JP2009026523A - 燃料電池システム、および、燃料電池の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アノードデッドエンド型燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の始動時の、膜電極接合体のアノードにおける局所的な不純物ガスの滞留に起因する不具合を抑制する。
【解決手段】燃料電池による発電停止中、アノードには、発電に寄与しないガスである不純物ガスが滞留している。そして、燃料電池の始動時に、アノード、および、カソードに、それぞれ、水素を含む燃料ガス、および、酸素と不純物ガスとを含む酸化剤ガス（例えば、空気）を供給するとともに、燃料電池の出力を制限（例えば、禁止）する。そして、アノードにおける不純物ガスの分圧と、カソードにおける不純物ガスの分圧との差が、所定値未満になった後に、燃料電池の出力の制限を解除し、燃料電池の出力を、要求出力に応じて制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システム、および、燃料電池システムに備えられた燃料電池の制御方法に関するものである。

燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、電解質膜（例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜）の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体（例えば、膜電極接合体）を備えている。そして、発電体のアノードには、燃料ガス流路から燃料ガスが供給され、また、カソードには、酸化剤ガス流路から酸化剤ガスが供給される。

特開２００５−２４３４７６号公報 特開２００７−４８５３８号公報 特表２００５−５２３０６４号公報 特開２００５−２０３１４３号公報

ところで、上記発電体として、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を用いる場合、この膜電極接合体のアノードに供給される酸化剤ガスとしては、一般に、酸素を含む空気が用いられる。そして、酸化剤ガスとして空気を用いる場合、空気中に含まれる発電に寄与しないガスである窒素等の不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側からアノード側に透過する。

そして、このカソード側からアノード側への不純物ガスの透過は、発電停止中にも継続して生じるため、長時間に亘って発電を停止した場合には、不純物ガスがアノードに充満することになる。そして、アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてが、燃料電池の外部に排出されることなく、燃料電池の内部に滞留された状態で発電に利用される、いわゆるアノードデッドエンド型燃料電池では、燃料電池の外部へのアノードオフガスの排出を行わないので、燃料電池の始動時に、アノードに燃料ガスを供給したときには、アノードに滞留した不純物ガスが、燃料ガスの流れによって、燃料ガスの流れ方向の下流領域に局所的に滞留する。そして、この状態で燃料電池に負荷を接続して発電を行った場合、膜電極接合体における不純物ガスが滞留した領域では、不純物ガスが滞留していない領域よりも燃料ガスの濃度が低くなるため、膜電極接合体における発電分布が不均一になり、発電効率の低下を招く。

さらに、燃料電池システムを、例えば、電気車両の電源として搭載する場合には、上述したように、不純物ガスがアノードの一部に局所的に滞留した状態で発電を行い、負荷に電力を供給すると、セル電圧の低下が生じ、車両（システム）停止のおそれがある。

また、膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層した燃料電池スタックでは、一部の膜電極接合体において燃料ガスの濃度の低下が生じると、その膜電極接合体における起電力が低下するため、その膜電極接合体のアノードとカソードとの間に逆電圧が掛かることになる。そして、膜電極接合体のアノード、および、カソードは、一般に、触媒層とガス拡散層とによって構成されており、触媒層には、触媒金属を担持したカーボンが用いられることが多いため、膜電極接合体のアノードとカソードとの間に逆電圧が掛かると、その膜電極接合体のアノード側の触媒層がカーボン酸化によって劣化するという不具合も生じる。なお、このカーボン酸化は、以下に示す式（１）で表される。

Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４ｅ⁻＋４Ｈ^＋・・・（１）

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、アノードデッドエンド型燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の始動時の、発電体のアノードにおける局所的な不純物ガスの滞留に起因する不具合を抑制することを目的とする。

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以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池システムであって、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体を備え、前記アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用する燃料電池と、前記アノードに、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記カソードに、酸素と酸素以外の不純物ガスとを含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記カソードにおいて、発電に利用されなかった酸化剤ガスであるカソードオフガスを、前記燃料電池の外部に排出するカソードオフガス排出部と、負荷からの要求出力を入力する要求出力入力部と、前記入力された要求出力に基づいて、前記燃料電池の出力を制御する出力制御部と、を備え、前記出力制御部は、前記入力された要求出力に基づいて、前記燃料ガス供給部と、前記酸化剤ガス供給部と、前記カソードオフガス排出部を制御して、前記アノード、および、前記カソードに、それぞれ、前記燃料ガス、および、前記酸化剤ガスを供給させ、前記カソードから、前記カソードオフガスを排出させるとともに、前記燃料電池の始動時に、前記燃料電池の出力を、前記要求出力よりも小さい出力に制限する、燃料電池システム。

適用例１の燃料電池システムでは、アノードデッドエンド型燃料電池の始動時に、上記出力制御部によって、燃料電池の出力を、負荷からの要求出力よりも小さい出力に制限するので、先に説明した燃料電池の始動時の、発電体のアノードにおける局所的な不純物ガスの滞留に起因する不具合を抑制することができる。なお、上記発電体として、膜電極接合体を用いる場合、先に説明した膜電極接合体のアノードの触媒層のカーボン酸化を防止する観点から、出力制御部による燃料電池の出力制限としては、出力自体を禁止することが好ましい。

上記燃料電池システムにおいて、さらに、蓄電装置を備えるようにし、出力制御部は、燃料電池の出力制限時（始動時）に、燃料電池から負荷に対して供給可能な電力では不足する電力、あるいは、要求出力のすべてを、蓄電装置から供給するようにすることが好ましい。こうすることによって、燃料電池システムから負荷に、速やかに電力の供給を行うことができる。また、燃料電池の出力制限を解除した後には、燃料電池によって発電した電力を蓄電装置に蓄電することもできる。

なお、本適用例において、「負荷からの要求出力」は、「負荷からの燃料電池システムに対する要求出力」を意味しており、「燃料電池に対する要求出力」と「燃料電池に対する要求出力、および、蓄電装置に対する要求出力（燃料電池システムが蓄電装置を備える場合）」との双方を含んでいる。

発電体のアノード側へ燃料ガスを供給して行なう燃料電池の運転を、アノードデッドエンド運転と呼ぶ。アノードデッドエンド運転では、燃料ガスのアノード側への供給を継続しつつ、アノード側からの燃料ガスの排出をしない状態で発電を継続する。結果的に、少なくとも定常発電時に供給された燃料ガスのほぼ全量をアノード側に留めて発電を行うことになる。発電体が、電解質膜の両面にアノードおよびカソードをそれぞれ接合してなる膜電極接合体を備え、アノード側に燃料ガス（多くは、水素または水素含有ガス）を供給して発電を行う場合には、アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用することになる。この場合、結果的には、燃料ガスが供給されるアノード側は、一般的に、燃料ガスを外部に排出あるいは放出しない閉塞構造となる。

本願明細書では、燃料ガスの消費層に供給されたほぼ総ての燃料ガスを燃料ガス消費層（アノード）で消費する運転の態様を、デッドエンド運転と呼ぶが、燃料ガス消費層からの燃料ガスの循環を意図せず、燃料ガスの消費層から名目的に燃料ガスを取り出して利用する形態が加えられていたとしても、当該構成は、デッドエンド運転に含まれる。例えば、燃料ガス消費層あるいはその上流から僅かな燃料ガスを取り出す流路を設け、取り出した燃料ガスを燃焼して補機などのプレヒートに用いる構成などを考えることができる。こうした名目的な燃料ガスの消費は、燃料ガスの取り出しを、燃料ガスの消費層もしくはその上流からとすることに格別な意味がなければ、本願明細書における「ほぼすべての燃料ガスの燃料ガス消費層で消費する」ことから除外される構成とはならない。

本願発明の燃料電池は、さらに、アノード極（水素極）の不純物（たとえば窒素）の分圧が、カソード極（空気極）の不純物（たとえば窒素）の分圧とつりあった状態で継続的に発電する運転状態を実現するものとして把握することもできる。ここで、「つりあった状態」とは、たとえば平衡状態を意味し、必ずしも両者の分圧が等しい状態に限られない。

本願発明の燃料電池は、さらに、たとえば図２２や図２３に示されるような構成をも含む。図２２の構成例は、第１の流路と第２の流路と有している。第１の流路は、第２の流路よりも上流側に配置されている。第１の流路および第２の流路は、第１の流路あるいは第２の流路よりも流れの抵抗が高い高抵抗連通部２１００ｘを介して連通している。これらの流路は、発電領域面外（燃料電池セルの外部）から燃料ガス導入口（マニホールド）を経由して燃料ガスを導入する。換言すれば、第２の流路への燃料ガスの供給は、主として高抵抗連通部２１００ｘを介して（たとえば高抵抗連通部２１００ｘのみを介して）第１の流路から導入される。

なお、第１の流路や第２の流路は、後述の実施例のように多孔体を利用しても形成可能であるが、たとえばシール材Ｓ１、Ｓ２の挟持（図２２）やハニカム構造材Ｈ２を使用した流路の形成（図２３）として構成してもよい。

