JP2005197223A - 固体高分子型燃料電池および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】効果的に起動時の酸化剤極の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供する。また、効果的に発電時の高分子電解質膜の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素透過性を有する固体高分子電解質膜１０と、固体高分子電解質膜１０の一方の面を被覆する酸化剤極１１と、酸化剤極１１との間に酸化剤ガス流路１３を有する酸化剤ガスセパレータ１５を備える。また、固体高分子電解質膜１０のもう一方の面を、一部を除いて被覆する燃料極１２と、燃料極１２との間に燃料ガス流路１４を有する燃料ガスセパレータ１６を備える。さらに、固体高分子電解質膜１０の燃料極１２に被覆されない部分に沿って、燃料極１２および燃料ガス流路１４と隔離して形成された燃料極無触媒流路１７を備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池およびそれを用いた燃料電池システムに関する。特に、燃料電池システム起電時の触媒劣化を抑制するための構成に関する。

燃料電池システムにおいて、燃料極、酸化剤極共に空気が混入している状態からシステムを起動させる場合、燃料極側のガス流路に水素を供給し始めた初期には、燃料ガス流路内に水素が存在する領域と存在しない領域が形成される。燃料極に水素が供給されている領域においては、通常の動作状態と同様の反応が起こり、酸化剤極側には０．８Ｖ以上の電位が立つ。一方、燃料極の水素が存在しない領域では、これに対峙する酸化剤極で、
Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（１）
という反応が生じる。その結果、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、酸化剤極の電極触媒が大きく劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。このとき燃料極側の空気が存在する領域においては、
Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
という反応が起こり、水が生成される。

従来の燃料電池システムにおいては、この現象による酸化剤極の劣化を防止するために、短時間（１秒以下）で、燃料極内の水素が存在する領域と存在しない領域の境界（以後、水素／空気フロントと呼称）が、燃料ガス流路中を通過するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１、参照。）。

また、固体高分子型燃料電池に用いられる高分子電解質膜は、乾燥すると急激にプロトン伝導性が低下する。そのため、供給する燃料ガス、酸化剤ガスのいずれか一方又は双方を加湿することによって、高分子電解質膜の乾燥を防止する必要がある。

しかし、酸化剤極側では反応によって水が生成されるため、酸化剤ガス流路の下流に向かって湿度が上昇する。そして、出口付近では高加湿状態になり、電極水没現象や、結露によるガス流路の閉塞（いわゆるフラッディング）が起こり易くなる。

従来の燃料電池システムにおいては、この現象を防止するために、セパレータに形成された反応ガスの流れる流路を、一部を延長形成し、その延長部を温度調節手段に導入し、この温度調節手段を経由した後に再び流路に戻る構成にするものが提案されている。そして、温度調節手段は、延長部に近接して設けられた冷却水流路と、ドレン部を備える。これにより、流路を流れる反応ガスは、温度調節手段を経由する際に冷却水流路を流れる冷却水により冷却される。冷却の際に生じた凝縮水は、水抜き通路を経てドレン部に収容される（例えば、特許文献２、参照。）。
米国特許出願公開第２００２／００７６５８２号明細書 特開２００３−１５１５８４号公報

しかしながら、短時間で水素／空気フロントを通過させるためには、燃料電池の流路の設計にもよるが、水素を含有する燃料ガスを燃料ガス流路に供給する配管流路の途中にコンプレッサ等の追加装置を配置したり、燃料ガス流路の断面積を小さくして燃料ガス流路内の流速を速める方策等が必要となる。前者においては、追加の装置が必要となり、コストが高くなるとともに、燃料電池システムが大型化するという問題や、燃料極と酸化剤極との圧力調整がうまくいかないと差圧によって高分子電解質膜が破れるなどの不具合が発生する可能性がある。また、後者においては、通常運転時の圧損が増加するという問題があった。

また、水素／空気フロントを形成させないように、窒素等の不活性ガスを用いてパージを行う技術が知られているが、この場合もシステム中に窒素ボンベ等の不活性ガス貯蔵装置が必要となる、または、燃料器等の酸素消費装置をシステム中に持たせる必要があり、システムを複雑化および大型化してしまうという問題があった。

そこで本発明は、効果的に起動時の酸化剤極の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

また、酸化剤極側が高加湿状態となる原因は、反応によって水が生成されるだけではない。燃料極側における反応で生じたプロトンは、高分子電解質膜中を移動する際、水分子を伴って移動するため、燃料極側から酸化剤極側へ水分が移動する。つまり、発電時の高分子電解質膜は、燃料極側から酸化剤極側へ常に水分子を移動させているため、酸化剤極側は常に高加湿状態となる。

高加湿状態になると、高分子電解質膜の強度は低下する。低加湿状態では高分子電解質膜の強度は再び上昇するが、例えば、数時間から数百時間のような長い時間、高分子電解質膜が高加湿状態に晒されると、その後、低加湿状態に戻しても強度は低下したままで復元されず、高分子電解質膜を劣化させるという問題があった。

また、本発明は、効果的に発電時の高分子電解質膜の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、水素透過性を有する固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面を被覆する酸化剤極と、前記酸化剤極との間に第一酸化剤ガス流路を有する酸化剤ガスセパレータを備え、さらに、前記固体高分子電解質膜のもう一方の面を、一部を除いて被覆する燃料極と、前記燃料極との間に第一燃料ガス流路を有する燃料ガスセパレータと、前記固体高分子電解質膜の前記燃料極に被覆されない部分に沿って、前記燃料極および前記第一燃料ガス流路と隔離して形成された第二燃料ガス流路と、を備える。

本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池を備え、前記第一酸化剤ガス流路、前記第一燃料ガス流路又は前記第二燃料ガス流路の少なくともいずれか一つに湿度計測手段を備え、発電時において、前記湿度計測手段によって計測された湿度が所定の値以上の場合は、前記第二燃料ガス流路に燃料ガスを供給し、前記湿度計測手段によって計測された湿度が所定の値より小さい場合は、前記第二燃料ガス流路に燃料ガスを供給しない。

本発明の燃料電池によれば、固体高分子電解質膜の前記燃料極に被覆されない部分に沿って、燃料極および第一燃料ガス流路と隔離して形成された第二燃料ガス流路に燃料ガスが供給されると、燃料極で反応を生じずに、固体高分子電解質膜を透過して酸化剤極側に水素を移動させることができる。酸化剤極側に水素が存在する状態で、燃料極側に燃料ガス、酸化剤極側に酸化剤ガスを供給すると、カーボンの腐食反応に先立って酸化剤極側に存在する水素が反応するので、酸化剤極の劣化を抑制しつつ、起動することができる。

また、本発明の燃料電池システムによれば、発電時において計測された湿度が所定の湿度以上の場合、第二燃料ガス流路に燃料ガスを供給することによって、酸化剤極側から燃料極側へ移動した余分な水分がパージされ、酸化剤極側の湿度上昇を抑制できる。その結果、高分子電解質膜を高加湿状態下に晒すことを防止して、高分子電解質膜の劣化を抑制しつつ、運転することができる。

第１の実施形態について説明する。図１に、燃料電池１００を構成する単位セルである燃料電池セル１００ａの一般的な構成例を示す。ここでは、燃料電池１００を複数の燃料電池セル１００ａを積層することにより形成したスタックから構成する。なお、燃料電池１００は、一つの燃料電池セル１００ａから構成してもよい。

プロトン伝導性を有する高分子電解質膜１１０を、一対の電極である酸化剤電極層１１１と燃料電極層１１２により狭持する。ここでは、電極層１１１、１１２を、カーボン繊維等の多孔質体から構成したガス拡散層１１１ａ、１１２ａと、Ｐｔ等の触媒を担持したカーボン担体から構成した触媒層１１１ｂ、１１２ｂとから構成する。さらにその外側には、酸化剤ガスセパレータ１１５、燃料ガスセパレータ１１６を配置する。電極層１１１、１１２とセパレータ１１５、１１６との間には、それぞれ酸化剤ガス流路１１３、燃料ガス流路１１４を設ける。ここでは、酸化剤ガス流路１１３を流通する酸化剤ガスと、燃料ガス流路１１４を流通する燃料ガスが、略同一方向に流通するように構成する。

なお、ここでは、酸素を含む酸化剤ガスとして空気を、水素を含む燃料ガスとして水素ガスを用いる。通常運転時には、酸化剤ガス流路１１３に酸化剤ガスを、燃料ガス流路１１４に燃料ガスを供給し、触媒層１１１ｂ、１１２ｂの触媒と接触させることにより以下のような反応を生じさせる。

