JP2009134987A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のアノードの発電性能の低下を抑制できる構成を有する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】混合ガス供給マニホールド群と、触媒をそれぞれ含むアノード２ａ及びカソード２ｂと燃料ガス流路６と酸化剤ガス流路７とを有する複数のセルが積層されたセル積層体５０と、セル積層体５０に所定数のセルの間隔でセルの境界部に形成された冷却水流路８と、を有する燃料電池１０１と、エアブリードガス供給機構と、を備え、セル積層体５０の積層方向に３分した３つの部分のうち、両側の部分は、その燃料ガス流路６の上流端から第１混合ガスが供給される第１セル２０のみで構成されており、残りの部分は、その燃料ガス流路６の上流端から第２混合ガスが供給されるように接続されている第２セル３０を含んで構成されている、燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、アノードにおける触媒の耐ＣＯ被毒性の低下防止を図った燃料電池システムに関する。

高分子電解質形燃料電池は、（以下、ＰＥＦＣという）は、都市ガスなどの原料ガスを改質し水素を含む燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電気と熱を同時に発生させるものである。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、電解質層及び一対のガス拡散電極から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極積層体）と、ガスケットと、導電性のセパレータと、を有している。セパレータには、ガス拡散電極と当接する主面に燃料ガス又は酸化剤ガス（これらを反応ガスという）を流すための溝状のガス流路が設けられている。そして、周縁部にガスケットが配置されたＭＥＡが一対のセパレータで挟まれて、セルが構成されている。燃料電池スタックは、このセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルとを締結具により締結することにより、形成される。

このようなＰＥＦＣに使用される燃料ガスである水素ガスは、インフラが整備されていないので、家庭用の燃料電池には、一般に燃料処理器が併設される。この燃料処理器は、一般には、インフラが整備された都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器を備えている。しかし、この改質ガスは副生物として一酸化炭素（以下、ＣＯという）を多く含むため、通常は、改質器の下流に変成器及び浄化器が設置されて、そのＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下に低減され、これが燃料ガスとして燃料電池のアノードに供給される。

一方、アノードに含まれる触媒の材料としては、一般に白金が用いられるが、この白金は、燃料電池の動作温度領域において、ＣＯにより被毒し、その触媒活性が低下する。このため、アノードの触媒は、通常、白金−ルテニウム合金等の耐ＣＯ被毒性を有する材料で構成される。

しかしながら、このような耐ＣＯ被毒性を有する材料でアノードの触媒を構成しても、燃料ガス中には、ＣＯが含まれているため、アノードの触媒活性の低下を完全に防止することができない。

このため、一定の割合の酸化剤ガスを混入した燃料ガスをアノードに供給するエアブリードを行い、この酸化剤ガスによってアノードに吸着された一酸化炭素を酸化除去する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、酸化剤ガスの圧力を高めてから燃料極（アノード）に酸化剤ガスを混入してエアブリードを行うため、燃料供給ラインに確実に酸化剤ガスを供給することができる
特開２００４−２４５３９号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池システムであっても、燃料電池スタックのアノードの発電性能の低下を充分に防止するという観点からは、未だ改善の余地があった。

本発明は、上記従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックのアノードの発電性能の低下を抑制できる燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下の点を見出した。

上記従来の燃料電池システムのようにエアブリードを行う場合、燃料ガス中の酸化剤ガスの濃度は、アノードのＣＯ被毒が進行している程度に合わせ、最適な酸化剤ガス濃度に調整する必要がある。すなわち、ＣＯ被毒しているアノードにおいて、酸化剤ガスが不足すると、アノードに吸着している一酸化炭素の酸化除去が充分行うことができない。一方、酸化剤ガスが過剰であると、アノードで燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼反応が起こり、アノードの触媒がさらに劣化することや、燃料ガスが燃焼することで燃料ガスがアノードでの発電反応以外に使用され、燃料ガスの発電への寄与率（発電効率）が低下することとなる。

ところで、燃料電池スタックは、その内部のセル毎に温度の分布を有していることが知られている。具体的には、燃料電池スタックの両端側は、その主面が外気に近いため、熱が放熱されやすく、中央側に比べて、その温度が低い。本発明者等は、各セルのアノード毎にＣＯ被毒が進行している程度が異なっており、ＣＯ被毒が比較的進行しているアノードと、ＣＯ被毒が比較的進行していないアノードとが、燃料電池スタック内に存在するということを見出し、燃料ガス中の酸化剤ガスの濃度を一定にしてアノードに供給した場合、酸化剤ガスが比較的不足しているアノードと、酸化剤ガスが比較的過剰であるアノードが存在するという知見を得た。そして、燃料電池スタック内の温度分布とアノードのＣＯ被毒の程度との間に相関性を有するということを見出した。

本発明者等は、これらの知見に基づき、以下に記載する構成を採用することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明に到達した。

すなわち、上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及びエアブリードガスを所定の割合（以下、第１の割合）で含む第１混合ガス、並びに、燃料ガス及びエアブリードガスを前記第１の割合以上である第２の割合で含む第２混合ガスをそれぞれ取りだすことが可能な態様で燃料ガス及びエアブリードガスを供給する混合ガス供給マニホールド群と、触媒をそれぞれ含むアノード及びカソードと前記アノード及び前記カソードの間に配置されている高分子電解質膜と前記アノードに接触しながら燃料ガスが流れるように形成された燃料ガス流路と前記カソードに接触しながら酸化剤ガスが流れるように形成された酸化剤ガス流路とを有する複数のセルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体に所定数のセルの間隔で前記セルの境界部に形成された冷却水流路と、を有する燃料電池と、前記混合ガス供給マニホールド群に、前記エアブリードガスを供給するためのエアブリードガス供給機構と、を備え、前記セル積層体の積層方向に３分した３つの部分のうち、両側の部分は、前記第１混合ガスが供給されるように、その燃料ガス流路の上流端が前記混合ガス供給マニホールド群に接続されているセル（以下、第１セル）のみで構成されており、残りの部分は、前記第２混合ガスが供給されるように、その燃料ガス流路の上流端が前記混合ガス供給マニホールド群に接続されているセル（以下、第２セル）を含んで構成されている。

