JP2010034041A - 燃料電池および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内の広範囲に不純物の滞留が発生するのを抑制する。
【解決手段】水素出口マニホールド１４２は、セパレータ１４における膜電極接合体に対応する発電対応部位の角部近傍に形成され、水素入口マニホールド１４１は、発電対応部位の周縁部のうち水素出口マニホールド１４２近傍の角部と発電対応部位を挟んで対向する部位に形成され、水素流路１４３ａは、発電対応部位に形成され、水素を水素極に供給するとともに、残りの水素を水素出口マニホールド１４２に排出する発電用流路部１４４と、発電対応部位の周縁部に沿って、水素入口マニホールド１４１から発電対応部位における水素出口マニホールド１４２が形成された角部と隣り合う一対の角部に至るまで延びるように形成され、発電用流路部１４４と接する部位から発電用流路部１４４に水素を分配する分配用流路部１４５とを有する
【選択図】図４

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。

従来より、水素と空気（酸素）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。燃料電池を継続的に動作させると、空気側では反応によって発生した生成水が滞留し、水素側には空気側で発生した水が透過することによる透過水や空気に含まれる窒素が透過することにより、水と窒素が滞留する。このように水や窒素等の不純物が燃料電池内に滞留することにより、水素や空気が流れにくいセルが発生し、その結果、水素や空気の供給が不足するセルが発生する。

そのため、燃料電池における不純物が滞留する部位を局所電流測定手段により特定し、特定した部位の局所電流測定手段の検出値が所定電流値を下回った場合に燃料ガス排出手段を制御することで、不純物の滞留を減らすとともに、必要以上の水素の供給・排出を抑制し、燃料電池全体の効率を向上させているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１１４３７６号公報

ところで、一般的には、燃料電池における水や窒素等の不純物が滞留する部位は、セル面内の未反応水素を排出する水素出口近傍となるが、燃料電池の運転条件やセルの構成によりセル面内の広範囲となる。

ここで、例えば、特許文献１に記載の燃料電池のように、セパレータに形成された水素流路をサーペンタイン流路とした場合の燃料電池内の不純物の滞留について説明すると（図８参照）、セパレータ１００の水素入口マニホールド１１０から導入された水素は、流路の曲がり部（角部等）において圧力損失が発生し流速が低下する。そのため、水素出口マニホールド１３０近傍以外の流路の曲がり部等において不純物が滞留しやすくなる。

また、水素の供給量を増加させて水素利用率を上げた場合等には、サーペンタイン流路１２０を分割するリブ１４０と接するアノード側拡散層を透過し、サーペンタイン流路１２０に沿って流れる水素が一部の流路を飛び越える現象（いわゆる、パスカット）が生じることがある。このパスカットが生じると、一部の水素の流れが、図８のＣ部に向かう方向となり、このＣ部に不純物が滞留しやすくなってしまう。

そのため、局所電流測定手段で不純物が滞留する部位を特定するためには、セル面内の広範囲に局所電流測定手段を設置する必要が生じ、燃料電池の部品点数の増加につながる。一方、セル面内の水素出口近傍にのみ局所電流計測手段を配置する場合には、配置した部位以外に不純物が滞留すると水素排出手段の適切な制御ができないため、燃料電池の性能が低下するという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、燃料電池内の広範囲に不純物の滞留が発生するのを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、固体高分子膜からなる電解質膜（１１）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と、膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１４）と、セパレータ（１４）におけるアノード側に設けられ、アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（１４３ａ）と、セパレータ（１４）に形成され、燃料ガスを燃料ガス流路（１４３ａ）に導入するための燃料ガス入口マニホールド（１４１）と、セパレータ（１４）に形成され、燃料ガスを燃料ガス流路（１４３ａ）から導出するための燃料ガス出口マニホールド（１４２）とを備え、燃料ガス出口マニホールド（１４２）は、セパレータ（１４）における膜電極接合体に対応する発電対応部位の角部近傍に形成され、燃料ガス入口マニホールド（１４１）は、発電対応部位の周縁部のうち燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の角部と発電対応部位を挟んで対向する部位に形成され、燃料ガス流路（１４３ａ）は、発電対応部位に形成され、燃料ガスをアノードに供給するとともに、残りの燃料ガスを燃料ガス出口マニホールド（１４２）に排出する発電用流路部（１４４）と、発電対応部位の周縁部に沿って、燃料ガス入口マニホールド（１４１）から発電対応部位における燃料ガス出口マニホールド（１４２）が形成された角部と隣り合う一対の角部に至るまで延びるように形成され、発電用流路部（１４４）と接する部位から発電用流路部（１４４）に燃料ガスを分配する分配用流路部（１４５）とを有することを特徴としている。

