(57)【要約】【課題】燃料電池の排水効率の向上。【解決手段】カソード側セパレータ１３０は、ガス拡散層１２０への反応ガスの供給に用いられる流路１３２を構成する複数の突状部１３１ａと、板部１３１ｂとから構成される。突状部１３１ａは、燃料電池スタック１０の全構成部品の中で、最も低いヤング率を有する。ヤング率が低い材質ほど、応力にたいして歪みやすい。燃料電池スタック１０の締結荷重が増加されると、ヤング率の低い突状部１３１ａが最初に歪み、流路１３２の断面積Ｓが減少する。こうすることにより、流路１３２を流れる反応ガスの流速およびガス拡散層１２０内の反応ガスの流量が増加し、ガス拡散層１２０内を流通する反応ガスの流速および流量を増加させることができるため、流路１３２内だけでなく、ガス拡散層内の排水効率も向上できる。よって、燃料電池システムの発電効率を向上できる。【選択図】図２
2009048796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両側にアノードおよびカソードが形成された膜電極接合体と、
前記アノードに対向して配置され、前記アノードへ燃料ガスを供給するための流路を構成する複数の第１の突状部を備える第１のセパレータと、
前記カソードに対向して配置され、前記カソードへ酸化ガスを供給するための流路を構成する複数の第２の突状部を備える第２のセパレータであって、前記各第２の突状部は、前記第１のセパレータのヤング率よりも低いヤング率を有する低ヤング率突状部である第２のセパレータと、を備える燃料電池。
【請求項２】
燃料電池システムであって、
請求項１記載の燃料電池と、
前記膜電極接合体、前記第１のセパレータおよび前記第２のセパレータが積層された積層体を、積層方向に締結するための締結部材と、
前記燃料電池システムの発電状態に関する発電情報を取得する取得手段と、
前記取得した発電状態に応じて、前記積層体の締結荷重を制御する締結荷重制御手段と、を備える燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、更に、
前記アノードと前記第１のセパレータとの間に配置されたアノード側ガス拡散層と、
前記カソードと前記第２のセパレータとの間に配置されたカソード側ガス拡散層と、を備え、
前記低ヤング率突状部は、更に、前記アノード側ガス拡散層および前記カソード側ガス拡散層のヤング率よりも低いヤング率を有する、燃料電池システム
【請求項４】
請求項２または３記載の燃料電池システムであって、
前記締結荷重制御手段は、前記発電情報により表される発電性能が所定値よりも低い場合に、前記締結部材の締結荷重を増加させる、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、更に、
前記燃料電池システムの前回動作時の電流値である前回電流値および前回動作時の電圧値である前回電圧値を記憶する記憶手段を備え、
前記取得手段は、前記燃料電池システムの電流値および電圧値を前記発電情報として測定し、
前記締結荷重制御手段は、前記測定した電流値および前記測定した電圧値が前回電流値および前回電圧値と異なるとき、前記締結荷重を増加させる、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４または請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記締結荷重制御手段は、前記増加させた締結荷重が前記積層体の締結荷重の限界値を示す最大締結荷重以上の場合に、通知を行う、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４ないし請求項６いずれか記載の燃料電池システムであって、更に、
前記締結荷重の増加後に、前記酸化ガスの圧力損失を取得する圧損取得手段と、
前記燃料電池システムが所望の出力で発電可能となるように、前記取得した圧力損失に応じて、前記燃料電池システムの出力制御に用いられる設定情報を更新する更新手段と、を備える燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池システムであって、
前記圧損取得手段は、
前記積層体へ供給する酸化ガスの圧力である酸化ガス供給圧力を測定する第１の圧力測定手段と、
前記積層体から排出する酸化ガスの圧力である酸化ガス排出圧力を測定する第２の圧力測定手段と、