これにより、セル積層体において、その両側の部分に対し、相対的にアノードのＣＯ被毒化が進行している、その残りの部分（中央部分）にエアブリードガスを多く供給することができる。その結果、燃料電池スタックのアノードの発電性能の低下を抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記混合ガス供給マニホールド群は、前記第１混合ガスを供給するための第１混合ガス供給マニホールドと前記第２混合ガスを供給するための第２混合ガス供給マニホールドとから構成され、前記第１セルの前記燃料ガス流路の上流端は、前記第１混合ガス供給マニホールドに接続され、前記第２セルの前記燃料ガス流路の上流端は、前記第２混合ガス供給マニホールドに接続されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記混合ガス供給マニホールド群は、前記第１混合ガスを供給するための第１混合ガス供給マニホールドと燃料ガス及びエアブリードガスを含む混合ガスを供給するための第２混合ガス供給マニホールドとから構成され、前記第１セルの前記燃料ガス流路の上流端は、前記第１混合ガス供給マニホールドに接続され、前記第２セルの前記燃料ガス流路の上流端は、前記第１混合ガス供給マニホールドと前記第２混合ガス供給マニホールドとの両方に接続されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記混合ガス供給マニホールド群は、前記第１混合ガスを供給するための第１混合ガス供給マニホールドとエアブリードガスを供給するためのエアブリードガス供給マニホールドとから構成され、前記第１セルの前記燃料ガス流路の上流端は、前記第１混合ガス供給マニホールドに接続され、前記第２セルの前記燃料ガス流路の上流端は、前記第１混合ガス供給マニホールドと前記エアブリードガス供給マニホールドとの両方に接続されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記セル積層体の前記残りの部分は、前記第２セルのみで構成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、１セル間隔で前記セルの境界部に、前記冷却水流路が形成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記セル積層体の前記残りの部分は、前記第１セルと前記第２セルが交互に積層されて構成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、２セル間隔で前記セルの境界部に、前記冷却水流路が形成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記セル積層体の両側の部分は、該セル積層体の両端から２セル以下のセルで構成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１混合ガス供給マニホールドにその下流端が連通する第１混合ガス供給路と、前記第２混合ガス供給マニホールドにその下流端が連通する第２混合ガス供給路と、前記第１及び第２混合ガス供給路に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給機構と、を備え、前記エアブリードガス供給機構は、エアブリードガス供給器と、その上流端が前記エアブリードガス供給器に接続され、その下流端が前記第１混合ガス供給路に連通する第１エアブリードガス供給路と、前記第１エアブリードガス供給路に設けられ、該第１エアブリードガス供給路を通流するエアブリードガスの流量を調整するための第１流量調整器と、その上流端が前記エアブリードガス供給器に接続され、その下流端が前記第２混合ガス供給マニホールドに連通する第２エアブリードガス供給路と、前記第２エアブリードガス供給路に設けられ、該第２エアブリードガス供給路を通流するエアブリードガスの流量を調整するための第２流量調整器と、を有していてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１混合ガス供給マニホールドにその下流端が連通する第１混合ガス供給路と、前記第１混合ガス供給路に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給機構と、を備え、前記エアブリードガス供給機構は、エアブリードガス供給器と、その上流端が前記エアブリードガス供給器に接続され、その下流端が前記第１混合ガス供給路に連通する第１エアブリードガス供給路と、前記第１エアブリードガス供給路に設けられ、該第１エアブリードガス供給路を通流するエアブリードガスの流量を調整するための第１流量調整器と、その上流端が前記エアブリードガス供給器に接続され、その下流端が前記エアブリードガス供給マニホールドに連通する第３エアブリードガス供給路と、前記第３エアブリードガス供給路に設けられ、該前記第３エアブリードガス供給路を通流するエアブリードガスの流量を調整するための第３流量調整器と、を有していてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記酸化剤ガス供給マニホールドにその下流端が連通する酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤ガス供給路の上流端に接続され該酸化剤ガス供給路を通じて前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器と、を備え、前記第１エアブリードガス供給路の上流端は、前記酸化剤ガス供給路と連通し、前記第２エアブリードガス供給路の上流端は、前記酸化剤ガス供給路と連通し、前記エアブリード供給器は、前記酸化剤ガス供給器であってもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記酸化剤ガス供給マニホールドにその下流端が連通する酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤ガス供給路の上流端に接続され該酸化剤ガス供給路を通じて前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器と、を備え、前記第１エアブリードガス供給路の上流端は、前記酸化剤ガス供給路と連通し、前記第３エアブリードガス供給路の上流端は、前記酸化剤ガス供給路と連通し、前記エアブリード供給器は、前記酸化剤ガス供給器であってもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２の割合が前記第１の割合以上になるように、前記エアブリードガス供給機構を制御する制御器を有していてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２の割合が前記第１の割合以上になるように、前記第１及び第２流量調整器を制御する制御器を有していてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２の割合が前記第１の割合以上になるように、前記第１及び第３流量調整器を制御する制御器を有していてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、制御器と、前記第１及び第２セルの電圧値を検出する電圧検出器を備え、前記制御器は、前記電圧検出器で検出された第１及び第２セルの電圧値に基づいて、前記第１及び第２流量調整器を制御してもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、制御器と、前記第１及び第２セルの電圧値を検出する電圧検出器を備え、前記制御器は、前記電圧検出器で検出された第１及び第２セルの電圧値に基づいて、前記第１及び第３流量調整器を制御してもよい。

本発明の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの各セルのアノード毎のＣＯ被毒が進行している程度に合わせて、燃料ガス中のエアブリードガスの流量（濃度）を異ならせることにより、アノードの発電性能の低下を抑制することができ、燃料電池システムの運転の安全性及び信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（実施の形態１）
[燃料電池システムの構成]
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。なお、図１では、本発明を説明するために必要な構成要素のみを記載し、その他の構成要素については記載を省略している。

図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１０１、燃料処理器１０２、酸化剤ガス供給器１０３、冷却水タンク１０４、及び制御器１０５を備えており、燃料電池１０１で、燃料処理器１０２から供給された燃料ガスと酸化剤ガス供給器１０３から供給された酸化剤ガスとを反応させることにより、熱と電力が生成されるように構成されている。

まず、燃料電池１０１について、図２を参照しながら説明する。

図２は、図１に示す燃料電池１０１の概略構成を模式的に示す斜視図である。

燃料電池１０１は、ここでは、高分子電解質形燃料電池で構成されている。そして、図２に示すように、燃料電池１０１は、板状の全体形状を有する第１及び第２セル２０、３０が、その厚み方向に積層されてなるセル積層体５０と、該セル積層体５０の両端に配置された一対の端板４０ａ、４０ｂと、セル積層体５０と端板４０ａ、４０ｂとの間に配置された集電板及び絶縁板（図示せず）と、端板４０ａ、４０ｂ、集電板、絶縁板、及びセル積層体５０を締結する締結具（図示せず）と、を有するセルスタック（燃料電池スタック）で構成されている。

セル積層体５０には、積層方向に貫通するように、第１混合ガス供給マニホールド５１、第２混合ガス供給マニホールド５２、混合ガス排出マニホールド５３、酸化剤ガス供給マニホールド５４、酸化剤ガス排出マニホールド５５、冷却水供給マニホールド５６、及び冷却水排出マニホールド５７が設けられている。また、第１の端板４０ａには、厚み方向に貫通する貫通孔が、第１混合ガス供給マニホールド５１、第２混合ガス供給マニホールド５２、酸化剤ガス供給マニホールド５４、及び冷却水排出マニホールド５７とそれぞれ連通するように設けられており、該貫通孔には、それぞれ、第１混合ガス供給路６１、第２混合ガス供給路６２、酸化剤ガス供給路６４、及び冷却水排出路６７が接続されている。同様に、第２端板４０ｂには、厚み方向に貫通する貫通孔が、混合ガス排出マニホールド５３、酸化剤ガス排出マニホールド５５、及び冷却水供給マニホールド５６とそれぞれ連通するように設けられており、該貫通孔には、それぞれ、混合ガス排出路６３、酸化剤ガス排出路６５、及び冷却水供給路６６が接続されている。

また、セル積層体５０は、上述したように第１セル２０と第２セル３０とを有しており、本実施の形態においては、第１セル２０が、複数の第２セル３０が積層された積層体の両端側に配置されている。換言すると、セル積層体５０の両端側に第１セル２０が、配置されている。なお、セル積層体５０の両端側に配置されているとは、セル積層体５０の積層方向における両端から２セル以下のセルが配置されていることをいう。

ここで、第１セル２０及び第２セル３０について、図３を参照しながら説明する。

図３は、図２に示す燃料電池１０１におけるセル積層体５０の概略構成を模式的に示す断面図である。

図３に示すように、第１セル２０と第２セル３０は、基本的構成は同じであるため、まず、共通する構成について説明する。

第１及び第２セル２０、３０は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極積層体）３と、ガスケット４と、アノードセパレータ５ａと、カソードセパレータ５ｂと、を有している。

