成ゼオライト、アルミナゲル、チタニアゲル、ジルコニアゲル、イットリアゲル、酸化スズ、酸化タングステンからなる吸湿性無機多孔質粒子吸水性樹脂のグループから選択された材料で構成される、請求項１７に記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
吸水材は架橋ポリアクリル酸塩、でんぷん-アクリル酸塩グラフと共重合架橋物、ポパール系高分子樹脂、ポリアクリロニトリル系高分子樹脂、カルボキシメチルセルロース系高分子樹脂のひとつで構成される、請求項１７に記載の燃料電池スタック。
【請求項２０】
基材は電解質膜（２０）で構成され、吸水材は電解質膜（２０）の重量に対して０．０１パーセントから３０パーセントの重量範囲で電解質膜（２０）に混入された、請求項１７に記載の燃料電池スタック。
【請求項２１】
カソード（２６ｂ）は、電解質膜（２０）に接する触媒層（２１）と、空気中の酸素を触媒層（２１）に向けて拡散するカソードガス拡散層（２２）とを備え、基材は第２のセル（２ｂ）のカソードガス拡散層（２２）で構成され、吸水材は第２のセル（２ｂ）のカソードガス拡散層（２２）の重量に対して０．０１パーセントから３０パーセントの重量範囲で第２のセル（２ｂ）のカソードガス拡散層（２２）に混入された、請求項１７に記載の燃料電池スタック。
【請求項２２】
カソード（２６ｂ）は、電解質膜（２０）に接する触媒層（２１）と、空気中の酸素を触媒層（２１）に向けて拡散する吸水性材料で構成されたカソードガス拡散層（２２）とを備え、第２のセル（２ｂ）のカソードガス拡散層（２２）は第１のセル（２ａ）のカソードガス拡散層（２２）より積層方向に大きな厚みを有する、請求項１４から２１のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項２３】
カソード（２６ｂ）は、電解質膜（２０）に接する触媒層（２１）と、空気中の酸素を触媒層（２１）に向けて拡散する吸水性材料で構成されたカソードガス拡散層（２２）とを備え、第２のセル（２ｂ）のカソードガス拡散層（２２）は第１のセル（２ａ）のカソードガス拡散層（２２）より大きな比表面積を有する、請求項１４から２２のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項２４】
アノード（２６ａ）とカソード（２６ｂ）と電解質膜（２０）を、高分子溶液を塗布した一体の膜電極複合体（３）で構成し、第２のセル（２ｂ）の膜電極複合体（３）は、第１のセル（２ａ）の膜電極複合体（３）より多い高分子溶液の塗布量を有する、請求項１４から２３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項２５】
高分子溶液はパーフルオロカーボンスルホン酸を含む、請求項２４に記載の燃料電池スタック。
【請求項２６】
カソード（２６ｂ）は、電解質膜（２０）に接する触媒層（２１）と、空気中の酸素を触媒層（２１）に向けて拡散する、数多くの細孔を備えたカソードガス拡散層（２２）とを備え、第２のセル（２ｂ）のカソードガス拡散層（２２）の細孔は第１のセル（２ａ）のカソードガス拡散層（２２）の細孔より大きな径を有する、請求項１４から２５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項２７】
、カソード（２６ｂ）は、電解質膜（２０）に接する触媒層（２１）と、空気中の酸素を触媒層（２１）に向けて拡散する、カソードガス拡散層（２２）とを備え、第２のセル（２ｂ）のカソードガス拡散層（２２）は第１のセル（２ａ）のカソードガス拡散層（２２）のより、水との接触角が大きい材料で構成された、請求項１４から２６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項２８】
カソード（２６ｂ）は、電解質膜（２０）に接する触媒層（２１）と、空気中の酸素を触媒層（２１）に向けて拡散する、撥水処理を施したカーボンペーパーで構成されカソードガス拡散層（２２）とを備え、第２のセル（２ｂ）のカソードガス拡散層（２２）のカーボンぺーバーは第１のセル（２ａ）のカソードガス拡散層（２２）のカーボンぺーバーより撥水材の使用量を多くした、請求項１４から２７のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項２９】
中央セル（２ａ）から遠ざかるにしたがって、吸水容量を徐々に増大させた複数の端部セル（２ｂ）を備える、請求項１４から２８のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項３０】
電極（２６ａ，２６ｂ）と、電極（２６ａ，２６ｂ）に臨むガス通路（２４，２５）とを備えた、複数の積層されたセル（２ａ，２ｂ）を備え、水素と酸素の電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック（１）において、
複数の積層されたセル（２ａ，２ｂ）は、積層方向に関して燃料電池スタック（１）の中央に配置された第１のセル（２ａ）と、第１のセル（２ａ）以外の位置に配置された第２のセル（２ｂ）と、を含み、
第２のセル（２ｂ）のガス通路（２４，２５）の断面積を第１のセル（２ａ）のガス通路（２４，２５）より大きく設定した、ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３１】
第２のセル（２ｂ）のガス通路（２４，２５）へのガス供給流量を第１のセル（２ａ）のガス通路（２４，２５）へのガス供給流量より大きく設定した、請求項３０に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池スタックのフラッディング防止に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質燃料電池（ＰＥＦＣ）を積層した燃料電池スタックにおいて、アノードに供給された水素ガスはイオン化し、高分子電解質膜を透過し、プロトンとしてカソードに達した後、カソードに供給される酸素、及び電子と反応して水を形成する。水素と酸素の反応エンタルピーのうち発電に使われないエネルギは熱に変換される。
【０００３】
日本国特許庁が２００２年に発行した特開２００２-２０８４２１号は、燃料電池スタックが発電を停止した後に、スタック内の水分が凍結しないように、低温下で運転を停止する場合には、スタック内の残留水分を乾燥ガスや低湿度ガスを用いて乾燥させることを提案している。こうした凍結防止は、特に運転条件が大幅に変化する車両搭載用の燃料電池スタックにおいて必要とされる。