このように、分配用流路部（１４５）を発電対応部位の周縁部に沿って形成することで、分配用流路部（１４５）では発電によって燃料ガスの流速が低下しないため、分配用流路部（１４５）と発電用流路部（１４４）の接する部位の全域からほぼ均一な流速の燃料ガスを発電用流路部（１４４）に分配することができる。

さらに、分配用流路部（１４５）を、燃料ガス入口マニホールド（１４１）から、燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の角部と隣り合う角部近傍まで延びるように形成しているため、分配用流路部（１４５）と発電用流路部（１４４）の接する部位の全域から導入された燃料ガスは、発電用流路部（１４４）内において燃料ガス出口マニホールド（１４２）に対して略直線的に移動可能となる。つまり、発電用流路部（１４４）の角部等の曲がり部において燃料ガスの流れ方向が変化せず、流路の曲がり部における圧力損失による発電用流路部（１４４）内の燃料ガスの流速低下を抑制することができる。

これにより、発電用流路部（１４４）では、燃料ガスをアノードに供給するとともに、残りの燃料ガス（未反応燃料ガス）や不純物を燃料ガス出口マニホールド（１４２）に向けて流れやすくすることができる。

したがって、発電用流路部（１４４）内の不純物が、燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍に滞留しやすくすることができるため、燃料電池（１）内の広範囲に不純物の滞留が発生することを抑制することができる。なお、「発電対応部位の角部」には、尖っている角の他に丸角や曲率を有する角も含まれる。

具体的には、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の発明において、発電対応部位を四角形状とし、燃料ガス入口マニホールドを（１４１）、発電対応部位における燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の角部の対角の角部近傍に形成することができる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の発明において、発電用流路部（１４４）を、ガス透過性を有する多孔質体からなる多孔質体流路で構成してもよい。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池（１）と、燃料電池（１）内における燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の局所電流を測定する局所電流測定手段（５）と、発電用流路部（１４４）内の燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出手段（３３）と、燃料ガス排出手段（３３）を制御する制御手段（４）とを備え、制御手段（４）は、局所電流測定手段（５）で測定した局所電流が、予め設定した基準電流を下回った場合に、燃料ガスを排出するように燃料ガス排出手段（３３）を制御することを特徴としている。

発電用流路部（１４４）内に滞留した不純物は、燃料出口マニホールド（１４２）近傍に滞留しやすいため、局所電流測定手段（５）を燃料出口マニホールド（１４２）近傍に配置することで、燃料電池（１）内部の状態が、不純物が滞留して水素が不足している状態か否かを診断することができる。

また、不純物の滞留が燃料出口マニホールド（１４２）近傍で発生するため、制御手段（４）で不純物を排出する制御を実行した場合に、燃料出口マニホールド（１４２）から不純物を排出しやすくすることができる。

これにより、燃料電池（１）内の水素不足による発電性能低下や、水素が不足している部位における膜電極接合体の劣化を抑制することができる。さらに、発電用流路部（１４４）内に滞留した不純物を排出するための必要となる水素排出量を減少させることができるため、例えば、水素利用率が高い場合には、水素利用率の減少を抑制することができ、水素利用率が低い場合であっても滞留した不純物の排出を適切に行なうことができる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池（１）と、燃料電池（１）内における燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の局所電位を測定する局所電位測定手段と、発電用流路部（１４４）内の燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出手段（３３）と、燃料ガス排出手段（３３）を制御する制御手段（４）とを備え、制御手段（４）は、局所電位測定手段で測定した局所電位が、予め設定した基準電位値を下回った場合に、燃料ガスを排出するように燃料ガス排出手段（３３）を制御することを特徴としている。

燃料電池１内部に不純物が滞留すると、その部位における燃料電池１の出力電圧が低下するため、局所電位測定手段を燃料出口マニホールド（１４２）近傍に配置することで、燃料電池（１）内部に不純物が滞留し、水素が不足している状態か否かを診断することができる。これによっても、上述の請求項４に記載の発明と同様な効果を得ることができる。

また、請求項６に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池（１）と、燃料電池（１）内における燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の温度を測定する局所温度測定手段と、発電用流路部（１４４）内の燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出手段（３３）と、燃料ガス排出手段（３３）を制御する制御手段（４）とを備え、制御手段（４）は、局所温度測定手段で測定した温度が、予め設定した基準温度値を下回った場合に、燃料ガスを排出するように燃料ガス排出手段（３３）を制御することを特徴としている。

燃料電池１内部に不純物が滞留すると、その部位における燃料電池１の温度が低下するため、局所温度測定手段を燃料出口マニホールド（１４２）近傍に配置することで、燃料電池（１）内部に不純物が滞留し、水素が不足している状態か否かを診断することができる。これによっても、上述の請求項４に記載の発明と同様な効果を得ることができる。