ＭＥＡ３は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（電解質層）１とアノード２ａとカソード２ｂを有している。高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード２ａとカソード２ｂ（これらを、ガス拡散電極という）がそれぞれ設けられている。アノード２ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金触媒にルテニウムを添加し、耐ＣＯ被毒性を付与した触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするアノード触媒層と、アノード触媒層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層と、を有している。同様に、カソード２ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするカソード触媒層と、カソード触媒層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層と、を有している。

アノード２ａ及びカソード２ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対の略矩形のリング状に形成されたフッ素ゴム製のガスケット４が配設されている。これにより、燃料ガス、空気や酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、セル１１内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。

そして、ＭＥＡ３とガスケット４を挟むように、導電性のアノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｂが配設されている。これらのセパレータ５ａ、５ｂは、黒鉛板に、フェノール樹脂が含浸され硬化された樹脂含浸黒鉛板が用いられる。また、ＳＵＳ等の金属材料からなるものを用いてもよい。アノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｂにより、ＭＥＡ３が機械的に固定されるとともに、隣接するＭＥＡ３同士が互いに電気的に直列に接続される。

また、アノードセパレータ５ａのＭＥＡ３と当接する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスを流すための溝状の燃料ガス流路６が形成されている。一方、アノードセパレータ５ａの他方の主面（以下、外面）には、冷却水を流すための溝状の冷却水流路９が形成されている。同様に、カソードセパレータ５ｂのＭＥＡ３と当接する一方の主面（以下、内面）には、酸化剤ガスを流すための溝状の酸化剤ガス流路７が形成されており、その外面には、冷却水を流すための溝状の冷却水流路９が形成されている。

なお、高分子電解質膜１、ガスケット４、アノードセパレータ５ａ、及びカソードセパレータ５ｂの周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔等の各マニホールド孔が設けられている（図３において、図示せず)。

次に、第１及び第２セル２０、３０におけるアノードセパレータ５ａについて、図４及び図５を参照しながら詳細に説明する。図４は、図３に示すセル積層体５０における第１セル２０のアノードセパレータ５ａの内面の概略構成を示す模式図であり、図５は、図３に示すセル積層体５０における第２セル３０のアノードセパレータ５ａの内面の概略構成を示す模式図である。なお、図４及び図５において、アノードセパレータ５ａにおける上下方向を図における上下方向として表している。

図４に示すように、第１セル２０のアノードセパレータ５ａの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる第１混合ガス供給マニホールド孔２１、第２混合ガス供給マニホールド孔２２、混合ガス排出マニホールド孔２３、酸化剤ガス供給マニホールド孔２４、酸化剤ガス排出マニホールド孔２５、冷却水供給マニホールド孔２６及び冷却水排出マニホールド孔２７が設けられている。具体的には、アノードセパレータ５ａの一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部には、冷却水供給マニホールド孔２６が設けられ、その下部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔２５が設けられている。また、冷却水供給マニホールド孔２６の上部の内側には、第２混合ガス供給マニホールド孔２２が設けられ、さらに、その上部には、第１混合ガス供給マニホールド孔２１が設けられている。一方、アノードセパレータ５ａの他方の側部（以下、第２の側部という）の上部には、酸化剤ガス供給マニホールド孔２４が設けられ、その下部には、冷却水排出マニホールド孔２７が設けられている。また、冷却水排出マニホールド孔２７の下部の内側には、混合ガス排出マニホールド孔２３が設けられている。なお、ここでは、第２混合ガス供給マニホールド孔２２は、第１混合ガス供給マニホールド孔２１よりも、その開口面積が小さくなるように形成されている。

そして、第１セル２０のアノードセパレータ５ａの内面には、第１混合ガス供給マニホールド孔２１と混合ガス排出マニホールド孔２３とを結ぶようにして、サーペンタイン状に燃料ガス流路６が形成されている。燃料ガス流路６は、第１接続部６ａ、本体部６ｂ、及び第２接続部６ｃを有しており、第１接続部６ａは、第１混合ガス供給マニホールド孔２１と本体部６ｂの上流端とを接続するように形成されている。また、第２接続部６ｃは、本体部６ｂの下流端と混合ガス排出マニホールド孔２３とを接続するように構成されている。本体部６ｂは、水平方向に延びる水平部と鉛直方向に延びる鉛直部から構成されている。

また、図５に示すように、第２セル３０のアノードセパレータ５ａには、第１セル２０のアノードセパレータ５ａと同様に、第１混合ガス供給マニホールド孔２１等の各マニホールド孔が設けられている。そして、第２セル３０のアノードセパレータ５ａにおける燃料ガス流路６は、第２混合ガス供給マニホールド孔２２と混合ガス排出マニホールド孔２３とを結ぶようにサーペンタイン状に形成されている。具体的には、第１接続部６ａは、第２混合ガス供給マニホールド孔２２と本体部６ｂの上流端とを接続し、第２接続部６ｃは、本体部６ｂの下流端と混合ガス排出マニホールド孔２３とを接続するように形成されている。

なお、本実施の形態では、第２混合ガス供給マニホールド孔２２は、第１混合ガス供給マニホールド孔２１よりも、その開口面積が小さくなるように形成されているが、これに限定されず、第１混合ガス供給マニホールド孔２１及び第２混合ガス供給マニホールド孔２２のそれぞれに供給される第１混合ガス及び第２混合ガスの流量に応じて、任意に設計することができる。例えば、第２混合ガス供給マニホールド孔２２及び第１混合ガス供給マニホールド孔２１は、その開口面積が略同一となるように形成されていてもよい。また、第２混合ガス供給マニホールド孔２２は、第１混合ガス供給マニホールド孔２１よりも、その開口面積が大きくなるように形成されていてもよい。

また、本実施の形態では、燃料ガス流路６は、３つの流路で形成されているが、これに限定されず、本発明の効果を損なわない範囲で任意に設計することができる。また、燃料ガス流路６は、サーペンタイン状に限られず、流路の一方の主流路と他方の主流路との間に複数の支流路を形成するような構成としてもよく、複数の流路が互いに並走するような構成としてもよい。また、カソードセパレータ５ｂは、その内面に、酸化剤ガス供給マニホールド孔２４と酸化剤ガス排出マニホールド孔２５とを接続するように酸化剤ガス流路７が形成されている点以外は、アノードセパレータ５ａと同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。

このように形成した第２セル３０をその厚み方向に積層し、その両端に第１セル２０を２セル積層することにより、セル積層体５０が形成される。このとき、アノードセパレータ５ａ、カソードセパレータ５ｂ、高分子電解質膜１及びガスケット４に設けられた第１混合ガス供給マニホールド孔２１等の各マニホールド孔は、第１及び第２セル２０、３０を積層したときに厚み方向につながって、第１混合ガス供給マニホールド５１等の各マニホールドが、それぞれ形成される（図２参照）。なお、各セパレータ５ａ、５ｂの外面に設けられた冷却水流路８は、セル１１が積層されたとき互いに接合するように形成されており、両者で１つの冷却水流路が形成されている。また、各セパレータ５ａ、５ｂの外面には、冷却水が燃料ガス供給マニホールド孔２１等にリークしないように、Ｏリング等のシール部材が配設され、それにより冷却水流路等がシールされている。