【０００４】
停止状態の燃料電池スタックが始動する際に、発電反応による自己加熱で暖機を行う場合には、暖機の開始とともに燃料電池スタック内で水が生成される。この生成水は電解質膜に吸収されたり、あるいは電解質膜を介してアノードへと拡散するが、生成される水の量が電解質膜の水吸収容量を上回ると、カソードに水が溢れ出す。この現象をフラッディングと言う。
【０００５】
燃料電池スタックの始動時の温度が極めて低い場合には、カソードに溢れ出した水が、セルの発電反応による発熱にもかかわらず、凍結することがある。凍結水はカソード表面を覆い、カソードガスのカソードへの到達を妨げて、発電反応を阻害する。したがって、従来技術によりあらかじめ水分を除去してあった燃料電池スタックに関しても、燃料電池スタックの始動が困難になる可能性がある。
【０００６】
始動時における燃料電池スタックは、中央部に位置するセルに比べて端部に位置するセルは暖まりにくい傾向がある。これは外気との接触面積の大きい端部から熱が逃げやすいからである。そのため、氷点下で燃料電池スタックを始動する場合に、端部のセルが氷点以上に達するまでの時間は、中央部のセルが氷点以上に達するまでの時間より長い。結果として氷点下でフラッディングが起こる可能性は、中央部セルよりも端部のセルの方が大きい。
【０００７】
この発明の目的は、したがって、燃料電池スタックのこのような始動特性を考慮して、始動時におけるフラッディングの発生を防止することである。
【発明の開示】
【０００８】
以上の目的を達成するために、この発明は複数の積層されたセルからなる燃料電池スタック、を備えた燃料電池システムを提供する。セルは積層方向に関して燃料電池スタックの中央に配置された第１のセルと、中央以外に配置された第２のセルを備える。第２のセルは第１のセルより大きな吸水容量を備えるように構成する。
【０００９】
この発明はまた、水素と酸素の電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックを提供する。燃料電池スタックは複数の積層されたセルを備える。各セルは水素が供給されるアノードと、酸素を含む空気が供給されるカソードと、アノードからカソードへ水素イオンを透過させる電解質膜とを備える。セルは、積層方向に関して燃料電池スタックの中央に配置された第１のセルと、中央以外に配置された第２のセルを備える。第２のセルは第１のセルより大きな吸水容量を備えるように構成する。
【００１０】
この発明はまた、水素と酸素の電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックを提供する。燃料電池スタックは複数の積層されたセルを備える。各セルは電極と、電極に臨むガス通路を備える。セルは、積層方向に関して燃料電池スタックの中央に配置された第１のセルと、第１のセル以外の位置に配置された第２のセルを備え、第２のセルのガス通路は第１のセルのガス通路より大きな断面積を備えるように構成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明の詳細及びこの発明の他の特徴と利点とを、明細書の以下の部分で説明するとともに、添付の図面に示す。
【００１２】
図面の図１を参照すると、この発明による車両用の燃料電池システムは、燃料電池スタック１、水素供給通路１４、空気供給通路１５、加湿器６と７及び燃焼器１９を備える。燃料電池スタック１の発電電流は、定電流制御回路８とインバータ９を介して電気負荷１０に接続される。インバータ９は、定電流制御回路８が出力する直流電流を交流電流に変換して電気負荷１０に供給する。
【００１３】
水素供給通路１４には、水素タンクに貯蔵された水素あるいは改質器に改質された水素が供給される。加湿器６は水素供給通路１４の水素を加湿する。空気供給通路１５には、ポンプあるいはコンプレッサから空気が供給される。加湿器７は空気供給通路１５の空気を加湿する。
【００１４】
加湿器６と７は、流通するガスの湿度を所望の湿度へと加湿する機能を有する。加湿器６と７には、バブラーあるいはスチーマを使用することができる。  
【００１５】
燃料電池スタック１は、直列に積層された３０個のセルを備える。３０個のセルのうち、直列方向に関して中央部に位置するセル２ａは、通常の膜電極複合体（ＭＥＡ）３を備える。直列方向に関して中央部セル２ａの両側に位置する端部セル２ｂは、中央部セル２ａより吸水容量の高いＭＥＡ３を備える。
【００１６】
ここでは、直列方向に関して中央に位置する２０個のセルを中央部セル２ａで構成し、その両側に位置する各５個のセルを端部セル２ｂで構成する。中央部セル２ａは特許請求の範囲に記載の第１のセルに相当し、端部セル２ｂは特許請求の範囲に記載の第２のセルに相当する。
【００１７】
燃料電池スタック１の両端は、断熱層４を介してステンレススチール製のエンドプレート５に接する。燃料電池スタック１は、セル２ａ，２ｂと断熱層４とエンドプレート５を貫通する長ねじによって積層方向に締め付けられる。断熱層４は、内側に空気を封入した数多くの孔部を備えた導電性の板部材で構成される。
【００１８】
図２を参照すると、各セル２ａ（２ｂ）は、ＭＥＡ３と、ＭＥＡ３を挟持する、断熱部４と同様の導電性板部材で構成された一対のセパレータ２３と、からなる。
【００１９】
ＭＥＡ３は、固体電解質膜２０とその両面に形成された電極２６ａ，２６ｂからなる。電極２６ａ，２６ｂは、カーボンに担持した白金（Ｐｔ）触媒で構成される触媒層２１と、カーボンで構成されたガス拡散層２２を備える。ここでは、電極２６ａをアノード、電極２６ｂをカソードとする。
【００２０】
吸水容量を高めるために、端部セル２ｂのＭＥＡ３の厚さを中央部セル２ａのＭＥＡ３の厚さより大きくする。同様にして、端部セル２ｂの電極２６ａ，２６ｂの層厚も、中央部セル２ａの電極２６ａ，２６ｂの層厚より大きくする。これは、端部セル２ｂの触媒層２１の厚さを中央部セル２ａのそれよりも大きくすることで、あるいは端部セル２ｂのガス拡散層２２の厚さを中央部セル２ａのそれよりも大きくすることで実現する。
【００２１】
電極２６は、白金触媒を、ナフィオン（登録商標）及び純水と混合及び撹拌した後、カーボンペーパーに塗布することで形成する。電極２６を摂氏約１２０度の温度のもとで、押し付け圧力約１００キログラム／平方センチメートル（ｋｇ／ｃｍ2）で一分間に渡って固体電解質膜２０にホットプレスすることで、電極２６は固体電解質膜２０と一体化される。ＭＥＡ３はこのようにして固体電解質膜２０の両面に一体化された電極２６を備える。ＭＥＡ３の面積は３００平方センチメートル（ｃｍ2）とする。