高抵抗連通部２１００ｘは、たとえば図２２や図２３に示されるような複数の導入部２１１０ｘ（貫通孔）が面内方向に分散した板状部材が利用可能である。高抵抗連通部２１００ｘは、以下のうちの少なくとも一つの役割を有している。第１の役割は、「第２の流路のうち燃料ガス導入口に近接する領域への燃料ガス供給を制限する役割」である。第２の役割は、「アノード反応部に沿った第２の流路の面直方向に働くガス圧の面内の不均一を抑制する役割」である。第３の役割は、「第１の流路を面内方向に流れる燃料ガスの向きを面直方向（あるいは面に交差する方向）に変換する役割」である。

本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード反応部で消費する態様を含む燃料電池システムであって、
発電セル内にアノードガスを導入する導入口と、
前記導入口から供給されたアノードガスをセル面内方向に導く第１のガス流路と、
前記アノード反応部に沿って延在し、
前記第１のガス流路より流れの抵抗が高く、第１のガス流路から第２のガス流路へのアノードガスの流入を妨げつつも、セル面内方向に分布した複数の連通部を介して、第１のガス流路から第２のガス流路へアノードガスを導く高抵抗部と、
を備える。

本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような構成を含む燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の領域で消費されるアノードガスは、前記高抵抗部のうち一の連通部を通過したガスの比率が、他の連通部を通過したガスの比率より高い、
あるいは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の連通部を通過したアノードガスは、前記アノード反応部のうちの一の領域で消費される比率が、他の領域で消費される比率より高い
といった構成も可能である。

一方、カソード流路は少なくとも上記高抵抗連通部が有さないことが好ましい。さらにカソード流路は、第２の流路も設けることなく、カソード導入口から供給されたカソードガスをセル面内方向に導く第１のガス流路のみとすることが好ましい。ただし、いわゆるガス拡散層を第２の流路と捉えれば、第１および第２の流路の組み合わせとしても良い。いずれにせよ、上記高抵抗連通部をカソード極からのみ省略することにより、カソードガスの送給機の仕事量の低減およびカソード極での排水性の向上が期待でき、特に、アノード極からの排水性能が低いシステム（燃料ガスの定常的排気の無い）燃料電池システムでは好適である。

［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、さらに、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と、前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が、所定値未満であるか否かを判断する判断部を備え、前記出力制御部は、前記燃料電池の始動後の所定のタイミングで、前記判断部によって、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と、前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が、前記所定値未満であると判断された場合に、前記燃料電池の出力を、前記入力された要求出力に応じて制御する、燃料電池システム。

アノードデッドエンド型燃料電池の始動後、すなわち、発電体のアノードへの燃料ガスの供給開始後に、時間が経過すると、アノードの一部に局所的に滞留していた不純物ガスが、濃度勾配、あるいは、燃料ガスの供給圧力によって、電解質膜を介して、カソード側に透過する。このため、アノードにおける不純物ガスの分圧と、カソードにおける不純物ガスの分圧とは、平衡状態に近づいていく。つまり、アノードにおける燃料ガスの分圧と、カソードにおける酸素の分圧とが平衡状態に近づいていく。

適用例２の燃料電池システムでは、上記判断部によって、アノードにおける不純物ガスの分圧と、カソードにおける不純物ガスの分圧との差が、所定値未満であると判断された場合、すなわち、アノードにおける不純物ガスの分圧と、カソードにおける不純物ガスの分圧とが平衡状態に近づいたと判断された場合に、出力制御部は、燃料電池の出力制限を解除し、燃料電池の出力を要求出力に応じて制御するので、先に説明した不具合を抑制しつつ、要求出力に応じた出力を開始することができる。

［適用例３］適用例２記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の始動時における前記燃料ガスの供給条件を含む前記燃料電池の運転条件を入力する運転条件入力部と、前記運転条件と、前記燃料電池の始動から前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満になるまでの時間との対応関係を予め記録したテーブルを記憶するテーブル記憶部と、前記燃料電池の始動時からの経過時間を計測するタイマと、を備え、前記判断部は、前記入力された運転条件、および、前記テーブルに基づいて、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満になるまでの時間を設定し、前記タイマを参照することによって、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と、前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が、前記所定値未満であるか否かを判断する、燃料電池システム。

アノードデッドエンド型燃料電池の始動からアノードにおける不純物ガスの分圧とカソードにおける不純物ガスの分圧との差が所定値未満になるまでの時間、すなわち、燃料電池の出力制限を解除するまでの時間は、燃料電池の始動時の燃料ガスの供給条件を含む燃料電池の運転条件と関連し、これらの対応関係は、実験的、あるいは、解析的に、予め知得することができる。

適用例３の燃料電池システムでは、上記運転条件、および、上記テーブルに基づいて、アノードにおける不純物ガスの分圧とカソードにおける不純物ガスの分圧との差が所定値未満になるまでの時間を設定し、上記タイマを参照することによって、燃料電池の出力制限を解除することができる。

［適用例４］適用例３記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池ガスの供給条件は、前記燃料ガスの供給圧力、および、前記発電体の温度の少なくとも一方を含み、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料ガスの供給圧力を検出する圧力検出センサ、および、前記発電体の温度を検出する温度検出センサの少なくとも一方を備える、燃料電池システム。

アノードデッドエンド型燃料電池の始動からアノードにおける不純物ガスの分圧とカソードにおける不純物ガスの分圧との差が所定値未満になるまでの時間は、燃料ガスの供給圧力や、発電体の温度に応じて変動する。

適用例４の燃料電池システムでは、燃料ガスの供給圧力、および、発電体の温度の少なくとも一方と、上記テーブルとに基づいて、アノードにおける不純物ガスの分圧とカソードにおける不純物ガスの分圧との差が所定値未満になるまでの時間を設定することができる。

［適用例５］適用例４記載の燃料電池システムであって、前記運転条件は、さらに、前記燃料電池の発電停止時間を含み、前記タイマは、さらに、前記発電停止時間を計測し、前記判断部は、前記タイマによって計測された前記停止時間を考慮して、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記前記所定値未満になるまでの時間を設定する、燃料電池システム。

例えば、燃料電池システムを、モータを駆動するための電源として電気車両に搭載する場合、走行中（信号待ち等、比較的短時間の停車中を含む）に負荷が随時変化するため、燃料電池システムでは、適宜、燃料電池による発電を行ったり、停止したりする制御が行われる。そして、比較的短時間の発電停止中においても、先に説明した不純物ガスの透過は生じているが、比較的長時間の発電停止中と比較すると、その量は比較的少ない。

適用例５の燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止時間を考慮して、アノードにおける不純物ガスの分圧とカソードにおける不純物ガスの分圧との差が所定値未満になるまでの時間を設定することができるので、燃料電池の出力制限を解除するまでの時間を、より詳細に設定することができる。

［適用例６］適用例２記載の燃料電池システムであって、さらに、前記アノードにおける前記不純物ガス、または、前記燃料ガスの濃度を検出する濃度センサを備え、前記判断部は、前記濃度センサによって検出された前記不純物ガス、または、前記燃料ガスの濃度に基づいて、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満であるか否かを判断する、燃料電池システム。

適用例６の燃料電池では、上記濃度センサによって、不純物ガス、または、燃料ガスの濃度を、直接的に検出し、燃料電池の出力制限を解除してもよいか否かを判断することができる。なお、濃度センサは、燃料電池において、不純物ガスが局所的に滞留しやすい部位に配置することが好ましい。

［適用例７］適用例２記載の燃料電池システムであって、さらに、前記アノードと前記カソードとの間の電圧を検出する電圧検出部を備え、前記判断部は、前記電圧検出部によって検出された電圧に基づいて、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満であるか否かを判断する、燃料電池システム。

燃料電池において、上記不純物ガスが局所的に滞留している場合、不純物ガスが局所的に滞留していない場合と比較して、アノードとカソードとの間の電圧（いわゆるセル電圧）は、低くなる。

適用例７の燃料電池システムでは、上記電圧検出部によって検出された電圧（いわゆるセル電圧）に基づいて、燃料電池の出力制限を解除してもよいか否かを判断することができる。

［適用例８］燃料電池システムであって、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体を備え、前記アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用する燃料電池と、前記アノードに、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池の始動時に、前記燃料ガス供給部から前記燃料ガスの供給を開始してから所定の条件を満たすまで、前記燃料電池の出力を制御する出力制御部と、を備える燃料電池システム。

適用例８の燃料電池システムでは、先に説明した適用例１の燃料電池システムとは異なり、燃料電池の始動時に、負荷からの要求出力とは無関係に燃料電池の出力を制限する。こうすることによっても、先に説明した燃料電池の始動時の、発電体のアノードにおける局所的な不純物ガスの滞留に起因する不具合を抑制することができる。