次に、燃料電池システム１００について、図１を参照しながら詳細に説明する。

燃料処理器１０２は、バーナ１０２ａ、改質器、変成器、及び浄化器（図示せず）を有しており、図示されない原料供給器から供給された原料ガス（例えば、メタンガス）と別途供給された水とを反応させて水素を生成するように構成されている。具体的には、改質器で、原料ガスと水とを改質反応させて、水素リッチな改質ガスが生成される。この改質ガスには、一酸化炭素（以下、ＣＯ）が含まれているため、変成器及び浄化器で、変成反応及び選択反応させることにより、ＣＯが数ｐｐｍ〜数十ｐｐｍ程度まで低減された燃料ガスが生成される。また、バーナ１０２ａには、原料ガス又は燃料電池１０１で使用されなかった燃料ガス（以下、オフガスという）が供給される。そして、バーナ１０２ａでは、これらのガスを燃焼させて燃焼ガスが生成され、生成された燃焼ガスの伝熱を利用して、改質器、変成器及び浄化器が加熱される。

燃料処理器１０２には、第１混合ガス供給路６１の上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池１０１の第１混合ガス供給マニホールド５１に接続されている（図２参照）。また、第１混合ガス供給路６１の途中には、第２混合ガス供給路６２の上流端が接続されており、第２混合ガス供給路６２の下流端は、燃料電池１０１の第２混合ガス供給マニホールド５２と接続されている（図２参照）。換言すると、第２混合ガス供給路６２は、第１混合ガス供給路６１から分岐されている。さらに、燃料電池１０１の混合ガス排出マニホールド５３には、混合ガス排出路６３の上流端が接続されており（図２参照）、その下流端は、燃料処理器１０２のバーナ１０２ａに接続されている。

これにより、燃料処理器１０２で生成された燃料ガスが、第１混合ガス供給路６１、第１混合ガス供給マニホールド５１、及び燃料ガス流路６、又は、第２混合ガス供給路６２、第２混合ガス供給マニホールド５２、及び燃料ガス流路６を通流して各第１及び第２セル２０、３０のアノード２ａに供給される。また、燃料電池１０１で使用されなかった燃料ガスが、混合ガス排出路６３を介してオフガスとしてバーナ１０２ａに供給される。

酸化剤ガス供給器１０３は、ここでは、ブロアで構成されており、燃料電池１０１の各第１及び第２セル２０、３０のカソード２ｂに酸化剤ガス（空気）を供給する。具体的には、酸化剤ガス供給器１０３には、酸化剤ガス供給路６４の上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池１０１の酸化剤ガス供給マニホールド５４に接続されている（図２参照）。また、燃料電池１０１の酸化剤ガス排出マニホールド５５には、酸化剤ガス排出路６５の上流端が接続されており（図２参照）、その下流端は、大気に開放されている。そして、酸化剤ガス供給路６４の第２エアブリードガス供給路６４の接続点より下流側と酸化剤ガス排出路６５とに跨って全熱交換器１０６が設けられている。

これにより、酸化剤ガス供給器１０３から酸化剤ガス供給路６４に供給された酸化剤ガス（以下、供給酸化剤ガス）は、全熱交換器１０６を通流するときに、燃料電池１０１から排出された酸化剤ガス（以下、排出酸化剤ガス）と熱及び水分交換を行い、所定の温度及び湿度を有するように加熱及び加湿される。そして、この所定の温度及び湿度を有する酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド５４及び酸化剤ガス流路７を通流して、各第１及び第２セル２０、３０のカソード２ｂに供給される。

また、酸化剤ガス供給器１０３は、各第１及び第２セル２０、３０のアノード２ａにエアブリードガス（空気）を供給する。具体的には、酸化剤ガス供給路６４の途中に、第１エアブリードガス供給路６８の上流端が接続されており、その下流端は、第１混合ガス供給路６１の第２混合ガス供給路６２が分岐する点より下流側と接続されている。また、酸化剤ガス供給路６４の第１エアブリードガス供給路６８との接続点より下流側には、第２エアブリードガス供給路６９の上流端が接続されており、その下流端は、第２混合ガス供給路６２に接続されている。そして、第１及び第２エアブリードガス供給路６８、６９の途中には、第１及び第２流量調整器１０７、１０８及びガスの逆流を防止するための逆止弁（図示せず）が設けられている。第１及び第２流量調整器１０７、１０８は、ここでは、開調弁を使用しているが、これに限定されず、第１及び第２エアブリードガス供給路６８、６９を通流するガスの流量を調整することができればよい。例えば、ニードルバルブを使用してもよい。

このように、本実施の形態においては、酸化剤ガス供給器１０３が、エアブリードガス供給器として使用され、エアブリードガス供給機構は、酸化剤ガス供給器１０３、第１混合ガス供給路６１、第２混合ガス供給路６２、第１エアブリードガス供給路６８、第２エアブリードガス供給路６９、第１流量調整器１０７、及び第２流量調整器１０８により構成される。

これにより、エアブリードガスが、酸化剤ガス供給路６４、第１エアブリードガス供給路６８、第１混合ガス供給マニホールド５１及び第１セル２０の燃料ガス流路６を通流して、第１セル２０のアノード２ａに供給され、同様に、酸化剤ガス供給路６４、第２エアブリードガス供給路６９、第２混合ガス供給マニホールド５２及び第２セル３０の燃料ガス流路６を通流して、第２セル３０のアノード２ａに供給される。このとき、第１又は第２流量調整器１０７、１０８が、第１又は第２エアブリードガス供給路６８、６９を通流するエアブリードガスの流量を調整することにより、第１又は第２セル２０、３０のアノード２ａに供給されるエアブリードガスの流量が調整される。

なお、第１及び第２エアブリードガス供給路６８、６９は、酸化剤ガス供給路６４の全熱交換器１０６の上流側で接続されているため、第１及び第２混合ガス供給路６１、６２には、加湿されていない空気が供給される。また、本実施の形態においては、第１エアブリードガス供給路６８の下流端を第１混合ガス供給路６１の第２混合ガス供給路６２が分岐する点より下流側に接続する構成としたが、これに限定されず、第１混合ガス供給路６１の第２混合ガス供給路６２が分岐する点より上流側に接続するような構成としてもよい。

また、燃料電池１０１の冷却水排出マニホールド５７には、冷却水排出路６７の上流端が接続されており（図２参照）、その下流端は冷却水タンク１０４に接続されている。また、冷却水タンク１０４には、冷却水供給路６６の上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池１０１の冷却水供給マニホールド５６と接続されている（図２参照）。冷却水供給路６６の途中には、ポンプ１０９と冷却水供給路６６を通流する冷却水を所定の温度に調整するための温度調整器（図示せず）が設けられている。

これにより、燃料電池１０１に供給された冷却水が、燃料電池１０１から排熱を回収するため、燃料電池１０１が所定の温度に保たれる。また、回収した排熱は、冷却水タンク１０４に蓄積され、所定の用途に利用される。

また、燃料電池１０１には、第１セル２０及び第２セル３０の電圧値を検出するための電圧検出器１１０が設けられている。具体的には、電圧検出器１１０は、第１及び第２セル２０、３０のセパレータ５ａ、５ｂに設けられた電気出力端子（図示せず）間に接続され、電圧を検出する。そして、電圧検出器１１０は、検出した電圧値を制御器１０５に伝達する。なお、電圧検出器１１０として、ここでは、マイコンのアナログポートによる読み込み方式を使用しているが、これに限定されず、セルの電圧を検出することができれば、ＡＤコンバータを使用してもよい。

