(57)【要約】【課題】この発明は、燃料電池のガス流路下流側部分の燃料の欠乏を早期にかつ高精度に検知することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】単位セル３８に部分電流計測板６０を隣接させて、燃料電池スタック１０を構成する。単位セル３８は膜電極接合体４０の一方の面にガス流路４２を備え、ガス流路４２内の水素は膜電極接合体４０の一方の長辺から他方の長辺に向かって、膜電極接合体４０の短辺に沿って流れる。部分電流計測板６０は、単位セル３８の水素の流れの下流側に電極６２を備える。電極６２は、膜電極接合体４０のガス流路４２下流側の長辺に沿って長く形成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極触媒層が備えられてなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の一方の面上に設けられ該一方の面に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、を備える燃料電池と、
前記燃料電池の前記燃料ガス流路下流側の部分に接続される電極を有し、該電極を介して該燃料電池の前記燃料ガス流路下流の部分の電流を検知する部分電流検知手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記膜電極接合体は、その外形が、対向する第１、２の辺と該第１、２の辺を結ぶ２つの辺とからなる形状であり、
前記燃料電池の前記第１の辺側の位置に前記燃料ガス流路の入口が設けられ、
前記燃料ガス流路が、前記入口から前記第２の辺側に並行に延びる複数のガス流路を含み、
前記電極が、前記燃料電池における前記複数のガス流路の下流の部位に、前記第２の辺に沿う方向に長い形状に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電極が、前記第２の辺の一端から他端にかけて連続的に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記膜電極接合体の外形は、対向する２つの長辺と該２つの長辺を結ぶ２つの短辺とからなり、
前記２つの長辺のうち、一方の長辺が前記第１の辺であり、他方の長辺が前記第２の辺であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００６−１１４３７６号公報に開示されているように、燃料電池の燃料ガス流路下流側部分の電流を局所的に検知する燃料電池システムが知られている。燃料電池の発電中には、時間の経過と共に、燃料電池の燃料ガス流路内に窒素や水分といった不純物質が蓄積されていく。
【０００３】
不純物質が膜電極接合体の電極触媒を覆ってしまうと、その部分には燃料が行き渡らなくなり、電極触媒における起電反応が阻害されてしまう。また、異常電位が発生し、膜電極接合体が劣化するおそれもある（以下、便宜上、燃料の欠乏によるこれらの異常を「燃料欠乏異常」とも称す）。
【０００４】
そこで、上記従来の燃料電池システムでは、不純物質が燃料ガス流路下流側に蓄積しやすいことに着目し、電流センサを用いて、燃料電池の燃料ガス流路下流側部分の局所的な電流（以下、「部分電流」とも称す）を計測している。計測した部分電流が過度に低下した場合には、不純物質の蓄積量が過大であると判断し、適宜、燃料ガス流路下流の排気弁を開放するなどの対策を行っている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１１４３７６号公報
【特許文献２】特開２００５−１００９５２号公報
【特許文献３】特開２００４−０９５３００号公報
【特許文献４】特開２００７−０５２９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の技術では、燃料電池の燃料ガス流路下流側部分に、部分電流計測用の電極を設けている。この電極は、燃料電池の平面方向に広がりを有し、ある程度の面積を有している。
【０００７】
電極を介して部分電流を計測する場合、電極が接触する領域（以下、「電極配置領域」とも称す）の全域に渡って発電状態が変化するまで、部分電流の計測値に顕著な変化が現れにくい。これに起因して、電極配置領域が燃料ガス流路の下流から上流に向かってある程度の広がりを持っている場合、燃料ガス流路の下流末端では既に発電状態が悪化しているにもかかわらず、上流側の発電状態が悪化するまで部分電流の計測値が顕著に変化しないという事態が生じうる。その結果、燃料欠乏異常の発見時期が、遅れてしまうおそれがある。
【０００８】