燃料極側 ：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ・・・（３）
酸化剤極側：２Ｈ⁺ ＋ １／２Ｏ₂ ＋ ２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ ・・・（４）
（３）式に示すように、燃料電極層１１２では、燃料ガス中の水素がプロトンと電子に分離される。プロトンは高分子電解質膜１１０内部を拡散して酸化剤電極層１１１側に到達し、電子は図示しない外部回路を流れ、出力として取り出される。一方、酸化剤電極層１１１では、高分子電解質膜１１０内を拡散してきたプロトン、図示しない外部回路を介して移動してきた電子、および空気中の酸素により形成される三相界面上で（４）式に示すような反応が生じる。

このような燃料電池１００を移動体、例えば自動車用の動力源として活用した場合には、起動／停止が頻繁に繰り返されることになる。燃料電池１００停止中には、燃料電池１００への水素および空気の供給が停止された状態で放置される、または、不活性ガス等により充満された状態で放置される。放置が長時間継続された場合には、外部より大気が浸入して燃料ガス流路１１４内に空気が存在する可能性がある。

燃料ガス流路１１４内に空気が混入した状態からシステムを起動すると、起動初期に燃料電池１００内は、図２に示すような状態となる。

酸化剤ガス流路１１３内には空気が充満する。燃料ガス流路１１４には水素が存在する領域Ａと空気が存在する領域Ｃが形成され、水素と空気の界面である水素／空気フロントＢが形成される。燃料ガス流路１１４に水素が存在する領域Ａにおいては、通常の動作と同様の反応が起こり、酸化剤極側には０．８Ｖ以上の電位が立つ。一方、水素／空気フロントＢを境にして、燃料ガス流路１１４に空気が存在する領域Ｃにおいては、酸化剤電極層１１１側で、前述した（１）式のような反応が、燃料電極層１１２側で、（２）式のような反応が生じる。つまり、酸化剤電極層１１１側で、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こる。これにより、酸化剤電極層１１１が大きく劣化し、燃料電池セル１００ａの性能を劣化させる原因となる。

そこで本実施形態は、燃料電池セル１ａを以下のように構成する。

図４（ｂ）に示すように、燃料電池セル１ａを、電解質膜１０を、酸化剤電極層１１と、燃料電極層１２で狭持し、さらに、酸化剤ガスセパレータ１５と燃料ガスセパレータ１６で狭持することにより構成する。

まず、酸化剤ガスセパレータ１５、燃料ガスセパレータ１６の構成を説明する。図３の（ａ）に酸化剤ガスセパレータ１５を、図３（ｂ）に燃料ガスセパレータ１６を、それぞれ高分子電解質膜１０側から見た平面図を示す。

図３（ａ）に示すように、酸化剤ガスセパレータ１５には、酸化剤ガス流路１３を構成する。ここでは、酸化剤ガス流路１３を蛇行形状に構成するが、この限りではない。酸化剤ガス流路１３の一端を、酸化剤供給マニホールド２１に、もう一端を酸化剤排出マニホールド２２に連通させる。酸化剤供給マニホールド２１、酸化剤排出マニホールド２２は、各燃料電池セル１ａに酸化剤ガスを供給または排出するように、燃料電池１を構成する燃料電池セル１ａの積層方向に連続した流路とする。

一方、燃料ガスセパレータ１６には、図３（ｂ）に示すように、二段の流路１４ａ、１４ｂよりなる燃料ガス流路１４を構成する。ここでは燃料ガス流路１４ａ、１４ｂを同形状とし、それぞれを蛇行形状に構成するが、この限りではない。燃料ガス流路１４ａ、１４ｂの一端を燃料供給マニホールド２３ａ、２３ｂに、もう一端を燃料排出マニホールド２４ａ、２４ｂに連通させる。

燃料ガス流路１４ａ、１４ｂの間には、燃料極無触媒流路１７を構成する。燃料ガス流路１４と燃料極無触媒流路１７とは、互いに連通しないように構成する。燃料極無触媒流路１７を、燃料ガスセパレータ１６の表面に、中央近傍を貫通するように形成した溝により構成する。燃料極無触媒流路１７の一端を燃料無触媒供給マニホールド２５に、もう一端を燃料無触媒排出マニホールド２６に連通させる。燃料無触媒供給マニホールド２５、燃料無触媒排出マニホールド２６は、各燃料電池セル１ａの燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを供給または排出するように、燃料電池１を構成する燃料電池セル１ａの積層方向に連続した流路とする。

このようなセパレータ１５、１６を用いて燃料電池セル１ａを構成する。燃料電池セル１ａの概略構成を図４に示す。なお、図４（ａ）は、図３におけるＡ−Ａ方向の断面図、図４（ｂ）は、図３におけるＢ−Ｂ方向の断面図である。

図４（ｂ）に示すように、高分子電解質膜１０を、Ｐｔ等の触媒を担持した一対の電極である酸化剤電極層１１と燃料電極層１２で狭持する。高分子電解質膜１０としては、プロトン伝導性、かつ水素透過性を有するものを用い、例えばパーフルオロスルホン酸の膜を用いる。また、酸化剤電極層１１、燃料電極層１２は、それぞれガス拡散層１１ａ、１２ａと触媒層１１ｂ、１２ｂとから構成する。ガス拡散層１１ａ、１２ａは、多孔質性の部材、例えばカーボン繊維から構成し、また触媒層１１ｂ、１２ｂは、白金担持カーボンから構成する。

燃料電極層１２は、高分子電解質膜１０全体を被覆するわけではなく、少なくとも燃料ガスセパレータ１６に形成した燃料極無触媒流路１７に重なる領域には配置しない。つまり、高分子電解質膜１０が、燃料極無触媒流路１７に供給された燃料ガスに直接晒されるように構成する。このとき、燃料極無触媒流路１７は、燃料電極層１２に直接連通しないように構成する。ここでは、燃料極無触媒流路１７と燃料電極層１２との間には、隔壁として燃料ガスセパレータ１６の一部１６ａが存在するように構成する。または、別の部材を配置することにより、燃料極無触媒流路１７と燃料電極層１２とを隔離してもよい。これにより、起動時に、燃料極無触媒流路１７を流れる燃料ガスが、燃料電極層１２に漏洩するのを抑制する。

また、図４（ａ）に示すように、燃料電池セル１ａの組み立て時には、燃料極無触媒流路１７と、同セル内に形成された酸化剤ガス流路１３とが略直交するように構成する。これにより、酸化剤ガス流路１３の一部が、燃料極無触媒流路１７と重なるように構成される。ここで、水素透過性を有する高分子電解質膜１０を用いているため、後述するように、燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを供給することで、高分子電解質膜１０を介して、酸化剤電極層１１および酸化剤ガス流路１３側に水素を供給することができる。

このように構成した酸化剤電極層１１、燃料電極層１２のさらに外側に、酸化剤ガスセパレータ１５と燃料ガスセパレータ１６を配置する。セパレータ１５、１６としては、電気抵抗が小さいものが適しており、ここでは、電気抵抗が小さく、比較的加工が簡単な炭素部材を用いる。

次に、このような燃料電池１の酸化剤電極層１１における、カーボン腐食の抑制プロセスについて説明する。

燃料電池１が長時間放置されると、燃料ガス流路１４に空気が混入する可能性がある。このような状態から燃料電池１を起動すると、前述したようにカーボンの腐食反応が生じて、酸化剤電極層１１が劣化する可能性がある。

そこで、起動初期に、この燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを供給する。燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを供給した場合、供給された水素は触媒に接触しないためプロトンにはならず、燃料電極層１２で、（２）式に示すような反応が生じるのを抑えることができる。燃料ガス中の水素は、燃料極無触媒流路１７から高分子電解質膜１０を透過して、酸化剤電極層１１側に移動する。

このように、酸化剤電極層１１に水素が存在する状態としてから、燃料ガス流路１４に燃料ガスを、酸化剤ガス流路１３に酸化剤ガスを供給する。このとき、酸化剤電極層１１では（１）式のカーボン腐食反応は生じず、水素を用いた（４）式の反応が生じる。これは、（１）式に示すカーボン腐食反応より（４）式に示す反応が生じ易いためであり、カーボン腐食反応が生じるのを防止するのに十分な量の水素を酸化剤電極層１１側に透過させておくことで、酸化剤電極層１１のカーボン腐食を抑制することができる。つまり、燃料極無触媒流路１７に供給する燃料ガス量は、燃料ガス流路１４に燃料ガスを、酸化剤ガス流路１３に酸化剤ガスを充満させるまでにかかる時間に応じて設定することができる。

次に、このような燃料電池１を用いる際の燃料電池システムの構成を、図５を用いて説明する。ここでは酸化剤ガスとして空気を、燃料ガスとして燃料ガスボンベ２１１に貯蔵された水素を用いているが、この限りではない。

燃料電池システムに、酸化剤ガスとしての空気を導入するコンプレッサ２２１を備える。また、コンプレッサ２２１により導入した空気を燃料電池１の酸化剤ガス流路１３に供給するか否かを選択する酸化剤入口シャット弁２２２を備える。通常運転時には、酸化剤入口シャット弁２２２を開に設定し、酸化剤供給マニホールド２１を介して酸化剤ガス流路１３に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスは酸化剤ガス流路１３から酸化剤電極層１１内に拡散し、発電反応に用いられる。また、燃料電池１の下流側には、酸化剤出口シャット弁２２３を備え、これにより酸化剤ガス流路１３内の圧力を調整可能とする。