なお、本適用例において、燃料電池の始動時に、カソードへ酸化剤ガスを供給するものとしてもよいし、供給しないものとしてもよい。また、燃料電池の始動時のアノードへの燃料ガスの供給量は、任意に設定可能である。また、本適用例において、「所定の条件」としては、例えば、アノードとカソードとにおける不純物ガスの分圧差や、燃料ガスの供給開始から時間や、発電停止時間や、アノードにおける不純物ガス、燃料ガスの濃度や、セル電圧などに関する条件等、種々の条件が挙げられる。

本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。

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．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１０００は、モータで駆動する電気車両に、電源として搭載されている。

燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池ユニット４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各燃料電池ユニット４０は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成されている（図示省略）。膜電極接合体において、アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、燃料電池ユニット４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

図示するように、燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の燃料電池ユニット４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。そして、これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている（図示省略）。また、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ、各燃料電池ユニット４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各燃料電池ユニット４０のカソードから排出されるカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている（図示省略）。

なお、本実施例の燃料電池スタック１００は、各燃料電池ユニット４０のアノードに供給された水素のほぼすべてが、燃料電池スタック１００の外部に排出されることなく、燃料電池スタック１００の内部に滞留された状態で発電に利用される、いわゆるアノードデッドエンド型燃料電池である。したがって、燃料電池スタック１００の内部には、各燃料電池ユニット４０のアノードから排出されるアノードオフガスを集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドは形成されていない。

また、燃料電池スタック１００では、燃料電池ユニット４０の温度を検出するための温度センサ４２が備えられている。本実施例では、温度センサ４２は、燃料電池スタック１００における最端部に配置された、温度が最も低下しやすい燃料電池ユニット４０に備えられるものとした。温度センサ４２は、燃料電池ユニット４０の温度を検出することによって、燃料電池ユニット４０に備えられた膜電極接合体の温度を、間接的に検出することができる。

エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ、図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。

なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。

燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。配管５３には、圧力センサ５４が設けられており、この圧力センサ５４は、アノードへの水素の供給圧力、および、供給量の制御に利用される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。

水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって、圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各燃料電池ユニット４０のアノードに供給される。水素タンク５０、シャットバルブ５１、レギュレータ５２、配管５３、水素供給マニホールドは、本発明における燃料ガス供給部に相当する。なお、この燃料電池システム１０００は、先に説明したように、アノードデッドエンド型の燃料電池スタック１００を備えているので、本実施例では、アノードからの排気ガスを外部に排出するための配管は備えていないものとした。

燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールドを介して、各燃料電池ユニット４０のカソードに、それぞれ供給される。各燃料電池ユニット４０のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２には、圧力センサ６３、および、調圧バルブ６４が設けられており、これらは、空気の供給圧力、および、供給量の制御に利用される。排出配管６２からは、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。コンプレッサ６０、配管６１、空気供給マニホールドは、本発明における酸化剤ガス供給部に相当する。また、アノードオフガス排出マニホールド、排出配管６２、調圧バルブ６４は、本発明におけるカソードオフガス排出部に相当する。

燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。

燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、図示しないアクセル開度センサから、負荷からの燃料電池システム１０００に要求される要求出力を取得し、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。なお、制御ユニット８０は、燃料電池スタック１００の始動時、すなわち、燃料電池スタック１００への水素、および、空気の供給開始時に、後述する始動制御処理を実行する。制御ユニット８０は、本発明における要求出力入力部、出力制御部に相当する。

なお、本実施例の燃料電池システム１０００は、図示しないバッテリを備えており、制御ユニット８０は、燃料電池スタック１００から電力を出力したり、バッテリから電力を出力したり、燃料電池スタック１００によって発電された電力を、バッテリに蓄電したしたりする制御も行うことができる。

Ａ２．制御ユニット：
図２は、第１実施例の制御ユニット８０内の始動制御処理を実行するための機能ブロックを示す説明図である。図示するように、制御ユニット８０は、要求出力入力部８１と、運転条件入力部８２と、判断部８３と、テーブル記憶部８４と、タイマ８５と、出力制御信号生成部８６と、を備えている。

要求出力入力部８１は、負荷からの燃料電池システム１０００に対する要求出力を取得する。出力制御信号生成部８６は、燃料電池スタック１００の始動時には、燃料電池スタック１００の出力を禁止する出力制御信号を生成し、その後、後述するように、判断部８３によって設定された時間が経過した後には、要求出力に応じた出力を行なうための出力制御信号を生成する。タイマ８５は、燃料電池スタック１００による発電停止時間、および、燃料電池スタック１００の始動時からの経過時間を計測する。運転条件入力部８２は、燃料電池スタック１００の運転条件として、燃料電池スタック１００の始動時に温度センサ４２によって検出された燃料電池ユニット４０の温度、および、圧力センサ５４によって検出された水素供給圧力と、タイマ８５によって計測された燃料電池スタック１００による発電停止時間を取得する。判断部８３は、要求出力入力部８１によって取得された要求出力と、運転条件入力部８２によって取得された燃料電池ユニット４０の温度、水素の供給圧力、および、発電停止時間と、テーブル記憶部８４に記憶されたテーブルとに基づいて、燃料電池スタック１００の始動時の出力制限を解除するまでの時間（以下、出力制限時間と呼ぶ）を設定し、タイマ８５を参照して、出力制限時間が経過したか否かを判断する。

テーブル記憶部８４には、上述した運転条件と、出力制限時間との関係を予め記録したテーブルが記憶されている。本実施例では、図中に示したように、複数のテーブルＴａ１，Ｔａ２，Ｔａ３，・・・が記憶されており、これらのテーブルは、燃料電池スタック１００による発電停止時間ごとに用意されている。図示した例では、例えば、テーブルＴａ１は、燃料電池スタック１００による発電停止時間が０〜ｔ１である場合用のテーブルであり、燃料電池スタック１００の始動時の水素供給圧力がＰ１〜Ｐ２であって、燃料電池ユニット４０の温度（燃料電池温度）がＴ１〜Ｔ２である場合には、出力制限時間はＸ１１秒であることを示している。

Ａ３．始動制御処理：
図３は、第１実施例の始動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック１００の始動時に、制御ユニット８０のＣＰＵが実行する処理である。なお、この処理を開始するに際し、タイマ８５では、前回の燃料電池スタック１００による発電が停止されてからの発電停止時間が計測されている。

まず、ＣＰＵは、要求出力入力部８１によって、負荷からの燃料電池システム１０００に対する要求出力を取得し（ステップＳ１００）、取得した要求出力に基づいて、燃料電池スタック１００のアノード、および、カソードに、それぞれ、水素、および、空気を供給させるとともに、燃料電池スタック１００の出力を禁止する（ステップＳ１００）。本実施例では、始動制御処理の実行中、燃料電池スタック１００から負荷への電力の供給は行わずに、バッテリから負荷へ電力を供給するものとした。なお、本実施例では、燃料電池スタック１００のアノードへの水素の供給、および、カソードへの空気の供給は、同時に行うものとした。このとき、タイマ８５によって、燃料電池スタック１００の始動からの経過時間の計測を開始する。

そして、ＣＰＵは、運転条件入力部８２によって、燃料電池スタック１００の始動時の運転条件を取得する（ステップＳ１２０）。本実施例では、先に説明したように、燃料電池スタック１００の運転条件として、燃料電池スタック１００の始動時に温度センサ４２によって検出された燃料電池ユニット４０の温度、および、圧力センサ５４によって検出された水素供給圧力と、タイマ８５によって計測された燃料電池スタック１００による発電停止時間を取得するものとした。

そして、ＣＰＵは、判断部８３によって、出力制限時間を設定する（ステップＳ１４０）。本実施例では、先に説明したように、要求出力入力部８１によって、ステップＳ１００において取得された要求出力と、運転条件入力部８２によって、ステップＳ１２０において取得された燃料電池ユニット４０の温度、水素の供給圧力、および、発電停止時間と、テーブル記憶部８４に記憶されたテーブルとに基づいて、出力制限時間を設定するものとした。

そして、ＣＰＵは、タイマ８５を参照し（ステップＳ１４０）、判断部８３によって、燃料電池スタック１００の出力制限時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ１５０）。出力制限時間が経過していない場合には（ステップＳ１５０：ＮＯ）、ステップＳ１４０に戻る。一方、出力制限時間が経過した場合には（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、出力制御信号生成部８６によって、要求出力に応じた出力を行なうための出力制御信号を生成し、要求出力に応じて出力を制御する（ステップＳ１６０）。すなわち、燃料電池スタック１００に負荷を接続し、要求出力に応じた燃料電池スタック１００の運転制御を行う。そして、始動制御処理を終了する。

Ａ４．第１実施例の効果：
先に説明したように、本実施例の燃料電池システム１０００では、酸化剤ガスとして、空気を用いているため、燃料電池ユニット４０に備えられた膜電極接合体では、空気中に含まれる発電に寄与しないガスである窒素等の不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側からアノード側に透過する。そして、このカソード側からアノード側への不純物ガス（窒素）の透過は、燃料電池スタック１００による発電停止中にも継続して生じ、アノード側に不純物ガスが滞留する。