次に、制御器１０５について説明する。

制御器１０５は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算処理部、メモリ等からなる記憶部、モニター等の表示部、キーボード等の操作入力部、及びカレンダー機能を有する時計部を有している（いずれも図示せず）。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池システム１００に関する各種の制御を行う。また、演算処理部は、記憶部に記憶されたデータや操作入力部から入力されたデータを処理し、特に、電圧検出器１１０から伝達された燃料電池１０１の第１及び第２セル２０、３０の電圧値情報を基にアノード２ａに供給されるエアブリードガスの流量を調整する。

ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システムの制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器１０５は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システムを制御するように構成されていてもよい。

[燃料電池システムの動作]
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の一般的動作（運転方法）について説明する。なお、以下の諸動作は、制御器１０５が燃料電池システム１００を制御することにより遂行される。

まず、燃料処理器１０２のバーナ１０２ａに原料ガス、又はオフガスが供給され、これらのガスがバーナ１０２ａで燃焼されて燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスによって、燃料処理器１０２の改質器、変成器、及び浄化器が、それぞれ加熱される。そして、燃料処理器１０２の改質器に原料ガスと水が供給され、改質器では、原料ガスと水とを改質反応させて、水素を含む改質ガスが生成される。ついで、この改質ガスが、変成器に供給されて、変成器では、改質ガス中に含まれるＣＯと水とを変成反応させて、水素と二酸化炭素を生成させる。次に、この変成反応後のガスが、浄化器に供給される。浄化器では、変成反応後のガス中に含まれるＣＯと別途供給された空気（酸素）とを選択反応させて、二酸化炭素が生成され、ＣＯが数ｐｐｍ〜数十ｐｐｍ程度で低減された燃料ガスが生成される。

そして、この生成された燃料ガスが、第１混合ガス供給路６１、第１混合ガス供給マニホールド５１、及び第１セル２０のアノードセパレータ５ａに設けられた燃料ガス流路６を順に通流し、第１セル２０のアノード２ａに供給される。また、同様に、第２セル３０のアノード２ａに、燃料ガスが、第２混合ガス供給路６２、第２混合ガス供給マニホールド５２、及び第２セル３０のアノードセパレータ５ａに設けられた燃料ガス流路６を順に通流して、供給される。

一方、酸化剤ガス供給器１０３から、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給路６４、酸化剤ガス供給マニホールド５４、第１及び第２セル２０、３０に設けられた酸化剤ガス流路７を順に通流して、第１及び第２セル２０、３０のカソード２ｂに供給される。このとき、酸化剤ガス供給路６４を通流する酸化剤ガスの一部が、エアブリードガスとして、第１及び第２エアブリードガス供給路６８、６９を通流して、第１及び第２混合ガス供給路６１、６２に供給される。なお、第１混合ガス供給マニホールド５１に供給される燃料ガス及びエアブリードガスを第１混合ガスといい、第２混合ガス供給マニホールド５２に供給される燃料ガス及びエアブリードガスを第２混合ガスという。

このとき、制御器１０５は、第１及び第２流量調整器１０７、１０８に流量調整指令を出力し、第１及び第２流量調整器１０７、１０８は、それぞれ、第１及び第２エアブリードガス供給路６８、６９を通流するエアブリードガスの流量を調整して、第２混合ガス中に含まれるエアブリードガスの割合（以下、第２の割合）が、第１混合ガス中に含まれるエアブリードガスの割合（以下、第１の割合）以上となるように調整する。そして、このエアブリードガスは、第１及び第２混合ガス供給路６１、６２から、それぞれ第１及び第２セル２０、３０のアノード２ａに供給される。なお、エアブリードガスの流量の調整、すなわち、第１及び第２セル２０、３０に供給される第１及び第２混合ガス中のエアブリードガスの割合の調整については、後述する。

燃料電池１０１では、アノード２ａに供給された燃料ガスと、カソード２ｂに供給された酸化剤ガスとが電気化学的に反応して、電気と熱が生成される。また、燃料ガス中に僅かに含まれるＣＯにより、アノード２ａの触媒が被毒されて（アノード２ａの触媒にＣＯが吸着して）、アノード２ａが分極して発電性能が低減するが、本実施の形態においては、アノード２ａに供給されたエアブリードガスが吸着したＣＯと反応して、アノード２ａの発電性能が回復する。

そして、燃料電池１０１で使用されなかった燃料ガスは、混合ガス排出マニホールド５３及び混合ガス排出路６３を通流して、燃料処理器１０２のバーナ１０２ａにオフガスとして供給される。また、燃料電池１０１で使用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出マニホールド５５及び酸化剤ガス排出路６５を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。なお、酸化剤ガス排出路６５を通流する排出酸化剤ガスは、全熱交換器１０６で、酸化剤ガス供給路６４を通流する供給酸化剤ガスと熱及び水分交換を行う。

また、燃料電池１０１（正確には、冷却水供給マニホールド５６の入口）には、冷却タンク１０４から冷却水が、冷却水供給路６６を介して供給される。燃料電池１０１に供給された冷却水は、冷却水供給マニホールド５６及び冷却水流路８を通流し、燃料電池１０１で生成された熱を回収する。冷却水流路８を通流した冷却水は、冷却水排出マニホールド５７及び冷却水排出路６７を通流して冷却水タンク１０４に供給される。これにより、燃料電池１０１に供給された冷却水が、燃料電池１０１から排熱を回収するため、燃料電池１０１が所定の温度に保たれる。

次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００のエアブリードガス流量の調整について、図６を参照しながら説明する。

図６は、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００における制御器１０５の記憶部に格納されたエアブリードガス流量調整プログラムを概略的に示すフローチャートである。本エアブリードガス流量調整プログラムは、燃料電池システム１００の水素生成装置１０２の起動とともに、起動され、また、水素生成装置１０２の停止とともに停止される。

まず、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００が、未だ運転を開始したことがないとする。この場合、フラグＦが０に設定されている。また、第１及び第２流量調整器１０７、１０８に流量調整の指令を出力した回数Ｎが記憶されている。

ステップＳ１では、制御器１０５の演算処理部は、記憶部に記憶されているフラッグＦが１であるかを判断する。本実施の形態１に係る燃料電池システム１００が、初めて運転を開始されたときは、フラグＦが０であるため、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、演算処理部は、記憶部に記憶されている流量調整指令回数Ｎを０にリセットする（ステップＳ２）。ついで、演算処理部は、フラグＦを１にする（ステップＳ３）。

次に、制御器１０５の演算処理部は、電圧検出器１１０から第１セル２０の電圧値Ｖ１及び第２セル３０の電圧値Ｖ２をそれぞれ取得する（ステップＳ４）。そして、演算処理部は、ステップＳ４で取得した電圧値Ｖ１と電圧値Ｖ２との差を算出し、この電圧値Ｖ１と電圧値Ｖ２との差が、記憶部に記憶されている閾値Ｖｔｈ（例えば、１０ｍＶ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。閾値Ｖｔｈ以上である場合には、ステップＳ６に進み、閾値より小さい場合には、ステップＳ１に戻る。