酸化剤ガス流路１３を流通した空気は、酸化剤排出マニホールド２２を通って燃料電池１から排出される。その後、酸化剤出口シャット弁２２３を介して、後述する排気触媒２３１に供給されてから、システム外部に排出される。

また、燃料ガスとしての水素を貯蔵する燃料ガスボンベ２１１と、燃料ガスボンベ２１１から、燃料ガス流路１４に水素を導入するか否かを選択する燃料入口シャット弁２１２を備える。通常運転時には、燃料入口シャット弁２１２を開として、燃料ガスボンベ２１１から水素を取り出す。燃料入口シャット弁２１２を介して燃料電池１の燃料供給マニホールド２３に供給され、さらに、各燃料電池セル１ａに分配されて、水素が燃料ガス流路１４に供給される。燃料ガス流路１４から燃料電極層１２に水素が拡散して、発電反応に用いられる。反応後、燃料排出マニホールド２４を通って各燃料電池セル１ａから回収され、燃料電池１から排出される。

燃料電池１の下流側には、燃料電池１から排出された排燃料ガスを再循環させるか、排気するかを選択する燃料出口三方弁２１５を備える。また、排燃料ガスを燃焼処理する排気触媒２３１を備える。さらに、排燃料ガスを燃料電池１の上流側に再循環させる循環路２１６と、循環路２１６中の燃料ガスを循環させるリサイクルブロア２１７を備える。循環路２１６の下流端は、燃料入口シャット弁２１２の上流側に接続する。ここでは、燃料ガスボンベ２１１から燃料ガス流路１４側と、後述するように無触媒流路１７側に分岐する分岐部２１８に接続するように構成する。

例えば、燃料ガス流路１４中の燃料ガスの窒素濃度が十分に低い場合には、燃料出口三方弁２１５を循環路２１６側に設定し、燃料ガスを再度燃料電池１に供給する。燃料ガス中の窒素濃度が所定より高くなった場合には、発電効率が低下するのを避けるために、燃料出口三方弁２１５を排気触媒２３１側に設定し、燃料ガス流路１４内をパージする。パージされた排燃料ガスは、排気触媒２３１において、酸化剤ガス流路１３から排出された排空気を用いて燃焼処理されてから、燃料電池システム外部に排出される。

また、燃料ガスボンベ２１１から、分岐部２１８を介して燃料極無触媒流路１７側に水素を導入するか否かを選択する無触媒入口シャット弁２１３を備える。燃料電池１の燃料極無触媒流路１７の下流側には、無触媒出口シャット弁２１４を備える。無触媒出口シャット弁２１４の下流側を排気触媒２３１に接続し、燃料極無触媒流路１７を通って排出された燃料ガスを、排気触媒２３１で燃焼処理してから燃料電池システム外部に排出する。

後述するように、無触媒入口シャット弁２１３、無触媒出口シャット弁２１４は、通常運転時には閉に設定される。起動初期に、無触媒入口シャット弁２１３、無触媒出口シャット弁２１４を開とすることにより、燃料極無触媒流路１７内を水素ガスで満たしてから、無触媒入口シャット弁２１３と燃料出口シャット弁２１４を閉とする。このような状態とすることで、燃料極無触媒流路１７から高分子電解質膜１０を介して酸化剤電極層１１側へ水素を透過させる。

さらに、このような燃料電池システムを制御するコントローラ２４１を備える。コントローラ２４１では各シャット弁２１２、２１３、２１４、２２２、２２３の開閉を制御する。

次に、燃料電池システム開始時の制御方法について図６のフローチャートを用いて説明する。なお、ここでは、起動時の酸化剤電極層１１の触媒劣化を抑制するための制御方法についてのみ説明する。燃料電池１停止時には、シャット弁２２２、２２３、２１２、２１３、２１４を閉とする。また、燃料出口三方弁２１５は、排気触媒２３１側に開とする。

ステップＳ１において、無触媒入口シャット弁２１３、無触媒出口シャット弁２１４を開とする。これにより、放置されている間に空気が混入されている可能性のある燃料極無触媒流路１７内のガスを排気して、燃料ガスを充満させる。次に、ステップＳ２において、予め設定しておいた所定時間Ｔ１が経過したか否かを判断する。この所定時間Ｔ１は、例えば、燃料極無触媒流路１７内が燃料ガスで充満するまでに必要な時間とする。所定の時間Ｔ１が経過するまでこの状態を維持し、経過したらステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、無触媒出口シャット弁２１４を閉じる。次に、ステップＳ４において、無触媒入口シャット弁２１３を閉じる。これにより、燃料極無触媒流路１７内に燃料ガスが滞留している状態となる。このとき、無触媒入口シャット弁２１３を無触媒出口シャット弁２１４の後で閉じているため、燃料ガスの圧力が比較的高い状態で、燃料極無触媒流路１７が閉塞される。また、酸化剤ガス流路１３および酸化剤電極層１１内は、ほぼ大気圧程度となっている。そのため、水素は高分子電解質膜１０を透過して、酸化剤電極層１１側に移動する。

次に、ステップＳ５において、燃料入口シャット弁２１２を開とすることにより燃料ガス流路１４への燃料ガスの供給を開始する。このときには、酸化剤電極層１１内にも高分子電解質膜１０を透過して移動した水素が存在するので、（１）式のカーボン腐食反応は生じず、水素を用いた（４）式に示す反応が生じる。

次に、ステップＳ６において、酸化剤入口シャット弁２２２、酸化剤出口シャット弁２２３を開とすることにより、酸化剤ガス流路１３への空気の導入を開始する。このとき酸化剤ガス流路１３および酸化剤電極層１１内の圧力が上昇するため、燃料極無触媒流路１７から高分子電解質膜１０を介した水素の透過が停止し、酸化剤ガスに燃料ガスが混入するのを防止することができる。

このように、燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを充満させて酸化剤ガス流路１３側に透過させることで、（１）式に示すカーボン腐食反応を抑制して、酸化剤電極層１１の劣化を抑えることができる。ステップＳ５、Ｓ６において、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を開始したら通常運転に移行する。

なお、ステップＳ３において、無触媒出口シャット弁２１４を閉じてから、ステップＳ４において無触媒入口シャット弁２１３を閉じるまでは、所定時間の間隔をあけることが望ましい。ここでは、例えば所定時間を、燃料極無触媒流路１７内の圧力が、高分子電解質膜１０を介して酸化剤電極層１１側に十分な水素が透過するのに必要な圧力となるまでに必要な時間とする。

また、ステップＳ４において、無触媒入口シャット弁２１３を閉じてから、ステップＳ５において、燃料入口シャット弁２１２を開くまでは、所定時間の間隔をあけることが望ましい。ここでは所定時間を、例えば、実験等により予め求めておいた、燃料極無触媒流路１７から酸化剤電極層１１および酸化剤ガス流路１３に十分な水素が透過するのに必要な時間とする。

次に、本実施形態の効果について説明する。

水素透過性を有する固体高分子電解質膜１０と、固体高分子電解質膜１０の一方の面を被覆する酸化剤極１１と、酸化剤極１１との間に酸化剤ガス流路１３を有する酸化剤ガスセパレータ１５を備える。また、固体高分子電解質膜１０のもう一方の面を、一部を除いて被覆する燃料極１２と、燃料極１２との間に燃料ガス流路１４を有する燃料ガスセパレータ１６を備える。さらに、固体高分子電解質膜１０の燃料極１２に被覆されない部分に沿って、燃料極１２および燃料ガス流路１４と隔離して形成された燃料極無触媒流路１７を備える。これにより、燃料極無触媒流路１７に燃料ガスが供給されることで、酸化剤電極層１１側のカーボンの腐食反応を生じずに、燃料極無触媒流路１７から高分子電解質膜１０を介して酸化剤電極層１１側に水素を供給することができる。その後、燃料電極層１２に燃料ガス、酸化剤電極層１１側に酸化剤ガスを供給した場合にも、カーボンの腐食反応に先立って、酸化剤電極層１１側に存在する水素が反応するので、酸化剤電極層１１の劣化を抑制しつつ、燃料電池１を起動することができる。

燃料極無触媒流路１７を、高分子電解質膜１０に沿って、反応面の中央付近を貫通するように構成する。これにより、水素が酸化剤電極層１１全体に行き渡るまでの時間を短縮することができるので、燃料電池１の起動時間を短縮することができる。

また、燃料極無触媒流路１７の一部が、高分子電解質膜１０を介して酸化剤ガス流路１３の一部に重なるように構成する。これにより、燃料極無触媒流路１７と酸化剤ガス流路１３の重なる部分において、水素を効率良く透過させることができるので、十分な水素が酸化剤電極層１１側に移動するまでの時間を短縮することができる。