そして、本実施例の燃料電池スタック１００は、アノードデッドエンド型燃料電池であり、燃料電池スタック１００の外部へのアノードオフガスの排出を行わないので、燃料電池スタック１００の始動時に、アノードに水素を供給したときには、アノードに滞留した不純物ガスが、水素の流れによって、水素の流れ方向の下流領域に局所的に滞留する。そして、この状態で発電を行った場合、膜電極接合体における不純物ガスが滞留した領域では、不純物ガスが滞留していない領域よりも水素の濃度が低くなるため、膜電極接合体における発電分布が不均一になり、発電効率の低下を招く。

さらに、燃料電池システム１０００を、上述したように、不純物ガスがアノードの一部に局所的に滞留した状態で発電を行い、負荷に電力を供給すると、セル電圧の低下が生じ、車両（システム）停止のおそれがある。

また、燃料電池スタック１００では、一部の膜電極接合体において水素の濃度の低下が生じると、その膜電極接合体における起電力が低下するため、その膜電極接合体のアノードとカソードとの間に逆電圧が掛かることになる。そして、膜電極接合体のアノード、および、カソードは、触媒層とガス拡散層とによって構成されており、触媒層には、一般に、触媒金属を担持したカーボンが用いられることが多いため、膜電極接合体のアノードとカソードとの間に逆電圧が掛かると、その膜電極接合体のアノード側の触媒層がカーボン酸化によって劣化するという不具合も生じる。

以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０００によれば、先に説明した始動制御処理において、燃料電池スタック１００の始動時に、燃料電池スタック１００の出力を禁止するので（図３のステップＳ１１０）、上述した燃料電池スタック１００の始動時の、膜電極接合体のアノードにおける局所的な不純物ガスの滞留に起因する不具合を抑制することができる。

また、第１実施例の燃料電池システム１０００では、始動制御処理において、燃料電池スタック１００の始動時の運転条件、および、先に説明したテーブル（図１参照）に基づいて、出力制限時間を設定し、この出力制限時間が経過した後に、出力制限を解除し、燃料電池スタック１００による出力を開始するので（図３のステップＳ１２０〜Ｓ１６０）、上述した不具合を抑制しつつ、要求出力に応じた出力を開始することができる。

なお、先に説明したテーブルにおいて、出力制限時間は、膜電極接合体のアノードにおける不純物ガスの分圧と、カソードにおける不純物ガスの分圧との差が、所定値未満であり、要求出力に応じた出力が可能であると判断可能な値が設定されている。これは、膜電極接合体のアノードへの水素の供給開始後に、時間が経過すると、アノードの一部に局所的に滞留していた不純物ガスが、濃度勾配、あるいは、水素の供給圧力によって、電解質膜を介して、カソード側に透過するため、アノードにおける不純物ガスの分圧と、カソードにおける不純物ガスの分圧とが、平衡状態に近づいていく、つまり、アノードにおける水素の分圧と、カソードにおける酸素の分圧とが平衡状態に近づいていくからである。燃料電池スタック１００の出力制限時間、すなわち、アノードにおける不純物ガスの分圧とカソードにおける不純物ガスの分圧とが平衡状態に近づく時間は、燃料電池スタック１００の始動時の運転条件と関連し、これらの対応関係は、実験的、あるいは、解析的に、予め知得することができる。

Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
図４は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。第２実施例の燃料電池システム１０００Ａの構成は、燃料電池スタック１００Ａの構成が、第１実施例における燃料電池スタック１００と異なっている。すなわち、本実施例の燃料電池スタック１００Ａでは、各燃料電池ユニット４０Ａ内に、それぞれ、膜電極接合体のアノードにおける水素濃度を検出するための水素濃度センサ４４が備えられている。水素濃度センサ４４は、本発明における濃度センサに相当する。また、制御ユニット８０Ａが実行する始動制御処理の内容が、第１実施例における制御ユニット８０と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである。なお、各燃料電池ユニット４０Ａにおいて、各水素濃度センサ４４は、先に説明した不純物ガスが滞留しやすい、水素の流れ方向の下流領域に備えられている。

Ｂ２．制御ユニット：
図５は、第２実施例の制御ユニット８０Ａ内の始動制御処理を実行するための機能ブロックを示す説明図である。図示するように、制御ユニット８０Ａは、要求出力入力部８１と、水素濃度入力部８７と、判断部８３Ａと、出力制御信号生成部８６と、を備えている。

要求出力入力部８１は、負荷からの燃料電池システム１０００Ａに対する要求出力を取得する。出力制御信号生成部８６は、燃料電池スタック１００Ａの始動時には、燃料電池スタック１００Ａの出力を禁止する出力制御信号を生成し、その後、後述するように、判断部８３Ａによって、燃料電池スタック１００Ａの出力制限を解除してもよいとの判断がなされた後には、要求出力に応じた出力を行なうための出力制御信号を生成する。水素濃度入力部８７は、各燃料電池ユニット４０Ａに備えられた各水素濃度センサ４４によって検出された水素濃度を取得する。判断部８３Ａは、水素濃度入力部８７によって取得された水素濃度に基づいて、燃料電池スタック１００の始動時の出力制限を解除してもよいか否かを判断する。

Ｂ３．始動制御処理：
図６は、第２実施例の始動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック１００Ａの始動時に制御ユニット８０ＡのＣＰＵが実行する処理である。

まず、ＣＰＵは、要求出力入力部８１によって、負荷からの燃料電池システム１０００Ａに対する要求出力を取得し（ステップＳ２００）、取得した要求出力に基づいて、燃料電池スタック１００Ａのアノード、および、カソードに、それぞれ、水素、および、空気を供給させるとともに、燃料電池スタック１００Ａの出力を禁止する（ステップＳ２１０）。本実施例においても、始動制御処理の実行中、燃料電池スタック１００Ａから負荷へ電力の供給は行わずに、バッテリから負荷へ電力を供給するものとした。なお、本実施例においても、第１実施例と同様に、燃料電池スタック１００Ａのアノードへの水素の供給、および、カソードへの空気の供給は、同時に行うものとした。

そして、ＣＰＵは、水素濃度入力部８７によって、各燃料電池ユニット４０のアノードにおける水素濃度センサ４４によって検出された水素濃度を取得する（ステップＳ２２０）。始動処理制御の開始直後は、供給された水素の流れによって、膜電極接合体のアノードに滞留していた不純物ガスが、水素の流れの下流領域に局所的に滞留するため、水素濃度センサ４４によって検出される水素濃度は、比較的低い。そして、時間の経過とともに、局所的に滞留していた不純物ガスは、濃度勾配によって、電解質膜を介して、カソード側に透過する。このため、水素濃度センサ４４によって検出される水素濃度は、次第に高くなっていく。

そして、ＣＰＵは、判断部８３Ａによって、すべての燃料電池ユニット４０Ａにおける水素濃度が所定値以上であるか否か、すなわち、燃料電池スタック１００Ａの出力制限を解除してもよいか否かを判断する（ステップＳ２３０）。いずれかの燃料電池ユニット４０Ａにおける水素濃度が所定値未満である場合には（ステップＳ２３０：ＮＯ）、ステップＳ２２０に戻る。一方、すべての燃料電池ユニット４０Ａにおける水素濃度が所定以上である場合には、ＣＰＵは、出力制御信号生成部８６によって、要求出力に応じた出力を行なうための出力制御信号を生成し、要求出力に応じて出力を制御する（ステップＳ２４０）。すなわち、燃料電池スタック１００Ａに負荷を接続し、要求出力に応じた燃料電池スタック１００Ａの運転制御を行う。そして、始動制御処理を終了する。

Ｂ４．第２実施例の効果：
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１０００Ａによれば、先に説明した第１実施例と同様に、始動制御処理において、燃料電池スタック１００Ａの始動時に、燃料電池スタック１００Ａの出力を禁止するので（図６のステップＳ２１０）、先に説明した燃料電池スタック１００Ａの始動時の、膜電極接合体のアノードにおける局所的な不純物ガスの滞留に起因する不具合を抑制することができる。

また、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、水素濃度センサ４４によって、膜電極接合体のアノードにおける水素濃度を、直接的に検出し、燃料電池スタック１００の出力制限を解除してもよいか否かを判断することができる。

Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．燃料電池システム：
図７は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１０００Ｂの概略構成を示す説明図である。第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂの構成は、燃料電池スタック１００Ｂの構成が、第１実施例における燃料電池スタック１００と異なっている。すなわち、本実施例の燃料電池スタック１００Ｂでは、各燃料電池ユニット４０Ｂに、それぞれ、膜電極接合体のアノードとカソードとの間の電圧（セル電圧）を検出するための電圧センサ４５が備えられている。電圧センサ４５は、本発明における電圧検出部に相当する。また、制御ユニット８０Ｂが実行する始動制御処理の内容が、第１実施例における制御ユニット８０と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである。

Ｃ２．制御ユニット：
図８は、第３実施例の制御ユニット８０Ｂ内の始動制御処理を実行するための機能ブロックを示す説明図である。図示するように、制御ユニット８０Ｂは、要求出力入力部８１と、セル電圧入力部８８と、判断部８３Ｂと、タイマ８５と、出力制御信号生成部８６と、警報処理部８９と、を備えている。

