JP2005347218A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において、セル電圧低下または発電量の減少をいち早く、かつ、高精度で検知する技術を提供する。
【解決手段】燃料電池において、燃料ガスを反応させて発電するセル１０を１以上含む燃料電池本体１と、上記セル１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段５と、上記セル１０から外部に排出される排出ガスのガス量を調整する排出ガス調整手段７と、上記セル１０の入口部から出口部に向かって燃料ガスの流路を構成しセル内に燃料ガスを供給するセル燃料ガス通路１２Ａ１と、上記燃料電池内の少なくとも１つのセル１０Ａにおいて上記セル燃料ガス通路１２Ａ１上でセル入口側に近い所定位置に対応する上記セル１０Ａ上の第１基準点の電位ＶＡとセル出口側に近い所定位置に対応する上記セル上の第２基準点の電位ＶＢとの電位差を検出する電位差検出手段１４Ａ１、１４Ａ２、３と、上記電位差検出手段により検出された電位差が所定の範囲にないときに上記排出ガス調整手段７により排出ガスを燃料電池本体１外部に排出する排出ガス制御手段３とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、電解質膜、電解質膜を挟んで形成される２つの触媒層、および２つの触媒層の外側に形成される一対の拡散層を有している。燃料電池では、一方の拡散層には、水素を含む燃料ガスが供給され、他方の拡散層には、酸素を含む酸化剤ガスが供給される。燃料ガスが供給される拡散層は、水素極と呼ばれ、酸化剤ガスが供給される拡散層は空気極と呼ばれる。

水素極に供給された水素は、触媒層を拡散し、触媒層においてプロトンと電子に分離される。プロトンは、水分子とともに電解質膜を通って空気極側の触媒層に移動する。

一方、空気極に供給された酸素は、触媒層を拡散する。そして、空気極側の触媒層において、プロトン、電子、および酸素が反応して水が生成される。このとき、空気極と水素極とを外部回路（例えば、導体）で接続すると、水素極から空気極に電子が移動し、上記のプロトンとの反応に消費される。

燃料電池において、発電量を増加するには、空気極と水素極のそれぞれに発電量に応じた酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給する必要がある。そして、酸化剤ガスとしては、一般的には、空気が使用される。

しかし、空気は、酸素と窒素を含んでいる。窒素は、空気極側の反応には使用されないため、空気極側の空間に滞留するとともに、拡散層および電解質膜を拡散して水素極側まで透過する。また、空気極側では、プロトンと電子と酸素の反応により水が生成される。この空気極側の生成水も、拡散層および電解質膜を拡散して水素極側まで透過する。このため、燃料電池を長時間運転すると、燃料電池内の水素極側の空間において、水素以外の窒素、水蒸気等の不純物濃度が増加する。

水素極側で水素以外の不純物濃度が増加すると、水素極に水素を供給しても水素濃度が増加せず、発電量を増加できない状態となる。そのため、従来の固体高分子形の燃料電池では、水素極側で反応後の燃料ガス（以下、燃料オフガスという）を排出するため、水素極の燃料ガスの流路下流側に排出弁が設けられている。

この排出弁は、例えば、燃料電池の始動時に開弁され、水素極側の不純物を排出させ、水素極側の水素濃度を高めるために使用される。また、燃料電池の始動後は、排出弁は、所定のシーケンスにしたがって、開閉され、水素極側の不純物を排出し、発電量を維持している。

このような燃料電池の排出弁の制御においては、燃料電池内の水素濃度を測定し、または、発電量に基づいて水素極側の水素濃度を推定し、その水素濃度が所定値以下になると排出バルブを開弁する、というものが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池システムにおいて、最も早く電圧低下を生じるセルの電圧のみを検知する技術も提案されている（特許文献２参照）。さらに、この技術では、いち早くセル電圧の低下発生したことを検出するため、セル内部のガス経路の出口側に近い領域で電圧を検出ことが提案されている。

また、燃料電池のセル断面の電流分布を利用して反応ガスの供給量を制御する技術も提案されている（特許文献３参照）。すなわち、この技術では、電流分布を基準電流の許容範囲と比較することにより、燃料ガス、酸化剤ガス、負荷電流の不足・過剰を判断する。

また、上下方向にセルが積層された積層体の上端部および下端部近傍に他のセルに比べて空気流量の減少に伴う発電電圧の低下が大きいセルを配し、そのセルの電圧を測定することで水素濃度を制御する技術も提案されている（特許文献４参照）。
特開２００２−８６９１号公報 特開２００２−３１３３９６号公報 特開平９−２５９９１３号公報 特開平１０−１０６６０２号公報 特開２０００−３１１６９６号公報

しかし、上記従来の技術では、セル電圧低下または発電量の減少を高精度で検出することに対する配慮がなかった。また、上記従来の技術では、早期に電圧低下または発電量の減少を検知するための具体的構成は示されていない。

本発明の目的は、燃料電池において、セル電圧低下または発電量の減少をいち早く、かつ、高精度で検知する技術を提供することにある。

本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、燃料電池において、燃料ガスを反応させて発電するセルを１以上含む燃料電池本体と、上記セルに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、上記セルから外部に排出される排出ガスのガス量を調整する排出ガス調整手段と、上記セルの入口部から出口部に向かって燃料ガスの流路を構成しセル内に燃料ガスを供給するセル燃料ガス通路と、上記燃料電池内の少なくとも１つのセルにおいて上記セル燃料ガス通路上でセル入口側に近い所定位置に対応する上記セル上の第１基準点の電位とセル出口側に近い所定位置に対応する上記セル上の第２基準点の電位との電位差を検出する電位差検出手段と、上記電位差検出手段により検出された電位差が所定の範囲にないときに上記排出ガス調整手段により排出ガスを燃料電池本体外部に排出する排出ガス制御手段とを備えたことを特徴とする。