前記供給圧力と前記排出圧力に基づき、前記酸化ガスの圧力損失を算出する算出手段と、を備える、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、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電する燃料電池を用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、電解質膜、電解質膜の両側に配置された１対の電極層（アノード、カソード）、電極層の両側に配置された多孔質のガス拡散層、および、電解質膜、電極層を狭持するセパレータを有するセルを複数積層して構成されている。燃料ガスや酸化ガスなどの燃料電池の発電に用いられる反応ガスは、セパレータを積層することにより燃料電池内部に形成されるマニホールドを流れ、セパレータに形成された流路を通ってガス拡散層へ供給され、ガス拡散層を介して膜電極接合体へ供給される。
【０００３】
このような燃料電池では、運転中に生じる化学反応によって水が生成される。生成された水分は、流路内を流通する反応ガスにより流され、燃料電池の外部へ排出される。また、このような燃料電池では、生成水の排水効率の向上のために、ガス拡散層が親水性のある材料で形成されているものもある。親水性のあるガス拡散層を用いることにより、生成水はガス拡散層に吸収されて、ガス拡散層内を流通する反応ガスにより乾燥され、あるいは、流されて燃料電池の外部へ排出される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０９６４１号公報
【特許文献２】特開２００５−１９０８６６号公報
【特許文献３】特開２００４−２５３２９６号公報
【特許文献４】特開２００５−８５５３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池の長時間に亘る使用に伴い、生成水は流路内やガス拡散層内に滞留する。また、ガス拡散層の経年劣化や種々の要因によるガス拡散層の破損によるガス拡散層の親水性低下のために、ガス拡散層の水分吸収力が低下し、燃料電池の排水性能も低下する。この結果、電極層へのガス供給効率が低下し、燃料電池の発電効率の低下を招くという問題が生じる。
【０００６】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の排水効率の向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態はたは適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池であって、電解質膜の両側にアノードおよびカソードが形成された膜電極接合体と、  前記アノードに対向して配置され、前記アノードへ燃料ガスを供給するための流路を構成する複数の第１の突状部を備える第１のセパレータと、前記カソードに対向して配置され、前記カソードへ酸化ガスを供給するための流路を構成する複数の第２の突状部を備える第２のセパレータであって、前記各第２の突状部は、前記第１のセパレータのヤング率よりも低いヤング率を有する低ヤング率突状部である第２のセパレータと、を備える。
【０００９】
適用例１の燃料電池は、低ヤング率突状部を有するため、締結荷重の増減に伴って低ヤング率突状部が積層方向に歪み流路を部分の断面積を変化させることができる。従って、適用例１の燃料電池によれば、燃料電池システムの排水性能を向上できる。
【００１０】
［適用例２］
燃料電池システムにおいて、電解質膜の両側にアノードおよびカソードが形成された膜電極接合体と、適用例１の燃料電池と、前記膜電極接合体、前記第１のセパレータおよび前記第２のセパレータが積層された積層体を、積層方向に締結するための締結部材と、前記燃料電池システムの発電状態に関する発電情報を取得する取得手段と、前記取得した発電状態に応じて、前記積層体の締結荷重を制御する締結荷重制御手段と、を備える。
【００１１】
適用例２の燃料電池によれば、燃料電池システムの動作状態に応じた締結荷重の増減に伴い、低ヤング率突状部が積層方向に歪み流路を部分の断面積を変化させることができる。従って、低ヤング率突状部により構成される流路を流れる反応ガスの流速および流量を制御でき、燃料電池の動作状態に応じて排水性能を向上できる。従って、燃料電池システムの発電効率を向上できる。
【００１２】
適用例２の燃料電池システムにおいて、前記アノードと前記第１のセパレータとの間に配置されたアノード側ガス拡散層と、前記カソードと前記第２のセパレータとの間に配置されたカソード側ガス拡散層と、を備え、前記低ヤング率突状部は、更に、前記アノード側ガス拡散層および前記カソード側ガス拡散層のヤング率よりも低いヤング率を有する。