要求出力入力部８１は、負荷からの燃料電池システム１０００Ｂに対する要求出力を取得する。出力制御信号生成部８６は、燃料電池スタック１００Ｂの始動時には、燃料電池スタック１００Ｂの出力を禁止する出力制御信号を生成し、その後、後述するように、判断部８３Ｂによって、燃料電池スタック１００Ｂの出力制限を解除してもよいとの判断がなされた後には、要求出力に応じた出力を行なうための出力制御信号を生成する。タイマ８５は、燃料電池スタック１００の始動時からの経過時間を計測する。セル電圧入力部８８は、各燃料電池ユニット４０Ｂに備えられた各電圧センサ４５によって検出されたセル電圧を取得する。判断部８３Ｂは、タイマ８５によって計測された経過時間と、電圧センサ４５によって取得されたセル電圧とに基づいて、燃料電池スタック１００Ｂの始動時の出力制限を解除してもよいか否かを判断する。

Ｃ３．始動制御処理：
図９は、第３実施例の始動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック１００Ｂの始動時に制御ユニット８０ＢのＣＰＵが実行する処理である。

まず、ＣＰＵは、要求出力入力部８１によって、負荷からの燃料電池システム１０００Ｂに対する要求出力を取得し（ステップＳ３００）、取得した要求出力に基づいて、燃料電池スタック１００Ｂのアノード、および、カソードに、それぞれ、水素、および、空気を供給させるとともに、燃料電池スタック１００Ｂの出力を禁止する（ステップＳ３１０）。本実施例においても、始動制御処理の実行中、燃料電池スタック１００Ｂから負荷への電力の供給は行わずに、バッテリから負荷へ電力の供給を行うものとした。なお、本実施例においても、第１実施例と同様に、燃料電池スタック１００Ｂのアノードへの水素の供給、および、カソードへの空気の供給は、同時に行うものとした。このとき、タイマ８５によって、燃料電池スタック１００の始動からの経過時間の計測を開始する。

次に、ＣＰＵは、タイマ８５を参照して（ステップＳ３２０）、所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ３３０）。始動処理制御の開始直後は、供給された水素の流れによって、アノードに滞留していた不純物ガスが、水素の流れの下流領域に局所的に滞留するため、この時点で、セル電圧の検出を行うと、発電が行われ、不純物ガスが滞留して水素が欠乏した領域では、膜電極接合体のアノードの触媒層が課本酸化によって劣化するおそれがある。したがって、所定時間は、局所的に滞留していた不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側に透過し、膜電極接合体のアノードにおける不純物ガスの分圧と、カソードにおける不純物ガスの分圧との差が、所定値未満になったと推定可能な時間が設定されている。

ステップＳ３３０において、所定時間が経過していない場合には（ステップＳ３３０：ＮＯ）、ステップＳ３２０に戻る。一方、所定時間が経過した場合には（ステップＳ３３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、各電圧センサ４５によってセル電圧の検出を行い、検出された各セル電圧を、セル電圧入力部８８によって取得する（ステップＳ３４０）。

そして、ＣＰＵは、判断部８３Ｂによって、すべての燃料電池ユニット４０Ｂにおけるセル電圧が所定値以上であるか否か、すなわち、燃料電池スタック１００Ｂの出力制限を解除してもよいか否かを判断する（ステップＳ３５０）。すべての燃料電池ユニット４０Ｂにおけるセル電圧が所定以上である場合には、ＣＰＵは、出力制御信号生成部８６によって、要求出力に応じた出力を行なうための出力制御信号を生成し、要求出力に応じて出力を制御する（ステップＳ３６０）。すなわち、燃料電池スタック１００Ｂに負荷を接続し、要求出力に応じた燃料電池スタック１００Ｂの運転制御を行う。一方、いずれかの燃料電池ユニット４０におけるセル電圧が所定値未満である場合には（ステップＳ３５０：ＮＯ）、ＣＰＵは、燃料電池スタック１００Ｂに異状があるものと判断して、警報処理部８９によって警報処理を行う（ステップＳ３７０）。この警報処理としては、例えば、警告ランプを点灯させたり、警告音を鳴らしたりする処理が挙げられる。そして、始動制御処理を終了する。

Ｃ４．第３実施例の効果：
以上説明した第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂによれば、先に説明した第１実施例と同様に、始動制御処理において、燃料電池スタック１００Ｂの始動時に、燃料電池スタック１００Ｂの出力を禁止するので（図９のステップＳ３１０）、先に説明した燃料電池スタック１００Ｂの始動時の、膜電極接合体のアノードにおける局所的な不純物ガスの滞留に起因する不具合を抑制することができる。

また、第２実施例の燃料電池システム１０００Ｂでは、電圧センサ４５によって検出されたセル電圧に基づいて、燃料電池の出力制限を解除してもよいか否かを判断することができる。

Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｄ１．変形例１：
上記第１実施例では、制御ユニット８０の運転条件入力部８２は、燃料電池スタック１００の運転条件として、燃料電池スタック１００の始動時に温度センサ４２によって検出された燃料電池ユニット４０の温度、および、圧力センサ５４によって検出された水素供給圧力と、タイマ８５によって計測された燃料電池スタック１００による発電停止時間を取得するものとしたが、本発明は、これに限られない。上記運転条件に、燃料電池スタック１００の発電停止時間を含めないものとしてもよい。さらに、上記運転条件に、温度センサ４２によって検出された燃料電池ユニット４０の温度、および、圧力センサ５４によって検出された水素供給圧力の一方を含めないものとしてもよい。これらの場合、図２に示したテーブルは、運転条件入力部８２が取得する運転条件の種類に応じて用意すればよい。

また、制御ユニット８０のテーブル記憶部８４を省略してもよい。この場合、始動制御処理において、燃料電池スタック１００を始動してから所定時間経過後に、燃料電池スタック１００の出力制限を解除するようにすればよい。

Ｄ２．変形例２：
上記第１実施例では、燃料電池スタック１００において、温度センサ４２は、燃料電池スタック１００における最端部に配置された、温度が最も低下しやすい燃料電池ユニット４０に備えられるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、燃料電池スタック１００におけるすべての燃料電池ユニット４０に温度センサ４２を備えるものとしてもよい。また、配管７２に温度センサを備えるようにして、配管７２内を流れる冷却水の温度に基づいて、燃料電池ユニット４０の温度を推定するようにしてもよい。

Ｄ３．変形例３：
上記第２実施例では、燃料電池スタック１００Ａの燃料電池ユニット４０Ａに水素濃度センサ４４を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。水素濃度センサ４４の代わりに、不純物濃度を検出可能なセンサ、例えば、窒素濃度センサを備えるものとしてもよい。

Ｄ４．変形例４：
上記第２実施例では、燃料電池スタック１００Ａのすべての燃料電池ユニット４０Ａに水素濃度センサ４４を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、燃料電池スタック１００Ａの中に、故意に、局所的な不純物の滞留が生じやすい燃料電池ユニット４０Ａを配置するようにして、その燃料電池ユニット４０Ａのみに４４水素濃度センサ４４を備えるようにしてもよい。

Ｄ５．変形例５：
上記第３実施例では、制御ユニット８０Ｂは、警報処理部８９を備えるものとしたが、これを省略してもよい。

Ｄ６．変形例６：
上記第１ないし第３実施例では、始動制御処理において、燃料電池スタックへの水素、および、酸素の供給直後は、出力を禁止するものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池スタックの出力を、要求出力よりも小さい出力（ゼロを除く）に制限するようにしてもよい。

Ｄ７．変形例７：
上記第１ないし第３実施例では、始動制御処理において、燃料電池スタックのアノードへの水素の供給、および、カソードへの空気の供給は、同時に行うものとしたが、それぞれ異なるタイミングで行うものとしてもよい。例えば、燃料電池スタックのアノードへの水素の供給を、カソードへの空気の供給よりも先に行うようにすれば、アノードに滞留していた不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側に透過（拡散）するのを促進することができる。

Ｄ８．変形例８：
上記第１実施例では、始動制御処理において、負荷からの燃料電池システム１０００に対する要求出力に基づいて、燃料電池スタック１００のアノード、および、カソードに、それぞれ、水素、および、空気を供給させ、燃料電池スタック１００の出力を禁止するものとしたが（図３のステップＳ１００，ステップＳ１１０）、本発明は、これに限られない。始動制御処理において、負荷からの要求出力とは無関係に、燃料電池スタック１００の出力を制限するようにしてもよい。この場合の燃料電池スタック１００のアノードへの水素の供給量は、任意に設定可能である。これは、第２実施例、および、第３実施例における始動制御処理においても同様である。