次に、演算処理部は、記憶部から流量調整指令回数Ｎ（ここでは、Ｎ＝０）を取得する（ステップＳ６）。ついで、演算処理部は、記憶部に記憶されている流量調整指令回数−流量対比テーブルからステップＳ６で取得した流量調整指令回数Ｎに対応する第１の流量ＦＲ（例えば、燃料ガスに含まれる水素の０．５％）及び第２の流量ＦＲ（例えば、燃料ガスに含まれる水素の１．０％）を取得する（ステップＳ７）。なお、流量調整指令回数−流量対比テーブル内の第１及び第２の流量ＦＲは、セル積層体５０におけるセルの積層数、燃料電池１０１内の設定温度、及び燃料電池システム１００の運転時間等によって異なるものであり、予め実験により求められたものである。また、このテーブルにおいて、流量ＦＲは、流量調整指令回数Ｎが増大するに連れて、増大するようになっている。

次に、制御器１０５の演算処理部は、第１及び第２流量調整器１０７、１０８に第１及び第２混合ガス供給路６１、６２を通流するエアブリードガスが、それぞれ第１及び第２の流量ＦＲになるように調整指令を出力する（ステップＳ８）。これにより、第１及び第２流量調整器１０７、１０８は、それぞれ、第１及び第２の流量ＦＲになるように、弁の開度を調整する。

次に、演算処理部は、記憶部に記憶された流量調整指令回数Ｎを１インクリメントする。ここでは、Ｎ＝１となる（ステップＳ９）。そして、ステップＳ１に戻る。

制御器１０５の演算処理部は、ステップＳ５又はステップＳ９からステップＳ１に戻った場合や本エアブリードガス流量調整プログラムが２回目以降に起動された場合には、フラグＦが１であるため、ステップＳ１からステップＳ４に進む。これ以降、ステップＳ４〜Ｓ９、Ｓ１の処理が繰り返される。

このようにして、本実施の形態１に係る燃料電池システムでは、第１及び第２セル２０、３０の電圧値を検出することにより、セル積層体５０の温度分布によって異なるＣＯ被毒の分布を検出する。そして、燃料電池１０１のＣＯ被毒がそれほど進行していない第１セル２０のアノード２ａには、燃料ガス流路６に供給される混合ガス中のエアブリードガスの割合が、所定の割合（第１の割合）となるように調整する。また、ＣＯ被毒が進行している第２セル３０のアノード２ａには、燃料ガス流路６に供給される混合ガス中のエアブリードガスの割合が、第１の割合以上である第２の割合となるように調整する。

これにより、第２セル３０のアノード２ａの発電性能の低下を充分に防止することができる。また、第１セル２０のアノード２ａに供給されるエアブリードガスが燃料ガスと燃焼反応を起こすことがなく、燃料ガスの発電への寄与率（発電効率）の低下を防止することができる。

なお、本実施の形態１では、第１及び第２セル２０、３０のアノードセパレータ５ａ及びカソードセパレータ５ｂのそれぞれに冷却水流路８を設ける構成としたが、これに限定されず、第１及び第２セル２０、３０のアノードセパレータ５ａのみ、又は、第１及び第２セル２０、３０のカソードセパレータ５ｂのみに冷却水流路８を設ける構成としてもよい。

また、第１混合ガス中のエアブリードガスの割合（第１の割合）及び第２混合ガス中のエアブリードガスの割合（第２の割合）は、第１及び第２混合ガス供給路６１、６２８正確には、第１及び第２混合ガス供給マニホールド５１、５２）を通流する燃料ガスの流量を実験等で求めておき、その流量を基に、第１及び第２混合ガス供給路６１、６２を通流するエアブリードガスの流量を調整してもよい。さらに、第１及び第２混合ガス供給路６１、６２を通流する燃料ガスの流量を流量検出器により検出して、その検出された流量を基に、第１及び第２混合ガス供給路６１、６２を通流するエアブリードガスの流量を調整してもよい。

次に、セル積層体５０の３分した３つの部分のうちの両端の部分について、以下の実験例を基に説明する。

[実験例１]
まず、図２に示す燃料電池１０１の第２混合ガス供給マニホールドが設けられていないもの（すなわち、通常の燃料電池）を用いて、水素ガス（８０％）と二酸化炭素（２０％）からなる燃料ガスを供給したときの各セルの電圧値Ｖ_x及び水素ガス（８０％）と二酸化炭素（２０％）と一酸化炭素（１０ｐｐｍ）からなる燃料ガスを供給したときの各セルの電圧値Ｖ_coをそれぞれ検出した。ついで、電圧低下量（Ｖ_x−Ｖ_co）をそれぞれ算出し、セル積層体５０における一方の端部に位置するセルの電圧低下量を基準としたときの各セルの電圧検出低下量差を算出した。図７は、この実験例１の結果を示した表である。なお、図７において、セル積層体５０における一方の端部に位置するセルをセルＣ１とし、セルの積層方向に順にセルＣ２、セルＣ３・・・とし、また、セル積層体５０における他方の端部に位置するセルをセルＡ１とし、積層方向に順にセルＡ２、セルＡ３・・・としている。また、セルＣ１の電圧低下量を基準として、各セルの電圧検出低下量差を示している。

図７に示すように、セル積層体５０の両端から２セル（セルＣ１、Ｃ２、Ａ１、Ａ２）では、セルＣ１を基準としたときの電圧低下量差が低く、セルのアノード２ａにおける耐ＣＯ被毒性が維持されていることがわかる。一方、セル積層体５０の残りのセル（セルＣ３〜セルＡ３）では、電圧低下量差が大きく、アノード２ａにおける耐ＣＯ被毒性が低下していることがわかる。このため、本発明においては、セル積層体５０の両端から２セル以下のセルをセル積層体５０の３分した３つの部分のうちの両端の部分として定義することが好ましい。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムは、基本的構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じであるが、燃料電池１０１におけるセル積層体５０の構造が、いわゆる２セル毎冷却方式となっている点が異なる。

図８は、本実施の形態２に係る燃料電池システムの燃料電池におけるセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。

図８に示すように、本実施の形態２におけるセル積層体５０では、セル積層体５０の３分した３つの部分のうち両側の部分が、第１セル２０が２セル積層されて構成されており、その残りの部分（中央部分）が、第１セル２０と第２セル３０とが交互に積層されて構成されている。また、第１セル２０のアノードセパレータ５ａのみに冷却水流路が設けられている。

このような本実施の形態２においても、実施の形態１と同様の作用効果を奏する。なお、本実施の形態においては、冷却水流路８を第１セル２０のアノードセパレータ５ａのみに設ける構成としたが、これに限定されず、第１セル２０のカソードセパレータ５ｂのみに設ける構成としてもよく、また、第１セル２０のアノードセパレータ５ａ及びカソードセパレータ５ｂの両方に設ける構成としてもよい。また、本実施の形態においては、セル積層体５０の３分した３つの部分のうち両側の部分を、第１セル２０が２セル積層される構成としたが、これに限定されず、第１セル２０が、１セル積層される構成としてもよい。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムは、基本的構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じであるが、燃料電池１０１における第２セル３０のアノードセパレータ５ａの内面に設けられている燃料ガス流路６が、図９に示すように構成されている。ここで、第２セル３０のアノードセパレータ５ａの内面の構成について、図９を参照しながら説明する。

図９は、本実施の形態３の第２セル３０のアノードセパレータ５ａの内面の概略構成を示す模式図である。

図９に示すように、本実施の形態３の第２セル３０のアノードセパレータ５ａの内面には、燃料ガス流路６が設けられている。燃料ガス流路６は、第１接続部６ａ、本体部６ｂ、及び第２接続部６ｃで構成されており、第１接続部６ａは、第１混合ガス接続部１６１と第２混合ガス接続部１６２を有している。第１混合ガス接続部１６１は、第１混合ガス供給マニホールド孔２１と本体部６ｂの上流端とを接続するように配設されている。また、第２混合ガス接続部１６２は、第１混合ガス接続部１６１と第２混合ガス供給マニホールド孔２２とを接続するように配設されている。そして、第１接続部６ａは、第１混合ガス供給マニホールド５１を通流する第１混合ガスと、第２混合ガス供給マニホールド５２を通流する第２混合ガスと、が、均一に混合されるように構成されている。