また、起動時に、燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを供給し、その後、燃料ガス流路１４に燃料ガスを、酸化剤ガス流路１３に酸化剤ガスを供給する。燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを供給することにより、酸化剤電極層１１へ水素を透過させることができる。その後、燃料ガス流路１４へ燃料ガスを、酸化剤ガス流路１３へ酸化剤ガスを供給するので、カーボン腐食反応の替わりに水素を用いた反応を生じることができる。その結果、酸化剤電極層１１の劣化を抑制することができる。

次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

燃料電池セル１ａの構成を図７に示す。酸化剤ガスセパレータ１５の平面図を図７（ａ）に、燃料ガスセパレータ１６の平面図を図７（ｂ）に、燃料電池セル１ａのＣ−Ｃ断面の構成を図７（ｃ）に示す。

図７（ｂ）に示すように、燃料極無触媒流路１７を、燃料電極層１２に重なる反応領域の外側に構成する。ここでは、燃料極無触媒流路１７を、反応領域の外周に沿って構成する。燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを供給する燃料無触媒供給マニホールド２５を、燃料極無触媒流路１７の一部に接続させ、それと反対側に位置する部分に燃料無触媒排出マニホールド２６を接続する。

また、燃料極無触媒流路１７に囲まれた反応領域には、燃料ガス流路１４を構成する。ここでは燃料ガス流路１４を一段の蛇行形状により構成する。燃料ガス流路１４の一端を、燃料電池１を積層方向に貫通する燃料供給マニホールド２３に連通させ、もう一端を、同じく燃料電池１を積層方向に貫通する燃料排出マニホールド２４に連通させる。

一方、酸化剤ガスセパレータ１５には、酸化剤極無触媒流路１８を構成する。酸化剤極無触媒流路１８は、組み立て時に燃料極無触媒流路１７に重なる位置に構成する。つまり、酸化剤極無触媒流路１８は、反応領域の外に、外周に沿って構成される。

また、酸化剤極無触媒流路１８内の反応領域に、酸化剤ガス流路１３を構成する。酸化剤流路１３を蛇行形状に構成する。ここでは、組み立て時に、酸化剤ガス流路１３と燃料ガス流路１４とが重なるように構成する。酸化剤ガス流路１３の一端を、燃料電池１を積層方向に貫通する酸化剤供給マニホールド２１に連通する。図７（ａ）に示すように、酸化剤供給マニホールド２１は、酸化剤極無触媒流路１８に重なる位置に構成する。つまり、後述するように、燃料極無触媒流路１７から高分子電解質膜１０を透過して燃料極無触媒流路１８に移動した水素が、反応領域に構成した酸化剤ガス流路１３に移動可能な構成とする。酸化剤ガス流路１３の反対側の端部を、燃料電池１を積層方向に貫通する酸化剤排出マニホールド２２に連通する。酸化剤排出マニホールド２２は、反応領域内部に構成する。なお、酸化剤供給マニホールド２１を反応領域内部に構成し、酸化剤排出マニホールド２２を酸化剤極無触媒流路１８に重なる位置に構成してもよい。

このように構成した酸化剤ガスセパレータ１５、燃料ガスセパレータ１６と、高分子電解質膜１０、酸化剤電極層１１、燃料電極層１２を積層することにより、図７（ｃ）に示すような燃料電池セル１ａを構成する。

このとき、燃料極無触媒流路１７と燃料電極層１２との間には、燃料ガスセパレータ１６の一部１６ａが配置され、これが隔壁の役割を果たすように構成する。一方、酸化剤極無触媒流路１８と酸化剤電極層１１とは一部が連通するように構成する。これにより、酸化剤極無触媒流路１８内に透過した水素が酸化剤電極層１１内を通って反応領域に拡散可能な構成とする。

次に、起動開始初期の燃料電池１内のガスの状態について説明する。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する際の制御は、第１の実施形態と同様、図６のフローチャートに従う。

まず、燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを供給する。燃料極無触媒流路１７内部を、酸化剤電極層１１、酸化剤ガス流路１３および酸化剤極無触媒流路１８内の圧力より大きくなるように、燃料極無触媒流路１７を閉塞する。これにより、水素が高分子電解質膜１０を透過して、燃料極無触媒流路１７から酸化剤極無触媒流路１８に移動する。酸化剤極無触媒流路１８に移動した水素は、抵抗の少ない酸化剤ガス流路１３を通って反応領域全体に行き渡り、酸化剤電極層１１全体に拡散される。また、透過した水素の一部は、酸化剤極無触媒流路１８と酸化剤電極層１１との接触部分から、直接、酸化剤電極層１１内に拡散される。

次に、燃料ガスを燃料ガス流路１４に供給する。このとき、酸化剤電極層１１には水素が存在するので、（１）式に示したようなカーボン腐食反応は生じず、（４）式に示すような反応が生じる。その後、酸化剤ガス流路１３に酸化剤ガスの供給を開始する。これにより、酸化剤極無触媒流路１８内の圧力が燃料極無触媒流路１７側より大きくなるので、水素の高分子電解質膜１０の透過が停止する。

なお、燃料電池システムの構成、およびその制御方法は、第１の実施形態と同様とすることができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

燃料極無触媒流路１７を、反応領域の外側に設ける。これにより、反応面積を低減することなく、燃料極無触媒流路１７を構成することができるので、発電効率を低減することなく、酸化剤電極層１１の劣化を抑制することができる。

ここでは、燃料極無触媒流路１７を、反応領域の外周に沿って設ける。これにより、反応面積の低減を避けつつ、反応領域への水素の拡散を促進することができる。その結果、反応領域全体に水素が行き渡るまでの時間を短縮することができる。

また、高分子電解質膜１０の酸化剤電極層１１が接触している側の面の、燃料極無触媒流路１７に重なる領域の少なくとも一部に、酸化剤電極層１１および酸化剤ガス流路１３の少なくとも一方に連通する酸化剤極無触媒流路１８を備える。このように、酸化剤極側の、通常運転時に発電反応に関与しない燃料極無触媒流路１７に重なる領域に、酸化剤極無触媒流路１８を構成することで、使用するＰｔ等の触媒を低減することができる。ここでは、燃料極無触媒流路１７と酸化剤極未触媒流路１８とを重なるように構成したので、反応領域となる部分以外に触媒が担持されるのを避けることができ、コストを低減することができる。

なお、燃料ガスや酸化剤ガスの流通方向、流路形状等は、上述したものに限らない。また、水素濃度検出手段等を用いて、各流路の水素濃度をモニタすることにより、シャット弁２１２、２１３、２１４、２２２、２２３の開閉のタイミングを計っても良い。

次に、第３の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

前述の（４）式で示すように、酸化剤電極層１１１では、酸化剤ガス中の酸素がプロトンと反応して水が生成される。さらに、燃料電極層１１２で反応により生じたプロトンが、高分子電解質膜１１０内部を拡散して酸化剤電極層１１１側へ移動する際に、水分子を伴って移動する。したがって、酸化剤極側では、酸化剤ガス供給口から酸化剤ガス排出口へ向かって湿度が徐々に上昇して、酸化剤ガス排出口では高加湿状態となる。

高分子電解質膜１１０は、高加湿状態では強度が低下し、低加湿状態では強度が上昇するという特性を有する。この高加湿状態と低加湿状態とにおける強度の変化は可逆的である。しかし、高分子電解質膜１１０が長時間高加湿状態に晒されると、その後低加湿状態に戻しても強度は低下したままの状態で維持され、復元しない。これにより、高分子電解質膜１１０が大きく劣化し、燃料電池セル１ａの性能を劣化させる原因となる。

そこで本実施形態は、燃料電池セル１ａを以下のように構成する。

燃料電池セル１ａの構成を図８に示す。酸化剤ガスセパレータ１５の平面図を図８（ａ）に、燃料ガスセパレータ１６の平面図を図８（ｂ）に示す。

図８（ａ）、（ｂ）に示すように、酸化剤ガスセパレータ１５及び燃料ガスセパレータ１６を、二つの長辺と二つの短辺がそれぞれ対峙することにより構成される四辺形とする。ただし、セパレータの形状はこのような四辺形に限られない。

酸化剤ガスセパレータ１５には、長辺と平行に直線形状の流路を複数設けてなる酸化剤ガス流路１３を構成する。また、酸化剤ガスセパレータ１５には、一方の短辺に酸化剤供給マニホールド２１を、もう一方の短辺に酸化剤排出マニホールド２２を構成する。そして、酸化剤ガス流路１３を構成する各流路の一端を、酸化剤供給マニホールド２１に、もう一端を酸化剤排出マニホールド２２に各々連通させる。