Ｄ９．変形例９：
上述した実施例では、アノードに供給された燃料ガスが、ほぼ全量、アノードで消費される構造を採用しているが、係る構造での運転が可能としているアノードへの燃料供給の流路構成としては、種々の構成が採用可能である。代表的な流路構成として、ここでは、上述した構成（以下、「シャワー流路タイプ」と呼ぶ）の他、櫛歯型の構成や循環型の構成などを挙げることができる。まず、シャワー流路タイプの変形例から説明する。

図１０は、第１変形例の構成を示す説明図である。第１変形例では、上述の実施例のシート部材に相当する分散板２１００が膜電極接合体２０００と一体として形成された構成を有している。膜電極接合体２０００は、水素側電極２２００と電解質膜２３００とを有している。また、分散板２１００には、所定間隔で多数の細孔（オリフィス）２１１０が設けられている。

図１１は、分散板２１００の機能を説明する説明図である。燃料ガスは、分散板２１００によって水素ガスを消費する水素側電極２２００から隔離された上流側の流路で分配される。上流側の流路で分配された燃料ガスは、分散板２１００に設けられた細孔２１１０を通って、燃料ガス消費層である水素側電極２２００に局所的に供給される。つまり、本変形例では、燃料ガスは、細孔２１１０の存在位置に対応する部位の水素側電極２２００に直接的に供給される。こうした局所的な燃料ガスの供給を実現する構成としては、例えば、燃料ガスが、水素側電極２２００の他の領域を経由することなく、燃料ガスを消費する部位に直接供給する経路を有する構成、あるいは水素側電極２２００の面外の離れた方向（好ましくは水素側電極２２００から隔離された流路）から水素側電極２２００に向かって、主として垂直な方向に燃料ガスを供給する構成なども採用可能である。一方、水素側電極２２００は、窒素の滞留が発生しにくい形状とすればよい。例えば、平滑な面（フラットな面）から構成し、電解質膜２３００側に凹部などを有しない形状とすればよい。

分散板２１００の細孔２１１０の径およびピッチは、実験的に定めることができるが、例えば所定の運転状態（たとえば定格運転状態）において、細孔２１１０を通過する燃料ガスの流速が窒素ガスの拡散による逆流を十分に抑制できるようにしても良い。係る条件が成立するように、細孔２１１０における十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように、細孔２１１０の間隔と流路断面積を設定すればよい。たとえば、固体高分子型燃料電池では、分散板２１００の開口率を１％程度以下とすることで、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生することが確認された。開口率とは、分散板２１００の開口面積を分散板２１００の全面積で除した割合である。このような開口率は、循環型の燃料ガス流路と比較すると１桁から２桁程度少ないため、循環型の燃料ガス流路にコンプレッサを用いて燃料ガスの流量を確保する構成とは本質的に異なっている。本実施例および変形例では、燃料タンクからの高圧水素を直接（あるいは所定の高圧圧力まで調圧弁で調圧した状態で）、燃料電池に導くことにより、開口率の低い構造でも十分な燃料ガスを確保している。

次に、上述のシャワー流路タイプの他の構成例について説明する。図１２は、第２変形例の構成を示す説明図である。この変形例では、水素側電極２２００と電解質膜２３００とを備えた膜電極接合体２２０１上に配置される分散板２１０１を、緻密な多孔体を用いて実現している。分散板２１０１の多孔体の開口率は、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように選択されている。細孔を用いた場合には、細孔毎に、いわば離散化して、燃料ガスが局所的に供給されるのに対して、多孔体を用いた場合には、連続的に燃料ガスを供給することができるという利点を有している。また燃料ガスの水素側電極２２００への供給が一層均一化されるという利点も得られる。緻密な多孔体は、カーボン粉を焼結することによって製造しても良いし、カーボン分や金属粉をバインド剤を用いて固めることにより製造することも可能である。多孔は、連続多孔体であれば良く、厚さ方向への連続性を確保して面方向の連続性を確保しない異方性を備えたものとしても良い。多孔体の開口率については、第１変形例と同様に決定すればよい。

次に第３変形例について説明する。図１３は、プレスメタルを用いて構成された分散板２１０２を示す説明図、図１４は、図１３におけるＣ−Ｃ断面を示す模式図である。分散板２１０２は、分散板２１０２の上流側の流路を形成するための突部２１０２ｔを備え、この突部２１０２ｔの側面には細孔２１１２が形成されている。この分散板２１０２は、電解質膜２３００の両側に水素側電極２２００と酸素側電極２４００とを備えた膜電極接合体２２０２の水素側電極２２００側に配置されており、図１４に示したように、突部２１０２ｔを利用して、分散板２１０２の上流側の流路を一体に形成している。燃料ガスは、この突部２１０２ｔの側面に形成された細孔２１１２を介して、水素側電極２２００に供給される。

係る構成によれば、分散板２１０２をプレス加工により容易に形成することができるうえ、分散板２１０２上流の流路を簡易に形成できるという利点も得られる。細孔２１１２を通過した燃料ガスは、突部２１０２ｔ内部の空間を経て、水素側電極２２００に到るので、分散性を十分に確保することができる。細孔２１１２は、プレス加工に拠って形成しても良いし、突部２１０２ｔの形成の前工程または後工程において、放電加工など、他の手法により形成しても良い。細孔２１１２による開口率については、第１変形例と同様に決定すればよい。

次に、第４変形例について説明する。図１５は、分散板２０１４ｈｍの内部に、流路を形成した構成例を示す説明図である。この変形例の分散板２０１４ｈｍは、長方形の形状の分散板２０１４ｈｍの短手方向に形成された複数の流路２１４２ｎと、この流路２１４２ｎから、分散板２０１４ｈｍの厚さ方向に設けられ、図示しない水素電極側に開披した多数の細孔２１４３ｎとを備える。分散板２０１４ｈｍは、電解質膜２３００の両側に水素側電極（図示せず）と酸素側電極２４００とを備えた膜電極接合体２２０３の水素側電極側に配置されており、分散板２０１４ｈｍを介して、燃料ガスの供給を受ける。係る構成に拠れば、各細孔２１４３ｎまでの流路を、個別に用意できるという利点が得られる。なお、図１７では、細孔２１４３ｎの配置は千鳥状としたが、格子状であってもよいし、ある程度ランダムに配置しても良い。

次に、第５変形例について説明する。図１６は、パイプを使用して分散板２０１４ｈｐを形成した例を示す説明図である。分散板２０１４ｈｐは、図１６に示したように、矩形のフレーム２１４０を備え、その短手方向に亘って、中空の多数のパイプ２１３０を備えている。このパイプ２１３０の表面には、複数の細孔２１４１ｎが形成されている。この分散板２０１４ｈｐは、水素側電極２２００とで電解質膜２３００とを備えた膜電極接合体２２０４の水素側電極２２００上に設置される。分散板２０１４ｈｐのフレーム２１４０に用意されたガス流入口から燃料ガスを供給すると、燃料ガスは、分散板２０１４ｈｐの各パイプ２１３０の内部を通り、細孔２１４１ｎから、水素側電極２２００へと分配される。係る構成によれば、燃料ガスを均一に分散できるのに加えて、分散板２０１４ｈｐを構成するのに細孔２１４１ｎを除いて穴加工を行なう必要がないという利点が得られる。細孔２１４１ｎは、水素側電極２２００側に向けて配置して良いし、反対側に向けて配置してもよい。後者の場合には、燃料ガスの分散性は一層改善される。

以上説明したように、燃料ガスを水素側電極２２００に分散させつつ導く構造であれば、種々の構成を採用することができる。分散板としては、多孔体やプレスメタルに限られず、燃料ガスを分配しつつ水素側電極２２００に導くように構成されていればよい。

Ｄ１０．変形例１０：
上述した実施例では、燃料ガス流路について、詳細な説明を省略したが、燃料ガスの流路の形態は種々の構成を採ることができる。

図１７は、いわゆる分岐流路タイプの燃料ガス流路を用いた構成例を示す模式図である。図示する燃料ガス流路は、上述した実施例のアノード側金属多孔体に代えて用いられる流路形成部材５０００に、櫛歯状に形成されている。具体的には、ガス流路は、燃料ガスを導入する主流路５０１０、この主流路から分岐し、主流路５０１０とは交差する方向に形成された複数本の副流路５０２０、この副流路から更に櫛歯状に分岐する櫛歯流路５０３０から形成されている。主流路５０１０および副流路５０２０は、先端の櫛歯流路５０３０と比べて流路断面積を十分に確保しているので、流路形成部材５０００の面内の圧力分布は、アノード側金属多孔体と同程度もしくはそれ以下となっている。

この流路形成部材５０００は、カーボンや金属などを用いて形成することができる。カーボンを用いる場合は、型を用いてカーボン粉を高温または低温で焼結することにより、図１７に示した流路を備えた流路形成部材５０００を得ることができる。金属を用いる場合には、金属プレートから溝を削り出すことにより、同様の流路を備えた流路形成部材５０００を形成しても良いし、あるいはプレス加工により、図示する流路を備えた流路形成部材５０００を得ても良い。なお、流路形成部材５０００は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。