【００１３】
適用例２の燃料電池システムによれば、締結荷重の増減に伴う反応ガスの流路内流量および流速の増加により、ガス拡散層内に吸収されている生成水の乾燥および排水を促進できる。従って、燃料電池システムの排水性能を向上でき、発電効率を向上できる。
【００１４】
適用例２の燃料電池システムにおいて、前記締結荷重制御手段は、前記発電情報により表される発電性能が所定値よりも低い場合に、前記締結部材の締結荷重を増加させる。
【００１５】
適用例２の燃料電池によれば、締結荷重の変化時、低ヤング率突状部を最初に歪ませることができる。よって、低ヤング率突状部により構成される流路の部分の断面積を、精度良く変化させることができる。
【００１６】
適用例２の燃料電池システムにおいて、更に、前記燃料電池システムの前回動作時の電流値である前回電流値および前回動作時の電圧値である前回電圧値を記憶する記憶手段を備え、前記取得手段は、前記燃料電池システムの電流値および電圧値を前記発電情報として測定し、前記締結荷重制御手段は、前記測定した電流値および前記測定した電圧値が前回電流値および前回電圧値と異なるとき、前記締結荷重を増加させる。
【００１７】
適用例２の燃料電池システムによれば、発電性能の低下時に締結荷重を増加させることができる。従って、発電性能の低下時に、反応ガスの流速および流量を増加させることができるため、燃料電池の排水性能を向上できる。
【００１８】
適用例２の燃料電池システムにおいて、更に、前記積層体の締結荷重の限界値を示す最大締結荷重を記憶する第２の記憶手段を備え、前記締結荷重制御手段は、前記増加させた締結荷重が前記最大締結荷重以上の場合に、利用者への通知を行う。
【００１９】
適用例２の燃料電池システムによれば、締結荷重が最大締結荷重以上となると、利用者に通知できるため、利用者の利便性を向上できる。
【００２０】
適用例２の燃料電池システムにおいて、更に、前記締結荷重の増加後に、前記酸化ガスの圧力損失を取得する圧損取得手段と、前記燃料電池システムが所望の出力で発電可能となるように、前記取得した圧力損失に応じて、前記燃料電池システムの出力制御に用いられる設定情報を更新する更新手段と、を備える。
【００２１】
適用例２の燃料電池システムによれば、締結荷重変化後においても、酸化ガスの圧損量に応じて、燃料電池システムを所望の出力で発電させることができる。よって、燃料電池を安定した発電量で稼働させることができる。
【００２２】
適用例２の燃料電池システムにおいて、前記圧損取得手段は、前記積層体へ供給する酸化ガスの圧力である酸化ガス供給圧力を測定する第１の圧力測定手段と、前記積層体から排出する酸化ガスの圧力である酸化ガス排出圧力を測定する第２の圧力測定手段と、前記供給圧力と前記排出圧力に基づき、前記酸化ガスの圧力損失を算出する算出手段と、を備える。
【００２３】
適用例２の燃料電池システムによれば、電流値を管理して簡易に発電性能の低下を判断できるため、燃料電池システムの処理付加を軽減できる。
【００２４】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．システム構成
図１は、実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。実施例の燃料電池システムは、モータで駆動する電動車両に電源として搭載されている。実施例の燃料電池システムは、車載である必要はなく、据え置き型など種々の構成をとることが可能である。
【００２６】
燃料電池スタック１０と高圧水素タンク２０、高圧水素タンク２０は、配管３１、配管３２を介して接続されている。高圧水素タンク２０、高圧水素タンク２０と配管３１とはシャットバルブ２１、シャットバルブ２１により接続されている。配管３１と配管３２とは減圧バルブ２３を介して接続されている。また、配管３１は、リリーフバルブ２２を介して配管３８と接続されている。
【００２７】
また、燃料電池スタック１０には、配管３３が接続されている。配管３３には水素ポンプ４５が設置されている。配管３３は、逆止弁２８を介して配管３２に接続されている。配管３３は逆止弁２８と水素ポンプ４５の間で排出管３４と接続されており、排出管３４には排出バルブ２６が設置されている。排出管３４は希釈器４４と接続されている。
【００２８】