酸化剤ガス流路１３を構成する流路のうち最も外側に形成された一の流路に、湿度計測手段として湿度センサ２７を備える。湿度センサ２７を、酸化剤供給マニホールド２１と酸化剤排出マニホールド２２との略中央に、燃料電池１の外部から酸化剤ガス流路１３内部に嵌挿する。湿度センサ２７と酸化剤ガスセパレータ１５との間は、絶縁性部材、例えば、ゴムや樹脂などによりシールする。湿度センサ２７は、例えば、高分子電解質膜１０が水分を含むことによる膨張率を測定して、酸化剤ガス流路１３内の湿度を計測する。

一方、図８（ｂ）に示すように、燃料ガスセパレータ１６には、二段の流路１４ａ、１４ｂよりなる燃料ガス流路１４を構成する。そして、燃料ガス流路１４ａ、１４ｂの一端を燃料供給マニホールド２３ａ、２３ｂに、もう一端を燃料排出マニホールド２４ａ、２４ｂにそれぞれ連通する。なお、ここでは燃料ガス流路１４を蛇行形状に構成するが、この限りではない。また、ここでは燃料ガス流路１４を酸化剤ガス流路１３と略直交するように構成するが、組み立て時に酸化剤ガス流路１３と重なる位置に構成してもよい。

また、燃料ガス流路１４ａ、１４ｂの間に、燃料極無触媒流路１７を構成する。燃料ガス流路１４と燃料極無触媒流路１７とは、互いに連通しないように構成する。燃料極無触媒流路１７を、燃料ガスセパレータ１６の表面に、中央近傍を貫通するように形成した溝により構成する。燃料極無触媒流路１７の一端を燃料無触媒供給マニホールド２５に、もう一端を燃料無触媒排出マニホールド２６に連通する。燃料無触媒供給マニホールド２５、燃料無触媒排出マニホールド２６は、各燃料電池セル１ａの燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを供給または排出するように、燃料電池１を構成する燃料電池セル１ａの積層方向に連続した流路とする。

燃料電池１の組み立て時には、燃料極無触媒流路１７と酸化剤ガス流路１３とが略直交するように構成する。これにより、酸化剤ガス流路１３の一部が、燃料極無触媒流路１７と重なるように構成される。

また、燃料電池１の組み立て時には、酸化剤ガス流路１３に備えた湿度センサ２７が、燃料極無触媒流路１７と重なるように構成する。このように構成することで、湿度センサ２７が酸化剤ガス流路１３内の高加湿状態を検出した場合に、当該検出した箇所と対応する位置に燃料極無触媒流路１７が設けられているため、酸化剤ガス流路１３内部の湿度の上昇を的確に抑制することができる。

ただし、湿度センサ２７は、燃料極無触媒流路１７と重ならない位置に設置してもよい。また、湿度センサ２７は、酸化剤ガス流路１３の湿度を計測できれば、燃料ガス流路１４又は燃料極無触媒流路１７に設置してもよい。

このように構成した酸化剤ガスセパレータ１５、燃料ガスセパレータ１６と、高分子電解質膜１０、酸化剤電極層１１、燃料電極層１２を積層することにより、図９（ａ）、（ｂ）に示すような燃料電池セル１ａを構成する。なお、図９（ａ）は、図８におけるＤ−Ｄ方向の断面図、図９（ｂ）は、図８におけるＥ−Ｅ方向の断面図である。

図９（ａ）に示すように、酸化剤ガス流路１３は、燃料電池セル１ａの外部から嵌挿した湿度センサ２７を備える。

次に、このような燃料電池１の酸化剤極側から燃料極側への水分の移動プロセスについて説明する。

燃料電池１を起動して長時間が経過すると、酸化剤電極層１１では（４）式に示す反応が生じて、水が生成される。また、燃料電極層１２では（３）式に示す反応が生じて、燃料ガス中の水素がプロトンと電子に分離する。そして、燃料電極層１２で生じたプロトンは、高分子電解質膜１０内部を拡散して酸化剤電極層１１側に到達する。このとき、プロトンは水分子を伴って酸化剤電極層１１側へ移動するため、酸化剤ガス流路１３は酸化剤ガス排出口へ向かうほど高加湿状態となる。

一方、燃料電池セル１ａでは、酸化剤極側と燃料極側の湿度に大きな差がある場合、両極の湿度差を小さくしようとする作用が働く。この作用によって、酸化剤電極層１１で生じた水分子は、高分子電解質膜１１０内部を拡散して燃料極側、具体的には、燃料電極層１２を介して燃料ガス流路１４ａ又は１４ｂへ移動する。しかし、この作用による燃料極側への水分子の移動は僅かな量であるため、酸化剤ガス流路１３の高加湿状態は十分には解消されない。このような状態で燃料電池１の運転を継続すると、前述したように高分子電解質膜１０の強度が低下して、劣化する可能性がある。

そこで、通常運転時に湿度センサ２７が酸化剤ガス流路１３内の高加湿状態を検出した場合、酸化剤ガス流路１３に供給する酸化剤ガスの圧力を上昇させる。そして、燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを供給する。酸化剤ガス流路１３への酸化剤ガスの供給圧力を上昇させると、酸化剤極側から燃料極側へ移動する水分子の量を増加させることができる。また、燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを供給することによって、酸化剤極側から燃料極無触媒流路１７へ移動した水分子が流路内に滞留することなく、燃料極無触媒流路１７のガス排出口へパージされる。

なお、酸化剤極側から燃料極側へ移動した水分子は、燃料ガス流路１４ｂへも移動する。このとき、燃料ガス流路１４ｂにおいても、酸化剤極側から移動した水分子を燃料ガスによってパージすることができる。しかし、燃料ガス流路１４ｂは酸化剤電極層１１との間に触媒層１２ｂを備えるため、（３）式に示すように燃料ガス中の水素が触媒に接触することによりプロトンと電子とに分離する反応が生じる。前述のようにプロトンは、燃料極側の水分子を伴って酸化剤極側へ移動する。つまり、燃料ガス流路１４ｂでは、酸化剤ガスの供給圧力を上げることによって酸化剤極から水分子が移動するとともに、反応によって生じたプロトンによって燃料極側の水分子が酸化剤極側へ移動する作用が同時に生じる。よって、燃料ガス流路１３では、酸化剤ガス流路１３の湿度を十分に抑制できない。

これに対し、燃料極無触媒流路１７は触媒層１２ｂを備えない。よって、燃料極無触媒流路１７に供給された水素は触媒に接触しないためプロトンにはならず、燃料極無触媒流路１７が設けられた領域において酸化剤極側への水分子の移動がない。これにより、燃料極無触媒流路１７では、酸化剤ガス流路１３の湿度上昇を抑制できる。

次に、このような燃料電池１を用いる際の燃料電池システムの構成を、図１０を用いて説明する。なお、図５と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システムには、燃料電池１の酸化剤ガス流路１３の上流側に、コンプレッサ２２１及び酸化剤入口シャット弁２２２を備える。通常運転時には、酸化剤入口シャット弁２２２を開に設定する。そして、コンプレッサ２２１により導入した酸化剤ガスを、酸化剤供給マニホールド２１を介して酸化剤ガス流路１３に供給する。酸化剤ガスは酸化剤ガス流路１３から酸化剤電極層１１内に拡散し、発電反応に用いられる。また、燃料電池１の下流側には、酸化剤出口シャット弁２２３を備え、通常運転時には、酸化剤出口シャット弁２２３を開に設定する。酸化剤出口シャット弁２２３は、酸化剤ガス流路１３内の圧力を調整可能とする。

酸化剤ガス流路１３を流通した空気は、酸化剤排出マニホールド２２を通って燃料電池１から排出される。その後、酸化剤出口シャット弁２２３を介して、排気触媒２３１に供給されてから、システム外部に排出される。

また、燃料電池１を構成する各単位セル１ａは、酸化剤ガス流路１３に湿度センサ２７を備える。湿度センサ２７は、運転中の燃料電池１の酸化剤ガス流路１３内の湿度を計測する。そして、湿度センサ２７は、計測した湿度をデジタル信号に変換して、燃料電池システムに備えられたコントローラ２４１へ出力する。コントローラ２４１は、湿度センサ２７から出力された信号に基づいて、各シャット弁２１２、２１３、２１４、２２２、２２３の開閉を制御する。

一方、燃料電池システムは、燃料ガス流路１４又は燃料極無触媒流路１７の上流に、燃料ガスボンベ２１１と、燃料入口シャット弁２１２及び無触媒入口シャット弁２１３を備える。通常運転時には、燃料入口シャット弁２１２を開に、無触媒入口シャット弁２１３を閉に設定する。したがって、燃料ガスボンベ２１１から導入された水素は、分岐部２１８及び燃料入口シャット弁２１２を介して、燃料電池１の燃料供給マニホールド２３に供給され、さらに、各燃料電池セル１ａに分配されて、燃料ガス流路１４に供給される。そして、燃料ガス流路１４から燃料電極層１２に水素が拡散して、発電反応に用いられる。反応後、燃料ガス排出マニホールド２７を通って各燃料電池セル１ａから回収され、燃料電池１から排出される。