一方、これを嫌って、電極の面積を小さくすることが考えられる。しかしながら、電極を小型化して電極配置領域を小さくすると、電極を介して把握できる電流や電圧が小さくなり、結果的に部分電流の計測精度が低下してしまう。このため、単純に電極を小さくしたのでは、燃料欠乏の検知精度を高く維持することが難しい。
【０００９】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池のガス流路下流側部分の燃料の欠乏を早期にかつ高精度に検知することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
電解質膜の両面に電極触媒層が備えられてなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の一方の面上に設けられ該一方の面に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、を備える燃料電池と、
前記燃料電池の前記燃料ガス流路下流側の部分に接続される電極を有し、該電極を介して該燃料電池の前記燃料ガス流路下流の部分の電流を検知する部分電流検知手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記膜電極接合体は、その外形が、対向する第１、２の辺と該第１、２の辺を結ぶ２つの辺とからなる形状であり、
前記燃料電池の前記第１の辺側の位置に前記燃料ガス流路の入口が設けられ、
前記燃料ガス流路が、前記入口から前記第２の辺側に並行に延びる複数のガス流路を含み、
前記電極が、前記燃料電池における前記複数のガス流路の下流の部位に、前記第２の辺に沿う方向に長い形状に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記電極が、前記第２の辺の一端から他端にかけて連続的に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記膜電極接合体の外形は、対向する２つの長辺と該２つの長辺を結ぶ２つの短辺とからなり、
前記２つの長辺のうち、一方の長辺が前記第１の辺であり、他方の長辺が前記第２の辺であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、不純物質が高濃度に蓄積した領域が、第２の辺側を起点として第１の辺側に向かって徐々に拡大していく。第１の発明では、部分電流を計測するための電極を、第２の辺に沿う方向に長い形状にしている。これにより、燃料欠乏が初めに発生する箇所に集中的に電極を設け、かつ、電極配置領域を十分に大きく確保することができる。その結果、燃料電池のガス流路下流側部分の燃料の欠乏を早期にかつ高精度に検知することができる。
【００１４】
第２の発明によれば、電極を、第２の辺の一端から他端にかけて連続的に設けている。このため、電極配置領域を最大限に稼ぎつつ、燃料欠乏が初めに発生する箇所に集中的に電極を設けることができる。その結果、燃料の欠乏を、より一層高い精度で検知することができる。
【００１５】
第３の発明では、膜電極接合体の２つの長辺のうち一方の長辺から他方の長辺に向かって、膜電極接合体の短辺と並行に燃料ガスが流れる燃料電池を対象に、第２の発明を組み合わせる。これにより、膜電極接合体のうち相対的に長い辺に沿って電極を設けることができるため、電極配置領域を、更に大きく確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
実施の形態１． 
図１は、実施の形態１の燃料電池システムの構成を示している。実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、複数の単位セル３８が積層されたものである。個々の単位セル３８は、紙面の奥行方向に広がりを有する板状の構造物である。
【００１７】
個々の単位セル３８の内部には、膜電極接合体４０が備えられる。膜電極接合体４０は、固体高分子電解質膜の両面に触媒が一体化されたものである。さらに、その各面には、カーボンシート等で作られたガス拡散層、および、発泡金属やラスメタル等で形成される多孔質体層が、順次重ねられている。単位セル３８は、さらに、この積層構造体を一対の集電板で挟んだ構成になっている。この集電板は、隣接する２枚の膜電極接合体４０の間を仕切るセパレータとしても機能している。
【００１８】
多孔質体層内の連続した気孔により、膜電極接合体４０の一方の面に、アノードのガス流路（後述する図４で模式的に示すガス流路４２）が形成される。同様に、膜電極接合体４０の他方の面に、カソードのガス流路（後述する図４で模式的に示すガス流路４４）が形成される。個々の単位セル３８は、アノードに燃料ガスとしての水素の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。