この燃料電池は、セル燃料ガス通路上でセル入口側に近い所定位置に対応する上記セル上の第１基準点の電位とセル出口側に近い所定位置に対応する上記セル上の第２基準点の電位との電位差を検出するので、セル燃料ガス通路方向の発電量の偏りを検出する。発電量は、燃料ガス濃度に依存する傾向があるので、この燃料電池は、セル燃料ガス通路方向の燃料ガス濃度の偏り、特に、セル出口側に近い位置での燃料ガスの不足を正確かつ早期に検出できる。したがって、本燃料電池によれば、いち早く燃料ガスの濃度の低下を検出し、適切な時期に排出ガスを排出できる。また、本燃料電池は、セルの入口側と出口側との電位差を検出するので、電位差測定に際して、燃料電池の負荷による影響を低減することができる。

上記燃料電池において、上記電位差検出手段により電位差が検出されるセルのセル燃料ガス通路の断面積の少なくとも一部が電位差を検出されないセルのセル燃料ガス通路に比べて小さくなるように構成してもよい。

このような構成とすることで、電位差が検出されるセルでは、セル燃料ガス通路の容積が小さくなり、燃料ガスが供給された当初に存在する燃料、例えば、水素の量が、少なくとも狭くなっている部分においては、他のセルより少ない。したがって、電位差が検出されるセルでは、少なくともその狭くなっている部分においては、発電に伴って燃料が早期に消費されやすい。また、電位差が検出されるセルでは、燃料ガス以外の不純部が拡散してきた場合に、燃料ガスの密度が低下しやすい。したがって、このようなセルの電位差を測定することで、燃料ガスの不足または燃料ガス以外の不純物の増加に伴う発電量の減少を他のセルより早期に検知できる。なお、電位差が検出されるセルにおいて、その一部ではなくセル燃料ガス通路の全体を狭くしてもよい。

上記燃料電池において、上記電位差検出手段により電位差が検出されるセルでは、セル燃料ガス通路の上記第２基準点に対応する所定位置近傍の断面積が、当該セル燃料ガス通路の他の部分と比較して小さくなるように構成してもよい。

このような構成とすることで、電位差が検出されるセルでは、セル燃料ガス通路の第２基準点に対応する所定位置付近の空間が狭くなり、容積が小さくなる。そのため、その部分では、燃料ガスが供給された当初に存在する燃料、例えば、水素の量が他の部分に比較して少ない。したがって、その狭くなっている部分においては、発電に伴って燃料が早期に消費されやすい。また、燃料ガス以外の不純部が拡散してきた場合に、燃料ガスの密度が低下しやすい。したがって、このようなセルの電位差を測定することで、燃料ガスの不足または燃料ガス以外の不純物の増加に伴う発電量の減少をいち早く検知できる。

上記燃料電池において、さらに、上記燃料電池本体を両側面から挟み込むエンドプレートを備え、上記電位差検出手段により電位差が検出されるセルが上記エンドプレートに隣接したセルとなるように構成してもよい。

このような構成にすることで、電位差検出手段または電位差検出手段に接続される端子、電極等の部分をエンドプレートに設けることができる。したがって、装置の構成が簡単になり、電位差検出手段の燃料電池への搭載性が向上する。また、装置の組み立て容易性が向上する。

また、本発明は、燃料電池において、酸化剤ガスを供給されるカソード側電極と燃料ガスを供給されるアノード側電極とを有し酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電するセルを１以上含む燃料電池本体と、上記セルに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、上記セルから外部に排出される排出ガスのガス量を調整する排出ガス調整手段と、上記セルの入口部から出口部に向かって燃料ガスの流路を構成しセル内に燃料ガスを供給するセル燃料ガス通路と、上記燃料電池本体または上記燃料電池本体に含まれる少なくとも１つのセル上で、上記セル燃料ガス通路の上流側の所定位置に対応する第１基準点において上記カソード側電極とアノード側電極との電位差である第１電圧を測定する第１電圧測定手段と、上記燃料電池本体または上記燃料電池本体に含まれる少なくとも１つの上記セル上で、上記セル燃料ガス通路の下流側の所定位置に対応する第２基準点において上記カソード側電極とアノード側電極との電位差である第２電圧を測定する第２電圧測定手段と、上記第１電圧と第２電圧との差分よって上記第１基準点と第２基準点との電位差を検出する電位差検出手段と、上記電位差検出手段により検出された電位差が所定の範囲にないときに上記排出ガス調整手段により排出ガスを燃料電池本体外部に排出する排出ガス制御手段とを備えたことを特徴とする。

この燃料電池は、セル燃料ガス通路の上流側の所定位置に対応する第１基準点における上記カソード側電極とアノード側電極との電位差と、下流側の所定位置に対応する第２基準点における上記カソード側電極とアノード側電極との電位差とを測定し、この２つの電位差の差分により第１基準点と第２基準点との電位差を検出する。したがって、カソード側電極とアノード側電極との電位差を２つの位置で測定することで、セル燃料ガス通路内での燃料ガスの不足をいち早くでき、適切な時期に排出ガスを排出できる。また、本燃料電池は、セル燃料ガス通路の上流側と下流側との電位差を検出するので、電位差測定に際して、燃料電池の負荷による影響を低減することができる。