燃料電池スタック１０とフィルタ４０とは、配管３５を介して接続されている。配管３５には、フィルタ４０側から順にコンプレッサ４１、加湿器４２が設置されている。また、燃料電池スタック１０は、配管３６により外部と接続されている。配管３６には、マフラ４３、希釈器４４が設置されている。
【００２９】
燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池セルの積層体である。燃料電池スタック１０は、燃料電池スタック１０の電流を測定する電流計６１と燃料電池スタック１０の電圧を測定する電圧計６３とを備える。また、燃料電池スタック１０は、積層体の積層方向の両端に配置されたエンドプレートＥＰと、エンドプレートＥＰの四隅に形成された孔部を貫通するように配置された四本のロッド２０１と、を備える。燃料電池スタック１０のエンドプレートの少なくとも一方には、燃料電池スタック１０の締結荷重を変化させるための締結部材２００が配置されている。
【００３０】
締結部材２００のそれぞれには、アクチュエータが取り付けられている。制御部２１０は、電流計６１および電圧計６３の測定値に応じて、アクチュエータを動作させて締結部材２００を可動させ、燃料電池スタック１０の締結荷重を増加する。このように、制御部２１０は、燃料電池スタック１０の締結荷重を、燃料電池の電流値および電圧値に連動させて変化させる。
【００３１】
各セルは、電解質膜を挟んで燃料極（以下、アノードと称する）と空気極（以下、カソードと称する）とを配置した構成となっている。本実施例では、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、リン酸型セルや安定化ジルコニアを電解質膜として用いた固体電酸化物型のセル等種々のタイプを利用可能である。
【００３２】
燃料電池スタック１０のカソードには、圧縮空気が供給される。空気は、フィルタ４０から吸入され、コンプレッサ４１で圧縮された後、加湿器４２で加湿され、配管３５から燃料電池スタック１０に供給される。カソードからの排気（以下、カソードオフガスと称する）は、配管３６、マフラ４３を通じて外部に排出される。圧力センサ５１は、燃料電池スタック１０に供給すべき反応ガス（空気）の圧力（以降、反応ガス供給圧力とも呼ぶ）を測定する。圧力センサ５３は、燃料電池スタック１０から燃料電池スタック１０の外部に排出される反応ガスの圧力（反応ガス排出圧力）を測定する。
【００３３】
燃料電池スタック１０のアノードには、配管３１、配管３２を介して高圧水素タンク２０および高圧水素タンク２０から水素が供給される。高圧水素タンク２０および高圧水素タンク２０に高圧で貯蔵された水素は、その出口に設けられたシャットバルブ２１、シャットバルブ２１、配管３１と配管３２とを接続する減圧バルブ２３によって燃料電池スタック１０に供給される水素の圧力が調整される。
【００３４】
減圧バルブ２３を通過した水素が所定値以上の圧力のときには、減圧バルブ２３は故障しており、高圧水素タンク２０、高圧水素タンク２０から流出する水素は減圧バルブ２３によって減圧されていないと判断される。配管３２には、減圧バルブ２３の出口近傍の水素の圧力を測定するための圧力センサ（図示省略）が設けられている。減圧バルブ２３が故障していると判断されると、シャットバルブ２１、シャットバルブ２１が閉じられた後にリリーフバルブ２２が開かれ、配管３１を流通する高圧水素はリリーフバルブ２２、配管３８を介して燃料電池システムの外部へ排出される。
【００３５】
リリーフバルブ２２の開弁後、配管３１内の水素の圧力が所定値以下となったときには、リリーフバルブ２２は閉じられる。配管３１内の水素の圧力を、減圧バルブ２３の正常時に減圧バルブ２３によって減圧される程度まで低下できればよく、必要以上に外部に水素を排出しないことが好ましいからである。
【００３６】
アノードからの排気（以下、アノードオフガスと称する）は、配管３３に供給される。配管３３は、途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出するための排出管３４に接続され、他方は、逆止弁２８を介して配管３２に接続される。排出管３４に設けられた排出バルブ２６が閉じられている間は、アノードオフガスは、配管３２を介して再び燃料電池スタック１０に循環される。配管３２を介して循環させることにより、発電で消費されずにアノードオフガスに残留している水素を有効活用することができる。
【００３７】