燃料電池１の燃料ガス流路１４の下流側には、燃料出口三方弁２１５及び排気触媒２３１を備える。さらに、循環路２１６とリサイクルブロア２１７を備える。循環路２１６の下流端は、燃料入口シャット弁２１２の上流側に接続する。ここでは、燃料電池１から排出された燃料ガスが燃料ガス流路１４側にだけ流れるように、接続部２２０に接続するように構成する。ただし、燃料ガスボンベ２１１から燃料ガス流路１４側と燃料極無触媒流路１７側に分岐する分岐部２１８に接続してもよい。

酸化剤ガス流路１３の湿度を調整する運転（以後、制御運転と呼称）を開始すると、燃料入口シャット弁２１２及び無触媒入口シャット弁２１３のいずれも開に設定する。したがって、燃料ガスボンベ２１１から導入された水素は、分岐部２１８から燃料入口シャット弁２１２と無触媒入口シャット弁２１３へ分岐して、燃料供給マニホールド２３又は燃料無触媒供給マニホールド２５に供給される。さらに、各燃料電池セル１ａに分配されて、燃料ガス流路１４又は燃料極無触媒流路１７に供給される。そして、燃料極無触媒流路１７に導入された燃料ガスは、酸化剤極側から燃料極無触媒流路１７へ移動した水分子を伴って、燃料無触媒排出マニホールド２６から排出される。

燃料電池１の燃料極無触媒流路１７の下流側には、無触媒出口シャット弁２１４及び無触媒出口三方弁２１９を備える。通常運転時には、無触媒出口シャット弁２１４を開に設定する。無触媒出口シャット弁２１４は、燃料極無触媒流路１７内の圧力を調整可能とする。

無触媒出口三方弁２１９は、排出された燃料ガスの状態に応じて開放する方向を切り替える。例えば、燃料極無触媒流路１７中の燃料ガスの窒素濃度が十分に低い場合には、無触媒出口三方弁２１９を循環路２１６側に設定し、燃料ガスを再度燃料電池１に供給する。燃料ガス中の窒素濃度が所定より高くなった場合には、発電効率が低下するのを避けるために、無触媒出口三方弁２１９を排気触媒２３１側に設定し、燃料極無触媒流路１７内をパージする。パージされた排燃料ガスは、排気触媒２３１において、酸化剤ガス流路１３から排出された排空気を用いて燃焼処理されてから、燃料電池システム外部に排出される。

次に、燃料電池システム運転時の制御方法について図１１のフローチャートを用いて説明する。なお、ここでは、運転時の高分子電解質膜１０の劣化を抑制するための制御方法についてのみ説明する。

通常運転時には、シャット弁２２２、２２３、２１２を開とし、シャット弁２１３、２１４を閉とする。また、燃料出口三方弁２１５は、燃料電池１から排出される燃料ガスの状態に応じて、循環路２１６側又は排気触媒２３１側に開とする。これによって、燃料極側では、前述の（３）式に示す反応が生じる。

一方、コンプレッサ２２１により導入した空気は、開に設定した酸化剤入口シャット弁２２２を介して酸化剤ガス流路１３に供給される。これによって、酸化剤極側では、（４）式に示す反応が生じる。

このように、酸化剤極側で（４）式に示す反応が生じている間、酸化剤ガス流路１３に備えた湿度センサ２７において、反応によって生成された水分の量を計測する。

そして、ステップＳ１１において、湿度センサ２７によって計測された酸化剤ガス流路１３内の相対湿度が８０％以上であるか否かを判断する。このとき、相対湿度が８０％より小さい場合は、ステップＳ１１の処理を繰り返し実行する。

一方、相対湿度が８０％以上の場合は、ステップＳ１２において、無触媒入口シャット弁２１３、無触媒出口シャット弁２１４及び無触媒出口三方弁２１９を開とする。これにより、燃料ガスボンベ２１１から供給される燃料ガスが、燃料極無触媒流路１７へ導入され、さらに、無触媒出口シャット弁２１４を介して燃料電池１の外へ排出される。このとき、無触媒出口三方弁２１９は、燃料電池１から排出される燃料ガスの状態に応じて、循環路２１６側又は排気触媒２３１側に開とする。

このように、燃料極無触媒流路１７へ燃料ガスを導入することによって、酸化剤電極層１１から移動してきた水分子を、ガス排出口へパージすることができる。そして、酸化剤ガス流路１３内の湿度を低下させることができる。ただし、燃料極無触媒流路１７へ燃料ガスを導入するのみで、酸化剤ガス流路１３内の湿度を十分に低下させることができるのは、燃料極無触媒流路１７の面積を広くとった場合や、酸化剤ガス流路１３の湿度が低い場合（８０％を僅かに上回る程度の湿度の場合）である。

次に、ステップＳ１３において、予め設定しておいた所定時間Ｔ２が経過したか否かを判断する。この所定時間Ｔ２は、例えば、燃料極無触媒流路１７へ燃料ガスを導入することによって、酸化剤ガス流路１３内の湿度が十分に低下するのに必要な時間とする。そして、時間Ｔ２が経過するまでこの状態を維持し、経過したらステップＳ１４に進む。

次に、ステップＳ１４において、湿度センサ２７によって計測された酸化剤ガス流路１３内の相対湿度が８０％以上であるか否かを判断する。このとき、相対湿度が８０％より小さい場合は、ステップＳ１１へ戻る。

一方、相対湿度が８０％以上の場合は、ステップＳ１５において、酸化剤出口シャット弁２２３を閉じる。そして、コンプレッサ２２１から酸化剤ガス流路１３へ酸化剤ガスを継続して供給する。これにより、閉塞された酸化剤ガス流路１３内に酸化剤ガスが滞留している状態となる。さらに、酸化剤ガス流路１３内部の圧力を、燃料電極層１２及び燃料ガス流路１４内の圧力より大きくする。これにより、水分子が高分子電解質膜１０を透過して、酸化剤ガス流路１３から燃料ガス流路１４及び燃料極無触媒流路１７に移動する。

次に、ステップＳ１６において、予め設定しておいた所定時間Ｔ３が経過したか否かを判断する。この所定時間Ｔ３は、例えば、酸化剤出口シャット弁を閉じることによって、酸化剤ガス流路１３内の湿度が十分に低下するのに必要な時間とする。そして、時間Ｔ３が経過するまでこの状態を維持し、経過したらステップＳ１７に進む。

次に、ステップＳ１７において、酸化剤出口シャット弁２２３を開く。これにより、酸化剤ガス流路１３から燃料電池１の外への酸化剤ガスの排出が再開され、酸化剤ガス流路１３内は、ほぼ大気圧程度となる。

そして、ステップＳ１８において、無触媒入口シャット弁２１３、無触媒出口シャット弁２１４及び無触媒出口三方弁２１９を閉じる。これにより、燃料ガスタンク２１１から燃料極無触媒流路１７への燃料ガスの供給を停止される。

なお、高分子電解質膜１０に劣化が生じる湿度は、高分子電解質膜１０の性質や性能によって異なり、また、湿度センサ２７を設置する位置によっても異なる。したがって、高分子電解質膜の劣化を抑制するための閾値となる相対湿度は、８０％以上に限られない。

次に、運転時の燃料電池１の酸化剤ガス流路１３内の湿度変化について図１２を用いて説明する。

図１２において、縦軸は酸化剤ガス流路１３内の相対湿度を示す。横軸は、酸化剤供給マニホールド２１（入口）から酸化剤排出マニホールド２２（出口）の位置的変化を示す。横軸の略中央には、燃料電池１００ａ内に設けた湿度センサ２７が配置される位置を示す。

線Ａは、相対湿度が１００％の状態を示す。線Ａより上に示す領域では、反応により生じた水分が凝縮水として発生する。

線Ｂは、通常運転状態における酸化剤ガス流路１３内の、酸化剤供給マニホールド２１から酸化剤排出マニホールド２２までの湿度変化を示す。酸化剤ガス流路１３では、入口側では湿度は低く、出口側に進むにつれて、反応により生じた水分によって湿度が高くなる。よって、線Ｂが線Ａを越えた位置から下流の領域は、高加湿状態と判断することができる。

点ａは、線Ｂで示す相対湿度が８０％を越えた時点を示す。また、線Ｃは、点ａの時点で、図１１に示す制御運転を実行した場合の湿度変化を示す。このように、点ａの時点で制御運転を行うことにより、酸化剤ガス流路１３内の湿度上昇が抑制され、高分子電解質膜１０が長時間高加湿状態に晒されるのを防止することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