【００２２】
アノード２６ａに接するセパレータ２３には水素を流通させる通路２４が形成される。カソード２６ｂに接するセパレータ２３には空気を流通させる通路２５が形成される。通路２４には水素供給通路１４から加湿器６に加湿された水素が供給される。通路２５には空気供給通路１５から加湿器７に加湿された空気が供給される。セル２ａ，２ｂは、アノード２６ａに供給された水素と、カソード２６ｂに供給された空気中の酸素との固体電解質膜２０を介した電気化学反応により発電を行う。アノード２６ａにおける反応後のガスは、アノード排ガスとして排出される。アノード排ガスは燃焼器１９で燃焼させた後に大気中に放出される。カソード２６ｂにおける反応後のガスは、カソード排ガスとして大気中に放出される。
【００２３】
次に、端部セル２ｂの吸水容量の計算方法を説明する。
【００２４】
まず、セルの熱容量を計算する。
【００２５】
固体電解質膜２０として、パーフルオロカーボンスルホン酸を材料とするナフィオン１１２（Ｄｕｐｏｎ（登録商標）社製）を用いる。ナフィオン１１２の仕様は膜厚３０ミクロン（mｍ）、比熱０．８６ジュール／グラム・絶対温度（Ｊ／ｇ・Ｋ）、密度１．８グラム／立方センチメートル（ｇ／ｃｍ3）である。
【００２６】
ガス拡散層２２には厚さ３００mｍ、比熱０．８６Ｊ／ｇ・Ｋ、密度０．２ｇ／ｃｍ3のカーボンペーパーを用いる。カーボンペーパーは数多くの細孔を有し、細孔の内部に水を吸収する機能を備える。
【００２７】
セパレータ２３には、厚さ４ｍｍ、比熱０．７５Ｊ／ｇ・Ｋ、密度１．７５ｇ／ｃｍ3のカーボングラファイトを用いる。
【００２８】
固体電解質膜２０の熱容量は０．００４６ジュール／絶対温度・平方センチメートル（Ｊ／Ｋ・ｃｍ2）、ガス拡散層２２の熱容量は０．００５Ｊ／Ｋ・ｃｍ2）、セパレータ２３の熱容量は０．５３Ｊ／Ｋ・ｃｍ2となる。ガス拡散層２２の熱容量は実質的に電極２６ａ，２６ｂの熱容量である。１個の固体電解質膜２０と、２個の電極２６ａ，２６ｂと、２個のセパレータ２３からなるセル一個の熱容量は約１．１Ｊ／Ｋ・ｃｍ2となる。
【００２９】
以上の計算から明らかなように、熱容量の大半はセパレータ２３の熱容量であり、固体電解質膜２０の組成や厚さや、電極２６ａ．２６ｂの厚さにはほとんど影響を受けない。
【００３０】
このセルを用いた燃料電池スタックにおいて、スタック温度が摂氏マイナス２０度から摂氏０度へと上昇するのに必要な熱力は、計算によれば、セル当たりで約２２Ｊ／ｃｍ2である。発電時において、燃料電池スタック１の中央部セル２ａには、セル自体の発熱に加えて、周囲のセルからも熱が伝わる。一方、燃料電池スタック１の端部セル２ｂでは、中央部セル２ａから伝わる熱と、端部から外部に放出される熱とがほぼつり合うと考えると、伝熱による温度上昇は期待できず、セル２ｂ自体の発熱量で温度を上昇させることになる。
【００３１】
端部セル２ｂが、摂氏マイナス２０度において、電流密度０．２Ａ／ｃｍ2で発電を行うとすると、発電反応に伴う発熱量は約０．２Ｗ／ｃｍ2となる。ここで、電流密度はＭＥＡ３の一平方センチメートル当たりの電流を意味する。
【００３２】
この条件では、端部セル２ｂの温度が摂氏０度に上昇するのに約２分かかる。この間の発電反応により、約２ミリグラム／平方センチメートル（ｍｇ／ｃｍ2）の水が生成される。
【００３３】
そこで、端部セル２ｂに関しては、摂氏マイナス２０度から摂氏０度に達するまでに生成するすべての水を、ＭＥＡ３が吸収できるように、ＭＥＡ３を設計する。これにより、氷点下において、端部セル２ｂにフラッディングが発生するのを防止できる。カソード２６ｂに生成される水の一部は逆拡散現象によって、固体電解質膜２０からアノード２６ａに透過するが、この透過量は考慮しない。ただし、アノード２６ａへの透過量を確認可能な場合には、セル２ｂの吸水容量の計算に取り入れても良い。以上の計算は一例であり、ＭＥＡ３の構成や熱のつり合いの仮定によっては異なる値となる。
【００３４】
次に、端部セル２ｂのＭＥＡ３の吸水容量を、中央部セル２ａのＭＥＡ３より大きくする方法を説明する。
【００３５】
なお、燃料電池スタック１のすべてのセルについて、中央部から両端に向かって吸水容量を徐々に変化させることも可能である。こうした設定は、しかしながら、燃料電池スタック１の設計と、構成と、製造のすべてを複雑化する。また、すべてのセルの吸水容量を高めることは、通常状態における燃料電池スタック１の発電効率の低下につながる可能性がある。
【００３６】
この実施例では、中央部セル２ａが通常の吸水容量を有し、端部セル２ｂがより大きな吸水容量を有するようにする。
【００３７】
前述のように、端部セル２ｂは各５個とするが、この値は変更可能である。吸水容量は湿度１００パーセント（％）の加湿用ガスを用いてＭＥＡ３に水を含ませた状態から、ＭＥＡ３を乾燥させた場合の、ＭＥＡ３の重量変化に等しい。
（１）  固体電解質膜２０の厚さ
膜厚３０mｍのナフィオン１１１を用いた固体電解質膜２０は、０．３５ｍｇ／ｃｍ2の水を吸収できる。膜厚１７５mｍのナフィオン１１７を用いた固体電解質膜２０は、２．１ｍｇ／ｃｍ2の水を吸収できる。そこで、まず端部セル２ｂについては、中央部セル２ａよりも固体電解質膜２０の膜厚を大きくする。例えば、セル２ａにナフィオン１１２を適用し、セル２ｂにナフィオン１１７を適用することで、セル２ｂの吸水容量をセル２ａの吸水容量より大きくすることができる。
【００３８】
「燃料電池のための高分子電解質の性質」（Ｔ．ザウォーディンスキー他著米国電気化学学会誌１４０巻７号（１９９３）１９８１ページ）、によれば、固体電解質膜をある程度乾燥させた状態では含水率は２であり、最大限に水を吸収させた状態の含水率は約６である。
【００３９】
吸水容量とは別に、固体電解質膜２０の厚さは、ガスを透過させない点で５mｍ以上の厚さにすることが好ましい。
（２）  電極２６ａ，２６ｂの層厚と比表面積
電極２６ａ，２６ｂのカーボン材として、比表面積１００ｍ2／ｇのバルカンファイバーを用いると、５０mｍの厚さで０．１ｍｇ／ｃｍ2の水を吸収できる。電極の厚さを５００mｍとすると、１ｍｇ／ｃｍ2の水を吸収できる。
【００４０】
電極２６ａ，２６ｂのカーボン材として、比表面積１０００ｍ2／ｇのケッチェンブラックを用いると、１００mｍの圧さで２ｍｇ／ｃｍ2の水を吸収できる。
【００４１】
このように、セル２ｂの電極の層厚をセル２ａに比べて大きくすることで、セル２ｂの吸水容量をセル２ａの吸水容量より大きくすることができる。あるいは、セル２ｂの電極の比表面積をセル２ａに比べて大きく設定しても同じ結果が得られる。