また、請求項７に記載の発明では、固体高分子膜からなる電解質膜（１１）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と、膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１４）と、セパレータ（１４）におけるカソード側に設けられ、カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（１４３ｂ）と、セパレータ（１４）に形成され、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路（１４３ｂ）に導入するための酸化剤ガス入口マニホールドと、セパレータ（１４）に形成され、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路（１４３ｂ）から導出するための酸化剤ガス出口マニホールドとを備え、酸化剤ガス出口マニホールドは、セパレータ（１４）における膜電極接合体に対応する発電対応部位の角部近傍に形成され、酸化剤ガス入口マニホールドは、発電対応部位の周縁部のうち酸化剤ガス出口マニホールド近傍の角部と発電対応部位を挟んで対向する部位に形成され、酸化剤ガス流路（１４３ｂ）は、発電対応部位に形成され、酸化剤ガスをカソードに供給するとともに、残りの酸化剤ガスを酸化剤ガス出口マニホールドに排出する発電用流路部と、発電対応部位の周縁部に沿って、酸化剤ガス入口マニホールドから発電対応部位における酸化剤ガス出口マニホールドが形成された角部と隣り合う一対の角部に至るまで延びるように形成され、発電用流路部と接する部位から発電用流路部に酸化剤ガスを分配する分配用流路部とを有することを特徴としている。

このように、酸化剤ガス流路（１４３ｂ）の分配用流路部を発電対応部位の周縁部に沿って形成することで、分配用流路部では発電によって酸化剤ガスの流速が低下しないため、分配用流路部と発電用流路部の接する部位の全域からほぼ均一な流速の酸化剤ガスを発電用流路部に分配することができる。

さらに、分配用流路部は、酸化剤ガス入口マニホールドから、酸化剤ガス出口マニホールド近傍の角部と隣り合う角部近傍まで延びるように形成されているため、分配用流路部と発電用流路部との接する部位の全域から導入された酸化剤ガスは、発電用流路部内において酸化剤ガス出口マニホールドに対して略直線的に移動可能となる。つまり、発電用流路部（１４４）の角部等の曲がり部において酸化剤ガスの流れ方向が変化せず、流路の曲がり部における圧力損失による発電用流路部内の酸化剤ガスの流速低下を抑制することができる。

これにより、発電用流路部では、酸化剤ガスをカソードに供給するとともに、残りの酸化剤ガス（未反応酸化剤ガス）や不純物を酸化剤ガス出口マニホールドに向けて流れやすくすることができる。

したがって、発電用流路部内の不純物が酸化剤ガス出口マニホールド近傍に滞留しやすくすることができ、燃料電池内の広範囲に不純物の滞留が発生することを抑制することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態の燃料電池システムの概念図である。 図１の燃料電池の斜視図である。 第１実施形態の燃料電池のセルの分解断面図である。 第１実施形態の水素極側セパレータの正面図である。 第１実施形態の水素極側セパレータにおける水素の流れを説明する説明図である。 第２実施形態の水素極側セパレータにおける水素の流れを説明する説明図である。 セル内において水素の供給量が変化した場合における局所電流および局所温度の変化を説明する説明図である。 従来技術のセパレータにおける水素の流れを説明する説明図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。ここで、図1は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す概念図であり、図２は、燃料電池の概略を示す斜視図である。本実施形態の燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用され、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給する。

まず、本実施形態の燃料電池システムの概略構成を説明すると、図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１、空気経路２、水素経路３、制御装置４を備えている。本実施形態の燃料電池１は、図示しない電気負荷や２次電池等の電力機器に電力を供給するもので、燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いている。

空気経路２は、酸化剤ガスである空気が流れる経路であり、燃料電池１の空気極側に空気を供給するための空気供給経路２ａ、燃料電池１にて電気化学反応を終えた余剰空気および空気極で生成された生成水を燃料電池１から外部へ排出するための空気排出経路２ａからなる。

空気供給経路２ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気排出経路２ｂには、燃料電池１内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２２が設けられている。

水素経路３は、燃料ガスである水素が流れる経路であり、燃料電池１の水素極側に水素を燃料電池１に供給するための水素供給配管３ａ、水素極側に溜まった生成水を微量な水素とともに燃料電池１から外部へ排出するための水素排出経路３ｂからなる。

水素供給経路３ａの最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給経路３ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２が設けられている。

さらに、水素排出配管３ｂには、酸素極側から後述する各セル１０の電解質膜１１を透過した生成水や窒素等の不純物を未反応水素とともに外気へ排出するために電磁弁３３が設けられている。なお、本実施形態では、電磁弁３３が燃料電池１から不純物等を排出する燃料ガス排出手段に相当している。