好ましくは、上記燃料電池において、上記第１基準点と第２基準点とは上記セルが有する電極上で絶縁して構成される。第１基準点と第２基準点とがセルを構成する電極上で絶縁されているので、セル燃料ガス通路の上流側の所定位置と下流側の所定位置との電位差を的確に測定することができる。

本発明によれば、燃料電池において、セル電圧低下または発電量の減少をいち早く、かつ、高精度で検知することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。

＜第１実施形態＞
図１に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池の構成図を示す。この燃料電池は、燃料電池本体１と、燃料電池本体１に燃料ガスである水素を供給する燃料タンク５と、燃料電池本体１からの燃料オフガスの排気を制御する排出弁７と、燃料電池を制御するＥＣＵ（電子制御装置）３とを有している。なお、図１では、燃料電池に酸化剤ガスを供給し、排出する酸化剤ガス系の配管および装置、燃料電池本体１を冷却する冷媒系の配管および装置等は省略されている。

燃料電池本体１は、膜−電極接合体１１（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１２とを含むセル１０を直列に接続し、複数階層に積層した積層体（セルスタックと呼ばれる）から構成される。

燃料電池本体１は、セル１０からなる積層体の両側に、一対の集電板１４Ａ、１４Ｂを有している。さらに、集電板１４Ａ、１４Ｂの両側には、一対のエンドプレート１５Ａ、１５Ｂが設けられている。エンドプレート１５Ａ、１５Ｂ間の集電板１４Ａ、１４Ｂおよび積層体は締め具９によって両側から押圧され、一体化して固定されている。

各セル１０は、膜−電極接合体１１と、セパレータ１２とを含む。膜−電極接合体１１は、水素をプロトンと電子に分離する水素極と、水素極で生成されたプロトンを空気極に伝導する電解質膜と、空気極に伝導したプロトンと酸素と外部回路を通じて水素極から伝導した電子により水を生成する空気極とを含む。

セパレータ１２は、水素極セパレータ１２Ａと空気極セパレータ１２Ｂとに区別される。なお、両方を総称して単にセパレータ１２という。水素極セパレータ１２Ａには、セル内の水素極に燃料ガスである水素を供給するための水素通路１２Ａ１が設けられている（図２参照）。

水素は、セル内でこの水素通路１２Ａ１を上流から下流に流れるとともに水素極内を膜方向に拡散し、水素極内の触媒作用でプロトンになり、プロトンは、膜を透過して空気極に移動する。したがって、セル内の水素通路１２Ａ１中、上流から下流に向かって徐徐に水素密度は低下する。

燃料タンク５（本発明の燃料ガス供給手段に相当）は、水素供給経路Ｌ１を介して燃料電池本体１の水素極側（上記セル内の水素通路１２Ａ１）に水素を供給する。燃料タンク５は、水素を高圧状態（１気圧を超える圧力状態）で保持している。

水素供給経路Ｌ１は、燃料電池本体１の入口から各セル１０を貫通する孔部２１Ａに接続される。この孔部２１Ａは、供給された水素を各セル１０において水素極セパレータ１２Ａの水素通路１２Ａ１の入口に導入する。水素通路１２Ａ１に導入された水素は、水素通路１２Ａ１を入口から出口に（上流から下流に）流れる。

各セル１０の水素通路１２Ａ１の出口は、各セル１０を貫通する孔部２１Ｂに接続される。孔部２１Ｂには、各セル１０から排出される燃料オフガスが流入する。孔部２１Ｂは、出口側端部において排出経路Ｌ２に接続される。排出経路Ｌ２には、排出弁７（本発明の排出ガス調整手段に相当）が設けられ、燃料オフガスの排出を制御する。

集電板１４Ａ、１４Ｂは、セパレータ１２に接触し、セル１０の積層体から電力を取り出す。集電板１４Ａは、エンドプレート１５Ａおよび締め具９により積層体端部の水素極セパレータ１２Ａに押圧される。また、集電板１４Ｂは、エンドプレート１５Ｂおよび締め具９により積層体端部の空気極セパレータ１２Ｂに押圧される。なお、図１において、集電板１４Ａに隣接するセル１０を特にセル１０Ａという。

本実施形態では、集電板１４Ａは、水素通路１２Ａ１上の上流側の位置で水素極セパレータ１２Ａの大半の部分に接触する大電極１４Ａ１と、水素通路１２Ａ１上の下流側の位置で水素極セパレータ１２Ａに部分的に接触する小電極１４Ａ２とに分離されている。

図２に、図１の断面１００、１００をＡ矢印方向に見た断面イメージ図を示す。なお、図２の断面イメージ図では、本発明に直接関係のない詳細部品、例えば、締め具９の雄ネジ部分等は省略されている。

図２に示すように、集電板１４Ａは板状であり、断面が略円形状の小電極１４Ａ２と、小電極１４Ａ２を内部に収容する大電極１４Ａ１とからなる。大電極１４Ａ１は、水素極セパレータ１２Ａをほぼ被覆する矩形板状体であり、その内部に筒状の空洞１４Ａ３を有している。小電極１４Ａ２は、略円筒形状であり、空洞１４Ａ３に収容されている。小電極１４Ａ２は、図１に示したエンドプレート１５Ａに保持されており、空洞１４Ａ３中に維持され、水素極セパレータ１２Ａ上の水素通路１２Ａ１下流に対応する部分に接触する。