【００４２】
電極の層厚は、使用するカーボンの量に比例するが、十分な白金（Ｐｔ）触媒を担持するためには、厚さ５mｍ以上であることが好ましい。
（３）  固体電解質膜２０のイオン交換基当量重量ＥＷ
固体電解質膜２０をイオン交換基当量重量ＥＷが１１００のナフィオン（登録商標）の膜に代えて、ＥＷが８００のＤｏｗｅｘ（登録商標）で構成することにより、約１．５倍の水を吸収することが可能になる。イオン交換基当量重量ＥＷが小さいと、イオン交換基の含有モル数が大きくなるので、吸水容量を高めることができる。固体電解質膜２０の厚さを３０mｍとすると、Ｄｏｗｅｘ（登録商標）の膜は約０．５３ｍｇ／ｃｍ2の水を吸収することができる。これは、同じ厚さのナフィオン１１２の膜より約０．１８ｍｇ／ｃｍ2多い。ただし、イオン交換基当量重量ＥＷが小さくなると、膜としての強度が低下する。膜としての好ましい強度を保つために、イオン交換基当量重量ＥＷは２００以上であることが好ましい。
（４）  吸水材の混入
固体電解質膜２０、触媒層２１、あるいは触媒層２１の隣に設けた白金（Ｐｔ）を担持しないカーボン層に吸水材を混入することで、ＭＥＡ３の吸水容量を増加させることができる。吸水材の一例はシリカゲルである。シリカ含有率を１０％とした場合、厚さ１７５mｍの膜で約２ｍｇ／ｃｍ2の水を吸収できる。吸水材の混入効果は等温吸着線から計算することができる。
【００４３】
米国特許５，５２３，１８１号は、固体電解質膜のシリカの含有率と吸水容量との関係を開示している。
【００４４】
吸水材として、シリカゲル、合成ゼオライト、アルミナゲル、チタニアゲル、ジルコニアゲル、イットリアゲル、酸化スズ、酸化タングステンからなるグループから選択される、吸湿性無機多孔質粒子吸水性樹脂を使用する。あるいは、架橋ポリアクリル酸塩、でんぷんーアクリル酸塩グラフト共重合架橋物、ポバール系高分子樹脂、ポリアクリロニトリル系高分子樹脂、ガルボキシメチルセルロース系高分子樹脂のいずれかを使用する。これらのいずれかの材料を使用することで、ＭＥＡ３の劣化を招かずに吸水容量を増大させることができる。
【００４５】
ここでは、端部セル２ｂに限って固体電解質膜２０に吸水材を混入する。端部セル２ｂと中央部セル２ａの固体電解質膜２０にともに吸水材を混入する一方、セル２ｂの吸水材混入率をセル２ａの吸水材混入率より高くしても良い。吸水材は、固体電解質膜２０の主要成分である高分子電解質に対して０．０１重量％-３０重量％の範囲とすることが好ましい。０．０１％より小さいと吸水材の混入効果を期待できず、３０％を超えると固体電解質膜２０のプロトン導電率が顕著に低下する。
（５）  ＭＥＡ３の製造時の高分子液容量
ＭＥＡ３が約０．５ｍｇ／ｃｍ2のナフィオン（登録商標）を含む場合には、０．０２ｍｇ／ｃｍ2の水を吸収することができる。これは、ＭＥＡ３の製造時に、触媒層２１にナフィオン（登録商標）を含む触媒を塗布することで実現する。ナフィオン（登録商標）の溶液をさらにガス拡散層２２にも塗布するならば、ＭＥＡ３は約５０ｇｍ／ｃｍ2のナフィオン（登録商標）を保持することができ、これにより２ｍｇ／ｃｍ2の水を吸収できる。このように、パーフルオロカーボンスルホン酸を主原料とした高分子溶液には吸水能力がある。
【００４６】
端部セル２ｂが、中央部セル２ａより多くの高分子溶液を含むようにすることで、端部セル２ｂの吸水容量を中央部セル２ａの吸水容量より大きくすることができる。
【００４７】
触媒層２１に三相界面を形成するのに必要な高分子重量は０．１ｍｇ／ｃｍ2であり、高分子溶液の使用量はこの必要をも満たすように決定することが好ましい。
【００４８】
以上の（１）-（５）のうち、ひとつまたは複数の方法で、端部セル２ｂのＭＥＡ３の吸水容量を、中央部セル２ａのＭＥＡ３の吸水容量より大きくすることができる。以上の（１）-（５）の方法のうち、ガス拡散層２２あるいは触媒層２１の吸水容量を高める方法については、アノード２６ａとカソード２６ｂの双方のガス拡散層２２あるいは触媒層２１に適用しても良いし、カソード２６ｂのガス拡散層２２あるいは触媒層２１のみに適用しても良い。発電反応により水を生成するのはカソード２６ｂであり、したがって、フラッディングもアノード２６ａよりカソード２６ｂに発生しやすいからである。
【００４９】
吸水容量の設定は２種類に限らず、より多くの設定が可能である。前述のように、燃料電池スタック１のすべてのセルについて、中央部から両端に向かって吸水容量を徐々に変化させることも可能である。
【００５０】
この実施例では、以上のいずれかの方法で、端部セル２ａの吸水容量を、中央部セル２ｂの吸水容量より大きく設定する。
【００５１】
次にこの燃料電池スタック１の水分に影響を与える加湿器６と７及び、燃料電池スタック１の出力電流を調整することで結果的に燃料電池スタック１内の発熱量を変化させる定電流制御回路８の制御について説明する。
【００５２】
これらの機器を制御するために、燃料電池システムはコントローラ１１を備える。コントローラ１１は、加湿器６と７への信号出力により、燃料電池スタック１に供給される水素と空気の加湿状態をそれぞれ制御する。コントローラ１１はまた定電流制御回路８への信号出力により、燃料電池スタック１の発電電力を制御する。
【００５３】
コントローラ１１は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラを複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。
【００５４】
コントローラ１１による加湿器６と７及び燃料電池スタック１の発電電力の制御のために、コントローラ１１には、中央部セル２ａの温度を検出する温度センサ１７、燃料電池スタック１の出力電流を検出する電流センサ１２及び燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ１３から、それぞれ検出データが信号としてコントローラ１１に入力される。
【００５５】
次に、コントローラ１１が実行する、燃料電池システムの停止ルーチンを説明する。コントローラ１１は入力インタフェースに運転停止指令信号が入力されると、このルーチンを実行する。
【００５６】
図３を参照すると、コントローラ１１はまずステップＳ１で、定電流制御回路８に出力電流を０とする指令を発することで、燃料電池スタック１の発電を停止する。
【００５７】