酸化剤ガス流路１３、燃料ガス流路１４又は燃料極無触媒流路１７の少なくともいずれか一つに湿度センサ２７（湿度計測手段）を設け、発電時において、湿度センサ２７によって計測された湿度が所定の値以上の場合は、燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを供給し、湿度センサ２７によって計測された湿度が所定の値より小さい場合は、燃料極無触媒流路１７に燃料ガスを供給しない。

これにより、高分子電解質膜１０を透過して酸化剤極側から燃料極無触媒流路１７へ移動した余分な水分がパージされ、酸化剤極側の湿度上昇を抑制できる。その結果、高分子電解質膜１０を高加湿状態下に晒すことを防止して、高分子電解質膜１０の劣化を抑制しつつ、運転することができる。

また、燃料極無触媒流路１７への燃料ガスの供給時に、酸化剤ガス流路１３への酸化剤ガスの供給圧力を上げる。

これにより、酸化剤ガス流路１３内部の圧力が燃料極無触媒流路１７内部の圧力よりも大きくなるため、酸化剤側の余分な水分が高分子電解質膜１０を透過して酸化剤極側から燃料極側へ効率よく移動する。

次に、第４の実施形態について説明する。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第３の実施の形態では、酸化剤ガス流路１３の出口弁としてシャット弁を用いたが、第４の実施の形態では、調圧弁を用いる。以後、酸化剤ガス流路１３の出口弁を、酸化剤出口調圧弁２２３とする。

本実施形態では、図１３に示すように、酸化剤出口調圧弁２２３の上流側に圧力測定手段２４０を備える。圧力測定手段２４０は、酸化剤出口調圧弁２２３の上流位置の酸化剤ガス圧力を計測する。そして、圧力測定手段２４０は、計測した圧力をデジタル信号に変換して、燃料電池システムに備えられたコントローラ２４１へ出力する。コントローラ２４１は、圧力測定手段２４０から出力された信号に基づいて、酸化剤出口調圧弁２２３の開度を制御する。

なお、図１３に示す燃料電池システムの構成において、図１０に示す燃料電池システムの構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム運転時の制御方法について図１４のフローチャートを用いて説明する。

通常運時には、シャット弁２２２、２１２及び調圧弁２２３を開とし、シャット弁２１３、２１４を閉とする。また、燃料出口三方弁２１５は、燃料電池１から排出される燃料ガスの状態に応じて、循環路２１６側又は排気触媒２３１側に開とする。一方、コンプレッサ２２１により導入した空気は、開に設定した酸化剤入口シャット弁２２２を介して酸化剤ガス流路１３に供給される。

図１４のステップＳ２１〜Ｓ２４は、図１１のステップＳ１１〜Ｓ１４とそれぞれ同一の内容の処理であるため、その説明を省略する。

ステップＳ２４において、相対湿度が８０％以上の場合、ステップＳ２５において、酸化剤出口調圧弁２２３の開度を絞って圧力を調整する。このとき、コントローラ２４１は、圧力測定手段２４０によって計測された圧力に基づいて酸化剤出口調圧弁２２３の開度を制御し、酸化剤出口調圧弁２２３から排出される酸化剤ガスを所定の圧力（例えば、１５０ｋＰａ）に維持する。なお、酸化剤出口調圧弁２２３の圧力は、高分子電解質膜の水透過性や発電条件等によって適正値が異なるため、１５０ｋＰａに限られない。

そして、コンプレッサ２２１から酸化剤ガス流路１３へ酸化剤ガスを継続して供給する。このように、酸化剤出口調圧弁２２３の開度を絞ることによって、水分子が高分子電解質膜１０を透過して、酸化剤ガス流路１３から燃料ガス流路１４及び燃料極無触媒流路１７に移動する。また、酸化剤出口調圧弁２２３の開度を制御することによって、酸化剤ガス流路１３から燃料ガス流路１４及び燃料極無触媒流路１７に移動する水分子の量を制御することができる。

次に、ステップＳ２６において、予め設定しておいた所定時間Ｔ４が経過したか否かを判断する。この所定時間Ｔ４は、例えば、酸化剤ガス流路１３へ酸化剤ガスを導入することによって、酸化剤ガス流路１３内の湿度が十分に低下するのに必要な時間とする。そして、時間Ｔ４が経過するまでこの状態を維持し、経過したらステップＳ２７に進む。

次に、ステップＳ２７において、湿度センサ２７によって計測された酸化剤ガス流路１３内の相対湿度が８０％以上であるか否かを判断する。

一方、相対湿度が８０％以上の場合は、ステップＳ２５に戻って、酸化剤出口調圧弁２２３の開度を制御して、酸化剤ガス流路１３内の酸化剤ガスの圧力を制御する。このように、酸化剤出口調圧弁２２３の開度を徐々に絞ることによって、酸化剤ガス流路１３内の圧力を制御して、相対湿度が８０％以下になるまでステップＳ２５〜Ｓ２７の処理を繰り返し継続する。

そして、ステップＳ２７において相対湿度が８０％より小さくなった場合は、ステップＳ２８へ進み、酸化剤出口調圧弁２２３を開く。これによって、酸化剤ガス流路１３から燃料電池１の外への酸化剤ガスの排出が再開され、酸化剤ガス流路１３内は、ほぼ大気圧程度となる。

そして、ステップＳ２９において、無触媒入口シャット弁２１３、無触媒出口シャット弁２１４及び無触媒出口三方弁２１９を閉じる。これにより、燃料ガスタンク２１１から燃料極無触媒流路１７への燃料ガスの供給が停止される。

なお、高分子電解質膜１０に劣化が生じる湿度は、高分子電解質膜１０の性質や性能によって異なり、また、湿度センサ２７を設置する位置によっても異なる。したがって、高分子電解質膜の劣化を抑制するための閾値となる相対湿度は、８０％以上に限られない。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第３の実施形態と異なる効果のみを説明する。

酸化剤ガス流路１３の出口弁として、調圧弁を用いる。これにより、酸化剤ガス流路１３を所望の湿度に調整することができ、高分子電解質膜１０の性能の劣化を抑制することができる。

次に、第５の実施形態について説明する。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

前述の図８（ａ）では、酸化剤ガス流路１３の略中央部に一つの湿度センサ２７を設けた。この場合、図１２に示すように、湿度センサ２７によって所定の値（相対湿度８０％）が計測された時点（点ａ）で制御運転を実行する。しかし、所定時間が経過して制御運転を停止すると、酸化剤ガス流路１３内部の点ａより下流側では再び高加湿状態となる。つまり、酸化剤ガス流路１３の出口付近の高分子電解質膜１０の劣化を的確に防止することができず、燃料電池セル１ａの性能を劣化させる原因となる。

そこで本実施形態は、燃料電池セル１ａを以下のように構成する。

燃料電池セル１ａの構成を図１５に示す。酸化剤ガスセパレータ１５の平面図を図１５（ａ）に、燃料ガスセパレータ１６の平面図を図１５（ｂ）に、Ｆ−Ｆ方向の断面図を図１５（ｃ）に示す。なお、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すＤ−Ｄ方向の断面図は図９（ａ）に示す断面図と同一であるため、省略する。

酸化剤ガス流路１３を構成する流路のうち最も外側に形成された一の流路に、湿度計測手段として湿度センサ２７ａを備え、湿度センサ２７ａの下流に湿度センサ２７ｂを備える。湿度センサ２７ａ、２７ｂは、酸化剤供給マニホールド２１と酸化剤排出マニホールド２２との間を略三等分する位置にそれぞれ設ける。なお、ここでは二つの湿度センサ２７ａ及び２７ｂを設けるが、三つ以上の湿度センサを設けてもよい。

一方、図１５（ｂ）に示すように、燃料ガスセパレータ１６には、三段の流路１４ａ、１４ｂ、１４ｃよりなる燃料ガス流路１４を構成する。燃料ガス流路１４ａ、１４ｂ、１４ｃを、対峙する酸化剤ガス流路１３の上流側からそれぞれ流路１４ａ、１４ｂ、１４ｃの順に構成する。そして、燃料ガス流路１４ａ、１４ｂ、１４ｃの一端を、燃料供給マニホールド２３ａ、２３ｂ、２３ｃに、もう一端を燃料排出マニホールド２４ａ、２４ｂ、２４ｃにそれぞれ連通する。なお、ここでは燃料ガス流路１４を蛇行形状に構成するが、この限りではない。また、ここでは燃料ガス流路１４を酸化剤ガス流路１３と略直交するように構成するが、組み立て時に酸化剤ガス流路１３と重なる位置に構成してもよい。