なお、図２には、集電板１４Ａの背面に隠されている水素極セパレータ１２Ａの構成要素が明示されている。すなわち、水素極セパレータ１２Ａは、空気が導入される孔部２０Ａ、水素が導入される孔部２１Ａおよび冷却水が導入される孔部２２Ａを集電板１４Ａの背面の左側部近傍に有している。また、水素極セパレータ１２Ａは、空気極のガスが排出される孔部２０Ｂ、水素極のガスが排出される孔部２１Ｂおよび冷却水が排出される孔部２２Ｂを集電板１４Ａの背面の右側部近傍に有している。これらの孔部２０Ａ、２１Ａ、および２２Ａは、積層体を貫通して各流体（空気、水素、および冷却水）を各セル１０に導く。また、これらの孔部２０Ｂ、２１Ｂおよび２２Ｂは、積層体を貫通して各流体（空
気極の排出ガス、水素極の排出ガス、および冷却水）を各セル１０から排出する。

さらに、図２では、水素極セパレータ１２Ａの膜−電極接合体１１に接触する面に形成される水素通路１２Ａ１（本発明のセル燃料ガス通路に相当）が点線で示されている。水素通路１２Ａ１は、その入口が孔部２１Ａに接続される。また、水素通路１２Ａ１は、その出口が孔部２１Ｂに接続される。水素は、水素極セパレータ１２Ａと膜−電極接合体１１に挟まれた空間に形成された水素通路１２Ａ１を上流から下流方向（孔部２１Ａから孔部２１Ｂに向う方向）に流れる。

ＥＣＵ３は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を含み、本実施形態の燃料電池の反応を制御する。ＥＣＵ３は、不図示の入出力インターフェースを介して排出弁７の開閉を制御し、燃料電池を構成する各セル１０の水素極側から燃料オフガスを排出する。また、ＥＣＵ３は、不図示の入出力インターフェースを介して集電板１４Ａの大電極１４Ａ１上の所定の位置（以下、第１基準点という）の電位、および小電極１４Ａ２（以下、第２基準点という）の電位を監視する。

ここで、大電極１４Ａ１上の第１基準点の電位は、図２においてＶＡで示される電位である。また、小電極１４Ａ２、すなわち第２基準点の電位は、図２においてＶＢで示される電位である。本実施形態では、ＥＣＵ３内に図示しない電圧センサが内蔵されている。ただし、ＥＣＵ３外部に電圧センサを設け、所定の入力インターフェースを介してＥＣＵ３に検出電圧を入力するようにしてもよい。この例では、大電極１４Ａ１、小電極１４Ａ２、およびＥＣＵ３が本発明の電位差検出手段相当する。

また、第２基準点の位置は、集電板１４Ａの背面に隣接するセル１０Ａにおいて、燃料ガスである水素が通過する水素通路１２Ａ１の出口側に近い小電極１４Ａ２が接触する水素極セパレータ１２Ａ上の位置である。また、第１基準点の位置は、上記水素通路１２Ａ１上で第２基準点より上流側に位置する水素極セパレータ１２Ａ上の所定位置である（上流側とは、水素通路１２Ａ１上で孔部２１Ａの入口に近づく方向をいう）。

ＥＣＵ３は、第１基準点の電位（ＶＡ）と第２基準点の電位（ＶＢ）を監視、その電位差が所定の範囲にあるか否かを判定する。そして、この電位差が所定の範囲から逸脱した場合に、ＥＣＵ３は、排出弁７を開閉し、燃料電池を構成する各セル１０の水素極セパレータ１２内の残留ガスを燃料オフガスとして排出するこの処理を実行するＥＣＵ３が本発明の排出ガス制御手段に相当する。

図３に、ＥＣＵ３が監視する第１基準点の電位（ＶＡ）と第２基準点の電位（ＶＢ）の検出結果の一例を示す。この図は、２つの電位の時間変化を示している。この図において、横軸は経過時間であり、縦軸は、第１基準点および第２基準点で測定された電位を示している。

図３のように、当初（排出弁７から燃料オフガスが排出され、燃料タンク５から水素が各セル１０に供給された後の時点で）、第１基準点の電位（ＶＡ）と第２基準点の電位（ＶＢ）は概ね一致して、時間とともに徐徐に低下する。その後、第２基準点の電位（ＶＢ）が低下する変化量が大きくなり、第１基準点の電位（ＶＡ）と第２基準点の電位（ＶＢ）との電位差が大きくなる。この第１基準点の電位（ＶＡ）と第２基準点の電位（ＶＢ）との電位差が所定範囲を超えると、ＥＣＵ３は、排出弁７を開閉し、各セル１０の水素極セパレータ１２内の残留ガスを燃料オフガスとして排出する（図３で排出弁開閉と示された時刻）。その結果、第２基準点の電位（ＶＢ）が上昇し、第１基準点の電位（ＶＡ）に接近する。

第２基準点の電位（ＶＢ）が上昇するのは、排出弁の開閉により、燃料電池本体１を構成する各セル１０の水素極側において、燃料オフガスが排出されるためである。その結果、小電極１４Ａ２の位置に対応する水素通路１２Ａ１の下流側で窒素、水蒸気等の不純物濃度が低下し、水素の濃度が高くなり、水素極の水素通路１２Ａ１の下流側においても十分な水素が供給されるようになり、第１基準点（ＶＢ）の電位が上昇する。このように、ＥＣＵ３は、集電板１４Ａの小電極１４Ａ２および大電極１４Ａ１の所定の位置の電位を検知し、双方の電位の電位差が所定範囲を超えないように排出弁７の開閉を制御する。