なお、この流路形成部材５０００は、アノード側金属多孔体に代えて用いてもよいが、アノード側金属多孔体およびシート部材ごと代替してもよい。この場合には、櫛歯流路５０３０を十分に細い流路とし、副流路５０２０から、いわば毛細血管のように細かくかつ多数に分岐させておけばよい。また、図１７では、主流路５０１０を流路形成部材５０００の一縁部に沿って設けたが、流路形成部材５０００面内の燃料ガスの圧力差を小さくするために、主流路５０１０を複数の縁部に設けて、副流路５０２０の長さを短くしたり、あるいは主流路５０１０を流路形成部材の中心に設けて、副流路５０２０を主流路５０１０の左右に配置しても良い。同様に、櫛歯流路５０３０は、副流路５０２０の両側に設けても差し支えない。

次に、図１８に基づいて、サーペンタイン型の流路構成について説明する。図１８は、流路が葛籠折れの形状をとっているサーペンタイン型流路を備えた流路形成部材の構成例を模式的に示す模式図である。図１８（Ａ）は、燃料ガスの流路が単一のタイプの流路形成部材５１００を例示し、図１８（Ｂ）は、燃料ガス流路が複数本統合されたタイプの流路形成部材５２００を例示している。

図示するように、図１８（Ａ）に例示した流路形成部材５１００は、燃料ガスの流路を囲う外壁のうち対向する外壁５１１０，５１１５から、内側に向けて交互に延長された複数の流路壁５１２０を備える。流路壁５１２０で区切られた部分が連続する流路となっている。この一端に流入口５１５０が形成されており、燃料ガスはここから流路に供給される。この流路形成部材５１００は、図１７の流路形成部材５０００と同様、上述した実施例のアノード側金属多孔体に代えて用いられる。

図１８（Ｂ）は、このサーペンタイン型流路が、複数本の流路の束として構成された例を示している。この場合、外壁５２１０および５２１５から内側に向けて交互に延長された複数の流路壁５２２０の間に、外壁５２１０，５２１５とは連設されていない仕切壁５２３０，５２４０が設けられている。また、流路の入り口には、流入口５２５０が形成されている。流入口５２５０から流入した燃料ガスは、仕切壁５２３０，５２４０を備えた幅広のサーペンタイン型流路を流れて、流路形成部材５２００の面方向にくまなく行き渡る。この流路形成部材５２００は、図１８の流路形成部材５０００と同様、上述した実施例のアノード側金属多孔体に代えて用いられる。

図１８に示した流路形成部材５１００，５２００は、図１７に示した櫛歯型の流路を備えた流路形成部材５０００と同様に、カーボンや金属から形成される。その形成方法も同様である。これらの流路形成部材５１００，５２００は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。

Ｄ１１．変形例１１：
図１９は、燃料ガスの供給形態の変形例の一つとして、循環路タイプの燃料電池６０００の内部構成を模式的に示す説明図である。図示するように、本変形例の燃料電池６０００では、アノード側セパレータ６２００に、燃料ガス流路となる凹部６２２０と燃料ガス入口ポート６２１０と規制板６２３０とが設けられている。燃料ガス流路となる凹部６２２０は、アノード側セパレータ６２００の膜電極接合体のアノード６１００と対向する領域に亘って形成されている。アノード側セパレータ６２００における燃料ガス入口ポート６２１０には、ノズル６３００が、凹部６２２０に向けて燃料ガスを噴出可能に取り付けられている。このノズル６３００から燃料ガスを噴出することによって、燃料ガス入口ポート６２１０から、凹部６２２０内に燃料ガスが供給される。規制板６２３０は、燃料ガスの流れ方向を規制する部材であり、ノズル６３００の近傍から、凹部６２２０の中心付近に向けて、凹部６２２０の底面から立設されている。規制板６２３０のノズル６３００に近い側の端部は、ノズル６３００の側面形状に合わせて湾曲され、ノズル６３００との間で通路Ａを形成している。

このような燃料電池６０００では、燃料ガス入口ポート６２１０から供給された燃料ガスが、ノズル６３００の噴射孔６３２０から燃料ガス流路（凹部６２２０）内に噴射されると、この燃料ガスは、アノード側セパレータ６２００の凹部６２２０の内側壁、および、規制板６２３０によって流れ方向が規制され、図中に白抜き矢印で示したように、アノード６１００の表面に沿って、図示した上流側から下流側に流れる。このとき、ノズル６３００から噴出する高速の燃料ガスによって生じるエゼクタ効果により、下流側の燃料ガスおよび不純物ガスを含む流体は、規制板６２３０の一方の端部とノズル６３００との間の隙間（通路Ａ）から吸引され、上流側に循環する。こうすることによって、燃料ガス流路、および、アノード６１００表面における上記流体の滞留を抑制することができる。

なお、上記変形例７の燃料電池６０００では、エゼクタ効果を利用して、上記流体をアノード６１００の表面に沿った方向に循環させるものとしたが、燃料電池の内部において、アノードの表面に沿った方向に上記流体を循環させることが可能な構造であれば、他の構成を用いても良い。例えば、燃料電池６０００において、ノズル６３００や規制板６２３０の代わりに、アノード側セパレータ６２００や、アノード６１００の面内等、燃料ガス流路となり得る部位に、整流板を設けるようにし、この整流板、および燃料ガスの流れによって、上記流体をアノード６１００の表面に沿った方向に循環させるようにしてもよい。あるいは凹部６２２０などのガス流路に、微小なアクチュエータ（例えばマイクロマシン）を循環路に沿って組み込んで、燃料ガスの循環を起こさせる構造としても良い。このほか、凹部６２２０内に温度差を設けて対流を利用して循環を起こさせる構成も考えられる。

Ｄ１２．変形例１２，１３：
図２０及び図２１を用いて、上述した実施例の変形例１２及び変形例１３について説明する。図２０は、変形例１２についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。図２１は、変形例１３についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。まず、両変形例に共通する構成から説明する。これらの変形例１２，１３の燃料電池では、発電体は、フレーム７５５０と膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）７５１０と多孔体７５４０を備える。フレーム７５５０の中央部には、ＭＥＧＡ７５１０を嵌め込むための開口部７５５５が設けられており、この開口部７５５５を覆うように、ＭＥＧＡ７５１０が配置される。多孔体７５４０はＭＥＧＡ７５１０の上に配置される。また、フレーム７５５０の外周部には、燃料ガスや空気、あるいは冷却水が通る貫通孔が複数設けられているのは、上述した実施例と同一である。

変形例１２と変形例１３とは、上記の全体構造はほぼ同一であり、燃料ガスが、図示しないアノード対向プレートを介して供給される点も同一である。変形例１２と変形例１３とでは、多孔体７５４０への燃料ガスの供給方向が異なっている。変形例１２では、多孔体７５４０に燃料を供給するための複数の燃料ガス供給口７４１７ａは、フレーム７５５０の開口部７５５５の外縁部のうち、一つの長辺近傍に一列に設けられ、もう一列の複数の燃料ガス供給口７４１７ｂは、対向するもう一つの長辺近傍に配置されている。他方、変形例１３では、図２１に示したように、複数の燃料ガス供給口７５１７ａ及び燃料ガス供給口７５１７ｂは、それぞれ、開口部７５５５の対向する２つの短辺に隣接して配置されている。

変形例１２では、燃料ガスは、燃料ガス供給口７４１７ａや燃料ガス供給口７４１７ｂを通り、多孔体７５４０の中で長辺端部側から中央方向、すなわち矢印７６００ａの方向（図２０において上から下へ）へ、あるいは矢印７６００ｂの方向（図２０において下から上へ）に供給される。このとき、燃料ガス供給口７４１７ａを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスと燃料ガス供給口７４１７ｂを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスは、モジュールの中央付近でぶつかり混合する。一方、変形例１３では、燃料ガスは、燃料ガス供給口７５１７ａや燃料ガス供給口７５１７ｂを通り、多孔体７５４０の中で短辺端部側から中央方向、すなわち矢印７７００ａの方向（図２１において左から右へ）及び矢印７７００ｂの方向（図２１において右から左へ）に流れる。変形例１３でも、燃料ガス供給口７５１７ａを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスと燃料ガス供給口７５１７ｂを通って多孔体７５４０に供給された燃料ガスは、モジュールの中央付近でぶつかり混合する。

以上説明した変形例１２、１３によれば、燃料ガスは、多孔体７５４０に対して、対向する２つの辺の端部側に設けられた複数の燃料ガス供給口７４１７ａおよび燃料ガス供給口７４１７ｂ（あるいは燃料ガス供給口７５１７ａおよび燃料ガス供給口７５１７ｂ）から、対向する２方向に供給される。対向流として供給された燃料ガスは、多孔体７５４０の中央部でぶつかって互いに混合するので、窒素ガスなどの不純物が局在化しにくいという利点が得られる。したがって、燃料電池の発電効率を向上させることができる。もとより、対向する２辺から燃料ガスを供給することにより、多孔体７５４０内での燃料ガスの分布の偏りが抑制されるという利点も得られる。なお、変形例１２、１３ではガス流路として多孔体を用いているが、ガス流路は多孔体に限られず、種々の供給方式が利用可能である。