これにより、第２セル３０のアノードセパレータ５ａの燃料ガス流路６には、第１混合ガスに含まれるエアブリードガスの割合以上のエアブリードガスが供給されるため、本実施の形態２に係る燃料電池システムは、実施の形態１に係る燃料電池システムと同様の作用効果を奏する。

なお、本実施の形態においては、実施の形態１のように、いわゆる１セル毎冷却方式としたが、これに限定されず、実施の形態２のように、２セル毎冷却方式としてもよい。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムは、基本的構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じであるが、以下の点が異なる。

図１０は、本実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。

図１０に示すように、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００では、第２エアブリードガス供給路６９に代えて、第３エアブリードガス供給路７０が設けられている。第３エアブリードガス供給路７０の上流端は、酸化剤ガス供給路６４の第１エアブリードガス供給路６８との接続点より下流側に接続されており、その下流端は、エアブリードガス供給マニホールドに連通している。また、第３エアブリードガス供給路７０の途中には、第３流量調整器１１１が設けられている。さらに、第３エアブリードガス供給路７０の途中には、第３流量調整器１１１及びガスの逆流を防止するための逆止弁（図示せず）が設けられている。なお、第３流量調整器１１１は、ここでは、開調弁を使用しているが、これに限定されず、第３エアブリードガス供給路７０を通流するガスの流量を調整することができればよい。例えば、ニードルバルブを使用してもよい。

ここで、エアブリードガス供給マニホールドを構成するエアブリードガス供給マニホールド孔について、図１１を参照しながら説明する。

図１１は、本実施の形態４に係る燃料電池システムにおける第２セル３０のアノードセパレータ５ａの内面の概略構成を示す模式図である。

図１１に示すように、本実施の形態４の第２セル３０のアノードセパレータ５ａは、図９に示す実施の形態３の第２セル３０のアノードセパレータ５ａと基本的構成は同じであるが、第２混合ガス供給マニホールド孔２２に代えて、エアブリードガス供給マニホールド孔２８が設けられている。そして、エアブリードガス供給マニホールド孔２８は、第２混合ガス接続部１６２により第１混合ガス接続部１６１と接続されている。

これにより、第１接続部６ａは、第１混合ガス供給マニホールド孔２１（第１混合ガス供給マニホールド５１）を通流する燃料ガス及びエアブリードガス（第１混合ガス）と、エアブリードガス供給マニホールド孔２８を通流するエアブリードガスと、が、均一に混合され、第２混合ガスとして第２セル３０のアノード２ａに供給される。

なお、本実施の形態においては、第１セル２０の燃料ガス流路６に供給されるエアブリードガスの流量と第２セル３０の燃料ガスに供給されるエアブリードガスの流量が同じである場合には、第３流量調整器１１１は、弁を閉じて、エアブリードガス供給マニホールドにエアブリードガスを供給しないようにする。

また、本実施の形態においては、セル積層体５０の積層方向に３分した３つの部分のうち、両側の部分以外の残りの部分は、実施の形態１のように第２セル３０のみでもよく、また、実施の形態２のように第１セル２０と第２セル３０が交互に積層されてもよい。

このような構成とすることにより、第２セル３０の燃料ガス流路６に供給される第２混合ガス中のエアブリードガスの割合（第２の割合）が、第１セル２０の燃料ガス流路６に供給される第１混合ガス中のエアブリードガスの割合（第１の割合）以上になり、本実施の形態４に係る燃料電池システムによっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じ効果が得られる。

なお、上記実施の形態１〜４においては、第２の割合が第１の割合以上となるように調整するとしたが、本発明の効果を顕著に得るという観点から、第２の割合が第１の割合より大きくなるように調整することがより好ましい。

また、上記実施の形態１〜４においては、第１及び第２セル２０、３０の電圧値を検出して、エアブリードガスの流量を調整する構成としたが、これに限定されず、第１及び第２セルの温度を検出して、エアブリードガスの流量を調整してもよく、また、燃料電池システムの耐久試験の経験則から運転時間や起動停止回数によって、エアブリードガスの流量を調整してもよい。

また、上記実施の形態１〜４においては、酸化剤ガス供給器１０３からエアブリードガスを供給する構成としたが、これに限定されず、別途エアブリードガス供給器を設ける構成としてもよい。

さらに、上記実施の形態１〜４においては、燃料電池１０１内に２つの混合ガス供給マニホールドを設けて、エアブリードガスの流量を２種類に分けて供給する構成としたが、これに限定されず、燃料電池１０１内に混合ガス供給マニホールドを３以上設けてもよく、また、燃料電池１０１内の温度分布を両端側の部分とそれ以外の部分とに２つに分ける構成としたが、これに限定されず、燃料電池１０１内の温度分布を３以上に分割して、その分割した温度分布毎に流量を変更したエアブリードガスを供給するような構成としてもよい。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックのアノードの発電性能の低下を抑制できるので、燃料電池の技術分野で有用である。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図１に示す燃料電池の概略構成を模式的に示す斜視図である。 図２に示す燃料電池におけるセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。 図３に示すセル積層体における第１セルのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。 図３に示すセル積層体における第２セルのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。 本実施の形態１に係る燃料電池システムにおける制御器の記憶部に格納されたエアブリードガス流量調整プログラムの概略的に示すフローチャートである。 実験例１の結果を示した表である。 本実施の形態２に係る燃料電池システムの燃料電池におけるセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。 本実施の形態３の第２セルのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。 本実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である 本実施の形態４に係る燃料電池システムにおける第２セルのアノードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。

符号の説明

１ 高分子電解質膜
２ａ アノード
２ｂ カソード
３ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極積層体）
４ ガスケット
５ａ アノードセパレータ
５ｂ カソードセパレータ
６ 燃料ガス流路
６ａ 第１接続部
６ｂ 本体部
６ｃ 第２接続部
７ 酸化剤ガス流路
８ 冷却水流路
２０ 第１セル
２１ 第１混合ガス供給マニホールド孔
２２ 第２混合ガス供給マニホールド孔
２３ 混合ガス排出マニホールド孔
２４ 酸化剤ガス供給マニホールド孔
２５ 酸化剤ガス排出マニホールド孔
２６ 冷却水供給マニホールド孔
２７ 冷却水排出マニホールド孔
３０ 第２セル
４０ａ 端板
４０ｂ 端板
５０ セル積層体
５１ 第１混合ガス供給マニホールド
５２ 第２混合ガス供給マニホールド
５３ 混合ガス排出マニホールド
５４ 酸化剤ガス供給マニホールド
５５ 酸化剤ガス排出マニホールド
５６ 冷却水供給マニホールド
５７ 冷却水排出マニホールド
６１ 第１混合ガス供給路
６２ 第２混合ガス供給路
６３ 混合ガス排出路
６４ 酸化剤ガス供給路
６５ 酸化剤ガス排出路
６６ 冷却水供給路
６７ 冷却水排出路
１００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池
１０２ 燃料処理器
１０２ａ バーナ
１０３ 酸化剤ガス供給器
１０４ 冷却水タンク
１０５ 制御器
１０６ 全熱交換器
１０７ 第１流量調整器
１０８ 第２流量調整器
１０９ ポンプ
１１０ 電圧検出器
１１１ 第３流量調整器
１６１ 第１混合ガス接続部
１６２ 第２混合ガス接続部