【００１９】
燃料電池スタック１０の内部には、水素入口マニホールド１２と水素出口マニホールド１４とが、個々の単位セル３８を貫通して延びるように備えられている。個々のガス流路４２は、水素入口マニホールド１２と水素出口マニホールド１４とにそれぞれ接続している。
【００２０】
水素入口マニホールド１２には、管路２０が接続する。管路２０は、調圧弁２２を介して、図示しない水素タンクに接続する。水素出口マニホールド１４は、管路３０と接続する。管路３０の下流には排気弁３２が備えられている。実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０の発電中、排気弁３２を閉じるか、または絞った状態（排気時の流量を極微小にした状態）にする。このような燃料電池システムによれば、ガス流路４２の下流を閉塞して運転を行ったり(以下「デッドエンド運転」とも称す)、ガス流路４２の下流から排出されるガスの排出量を微小量にして運転を行ったり（以下、「少量排気運転」とも称す）することが可能である。
【００２１】
実施の形態１の燃料電池システムは、図示しないカソード系を備えている。カソード系はエアコンプレッサ等を含み、個々の単位セル３８のガス流路４４に対して所望の圧力で空気を供給することができる。カソード系の構成は、従来の燃料電池システムと同じ構成とすることができるため、ここではこれ以上の説明は省略する。
【００２２】
実施の形態１の燃料電池システムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）８０を備えている。ＥＣＵ８０は、後述する部分電流計測板６０の電極６２を介して計測された部分電流の値を、取得することができる。また、ＥＣＵ８０が排気弁３２に制御信号を発することにより、排気弁３２の開閉や開度（流量）が制御される。
【００２３】
図２は、燃料電池スタック１０を模式的に示す図である。燃料電池スタック１０は、複数の単位セル３８が積層されて構成されたものであり、その両端にエンドプレート７８、７９を備えている。また、燃料電池スタック１０には、テンションプレート７６も備えられている。エンドプレート７８と単位セル３８の間にはインシュレータ７０と集電板５０が挿入され、エンドプレート７９と単位セル３８の間にはインシュレータ７２と集電板５４が挿入されている。実施の形態１では、燃料電池スタック１０の紙面左方の側に、部分電流計測板６０を設ける。部分電流計測板６０は、２枚の単位セル３８の間に挿入されている。単位セル３８を初めとして、燃料電池スタック１０の構成部材の各々は、扁平で薄い板状の構造を有している。
【００２４】
図３は、部分電流計測板６０の構成と単位セル３８の構成とを説明するための図である。図３において紙面の表側から裏面へ貫通する方向と、図４において燃料電池スタック１０を図４紙面左側から見た方向とが、対応している。実施の形態１では、単位セル３８と部分電流計測板６０の外形を、ともに長方形とする。図３では、部分電流計測板６０のうち電極６２のみを図示し、それ以外の部位を透視している。その結果、部分電流計測板６０の紙面裏面側に隣接する単位セル３８の構成が表れている。
【００２５】
先ず、単位セル３８の構成を説明する。単位セル３８は、その内部に、長方形の外形の膜電極接合体４０を有している。実施の形態１では、図３の紙面の手前側にアノードの電極触媒層が位置するものとし、便宜上このアノードの電極触媒層を透視して図示する。単位セル３８は、水素入口マニホールド１２と、水素出口マニホールド１４とを備えている。これらのマニホールドは、いずれも、単位セル３８の長辺側に、矩形状の開口として設けられる。これらのマニホールドは、膜電極接合体４０の端部との距離を画一的に保ちながら、単位セル３８の長辺に沿って、連続的に形成されている。
【００２６】
発電時には、水素が、水素入口マニホールド１２から、ガス流路４２に流れ込む。実施の形態１ではガス流路４２として多孔質体層を用いているので、膜電極接合体４０の表面には、水素入口マニホールド１２と水素出口マニホールド１４との間を並行に延びる無数のガス流路が形成されている。よって、水素は、図３の矢印のように、水素入口マニホールド１２から水素出口マニホールド１４との間を膜電極接合体４０の短辺と並行に１方向に流れながら、発電に消費されていく。
【００２７】
次に、部分電流計測板６０の構成を説明する。部分電流計測板６０は、膜電極接合体４０の紙面下方の長辺の近傍に、電極６２を備えている。電極６２は、膜電極接合体４０の紙面下方の長辺に沿って、均一な幅で線状に延びている。電極６２は、部分電流計測板６０の平面方向にみて、周囲を絶縁された状態で設けられる。つまり、図３における電極６２の外周部分を囲うように、絶縁材料が位置している。実施の形態１では、電極６２を介して、図３の紙面裏側の単位セル３８の、ガス流路４２の下流部分の部分電流を計測する。