Ｄ１３．変形例１４：
上記実施例の燃料電池では、内部構造についての詳細な説明は省略したが、アノード側の燃料ガス供給流路、および、カソード側の酸化剤ガス供給流路は、それぞれ、一層の金属多孔体によって形成されている。しかし、燃料ガス供給流路や、酸化剤ガス供給路の構成はこれに限られるものではない。例えば、燃料ガス供給流路や、酸化剤ガス供給流路を、セパレータに形成されたリブを用いて、ストレート型若しくはサーペンタイン型に形成してもよいし、複数のディンプルを用いて形成してもよい。このようにすれば、簡易な構成で、燃料ガス供給流路や、酸化剤ガス供給流路を形成することができる。これらは、燃料電池全体の構成や使用条件などに合わせて適切な構成を採用すればよい。

本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。 第１実施例の制御ユニット８０内の始動制御処理を実行するための機能ブロックを示す説明図である。 第１実施例の始動制御処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。 第２実施例の制御ユニット８０Ａ内の始動制御処理を実行するための機能ブロックを示す説明図である。 第２実施例の始動制御処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第３実施例としての燃料電池システム１０００Ｂの概略構成を示す説明図である。 第３実施例の制御ユニット８０Ｂ内の始動制御処理を実行するための機能ブロックを示す説明図である。 第３実施例の始動制御処理の流れを示すフローチャートである。 第１変形例の構成を示す説明図である。 分散板２１００の機能を説明する説明図である。 第２変形例の構成を示す説明図である。 プレスメタルを用いて構成された分散板２１０２を示す説明図である。 図１３におけるＣ−Ｃ断面を示す模式図である。 分散板２０１４ｈｍの内部に流路を形成した構成例を示す説明図である。 パイプを使用して分散板２０１４ｈｐを形成した例を示す説明図である。 分岐流路タイプの燃料ガス流路を用いた構成例を示す模式図である。 流路が葛籠折れの形状をとっているサーペンタイン型流路を備えた流路形成部材の構成例を模式的に示す模式図である。 燃料ガスの供給形態の変形例の一つとして循環路タイプの燃料電池６０００の内部構成を模式的に示す説明図である。 変形例１２についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。 変形例１３についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。 燃料電池の構成例を示す説明図である。 燃料電池の構成例を示す説明図である。

符号の説明

１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ...燃料電池システム
１００，１００Ａ，１００Ｂ...燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ...エンドプレート
２０ａ，２０ｂ...絶縁板
３０ａ，３０ｂ...集電板
４０，４０Ａ，４０Ｂ...燃料電池ユニット
４２...温度センサ
４４...水素濃度センサ
４５...電圧センサ
５０...水素タンク
５１...シャットバルブ
５２...レギュレータ
５３...配管
５４...圧力センサ
６０...コンプレッサ
６１...配管
６２...排出配管
６３...圧力センサ
６４...調圧バルブ
７０...ポンプ
７１...ラジエータ
７２...配管
８０，８０Ａ，８０Ｂ...制御ユニット
８１...要求出力入力部
８２...運転条件入力部
８３，８３Ａ，８３Ｂ...判断部
８４...テーブル記憶部
８５...タイマ
８６...出力制御信号生成部
８７...水素濃度入力部
８８...セル電圧入力部
８９...警報処理部
２０００...膜電極接合体
２０１４ｈｍ...分散板
２０１４ｈｐ...分散板
２１００，２１０１，２１０２...分散板
２１０２ｔ...突部
２１１０，２１１２...細孔
２１３０...パイプ
２１４０...フレーム
２１４１ｎ...細孔
２１４２ｎ...流路
２１４３ｎ...細孔
２２００...水素側電極
２２０１，２２０２，２２０３，２２０４...膜電極接合体
２３００...電解質膜
２４００...酸素側電極
５０００...流路形成部材
５０１０...主流路
５０２０...副流路
５０３０...櫛歯流路
５１００...流路形成部材
５１１０...外壁
５１２０...流路壁
５１５０...流入口
５２００...流路形成部材
５２１０...外壁
５２２０...流路壁
５２３０...仕切壁
５２５０...流入口
６０００...燃料電池
６１００...アノード
６２００...アノード側セパレータ
６２１０...燃料ガス入口ポート
６２２０...凹部
６２３０...規制板
６３００...ノズル
６３２０...噴射孔
７４１７ａ，７４１７ｂ...燃料ガス供給口
７５１７ａ，７５１７ｂ...燃料ガス供給口
７５４０...多孔体
７５５０...フレーム
７５５５...開口部

Claims (10)

1. 燃料電池システムであって、
   電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体を備え、前記アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用する燃料電池と、
   前記アノードに、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
   前記カソードに、酸素と酸素以外の不純物ガスとを含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
   前記カソードにおいて、発電に利用されなかった酸化剤ガスであるカソードオフガスを、前記燃料電池の外部に排出するカソードオフガス排出部と、
   負荷からの要求出力を入力する要求出力入力部と、
   前記入力された要求出力に基づいて、前記燃料電池の出力を制御する出力制御部と、を備え、
   前記出力制御部は、
   前記入力された要求出力に基づいて、前記燃料ガス供給部と、前記酸化剤ガス供給部と、前記カソードオフガス排出部を制御して、前記アノード、および、前記カソードに、それぞれ、前記燃料ガス、および、前記酸化剤ガスを供給させ、前記カソードから、前記カソードオフガスを排出させるとともに、
   前記燃料電池の始動時に、前記燃料電池の出力を、前記要求出力よりも小さい出力に制限する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と、前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が、所定値未満であるか否かを判断する判断部を備え、
   前記出力制御部は、
   前記燃料電池の始動後の所定のタイミングで、前記判断部によって、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と、前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が、前記所定値未満であると判断された場合に、前記燃料電池の出力を、前記入力された要求出力に応じて制御する、
   燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池の始動時における前記燃料ガスの供給条件を含む前記燃料電池の運転条件を入力する運転条件入力部と、
   前記運転条件と、前記燃料電池の始動から前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満になるまでの時間との対応関係を予め記録したテーブルを記憶するテーブル記憶部と、
   前記燃料電池の始動時からの経過時間を計測するタイマと、を備え、
   前記判断部は、
   前記入力された運転条件、および、前記テーブルに基づいて、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満になるまでの時間を設定し、前記タイマを参照することによって、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と、前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が、前記所定値未満であるか否かを判断する、
   燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池ガスの供給条件は、前記燃料ガスの供給圧力、および、前記発電体の温度の少なくとも一方を含み、
   前記燃料電池システムは、さらに、
   前記燃料ガスの供給圧力を検出する圧力センサ、および、前記発電体の温度を検出する温度センサの少なくとも一方を備える、
   燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
   前記運転条件は、さらに、前記燃料電池の発電停止時間を含み、
   前記タイマは、さらに、前記発電停止時間を計測し、
   前記判断部は、前記タイマによって計測された前記停止時間を考慮して、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満になるまでの時間を設定する、
   燃料電池システム。
6. 請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記アノードにおける前記不純物ガス、または、前記燃料ガスの濃度を検出する濃度センサを備え、
   前記判断部は、前記濃度センサによって検出された前記不純物ガス、または、前記燃料ガスの濃度に基づいて、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満であるか否かを判断する、
   燃料電池システム。
7. 請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記アノードと前記カソードとの間の電圧を検出する電圧検出部を備え、
   前記判断部は、前記電圧検出部によって検出された電圧に基づいて、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満であるか否かを判断する、
   燃料電池システム。
8. 燃料電池システムであって、
   電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体を備え、前記アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用する燃料電池と、
   前記アノードに、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
   前記燃料電池の始動時に、前記燃料ガス供給部から前記燃料ガスの供給を開始してから所定の条件を満たすまで、前記燃料電池の出力を制御する出力制御部と、
   を備える燃料電池システム。
9. 電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体を備え、前記アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用する燃料電池の制御方法であって、
   前記燃料電池に対する要求出力を取得する要求出力取得工程と、
   前記取得した要求出力に基づいて、前記アノード、および、前記カソードに、それぞれ、前記燃料ガス、および、酸素と該酸素以外の不純物ガスとを含む酸化剤ガスを供給し、前記カソードにおいて、発電に利用されなかった酸化剤ガスであるカソードオフガスを、前記カソードから前記燃料電池の外部に排出するとともに、前記燃料電池の出力を制御する出力制御工程と、を備え、
   前記出力制御工程は、
   前記燃料電池の始動時に、前記燃料電池の出力を、前記要求出力よりも小さい出力に制限する出力制限工程を含む、
   制御方法。
10. 電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体を備え、前記アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用する燃料電池の制御方法であって、
    前記燃料電池の始動時に、前記アノードに、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給工程と、
    前記燃料ガスの供給を開始してから所定の条件を満たすまで、前記燃料電池の出力を制限する出力制限工程と、
    を備える制御方法。

Images