図４に、ＥＣＵ３が実行するの排出弁７の制御処理のフローチャートを示す。この処理では、ＥＣＵ３は、まず、大電極１４Ａ１上の第１基準点の電位（ＶＡ）と、小電極１４Ａ２上の第２基準点の電位（ＶＢ）を測定する（Ｓ１）。次に、ＥＣＵ３は、２つの電位の差が所定値の範囲にあるか否かを判定する（Ｓ２）。

１基準点の電位（ＶＡ）と第２基準点の電位（ＶＢ）との電位差が所定の範囲にある場合、ＥＣＵ３は制御をＳ１に戻し、同様の処理を繰り返す。一方、第１基準点の電位（ＶＡ）と第２基準点の電位（ＶＢ）との電位差が所定の範囲にない場合、ＥＣＵ３は排出弁７を制御し、燃料オフガスの排出量を増加させる（Ｓ３）。その後、ＥＣＵ３は、制御をＳ１に戻す。

以上述べたように、本実施形態の燃料電池によれば、水素極セパレータ１２Ａの水素通路１２Ａ１の下流側に対応する位置で水素極セパレータ１２Ａに接触する小電極１４Ａ２と、上流側に対応する位置で水素極セパレータ１２Ａに接触する大電極１４Ａ１とによって集電板１４Ａを構成する。そして、ＥＣＵ３は、大電極１４Ａ１上の第１基準点の電位（ＶＡ）と、小電極１４Ａ２上の第２基準点の電位（ＶＢ）を測定し、その電位差が所定範囲にない場合に、排出弁７を制御し、燃料オフガスの排出量を増加させる。すなわち、本燃料電池によれば、水素通路１２Ａ１の下流側の位置と、上流側の位置に対応する２点の電位差によって、燃料オフガス排出の必要性を判定する。したがって、水素通路１２Ａ１の上流側と下流側とにおける不純物濃度の影響を的確に反映して排出弁７を制御し、燃料オフガスを排出できる。また、正確に水素の不足を検知し、排出弁７を制御するので、セル内水素の欠乏による発電量の低下を抑制するとともに、排出弁７からの水素の無駄な排出を低減できる。

また、本実施形態の燃料電池によれば、集電板１４Ａに隣接するセル１０の水素極セパレータ１２Ａの電位を大電極１４Ａ１と、小電極１４Ａ２とによって測定する。この構成により、本実施形態の燃料電池は、集電板１４Ａに隣接するセル１０Ａの水素極セパレータ１２Ａの電位を測定するので、装置の構成が簡単になる。

また、上記のような構成とすることで、発電量を検知するセンサと集電板１４Ａとを統合化できる。

なお、上記実施形態では、電位ＶＡが電位ＶＢとの電位差を求めるための基準電位として機能している。このような基準電位の役割を果たす電位としては、必ずしも図２に示したような大電極１４Ａ１の所定位置の電位としなくてもよい。例えば、他のセルの所定箇所の電位を基準電位としてもよい。また、他の複数セルの所定位置の電位を平均したものを電位ＶＡとしてもよい。

また、上記実施形態では、第１基準点の電位（ＶＡ）と、第２基準点の電位（ＶＢ）を測定し、その電位差が所定範囲にない場合に、排出弁７からの燃料オフガスの排出を制御した。しかし、これに代えて、その電位が所定範囲になく水素の不足が推定できたときに、燃料タンク５から燃料電池本体１に供給する水素の量を増加させ、水素濃度を上昇させ
る制御をしてもよい。そのためには、図１に示した燃料タンク５と燃料電池本体１とを接続する水素供給経路Ｌ１上に流量制御弁または調圧弁を設け、上記電位差に応じて、燃料タンク５から供給する水素の量をＥＣＵ３が制御するようにすればよい。例えば、調圧弁を設ける場合には、調圧弁から供給される水素圧力を高くすればよい。

＜第２実施形態＞
図５を参照して本発明の第２実施形態を説明する。上記第１実施形態では、水素極セパレータ１２Ａの水素通路１２Ａ１の下流側に対応する位置で水素極セパレータ１２Ａに接触する小電極１４Ａ２と、上流側に対応する位置で水素極セパレータ１２Ａに接触する大電極１４Ａ１とによって集電板１４Ａを構成し、集電板１４Ａに隣接するセル１０Ａの水素極セパレータ１２Ａの電位を測定した。本実施形態では、この集電板１４Ａに隣接するセル１０Ａが燃料ガス中の不純物の拡散の影響を受けやすい形状とする燃料電池を説明する。他の構成要素および作用は第１実施形態の場合と同様である。そこで、第１実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。また、必要に応じて図１から図４の図面を参照する。

図５に、本発明の第２実施形態に係るセル１０Ａの断面図を示す。図５は、図２の断面イメージ図において、断面１０１、１０１をＢ矢印方向から見た場合の集電板１４Ａに隣接するセル１０の水素極セパレータ１２Ａおよび膜−電極接合体１１部分を示す断面図である。図５に示すように、セル１０Ａは、集電板１４Ａに隣接しており、水素極セパレータ１２Ａと膜−電極接合体１１とを含んでいる。また、水素極セパレータ１２Ａは、膜−電極接合体１１側に水素通路１２Ａ１を構成している。この水素通路１２Ａ１には、孔部２１Ａにつながる左側の入口２０から燃料ガスである水素が供給される。また、水素通路１２Ａ１内の燃料オフガスは、右側の出口２１から孔部２１Ｂに排出される。