アノードオフガスの循環中、水素は発電に使用される一方、水素以外の不純物、例えば、カソードからの電解質膜を透過してきた窒素などは消費されずに残留するため、アノードオフガス中の不純物の濃度が徐々に増大する。この状態で、排出バルブ２６が開かれると、アノードオフガスは、排出管３４を通り、希釈器４４で空気によって希釈された後、外部に排出され不純物の循環量が低減する。但し、この際、水素も同時に排出されるため、排出バルブ２６の開弁頻度は、極力抑えることが燃費向上の観点から好ましい。
【００３８】
燃料電池スタック１０には冷却水循環用の流路が形成されている。冷却水は、ポンプ４６によって、冷却用の配管３７を流れ、ラジエータ８０で冷却されて燃料電池スタック１０を循環し燃料電池スタック１０を冷却する。
【００３９】
Ａ２．燃料電池単セルの詳細構成：
図２（ａ）は、実施例における燃料電池の単セルの詳細構成を例示する断面図である。実施例の燃料電池の単セル１００は、膜電極接合体１１０（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、ガス拡散層１２０、１２１、カソード側セパレータ１３０およびアノード側セパレータ１４０を備える。図２（ａ）において、矢印は反応ガスの流れを表す。
【００４０】
ＭＥＡ１１０は、電解質膜１１２の一方の面上に、カソード電極触媒層１１４を備え，電解質膜１１２の他方の面上にアノード電極触媒層１１６を備える。電解質膜１１２は、例えば、ナフィオンにより形成される。電解質膜１１２の表面上に形成されたカソード電極触媒層１１４，アノード電極触媒層１１６は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金が担持されて形成されている。
【００４１】
ガス拡散層１２０，１２１は、気孔率が約２０％程度の親水性カーボンの多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。ガス拡散層１２０，１２１は、接合によりＭＥＡ１１０と一体化されている。ガス拡散層１２０，１２１は、その厚み方向に反応ガスを拡散する。また、ガス拡散層１２０は、発電反応により生成された生成水の少なくとも一部を流路１３２から吸収し、ガス拡散層ガス拡散層１２０内を流通する反応ガスにより乾燥し、あるいは、燃料電池スタック１０の外部へ排出する。このように、ガス拡散層は、燃料電池における排水を補助している。
【００４２】
カソード側セパレータ１３０は、ガス拡散層１２０への反応ガスの供給に用いられる流路１３２を構成する複数の突状部１３１ａと、板部１３１ｂとから構成される。カソード側セパレータ１３０は、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から形成されている。ただし、突状部１３１ａは、燃料電池スタック１０の全構成部品の中で、最も低いヤング率を有する。ヤング率とは、ヤング率は、縦弾性係数ともいい、応力に対する歪みの値を規定する定数である。ヤング率が低い材質ほど、応力にたいして歪みやすい。
【００４３】
アノード側セパレータ１４０は、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から形成されており、反応ガスを膜電極接合体１１０に供給するための流路１４２が形成されている。流路１４２は、複数の突状部１４１により構成されている。
【００４４】
図２（ｂ）は、実施例における単セルの締結荷重増加時の単セルの状態を模式に的に示す断面図である。図２（ｂ）において、矢印は反応ガスの流れを表す。図２（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１０の締結荷重が増加されると、ヤング率の低い突状部１３１ａが最初に歪み、流路１３２の断面積Ｓが減少する。こうすることにより、流路１３２を流れる反応ガスの流速およびガス拡散層１２０内の反応ガスの流量が増加し、流路１３２内に滞留した生成水を押し流す性能が向上する。
【００４５】
また、ガス拡散層の経年劣化や種々の要因によるガス拡散層の破損により、ガス拡散層の親水性が低下することがある。ガス拡散層の親水性の低下に伴いガス拡散層の水分吸収力が低下し、燃料電池の排水力も低下する。この結果、流路１３２内の生成水の滞留やガス拡散層１２０，特にガス拡散層１２０と流路１３２との境界部分に生成水が滞留し、電極層へのガス供給効率が低下して、燃料電池の発電効率の低下を招くことがある。本実施例の燃料電池システムによれば、ガス拡散層１２０内を流通する反応ガスの流速および流量を増加させることができるため、流路１３２内だけでなく、ガス拡散層内の排水効率も向上し、ガス拡散層１２０からＭＥＡ１１０への反応ガスの拡散効率を上昇できる。