燃料電池１は、図２に示すように、基本単位となる単セル１０が複数積層されたスタック構造となっている。積層されたセル１０は、電気的に直列に接続されている。なお、本実施形態では、単セル１０を複数積層したスタック構造としているが、単セル１個備えるものとしてもよい。

そして、燃料電池１の一方の側面には、燃料電池１の内部に水素、空気をそれぞれ導入するための水素入口１ａ、空気入口１ｂと、燃料電池１の内部から外部に水素、空気をそれぞれ排出するための水素出口１ｃ、空気出口１ｄとが設けられている。この水素入口１ａ、空気入口１ｂ、水素出口１ｃ、空気出口１ｄのそれぞれに、水素供給経路３ａ、空気供給経路２ａ、水素排出経路３ｂ、空気排出経路２ｂが接続されている。

次に、セル１０の構成について図３に基づいて説明する。図３は、燃料電池のセルの構成を示す分解断面図である。図３に示すように、セル１０は、固体高分子膜からなる電解質膜１１、触媒層１２、拡散層１３からなる膜電極接合体（ＭＥＡ）と、これを両側から挟み込む一対のセパレータ１４とから構成されている。

膜電極接合体は、電解質膜１１の両外側に密着した状態で水素極側触媒層１２ａ、空気極側触媒層１２ｂが配置され、各触媒層１２の外側に水素極側拡散層１３ａ、空気極側拡散層１３ｂが配置されている。さらに、膜電極接合体と各セパレータ１４との間の両端部には、シリコンゴム等のガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する材料で形成されたシール部材１５が設けられている。

ここで、触媒層１２は、カーボン担体に電気化学反応を促進する触媒（白金等）を担持させたカーボン担持白金触媒等で構成され、拡散層１３は、導電体でかつ液体水分保持性能を有するカーボンクロス等で構成されている。なお、水素極側触媒層１２ａと水素極側拡散層１３ａが水素極（アノード）を構成し、空気極側触媒層１２ｂと空気極側拡散層１３ｂが空気極（カソード）を構成している。

空気極に酸素を含む空気が供給され、燃料極に水素が供給されることにより、以下の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。また、このとき、空気極側では、水が生成する。
（水素極：アノード）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（空気極：カソード）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
本実施形態の膜電極接合体は、電解質膜１１、各電極（触媒層１２、ガス拡散層１３）が接する発電部位（発電に寄与する部位）が、後述するセパレータ１４に設けられたガス流路１４３と接触するようになっている。本実施形態の発電部位は、四角形状となっている。

セパレータ１４は、水素極と対向する面に、水素極に水素を供給するための水素流路（燃料ガス流路）１４３ａが設けられ、空気極側と対向する面に空気極に空気を供給するための空気流路（酸化剤ガス流路）１４３ｂが設けられている。各セパレータ１４は、ガスが透過しない導電性部材（例えば、カーボン材）で構成され、隣接する膜電極接合体を互いに電気的に直列に接続している。

セパレータ１４は、図示しないが隣り合うセル１０で共有されており、隣接する単セル間で水素と空気の流れを分離している。なお、説明の都合上、以下単セル１０における水素極と対向するセパレータ１４を水素極側セパレータ１４ａと呼び、空気極と対向するセパレータ１４を空気極側セパレータ１４ｂと呼ぶ。

次に、本実施形態の水素極側セパレータ１４ａについて図４、図５に基づいて説明する。図４は、水素極側セパレータの構成を水素極側から見たときの平面図であり、図５は、水素極側セパレータにおける水素の流れを説明するための模式図である。

図４に示すように、水素極側セパレータ１４ａは、水素入口１ａと連通し、水素流路１４３ａに水素を導入するための水素入口マニホールド１４１と、水素出口１ｃと連通し、水素流路１４３ａから水素出口１ｃに生成水、窒素等の不純物や未反応水素を導出する水素出口マニホールド１４２が形成されている。

ここで、図示しないが、水素極側セパレータ１４ａには、空気入口１ｂと連通し、空気流路１４３ｂに空気を導入する空気入口マニホールドと、空気出口１ｄと連通し、空気流路１４３ｂから空気出口１ｄに空気や生成水等を排出する空気出口マニホールドが形成されている。なお、空気入口マニホールドおよび空気出口マニホールドは、水素流路１４３ａとは接続されていない。

本実施形態の水素出口マニホールド１４２は、水素極側セパレータ１４ａにおける膜電極接合体と対応する発電対応部位の角部近傍（図中右下の角部近傍）に形成されている。この発電対応部位は、詳しくは膜電極接合体の水素極側の触媒層１２と対応する部位である。本実施形態では、膜電極接合体の発電部位が四角形状となっているため、発電部位に対応する発電対応部位も四角形状としている。