次のステップＳ２で、コントローラ１１は、セル２ａ，２ｂの含水量を推定する。この推定は、燃料電池スタック１が発電を停止する直前の電流センサ１２と電圧センサ１３の検出値に基づき行う。具体的には、燃料電池スタック１の出力電流が大きいほど、出力電圧が高いほどセル２ａ，２ｂの発電反応が盛んで大量の水が生成されるため、セル２ａ，２ｂの固体電解質膜２０の含水量が多いと考える。言い換えれば、燃料電池スタック１の出力電力が大きいほど、セル２ａ，２ｂの固体電解質膜２０の含水量が多いと考える。
【００５８】
燃料電池スタック１内に湿度センサを設け、湿度センサの検出湿度に基づきセル２ａ，２ｂの固体電解質膜２０の含水量を推定することももちろん可能である。ＭＥＡ３の膜抵抗を計測する周波数１キロヘルツ（ｋＨｚ）の高周波インピーダンス計と、温度を計測する熱電対をいずれかのセル２ａ，２ｂに設けて、膜抵抗と温度から燃料電池スタック１の含水量を推測しても良い。
【００５９】
次のステップＳ３で、コントローラ１１は、含水量に基づき、セル２ａ，２ｂの乾燥操作を行う。具体的には、まず加湿器６と７による加湿を停止し、水素供給通路１４から水素を、空気供給通路１５から空気を燃料電池スタック１に供給し、内部の水分をパージする。セル２ａ，２ｂに水素と空気が供給されても、定電流制御回路８で出力電流が０に抑えられているので、セル２ａ，２ｂは発電反応を行わない。水素と空気の供給時間はステップＳ２で推定した含水量が多いほど長くする。加湿器６と７を完全に停止する代わりに、低加湿状態として、低湿度の水素と空気を用いて水分をパージすることも可能である。
【００６０】
固体電解質膜２０に浸潤した水分の一部は、アノード２６ａに供給される乾燥したあるいは低湿度の水素によってパージされ、水素とともに燃焼器１９に流入し、燃焼器１９で処理される。また、固体電解質膜２０に浸潤した水分の一部は、カソード２６ｂに供給される乾燥したあるいは低湿度の空気によってパージされたく空気とともに大気中に排出される。
【００６１】
パージの継続時間は次の条件に基づき設定する。すなわち、氷点下の始動においても発電が可能な含水量であって、始動時に発電反応によってセル２ａ，２ｂの温度が氷点を上回るまでに生成される水量がフラッディングを起こさない範囲に留まることである。
【００６２】
パージの継続時間がこのようにして設定された設定時間に達すると、コントローラ１１はステップＳ４で、燃料電池スタック１への水素と空気の供給を停止する。さらに、燃料電池スタック１の他の補機の運転を停止する。
【００６３】
このルーチンは、燃料電池システムの運転停止時に実行されるが、運転停止中の温度降下に応じて実行するようにすることも可能である。その場合には、燃料電池システムの運転停止後も、コントローラ１１をアクティブな状態に保つ。コントローラ１１は運転停止後の温度センサ１７をモニターし、セル２ａ，２ｂの温度が氷点に近付いたら、ステップＳ３の処理を実行する。
【００６４】
この場合には、セル２ａ，２ｂが低温にならない限り、パージ処理は実行されないことになる。パージ処理の実行条件をセル２ａ，２ｂの温度の代わりに、外気温に基づき規定することも可能である。
【００６５】
セル２ａ，２ｂ内の水分がいったん凍結すると、水素や空気によってセル２ａ，２ｂ内の水分をパージすることはできなくなる。したがって、いずれの場合も、温度が氷点下に下がる前にルーチンを実行することが必要である。
【００６６】
この燃料電池スタック１では、中央部セル２ａと比べて端部セル２ｂの吸水容量を大きくしたので、図３のルーチンにより燃料電池スタック１全体を均一に乾燥した場合にも、次の始動において、端部セル２ｂは中央部セル２ａより多くの水を吸収することができる。
【００６７】
セル２ａ，２ｂ内を完全に乾燥させてから放置する代わりに、次の発電のために、セル２ａ，２ｂ内を低湿度状態にしておくことも好ましい。この場合には、パージの後に、低湿度に加湿した水素と空気を燃料電池スタック１に供給する。
【００６８】
次に図４を参照して、コントローラ１１が実行する燃料電池スタック１の始動ルーチンを説明する。コントローラ１１は入力インタフェースに運転指令信号が入力されると、このルーチンを実行する。
【００６９】
コントローラ１１は、まずステップＳ１１で温度センサ１７が検出する燃料電池スタック１の温度を読み込む。
【００７０】
次のステップＳ１２では、コントローラ１１は燃料電池スタック１の温度が氷点温度、すなわち摂氏０度より高いかどうかを判定する。
【００７１】
燃料電池スタック１の温度が氷点温度より高い場合には、コントローラ１１は何も行わずにルーチンを終了する。この場合には、燃料電池システムは通常運転を行う。
【００７２】
燃料電池スタック１の温度が氷点温度より高くない場合には、コントローラ１１はステップＳ１３で、低温用運転を行う。低温用運転は、燃料電池スタック１への発電要求に関係なく、燃料電池スタック１の出力電流を定電流制御回路８を介して一定電流に維持し、セル２ａ，２ｂ内の凍結水分の解凍を目的とした燃料電池システムの運転を一定時間続行する。
【００７３】
燃料電池システムの運転を一定時間続行した後、コントローラ１１は、燃料電池スタック１の温度が氷点温度より高くなるまで、ステップＳ１１-Ｓ１３の処理を繰り返す。
【００７４】
燃料電池システムを車両の走行用動力源として用いる場合には、燃料電池スタック１の解凍のための発電により得られた電力を、車両走行のために用いることができる。また、余剰電力は他の機器の加熱や、バッテリへの蓄電に用いることができる。
【００７５】
次に図５Ａ-５Ｆを参照して、この燃料電池システムがもたらす効果を説明する。
【００７６】
図５Ａ-５Ｆのうち、図５Ｄ-５Ｆは端部セル２ｂの吸水容量を中央部セル２ａより大きくした、この燃料電池システムの始動状況を示す。図５Ａ-５Ｃはすべてのセルの吸水容量を一律とした従来技術の始動状況を示す。図５Ｂと５Ｃの運転開始前の高電圧は開放端電圧を示す。
【００７７】
摂氏-２０度で、従来技術による燃料電池システムを始動する場合において、始動によりセルが発電を開始してから、しばらくすると、発電反応の発熱により溶融した水分と、発電反応によって生成される水とで、図５Ｃに示す燃料電池スタック１の温度が摂氏０度に達する前に、セルのカソードにフラッディングが生じることがある。フラッディングが生じると、図５Ａに示すセルの出力電流、図５Ｂに示すセルの出力電圧ともに急激な低下を示す。このような状態になると、セルは、凍結状態で発電を停止してしまう。フラッディングが生じやすいのは、前述のように、燃料電池スタックの端部に位置するセルである。
【００７８】