【００４６】
Ａ３．燃料電池の締結荷重増加処理：
図３および図４を参照して、実施例における締結荷重増加処理を説明する。図３は、実施例における締結荷重増加処理を説明するフローチャートである。図４は、実施例におけるＩ−Ｖグラフについて例示する説明図である。なお、かかる締結荷重増加処理は、経年劣化対策として、起動毎に実施されることが好ましい。
【００４７】
制御部２１０は、電流計６１および電圧計６３を用いて、燃料電池１０の電流Ｉおよび電圧Ｖを測定し（ステップＳ１０）、前回動作時に測定した電流値および電圧値とほぼ同一であるかを判断する（ステップＳ１２）。
【００４８】
図４を参照して、電流値および電圧値と出力性能について説明する。Ｉ−Ｖグラフ３００は、燃料電池スタック１０のＩ−Ｖ特性を表している。Ｉ−Ｖグラフ３００において、実線で示されているグラフ３１０は、燃料電池スタック１０の通常動作時の電流および電圧の制御値を設定している。破線で示されているグラフ３２０は、燃料電池スタック１０の性能低下時の電流及び電圧の制御値の一例を示している。グラフ３００に示すように、燃料電池スタック１０は、通常動作時、電流Ｉ1のときに電圧Ｖ1を得られるように設定されている（なお、Ｉ１×Ｖ１＝所望の出力Ｗ）。一方、グラフ３２０に示すように、ガス拡散層１２０の排水性能が低下して、ガス拡散層１２０の表面もしくは内部に生成水が滞留すると燃料電池スタック１０の発電性能は、通常動作時（グラフ３１０）に比べて低下する。例えば、グラフ３２０に示すように、電流Ｉ1のときに電圧Ｖ1より低い電圧Ｖ2までしか電圧を取ることができない場合や、所望の発電量を得るために、電流を電流Ｉ2まで増加させる場合（係る場合の電圧は電圧Ｖ3、ただしＩ2×Ｖ3＝所望の出力Ｗ）がある。
【００４９】
制御部２１０は、前回動作時の電流値および電圧値とほぼ同一である場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）には、処理を終了する。
【００５０】
制御部２１０は、測定した電流Ｉ及び電圧Ｖが、前回動作時の電流値および電圧値と同一でない場合、例えば、図４のグラフ３２０に示すように、電流Ｉ１のときの電圧が電圧Ｖ２の場合、すなわち、同一の電流値Ｉ１に対して電圧値が前回測定した電圧値Ｖ１と異なる場合（ステップＳ１２：ＮＯ）には、ガス拡散層１２０の表面エネルギーが低下して排水効率が低下し、生成水がガス拡散層１２０や流路１３２に滞留して、燃料電池スタック１０の発電性能が低下していると判断して、燃料電池スタック１０の締結荷重を増加する（ステップＳ１４）。具体的には、制御部２１０は、締結部材２００に取り付けられているアクチュエータを動作させて締結部材２００を動かし、燃料電池スタック１０の締結荷重を増加する。燃料電池スタック１０において、締結荷重が増加されると、図２（ｂ）において説明したように、カソード側セパレータ１３０の低ヤング率突状部１３１ａが変形し、流路１３２の断面積が減少する。これに伴い、流路１３２を流れる反応ガスの流速および単位時間当たりの流量が増加し、ガス拡散層１２０内を通過する反応ガスの流速および単位時間あたりの流量も増加する。ガス拡散層１２０内を通る反応ガスの流速および単位時間当たりの流量の増加により、ガス拡散層１２０表面もしくは内部に滞留する生成水の排水力を増加でき、排水性能が向上する。
【００５１】
制御部２１０は、締結荷重増加後に、再度、燃料電池スタック１０の電流Ｉおよび電圧Ｖを測定し（ステップＳ１６）、前回電流値および前回電圧値とほぼ同一であるか否かを判断する（ステップＳ１８）。係る判断は、締結荷重増加により燃料電池スタック１０の発電性能が向上したかを判断している。
【００５２】
制御部２１０は、前回動作時の電流値および電圧値とほぼ同一でない場合、すなわち、締結荷重を増加しても発電性能が向上していない場合（ステップＳ１８：ＮＯ）には、現在の締結荷重ＰNOWと最大締結荷重ＰMAXとを比較する（ステップＳ２６）。制御部２１０は、現在締結荷重ＰNOWが、最大締結荷重ＰMAXより大きい場合（ステップＳ２６：ＹＥＳ）には、燃料電池スタック１０の劣化が許容範囲を超えており、これ以上締結荷重を増加させることはできないことを表す劣化アラームを通知する（ステップＳ２８）。劣化アラームの通知は、例えば、燃料電池スタック１０を収納する筐体の外側に設置したディスプレイに表示してもよいし、音声や電子音による報知を行っても良い。