水素入口マニホールド１４１は、上記発電対応部位の周縁部のうち、水素出口マニホールド１４２近傍の角部（図中右下の角部）と発電対応部位を挟んで対向する部位に形成されている。具体的に本実施系形態では、発電対応部位における水素出口マニホールド１４２が形成された角部の対角に位置する角部近傍（図中左上の角部近傍）に形成されている。

また、本実施形態の水素流路１４３ａは、導電性のある多孔質体からなる発電用流路部１４４（多孔質体流路部）、溝部からなる分配用流路部１４５が互いに隣接して構成されている。この発電用流路部１４４は、水素極に水素を供給するとともに水素出口マニホールド１４２に未反応水素や不純物を排出するための流路であり、水素極側セパレータ１４ａの発電対応部に形成されている。

分配用流路部１４５は、発電対応部位の周縁部に沿って、発電対応部位における水素入口マニホールド１４１から、水素出口マニホールド１４２近傍の角部と隣り合う角部近傍（図中左下、右上の角部近傍）まで延びるように形成されている。本実施形態では、分配用流路部１４５は、発電対応部位の４つの辺のうち、水素出口マニホールド１４２近傍の角部（図中右下の角部）と接しない２つの辺に形成されている。

さらに、分配用流路部１４５は、発電用流路部１４４と接する部位の全域から発電用流路部１４４に水素を分配するように構成されている。つまり、分配用流路部１４５と発電用流路部１４４は、互いに接する部位で連通するように構成されている。

次に、本実施形態における燃料電池１内部の水素の流れを図５に基づいて説明すると、まず、水素供給経路３ａを介して燃料電池１の水素入口１ａから導入された水素は、セル１０の水素極側セパレータ１４ａの水素入口マニホールド１４１を流れる。なお、図５における矢印は、水素の流れ方向を示している。

そして、この水素は水素入口マニホールド１４１から分配用流路部１４５に流れ、分配用流路部１４５と発電用流路部１４４の接する部位の全域から発電用流路部１４４に分配される。

ここで、本実施形態では、分配用流路部１４５を発電対応部位の周縁部に沿って形成されており、分配用流路部１４５では発電によって水素の流速が低下しないため、分配用流路部１４５と発電用流路部１４４の接する部位の全域からほぼ均一な流速の水素を発電用流路部１４４に分配することができる。

さらに、分配用流路部１４５は、水素入口マニホールド１４１から、水素出口マニホールド１４２近傍の角部と隣り合う角部近傍まで延びるように形成されている。そのため、分配用流路部１４５と発電用流路部１４４との接する部位の全域から導入された水素は、発電用流路部１４４内において水素出口マニホールド１４２に対して略直線的に移動可能となる。

具体的には、分配用流路部１４５と発電用流路部１４４との接する部位の水素出口マニホールド１４２近傍の角部と隣り合う角部近傍から導入された水素は、水素出口マニホールド１４２に対して直線的に移動する。

つまり、発電用流路部１４４の角部等の曲がり部において水素の流れ方向が変化せず、流路の曲がり部における圧力損失による発電用流路部１４４内の水素の流速の低下を抑制することができる。

これにより、発電用流路部１４４では、水素を水素極に供給するとともに、残りの水素（未反応水素）や不純物を水素出口マニホールド１４２に向けて流れやすくすることができる。

また、本実施形態の水素極側セパレータ１４ａは、水素出口マニホールド１４２を発電対応部位の角部に形成することで、この水素出口マニホールド１４２が形成された角部、この角部と隣り合う一対の角部を結んでなる領域において、発電用流路部１４４の流路が水素出口マニホールド１４２に近づくほど狭くなるようにしている。

そのため、水素流れ下流側における発電に伴う水素の流速の低下があったとしても、発電用流路部１４４を流れる未反応水素や不純物を水素出口マニホールド１４２に向けて流れやすくすることができる。その結果、水素出口マニホールド１４２近傍の図５中のＡ部に不純物が滞留することとなる。

また、図２に示すように、本実施形態の燃料電池１は、セル１０間に局所電流測定手段を構成する周知の電流測定装置５を備えている。本実施形態の電流測定装置５は、水素出口マニホールド１４２の近傍領域におけるセル１０の局所電流を測定するようになっている。

電流測定装置５は、例えば、特開２００６−１１４３７６号公報に記載の電流測定装置を用いることができる。なお、電流測定装置５について簡単に説明すると、図示しない導電体より構成され、セル１０とセル１０の間に、セル１０間を電気的に接続するように配置される導電部と、導電部を流れる局所電流を測定する電流センサより構成される。そして、電流センサは、測定結果を制御装置４に出力するようになっている。