【００２８】
実施の形態１では、電極６２の両端電圧と既知である抵抗値とから、そこを流れた電流を計算して求める。ここで、「両端電圧」とは、部分電流計測板６０の両側の単位セル３８のアノードとカソードの電位差である。また、「既知である抵抗値」とは、予め測定等により求めておいた、燃料電池スタック１０の積層方向に見た電極６２の抵抗値である（つまり図３の紙面貫通方向に見た電極６２の抵抗値）。「計算」とは、例えば図示しない電圧計等を用いて求めた電極６２の両端電圧を、上記の「既知の抵抗値」で除することである。なお、隣接する膜電極接合体４０間に配置されてセパレータとして機能している集電板を対象にして、この集電板の面内の一部の領域を絶縁材料で仕切って電気的に隔離された部分をつくり、この部分を電極６２として用いても良い。なお、周囲を絶縁材料で仕切って部分的に電極を配置し、そのような電極を用いて部分電流値を計測する技術として、例えば、特開２００６−１１４３７６号公報にはホール素子を用いる手法が開示され、特開２００５−１００９５２号公報には電流計を用いる計測手法が開示されている。
【００２９】
図４は、図３のＡ−Ａ矢印線に沿う単位セル３８の断面を模式的に示している。図４に示すように、膜電極接合体４０の各面に沿ってガス流路４２、４４が形成されている。通常運転時、膜電極接合体４０のガス流路４２には水素が供給され、ガス流路４４には空気が供給され、膜電極接合体４０を介した電気化学的反応により発電が行われる。既述したように、実施の形態１では、集電体と膜電極接合体４０との間に多孔質体層を挿入し、多孔質体層内の連続する気孔によってガス流路４２，４４を形成している。
【００３０】
ガス流路４４に供給される空気には、発電に使用される酸素（O2）のほかに窒素（N2）が含まれている。窒素は不活性ガスであって発電には供されず、そのままガス流路４４から系外に排気される。しかし、一部の窒素は、図４中に矢印で模式的に示すように膜電極接合体４０を透過してガス流路４２に侵入してしまう。このとき窒素をガス流路４２側に移動させる駆動力となるのは、ガス流路４４とガス流路４２との間での窒素の分圧差である。膜電極接合体４０を透過した窒素（N2）は、ガス流路４４内の水素（H2）の流れによって、図４中に矢印で模式的に示すようにガス流路４２の下流へと流されていく。実施の形態１では、発電中に排気弁３２を閉じるか絞り気味にするので、ガス流路４２下流側から徐々に窒素が蓄積していく。
【００３１】
なお、空気には窒素以外にも水蒸気や二酸化炭素等の発電に供されない不純物質が含まれている。しかし、それらの空気中における濃度は窒素に比較すれば極微小であるので、ここでは不純物質として窒素にのみ着目するものとする。ただし、本発明が想定する不純物質から窒素以外の物質を除外することを意味するものではない。
【００３２】
図５は、ガス流路４２内の水素濃度分布を示す図である。水素濃度の１００％に対する差が窒素濃度を表している。ガス流路４２の下流端部に窒素が蓄積されると、水素濃度分布は図５中に実線で示すようになる。その後、時間の経過とともに更に窒素が蓄積していくと、水素濃度が低い領域が、ガス流路４２の下流から上流に拡大していく。このように、ガス流路４２の下流側から順に、水素濃度が低下した領域が拡大していく。
【００３３】
分圧差により透過してきた窒素が膜電極接合体４０の表面を覆ってしまうと、触媒における起電反応が阻害される。これに起因して、出力電圧の低下や、異常電位による膜電極接合体４０の劣化を招く場合がある。そこで、実施の形態１では、部分電流計測板６０を用いて、単位セル３８のガス流路４２下流端の部分電流を計測する。これにより、水素濃度が過度に低下した場合の発電状態の悪化を、部分電流値に基づいて検知することができる。実施の形態１では、部分電流値が所定値を下回ったら排気弁３２の流量を増加するなどの制御を行い、部分電流値が零にならないようにシステムを運転する。
【００３４】
ところで、電極６２を介して部分電流を計測する場合、電極６２が接触する領域（以下、「電極配置領域」とも称す）の全域に渡って発電状態が変化するまで、部分電流の計測値に顕著な変化が現れにくい。
【００３５】
仮に、電極６２がガス流路４２の下流端から上流に向かってある程度の広がりを持っていた場合、ガス流路４２の下流末端では既に電流が低下しているにもかかわらず、ある程度上流側の電流が低下するまで、部分電流値が顕著に変化しないおそれがある。一方、これを嫌って、電極を単純に小さくすると、電極を介して把握できる電圧値が微小になりすぎて、結果的に部分電流の計測精度が低下してしまう。