燃料ガス流路１４ａ、１４ｂの間に、燃料極無触媒流路１７ａを構成する。また、燃料極無触媒流路１７ａの下流であって、燃料ガス流路１４ｂ、１４ｃの間に、燃料極無触媒流路１７ｂを構成する。燃料ガス流路１４ａ、１４ｂ、１４ｃと燃料極無触媒流路１７ａ、１７ｂとは、互いに連通しないように構成する。燃料極無触媒流路１７ａ、１７ｂを、燃料ガスセパレータ１６の表面に貫通するように形成した溝により構成する。燃料極無触媒流路１７ａ、１７ｂの一端を燃料無触媒供給マニホールド２５ａ、２５ｂに、もう一端を燃料無触媒排出マニホールド２６ａ、２６ｂにそれぞれ連通する。燃料無触媒供給マニホールド２５ａ、２５ｂ、燃料無触媒排出マニホールド２６ａ、２５ｂは、各燃料電池セル１ａの燃料極無触媒流路１７ａ、１７ｂに燃料ガスを供給または排出するように、燃料電池１を構成する燃料電池セル１ａの積層方向に連続した流路とする。なお、ここでは二つの燃料極無触媒流路１７ａ及び１７ｂを設けるが、三つ以上の燃料極無触媒流路を設けてもよい。

燃料電池１の組み立て時には、燃料極無触媒流路１７ａ、１７ｂと酸化剤ガス流路１３とが略直交するように構成する。これにより、酸化剤ガス流路１３の一部が、燃料極無触媒流路１７ａ、１７ｂと重なるように構成される。

また、燃料電池１の組み立て時には、酸化剤ガス流路１３に備えた湿度センサ２７ａ、２７ｂが、燃料極無触媒流路１７ａ、１７ｂと重なるように構成する。このように構成することで、湿度センサ２７ａ、２７ｂが酸化剤ガス流路１３の高加湿状態を検出した場合に、当該検出した箇所と対応する位置に燃料極無触媒流路１７ａ、１７ｂが設けられているため、酸化剤ガス流路１３内部の湿度を的確に抑制することができる。

ただし、湿度センサ２７ａ、２７ｂは、燃料極無触媒流路１７ａ、１７ｂと重ならない位置に設置してもよい。また、湿度センサ２７ａ、２７ｂは、酸化剤ガス流路１３の湿度を計測できれば、燃料ガス流路１４ａ、１４ｂ、１４ｃ又は燃料極無触媒流路１７ａ、１７ｂに設置してもよい。

なお、燃料極無触媒流路１７ａ、１７ｂへは、それぞれ別の供給口を設けて燃料ガスタンク２１１から燃料ガスを導入してもよく、また、燃料ガスタンク２１１から燃料極無触媒流路１７ａへ導入した燃料ガスを燃料極無触媒流路１７ｂへ供給するように構成してもよい。

このように構成した酸化剤ガスセパレータ１５、燃料ガスセパレータ１６と、高分子電解質膜１０、酸化剤電極層１１、燃料電極層１２を積層することにより、図１５（ｃ）に示すような燃料電池セル１ａを構成する。

次に、本実施形態の運転時の燃料電池１の酸化剤ガス流路１３内の湿度変化について図１６を用いて説明する。

図１６において、点ｂ１は、相対湿度が８０％を越えた時点を示す。また、線Ｃは、点ｂ１の時点で、図１１に示す制御運転を実行した場合の湿度変化を示す。このように、点ｂ１の時点で制御運転を行うことにより、酸化剤ガス流路１３内の湿度上昇が抑制され、高分子電解質膜１０が長時間高加湿状態に晒されるのを防止することができる。

点ｂ１の時点において制御運転が実行され、いったん湿度の上昇が抑制された酸化剤ガス流路１３内部は、点ｂ１よりさらに下流に進むにつれて、酸化剤電極層１１における（４）式に示す反応により水が生じる。また、燃料極側からの水分子の移動によって、線Ｃで示すように出口側では再び湿度が上昇し、相対湿度が１００％を越えて高加湿状態となる。

点ｂ２は、湿度センサ２７ｂによって相対湿度が８０％を越えたことが検出された時点である。また、線Ｄは、点ｂ２の時点で、図１１に示す制御運転を実行した場合の湿度変化を示す。このように、点ｂ２の時点で制御運転を行うことにより、酸化剤ガス流路１３の出口側においても湿度の上昇が抑制することができる。つまり、燃料電池セル１ａに複数の燃料極無触媒流路１７を設けることによって、酸化剤ガス流路１３の出口に至るまで、酸化剤ガス流路１３全体の湿度上昇を抑制することができる。

なお、本実施形態においても、酸化剤ガス流路１３の出口弁として、シャット弁に代えて調圧弁を用いてもよい。その場合、燃料電池システム運転時には、図１４に示す制御方法を行う。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

燃料電池セル１ａに、燃料ガス流路１４と燃料極無触媒流路１７とをそれぞれ複数備える。これにより、酸化剤ガス流路１３の全面にわたって湿度の上昇を抑制することができ、高分子電解質膜１０の性能の劣化を抑制することができる。

なお、燃料ガスや酸化剤ガスの流通方向、流路形状等は、上述したものに限らない。

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることは言うまでもない。

本発明は、燃料電池および燃料電池システムに適用することができる。

固体高分子型燃料電池セルの構成の例を示す図である。 酸化剤電極層の劣化が生じる際の状態を示す図である。 第１の実施形態に用いるセパレータの構成図である。 第１の実施形態に用いる燃料電池セルの断面図である。 第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。 第１の実施形態における酸化剤電極層の劣化抑制の制御を示すフローチャートである。 第２の実施形態に用いる燃料電池セルの構成図である。 第３の実施形態に用いる燃料電位セルの構成図である。 第３の実施形態に用いる燃料電位セルの断面図である。 第３の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。 第３の実施形態に用いる酸化剤電極層の湿度調整の制御を示すフローチャートである。 第３の実施形態に用いる酸化剤極側の湿度変化を示す説明図である。 第４の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。 第４の実施形態に用いる酸化剤電極層の湿度調整の制御を示すフローチャートである。 第５の実施形態に用いる燃料電池セルの構成図である。 第５の実施形態に用いる酸化剤極側の湿度変化を示す説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池
１ａ 燃料電池セル
１０ 高分子電解質膜（固体高分子電解質膜）
１１ 酸化剤電極層（酸化剤極）
１２ 燃料電極層（燃料極）
１３ 酸化剤ガス流路（第一酸化剤ガス流路）
１４ 燃料ガス流路（第一燃料ガス流路）
１５ 酸化剤ガスセパレータ
１６ 燃料ガスセパレータ
１７ 燃料極無触媒流路（第二燃料ガス流路）
１８ 酸化剤極無触媒流路（第二酸化剤ガス流路）
２７ 湿度センサ

Claims (10)

1. 水素透過性を有する固体高分子電解質膜と、
   前記固体高分子電解質膜の一方の面を被覆する酸化剤極と、
   前記酸化剤極との間に第一酸化剤ガス流路を有する酸化剤ガスセパレータと、
   前記固体高分子電解質膜のもう一方の面を、一部を除いて被覆する燃料極と、
   前記燃料極との間に第一燃料ガス流路を有する燃料ガスセパレータと、
   前記固体高分子電解質膜の前記燃料極に被覆されない部分に沿って、前記燃料極および前記第一燃料ガス流路と隔離して形成された第二燃料ガス流路と、を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 前記第二燃料ガス流路を、前記固体高分子電解質膜に沿って、反応面の中央付近を貫通するように構成する請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
3. 前記第二燃料ガス流路を、反応領域の外側に設ける請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
4. 前記第二燃料ガス流路を、反応領域の外周に沿って設ける請求項３に記載の固体高分子型燃料電池。
5. 前記第二燃料ガス流路の一部が、前記固体高分子電解質膜を介して前記第一酸化剤ガス流路の一部に重なるように構成する請求項１から４のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
6. 前記固体高分子電解質膜の前記酸化剤極が接触している側の面の、前記第二燃料ガス流路に重なる領域の少なくとも一部に、前記酸化剤極および前記第一酸化剤ガス流路の少なくとも一方に連通する第二酸化剤ガス流路を備える請求項１から４のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
7. 前記第一燃料ガス流路と前記第二燃料ガス流路とをそれぞれ複数備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
8. 請求項１から７のいずれか一つの固体高分子型燃料電池を備え、
   起動時に、前記第二燃料ガス流路に燃料ガスを供給し、その後、前記第一燃料ガス流路に燃料ガスを、前記第一酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１から７のいずれか一つの固体高分子型燃料電池を備え、
   前記第一酸化剤ガス流路、前記第一燃料ガス流路又は前記第二燃料ガス流路の少なくともいずれか一つに湿度計測手段を備え、
   発電時において、前記湿度計測手段によって計測された湿度が所定の値以上の場合は、前記第二燃料ガス流路に燃料ガスを供給し、
   前記湿度計測手段によって計測された湿度が所定の値より小さい場合は、前記第二燃料ガス流路に燃料ガスを供給しないことを特徴とする燃料電池システム。
10. 前記第二燃料ガス流路への燃料ガスの供給時に、前記第一酸化剤ガス流路への酸化剤ガスの供給圧力を上げることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。