制御装置４は、入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。

具体的には、制御装置４の入力側には、電流測定装置５の検出信号等、および、車室内に設けられた車両起動スイッチ（図示せず）の操作信号が入力される。なお、車両起動スイッチは、空気ポンプ２１、空気調圧弁２２、水素調圧弁３２等の作動開始信号を出力する開始信号出力手段の機能を兼ねる。

制御装置４の出力側には、上述の空気ポンプ２１、空気調圧弁２２、水素調圧弁３２、電磁弁３３等の各種電気式アクチュエータ等が接続されている。本実施形態の制御装置４は、演算結果に基づいて、電磁弁３３等の各種電気式アクチュエータに制御信号を出力する。

次に、本実施形態の燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池システムは、車両起動スイッチがオンされることで起動を開始し、空気供給経路２ａおよび水素供給経路３ａから燃料電池１に空気および水素が供給されることで、燃料電池１では発電が行なわれる。

本実施形態では、セル１０内に滞留した水や窒素等の不純物を外部に排出するために、制御装置４が不純物排出制御を実行する。この不純物排出制御は、制御装置４が予めＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従って実行する。

不純物排出制御では、電流測定装置５で測定した局所電流が、予め設定した基準電流値を下回ったか否かを判定する。なお、基準電流値は、実験的に算出されたもので、予め制御装置４のＲＯＭ等に設定されている。

判定の結果、電流測定装置５で測定した局所電流が基準電流値を下回っていると判定された場合に、燃料電池１の水素出口マニホールド１４２近傍で不純物が滞留し、水素が不足していると診断することができる。そして、電磁弁３３を予め設定した所定時間が経過するまで開放することで、燃料電池１のセル１０内部の不純物を排出することができる。

以上説明したように、本実施形態の水素極側セパレータ１４ａの構成によれば、発電用流路部１４４内の不純物は、水素出口マニホールド１４２近傍に滞留する。これにより、燃料電池１の広範囲に不純物の滞留が発生することを抑制することができる。

また、発電用流路部１４４内に滞留した不純物は、水素出口マニホールド１４２近傍に滞留しやすいため、電流測定装置５を水素出口マニホールド１４２近傍にのみ配置することで、燃料電池１内の水素が不足しているか否かを診断することができる。

また、不純物の滞留が水素出口マニホールド１４２近傍で発生するため、制御装置４で不純物排出制御が行なわれた場合に、水素出口マニホールド１４２から不純物を排出しやすくすることができる。

これにより、燃料電池１内の水素不足による燃料電池１の発電性能低下や、水素が不足している部位における膜電極接合体の劣化を抑制することができる。

さらに、発電用流路部１４４内に滞留した不純物を排出するための必要となる水素排出量を減少させることができる。これにより、例えば、水素利用率が高い場合には、水素利用率の減少を抑制することができる。また、水素利用率が低い場合であっても滞留した不純物の排出を適切に行なうことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様または均等な部分について同一の符号を付し、その説明を省略する。ここで、図６は、本実施形態の水素極側セパレータを水素極側から見た正面図である。

上述の第１実施形態では、膜電極接合体における発電部位の形状を四角形状とし、水素極側セパレータ１４ａの発電対応部位も同様に四角形状とした例について説明したが、本実施形態では、膜電極接合体における発電部位の形状を三角形状とし、水素極側セパレータ１４ａの発電対応部位も同様に三角形状としている。

図６に示すように、本実施形態の水素出口マニホールド１４２は、水素極側セパレータ１４ａにおける発電対応部位の角部近傍（図中下の角部近傍）に形成されている。また、水素入口マニホールド１４１は、上記発電対応部位の周縁部のうち、水素出口マニホールド１４２近傍の角部（図中右下の角部）と発電対応部位を挟んで対向する部位に形成されている。具体的に本実施系形態では、発電対応部位における水素出口マニホールド１４２が形成された角部に対向する辺の中央部に設けられている。

また、本実施形態の分配用流路部１４５は、発電対応部位の周縁部に沿って、発電対応部位における水素入口マニホールド１４１から水素出口マニホールド１４２が形成された角部と隣り合う角部近傍（図中左右の角部近傍）まで直線状に延びるように形成されている。そして、分配用流路部１４５は、発電用流路部１４４と接する部位の全域から発電用流路部１４４に水素を分配するように構成されている。

このように、本実施形態の水素極側セパレータ１４ａにおける発電対応部位を三角形状した場合には、発電用流路部１４４の流路が水素出口マニホールド１４２に近づくほど狭くなる。