【００３６】
この点、実施の形態１では、図３を用いて述べたように、水素が、膜電極接合体４０の２つの長辺の間を、一方の長辺から他方の長辺に向かって１方向に流れる。このため、窒素が蓄積する領域は、膜電極接合体４０の図３の紙面下方の長辺側を起点として、紙面上方に向かって徐々に拡大していく。実施の形態１では、電極６２を、膜電極接合体４０の図３紙面下方の長辺に沿う方向に相対的に長い形状としている。これにより、ガス流路４２下流端に集中的に電極を設け、かつ、電極６２の面積を十分に大きく確保することができる。その結果、ガス流路４２下流側部分の水素の欠乏を早期にかつ高精度に検知することができる。
【００３７】
特に、実施の形態１によれば、電極６２が線状に設けられているので、ガス流路４２のガス流れ方向に沿う電極６２の寸法（膜電極接合体４０の短辺に沿う寸法）を、小さく抑えることができる。従って、ガス流路４２下流側での電圧の変化に応じて電極６２の電位が敏感に変化するので、燃料欠乏の検出精度が向上する。
【００３８】
特に、実施の形態１では、膜電極接合体４０の図３の紙面下方の長辺の、一端から他端にかけて、連続的に電極６２が延びている。これにより、電極６２の面積を最大限に大きく確保することができる。
【００３９】
また、実施の形態１では、膜電極接合体４０（単位セル３８）の全体の形状が長方形とされており、膜電極接合体４０の短辺に並行に水素が流れるように、水素入口マニホールド１２、ガス流路４２、水素出口マニホールド１４が配置されている。これにより、膜電極接合体４０の相対的に長い辺に沿って電極６２を設けることができるため、電極６２の面積を、更に大きく確保することができる。
【００４０】
なお、実施の形態１では、膜電極接合体４０が、前記第１の発明の「膜電極接合体」に、ガス流路４２が、前記第１の発明の「燃料ガス流路」に、単位セル３８が、前記第１の発明の「燃料電池」に、それぞれ相当する。また、部分電流計測板６０および図示しない電流計が、前記第１の発明の「部分電流検知手段」が実現され、電極６２が、前記第１の発明の「電極」に相当する。また、膜電極接合体４０の２つの長辺のうち、一方の長辺が前記第１の発明の「第１の辺」に、他方の長辺が前記第１の発明の「第２の辺」に、水素入口マニホールド１２が「燃料ガス流路の入口」に、それぞれ相当する。
【００４１】
なお、実施の形態１を、次のように変形することもできる。
【００４２】
実施の形態１では、膜電極接合体４０の短辺に沿って水素を流し、膜電極接合体４０の２つの長辺のうち水素の流れの下流となる長辺に沿って、電極６２を設けた。これとは逆に、膜電極接合体４０の長辺に沿って水素を流し、膜電極接合体４０の短辺に沿って電極６２を設けてもよい。また、膜電極接合体４０の外形を、正方形状にしてもよい。また、膜電極接合体４０の外形は、完全に矩形状でなくともよく、一部に曲線を含んでいたり、多角形を構成していていもよい。対向する２辺の間で水素を１方向に流し、水素の流れの下流側の辺に沿って延びるように電極を設ければよい。なお、ガス流路４２、４４は、例えば、集電体（セパレータ）の表面に複数の溝を並行に形成し、その溝をガス流路４２，４４としてもよい。また、電極６２の長さは、膜電極接合体４０の長辺の長さと一致していなくともよく、相対的に短くしてもよい。なお、実施の形態１では水素入口マニホールド１２を１つの連続な開口にしたが、膜電極接合体４０の長辺に沿って複数の開口を離間的に並べてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態１の燃料電池スタックの構成を示す図である。
【図３】実施の形態１の部分電流計測板６０および単位セル３８の構成を説明するための図である。
【図４】図３のＡ−Ａ矢印線に沿う単位セル３８の断面を模式的に示す図である。
【図５】ガス流路４２内の水素濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  燃料電池スタック
１２  水素入口マニホールド
１４  水素出口マニホールド
２０、３０  管路
２２  調圧弁
３２  排気弁
３８  単位セル
４０  膜電極接合体
４２，４４  ガス流路
５０、５４  集電板
６０  部分電流計測板
６２  電極
７０、７２  インシュレータ
７６  テンションプレート
７８、７９  エンドプレート
【図１】
2009252639.tif 000003
【図２】
2009252639.tif 000004
【図３】
2009252639.tif 000005
【図４】
2009252639.tif 000006
【図５】
2009252639.tif 000007