この燃料電池の特徴は、水素通路１２Ａ１の下流側部分（出口２１に近い部分）が上流部分に比較して狭くなっている点にある。この下流部分に対応する集電板１４Ａの位置には、小電極１４Ａ２が構成される。すなわち、小電極１４Ａ２によって水素極セパレータ１２Ａの電位を測定する位置に対応する水素通路１２Ａ１の下流側部分の断面積が小さくなっている。その結果、水素通路１２Ａ１の下流側部分の空間の容積は小さい。

このような構成にすることで、水素供給当初において下流部分に含まれる水素の量が、上流部分に比較して少なくなる。したがって、燃料電池の反応にしたがって、水素が消費された場合、水素通路１２Ａ１の下流部分では上流部分に比較して、水素が早期に消費される。

また、窒素、水蒸気等の不純物が空気極側から膜−電極接合体１１を透過して水素極側の水素通路１２Ａ１に拡散した場合、下流部分の容積が少なく、下流部分に存在する水素量が少ないので、上流部分に比較して不純物濃度の影響を受けやすい。すなわち、膜−電極接合体１１を透過する不純物または水素通路１２Ａ１を上流から下流に流れる不純物によって下流部分の水素濃度が早期に低下する。したがって、集電板１４Ａに隣接するセル１０Ａの水素通路１２Ａ１の断面を図５のように構成することで、他のセル１０と比較して、集電板１４Ａに隣接するセル１０Ａの出力電圧を早期に低下させることができる。したがって、ＥＣＵ３は、集電板１４Ａに隣接するセル１０Ａについて、小電極１４Ａ２が接触される水素極セパレータ１２Ａの位置の電位を監視すれば、早期に水素極側での水素濃度の低下、不純物濃度の増加を検知でき、確実に必要な時期に燃料オフガスを排出できる。

なお、図５の例では、セル１０Ａの水素通路１２Ａ１の下流側の断面積、したがって当該部分の容積を小さくした。しかし、本発明の実施は、このような構成には限定されない
。例えば、集電板１４Ａに隣接するセル１０Ａの水素通路１２Ａ１の全体（上流から下流まで）の断面積、したがって容積が他のセル１０に比較して小さくなるように構成してもよい。

また、セル１０Ａの水素通路１２Ａ１を狭くする代わりに、セル１０Ａの電極面積を他のセル１０よりも大きくするようにしてもよい。そのようなセル１０Ａを設け、そのセル１０Ａにて上記と同様に電位差を測定することで、いち早く水素を消費し、発電量が低下するセル１０Ａにおいて電圧低下を検知することができる。

また、セル１０Ａの水素通路１２Ａ１を狭くする代わりに、セル１０Ａに供給される水素量が他のセルに比べて少なくなるようにしてもよい。例えば、セル１０Ａにつながる孔部２１Ａの部分を他のセル１０につながる部分に比べて狭くすればよい。また、セル１０Ａに供給される水素の経路を孔部２１Ａとは別に設け、その経路のコンダクタンスを低下させてもよい（経路を長くする、断面積を小さくする等）。また、そのような経路に流量調整弁を設けて、セル１０Ａへの水素供給量を絞っておいてもよい。このような構成により、セル１０Ａ入口側の水素濃度が低下するので、セル１０Ａでは他のセル１０と比較していち早く水素が消費され、発電量が低下する。

また、セル１０Ａの水素通路１２Ａ１につながる排出側の孔部２１Ｂの部分を他のセル１０の部分と比較して狭くするようにしてもよい。このような構成により、セル１０では、燃料オフガスが抜けにくくなるので、他のセル１０と同様の圧力で水素が供給された場合でも、セル１０Ａ内の水素極側の水素濃度が上昇しにくくなる。その結果、他のセル１０と比較して、セル１０Ａにおいて、いち早く発電量が低下することになる。

＜第３実施形態＞
図６を参照して本発明の第３実施形態を説明する。上記第１実施形態では、水素極セパレータ１２Ａの水素通路１２Ａ１の下流側に対応する位置で水素極セパレータ１２Ａに接触する小電極１４Ａ２と、上流側に対応する位置で水素極セパレータ１２Ａに接触する大電極１４Ａ１とによって集電板１４Ａを構成し、集電板１４Ａに隣接するセル１０Ａの水素極セパレータ１２Ａの電位を測定した。本実施形態では、水素極側に加えて、さらに、空気極側においても、下流側に対応する位置で空気極セパレータ１２Ｂに接触する小電極１４Ｂ２と上流側に対応する位置で空気極セパレータ１２Ｂに接触する大電極１４Ｂ１とを設け、水素通路１２Ａ１の下流側と上流側の電位差を監視し、排出弁７からの燃料オフガスの排出を制御する例を示す。他の構成要素および作用は第１実施形態の場合と同様である。そこで、第１実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。また、本実施形態の構成要素と第２実施形態で説明した図５の構成要素を組み合わせてもよい。そのため、本実施形態の説明において、必要に応じて図１から図５の図面を参照する。

図６は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池の構成図である。図６に示すように、本実施形態では、水素極側だけでなく、空気極側においても、水素通路１２Ａ１の下流側に対応する位置で空気極セパレータ１２Ｂに接触する小電極１４Ｂ２と、上流側に対応する位置で空気極セパレータ１２Ｂに接触する大電極１４Ｂ１とによって集電板１４Ｂを構成する。