これにより、第１実施形態の構成よりも、発電用流路部１４４を流れる水素や不純物を水素出口マニホールド１４２に向けて流れやすくすることができる。したがって、水素出口マニホールド１４２近傍の図６中のＢ部に不純物が滞留し、燃料電池１の広範囲に不純物の滞留が発生することを抑制することができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、水素極側セパレータ１４ａの水素流路１４３ａに発電用流路部１４４と分配用流路部１４５を設ける例について説明したが、セル１０の空気極側にも生成水が滞留するため、上述の実施形態と同様に、空気極側セパレータ１４ｂの空気流路１４３ｂに発電用流路部と分配用流路部を設けてもよい。これにより、燃料電池１の広範囲に不純物の滞留が発生することを抑制することができ、さらに空気出口マニホールド近傍で不純物が滞留するため、不純物の排出を行いやすくすることができる。

（２）上述の実施形態では、セル間に電流測定装置５を設ける例について説明したが、セル面内に不純物が滞留すると燃料電池１の出力電圧が低下するため、セル１０内の局所電位を測定する電位測定装置（局所電位測定手段）を設けてもよい。電位測定装置としては、例えば、水素極側の拡散層１３等に参照電極を設け、参照電極の電位に対する水素極の水素出口マニホールド１４２近傍の電位変化を測定する構成とすることができる。

この電位測定装置を用いる場合には、不純物排出制御において、電位測定装置で測定した局所電位が、予め設定した基準電位値を下回ったか否かを判定し、基準電位値を下回った場合に、不純物が滞留している（水素が不足している）と診断すればよい。これによっても、電流測定装置５を設ける例と同様な効果を得ることができる。なお、基準電位値は、実験的に算出し、予め制御装置４のＲＯＭ等に設定しておけばよい。

（３）また、セル面内における不純物が滞留する部位では、水素が不足することによって発電が阻害され、局所電流が低下するとともに、発電時の水素と酸素の化学反応による発熱量も低下する。具体的には、図７に示すように、不純物が滞留して水素が不足している状態（水素供給量が少ない状態）では、水素が不足していない状態（水素供給量が多い状態）に比較して、滞留する部位の温度が低下する。

つまり、セル１０内に局所温度を測定する温度測定装置（局所温度測定手段）を設けることで、水素が不足しているか否かを診断することができる。この温度測定装置としては、例えば、水素極側の拡散層１３に温度センサを配置して、水素極側の拡散層１３の局所温度を測定する構成とすることができる。ここで、図７は、水素出口マニホールド１４２近傍において水素の供給量が変化した場合における局所電流および局所温度の変化を説明する説明図である。

この温度測定装置を用いる場合には、不純物排出制御において、温度測定装置で測定した局所温度が、予め設定した基準温度値を下回ったか否かを判定し、基準温度値を下回った場合に、不純物が滞留している（水素が不足している）と診断すればよい。なお、基準温度値は、実験的に算出し、予め制御装置４のＲＯＭ等に設定しておけばよい。

これによっても、電流測定装置５を設ける例と同様な効果を得ることができる。また、温度測定装置は、水素極側の拡散層１３に配置した温度センサで構成できるため、セル間に配置する電流測定装置５を用いる場合に比較して、簡易な構成となり、さらに燃料電池１の積層方向の体格を小さくすることができる。また、温度測定装置を用いる場合には、電流測定装置５を用いる場合に比較して、燃料電池１内の電流の流れが変化しない構成であるため、測定装置を設けることで燃料電池１の発電性能に与える影響を抑えることができる。

（４）上述の実施形態では、不純物排出制御において、電磁弁３３の開放を予め設定した所定時間経過するまで行なったが、電磁弁３３の開放を電流測定装置５で測定した局所電流が基準電流値を下回らなくなるまで行うように構成してもよい。

（５）上述の実施形態では、膜電極接合体の形状を四角形状、三角形状とした場合の例を説明したが、これに限定されるものではなく、膜電極接合体の形状は、３つ以上の角部を有する多角形状としもよい。

（６）上述の実施形態では、発電用流路部１４４を多孔質体流路としているが、これに限定されず、例えば、セパレータ１４の膜電極接合体と対応する面に多数の突起部が形成されたエンボス状の流路としてもよい。

１ 燃料電池
１０ セル
１４ａ 水素極側セパレータ（アノード側セパレータ）
１４１ 水素入口マニホールド（燃料ガス入口マニホールド）
１４２ 水素出口マニホールド（燃料ガス出口マニホールド）
１４３ａ 水素流路（燃料ガス流路）
１４４ 発電用流路
１４５ 分配用流路

Claims (7)