一方、この発明による燃料電池システムにおいては、端部セル２ｂの吸水容量を中央部セル２ａより大きくしているので、セル２ａ，２ｂが発電を開始してから、燃料電池スタック１の温度が氷点を上回るまでに、端部セル２ｂがフラッディングを起こす確率は従来技術より少ない。そのため、図５Ｄと５Ｅに示すように、セル２ａ，２ｂは出力電流、出力電圧とも低下しない。また、水素と空気の供給に対して、セル２ａ，２ｂが活発に発電を行うことで、図５Ｆに示すように短い時間で燃料電池スタック１の温度を氷点以上に上昇させることができる。
【００７９】
次に図６と７を参照して、この発明の第２の実施例を説明する。
【００８０】
この実施例では、中央部セル２ａと端部セル２ｂに用いるＭＥＡ３の吸水容量を同じとする。
【００８１】
代わりに、燃料電池スタック１が氷点以下になる前の、中央部セル２ａと端部セル２ｂのＭＥＡ３の乾燥度合いに違いを設けることで、結果的に燃料電池スタック１が始動する際の吸水機能に差を生じさせる。
【００８２】
この実施例による燃料電池システムは、２系統の水素供給通路１４ａと１４ｂと、２系統の空気供給通路１５ａと１５ｂを備える。
【００８３】
水素供給通路１４ａは中央マニホールド１６ａを介して中央部セル２ａのアノードに水素を供給する。水素供給通路１４ｂは端部マニホールド１６ｂを介して端部セル２ｂのアノードに水素を供給する。
【００８４】
空気供給通路１５ａは中央マニホールド１６ａを介して中央部セル２ａのカソードに空気を供給する。空気供給通路１５ｂは端部マニホールド１６ｂを介して端部セル２ｂのカソードに空気を供給する。
【００８５】
中央マニホールド１６ａは、各セル２ａのアノードに至る水素の分岐管と、各セル２ａのカソードに至る空気の分岐管とを内蔵する。端部のマニホールド１６ｂは、各セル２ｂのアノードに至る水素の分岐管と、各セル２ｂのカソードに至る空気の分岐管とを内蔵する。
【００８６】
水素供給通路１４ａと１４ｂには、圧力調整装置１４ｃと１４ｄがそれぞれ設けられる。空気供給通路１５ａと１５ｂには、圧力調整装置１５ｃと１５ｄがそれぞれ設けられる。
【００８７】
燃料電池システムのその他のハードウェアの構成は、第１の実施例による燃料電池システムと同一である。
【００８８】
コントローラ１１は、燃料電池システムが運転を停止する際に、図３のルーチンに代えて図７のルーチンを実行する。
【００８９】
このルーチンでは、図３のルーチンのステップＳ３に代えてステップＳ３０を設ける。
【００９０】
ステップＳ３０では、圧力調整装置１４ｄと１５ｄの圧力設定値を、圧力調整装置１４ｃと１５ｃの圧力設定値より高く設定することで、燃料電池システムが運転を停止する際の、セル２ｂのＭＥＡ３の含水率をセル２ａのＭＥＡ３の含水率より低くする。
【００９１】
具体的には、水素供給通路１４ｂからセル２ｂに供給される水素の圧力を、水素供給通路１４ａからセル２ａに供給される水素の圧力より高くし、空気供給通路１５ｂからセル２ｂに供給される空気の圧力を、空気供給通路１５ａからセル２ａに供給される空気の圧力より高くする。
【００９２】
圧力調整装置１４ｃ、１４ｄ、１５ｃ、１５ｄの代わりに、流量、加湿度及び温度のいずれかの調整装置を用いることが可能である。あるいは、セル２ａとセル２ｂとで水素と空気の供給時間を変えることも可能である。
【００９３】
すなわち、セル２ｂへ供給する水素と空気に関してセル２ａよりも、流量を多くする、加湿度を低くする、温度を高くする、供給時間を長くする、のいずれの方法を適用しても、燃料電池システムが運転を停止する時点で、セル２ｂのＭＥＡ３の含水率をセル２ａのＭＥＡ３の含水率より低くすることができる。
【００９４】
他のステップＳ１，Ｓ２及びＳ４の処理は、第１の実施例による図３のルーチンと同一である。
【００９５】
コントローラ１１は、また、燃料電池システムの始動時には、第１の実施例と同じく図４のルーチンを実行する。
【００９６】
ＭＥＡ３の吸水容量は、ＭＥＡ３が吸水を開始する時点での含水率に依存し、吸水開始時点の含水率が低いほど、すなわちＭＥＡ３が乾燥しているほど、多くの水分を吸収することができる。この実施例では、燃料電池システムが運転を停止する時点での、セル２ｂのＭＥＡ３の含水率が、セル２ａのＭＥＡ３の含水率より低くなるようにする。この措置の結果、燃料電池システムが運転を再開する際に、セル２ｂのＭＥＡ３は、セル２ａのＭＥＡ３より多くの水分を吸収することができる。したがって、第１の実施例と同様に、燃料電池システムの氷点下での始動において、セル２ａ，２ｂの内部にフラッディングが起こるのを防止できる。そのため、フラッディングによる余剰水分の凍結により燃料電池システムの始動が妨げられることはなく、燃料電池システムの始動性能を向上をさせることができる。
【００９７】
この実施例によれば、パージ制御のみで、中央部セル２ａと端部セル２ｂの仕様を変えることなく、始動時のフラッディングの防止に関して、第１の実施例と同様の好ましい効果を得ることができる。
【００９８】
この実施例において、運転停止時の含水率の違いに加えて、第１の実施例による吸水容量の違いを取り入れることも可能である。
【００９９】
この実施例においても、第１の実施例と同様に、中央部セル２ａに用いるＭＥＡ３と、端部セル２ｂに用いるＭＥＡ３とが異なる吸水機能を持つようにあらかじめ構成することも可能である。
【０１００】
この実施例は、調整装置１４ｃ，１４ｄ，１５ｃ，１５ｄを備えるが、必ずしもこれらの調整装置をすべて備える必要はない。少なくとも端部セル２ｂへの空気供給に関わる調整装置１４ｄが存在すれば、セル２ｂのＭＥＡ３の含水率をセル２ａのＭＥＡ３の含水率より低くすることが可能である。調整装置１４ｃ，１４ｄが特許請求の範囲に記載のパージ装置に相当する。
【０１０１】
上記の各実施例は、いずれも、ＭＥＡ３を乾燥させるために水素と空気を用いて水分をパージしている。しかしながら、水素や空気のような発電反応用のガスの代わりに、例えば窒素ガスや燃焼器の燃焼ガスのようなパージ専用のガスを供給して水分をパージしても良い。
【０１０２】
また、セル２ａ，２ｂにおいて発電反応により水が生成されるのは、カソード２６ａにおいてである。したがって、カソード２６ｂについてのみパージングを行い、アノード２６ａについてはパージングを行わないようにすることももちろん可能である。
【０１０３】
次に図８-１０を参照して、この発明の第３の実施例を説明する。
【０１０４】