Claims (18)

1. 燃料ガス及びエアブリードガスを所定の割合（以下、第１の割合）で含む第１混合ガス、並びに、燃料ガス及びエアブリードガスを前記第１の割合以上である第２の割合で含む第２混合ガスをそれぞれ取りだすことが可能な態様で燃料ガス及びエアブリードガスを供給する混合ガス供給マニホールド群と、触媒をそれぞれ含むアノード及びカソードと前記アノード及び前記カソードの間に配置されている高分子電解質膜と前記アノードに接触しながら燃料ガスが流れるように形成された燃料ガス流路と前記カソードに接触しながら酸化剤ガスが流れるように形成された酸化剤ガス流路とを有する複数のセルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体に所定数のセルの間隔で前記セルの境界部に形成された冷却水流路と、を有する燃料電池と、
   前記混合ガス供給マニホールド群に、前記エアブリードガスを供給するためのエアブリードガス供給機構と、を備え、
   前記セル積層体の積層方向に３分した３つの部分のうち、両側の部分は、前記第１混合ガスが供給されるように、その燃料ガス流路の上流端が前記混合ガス供給マニホールド群に接続されているセル（以下、第１セル）のみで構成されており、残りの部分は、前記第２混合ガスが供給されるように、その燃料ガス流路の上流端が前記混合ガス供給マニホールド群に接続されているセル（以下、第２セル）を含んで構成されている、燃料電池システム。
2. 前記混合ガス供給マニホールド群は、前記第１混合ガスを供給するための第１混合ガス供給マニホールドと前記第２混合ガスを供給するための第２混合ガス供給マニホールドとから構成され、
   前記第１セルの前記燃料ガス流路の上流端は、前記第１混合ガス供給マニホールドに接続され、
   前記第２セルの前記燃料ガス流路の上流端は、前記第２混合ガス供給マニホールドに接続されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記混合ガス供給マニホールド群は、前記第１混合ガスを供給するための第１混合ガス供給マニホールドと燃料ガス及びエアブリードガスを含む混合ガスを供給するための第２混合ガス供給マニホールドとから構成され、
   前記第１セルの前記燃料ガス流路の上流端は、前記第１混合ガス供給マニホールドに接続され、
   前記第２セルの前記燃料ガス流路の上流端は、前記第１混合ガス供給マニホールドと前記第２混合ガス供給マニホールドとの両方に接続されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記混合ガス供給マニホールド群は、前記第１混合ガスを供給するための第１混合ガス供給マニホールドとエアブリードガスを供給するためのエアブリードガス供給マニホールドとから構成され、
   前記第１セルの前記燃料ガス流路の上流端は、前記第１混合ガス供給マニホールドに接続され、
   前記第２セルの前記燃料ガス流路の上流端は、前記第１混合ガス供給マニホールドと前記エアブリードガス供給マニホールドとの両方に接続されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記セル積層体の前記残りの部分は、前記第２セルのみで構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
6. １セル間隔で前記セルの境界部に、前記冷却水流路が形成されている、請求項５に記載の燃料電池システム
7. 前記セル積層体の前記残りの部分は、前記第１セルと前記第２セルが交互に積層されて構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. ２セル間隔で前記セルの境界部に、前記冷却水流路が形成されている、請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記セル積層体の両側の部分は、該セル積層体の両端から２セル以下のセルで構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
10. 前記第１混合ガス供給マニホールドにその下流端が連通する第１混合ガス供給路と、
    前記第２混合ガス供給マニホールドにその下流端が連通する第２混合ガス供給路と、
    前記第１及び第２混合ガス供給路に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給機構と、を備え、
    前記エアブリードガス供給機構は、エアブリードガス供給器と、その上流端が前記エアブリードガス供給器に接続され、その下流端が前記第１混合ガス供給路に連通する第１エアブリードガス供給路と、前記第１エアブリードガス供給路に設けられ、該第１エアブリードガス供給路を通流するエアブリードガスの流量を調整するための第１流量調整器と、その上流端が前記エアブリードガス供給器に接続され、その下流端が前記第２混合ガス供給マニホールドに連通する第２エアブリードガス供給路と、前記第２エアブリードガス供給路に設けられ、該第２エアブリードガス供給路を通流するエアブリードガスの流量を調整するための第２流量調整器と、を有している、請求項２及び３に記載の燃料電池システム。
11. 前記第１混合ガス供給マニホールドにその下流端が連通する第１混合ガス供給路と、
    前記第１混合ガス供給路に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給機構と、を備え、
    前記エアブリードガス供給機構は、エアブリードガス供給器と、その上流端が前記エアブリードガス供給器に接続され、その下流端が前記第１混合ガス供給路に連通する第１エアブリードガス供給路と、前記第１エアブリードガス供給路に設けられ、該第１エアブリードガス供給路を通流するエアブリードガスの流量を調整するための第１流量調整器と、その上流端が前記エアブリードガス供給器に接続され、その下流端が前記エアブリードガス供給マニホールドに連通する第３エアブリードガス供給路と、前記第３エアブリードガス供給路に設けられ、該前記第３エアブリードガス供給路を通流するエアブリードガスの流量を調整するための第３流量調整器と、を有している、請求項４に記載の燃料電池システム。
12. 前記酸化剤ガス供給マニホールドにその下流端が連通する酸化剤ガス供給路と、
    前記酸化剤ガス供給路の上流端に接続され該酸化剤ガス供給路を通じて前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器と、を備え、
    前記第１エアブリードガス供給路の上流端は、前記酸化剤ガス供給路と連通し、
    前記第２エアブリードガス供給路の上流端は、前記酸化剤ガス供給路と連通し、
    前記エアブリード供給器は、前記酸化剤ガス供給器である、請求項１０に記載の燃料電池システム。
13. 前記酸化剤ガス供給マニホールドにその下流端が連通する酸化剤ガス供給路と、
    前記酸化剤ガス供給路の上流端に接続され該酸化剤ガス供給路を通じて前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器と、を備え、
    前記第１エアブリードガス供給路の上流端は、前記酸化剤ガス供給路と連通し、
    前記第３エアブリードガス供給路の上流端は、前記酸化剤ガス供給路と連通し、
    前記エアブリード供給器は、前記酸化剤ガス供給器である、請求項１１に記載の燃料電池システム。
14. 前記第２の割合が前記第１の割合以上になるように、前記エアブリードガス供給機構を制御する制御器を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
15. 前記第２の割合が前記第１の割合以上になるように、前記第１及び第２流量調整器を制御する制御器を備える、請求項１０に記載の燃料電池システム。
16. 前記第２の割合が前記第１の割合以上になるように、前記第１及び第３流量調整器を制御する制御器を備える、請求項１１に記載の燃料電池システム。
17. 制御器と、
    前記第１及び第２セルの電圧値を検出する電圧検出器を備え、
    前記制御器は、前記電圧検出器で検出された第１及び第２セルの電圧値に基づいて、前記第１及び第２流量調整器を制御する、請求項１０に記載の燃料電池システム。
18. 制御器と、
    前記第１及び第２セルの電圧値を検出する電圧検出器を備え、
    前記制御器は、前記電圧検出器で検出された第１及び第２セルの電圧値に基づいて、前記第１及び第３流量調整器を制御する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
    

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