1. 固体高分子膜からなる電解質膜（１１）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と、
   前記膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１４）と、
   前記セパレータ（１４）における前記アノード側に設けられ、前記アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（１４３ａ）と、
   前記セパレータ（１４）に形成され、燃料ガスを前記燃料ガス流路（１４３ａ）に導入するための燃料ガス入口マニホールド（１４１）と、
   前記セパレータ（１４）に形成され、燃料ガスを前記燃料ガス流路（１４３ａ）から導出するための燃料ガス出口マニホールド（１４２）とを備え、
   前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）は、前記セパレータ（１４）における前記膜電極接合体に対応する発電対応部位の角部近傍に形成され、
   前記燃料ガス入口マニホールド（１４１）は、前記発電対応部位の周縁部のうち前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の角部と前記発電対応部位を挟んで対向する部位に形成され、
   前記燃料ガス流路（１４３ａ）は、
   前記発電対応部位に形成され、燃料ガスを前記アノードに供給するとともに、残りの燃料ガスを前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）に排出する発電用流路部（１４４）と、
   前記発電対応部位の周縁部に沿って、前記燃料ガス入口マニホールド（１４１）から前記発電対応部位における前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）が形成された角部と隣り合う一対の角部に至るまで延びるように形成され、前記発電用流路部（１４４）と接する部位から前記発電用流路部（１４４）に燃料ガスを分配する分配用流路部（１４５）とを有することを特徴とする燃料電池。
2. 前記発電対応部位は、四角形状であり、
   前記燃料ガス入口マニホールド（１４１）は、前記発電対応部位における前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の角部の対角の角部近傍に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記発電用流路部（１４４）は、ガス透過性を有する多孔質体からなる多孔質体流路であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の前記燃料電池（１）と、
   前記燃料電池（１）内における前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の局所電流を測定する局所電流測定手段（５）と、
   前記発電用流路部（１４４）内の燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出手段（３３）と、
   前記燃料ガス排出手段（３３）を制御する制御手段（４）とを備え、
   前記制御手段（４）は、前記局所電流測定手段（５）で測定した局所電流が、予め設定した基準電流を下回った場合に、燃料ガスを排出するように前記燃料ガス排出手段（３３）を制御することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の前記燃料電池（１）と、
   前記燃料電池（１）内における前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の局所電位を測定する局所電位測定手段と、
   前記発電用流路部（１４４）内の燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出手段（３３）と、
   前記燃料ガス排出手段（３３）を制御する制御手段（４）とを備え、
   前記制御手段（４）は、前記局所電位測定手段で測定した局所電位が、予め設定した基準電位値を下回った場合に、燃料ガスを排出するように前記燃料ガス排出手段（３３）を制御することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の前記燃料電池（１）と、
   前記燃料電池（１）内における前記燃料ガス出口マニホールド（１４２）近傍の温度を測定する局所温度測定手段と、
   前記発電用流路部（１４４）内の燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出手段（３３）と、
   前記燃料ガス排出手段（３３）を制御する制御手段（４）とを備え、
   前記制御手段（４）は、前記局所温度測定手段で測定した温度が、予め設定した基準温度値を下回った場合に、燃料ガスを排出するように前記燃料ガス排出手段（３３）を制御することを特徴とする燃料電池システム。
7. 固体高分子膜からなる電解質膜（１１）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と、
   前記膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１４）と、
   前記セパレータ（１４）における前記カソード側に設けられ、前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（１４３ｂ）と、
   前記セパレータ（１４）に形成され、酸化剤ガスを前記酸化剤ガス流路（１４３ｂ）に導入するための酸化剤ガス入口マニホールドと、
   前記セパレータ（１４）に形成され、酸化剤ガスを前記酸化剤ガス流路（１４３ｂ）から導出するための酸化剤ガス出口マニホールドとを備え、
   前記酸化剤ガス出口マニホールドは、前記セパレータ（１４）における前記膜電極接合体に対応する発電対応部位の角部近傍に形成され、
   前記酸化剤ガス入口マニホールドは、前記発電対応部位の周縁部のうち前記酸化剤ガス出口マニホールド近傍の角部と前記発電対応部位を挟んで対向する部位に形成され、
   前記酸化剤ガス流路（１４３ｂ）は、
   前記発電対応部位に形成され、酸化剤ガスを前記カソードに供給するとともに、残りの酸化剤ガスを前記酸化剤ガス出口マニホールドに排出する発電用流路部と、
   前記発電対応部位の周縁部に沿って、前記酸化剤ガス入口マニホールドから前記発電対応部位における前記酸化剤ガス出口マニホールドが形成された角部と隣り合う一対の角部に至るまで延びるように形成され、前記発電用流路部と接する部位から前記発電用流路部に酸化剤ガスを分配する分配用流路部とを有することを特徴とする燃料電池。

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