この実施例は、燃料電池スタック１の中央部セル２ａの固体電解質膜２０に、膜厚３０mｍのナフィオン１１１を使用し、端部セル２ｂに膜厚５０mｍのナフィオン１１２を使用する。中央部セル２ａのガス拡散層２２に厚さ２００mｍのカーボンペーパーを使用し、端部セルのガス拡散層２２に厚さ３００mｍのカーボンペーパーを使用する。カーボンペーパーには撥水処理を施す。端部セル２ｂの排水性を高めるために、端部セル２ｂの撥水材の量を中央部セル２ａより多くすることも好ましい。さらに、端部セル２ｂに適用するカーボンペーパーが有する細孔の径を、中央部セル２ａに適用するカーボンペーパーが有する細孔の径より大きくすることも好ましい。そのために、端部セル２ｂのカーボンペーパーに代えてカーボンクロスを使用することが考えられる。
【０１０５】
吸水容量を増大させる方法として、ガス拡散層２２と水との接触角を大きくすることも好ましい。これは、具体的には、ガス拡散層２２を構成するカーボンペーパーの表面に微細な凹凸を形成することで実現する。より具体的には、カーボンペーパーを撥水処理する際に、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））のようなフッ素化合物と酸化硅素（ＳｉＯ2）の微粒子を混ぜることで、カーボンペーパーの表面を粗くする。
【０１０６】
ガス拡散層２２と水との接触角を大きくする別の方法として、拡散層２２の親水性／撥水性を変化させることも考えられる。テフロンの場合は、接触角が１０８度となるのに対して、フッ素濃度を高くしたポリパーフルオロオクチルエチルアクリートは接触角が１２０度となる。テフロンを構成するフッ素は、-ＣＦ2-ＣＦ2-という形で結合しているのに対して、ポリパーフルオロオクチルエチルアクリートは-ＣＦ2-ＣＦ（ＣＦ3）-という側鎖を有することで、フッ素濃度が高くなっている。
【０１０７】
図８を参照すると、この実施例による燃料電池システムは、上記のように構成された燃料電池スタック１への水素と空気の供給を、第２の実施例と同様に、それぞれ２系統の水素供給通路１４ａと１４ｂと、２系統の空気供給通路１５ａと１５ｂを用いて行う。
【０１０８】
水素は水素タンクから水素供給通路１４ａと１４ｂに供給される。
【０１０９】
水素供給通路１４ａにはバルブ１８ａと加湿器６ａを、水素供給通路１４ｂにはバルブ１８ｂと加湿器６ｂをそれぞれ設け、水素供給通路１４ａと１４ｂの水素供給流量と水素の加湿度合いの個別の調整を可能にする。
【０１１０】
空気供給通路１５ａにはバルブ２７ａと加湿器７ａを、空気供給通路１５ｂにはバルブ２７ｂと加湿器２７ｂをそれぞれ設け、空気供給通路１５ａと１５ｂの空気供給流量と空気の加湿度合いの個別の調整を可能にする。
【０１１１】
また、第２の実施例で用いた温度センサ１７の代わりに、この実施例では端部セル２ｂに熱電対２８を設ける。熱電対は端部セル２ｂの温度を検出して、コントローラ１１に対応する信号を入力する。
【０１１２】
燃料電池システムのその他の構成は第２の実施例と同一である。
【０１１３】
この燃料電池システムにおいても、コントローラ１１は第２の実施例と同様に、燃料電池システムの停止時には図７のルーチンを実行し、始動時には図４のルーチンを実行する。
【０１１４】
次に図９を参照して、この燃料電池システムの常温における電力供給開始制御を説明する。コントローラ１１は図４の始動ルーチンが完了した後に、このルーチンを実行する。
【０１１５】
コントローラ１１は、まずステップＳ２１で、バルブ１８ａ，１８ｂと加湿器６ａ，６ｂを操作して、燃料電池スタック１の端部セル２ｂに高湿度の水素を供給し、中央部セル２ａに低湿度の水素を供給する。同様に、バルブ２７ａ，２７ｂと加湿器７ａ，７ｂを操作して、燃料電池スタック１の端部セル２ｂに高湿度の空気を供給し、中央部セル２ａに低湿度の空気を供給する。
【０１１６】
例えば、燃料電池システムの始動時の温度が摂氏２０度の場合には、供給する水素や空気を加湿してもセル２ａ，２ｂが凍結する心配はない。したがって、このような条件では、端部セル２ｂに湿度１００％の水素と空気を供給し、中央部セル２ａに湿度８０％の水素と空気を供給することが可能である。
【０１１７】
次のステップＳ２２では、電圧センサ１３が検出する燃料電池スタック１の出力電圧を所定電圧と比較する。ここでは、燃料電池スタック１は負荷１０への電力供給を行っておらず、電圧センサ１３の検出値は燃料電池スタック１の開放端電圧に相当する。所定電圧は燃料電池スタック１の定格出力電圧とする。
【０１１８】
燃料電池スタック１の出力電圧が所定電圧により低い場合には、コントローラ１１はステップＳ２１からの処理を繰り返す。
【０１１９】
燃料電池スタック１の出力電圧が所定電圧に達した場合には、コントローラ１１はステップＳ２３で、定電流制御回路８を制御して、電気負荷１０への電力供給を開始する。
【０１２０】
次のステップＳ２４では、コントローラ１１は、燃料電池スタック１内にフラッディングが生じないように、燃料電池スタック１に供給する水素と空気の湿度を低下させる。ステップＳ２４の処理の後、コントローラ１１はルーチンを終了し、通常運転時の制御に移行する。
【０１２１】
燃料電池スタック１の中央部セル２ａの定常運転における温度を摂氏７０度とすると、エンドプレート５からの放熱のため、端部セル２ｂの温度は中央部セル２ａより摂氏２-３度低い値となる。そのため、定常運転において、中央部セル２ａと端部セル２ｂに供給する水素と空気の湿度をステップＳ２１と同じ湿度に設定すると、フラッディングを起こす可能性がある。また、端部セル２ｂは前述のように、中央部セル２ａより、固体電解質膜２０の厚みが大きく、したがって、固体電解質膜２０を介したカソード２６ｂからアノード２６ａへの水分の移動量が少ない。このような点を考慮し、通常運転においては、中央部セル２ａには湿度５０％となるように加湿した水素と空気を供給し、端部セル２ａには湿度２０％となるように、加湿した水素と空気を供給を供給する。
【０１２２】
ところで、燃料電池システムの定常運転中もフラッディングが生じる可能性は存在する。そこで、定常運転においても、コントローラ１１は図１０に示すルーチンを実行することで、数分ないし数十分ごとにセル２ａ，２ｂの乾燥操作を行う。乾燥操作は中央部セル２ａと端部セル２ｂとで個別に行う。具体的には、端部セル２ｂでは、中央部セル２ａより、水素や空気の湿度を低くする、供給流量を大きくする、乾燥操作の継続時間を長くする、といった違いを設ける。この実施例では、アノード２６ａに供給する水素と、カソード２６ｂに供給する空気の双方についてこの操作を行うが、フラッディングは主にカソード２６ｂに発生するので、空気についてのみ乾燥操作を適用しても良い。
【０１２３】
図１０のルーチンそれ自体は燃料電池スタック１の定常運転中に１００ミリ秒間隔で実行される。
【０１２４】