そして、ＥＣＵ３は、水素通路１２Ａ１の上流側の位置で、空気極セパレータ１２Ｂと水素極セパレータ１２Ａとの電位差Ｖ１を測定する。水素通路１２Ａ１の上流側の位置に対応する空気極セパレータ１２Ｂ上の電位は、大電極１４Ｂ１を通じて測定する。大電極１４Ｂ１の構造は、図２に示した水素極セパレータ１２Ａの電位を測定するための大電極１４Ａ１の構造と同様である。

同様に、ＥＣＵ３は、水素通路１２Ａ１の下流側の位置で、空気極セパレータ１２Ｂと水素極セパレータ１２Ａとの電位差Ｖ２を測定する。水素通路１２Ａ１の下流側の位置に対応する空気極セパレータ１２Ｂ上の電位は、小電極１４Ｂ２を通じて測定する。小電極１４Ｂ２の構造は、図２に示した水素極セパレータ１２Ａの電位を測定するための小電極１４Ａ２の構造と同様である。

そして、ＥＣＵは、水素通路１２Ａ１の上流側の位置に対応する水素極セパレータ１２Ａ上の位置と空気極セパレータ１２Ｂ上の位置での電位差Ｖ１と、水素通路１２Ａ１の下流側の位置に対応する水素極セパレータ１２Ａ上の位置と空気極セパレータ１２Ｂ上の位置での電位差Ｖ２との差分を算出する。この例では、大電極１４Ａ１、１４Ｂ１、およびＥＣＵ３が第１電圧測定手段に相当する。また、小電極１４Ａ２、１４Ｂ２、およびＥＣＵ３が第２電圧測定手段に相当する。さらに、Ｖ１とＶ２との差分により電位差を算出するＥＣＵ３が電位差検出手段に相当する。

そして、ＥＣＵ３は、電位差Ｖ１とＶ２との差分が所定範囲にない場合に、第１実施形態の場合と同様に、排出弁７を制御し、燃料オフガスの排出量を増加させる。このように、本実施形態の燃料電池によれば、水素極セパレータ１２Ａと空気極セパレータ１２Ｂとの２つの電位差（上流側Ｖ１、下流側Ｖ２）により、水素通路１２Ａ１の上流側の位置と下流側の位置での発電量の差を判定する。

なお、上記第３実施形態では、図６に示すように、セルスタックの両端に位置する２つ集電板１４Ａ、１４Ｂによって、セルスタックの両端の電位を測定した。しかし、本発明は、このような構成には限定されない。例えば、集電板１４Ａに隣接するセル１０Ａにおいて水素極側セパレータ１２Ａと空気極側セパレータ１２Ｂとの間の電位差を、水素通路１２Ａ１の上流側の位置と下流側の位置とにおいてそれぞれ測定するようにしてもよい。その場合、集電板１４Ａに隣接するセル１０Ａにおいて空気極セパレータ１２Ｂ上に、水素通路１２Ａ１の下流側に対応する位置で空気極セパレータ１２Ｂに接触する小電極１４Ｂ２と、上流側に対応する位置で空気極セパレータ１２Ｂに接触する大電極１４Ｂ１とを埋め込んでおけばよい。

また、集電板１４Ｂに隣接するセル１０Ｂにおいて水素極側セパレータ１２Ａと空気極側セパレータ１２Ｂとの間の電位差を、水素通路１２Ａ１の上流側の位置と下流側の位置とにおいてそれぞれ測定するようにしてもよい。

このように、１つのセル１０Ａ（または１０Ｂ）において、水素通路１２Ａ１の下流側に対応する位置と上流側に対応する位置とで電位を測定する構成することで、第２実施形態の図５に示したように、当該セル１０Ａ（または１０Ｂ）の下流側の電位測定位置に対応する水素通路１２Ａ１の断面部分を狭く（容積を小さく）構成することができる。したがって、早期に水素濃度が低下する部分を有するセル１０Ａ（または１０Ｂ）において、いち早く水素濃度が低下する部分の電位により、水素濃度の低下を検出し、排出弁を制御し、燃料オフガスを排出できる。

＜第４実施形態＞
図７を参照して本発明の第４実施形態を説明する。上記第１実施形態等では、水素極セパレータ１２Ａの水素通路１２Ａ１下流側に対応する位置で水素極セパレータ１２Ａに接触する小電極１４Ａ２と、上流側に対応する位置で水素極セパレータ１２Ａに接触する大電極１４Ａ１とによって集電板１４Ａを構成し、集電板１４Ａに隣接するセル１０Ａの水素極セパレータ１２Ａの電位を測定した。本実施形態では、大電極１４Ａ１に代えて、小さな電極で水素通路１２Ａ１の上流側に対応する位置で電位を測定する例を示す。他の構成
要素および作用は第１実施形態から第３実施形態の場合と同様である。そこで、上記各実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。また、必要に応じて図１から図６の図面を参照する。

図７は、本実施形態の燃料電池において、エンドプレート１５Ａ側から集電板１４Ａおよび水素極セパレータ１２Ａを見たときの平面図である。図７のように、本実施形態の燃料電池では、水素極セパレータ１２Ａに接触する小電極１４Ａ２と上流側に対応する位置で水素極セパレータ１２Ａに接触する上流側電極１４Ａ４によって水素極セパレータ１２Ａの電位を測定する。この小電極１４Ａ２と上流側電極１４Ａ４は、集電板１４Ａに含まれる。集電板１４Ａの他の部分は、図７に明示されていないが、本発明の実施は、集電板１４Ａの小電極１４Ａ２と上流側電極１４Ａ４以外の部分の構成によっては限定されない。例えば、上流側電極１４Ａ４のさらに上流側に第１実施形態で示した大電極１４Ａ１と同程度の面積の集電板を設けてもよい。