【００５３】
制御部２１０は、現在締結荷重ＰNOWが、最大締結荷重ＰMAX以下の場合（ステップＳ２６：ＮＯ）には、ステップＳ１４に戻り、再度締結荷重を増加する。
【００５４】
制御部２１０は、前回動作時の電流値および電圧値とほぼ同一の場合（ステップＳ１８：ＹＥＳ）には、カソード供給圧力およびカソード排出圧力を測定し（ステップＳ２０）、燃料電池スタック１０のカソードの圧力損失を算出する（ステップＳ２２）。測定電流Ｉおよび測定電圧Ｖが前回動作時の電流値および電圧値とほぼ同一の場合には、燃料電池スタック１０の発電性能が向上したと判断できる。しかし一方で、燃料電池スタック１０の締結荷重増加により圧力損失が増大してカソード供給圧力が上昇し、実際の発電電力が、所望の出力電圧より高くなることがある。制御部２１０は、実際の発電電力を所望の出力電圧とするために、圧力損失の算出結果に応じてシステムマップを更新する（ステップＳ２４）。システムマップとは、燃料電池スタック１０に所望の出力で発電を行わせるための設定情報であり、例えば、コンプレッサ４１や加湿器４２の設定に関する情報が含まれる。制御部２１０は、例えば、システムマップを複数有しており、圧力損失の程度に応じて、適切なシステムマップに更新してもよい。
【００５５】
以上説明した実施例によれば、燃料電池スタックの発電性能の低下を検知して締結荷重を増加させて流路の断面積を減少させ、流路内およびガス拡散層内の反応ガスの流速および単位時間当たりの流量を増加させることができる。従って、長時間に亘る燃料電池稼働により流路に生成水が滞留した場合や経年劣化などによりガス拡散層の親水性が低下した場合にも、流路内、ガス拡散層表面及び内部を通過する反応ガスの流速及び流量を増加させることができ、流路、ガス拡散層表面および内部に滞留する生成水の排水性能を向上できる。よって、ガス拡散層からＭＥＡへの反応ガスの拡散効率を向上でき、燃料電池システムの発電性能を向上できる。
【００５６】
また、実施例の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの電流値および電圧値を用いて簡易に発電性能の低下を判断できる。
【００５７】
また、実施例の燃料電池システムによれば、圧力損失の程度に応じてシステムマップを更新できる。よって、締結荷重を変化させても所望の出力で発電を行うことができる。
【００５８】
Ｂ．変形例：
（１）上述の実施例では、アクチュエータを用いて締結部材を稼働させて締結荷重を変化させているが、例えば、バネや空気圧、油圧装置等種々の態様で締結荷重を変化させてもよい。
【００５９】
（２）実施例では、カソード側セパレータの突状部のみを低ヤング率突状部としているが、例えば、アノード側セパレータについても突状部のヤング率を低く構成してもよい。こうすれば、経年劣化や種々の要因によるアノード側ガス拡散層のガス拡散効率低下時に、これを改善することができる。
【００６０】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施例における燃料電池システムの全体構成を示す説明図。
【図２】実施例における燃料電池セルの詳細構成を例示する断面図。
【図３】実施例における締結荷重増加処理を説明するフローチャート。
【図４】実施例におけるＩ−Ｖグラフについて例示する説明図。
【符号の説明】
【００６２】
１０…燃料電池スタック
２０…高圧水素タンク
２１…シャットバルブ
２２…リリーフバルブ
２３…減圧バルブ
２６…排出バルブ
２８…逆止弁
３１…配管
３２…配管
３３…配管
３４…排出管
３５…配管
３６…配管
３７…配管
３８…配管
４０…フィルタ
４１…コンプレッサ
４２…加湿器
４３…マフラ
４４…希釈器
４５…水素ポンプ
４６…ポンプ
５１…圧力センサ
５３…圧力センサ
６１…電流計
６３…電圧計
８０…ラジエータ
１１０…膜電極接合体
１１２…電解質膜
１１４…カソード電極触媒層
１１６…アノード電極触媒層
１２０…ガス拡散層
１３０…カソード側セパレータ
１３１ａ…低ヤング率突状部
１３１ｂ…板部
１３２…流路
１４０…アノード側セパレータ
１４１…突状部
１４２…流路
２００…締結部材
２１０…制御部
３００…グラフ
３１０…グラフ
３２０…グラフ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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