図１０を参照すると、コントローラ１１はまずステップＳ３１で、燃料電池スタック１が発電を開始してから所定時間が経過したかどうかを判定する。所定時間が経過していない場合には、他のステップに進む行うことなく直ちにルーチンを終了する。
【０１２５】
発電開始から所定時間が経過している場合には、コントローラ１１はステップＳ３２で、乾燥フラグが１であるかどうかを判定する。乾燥フラグの初期値は０である。
【０１２６】
乾燥フラグが１でない場合には、コントローラ１１はステップＳ３６で乾燥フラグが０の状態が所定時間に達したかどうかを判定する。
【０１２７】
乾燥フラグが０の状態が所定時間に達した場合は、コントローラ１１はステップＳ３７で乾燥フラグを１にセットした後、ルーチンを終了する。乾燥フラグが０の状態が所定時間に達していない場合には、コントローラ１１は何も行わずにルーチンを終了する。
【０１２８】
一方、ステップＳ３２で、乾燥フラグが１の場合には、コントローラ１１はステップＳ３３で、端部セル２ｂと中央部セル２ａについて個別に乾燥操作を行う。具体的には、加湿器６ａ，６ｂと加湿器７ａ、７ｂの操作により、端部セル２ｂと中央部セル２ａに供給する水素と空気の加湿度を低下させる。また、バルブ１８ａ，１８ｂとバルブ２７ａ，２７ｂの操作により、端部セル２ｂと中央部セル２ａに供給する水素と空気の供給流量を変化させる。この処理により、端部セル２ｂと中央部セル２ａの双方を乾燥させるとともに、操作に関する上述の制御の違いにより、端部セル２ｂの乾燥度を中央部セル２ａより高める。
【０１２９】
次のステップＳ３４では、乾燥操作が完了したかどうかを判定する。この判定は乾燥操作の継続時間に基づき判定する。あるいは、図３のルーチンに関して説明した方法により、実際に湿度を検出し、予め定めた目標湿度との比較により乾燥操作が完了したかどうかを判定しても良い。
【０１３０】
ステップＳ３４で、乾燥操作が終了したと判定した場合には、コントローラ１１はステップＳ３５で乾燥フラグを０にリセットした後、ルーチンを終了する。乾燥操作が終了していないと判定した場合には、コントローラ１１は乾燥フラグの設定を変えずにルーチンを終了する。
【０１３１】
このルーチンによれば、燃料電池スタック１が運転開始から、所定時間が経過した後に、最初の乾燥操作が行われ、乾燥操作が完了した後、所定時間が経過すると再び乾燥操作が実行される。このようにして、定常運転中に定期的に乾燥操作を行うことで、定常運転中にフラッディングが起こるのを防止することができる。
【０１３２】
この実施例では、所定時間ごとに乾燥操作を実行しているが、車両の減速時のように、燃料電池スタック１が発電を行わない状況で乾燥操作を行うようにすることも可能である。
【０１３３】
次にこの発明の第４の実施例を説明する。
【０１３４】
この実施例は、燃料電池スタック１の構成に関する。
【０１３５】
この実施例は燃料電池スタック１の端部セル２ｂのセパレータ２３に形成する通路２４と２５の各断面を、中央部セル２ａのセパレータ２３に形成する通路２４と２５の各断面より大きく設定する。具体的には、端部セル２ｂの通路２４と２５の各断面を幅１ミリメートル（ｍｍ）、深さ１ｍｍに設定し、中央部セル２ａの通路２４と２５の各断面を幅０．８ｍｍ、深さ０．８ｍｍに設定する。
燃料電池スタック１以外の燃料電池システムの構成は、図６に示す第２の実施例と同一とする。
【０１３６】
例えば摂氏マイナス２０度の低温環境で燃料電池システムを始動する際に、燃料電池スタック１内の各セル２ａ，２ｂの通路２４，２５に氷が存在すると、該当セルは開放端電圧を生じさせることができない場合がある。低温になりやすい端部セル２ｂの通路２４，２５をこのように、中央部セル２ａより大きくすることにより、発電不可能な状態が生じる確率が低下する。これは、通路の断面が大きいほど、通路が氷に閉塞されにくいからと考えられる。なお、端部セル２ｂへの水素供給流量が中央部セル２ａへの水素供給流量より多くなるように、端部セル２ｂへの空気供給流量が中央部セル２ａへの空気供給流量より多くなるように、水素供給流量１４ａ，１４ｂと空気供給流量１５ａ，１５ｂの流量制御をさらに行うことで、より顕著な効果を期待できる。
【０１３７】
以上のように、この発明により、低温下における燃料電池スタックの端部セルのフラッディングを防止することができる。したがって、本発明を、低温下での始動機会の多い車両用の燃料電池システムに適用することで、車両の低温始動性能の向上に好ましい効果が得られる。
【０１３８】
日本国における２００３年５月１５日出願の特願２００３-１３６７９１号の記載内容をここに言及して合体する。
【０１３９】
以上、この発明を特定の実施例への言及により説明したが、この発明は以上の実施例に限定されない。当業者にとっては、特許請求の範囲において、上記の実施例を修正し、変化させることが可能と思われる。
【０１４０】
上記実施例に関して、この発明を特徴づける特質または利点は特許請求の範囲に請求される。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】この発明による燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】この発明によるユニットセルの概略構成図である。
【図３】この発明によるコントローラが実行する燃料電池システムの停止ルーチンを説明するフローチャートである。
【図４】コントローラが実行する燃料電池システムの起動ルーチンを説明するフローチャートである。
【図５】燃料電池システムの始動時のセルの出力電圧と出力電流及び燃料電池スタックの温度の変化を説明するタイミングチャートである。
【図６】この発明の第２の実施例による燃料電池システムの概略構成図である。
【図７】この発明の第２の実施例によるコントローラが実行する、燃料電池システムの停止ルーチンを説明するフローチャートである。
【図８】この発明の第３の実施例による燃料電池システムの概略構成図である。
【図９】この発明の第３の実施例によるコントローラが実行する、燃料電池システムの電力供給開始ルーチンを説明するフローチャートである。
【図１０】燃料電池システムの定常運転中に、この発明の第３の実施例によるコントローラが実行する、フラッディング防止ルーチンを説明する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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【国際調査報告】
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