図７に示した小電極１４Ａ２と上流側電極１４Ａ４とは、エンドプレート１５Ａに保持され、水素極セパレータ１２Ａに押圧される。小電極１４Ａ２は、第１実施形態と同様、水素極セパレータ１２Ａ背面に構成される水素通路１２Ａ１の下流部分（水素を排出する孔部２１Ｂの入口側）の電位を検出するために使用される。また、上流側電極１４Ａ４は小電極１４Ａ２から、上流側の電位を測定するために使用される。

図７に示したように、本実施形態の燃料電池では、下流側の小電極１４Ａ２に対して所定の空隙１４Ａ５だけ離間した位置に上流側電極１４Ａ４が配置され、当該位置の電位ＶＡと、小電極１４Ａ２の電位ＶＢが測定され、２つの電極間の電位差が検知される。したがって、水素通路１２Ａ１の下流部分以外での発電状態に影響されることなく、小電極１４Ａ２付近の発電状況によって水素濃度または不純物濃度を判断し、排出弁７を制御できる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池の構成図である。 図１の断面１００、１００をＡ矢印方向に見た断面イメージ図である。 ＥＣＵ３が監視する第１基準点の電位と第２基準点の電位の検出結果の一例を示す図である。 ＥＣＵ３が実行する排出弁の制御処理のフローチャートである。 図２において、断面１０１、１０１をＢ矢印方向から見た場合の集電板１４Ａに隣接するセル１０の水素極セパレータ１２Ａおよび膜−電極接合体１１部分を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池の構成図である。 本発明の第４実施形態の燃料電池において、エンドプレート１５Ａ側から集電板１４Ａおよび水素極セパレータ１２Ａを見たときの平面図である。

符号の説明

１ 燃料電池本体
３ ＥＣＵ
５ 燃料タンク
７ 排出弁
９ 締め具
１０ セル
１１ 膜−電極接合体
１２Ａ 水素極セパレータ
１２Ｂ 空気極セパレータ
１４Ａ、１４Ｂ 集電板
１４Ａ１ 大電極
１４Ａ２ 小電極
１４Ａ４ 上流側電極
２１Ａ、２１Ｂ 孔部

Claims (6)

1. 燃料ガスを反応させて発電するセルを１以上含む燃料電池本体と、
   前記セルに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記セルから外部に排出される排出ガスのガス量を調整する排出ガス調整手段と、
   前記セルの入口部から出口部に向かって燃料ガスの流路を構成しセル内に燃料ガスを供給するセル燃料ガス通路と、
   前記燃料電池内の少なくとも１つのセルにおいて前記セル燃料ガス通路上でセル入口側に近い所定位置に対応する前記セル上の第１基準点の電位とセル出口側に近い所定位置に対応する前記セル上の第２基準点の電位との電位差を検出する電位差検出手段と、
   前記電位差検出手段により検出された電位差が所定の範囲にないときに前記排出ガス調整手段により排出ガスを燃料電池本体外部に排出する排出ガス制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 酸化剤ガスを供給されるカソード側電極と燃料ガスを供給されるアノード側電極とを有し酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電するセルを１以上含む燃料電池本体と、
   前記セルに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記セルから外部に排出される排出ガスのガス量を調整する排出ガス調整手段と、
   前記セルの入口部から出口部に向かって燃料ガスの流路を構成しセル内に燃料ガスを供給するセル燃料ガス通路と、
   前記燃料電池本体または前記燃料電池本体に含まれる少なくとも１つのセル上で、前記セル燃料ガス通路の上流側の所定位置に対応する第１基準点において前記カソード側電極とアノード側電極との電位差である第１電圧を測定する第１電圧測定手段と、
   前記燃料電池本体または前記燃料電池本体に含まれる少なくとも１つの前記セル上で、前記セル燃料ガス通路の下流側の所定位置に対応する第２基準点において前記カソード側電極とアノード側電極との電位差である第２電圧を測定する第２電圧測定手段と、
   前記第１電圧と第２電圧との差分よって前記第１基準点と第２基準点との電位差を検出する電位差検出手段と、
   前記電位差検出手段により検出された電位差が所定の範囲にないときに前記排出ガス調整手段により排出ガスを燃料電池本体外部に排出する排出ガス制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池において、
   前記電位差検出手段により電位差が検出されるセルのセル燃料ガス通路の断面積の少なくとも一部が電位差を検出されないセルのセル燃料ガス通路に比べて小さくなっていることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１または２に記載の燃料電池において、
   前記電位差検出手段により電位差が検出されるセルでは、セル燃料ガス通路の前記第２基準点に対応する所定位置近傍の断面積が、当該セル燃料ガス通路の他の部分の断面積と比較して小さくなっていることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１に記載の燃料電池において、
   さらに、前記燃料電池本体を両側面から挟み込むエンドプレートを備え、
   前記電位差検出手段により電位差が検出されるセルは前記エンドプレートに隣接したセルであることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池において、前記第１基準点と第２基準点とは前記セルが有する電極上で絶縁されていることを特徴とする燃料電池。

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